c. Hệ thống buồng đốt kiểu Spray – Guide
2.4.1 Phun dịng xốy lốc áp suất cao
Quá trính hính thành tia nhiên liệu từ kim phun cĩ thể đƣợc chia thành các giai đoạn riêng biệt. Đầu tiên là quá trính phun tơi ban đầu xảy ra ở gần đầu kim phun hoặc tại miệng kim phun. Điều này chủ yếu phụ thuộc vào các yếu tố thiết kế của kim phun nhƣ hình dạng miệng kim phun, đặc điểm đĩng mở và áp suất nhiên liệu.
34
Tiếp theo quá trính phun tơi xảy ra trong suốt quá trính xuyên thấu, bị chi phối bởi sự tƣơng tác của các hạt nhiên liệu với mơi trƣờng luồng khì xung quanh. Gĩc cơn của tia nhiên liệu là thơng số thiết kế quan trọng của kim phun tuy nhiên trong thực tế thí gĩc cơn của kim phun xốy lốc sẽ biến đổi theo tỉ trọng của khơng khì trong xy-lanh. Đối với kim phun xốy lốc thí việc giảm gĩc cơn sẽ làm giảm khả năng phun tơi sƣơng của nhiên liệu. Điều này, là kết quả của một lực khì động học tăng lên trên các hạt, tạo ra sự giảm tốc lớn hơn theo hƣớng dọc trục so với hƣớng xuyên tâm. Trong điều kiện mật độ khơng khì trong xylanh cao hơn, tƣơng ứng với việc phun trễ, đƣợc yêu cầu cho mức độ phân tầng cao hơn. Do đĩ, cĩ nghĩa là kim phun xốy lốc áp suất cao cĩ thể đƣợc áp dụng nhiều hơn cho các ứng dụng phun trễ của GDI.
Hình 2.23: Mơ tả dạng phun xốy lốc.[3]
Tia nhiên liệu của kim phun xốy lốc cĩ 4 vùng: cạnh dẫn hƣớng, gĩc cơn, cạnh đuơi và đám mây xốy lốc đƣợc nhận dạng bằng vùng hính cơn mà tia nhiên liệu tạo ra.
Vùng dẫn hƣớng đƣợc hính thành cho thấy kìch thƣớc hạt lớn nhất do tốc độ nhiên liệu thấp khi bắt đầu phun nhiên liệu. Sau khi ty kim đƣợc mở hồn tồn, nhiên liệu đạt đƣợc vận tốc ổn định và một vùng hính cơn của những hạt nhỏ đƣợc hính thành.
Vùng cạnh đuơi đƣợc hính thành khi ty kim đĩng lại, trong khi vùng đám mây xốy lốc đƣợc hính thành bởi chuyển động xốy của dịng khơng khì mang các hạt nhiên liệu nhỏ của tia phun. Tại thời điểm kết thúc phun vùng đám mây xốy lốc vẫn tiếp tục phát triển. Sự gia tăng áp suất xung quanh dẫn đến sự gia tăng kìch thƣớc hạt nhiên liệu trong khu vực phun và sự gia tăng mức độ xốy lốc của nhiên liệu khiến kim phun nhiên liệu tăng kìch thƣớc hạt trung bính ở vùng cạnh dẫn hƣớng và hính cơn. Tuy nhiên kìch thƣớc hạt nhiên liệu trong vùng xốy lốc khơng bị ảnh hƣởng đáng kể bởi số vịng xốy nhiên liệu. Điều này đã đƣợc lý thuyết hĩa do kết quả thực tế là kìch thƣớc của các hạt bị cuốn vào đám mây xốy lốc đƣợc xác định bởi các đặc tình khơng khì xung quanh. Khi mật độ khơng khì xung quanh đƣợc tăng lên, kìch
35
thƣớc hạt nhiên liệu trong vùng đám mây xốy lốc cũng tăng lên do sự thay đổi các đặc tình của khơng khí xung quanh.
Hình 2.24: Đặc tính q trình phun của
kim phun xốy lốc.[2]
(a) Hính dạng miệng kim phun
(b) Hính dáng cấu trúc của một tia phun hính cơn trong 3 giai đoạn
(c) Mơ tả phân bố kìch thƣớc hạt trong một tia nhiên liệu
Biểu diễn sơ đồ của hính dạng kim phun đƣợc minh họa trong hính 2.24a. Các dự đốn với một gĩc xốy 40o và tốc độ ban đầu là 60 m/s để mơ phỏng một tia phun ở 7,0 MPa vào khơng khì ở áp suất 1 atm. Biểu diễn sơ đồ của cấu trúc phun hính cơn rỗng xuất phát từ tình tốn đƣợc thể hiện trong hính 2.24b. Hính (b) mơ tả hính dạng của tia nhiên liệu qua 3 giai đoạn. Trong giai đoạn đầu tiên của sự hính thành phun, các hạt nhiên liệu tạo thành một hính cơn rỗng. Trong giai đoạn thứ hai, cấu trúc hính cơn này thay đổi khi các hạt đƣợc phun sau đĩ di chuyển về phìa các hạt đƣợc phun trƣớc đĩ, bị chậm lại do lực cản. Một xốy lốc hính xuyến đƣợc hính thành xung quanh phần dƣới của hính cơn và xuất hiện dƣới dạng hai xốy xoay ngƣợc nhau. Trong giai đoạn
thứ ba và cuối cùng, tia nhiên liệu đạt đƣợc trạng thái ổn định, và tia phun lớn dần và
di chuyển ra khỏi đầu kim phun. Sự tƣơng tác giữa các hạt và dịng khì đƣợc tím thấy thay đổi theo hính dạng tia nhiên liệu, và đƣợc phát hiện rõ hơn đối với các hạt nhỏ hơn.
Đối với phun nhiên liệu cĩ phân bố kìch thƣớc hạt khác nhau nhƣng cùng tốc độ dịng nhiên liệu, cấu trúc phun khác nhau đáng kể. Ngƣời ta cũng thấy rằng thành phần
36
xốy lốc nhiên liệu đĩng vai trị quan trọng trong sự phát triển phun. Các hính dạng phun tại quá trính chuyển đổi giữa sự phát triển hính cơn và hính xuyến khá khác nhau khi cĩ và khơng cĩ xốy lốc nhiên liệu. Gĩc phun hính cơn cho trƣờng hợp cĩ xốy lốc đƣợc tím thấy lớn hơn đáng kể so với trƣờng hợp khơng xốy. Tuy nhiên, các đặc tình phun xuyên thấu cho các trƣờng hợp xốy và khơng xốy đƣợc tím thấy là tƣơng tự nhau, điều này cĩ phần đáng ngạc nhiên.
Hình 2.25: Chuyển động của dịng khơng khí trong tia nhiên liệu với áp suất xung
quanh là 0.1atm. [2]
Nhƣ đƣợc minh họa dƣới dạng sơ đồ trong hình 2.24c, các hạt trong phạm vi kích thƣớc trung bính đƣợc tím thấy bên trong vùng hạt lớn trong khi các hạt nhỏ hơn 10 µm khơng tạo thành hính cơn rỗng và đƣợc quan sát thấy tập trung về phìa trục phun. Ở mức 0,4 ms sau khi bắt đầu phun, tất cả các hạt gần đầu kim phun đƣợc tím thấy tập trung ở một vùng nhỏ gần trục phun, xác minh rằng gĩc cơn khi bắt đầu phun nhiên liệu là rất nhỏ. Ở mức 0,6 ms sau khi bắt đầu phun, ngƣời ta thấy rằng các hạt gần đầu mũi kim phun đƣợc tập trung trong một vịng gĩc, cho thấy gĩc hính cơn rộng hơn. Gĩc hình cơn phun tức thời đƣợc tím thấy tăng từ gần 0 đến giá trị ổn định tỷ lệ với thời gian mở kim. Mật độ số lƣợng hạt đo đƣợc sau khi kết thúc quá trính phun nhiên liệu đã xác nhận rằng sự hính thành xốy lốc rõ ràng chỉ xảy ra đối với các hạt trong phạm vi 10 – 25 µm.
37