Đang tải... (xem toàn văn)
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là xác định và phân tích được các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành và phát triển của cặn lắng trong buồng cháy động cơ diesel; Xây dựng được mô hình thực nghiệm xác định sự tạo cặn lắng trên bề mặt vách được gia nhiệt;
MỞ ĐẦU Một nghiên cứu quan trọng việc sử dụng nhiên liệu diesel nghiên cứu tạo cặn lắng động Quá trình tạo cặn lắng buồng cháy động tượng phức tạp gây nhiều vấn đề khác giảm hiệu suất, tăng lượng phát thải gây hư hỏng động diesel Các nghiên cứu cặn động tiến hành nhằm đánh giá tác động cặn đến động cách thức hình thành, phát triển chúng Hầu hết nghiên cứu cặn thực cách sử dụng kết thống kê từ khảo sát kiểm tra động thực, điều địi hỏi thời gian thử nghiệm kéo dài dẫn tới chi phí thử nghiệm cao thường gây hư hỏng cho động trình thử nghiệm cặn lắng Do đó, đề tài “Nghiên cứu chế hình thành phát triển cặn lắng buồng cháy động diesel” cần thiết, có ý nghĩa khoa học mang tính thực tiễn Mục tiêu nghiên cứu đề tài - Nghiên cứu chế hình thành phát triển cặn lắng buồng cháy động diesel sử dụng số nhiên liệu phổ biến Việt Nam diesel diesel sinh học; - Xác định phân tích yếu tố ảnh hưởng đến hình thành phát triển cặn lắng buồng cháy động diesel; - Xây dựng mơ hình thực nghiệm xác định tạo cặn lắng bề mặt vách gia nhiệt; - Xây dựng mơ hình tốn để đánh giá xu hướng hình thành phát triển cặn lắng theo thời gian Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Nhiên liệu diesel sẵn có thị trường Việt Nam: diesel diesel sinh học; Một số loại động diesel cỡ nhỏ điển hình; Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu cơ chế hình thành cặn lắng giọt nhiên liệu lỏng tương tác với vách buồng cháy động diesel thông qua mơ hình tạo cặn bề mặt vách gia nhiệt Dựa sở tượng vật lý (hóa hơi, lắng đọng,…), nghiên cứu tập trung vào chế hình thành cặn lắng bề mặt vách gia nhiệt xét đến tham số nhiệt độ thành phần nhiên liệu Ý nghĩa khoa học thực tiễn Về khoa học - Góp phần làm rõ chế hình thành phát triển cặn lắng bên buồng cháy động diesel sử dụng loại nhiên liệu khác có sẵn Việt Nam; - Xây dựng thành cơng mơ hình thực nghiệm tạo cặn lắng bề mặt vách đơn giản, tiết kiệm chi phí mà đảm bảo tính đắn việc xác định hình thành cặn lắng buồng cháy động Về thực tiễn - Đề tài góp phần mở rộng khả đa dạng hóa nguồn nhiên liệu sử dụng cho động diesel đánh giá khả tạo cặn lắng nguồn nhiên liệu thay - Từ kết nghiên cứu, xây dựng giải pháp tổng thể cho nhà sản xuất người vận hành để giảm thiểu lượng cặn lắng hình thành buồng cháy động Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết: - Nghiên cứu lý thuyết chế hình thành phát triển cặn lắng; Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm lý thuyết thống kê để đánh giá tính đắn mơ hình thực nghiệm xây dựng mơ hình tốn Nghiên cứu thực nghiệm: - Nghiên cứu thực nghiệm đối chứng đánh giá yếu tố quan trọng tác động đến chế hình thành phát triển cặn lắng Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan cơng trình cơng bố gần giới liên quan đến chế hình thành phát triển cặn lắng buồng cháy động làm sở định hướng nội dung chi tiết nghiên cứu; - Nghiên cứu sở lý thuyết chế hình thành phát triển cặn lắng buồng cháy động cơ; - Nghiên cứu xây dựng mơ hình tạo cặn bề mặt vách gia nhiệt mô hình thực nghiệm đối chứng động cơ; - Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng nhiệt độ vách buồng cháy, thành phần nhiên liệu lượng dầu bơi trơn đến chế hình thành phát triển cặn lắng mơ hình tạo cặn bề mặt vách gia nhiệt Kết cấu luận án: Luận án gồm phần mở đầu, chương nội dung nghiên cứu, phần kết luận hướng phát triển Toàn luận án trình bày 169 trang, 37 bảng 84 hình vẽ đồ thị CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Cặn lắng buồng cháy động Cặn lắng (deposit) hay cặn lắng cacbon hỗn hợp không đồng gồm tro, soot chất hữu dạng keo [5][6] Nó bao gồm tạp chất cặn tích tụ chi tiết buồng cháy động nắp xilanh, piston, xupap, đầu vòi phun 1.1.1 Nguồn gốc cặn lắng Các thành phần nhiên liệu, dầu bôi trơn kết hợp hai tham gia đóng góp nhiều vào việc hình thành tiền tố cặn, soot cặn lắng đóng cốc vách buồng cháy động 1.1.2 Tính chất cặn lắng Cấu trúc cặn phụ thuộc nhiều thông số thành phần nhiên liệu, nhiệt độ làm việc động thành phần chất phụ gia nhiên liệu [29] Đặc tính xốp cặn lắng định tính dẫn nhiệt, tính dẫn điện nhiệt dung tác động lớn đến cản trở truyền nhiệt gia tăng lượng nhiệt tích trữ 1.1.3 Yếu tố hình thành cặn lắng Các nghiên cứu khác hình thành cặn buồng cháy động [7][8][17][21][24][30][34][36] yếu tố hình thành lớp nhiên liệu lỏng, nhiệt độ bề mặt thành vách buồng cháy, hệ số dư lượng khơng khí, điều kiện vận hành động cơ, thành phần nhiên liệu dầu bơi trơn ảnh hưởng tới q trình tích tụ phát triển cặn lắng 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu cặn lắng động 1.2.1 Các hướng nghiên cứu Hiện nay, có ba hướng nghiên cứu cặn nhà nghiên cứu thực hiện, bao gồm: (1) Nghiên cứu tác động cặn lắng lên động cơ; (2) Nghiên cứu yếu tố hình thành cặn lắng; (3) Nghiên cứu đặc tính cặn Các nghiên cứu chế cách thức phát triển cặn lắng động kết luận cặn lắng buồng cháy hình thành qua ba giai đoạn khác nhau: (1) Sự ngưng tụ nhiên liệu cháy khơng hồn tồn vách buồng cháy; (2) Sự tác động giọt nhiên liệu chưa cháy; (3) Dòng chảy nhiên liệu (tại xupap nạp, đầu vòi phun lỗ phun) 1.2.2 Tổng quan nghiên cứu chế hình thành phát triển cặn lắng buồng cháy động Các nghiên cứu cặn lắng buồng cháy chủ yếu thực động thực bệ thử động [9][37][43][44] phương tiện khai thác [33][45][46] Cả hai cách địi hỏi thời gian thử nghiệm dài khoảng cách di chuyển xa dẫn đến chi phí thử nghiệm cao gây thiệt hại động trình thử nghiệm khảo sát cặn lắng buồng cháy Sự hình thành cặn động phụ thuộc vào thông số khác nhau, chẳng hạn nhiên liệu, vật liệu bề mặt, nhiệt độ, áp suất, mơi trường buồng cháy [31] Lượng cặn tích tụ tăng giảm tùy thuộc vào mức độ ảnh hưởng thơng số, vị trí tương tác loại động khác Như vậy, chế hình thành cặn buồng cháy động trình phức tạp Trong nghiên cứu cặn lắng buồng cháy động cơ, vấn đề cần quan tâm trình bay hơi, trình làm nóng, lắng đọng cặn phản ứng hóa học (nhiệt phân, trùng hợp, oxi hóa,…) Trong số vấn đề trên, đặc tính bay đề cập rộng rãi nghiên cứu lý thuyết, mô thực nghiệm [6][44] [49][50][51] Do đó, trước xem xét trình hình thành cặn cách chi tiết, ta cần hiểu trình bay nhiên liệu trình sở xác định lượng nhiên liệu lại tham gia vào tạo cặn Để giải khó khăn cần hiểu chế tạo cặn hạt nhiên liệu đơn trình tạo cặn vách buồng cháy tích tụ thành phần khơng bay khó bay nhiều hạt nhiên liệu đơn Việc thiết lập mơ hình thử nghiệm tạo cặn giọt nhiên liệu đơn để đánh giá phân tích chế tạo cặn lắng cần thiết khả thi 1.3 Kết luận chương Quá trình tạo cặn lắng buồng cháy động tượng phức tạp có nhiều tác động xấu đến động giảm hiệu suất, tăng lượng phát thải làm hư hỏng động diesel Các cơng trình nghiên cứu chứng tỏ yếu tố nhiệt độ bề mặt vách, thành phần nhiên liệu có mặt dầu bơi trơn nhiên liệu có tác động định đến hình thành gia tăng lượng cặn tích lũy phận buồng cháy động Các cơng trình nghiên cứu ngồi nước cặn lắng động thường thực trực tiếp động thực với thời gian dài, chi phi lớn, khả định lượng cặn khó gây hư hỏng động Trong đó, Việt Nam chưa có nghiên cứu đáng kể chế hình thành phát triển cặn lắng buồng cháy động Từ kiến giải trên, thấy rõ vấn đề nghiên cứu:“ Nghiên cứu chế hình thành phát triển cặn lắng buồng cháy động diesel” cần thiết CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT SỰ HÌNH THÀNH CẶN LẮNG TRONG BUỒNG CHÁY ĐỘNG CƠ DIESEL 2.1 Lý thuyết hình thành cặn lắng buồng cháy động 2.1.1 Lý thuyết hình thành lắng đọng hạt Sự hình thành cặn buồng cháy giải thích dựa chế sau: khuếch tán Brown, nhiệt điện, quang điện, quán tính lắng đọng trọng lực Khuếch tán Brown chế lắng đọng quan trọng để ngưng tụ kết tụ soot bề mặt vách làm mát hệ thống buồng cháy [52][53] Sự điện di chuyển động hạt có kích thước nhỏ 0,1 µm chịu ảnh hưởng lực tĩnh điện hạt tích điện buồng cháy [48][53][54][55] Lắng trọng lực: ảnh hưởng bị bỏ qua Khuếch tán nhiệt (thermophoresis) sinh gradient nhiệt độ khối khí cháy gần bề mặt làm mát [56][57] 2.1.2 Lý thuyết hình thành màng lỏng giọt tương tác với vách 2.1.2.1 Sự hình thành màng lỏng nhiên liệu bề mặt vách không gia nhiệt Các nghiên cứu [58][59] cho thấy độ dày màng lỏng nhiên liệu thông số quan trọng trình tương tác chùm tia phun với vách Nó dao động từ vài micron đến vài milimet tùy thuộc vào đặc tính phân rã chùm tia nhiên liệu điều kiện bề mặt vách Các nghiên cứu thực nghiệm [60][62][63][64] lớp màng nhiên liệu dày trạng thái bắn tóe giọt nhiên liệu thứ cấp mạnh hơn, ngược lại giọt thứ cấp tiếp xúc với bề mặt vách khơ khơng xảy bắn tóe Khi lượng bắn tóe thỏa mãn u cầu kết hợp số không thứ nguyên Weber (We) Ohnesorge (Oh) phù hợp để định lượng điều kiện phân rã giọt tác động lên bề mặt vách ướt Các nghiên cứu [60][63][64][65][66][67] xây dựng nên tiêu chuẩn mô tả mối quan hệ chiều dày lớp màng lỏng với trạng thái tương tác giọt nhiên liệu bề mặt vách ướt thông qua hệ số thực nghiệm số không thứ nguyên We Oh 2.1.2.2 Sự hình thành màng lỏng nhiên liệu vách gia nhiệt Lý thuyết hai chế bay tương tác với vách gia nhiệt tập trung nghiên cứu chủ điểm: 1) Cơ chế truyền nhiệt xảy hạt chất lỏng lắng xuống bề mặt vách gia nhiệt 2) Sự bay giọt phân tán môi trường khí nóng 2.1.3 Lý thuyết chế hình thành soot Sự cháy hạt nhiên liệu lỏng chúng dịch chuyển buồng cháy tập trung cục nhiên liệu vùng có nhiệt độ cao sản sinh soot Cơ chế hình thành soot từ pha lửa động diesel bao gồm trình:nhiệt phân, tạo mầm, phát triển hạt, kết tụ, thiêu kết oxi hóa 2.2 Giả thuyết chế hình thành cặn lắng buồng cháy động 2.2.1 Giả thuyết Mơ hình khẳng định hình thành cặn buồng cháy phụ thuộc vào bốn trình: hình thành tiền tố cặn từ thành phần nhiên liệu oxy khu vực lửa tắt tức thời, ngưng tụ bay tiền tố cặn vách buồng cháy bề mặt lớp cặn phản ứng trùng hợp Hình 2.1 Giả thuyết chế hình thành bên cấu trúc lớp cặn cặn lắng buồng cháy [14] Sự cân động trình này, với xuất liên tiếp trình loại bỏ cặn theo chế hóa học học xác định lượng tỉ lệ cặn từ loại nhiên liệu cụ thể điều kiện hoạt động cụ thể động 2.2.2 Giả thuyết Cơ chế hình thành cặn diễn theo bốn trình: hình thành màng lỏng; gắn kết, tạo lập nêm chặt hạt; hấp thụ thành phần khí nén chặt lớp cặn Hình 2.2 Giả thuyết chế hình thành cặn buồng cháy [17] 2.3 Các phương pháp nghiên cứu cặn lắng buồng cháy động Các phương pháp thực nghiệm phổ biến sử dụng nghiên cứu cặn lắng buồng cháy động là: Trong nghiên cứu thành phần cặn lắng sử dụng phương pháp phân tích nhiệt (Thermo-gravimetric TGA), phân tích hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) phân tích thành phần hóa học; Trong nghiên cứu cấu trúc cặn lắng sử dụng kính hiển vi điện tử (TEM SEM), hấp thụ khí phổ Raman; Trong mơ hình thành cặn lắng sử dụng phương pháp số; Trong nghiên cứu thực nghiệm nhằm xây dựng mơ hình tốn đánh giá yếu tố ảnh hưởng đến hình thành cặn lắng sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm 2.4 Kết luận chương Điều kiện nhiệt độ bề mặt vách buồng cháy, khả hình thành màng lỏng hóa nhiên liệu điều kiện nhiệt độ buồng cháy trạng tương tác giọt nhiên liệu với bề mặt vách đóng vai trị then chốt q trình tích tụ phát triển cặn Cơ chế hình thành màng lỏng nhiên liệu bề mặt vách giọt nhiên liệu tương tác với vách gia nhiệt, chế tích tụ hạt buồng cháy chế hình thành soot xilanh động sở khoa học để xây dựng mô hình thực nghiệm nghiên cứu thực nghiệm luận án Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để xác định hàm hồi quy phù hợp nhằm mơ tả xu hướng hình thành cặn lắng đánh giá yếu tố tác động đến tích tụ phát triển cặn lắng CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM TẠO CẶN LẮNG TRÊN VÁCH BUỒNG CHÁY 3.1 Xây dựng thử nghiệm tạo cặn mơ hình vách buồng cháy (TNCMH) Tấm hợp kim nhôm; Bộ gia nhiệt; Cảm biến phát giọt; Kim tạo giọt; Van tiết lưu; Ống dẫn nhiên liệu; Két nhiên liệu; Cảm biến nhiệt độ; Bộ điều khiển nhiệt độ; 10 Bộ hâm nhiên liệu; 11 Bộ thu tín hiệu phát giọt; 12 Nhiệt kế hồng ngoại; 13 Camera Hình 3.1 Sơ đồ thử nghiệm tạo cặn mơ hình TNCMH Hình 3.2 Trang thiết bị TNCMH Tấm hợp kim nhôm (AC9A) sử dụng bề mặt vách buồng cháy động Tấm gia nhiệt điện nhiệt độ bề mặt điều khiển điều khiển nhiệt độ Nhiệt độ đo cặp nhiệt ngẫu, nhiệt độ bề mặt đo nhiệt kế hồng ngoại Đầu kim phun nhiên liệu cách tâm khoảng 75mm (Lh) để tránh làm nóng nhiên liệu trước thử nghiệm, hạn chế lỗi xảy thiếu hụt lượng giọt lớn trình va chạm đảm bảo số Weber( 80 ≤ We ≤ 150 ) Khoảng thời gian va chạm (τvc) kiểm soát cách điều chỉnh van tiết lưu Số giọt va chạm (ND) xác định cách sử dụng máy dò laze hồng ngoại thiết bị đếm 3.2 Quy trình chế độ thử nghiệm 3.2.1 Thử nghiệm bay (TNBH) Số lượng giọt nhiên liệu xét đến thử nghiệm 100 giọt cho loại nhiên liệu Đường kính giọt nhiên liệu xác định gần thơng qua đường kính miệng kim phun Phạm vi nhiệt độ thử nghiệm bay phụ thuộc vào loại nhiên liệu khoảng 125oC đến 410oC Dao động nhiệt độ tối đa điểm 5°C Đối với mức nhiệt, ba lần thử nghiệm tiến hành để đảm bảo độ tin cậy liệu Diễn biến tương tác giọt dầu bề mặt quan sát ghi lại máy quay 3.2.2 Thử nghiệm tạo cặn mơ hình vách buồng cháy (TNCMH) Cứ sau 1000 giọt, khối lượng cặn đo hình ảnh cặn chụp lại Ở lần thử nghiệm bề mặt vách làm mát vệ sinh trước tiến hành thử nghiệm Tổng số giọt nhiên liệu thử nghiệm TNCMH 19000 giọt cho loại nhiên liệu Lượng cặn 1000 giọt sau cân bảo quản tủ hút chân không chống ẩm để đảm bảo độ tin cậy mẫu, sau trình thử nghiệm kết thúc mẫu gửi phân tích thành phần Dữ liệu cho nhiệt độ bề mặt tối đa tối thiểu cặn (tc [oC]) đo nhiệt kế hồng ngoại (Beta 1760/IR1600) 3.2.3 Điều kiện thử nghiệm Bảng 3.1 Điều kiện thử nghiệm TNCMH Thời gian Nhiệt độ bề va chạm mặt vách giọt với Loại Thí nghiệm vách nhiên liệu tbm (oC) 𝝉𝒗𝒄 (s) 270; 306; Ảnh hưởng nhiệt độ DO 327; 352; bề mặt vách buồng cháy 367 DO Ảnh hưởng thành phần nhiên liệu B100 B50 306; 352 352 Thí nghiệm Loại nhiên liệu Thời gian va chạm giọt với vách 𝝉𝒗𝒄 (s) Nhiệt độ bề mặt vách tbm (oC) B20 Đánh giá tính khả thi mơ hình TNCMH; Ảnh hưởng lượng dầu bôi trơn B5 DO DO+1%L 270 DO+2%L 3.3 Mơ hình thử nghiệm xác định lượng cặn buồng cháy động thực (TNCBC) Đây mơ hình thực nghiệm đối chứng nhằm đánh giá tính khả thi đắn mơ hình thực nghiệm TNCMH Đối tượng thử nghiệm lựa chọn động diesel Robin DY41DS với thơng số cho Bảng 3.2 Mơ hình sơ đồ bố trí động băng thử thể Hình 3.3 Để đo khối lượng cặn buồng cháy mà không cần tháo dỡ nắp xilanh, chốt nhôm đặt nắp xilanh Bốn cặp nhiệt ngẫu gắn vào chốt để đo nhiệt độ chốt thiết bị gia nhiệt đưa vào bên Hình 3.3 Bố trí thiết bị động chốt để kiểm soát nhiệt độ chốt DY41DS Bảng 3.2 Các thơng số động DY41DS Mô tả Thông số Diesel, kỳ, xilanh, làm mát Loại động cưỡng không khí, phun nhiên liệu trực tiếp Dung tích xilanh 412 ml Đường kính x Hành trình piston 82 mm x 78 mm Tỷ số nén 21:1 Công suất tối đa 6,3 kW 3600 vịng/phút Mơ men cực đại 19,7 Nm 2400 vòng/phút Trong thử nghiệm này, thiết bị gia nhiệt gắn vào chốt thiết lập với nhiệt độ th = 240oC Động trì chế độ tải 50%, hệ số dư lượng khơng khí thiết lập 2,4, nhiên liệu phun sớm 15 độ GQTK so với ĐCT Tốc độ động thiết lập 1200 vòng/phút thời gian hoạt động liên tục động 20 Sau giờ, chốt rút lượng cặn bám chốt đo Khối lượng chốt đo cân điện tử vi lượng với độ phân giải 0,01mg 3.4 Phương trình hồi quy hình thành phát triển cặn lắng 3.4.1 Mơ hình tốn mơ tả hình thành phát triển cặn lắng mơ hình TNCMH 𝑀𝑅 𝛽 = 𝛼𝑁𝐷 (3.1) 𝑚𝐷 MR = tổng khối lượng cặn bề mặt vách [g]; mD = khối lượng giọt nhiên liệu đơn [g]; ND = số giọt tương tác; α =hệ số đặc trưng cho tạo cặn ban đầu; β = hệ số đặc trưng cho phát triển cặn Hình 3.4 Sự tích tụ phát triển cặn lắng thử nghiệm TNCMH 10 3.4.2 Mơ hình tốn mơ tả hình thành phát triển cặn lắng mơ hình TNCBC 𝑀′𝑅 𝛽 = 𝛼𝑁𝑝ℎ (3.2) 𝑚𝑝ℎ M’R tổng khối lượng cặn bám bề mặt chốt [g] mph khối lượng nhiên liệu giọt đơn [g/lần phun] Nph số lần phun = (1/2).(n/60) n tốc độ quay động [vịng/phút] Hình 3.5 Sự tích tụ phát triển cặn thử nghiệm TNCBC 3.5 Tính tương đồng mơ hình TNCMH TNCBC 3.5.1 Sự phát triển cặn lắng Phương trình (3.1) (3.2) áp dụng với TNCMH TNCBC có ý nghĩa vật lý dạng hàm hồi quy tương tự Trong TNCBC, tần suất phun nhiên liệu với tốc độ không đổi lượng nhiên liệu không đổi tương tự với va chạm giọt nhiên liệu với tần suất liên tục với khoảng cách khối lượng hạt không đổi giọt TNCMH Sự khác biệt TNCMH tập trung mô tả tốt lắng đọng giọt nhiên liệu đơn Trong trình lặp TNCMH TNCBC, cặn hình thành liên tục bề mặt vách Kết so sánh số tỉ lệ cặn hình thành giai đoạn ban đầu (hệ số α) tốc độ phát triển cặn (hệ số 𝛽) cho thấy, hai thử nghiệm thu xu hướng thay đổi hệ số α 𝛽 tương tự loại nhiên liệu thử nghiệm Tuy nhiên, trình cháy diễn động nên nhiệt độ khí thể cơng tác cao diện tích bề mặt chốt nhỏ TNCBC nên hình thành cặn Hình 3.6 So sánh giá trị α β TNCBC chậm so với hai mơ hình TNCMH 11 3.5.2 Điều kiện thử nghiệm Các điều kiện thử nghiệm TNCMH TNCBC có số điểm tương đồng TNCMH có điều kiện thử nghiệm tương tự TNCBC điều kiện nhiệt độ bề mặt vách, trạng thái ướt/khô, chế truyền nhiệt sôi, chế tạo cặn số điều kiện khác chế tạo cặn trình thử nghiệm Các so sánh phần thực sở tham khảo thông tin thu từ tài liệu tham khảo [10][11][12] 3.6 Kết luận chương Xây dựng mơ hình thử nghiệm tạo cặn mơ hình vách buồng cháy TNCMH nhằm thay mơ hình động thực phức tạp có chi phí thử nghiệm cao Mơ hình thực nghiệm khơng mơ toàn diễn biến điều kiện diễn trình hình thành phát triển cặn lắng buồng cháy động mà tập trung tạo lập chế vật lý điều kiện tiên hình thành cặn lắng giọt nhiên liệu tương tác với bề mặt vách với 80 ≤ 𝑊𝑒 ≤ 150 Các phương trình hồi quy thu có ý nghĩa vật lý tương tự quan trọng so sánh giá trị α β thu từ liệu thử nghiệm TNCMH TNCBC với mức chênh lệch độ dốc lớn tương ứng 14% 21% Điều chứng tỏ tính đắn mơ hình thực nghiệm xây dựng CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1 Phương pháp quy trình thử nghiệm tạo cặn lắng bề mặt vách buồng cháy 4.1.1 Mục đích thử nghiệm Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm nghiên cứu tác động nhiệt độ bề mặt vách buồng cháy, thành phần nhiên liệu lượng dầu bơi trơn đến hình thành phát triển cặn thơng qua mơ hình TNCMH 4.1.2 Phạm vi thử nghiệm Các thử nghiệm tiến hành với điều kiện thử nghiệm sau: Bảng 4.1 Điều kiện thử nghiệm TNCMH Nghiên cứu Loại Thời Số lượng Nhiệt độ Nhiệt nhiên liệu gian va giọt bề mặt độ chạm nhiên vách MEP liệu giọt tương với tác vách ND (giọt) tbm (oC) (oC) 𝝉𝒗𝒄 (s) Ảnh hưởng DDC - 100 12 125 - 410 231 Nghiên cứu nhiệt độ vách buồng cháy Loại nhiên liệu DO Thời gian va chạm giọt với vách 𝝉𝒗𝒄 (s) Số lượng giọt nhiên liệu tương tác Nhiệt độ bề mặt vách Nhiệt độ MEP ND (giọt) (oC) 19000 tbm (oC) 270; 306 327; 352 367 306; 352 DO 19000 B100 B50 19000 B20 B5 Ảnh hưởng DO lượng dầu DO+1%L 19000 bơi trơn DO+2%L 4.1.3 Quy trình điều kiện thử nghiệm Ảnh hưởng thành phần nhiên liệu 352 270 357 357 361 380 362 357 357 359 397 Hình 4.1 Thiết bị trình thử nghiệm TNCMH Các nghiên cứu thực nghiệm tiến hành mô hình TNCMH (Hình 4.1) với điều kiện thử nghiệm trình bày Bảng 4.1 Quy trình thực nghiệm trình bày mục 3.2.2 13 4.2 Đặc tính bay nhiên liệu thử nghiệm 4.2.1 Đặc tính bay Dodecan nhiên liệu diesel Các đặc tính bay dodecane (DDC: C12H26) nhiên liệu diesel (DO) thể Hình 4.2 4.3 Thời gian tồn giọt nhiên liệu, điểm tốc độ bay tối đa tình trạng bay ba thơng số thu từ kết thực nghiệm Hình 4.2 cho thấy quãng thời gian bay giảm dần nhiệt độ bề mặt tăng Thời gian tồn tối thiểu giọt DDC quan sát thuộc vùng nhiệt độ cao nhiệt độ sơi Hình 4.2 Đặc tính bay của nhiên liệu (BP = 214,5°C), dodecane nhiệt độ gọi điểm tốc độ bay tối đa (MEP) Các đặc tính bay nhiên liệu DO thể Hình 4.3 Thời gian bay trước vùng MEP tương tự với nhiên liệu DDC Tuy nhiên, hydrocacbon đa thành phần có nhiên liệu nên q trình bay có khác biệt so với loại nhiên liệu DDC Nhiệt độ MEP ứng với tbm = 357°C cao so với nhiệt độ điểm sơi cuối DDC Hình 4.3 Đặc tính bay diesel (DO) 14 4.2.2 Đặc tính bay nhiên liệu diesel diesel sinh học Hình 4.4 Đặc tính bay diesel (DO) nhiên liệu sinh học (B100) Đặc tính B100 có xu hướng dốc, thời gian tồn giảm nhanh DO Hình 4.5 Đặc tính bay B50, B20 B5 Đặc tính bay trước MEP nhiên liệu sinh học hòa trộn xác định nằm đặc tính bay DO B100 4.2.3 Đặc tính bay nhiên liệu có pha trộn dầu bôi trơn Khi nhiệt độ thứ cấp thấp (chênh lệch nhiệt độ bề mặt MEP), thời gian tồn giọt nhiên liệu DF + 1% L DF + 2% L dài giọt nhiên liệu DF Hình 4.6 Đặc tính bay DO+1%L, DO+2%L 15 4.3 Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ vách buồng cháy đến hình thành phát triển cặn lắng 4.3.1 Khối lượng cặn lắng tích lũy Với số giọt < 1000 giọt, lượng cặn tích tụ nhỏ Ở 9000 giọt, tbm = 327°C, MR = 3,3mg Khi tbm = 352°C, MR = 1,5mg, giảm 55% Khi tbm = 367°C, MR = 1,0mg, 70% so với 327°C Ở 19000 giọt, tbm = 270°C, MR = 54,8mg, cao gấp 45 lần so với lượng cặn tích lũy tbm = 367°C với MR = 1,2mg Như vậy, số giọt tăng, nhiệt độ bề mặt cao có xu hướng tạo cặn so Hình 4.7 Phát triển cặn DO nhiệt độ với bề mặt nhiệt độ thấp bề mặt vách khác 4.3.2 Sự phát triển cặn Có hai dạng phát triển cặn lắng: dạng phát triển giai đoạn dạng phát triển hai giai đoạn Khi nhiệt độ bề mặt 270°C, 306°C 327°C (thấp nhiệt độ MEP), trình phát triển cặn gồm hai giai đoạn giai đoạn ban đầu (đường chấm) gia đoạn sau (đường liền) Tuy nhiên, điều kiện 352°C 367°C (rất gần nhiệt độ MEP), cặn phát triển theo giai đoạn Hình 4.8 Các dạng phát triển cặn 16 4.3.3 Cấu trúc lớp cặn Hình (A) cho thấy cặn thu có cấu trúc hình dạng giống cacbon, đặc trưng màu đen tương tự soot Kết phân tích mẫu cặn cho thấy có phản xạ ánh sáng Hình (B), chứng tỏ cặn có chứa thành phần cặn giống véc-ni, bề mặt sáng bóng hình ảnh cặn polyme lỏng cao phân tử Hình 4.9 Cấu trúc cặn lắng 4.3.4 Nhiệt độ lớp cặn Hình 4.10 Nhiệt độ cặn Tác dụng làm mát nhiên liệu lỏng chiếm ưu giai đoạn đầu, làm giảm nhiệt độ bề mặt cặn Các q trình trùng hợp oxy hóa diễn tần suất giọt nhiên liệu tăng lên Trong q trình oxy hóa, nhiệt giải phóng dẫn đến nhiệt độ bề mặt cặn tăng lên Sau cặn tích lũy, nhiệt độ bề mặt cặn giảm nhẹ độ dẫn nhiệt cặn thấp Ở 270°C, 306°C, điều kiện tương tác chồng chất trì suốt trình thử nghiệm Ở 327°C, quãng thời gian tồn gần với thời gian tương tác, dẫn đến độ dày lớp cặn tăng lên giai đoạn sau 4.3.5 Hàm tỷ lệ tạo cặn xét đến ảnh hưởng nhiệt độ vách buồng cháy Dạng hàm hồi quy phù hợp lựa chọn tương tự công thức (3.1), với hệ số tương ứng α1 β1 nêu Bảng 4.2 17 Bảng 4.1 Hệ số α β nhiệt độ bề mặt vách khác Nhiệt độ bề mặt (oC) 𝛼1𝑏đ 𝛽1𝑏đ 𝛼1𝑠 𝛽1𝑠 tbm = 270 6,0.10-5 1,43 1,7.10-1 0,42 tbm = 306 2,0.10-12 3,32 1,8.10-3 0,62 -1 tbm = 327 4,1.10 0,04 3,2.10-3 0,57 -2 tbm = 352 2,1.10 0,29 2,1.10-2 0,29 tbm = 367 7,5.10-4 0,56 Điều kiện không chồng chất khô Kết quy hoạch thực nghiệm cho thấy hình thành cặn có mối tương quan chặt chẽ đến hệ số đánh giá phát triển cặn β1, β1 12000 gọt, lượng cặn thu sau 1000 giọt DO+2%L MR = 274,0mg nhiều lần so với lượng cặn Hình 4.14 Sự tích tụ phát triển DO+1%L (MR = 60,8mg) cặn DO, DO+1%L, DO+2%L 20 4.5.2 Nhiệt độ lớp cặn Nhiên liệu có pha trộn với dầu bôi trơn, số giọt nhiên liệu tăng lên tcmax tcmin có xu hướng giảm mạnh theo độ tăng tỉ lệ hịa trộn Hình 4.15 Nhiệt độ bề mặt cặn 4.5.3 Hàm tỷ lệ tạo cặn xét đến ảnh hưởng lượng dầu bôi trơn buồng cháy Mối quan hệ, tương quan số lượng giọt nhiên liệu khối lượng cặn tương đối mơ tả hàm hồi quy có dạng phương trình (3.1) với hệ số thực nghiệm 𝛼3 𝛽3 tương ứng Giá trị α3 có xu hướng trái ngược hồn tồn với β3, lượng cặn hình thành ban đầu DO lớn ứng với giá trị α lớn nhất, tiếp Hình 4.16 Sự thay đổi hệ theo DF+1%L DF+2%L số 𝛼3 𝛽3 Khi số lượng giọt nhiên liệu tăng lên β3 tăng tỉ lệ pha trộn dầu bôi trơn tăng 4.6 Kết luận chương Các đặc tính bay thu qua thí nghiệm TNBH sở quan trọng để xác định trạng thái ướt/khô ban đầu, tương tác vật lý giọt nhiên liệu với bề mặt vách thời gian tồn ước tính giọt nhiên liệu suốt trình tạo cặn Kết nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ, tình trạng ướt hay khơ… bề mặt vách đến tạo cặn nghiên cứu cho thấy nhiệt độ bề mặt vách có tác động lớn đến chế hình thành cặn lắng nhiên liệu Nhiệt độ bề mặt vách nằm gần nhiệt độ MEP làm giảm hình thành cặn bề mặt vách, lượng cặn tích lũy nhiệt độ thứ cấp -5oC 21 +10oC giảm 55% 70% so với lượng cặn tích lũy nhiệt độ thứ cấp -30oC Ở giai đoạn sau, lượng cặn tích lũy nhiệt độ gần MEP giảm đến 97% so với lượng cặn tích lũy nhiệt độ bề mặt thấp MEP Kết nghiên cứu đánh giá tác động thành phần nhiên liệu đến xu hướng hình thành phát triển cặn TNCMH cho thấy metyl este dầu cọ (B100) hỗn hợp pha trộn (B50, B20, B5) hình thành cặn lắng điều kiện bề mặt ẩm tốc độ phát triển cặn lắng phụ thuộc vào tỷ lệ pha trộn Ở giai đoạn sau trình phát triển cặn lắng, tỷ lệ pha trộn yếu tố định tốc độ phát triển tổng lượng cặn tích lũy Dầu bơi trơn với thành phần phụ gia có tính chống oxi hóa, chất tẩy rửa gốc dầu chứa nhiều hidrocacbon thơm cho thấy có tác động đáng kể đến gia tăng khả tạo cặn, tốc độ tạo cặn lẫn vào nhiên liệu động KẾT LUẬN CHUNG Các điều kiện thử nghiệm TNCMH tương tự số điều kiện động diesel trường nhiệt độ, độ ẩm, truyền nhiệt… Vì vậy, TNCMH coi mơ hình tương đối đồng dạng nghiên cứu phát triển cặn động thực Mơ hình tốn q trình hình thành cặn thể qua phương trình 𝑀 𝛽 hồi qui dạng: 𝑅 = 𝛼𝑁𝐷 𝑚𝐷 Các số α β thu nghiên cứu ảnh hưởng sở khoa học có ý nghĩa để đánh giá mức độ ảnh hưởng yếu tố đến chế hình thành phát triển cặn lắng Sự kết hợp đặc tính hình thành cặn lắng đặc tính bay nhiên liệu nhằm làm sáng tỏ kết thực nghiệm nghiên cứu Nhiệt độ bề mặt vách yếu tố quan trọng hình thành phát triển cặn lắng bề mặt vách buồng cháy, việc kiểm soát nhiệt độ bề mặt vách buồng cháy biện pháp hữu hiệu để giảm hình thành cặn động Nhiên liệu sinh học (B100) hỗn hợp pha trộn (B50, B20, B5) hình thành cặn điều kiện bề mặt vách ẩm tốc độ phát triển cặn lắng phụ thuộc vào tỷ lệ pha trộn Ở giai đoạn ban đầu trình hình thành, khơng tỷ lệ pha trộn cao tạo nhiều cặn Tuy nhiên, giai đoạn sau, tỷ lệ pha trộn yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phát triển cặn tổng lượng cặn tích lũy Dầu bơi trơn có mặt nhiên liệu làm tăng độ nhớt, giảm khả bay hơi, kéo dài thời gian tồn giọt nhiên liệu làm gia tăng lượng cặn lắng hình thành bề mặt vách Do đó, tỉ lệ pha trộn dầu bơi trơn cao xu hướng cặn hình thành, tốc độ phát triển cặn 22 tăng lên Các chế tạo cặn nghiên cứu mô tả theo biến động nhiệt độ bề mặt cặn biến động thời gian tồn giọt nhiên liệu trình tạo cặn Sự biến động nhiệt độ bề mặt cặn gây cạnh tranh tác dụng làm mát, tác dụng oxi hóa bề mặt hiệu ứng truyền nhiệt trình hình thành cặn Những đóng góp luận án - Là nghiên cứu Việt Nam chế hình thành phát triển cặn lắng buồng cháy động diesel; - Xây dựng mơ hình thực nghiệm đơn giản tiết kiệm chi phí mà đảm bảo tính đắn việc xác định tạo cặn lắng buồng cháy động diesel; - Xây dựng mơ hình tốn học mơ tả xu hướng hình thành phát triển cặn lắng buồng cháy động HƯỚNG PHÁT TRIỂN Như đề cập kết luận thứ nhất, điều kiện cho phép việc thiết lập mơ hình thực nghiệm có kể đến yếu tố nhiệt độ, áp suất khí thể, yếu tố ảnh hưởng đến trình cháy….thì kết thực nghiệm thu có tính thuyết phục với q trình nghiên cứu hình thành cặn lắng buồng cháy động Tuy nhiên với kết nghiên cứu cho phép mở hướng phát triển nâng cấp mơ hình thực nghiệm nhằm tiến tới đánh giá cách tồn diện yếu tố hình thành nên cặn lắng buồng cháy động Ngoài với thành công ban đầu nghiên cứu chế hình thành cặn lắng buồng cháy động diesel sở lý thuyết ban đầu để xây dựng giải pháp giảm thiểu cặn lắng động diesel nói chung động diesel tàu thủy nói riêng xu bắt buộc sử dụng nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh thấp siêu thấp vấn đề hình thành cặn lắng buồng cháy động cơ, đặc biệt đầu vòi phun nghiêm trọng 23 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI LUẬN ÁN Phạm Văn Việt, Lương Công Nhớ, Trần Quang Vinh “Cặn Lắng Trong Động Cơ Và Các Biện Pháp Phịng Ngừa” Tạp chí Khoa học & Cơng nghệ, Đại học Công nghiệp Hà Nội, Số 27, ISSN 1859-3585, 2015 Pham Van Viet, Hoang Anh Tuan, Luong Cong Nho, Tran Van Trung Proceedings of the 2016 international conference: “The Effect Of Combustion Chamber Deposits On Heat Transfer And Combustion In A Small Marine Diesel Engines”, Advanced Technology & Sustainable Development, Industrial University of Ho Chi Minh Publishing House, ISBN 978-604-920-040-3, 2016 Phạm Văn Việt, Lương Công Nhớ, Nguyễn Lan Hương “Nghiên Cứu Quá Trình Tạo Cặn Trong Buồng Cháy Động Cơ”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải, NXB Hàng hải, Số 50, ISSN 1859-316X, 2017 Phạm Văn Việt, Lương Công Nhớ, Trần Quang Vinh, Nguyễn Lan Hương “Phân Tích Ảnh Hưởng Của Nhiệt Độ Đỉnh Piston Đến Sự Hình Thành Cặn Lắng Buồng Đốt Động Cơ Diesel” Hội nghị KHCN toàn quốc Cơ khí – Động lực, Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, ISBN 978-604-735602-7, 2017 Pham VanViet, Luong Cong Nho, Tran Quang Vinh, Nguyen Lan Huong, Tran The Nam “Setting Up The Experimental Model To Investigate Deposit Fomation Of Diesel And Biodiesel Fuels On A Wall Surface” Journal of ASIA Maritime & Fisheries Universities Forum, ISSN: 2508-5247, 2017 Pham Van Viet, Luong Cong Nho, Tran Quang Vinh “Analysing The Effect Of Lubricant Oil On Combustion Chamber Deposit Formation In Diesel Engines” Journal of Marine Science and Technology No 53, ISSN 1859-316X, Marine Publishing House, 2018 Pham Văn Việt, Hoàng Anh Tuấn, Lương Công Nhớ, Trần Quang Vinh, Phạm Ngọc Tuyền “Nghiên Cứu Sự Hình Thành Cặn Lắng Trong Buồng Cháy Và Sự Suy Thối Của Dầu Bơi Trơn Trong Động Cơ Diesel Thủy Cỡ Nhỏ Sử Dụng Trực Tiếp Dầu Thực Vật” Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Giao thơng Vận tải, Số 26-2/2018, ISSN 1859-4263, 2018 Phạm Văn Việt, Lương Công Nhớ, Trần Quang Vinh, Phạm Ngọc Tuyền, Phan Trung Kiên “Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Dầu Bôi Trơn Đến Sự Hình Thành Cặn Lắng Piston Trong Động Cơ Diesel Sử Dụng Nhiên Liệu Sinh Học” Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ IV, Đại học Giao thông vận tải TP HCM, 2018 Anh Tuan Hoang, Van Viet Pham “Impact of Jatropha Oil on Engine Performance, Emission Characteristics, Deposit Formation, and Lubricating Oil Degradation” Combustion Science and Technology, https://doi.org/10.1080/00102202.2018.1504292, Print ISSN: 0010-2202 Online ISSN: 1563-521X, Taylor & Francis, 2018 24 ... đề nghiên cứu: “ Nghiên cứu chế hình thành phát triển cặn lắng buồng cháy động diesel? ?? cần thiết CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT SỰ HÌNH THÀNH CẶN LẮNG TRONG BUỒNG CHÁY ĐỘNG CƠ DIESEL 2.1 Lý thuyết hình. .. hướng nghiên cứu cặn nhà nghiên cứu thực hiện, bao gồm: (1) Nghiên cứu tác động cặn lắng lên động cơ; (2) Nghiên cứu yếu tố hình thành cặn lắng; (3) Nghiên cứu đặc tính cặn Các nghiên cứu chế cách... chế hình thành cặn buồng cháy [17] 2.3 Các phương pháp nghiên cứu cặn lắng buồng cháy động Các phương pháp thực nghiệm phổ biến sử dụng nghiên cứu cặn lắng buồng cháy động là: Trong nghiên cứu thành