Chương 2 NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT
2.2. Lý thuyết phun nhiên liệu và phân tích chùm tia phun
2.2.1.3. Ảnh hưởng của đường kính lỗ tia phun trong q trình mơ phỏng phun
nhiên liệu trong AVL Fire
Ảnh hưởng của kim phun nhiên liệu rất quan trọng đối với hiệu suất và khí thải của động cơ diesel. Một trong những vấn đề khó khăn nhất gặp phải trong q trình phát triển động cơ Diesel Common Rail hoạt động ở tốc độ cao là phải ngun tử hóa nhiên liệu thích hợp trong buồng đốt trong thời gian cực ngắn. Một số thơng số quan trọng bao gồm kích thước lỗ tia phun, xâm thực, độ côn của chùm tia, vận tốc nhiên liệu, mật độ khơng khí mà nhiên liệu được bơm vào ảnh hưởng đến việc tăng cường nguyên tử hóa nhiên liệu. Nguyên tử hóa chủ yếu xảy ra do xâm thực và nhiễu loạn trong vùng lân cận của kim phun. Kết quả thử nghiệm cho thấy rằng lỗ có đường kính đầu ra nhỏ hơn làm tăng hệ số phun đến phạm vi nhất định gây ra sự gia tăng q trình ngun tử hóa nhiên liệu.
Quá trình phun nhiên liệu ảnh hưởng rất nhiều đến cơng suất của động cơ, tuy nhiên trong q trình phun khơng thể tránh khỏi hiện tượng xâm thực, nó làm giảm hiệu suất phun và làm xói mịn kim phun. Để hạn chế xảy ra hiện tượng xâm thực ta cần hiểu rõ sự liên hệ giữa đường kính lỗ kim phun và q trình xâm thực của dịng nhiên liệu trong kim phun [17]. 0 10 20 30 40 010203040 Số lượn g hạt, % Đường kính hạt, µm Đường kính lỗ phun 0.4 mm Đường kính lỗ phun 0.57 mm Đường kính lỗ phun 0.8 mm
Hình 2. 4. Tổng quan về các quá trình xảy ra trong kim phun nhiên liệu [12] Nếu áp suất trong dịng nhiên liệu giảm xuống dưới áp suất hóa hơi của nhiên liệu thì những bọt khí sẽ được hình thành. Hiện tượng này được gọi là xâm thực và xảy ra ở nhiều loại máy bơm thủy khí và nó có liên quan đến lưu lượng dịng nhiên liệu với áp suất cao, ví dụ như máy bơm, cánh quạt và hệ thống phun nhiên liệu Diesel. Nếu xâm thực quá mạnh xảy ra, vật liệu xung quanh dịng nhiên liệu có thể bị phá hủy do xói mịn. Nếu một chùm bong bóng tạo bọt bể gần bề mặt chi tiết, sự thay đổi đột ngột về áp suất sẽ hình thành một phản lực, lực đó đập vào bề mặt và nếu phản lực đủ mạnh, bề mặt của vật liệu sẽ bị xói mịn. Một khi bề mặt bị rỗ do xói mịn, q trình xâm thực có thể tiếp tục với tốc độ nhanh hơn. Độ nhám bề mặt tăng lên có thể thúc đẩy sự hình thành các bọt khí nhiều hơn và bề mặt vốn đã bị rỗ có thể bị tác dụng hơn với sự xói mịn hơn nữa. Nếu điều này xảy ra bên trong các lỗ của kim phun nhiên liệu Diesel Common Rail, sự thay đổi trong kết cấu sẽ ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình phun nhiên liệu. Vì áp suất cao trong vịi Diesel Common Rail có thể lên tới 2000 bar và có thể cao hơn nữa, sự xuất hiện của xâm thực là không thể tránh khỏi. Hiện tượng xâm thực không chỉ là hiện tượng tiêu cực nếu xâm thực được kiểm sốt sẽ khơng làm hỏng kim phun và thậm chí sẽ tác dụng có ích. Xâm thực làm tăng q trình ngun tử hóa của nhiên liệu và nó có thể giữ cho kim phun khơng bị lắng đọng cặn bẩn có thể gây cản trở dịng nhiên liệu.
Khi nhiên liệu đi vào của lỗ tia phun, sẽ hình thành một vùng áp suất thấp. Điều này xảy ra tuần hồn nó sẽ làm giảm diện tích nhiên liệu đi vào, nơi đó được gọi là “vena contracta” (nơi có đường kính dịng nhỏ nhất) [16].
Hình 2. 5. Vị trí xảy ra xâm thực trong kim phun nhiên liệu [14]
Thông lượng khối và động lượng qua lỗ kim phun có thể được xác định thơng qua vận tốc u, mật độ ρ và diện tích dịng a: 𝑚̇𝑓 = ∫ 𝑢. 𝜌. 𝑑𝑎 𝐴𝑔𝑒𝑜 (2.2.1) 𝑀̇𝑓 = ∫ 𝑢2. 𝜌. 𝑑𝑎 𝐴𝑔𝑒𝑜 (2.2.2)
Một hệ số Ca được xác định để liên kết diện tích lỗ tia phun thực tế với diện tích lỗ tia phun tồn phần mà khơng có lớp biên.
𝐶𝑎 = 𝑎. 𝜌
𝐴𝑔𝑒𝑜. 𝜌1 (2.2.3)
Trong đó a và ρ là các giá trị cho trường hợp thực tế và Ageo và ρl là các giá trị lý tưởng khơng có lớp biên.
Hình 2. 6. Hiện tượng xâm thực xảy ra trong lỗ tia phun nhiên liệu [14]
Khu vực có diện tích nhỏ nhất (tại ‘’vena Contracta’’) được đánh dấu là c trong hình 2.6 theo định nghĩa Nurick [19]. Hệ số co Cc đc xác định như sau:
𝐶𝑐 = 𝐴𝑐
𝐴𝑔𝑒𝑜 (2.2.4)
Trong đó Ac là diện tích lỗ tia phun tại vị trí c trong hình 2.6 và Ageo là diện tích lỗ tia phun lý thuyết.
Vận tốc thực tế hoặc có ích qua lỗ kim phun được xác định bằng cách sử dụng thông lượng khối và động lượng:
𝑢𝑒𝑓 = 𝑀̇𝑓
𝑚̇𝑓 (2.2.5)
Vận tốc tổn thất lý thuyết được tính từ phương trình Bernoulli:
𝑢𝑡ℎ = √2∆𝑃
Hệ số vận tốc Cv được định nghĩa là tỉ số giữa vận tốc có ích và lý thuyết:
𝐶𝑣 =𝑢𝑒𝑓
𝑢𝑡ℎ (2.2.7)
Cường độ của xâm thực được gọi là số xâm thực. Điều này có thể được định nghĩa theo nhiều cách. Số xâm thực được định nghĩa theo Nurick là:
𝐾 =𝑃1− 𝑃𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟
𝑃1− 𝑃2 (2.2.8)
Trong đó P là áp suất, số 1 là đầu vào lỗ tia phun và 2 là đầu ra lỗ tia phun , Pvapor là áp suất hơi của nhiên liệu.
Trong một kim phun, hệ số phun Cd là tỷ lệ của lưu lượng thực tế với lưu lượng lý thuyết. Hệ số phun Cd được tính bằng các phương trình hiện tượng. Ngồi các điều kiện như lưu lượng dịng chảy, các đặc điểm hình học của lưu lượng kim phun, thì bán kính đầu vào lỗ tia phun và tỷ lệ chiều dài với đường kính của lỗ kim phun cũng ảnh hưởng đến hệ số phun Cd. Được xác định thông qua các tham số đầu vào C1 và C2. Bằng cách này, ta có thể ước tính áp suất đầu vào p1 cho dòng chảy rối như sau:
𝑝1 = 𝑝2+ 𝜌 2∙ ( 𝑈𝑔𝑒𝑜 𝐶𝑑 ) 2 (2.2.9)
Để kiểm tra dịng chảy có đang bị xâm thực trong các điều kiện trên. Ta giả sử vận tốc phẳng và sử dụng biểu thức Nurick và hệ số co Cc, vận tốc liên tục tại khu vực dòng chảy nhỏ nhất (điểm c):
𝑈𝑐 = 𝑈𝑔𝑒𝑜
𝐶𝑐 (2.2.10)
Trong đó Ugeo là tốc độ dòng chảy lý thuyết của dòng chảy tầng qua lỗ kim phun với cấu hình vận tốc phẳng. Hệ số co (Cc) được tính từ bán kính đầu vào lỗ tia phun. Trong trường hợp xâm thực, lý thuyết dòng chảy cho phép áp dụng phương trình Bernoulli từ điểm 1 đến c mà giả sử khơng có bất kỳ tổn thất nào:
𝑝𝑐 = 𝑝1− 𝜌 2∙ 𝑈𝑐
Nếu pc thấp hơn pvapor , giả định rằng tạo ra được dịng chảy hồn tồn và áp suất đầu vào và hệ số xả mới được tính bằng:
𝑝1 = 𝑝𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟+𝜌 2∙ 𝑈𝑐
2 (2.2.12)
𝐶𝑑 = 𝐶𝑎. 𝐶𝑣 = 𝐶𝑐∙ √𝐾 = 𝐶𝑐∙ √𝑝1− 𝑝𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟
𝑝1− 𝑝2 (2.2.13)
Hình 2. 7. Ảnh hưởng của hệ số phun và hệ số K đến hiện tượng xâm thực [14] Khi K được tăng lên, tới một điểm mà sự xâm thực biến mất, được định nghĩa là điểm tới hạn xâm thực, Kcrit (Hình 2.7). Đối với các giá trị K cao hơn điểm tới hạn xâm thực, dòng chảy nhiên liệu sẽ chỉ ở dạng lỏng và hệ số phun phụ thuộc chủ yếu vào số Reynold. Trong khu vực này, hệ số phun có thể được giả định là gần như không đổi.
Các điều kiện ảnh hưởng tại đầu ra của lỗ phun được tính theo cơng thức [19].
𝑈𝑒𝑓𝑓 = 𝑈𝑐 −𝑝2− 𝑝𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑝1∙ 𝑈𝑔𝑒𝑜 (2.2.14) 𝐴𝑒𝑓𝑓 = 𝐴𝑔𝑒𝑜 ∙𝑈𝑔𝑒𝑜 𝑈𝑒𝑓𝑓 𝐷𝑒𝑓𝑓 = √4 ∙ 𝐴𝑒𝑓𝑓 𝜋
Trong đó: pvapor là áp suất hóa hơi nhiên liệu Ugeo là vận tốc phun lý thuyết
Ueff là vận tốc phun thực tế
Aeff là tiết diện thực tế tại vị trí phun
Ageo tiết diện lý thuyết (thiết kế) tại vị trí phun Deff đường kính lỗ tia phun thực tế
Hình 2. 8. Ảnh hưởng của tỷ số L/D đến vận tốc phun nhiên liệu [18]
Trong trường hợp R=0 và thay đổi tỉ lệ L/D. Ta thấy khi L/D càng tăng tức đường kính lỗ tia phun D càng nhỏ hoặc L càng tăng thì đường vận tốc phun càng gần giống đường vận tốc trung bình. Do đó khi D càng nhỏ thì càng có lợi cho q trình phun nhiên liệu trong động cơ Diesel.
Hình 2. 9. Ảnh hưởng của tỷ số L/D đến đường kính lỗ tia phun nhiên liệu [18] Trong trường hợp R=0 và thay đổi tỉ lệ L/D. Ta thấy khi L/D càng tăng tức là đường kính lỗ tia phun D càng nhỏ thì khoảng thời gian đường kính bị giảm do bị hiện tượng xâm thực càng ngắn. Có lợi cho việc phun nhiên liệu.