(Prosperetti A., Lezzi A. 1986)
Nếu áp lực tại đây đạt tới áp suất bay hơi của chất lỏng, vùng này sẽ chứa đầy hơi. Tác dụng bổ sung gia tăng sự hình thành xâm thực trong vùng áp suất thấp này cắt mạnh dịng do Gradient vận tốc lớn ở giữa dịng chảy cong và dịng chảy chính. Điều
này tạo các dịng xốy nhỏ gây nhiễu loạn… Do lực ly tâm, áp lực tĩnh ở tâm của những dịng xốy thấp hơn so với chất lỏng xung quanh và bong bĩng xâm thực được tạo ra. Các khu xâm thực phát triển dọc theo thành lỗ, tách ra thành các cụm bong bĩng và bắt đầu nổ vỡ bên trong các lỗ vịi phun.
Để giảm mức độ xâm thực, cần giảm chênh áp do giảm đột ngột diện tích mặt cắt ngang. Diện tích mặt cắt ngang phải giảm dần tới các miệng ra của lỗ. Tĩm lại, cĩ thể làm giảm đáng kể mức độ xâm thực, nhưng hầu như khơng thể chế tạo vịi phun triệt tiêu hồn tồn hiện tượng này. Do kích thước rất nhỏ, vận tốc dịng chảy cao và phun dày đặc, khơng cho phép nội soi trực tiếp trong miệng phun, cho đến nay chưa cĩ cơng trình nào được cơng bố về nghiên cứu thử nghiệm chi tiết cấu trúc và kích thước của các bong bĩng khí xâm thực trong các tia phun chính.
Vì vậy, những cơng bố về sự vận động và kích thước của bong bĩng khí xâm thực ở điều kiện giống như phun trong động cơ là hồn tồn dựa trên mơ hình tốn học. Xâm thực xảy ra được quy ước tính bằng cách sử dụng một hệ số khơng thứ nguyên, gọi là hệ số xâm thực K. Tồn tại nhiều định nghĩa khác nhau về hệ số này:
1 2 1 2 1 2 vap 2 p p p p K p p p (2.25)
Trong đĩ. pvap là áp suất hơi. Hệ số xâm thực này đại diện cho tỷ lệ giảm áp lực bên trong các lỗ (tăng vận tốc dịng chảy).
Định nghĩa thứ hai về hệ số xâm thực (He L., Ruiz F. 1995 [28]):
1 vap 1 2 1 2 1 2 p p p K p p p p (2.26)
Tĩm lại, diễn biến đặc trưng của tia phun hình nĩn trong động cơ Diesel được chia thành ba giai đoạn.
* Giai đoạn đầu tiên, tính từ khi kim phun bắt đầu mở. Trong giai đoạn này, tại
mặt tựa và cơn kim phun tiết diện ngang dịng chảy nhỏ làm giảm lưu lượng phun, đồng thời do tiết lưu, bọt xâm thực xuất hiện tạo ra dịng chảy rối ở lỗ phun. Vì vận tốc dọc trục thấp, vận tốc rối hướng tâm gia tăng mạnh nên gĩc nĩn phun ban đầu gần miệng phun thường lớn (hình 2.7) [21]. Ngay sau khi tăng vận tốc dọc trục, gĩc nĩn phun sẽ nhỏ đi. Do đĩ, cấu trúc tia phun ban đầu phụ thuộc vào tốc độ nâng kim: Nếu mở chậm thì gĩc nĩn lớn và ngược lại.
** Giai đoạn hai, diễn ra khi kim phun mở hồn tồn. Lúc này diện tích mặt cắt ngang
dịng chảy tại mặt tựa và cơn kim phun lớn hơn tổng diện tích lỗ vịi phun. Mức độ xâm thực bây giờ phụ thuộc vào hình dạng lỗ. Nếu xâm thực mạnh thì gĩc nĩn phun lớn, chiều dài tia phun nhỏ và ngược lại.
Hình 2.7. Sự phát triển tia phun theo thời gian. (Busch R, 2001)
prail = 60 MPa, pback = 0,1 MPa, Tair = 2930K
Sự xâm nhập của tia phun tăng theo thời gian do hiệu ứng của những giọt mới với động năng cao liên tục thay thế những giọt bay chậm ở đầu tia phun.
*** Cuối quá trình phun, kim phun đĩng dần và vận tốc phun giảm về khơng, dẫn đến nhiễu loạn tia phun theo chiều dọc trục. Do tốc độ phun giảm, lực liên kết làm tăng kích thước giọt chất lỏng và sự tạo sương khơng xảy ra.
Như vậy, nếu kim phun đĩng nhanh sẽ giảm thiểu các ảnh hưởng tiêu cực của những giọt chất lỏng lớn về khí thải Hydrocarbon và bồ hĩng.
Khi phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt động cơ cịn phát sinh tương tác tia phun - vách. Hai q trình vật lý chính cĩ thể xảy ra: Tương tác tia phun - vách phát triển và hình thành màng mỏng. Cả hai quá trình cĩ thể ảnh hưởng lớn đến hiệu suất
cháy và sự hình thành các chất ơ nhiễm. Tương tác tia phun - vách xảy ra hay khơng phụ thuộc vào độ dài xâm nhập của các tia phun và khoảng cách giữa vịi phun và vách buồng cháy. Phun áp lực cao, mật độ và nhiệt độ khí thấp, khối lượng riêng của nhiên
liệu lớn sẽ làm tăng khả năng tương tác này (hình 2.8) [21].
Tùy thuộc vào nhiệt độ vách buồng cháy và số lượng của chất lỏng đọng lại trên vách, tương tác tia phun - vách cĩ thể cĩ cả tác động tiêu cực và tích cực. Trong trường hợp nhiệt độ vách buồng cháy thấp, ví dụ trong điều kiện khởi động lạnh, sự hình thành của một lớp màng chất lỏng sẽ tăng đáng kể các Hydrocarbon chưa cháy và phát thải bồ hĩng vì nhiên liệu cháy khơng hồn tồn do bay hơi chậm.