Luận văn tốt nghiệp

Chương 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Sự hình thành hỗn hợp cháy trong động cơ đốt trong
1.1.1. Sự phát triển của tia phun nhiên liệu
Dựa vào tốc độ, đặc tính của chất lỏng, và môi trường khí xung quanh mà sự
phát triển của tia phun được kiểm soát theo các chế độ phân rã khác nhau. Các cơ
chế khác nhau này được xác định bởi khoảng cách giữa vòi phun và điểm hình
thành các hạt nhiên liệu đầu tiên của tia phun, khoảng cách này được gọi là độ dài
phân rã (break-up length) và kích thước mà các hạt nhiên liệu được hình thành.
Theo Reitz và Braco [34] có bốn trạng thái phát triển một tia phun nhiên liệu có thể
phân biệt: trạng thái Rayleigh, trạng thái cảm ứng gió thứ nhất, trạng thái cảm ứng
gió thứ hai, và trạng thái phun sương.

Hình 1.1.Trạng thái phân rã tia phun
Các trạng thái phát triển tia phun được mô tả sơ lược qua hình 2.2. Nếu kết
cấu vòi phun phù hợp và tính chất nhiên liệu không đổi thì chỉ có một yếu thay đổi
đó là tốc độ phun chất lỏng u. Hình 2.3 biểu diễn đường cong phát triển của tia
phun tương ứng, miêu tả độ dài tia phun liên tục theo hàm của vận tốc phun.

SVTH: Phan Minh Trí

1

MSSV: 1051130118


Luận văn tốt nghiệp

Hình 1.2. Các trạng thái phun


2

MSSV: 1051130118


Luận văn tốt nghiệp

không ổn định trên bề mặt hay trên toàn bộ hạt nhiên liệu, điều này cuối cùng dẫn
đến sự phân rã và hình thành các hạt nhiêu liệu nhỏ hơn. Các hạt này lại tạo điều
kiện để thúc đẩy mạnh hơn các lực khí động cho quá trình phân rã. Lực căng mặt
ngoài mặt khác lại giữ cho các hạt nhiên liệu có dạng cầu và chống lại lực biến
dạng. Lực căng mặt ngoài phụ thuộc vào độ cong của bề mặt: Hạt càng nhỏ thì lực
căng càng lớn và vận tốc tương đối tới hạn càng lớn, điều này dẫn tới sự biến dạng
và sự phân rã của hạt nhiên liệu. Trạng thái này được biểu diễn bởi chỉ số Weber
cho pha khí:
(1)

Với d là đường kính hạt nhiên liệu trước khi phân rã; σ là sức căng bề mặt
giữa pha lỏng và pha khí. urel là vận tốc tương đối giữa hạt nhiên liệu và không khí;
Chỉ số Weber đại diện cho hệ số khí động (áp suất động học) và lực căng mặt ngoài

Hình 1.4. Các trạng thái phân rã hạt chất lỏng theo Wierzba.[11]

SVTH: Phan Minh Trí

3

MSSV: 1051130118



sự giảm tốc độ tương đối giảm dưới tác dụng của lực kéo.
1.1.3. Cơ chế phân rã của tia phun nhiên liệu.
a. Tia phun hình chóp đặc.

Hình 1.6. Cấu trúc tia phun nhiên liệu.
Cơ chế phân rã của tia nhiên liệu này nhìn chung gồm 3 vùng:


Vùng phân rã sơ cấp (primary break-up): là phần nhiên liệu
vừa được phun ra khỏi vòi phun và do nhiên liệu được phun ở trạng thái phun
sương ( khoảng 200Mpa) nên phần nhiên liệu này sẽ tham gia ngay vào quá trình
phân rã. Cấu trúc của tia phun ở khu vực này được tạo thành chủ yếu do:
+ Thứ nhất là chuyển động xoáy (turbulence) của dòng nhiên liệu tạo ra khi đi

SVTH: Phan Minh Trí

5

MSSV: 1051130118


Luận văn tốt nghiệp

qua lỗ phun nhiên liệu (ống tiết lưu), nhiên liệu từ vùng có thể tích lớn (sac hole)
qua vòi phun (injection hole) làm tăng độ chảy rối và hình thành chuyển động xoáy.
Chuyển động xoáy này góp phần cung cấp năng lượng cho quá trình phân rã của tia
phun nhiên liệu giai đoạn đầu, nếu vận tốc lớn,
dao động xoáy của dòng nhiên liệu có tần suất Hình 1.7. Xoáy lốc trong tia phun
cao thì các hạt nhiên liệu hoàn toàn có thể tách khỏi tia phun ngay khi ra khỏi vòi
phun.


SVTH: Phan Minh Trí

6

MSSV: 1051130118


Luận văn tốt nghiệp

hưởng và quyết định các yếu tố khác để hình thành nên cấu trúc một tia phun hoàn
chỉnh. Áp suất phun càng cao thì độ phung sương của nhiên liệu càng tăng, giai
đoạn phân ra sơ cấp diễn ra nhanh chóng và tạo điều kiện cho giai đoạn phân rã thứ
cấp.


Vùng phân rã thứ cấp (Secondary

Hình 1.11. So sánh áp suất
break-up): sau giai đoạn đầu, tác dụng của các lực cản phun nhiên liệu (bên trái
khí động lên tia nhiên liệu càng lớn làm đẩy nhanh 500bar, phải 1000bar) [15]
hoạt động tách các hạt nhiên liệu ra khỏi bề mặt của
tia nhiên liệu. Mật độ các hạt nhiên liệu độc lập trong khu vực này cao, các chuyển
động của chúng cũng tương đối phức tạp, quá trình các hạt nhiên liệu tách ra rồi va
chạm và kết hợp lại với nhau xảy ra một cách liên tục, bên cạnh đó chuyển động
của không khí nén và nhiệt độ buồng cháy cũng góp phần hình thành cấu trúc đặc
trưng cho tia phun ở giai đoạn này.

Hình 1.12. Sự va chạm và kết hợp giữa các hạt nhiên liệu [30]


SVTH: Phan Minh Trí

8

MSSV: 1051130118


Luận văn tốt nghiệp

buồng cháy, và loãng dần khi tiến xa khỏi vòi phun theo định luật bảo toàn khối
lượng, dẫn đến sự phân rã các hạt nhiên liệu. Có hai dạng vòi phun chính là: kim
mở từ bên trong (vòi phun xoáy lốc áp suất) và vòi phun kim mở ngoài. Trong
trường hợp vòi phun xoáy lốc, một màng nhiên liệu lỏng dạng hình trụ và chuyển
động xoay tròn mạnh được phun ra từ vòi phun. Thành phần tốc độ gốc của tia
phun, được tạo bởi chuyển động xoáy, giúp hình thành màng chất lỏng có dạng hình
chóp tự do. Trong trường hợp vòi phun mở ngoài, hình dạng kim phun tạo nên kết
cấu hình chóp rỗng của tia phun.
Vùng phân rã sơ cấp của màng chất lỏng được gây ra bởi xoáy lốc và các lực
khí động học. Đầu tiên, màng nhiên liệu có độ dày là h s và góc tia phun là α trở nên
mỏng dần theo định luật bảo toàn khồi lượng khi rời khỏi vòi phun. Sự chảy rối
được sinh ra bên trong vòi phun tạo nên sự hình thành nhiễu loạn ban đầu trên bề
mặt chất lỏng, quang phổ biên độ và tần số phụ thuộc vào dòng nhiên liệu trong lỗ
phun. Những sóng này phát triển không ổn định do tác dụng khí động học với các
khí trong buồng cháy. Tại biên độ góc, màng nhiên liệu bị xé nhỏ thành các dây
chằn và dưới sự ảnh hưởng của lực cản mặt ngoài và các lực khí thể nhanh chóng
làm các day chằn này thành các hạt nhiên liêu. Bên cạnh các hiện tượng va chạm
này thì sự phân rã tức thời của các hạt nhiên liệu nhỏ chuyển động quanh tia phun
ngay tại vòi phun là hoàn toàn có thể xảy ra nều có đủ năng lượng động học xoáy
lốc. Hiệu ứng này xảy ra chủ yếu ở điều kiện áp suất phun.
Hình 1.14 cho thấy sự phát triển theo thời gian của tia phun mẫu tạo bởi vòi

Trái ngược với chùm phun hình nón đặc, đặc tính và cấu trúc của chùm phun
nón rỗng chỉ có 1 số phác họa mang tính bán thực nghiệm về tác động của các

SVTH: Phan Minh Trí

10

MSSV: 1051130118


Luận văn tốt nghiệp

thông số phun chính được công bố thành sách và thông số được miêu tả nhiều nhất
là kích thước của hạt. sự gia tăng quá trình phun sẽ làm giảm đường kính trung bình
của hạt (SMD), đồng thời độ xuyên thấu của tia phun cũng tăng nhẹ, [11,12,13].
Hình 1.17. Sự gia tăng áp suất không khí môi trường làm tăng SMD.

Hình 1.17. Ảnh hưởng của áp suất môi trường và áp suất phun lên cấu trúc chùm
phun.( T=298K, P=7Mpa, kim phun kich hoạt tại t=0 ms) [10]
Tuy nhiên, yếu tố tác động mạnh mẽ nhất phụ thuộc vào thiết kế và loại kim
phun. Thiết kế được dùng nhiều nhất đó là vòi phun áp suất xoáy lốc (pressure-swirl
atomizer). Đường kính SMD của loại kim phun này có thể được biểu diễn bởi mối
quan hệ bán thực nghiệm sau [16]:

(2)
Theo phương trình (2) ta dễ dàng thấy rắng áp suất phun không chỉ ảnh hưởng
đến quá trình phân rã sơ cấp của chùm phun mà còn làm thay đổi kích thước (SMD)

SVTH: Phan Minh Trí


(Hình chụp 2ms sau khi kich hoat kim phun, P=7Mpa)
Bên canh đó, vận tốc dòng khí trong buồng cháy nơi tia nhiên liệu được phun
vào cũng tác động làm thay đổi quá trình phân rã của chùm phun. Với cùng một
điều kiện nhiệt độ và áp suất như nhau, vận tốc của dòng khí mà chùm phun đi qua
càng lớn thì quá trình phân rã càng diễn ra nhanh chóng.

SVTH: Phan Minh Trí

13

MSSV: 1051130118


Luận văn tốt nghiệp

Hình 1.20. Ảnh hưởng của tốc độ khí lên quá trình phân rã của chùm phun
(va= 19 m/s; vb = 21m/s; vc = 30 m/s; vd = 50 m/s) [30]
1.1.4. Sự tương tác giữa tia phun với thành xy lanh.
Sự tương tác giữa tia phun và thành chắn xảy ra nếu tia phun xâm nhập qua
không gian có chứa không khí và tác động vào thành chắn, có thể là mặt sau van
nạp, thành của hệ thống nạp trong trường hợp phun trên đường ống nạp, hay thành
buồng cháy trong trường hợp động cơ phun trực tiếp. Hai quá trình vật lý có liên
quan đến hiện tượng này đó là: sự tăng trưởng tác động giữa chum phun và thành
chắn, và sự phát triển của màng nhiên liệu bám trên thành. Cả hai quá trình này có
thể ảnh hưởng lớn đến hiệu suất cháy và sự hình thành khí thải. Sự va chạm với
thành chắn có xảy ra hay không tùy thuộc vào chiều dài xuyên thấy của chùm phun
và khoảng cách giữa vòi phun với thành chắn. Áp suất phun cao cũng như tỉ trọng
không khí và nhiệt độ thấp cũng dẫn đến hiện tượng va đập lên thành chắn.
Trong trường hợp động cơ phun nhiên liệu trên đường ống nạp, độ xuyên thấu
của tia phun tăng lên khi tỉ trọng khí thấp và một màng nhiên liệu có thể hình thành


SVTH: Phan Minh Trí

15

MSSV: 1051130118


Luận văn tốt nghiệp

Khi tia phun va đập vào thành chắn, một số lượng lớn các hạt nhiên liệu được hình
thành ở ngoại vi của đỉnh chùm tia phun và phát triển dọc theo thành chắn. Việc các
hạt nhiên liệu bám vào thành và tiếp tục bay hơi, lang ra để hình thành nên một
màng chất lỏng, dội lại về phía buồng cháy hay phân rã thành các hạt nhiên liệu nhỏ
hơn phụ thuộc vào năng lượng động học của các giọt nhiên liệu ban đầu đi tới va
đạp vào thành và nhiệt độ của thành chắn.

Hình 1.23. Các dạng tương tác giữa nhiên liệu với thành chắn.

Hình 1.24. Thời gian phát triển của chùm phun khi bị va chạm,
(Pinj = 120Mpa, Pbuongcháy=0.1Mpa, dlỗ phun= 0,18mm, Tthanh chắn= 289K) [10]
Một vùng xoáy lốc tốc độ cao được hình thành quanh vùng tiếp xúc giữa chùm
phun và thành chắn, cuốn một lượng lớn không khí nóng vào chùm phun. Trong
trường hợp khoảng cách từ vòi phun đến thành chắn là nhỏ cũng như tốc độ phun
lớn, thành chắn nguội thì một màng chất lỏng có thể được hình thành, hình 1.23.
Các khảo sát nghiên cứu chi tiết về sự phát triển của tia phun va đập vào thành chắn
được ghi nhận trong Mohammadi et al [18] và Allocca [19] là một ví dụ. Sự tăng áp

SVTH: Phan Minh Trí


đến quá trình va đập của tia phun lên thành chắn
(Pinj = 80Mpa và 120MPa, buồng cháy chứa khí N2, dlỗ phun= 0,18mm) [19]
1.2.

Sự hình thành hỗn hợp cháy trong động cơ Diesel.

Hình 1.26. Phát triển chùm tia phun nhiên liệu diesel
Quá trình hình thành khí hỗn hợp trong động cơ Diesel chiếm thời gian rất ngắn
(1÷4)% giây. Sau khi nhiên liệu được phun vào khối lượng không khí nóng trong
buồng cháy, các hạt nhiên liệu được sấy nóng và bốc hơi. Cường độ các hạt nhiên
liệu sấy nóng và bốc hơi phụ thuộc vào các yếu tố như: kích thước hạt nhiên liệu,
tốc độ chuyển động tương đối của các hạt nhiên liệu so với không khí, nhiệt độ và
áp suất trong xy lanh, tính chất vật lý của nhiên liệu.
Muốn cho quá trình hình thành khí hỗn hợp được tốt người ta dùng các biện pháp
sau: làm cho hình dạng buồng cháy phù hợp với hình dạng và số lượng của chùm tia

SVTH: Phan Minh Trí

18

MSSV: 1051130118


Luận văn tốt nghiệp

nhiên liệu, kết hợp tạo ra xoáy lốc mạnh của dòng không khí nạp vào xy lanh.
Động cơ Diesel thường dùng các buồng cháy sau:
o Buồng cháy thống nhất sử dụng hệ thống phun trực tiếp (DI).
o


xé nhỏ và hòa trộn đều với không khí trong buồng cháy dự bị rồi bốc cháy rất
nhanh. Áp suất và nhiệt độ trong buồng cháy dự bị tăng lên rất nhanh và lớn hơn
buồng cháy chính vì vậy sản vật cháy, nhiên liệu chưa cháy hết, nhiên liệu mới
phun vào được phun ra buồng cháy chính với tốc độ lớn và tiếp tục cháy hết ở
buồng cháy chính.
So với buồng cháy thống nhất, không có vận động xoáy lốc mạnh của dòng
không khí, buồng cháy dự bị có ưu điểm sau:
o Có thể làm việc với α nhỏ do tận dụng xoáy lốc của dòng không khí.
o Có thể sử dụng nhiên liệu có nhiều thành phần chưng cất khác nhau nhờ
tận dụng xoáy lốc của dòng khí và nhiệt độ buồng cháy.
o Ít nhạy cảm với tốc độ quay của trục khủyu.
o Động cơ chạy êm nhờ khống chế được lượng nhiên liệu và không khí tham
gia cháy trong giai đoạn hai.
o Hệ thống nhiên liệu ít hư hỏng do vòi phun chỉ có một lỗ phun và áp suất
phun thấp.
Nhược điểm của loại buồng cháy này là:
o Khó khởi động khi động cơ nguội vì

lớn và chất lượng phun không

được tốt lắm.
o Tổn thất nhiệt cao do truyền cho nước làm mát nhiều, khắc phục sức cản
của dòng không khí khi đi qua lỗ thông và tạo dòng xoáy.
Cấu tạo phức tạp. Để dễ khởi động phải tăng tỷ số nén lên 20 ÷22 hoặc lắp
bugi xông.

SVTH: Phan Minh Trí

20



Luận văn tốt nghiệp

Hình 1.29. Tốc độ xoáy lốc thay đổi theo kết cấu và vị trí của cửa buồng cháy [32]
Sau khi nhiên liệu bốc cháy, áp suất và nhiệt độ của môi chất trong buồng
cháy xoáy lốc tăng lên nhanh và trở nên lớn hơn so với buồng cháy chính vì vậy sản
vật cháy, không khí nhiên liệu chưa có điều kiện bốc cháy trong buồng cháy xoáy
lốc đều được phun ra buồng cháy chính và tiếp tục bốc cháy trong xy lanh động cơ

Hình 1.30. Quá trình vận chuyển hỗn hợp cháy đến buồng cháy chính [29]
Công dụng chủ yếu của buồng cháy xoáy lốc là tạo ra vận động xoáy lốc
mạnh của không khí làm cho nhiên liệu và không khí được hòa trộn với nhau thật

SVTH: Phan Minh Trí

22

MSSV: 1051130118


Luận văn tốt nghiệp

đều. Chính vì vậy thể tích của buồng cháy xoáy lốc và diện tích tiết diện ngang của
đường thông nhau giữa buồng cháy xoáy lốc và buồng cháy chính tương đối lớn.
Đường thông được đặt trên nắp buồng cháy được gọi là cửa buồng cháy. Nắp này
được làm bằng thép hoặc gang nên chịu nhiệt và không được làm mát nên khi động
cơ chạy nắp buồng cháy rất nóng. Chính vì vậy đã làm tăng nhiệt độ không khí
buồng cháy và làm cho nhiên liệu dễ bốc hơi kể cả những nhiên liệu có thành phần
chưng cất nặng, cho nên khi thay đổi phụ tải và số vòng quay của động cơ trong quá
trình làm việc, động cơ vẫn rất ổn định. Tăng số vòng quay động cơ sẽ làm tăng tốc

các chi tiết trong động cơ lớn. Tuy nhiên, do kết cấu chia buồng cháy thành hai
vùng riêng biệt nên thất thoát động năng và nhiệt năng trong quá trình hình thành
hỗn hợp cháy là không tránh khỏi và là một trở ngại cho việc phát triển dòng động
cơ sử dụng buồng cháy gián tiếp trong thời kỳ khủng hoảng nhiên liệu hiện nay.
Chính vì thế, đã có nhiều tác giả nghiên cứu và cải tạo buồng cháy xoáy lốc này để
tăng hiệu suất động cơ và giảm tiêu hao nhiên liệu như two-stage injection (Iwayaki
et al 2005); hight injection pressure ( parlar et al 2005); lower heat rejection
chamber ( Celikten et al 2003) và Conical Spray Combined Swirl Chamber (Long et
al 2009) và research on match of swirl-chamber (Liyan Feng-Wuqiang LongWenpi Feng) [32]

Hình 1.32. Kết cấu buồng cháy trước và sau cải tiến [32]
Và đề tài kết hợp sử dụng loại hệ thống Three Vortex Combustion cho dạng
buồng cháy xoáy lốc này cũng góp phần nâng cao khả năng ứng dụng các loại nhiên
liệu biodiesel có nguồn góc từ động - thực vật. Với việc thiết kế cửa nối giữa buồng
cháy chính và buồng cháy phụ thành 3 lỗ tạo hiệu ứng Three Vortex đã hoàn thiện

SVTH: Phan Minh Trí

24

MSSV: 1051130118


Luận văn tốt nghiệp

hóa quá trình nạp và hình thành hỗn hợp cháy trên động cơ đảm bảo tốt khả năng
hòa trộn các loại nhiên liệu có độ nhớt cao và tỉ trọng năng như ở nhiên liệu
biodiesel. Phần lý thuyết Three Vortex được trình bày chi tiết ở phần sau.
1.3.


MSSV: 1051130118