Quá trình phân rã thứ cấp của chùm tia phun nhiên liệu trong động cơ Diesel

TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 20 - 08/2016 61 QUÁ TRÌNH PHÂN RÃ THỨ CẤP CỦA CHÙM TIA PHUN NHIÊN LIỆU TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL THE SECONDARY REGIME OF FUEL SPAY IN DIESEL ENGINES Hoàng Anh Tuấn, Lê Văn Vang Đại học Giao Thông Vận Tải TP Hồ Chí Minh Tóm tắt: Độ nhớt cao, khối lượng riêng và sức căng bề mặt lớn là một trong các nguyên nhân ảnh hưởng đến quá trình phun, bay hơi và hình thành hỗn hợp trong động cơ diesel. Chất lượng hỗn hợp phụ thuộc nhiều vào quá trình phun và phân rã của chùm tia phun. Nếu quá trình phân rã sơ cấp cung cấp các điều kiện ban đầu hình thành quá trình phun sương của chùm tia phun thì quá trình phân rã thứ cấp là giai đoạn tiếp theo có tác dụng xé nhỏ hạt nhiên liệu để hạt nhiên liệu dễ bay hơi. Bài báo trình bày các kết quả nghiên cứu về quá trình phân rã thứ cấp của chùm tia phun nhiên liệu trong động cơ diesel. Kết quả nghiên cứu làm cơ sở để xây dựng sự ảnh hưởng các tính chất của nhiên liệu đến quá trình phân rã và tìm ra những biện pháp khắc phục nhược điểm của các loại nhiên liệu có độ nhớt, sức căng bề mặt và tỷ trọng quá cao hay quá thấp nhằm sử dụng làm nhiên liệu thay thế nhiên liệu diesel truyền thống cho động cơ diesel. Từ khóa: Quá trình phân rã thứ cấp, chùm tia phun, động cơ diesel, nhiên liệu diesel truyền thống. Abstract: High viscosity, high density and surface tension is one of the reasons that affect the injection, evaporation and mixture in diesel engines. The mixture quality depends much on the regime of the fuel spray. The primary regime provides the first condition to the spary and atomization, the secondary regime is the next period tearing off fuel drops and droplets to vapor more easily. The paper presents the results in studying the secondary regime of fuel spray in diesel engines. The research results is the base to contribute the influence of the characteristics of fuel to the regime of fuel spray and find out the methods in order to overcome the disadvantages of the fuel with much hight or low viscosity, surface tension and density in order to use these fuels as the alternative fuels in diesel engines. Keywords: Secondary regime, fuel spray, diesel engines, alternative fuels. 1. Giới thiệu Khi nhiên liệu được phun vào buồng cháy của động cơ, mỗi hạt nhiên liệu chịu tác dụng đồng thời của nội lực và ngoại lực. Nội lực gồm lực liên kết giữa các phân tử, lực căng mặt ngoài. Ngoại lực gồm lực kích động ban đầu khi lưu động qua lỗ phun và lực cản khí động học của khí nén trong buồng cháy. Lực liên kết giữa các phân tử và lực căng mặt ngoài phụ thuộc nhiều vào cấu trúc phân tử, độ nhớt và sức căng bề mặt, nó có xu hướng giữ cho chùm tia phun nhiên liệu được liên tục, không bị xé nhỏ. Trong khi đó lực kích động ban đầu và lực cản khí động của không khí nén trong buồng cháy lại có xu hướng xé chùm tia nhiên liệu thành những hạt nhỏ hơn. Ngoài ra, khi nhiên liệu lưu động qua lỗ phun sẽ xảy ra hiện tượng bị nhiễu loạn do tốc độ lưu động tương đối lớn, mức độ nhiễu loạn của chùm tia phun phụ thuộc chủ yếu vào độ nhớt, sức căng bề mặt của nhiên liệu, kết cấu của vòi phun và tốc độ chuyển động của dòng nhiên liệu qua lỗ phun [3]. Dưới tác động của nội lực cũng như ngoại lực, dẫn đến sự phân rã chùm tia nhiên liệu thành những hạt có kích thước, hình dáng và nồng độ khác nhau. Những hạt có kích thước nhỏ là do giá trị của nội lực nhỏ hơn nhiều so với sự tác động của ngoại lực. Quá trình phân rã chùm tia phun nhiên liệu được tạo thành ngay sau khi nhiên liệu được phun vào trong xilanh của động cơ. Sự phân rã chùm tia phun nhiên liệu diễn ra nhanh hay chậm phụ thuộc vào các yếu tố như: Vận tốc phun, áp suất và nhiệt độ của buồng cháy, tính chất vật lý của nhiên liệu. Quá trình phân rã là tiền đề quan trọng tạo nên sự phá vỡ chùm tia phun nhiên liệu thành các hạt nhỏ, nó bao gồm quá trình phân rã sơ cấp và phân rã thứ cấp. 2. Quá trình phân rã thứ cấp Trong quá trình phân rã sơ cấp, các giọt và hạt nhiên liệu được tách ra khỏi chùm tia phun. Các giọt và hạt nhiên liệu này thường không ổn định và do đó còn có thể tiếp tục bị phân rã. Sau quá trình phân rã sơ cấp là quá 62 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 20, Aug 2016 trình phân rã thứ cấp. Hai quá trình phân rã này có tính chất quyết định đến thông số hình học của chùm tia phun nhiên liệu và kích thước của hạt nhiên liệu. Hình 1 biểu diễn quá trình phân rã sơ cấp và thứ cấp của chùm tia phun nhiên liệu. Hình 1. Quá trình phân rã và phá vỡ chùm tia phun. Quá trình phân rã thứ cấp được xảy ra do sức căng bề mặt của giọt nhiên liệu trở nên rất nhỏ và vì vậy ảnh hưởng đáng kể đến khả năng chống biến dạng của giọt. Nếu lực khí động thắng sức căng bề mặt sẽ làm biến dạng và phân rã giọt. Quá trình phân rã thứ cấp của giọt nhiên liệu xảy ra chủ yếu thông qua các lực khí động. Do đó, vận tốc tương đối của những giọt nhiên liệu và môi trường khí xung quanh đóng một vai trò quan trọng trong cơ chế phân rã thứ cấp. Cơ chế phân rã của quá trình phân rã thứ cấp được thể hiện thông qua hệ số Weber của pha khí: Wek = 2 k tđρ u d σ (1) Trong đó: d: Đường kính giọt nhiên liệu trước khi phân rã (m); σ: Sức căng bề mặt nhiên liệu lỏng lỏng (N/m): utđ: Vận tốc tương đối giữa các hạt nhiên liệu và không khí (m/s); ρk: Mật độ không khí trong xilanh tại thời điểm phun (kg/m3). Như vậy, tùy thuộc vào trị số Wek mà cơ chế phân rã giọt của quá trình phân rã thứ cấp diễn ra theo các hình thức khác nhau và được trình bày ở bảng 1. Bảng 1. Cơ chế và hình thức phân rã thứ cấp theo Baumgarten. Cơ chế phân rã Wek Sơ đồ minh họa theo Baumgarten Phân rã rung động  12 Phân rã dạng túi < 20 Phân rã dạng túi/màng < 50 Phân rã dạng dải <100 Phân rã mãnh liệt <1000 Tại số Wek nhỏ (Wek  12), giọt nhiên liệu chỉ biến dạng mà không phân rã. Kết quả sự phân rã của giọt do biến dạng giống như một cái túi. Tại bề mặt hình thành giọt lớn, trong khi phần còn lại vỡ thành các giọt nhỏ hơn. Khi số Wek tăng lên (12 < Wek < 50), trong chùm tia phun xuất hiện một cơ chế phun bổ sung dạng túi hoặc túi màng hình đuôi nheo. Trong cơ chế phân rã này, đường kính giảm dần vì những giọt nhỏ liên tục bị tách từ lớp biên do sự xuất hiện của lực cắt trên bề mặt. Sự phân rã này xảy ra do hai yếu tố: Giảm tốc mạnh do áp suất khí nén trong buồng cháy tăng và dao động của giọt nhiên liệu với biên độ lớn dẫn đến phân rã thành các giọt hay hạt nhỏ hơn. Đặc biệt, nếu 50 < Wek < 1000 thì cơ chế phân rã thành những hạt nhỏ diễn ra nhanh hơn thậm chí ngay tại miệng lỗ vòi phun. Tuy nhiên, Arcoumanis chỉ phân loại hai cơ chế phân rã thứ cấp, khi hệ số Wek < 1000 thì quá trình phân rã diễn ra theo quy luật và quá trình phân rã xảy ra hỗn loạn khi hệ số Wek ≥ 1000. Bảng 2 trình bày cơ chế và hình thức phân rã thứ cấp theo Arcoumanis. Như vậy, tất cả các cơ chế phân rã thứ cấp đều xảy ra ở quá trình phun nhiên liệu trong động cơ. Tuy nhiên, hầu hết các quá trình phân rã diễn ra ở gần miệng phun có hệ số Wek cao, càng ra xa miệng vòi phun thì hệ số Wek giảm đáng kể vì vận tốc tương đối giảm, đường kính hạt nhiên liệu nhỏ do sự bay hơi và phân rã trước đó. TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 20 - 08/2016 63 Bảng 2. Cơ chế và hình thức phân rã thứ cấp theo Arcoumanis. Cơ chế phân rã Wek Sơ đồ minh họa theo Arcoumanis Phân rã rung động  12 Phân dã dạng túi 12 ÷18 Phân rã dạng túi/màn g 18 ÷ 45 Phân rã dạng dải 100 ÷350 Phân rã dạng sóng 35 ÷1000 Phân rã mãnh liệt ≥ 1000 3. Tính toán quá trình phân rã thứ cấp Quá trình phân rã thứ cấp là sự phân rã của những giọt đã được tạo ra ở giai đoạn trước thành những giọt nhỏ hơn do tác dụng của lực khí động được sinh ra bởi vận tốc tương đối (utđ) giữa các giọt nhiên liệu và không khí trong xilanh. Lực khí động gây nên sự mất ổn định trên bề mặt giọt nhiên liệu hoặc trong toàn bộ thể tích giọt và cuối cùng dẫn đến sự phân rã của nó. Lực căng bề mặt luôn có xu hướng giữ cho giọt nhiên liệu có dạng hình cầu, chống lại hiện tượng biến dạng và phân rã. Sử dụng mô hình Kelvin – Helmholtz để tính toán quá trình phân rã thứ cấp với giả thuyết: giọt nhiên liệu lỏng với đường kính ban đầu r0 được thâm nhập vào một khối không khí bị nén với áp suất p với một vận tốc tương đối utđ. Ngoài ra, do sự nhiễu loạn tạo ra bên trong các lỗ vòi phun nên bề mặt giọt nhiên liệu được bao phủ bởi một dải sóng bề mặt hình sin với vô số trục đối xứng gây ra những dao động có tính đối xứng qua những trục này. Các sóng bề mặt này phát triển do lực khí động. Hình 3. Mô hình tính toán cơ chế phân rã thứ cấp dạng sóng. Chuyển động của chất lỏng và không khí được mô tả bởi các phương trình tuyến tính Navier - Stokes. Phương trình liên hệ giữa mức tăng biên độ dao động ω trong một đơn vị thời gian của một bước sóng λ = 2π/k với tính chất vật lý của nhiên liệu được cho bởi: ' ' 2 2 1 0 1 0 1 0 l 2 2 o 0 0 0 1 0 I (kr ) I (kr ) I (lr )2kl ω +2ν k ω - I (kr ) k +l I (kr ) I (lr )       = 2 2 2 2 1 0 02 2 2 l 0 0 0 I (kr )σk l -k (1-r k )( ) + ρ r l +k I (kr ) 2 2 2 2 1 0 0 0k tđ 2 2 l 0 0 1 0 I (kr )K (kr )ρ iω l -k (u - ) k ρ k l +k I (kr )K (kr )       (2) Trong đó: I0, I1: Các hàm Bessel loại 1; K0, K1: Các hàm Bessel loại 2; σ: Sức căng bề mặt của nhiên liệu, N/m. ρl và ρk: Khối lượng riêng của nhiên liệu lỏng ở nhiệt độ T và khối lượng riêng của không khí trong xilanh tại thời điểm phun nhiên liệu, kg/m3; k: Số bụng sóng; l2 = k 2 + L.ω/υl; υl = µl/ρl: Độ nhớt động học, mm2/s; L: Chiều dài chùm tia phun, mm. Từ phương trình (2), ta nhận thấy có một giá trị cực đại ω = Ω để giọt nhiên liệu phân rã thành những giọt mới. Giá trị này làm cho tốc độ phân rã mạnh nhất do nó làm cho bề mặt kém ổn định nhất 0.5 3 1.5 l 0 k 0.6 ρ r 0.34+0.38.We Ω = σ (1+Z)(1+1.4T )       (3) Chiều dài sóng tương ứng Λ: 0.5 0.7 1.67 0.6 0 k Λ (1+0.45.Z )(1+0.4.T ) =9.02 r (1+0.865.We ) (4) Trong đó: We Z= Re ; T = Z We ; Re = o tđ ρr u η (5) Z và T là các hệ số Ohnesorge và Taylor. 64 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 20, Aug 2016 Khi đó, hạt nhiên liệu mới tạo ra có bán kính rm được xác định: rm = 0.61.Λ (6) Thời gian phân rã được xác định từ phương trình: mr-rdr = - dt τ (7) Nên thời gian phân rã thứ cấp τpr được xác định như sau: τpr = . ..788.3 1 r B (8) Trong đó: B1 là hệ số điều chỉnh kể đến ảnh hưởng của dòng chảy trong lỗ phun và loại vòi phun, B1 nằm trong khảng (1.73 ÷60). Giá trị B1 càng lớn sẽ làm giảm mức độ phân rã thứ cấp tức là làm tăng thời gian phân rã và làm tăng độ xuyên sâu của chùm tia phun. Tuy nhiên, khi giá trị B1 nhỏ sẽ làm tăng khả năng phân rã khi phun đồng thời làm cho quá trình hình thành hỗn hợp không khí – nhiên liệu diễn ra nhanh hơn và giảm độ xuyên sâu của chùm tia phun. Từ công thức (3), (4) và (5) cho thấy, khi độ nhớt, khối lượng riêng và sức căng bề mặt của nhiên liệu tăng, giá trị Ω và tỉ số 0 Λ r lại giảm. Điều này có thể giải thích cho việc cần sử dụng một số phương pháp để khắc phục các nhược điểm của nhiên liệu có độ nhớt cao, sức căng bề mặt và khối lượng riêng lớn như dầu sinh học - khi được sử dụng làm nhiên liệu thay thế trên động cơ diesel. Như vậy, nếu quá trình phân rã sơ cấp cung cấp các điều kiện cần thiết để xác định các thông số của chùm tia phun như chiều dài phân rã, đường kính hạt hay giọt nhiên liệu, góc phun hình nón hay độ xuyên sâu thì quá trình phân rã thứ cấp xác định được thời gian phân rã của chùm tia τpr và thời gian tương tác khí động học của tia phun với không khí τe. Nếu tổng thời gian phân rã τpr và tương tác khí động học τe càng lớn thì thời gian hình thành hỗn hợp càng dài và do đó quá trình cháy sẽ không hoàn hảo và cháy không sạch. Thời gian tương tác khí động học τe có thể được xác định theo công thức: 2 f g e k f ρ d τ = 18ρ μ 4. Kết luận Bài báo đã trình bày khái quát các cơ chế có thể xảy ra trong quá trình phân rã thứ cấp, tùy thuộc vào mối liên hệ giữa các thông số mà cơ chế phân rã nào có thể xảy ra. Để một chùm tia nhiên liệu được phun sương hoàn toàn, phân rã và bay hơi nhanh thì vận tốc phun phải đủ lớn, độ nhớt đủ nhỏ (gây ra lực nhiễu loạn lớn); tỷ trọng, sức căng bề mặt đủ nhỏ (để lực căng bề mặt nhỏ và khả năng bay hơi nhanh). Hay nói khác đi, việc khắc phục độ nhớt, sức căng bề mặt lớn của nhiên liệu sẽ giúp cho quá trình phân rã thứ cấp có thể xảy ra nhanh hơn nhằm giảm thời gian phân rã và tương tác giữa nhiên liệu với không khí. Ngoài ra, lý thuyết tính toán phân rã và tương tác khí động học của quá trình phân rã thứ cấp cũng cho biết mức độ và phương thức phân rã xảy ra tiếp theo quá trình phun sương trong cơ chế phân rã sơ cấp của chùm tia phun nhiên liệu trong động cơ diesel. Trong các nghiên cứu tiếp theo, nhóm tác giả sẽ nghiên cứu ảnh hưởng tính chất vật lý của nhiên liệu đến cơ chế phân rã nhằm tìm ra các biện pháp khắc phục một số nhược điểm của các loại nhiên liệu có độ nhớt, sức căng bề mặt và tỷ trọng quá cao hay quá thấp nhằm sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ diesel  Tài liệu tham khảo [1] Arcoumanis C, et.,al: Cavitation in Real-Size Multi-Hole Diesel Injector Nozzles, SAE paper 2000. [2] C. Aalburg, et.,al: Primary breakup of turbulent round liquid jets in uniform crossflows, 2007. [3] Carten Baumgarten: Mixture formation in internal cobustion engines, Germany, 2006. [4] Tuan Hoang Anh, Nho Luong Cong, Tuan Le Anh: Effects of the Heating Temperature of Pure Coconut Oil on Breakup Mechanism of Fuel Sprays, Ho Chi Minh city, Vietnam, 10/2015. [5] Reitz RD, Diwakar R: Structure of High-Pressure Fuel Sprays, SAE paper, 1987. Ngày nhận bài: 18/07/2016 Ngày chuyển phản biện: 21/07/2016 Ngày hoàn thành sửa bài: 06/08/2016 Ngày chấp nhận đăng: 15/08/2016