v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
3.1.1.Giới thiệu chung
Hình 3.1. Quá trình hình thành cặn trên bề mặt vách buồng cháy động cơ [118, 120]
Trong động cơ thực, luôn có một số lượng lớn các giọt nhiên liệu tham gia trong quá trình phun nhiên liệu. Các giọt bay hơi và bị đốt cháy trong không gian buồng cháy. Tuy nhiên, một số trong những giọt va chạm vào bề mặt vách trong buồng cháy lắng lại (Hình 3.1). Sự tương tác giữa nhiên liệu với bề mặt vách buồng cháy có thể dẫn đến hình thành lớp màng nhiên liệu lỏng trên vách. Sự hình thành lớp màng lỏng này điều kiện cần thiết để tạo cặn trên bề mặt trong buồng cháy [118, 120].
58
Trong động cơ diesel, nhiên liệu phun va chạm với vách buồng cháy là không thể tránh khỏi. Nguyên nhân làm gia tăng sự va chạm của nhiên liệu phun với bề mặt vách trong buồng cháy động cơ có nhiệt độ cao là [14]:
Áp suất phun cao hơn làm gia tăng khả năng xuyên sâu của chùm tia phun. Thời gian cháy trễ dài hơn thời gian phun nhiên liệu.
Khoảng cách giữa vòi phun và đỉnh piston ngắn như ở động cơ cao tốc cỡ nhỏ. Các giọt nhiên liệu không được đốt cháy hoàn toàn (chẳng hạn như đối với nhiên liệu diesel sinh học).
Khi chùm tia nhiên liệu tác động lên bề mặt vách buồng cháy động cơ, lớp mỏng nhiên liệu lỏng được hình thành trên bề mặt. Lượng nhiên liệu bám dính và diễn biến tương tác với vách buồng cháy phụ thuộc vào nhiệt độ trên bề mặt vách. Hơn nữa, nhiệt độ vách quyết định số lượng thành phần các chất cao phân tử và không ổn định trong nhiên liệu bám dính trên. Lớp màng chất lỏng sẽ mỏng hơn nếu bề mặt có nhiệt độ cao và sự tương tác xảy ra trong giai đoạn sôi. Trong giai đoạn này, các giọt nhiên liệu di chuyển hỗn loạn nên va đập vào các khu vực bề mặt vách khác nhau trong buồng cháy hoặc sẽ bị đẩy ra ngoài trong quá trình thải của động cơ. Lớp màng lỏng đã bám dính trên bề mặt vách sẽ trải qua các quá trình vật lý (sôi truyền nhiệt, bay hơi, sự nén chặt,…) và hóa học (nhiệt phân, trùng hợp,…) trong điều kiện nhiệt độ cao [14].
Kết quả nghiên cứu của Grissom [103] cho thấy chùm tia nhiên liệu tương tác với bề mặt vách ở các trạng thái khác nhau bao gồm vách khô (tất cả chùm tia phun đã
bay hơi phía trên vùng tương tác); vách ướt (hình thành màng lỏng mỏng trên bề mặt)
và cơ chế Leidenfrost (hình thành màng hơi mỏng trên bề mặt). Do đó, tương tác giữa các hạt nhiên liệu với bề mặt vách và đặc tính bay hơi của nhiên liệu đóng vai trò quan trọng để tạo lập màng lỏng nhiên liệu – điều kiện tiên quyết của sự hình thành cặn lắng trên bề mặt vách. Đó cũng là cơ sở cần thiết lập các thử nghiệm về đặc tính bay hơi của nhiên liệu trước mỗi thử nghiệm tạo cặn.
Trong quá trình cháy, sự hình thành cặn, đặc biệt là hình thành cặn cacbon, là nghiêm trọng nhất do các khí thể ở nhiệt độ cao và ngọn lửa làm tăng quá trình cacbon hóa. Hơn nữa, các hạt soot cũng tích tụ trong quá trình này. Trên thực tế, nhiệt độ khí thể cao và ngọn lửa cũng tạo một phần cặn và lượng này dễ bị oxi hóa nhanh chóng, kết quả làm giảm lượng cặn trên vách buồng cháy. Đồng thời cặn cũng có thể bị bào mòn bằng các cách khác như sự vận động của dòng khí nạp, sự dịch chuyển của piston và các rung động. Khi đó một phần cặn được loại bỏ bằng tác động vật lý và quá trình thải. Đợt phun nhiên liệu kế tiếp sẽ tác động đến lớp cặn hình thành trước đó. Quá trình đó lặp đi lặp lại cho đến khi động cơ ngừng hoạt động.
59
Trong quá trình hoạt động, các lớp cặn liên tục được tích lũy và bao phủ bề mặt vách buồng cháy. Tuy nhiên, trong động cơ thực, sau một thời gian nhất định, lượng cặn tích lũy trên bề mặt sẽ dừng ở mức mà tỷ lệ cặn hình thành và tỷ lệ cặn bị loại bỏ cân bằng.
Hình 3.2. Quá trình tích tụ cặn lắng trên bề mặt vách [103]
Tạo cặn trong động cơ là một hiện tượng phức tạp và rất khó để quan sát sự phát triển và cơ chế hình thành của nó trong một động cơ thực. Vì thế, một phương pháp đơn giản hóa bằng thử nghiệm tạo cặn trên mô hình vách buồng cháy được đề xuất trong nghiên cứu này. Về căn bản, phương pháp này là quá trình lặp của các giọt nhiên liệu liên tục tương tác với bề mặt vách buồng cháy dẫn đến sự tích tụ cặn trên bề mặt vách.
Sự lặp lại và các quá trình cặn tích lũy trong phương pháp này tương tự như quá trình lắng đọng cặn do va chạm nhiên liệu phun với bề mặt vách buồng cháy trong động cơ như đã mô tả trong Hình 3.2.
Lần 01
Lần 02
60