Giả thuyết cơ chế hình thành cặn lắng trong buồng cháy động cơ diesel

Yếu tố hình thành cặn lắng

Các nghiên cứu khác về sự hình thành cặn trong buồng cháy của động cơ đều chỉ ra rằng các yếu tố như sự hình thành lớp nhiên liệu lỏng, nhiệt độ bề mặt thành buồng cháy, hệ số dư lượng không khí, điều kiện vận hành động cơ, thành phần nhiên liệu và dầu bôi trơn đều ảnh hưởng tới quá trình tích tụ và phát triển cặn lắng. Khoảng 6% phụ gia xeri (được cung cấp bởi Rhodia Electronics and Catalysis) dưới dạng hạt nano xeri oxit phân tán trong một dung môi hữu cơ đã được thêm vào trong nhiên liệu để đánh giá sự tham gia của nhiên liệu trong sự hình thành cặn lắng.

Các tác động xấu của cặn lắng đến động cơ Sự truyền nhiệt trong buồng cháy

Thứ ba, là hiện tượng cháy bề mặt trong động cơ diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu, hiện tượng này xảy ra khi hỗn hợp môi chất công tác gồm nhiên liệu và không khí nạp được gia nhiệt bởi xupap bị quá nhiệt, nguyên nhân là do cặn lắng bám trên bề mặt các xupap, hiện tượng cháy bề mặt cũng có thể gây ra hiện tượng kích nổ [38]. Một tác dụng điển hình gây ra bởi cặn là hiện tượng kích nổ, khí đó sự biến thiên áp suất cao kèm theo sự xung động giữa các sóng áp suất của các đám cháy với nhau và với thành vách xilanh sẽ tạo nên tiếng va đập, do đó gây ra tiếng ồn, rung động lớn trên động cơ.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Sự HÌNH THÀNH CẶN LẮNG TRONG BUỒNG CHÁY ĐỘNG CƠ DIESEL

• Cơ sở lý thuyết về sự hình thành cặn lắng trong buồng cháy động cơ 1. Lý thuyết về sự hình thành và lắng đọng của các hạt

Kết quả thực nghiệm thu được cho thấy sự phụ thuộc vào 2 thông số: chiều dày lớp màng lỏng không thứ nguyên (ổ) và tham số K. Tiêu chuẩn chuyển đổi cho sự phân rã của giọt được đề xuất là Kcr = 2100 là phù hợp với phương trình 2.16 đối với chất lỏng có độ nhớt thấp. Tuy nhiên, theo Vander Wal và cộng sự [60], ranh giới phân định giữa vùng bắn tóe và vùng không bắn tóe của các giọt khi tương tác với lớp màng mỏng chất lỏng bao phủ trên bề mặt vách được thể hiện qua mối quan hệ sau:. Các kết quả nghiên cứu đều khẳng định sự hình thành màng lỏng nhiên liệu trên bề mặt vách đã gây ra một sự thay đổi đáng kể đến đặc tính bắn tóe của giọt khi tương tác với vách. Tuy nhiên, có một số nghiên cứu đã khẳng định rằng ranh giới của sự bắn tóe hay không bắn tóe của giọt tương tác không có quan hệ với độ dày màng lỏng được hình thành trên bề mặt vách. Mặt khác, nghiên cứu của Huang và Zhang [66] đã chỉ ra rằng kích thước của giọt và chiều dày lớp màng lỏng có tác động đến trạng thái của các giọt nước hoặc. nhiên liệu khi tương tác với vách. Nghiên cứu của Cossali và cộng sự [63] cũng khẳng định có sự thay đổi đáng kể về trạng thái của giọt tương tác khi lớp màng mỏng chất lỏng mỏng hơn. Dựa trên các kết quả đã công bố trên, một phương trình tiêu chuẩn chuyển đổi đã được đề xuất để thiết lập mối quan hệ của We và Oh với chiều dày lớp màng mỏng chất lỏng trên bề mặt vách:. Ngoài ra, một phương pháp khác cũng được đề xuất trong nghiên cứu của Bai và Gosman [67], họ cho rằng chiều dày của lớp màng lỏng trên bề mặt vách không ảnh hưởng tới sự lắng đọng và bắn tóe của giọt chất lỏng. Thay vào đó, họ đề xuất một tiêu chuẩn mới thông qua cập nhật hằng số thực nghiệm như khi đánh gia tương tác của giọt chất lỏng trên bề mặt vách khô và giả định rằng sự tương tác của lớp màng lỏng như điều kiện bề mặt qua độ nhám bề mặt:. Rừ ràng quan điểm này cần phải được cõn nhắc và xem xột cẩn thẩn bởi độ dày màng lỏng có thể tác động đến độ nhám bề mặt của vách. Bảng 2.1 tóm tắt các tiêu chuẩn chuyển tiếp về sự tương tác của các giọt trên bề mặt vách ướt đã được thiết lập từ các nghiên cứu trước đây. Bảng được chia thành hai phần: phần 1 thể hiện các phương trình theo hệ số K tổng quát, phần hai thể hiện các ngưỡng phân rã khác nhau tương ứng với các hệ số thực nghiệm và các số không thứ nguyên We và Oh khác nhau. 1: Tiêu chuẩn chuyển tiếp giữa các vùng phân rã khi giọt tương tác với vách ướt. Thông số K Tác giả Kết quả thực nghiêm. Ohb Bai and Gosman. Huang and Zhang. Tuy nhiên, việc sử dụng các tiêu chuẩn trên cần phải thận trọng bởi các số liệu được đưa ra của mỗi tác giả phù hợp với mỗi điều kiện và phạm vi nhất định. Do đó, việc liệt kê các kết quả nghiên cứu ở trên sẽ cung cấp một công cụ khách quan để có thể so sánh các phương pháp tiếp cận khác nhau. Khi vận tốc của giọt tương tác là tương đối thấp thì giọt có thể bám dính vào vách hoặc nẩy lại nếu bản thân nó vẫn còn năng lượng cho đến cuối của giai đoạn lan rộng lớp chất lỏng. Các tiêu chuẩn chuyển tiếp đề xuất bởi Bai và Gosman [67] đã thể hiện cả ranh giới của sự bám dính/nẩy lại với We = 2 và nẩy lại/lan rộng với We = 5 khi khảo sát các giọt nước tương tác trên bề mặt vách ướt. Tuy nhiên, sau đó các tác giả đã hiệu chỉnh số We lên tới 20 cho quá trình chuyển đổi giữa sự nẩy lên và lan rộng khi xét đến các tác động của các giọt đã tương tác trước. Stanton và Rutland [23] đã có phương pháp tiếp cận tương tự nhưng kết quả thu được có sự khác biệt nhỏ: We = 5 đối với sự chuyển tiếp của bám dính/nẩy lên và We = 10 đối với sự chuyển tiếp của nẩy lên/lan rộng. Theo Rioboo và cộng sự [65] sự nẩy lên sẽ được thúc đẩy bởi sự gia tăng của sức căng bề mặt của chất lỏng và góc tiếp xúc của giọt với bề mặt vách. Trong khi đó, Sommerfeld và Huber [68] kết luận rằng độ nhám của bề mặt vách cũng làm thay đổi cơ chế nẩy lên của các hạt. Tuy nhiên, các vấn đề trên chỉ thực sự có ảnh hưởng đến trạng thái tương tác của giọt với bề mặt vách khi mà cơ chế lan rộng mới bắt đầu hoặc khi cơ chế này kết thúc tức là khi mà trên bề mặt vách không tồn tại hoặc tồn tại rất ít lớp màng lỏng hay điều kiện bề mặt vách là khô. Sự hình thành màng lỏng nhiên liệu trên vách được gia nhiệt. Xét tương tác của chùm tia phun với vách được gia nhiệt và hiệu ứng nhiệt tác động đến cơ chế thủy động của các giọt tương tác. Giọt sẽ được được gia nhiệt bởi khí nóng trên bề mặt vách, nó sẽ nhận nhiệt và nóng lên. Khi trao đổi nhiệt xảy ra, khối lượng chất lỏng sẽ giảm dần do quá trình bay hơi của nó diễn ra trong vùng khí nóng trên bề mặt vách. Các đặc điểm của quá trình chuyển pha đó sẽ ảnh hưởng lớn đến cơ chế tương tác của giọt với vách. Nếu khối lượng giọt chất lỏng không bay hơi hoàn toàn trong quá trình rơi trong vùng khí nóng thì một phần giọt sẽ tương tác với bề mặt vách nóng, khi đó các cơ chế truyền nhiệt tiếp theo có thể. Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, lý thuyết về cả hai cơ chế bay hơi và tương tác với vách được gia nhiệt sẽ được tập trung nghiên cứu dưới 2 chủ điểm: 1) Cơ chế truyền nhiệt xảy ra khi hạt chất lỏng lắng xuống bề mặt vách được gia nhiệt và 2) Sự bay hơi của các giọt phân tán trong môi trường khí nóng. Tiếp sau đó, nghiên cứu Naber và Farrel [73] đã thực hiện nhỏ giọt chất lỏng lên bề mặt vách kim loại được gia nhiệt ở các mức độ khác nhau, khi nhiệt độ bề mặt vách thuộc vào khoảng nhiệt độ từ điểm bão hòa của chất lỏng đến nhiệt độ Leidenfrost cho thấy có sự tương quan đơn giản giữa We và TW.

Giả thuyết cơ chế hình thành cặn lắng trong buồng cháy động cơ 1. Giả thuyết thứ nhất

Trong đó Pi là áp suất riêng phần của chất i, Di là hệ số khuếch tán của chất i vào trong hỗn hợp xung quanh (ở đây được giả định là độc lập với vị trí), kf, kr là các hằng số tỉ lệ để hình thành và loại bỏ một chất, chúng có thể phụ thuộc vào vị trí và thời gian và x là tọa độ không gian vuông góc với bề mặt vách buồng cháy (hệ thống được giả định là 1 chiều như Hình 2.5). Độ lớn của hai số này được sẽ xác định quy trình chiếm ưu thế trong sự hình thành cặn; ví dụ, nếu Daf, Dai và Bi rất lớn so với thành phần khác (như là sự khuếch tán chậm hơn phản ứng trong lớp ngọn lửa tắt và sự ngưng tụ hoặc hóa hơi nhanh hơn sự khuếch tán tại vách), tốc độ hình thành cặn sẽ được xác định bởi thời gian cần thiết để các chất khuếch tán vào vách, trong khi đó số Bi là nhỏ, sự hình thành cặn sẽ bị giới hạn bởi tốc độ ngưng tụ tại vách.

Phương pháp nghiên cứu cặn lắng trong buồng cháy động cơ 1. Phương pháp thực nghiệm

Việc xác định thành phần hóa học và tỷ lệ hình thành các tiền chất cặn là một trong những mục tiêu chính của phương pháp nghiên cứu này, do đó phản ứng hoá học phải được mô phỏng một cách chính xác nhất có thể, điều này bao gồm việc tích hợp các hệ thống lên tới hàng trăm phản ứng cơ bản, với năm mươi đến một trăm chất hóa học riêng biệt [113, 114]. Sự liên hệ giữa chỉ tiêu, hiện tượng, đại lượng đang khảo sát tạo nên bởi quá trình công nghệ của máy, có thể là hàm số nếu mỗi trị số của đại lượng này ứng với trị số của đại lượng kia hay là hàm liên hệ, nếu mỗi trị số của đại lượng độc lập này ứng với trị số của một số đại lượng biến đổi khác, mỗi đại lượng biến đổi này biến động quanh giá trị trung bình của mình.

XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM TẠO CẶN LẮNG TRÊN VÁCH BUỒNG CHÁY

• Đặt vấn đề
• Xây dựng mô hình thực nghiệm 1. Thiết lập mô hình
• Mô hình thực nghiệm đối chứng TNCBC
• Phương trình hồi quy của sự hình thành và phát triển cặn lắng
• Tính tương đồng giữa mô hình TNCMH và TNCBC

Các mối tương quan trong các số liệu thu được thông qua phương pháp hồi quy tuyến tính đơn giản được tính toán bằng cách sử dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất, trừ các mối tương quan đã nêu trong Hình 3.16, do để có được lượng cặn bằng không cho số giọt nhiên liệu là 0 giọt, các mối tương quan trong Hình 3.16 đã thu được thông qua một phương trình tuyến tính đơn giản liên quan đến điểm gốc với điểm dữ liệu trung bình cho mỗi nhiên liệu thử nghiệm. Do hai phương trình có ý nghĩa vật lý tương tự, nên kết quả thực nghiệm về quá trình phát triển cặn giữa mô hình vách buồng cháy và động cơ cần so sánh số tỉ lệ cặn hình thành ở giai đoạn ban đầu (hệ số a) và tốc độ phát triển cặn (hệ số /ọ. Kết quả cho thấy, cả hai thử nghiệm đều thu được xu hướng thay đổi hệ số a và Ị) tương tự nhau đối với từng loại nhiên liệu thử nghiệm. Tuy nhiên, do quá trình cháy diễn ra trong động cơ nên nhiệt độ khí thể công tác cao và diện tích bề mặt chốt nhỏ trong TNCBC nên sự hình thành cặn trong TNCBC chậm hơn so với TNCMH. Kết quả thực nghiệm từ TNCMH và TNCBC đều cho phép đánh giá tốc độ hình thành cặn của hỗn hợp nhiên liệu pha trộn DO với dầu bôi trơn. Tuy nhiên, trong TNCBC các giá trị p thấp hơn trong TNCMH, cụ thể khi sử dụng DO+2%. Giá trị a và Ị) đều có xu hướng chung khi thay đổi loại nhiên liệu như thể hiện trên Hình 3.21. Giá trị a giảm trong khi giá trị Ị) tăng lên khi nhiên liệu thử nghiệm thay đổi trong cả TNCMH và TNCBC. Do đú, tỏc động của loại nhiờn liệu nờn Ị) rừ ràng trong TNCMH cao hơn TNCBC vỡ TNCMH không bị ảnh hưởng từ đốt cháy.

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

• Phương pháp và quy trình thử nghiệm tạo cặn lắng trên bề mặt vách buồng cháy
• Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ vách buồng cháy đến sự hình thành và phát triển cặn lắng
• Nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu đến sự hình thành và phát triển cặn lắng

Biểu tượng của giọt đơn (chấm tròn màu đen) (Hình 4.4.B1) biểu diễn trạng thái của các giọt nhiên liệu trong quá trình bay hơi khi nhiệt độ bề mặt vách nhỏ hơn MEP, khi đó diễn ra sự sôi mạnh và làm cấu trúc giọt lỏng bị phá vỡ thành các hạt nhỏ cùng với lớp màng mỏng trong cơ chế sôi có nhân. Phân tích theo nhiệt độ bề mặt vách cho thấy có hai loại quá trình phát triển của cặn lắng: nếu nhiệt bề mặt vách thấp hơn nhiệt độ MEP thì quá trình phát triển cặn lắng theo 2 giai đoạn, trong khi nếu nhiệt độ đó cao hơn nhiệt độ MEP thì quá trình phát triển cặn lắng chỉ trải qua 1 giai đoạn.