v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
1.1.3. Các tác động xấu của cặn lắng đến động cơ
1.1.3.1. Sự truyền nhiệt trong buồng cháy
Điều kiện của bề mặt vách buồng cháy đóng vai trò kiểm soát tỷ lệ tạo cặn trong buồng cháy. Nhiên liệu cháy không hết sẽ bám dính trên bề mặt vách buồng cháy và tham gia vào quá trình gia nhiệt, bay hơi để tạo cặn trên bề mặt vách.
Khi lớp cặn được hình thành, nó đóng vai trò như một lớp cách nhiệt và gây ảnh hưởng đến khả năng thoát nhiệt trong buồng cháy. Nếu lượng cặn lớn sẽ gây ra sự thay đổi lớn về nhiệt độ bề mặt và mật độ dòng nhiệt. Lớp cặn có khả năng dẫn nhiệt thấp bởi tác dụng cách nhiệt của các tiền tố cặn nên nó làm giảm tốc độ truyền nhiệt và làm chậm khả năng thoát nhiệt từ buồng cháy, đồng thời nhiệt độ bề mặt của cặn (tcặn) cao hơn so với nhiệt độ vách (tvách) như trên Hình 1.15. Lượng nhiệt tỏa ra và sự khác biệt nhiệt độ giữa tcặn và tvách phụ thuộc vào tính chất nhiệt của cặn. Sự dẫn nhiệt kém của
15
cặn bám trên vách buồng cháy là do cấu trúc xốp và có chứa các thành phần không bay hơi bên trong cặn [34].
Hình 1.14. Sự truyền nhiệt của lớp cặn [34]
Sự gia tăng nhiệt độ bề mặt cặn khiến gradient nhiệt độ của khí thể giảm [17]. Kết quả là bề mặt của xilanh trong buồng cháy quá nóng, có thể gây ra kích nổ trong động cơ và làm nhiên liệu biến chất nên tạo nhiều cặn hơn, đồng thời làm gia tăng nhiệt độ ngọn lửa và khí thải [7].
1.1.3.2. Quá trình phun nhiên liệu
Các lỗ phun trên vòi phun nhiên liệu thường xuyên tiếp xúc với khí cháy và soot ở nhiệt độ cao bên trong buồng cháy, đồng thời cơ chế nhiệt cũng tham gia vào quá trình tạo cặn lắng trên đầu vòi phun. Lớp cặn lắng ở đầu vòi phun và các lỗ phun sẽ làm thay đổi hình dạng chùm tia phun [37] và lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình [35]. Hơn nữa, cặn lắng còn làm giảm các thông số động học của vòi phun, gây trễ trong việc đóng kim phun, có tác động xấu nhất khi thời gian phun ngắn. Ngoài ra, ở chế độ toàn tải và áp suất phun cao, cặn lắng bên trong vòi phun có thể làm giảm lượng nhiên liệu cấp dẫn đến giảm công suất động cơ [24].
1.1.3.3. Quá trình cháy
Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng cặn lắng trong buồng cháy hình thành trên đỉnh piston và nắp xilanh có ảnh hưởng xấu đến quá trình cháy trong động cơ. Cặn buồng cháy làm thay đổi khả năng truyền nhiệt, nhiệt độ và áp suất trong quá trình nạp và nén, như sự sấy nóng môi chất bởi cặn lắng động cơ ở các kỳ nạp và nén, điều đó ảnh hưởng
16
đáng kể đến giai đoạn cháy trễ [8]. Hơn nữa, do sự thay đổi điều kiện vùng biên sát vách nên cặn lắng còn tác động mạnh lên diễn biến quá trình cháy chính của động cơ [7].
Các ảnh hưởng nêu trên có thể dẫn đến một số dạng cháy bất thường trong quá trình cháy của động cơ. Thứ nhất, các điểm nóng nhỏ tạo ra bởi cặn lắng gây ra cháy không kiểm soát trên bề mặt dẫn đến sự kích nổ [29]. Thứ hai, quá trình cháy bất thường do ảnh hưởng của sự hoàn nhiệt và cách nhiệt sẽ đòi hỏi nhiên liệu có chỉ số cetane cao hơn [36] và làm giảm công suất động cơ [29]. 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. Xu hướng kích nổ tăng nhanh chóng khi lượng cặn tích tụ trên vách buồng cháy gia tăng [39].
1.1.3.4. Tỷ sốnén
Khi cặn hình thành trong buồng cháy làm giảm thể tích của buồng cháy tại điểm chết trên nên tăng tỉ số nén và nhiệt độ bề mặt vách dẫn đến hâm nóng hỗn hợp môi chất công tác. Nghiên cứu cho thấy cặn lắng của động cơ làm tăng tỉ số nén cũng như nhiệt độ thành vách xilanh cho tới khi lượng cặn tích tụ đạt đến một mức độ nhất định [8]. Tuy nhiên, mức độ ảnh hưởng của cặn lắng đến tỉ số nén là khác nhau trên các loại động cơ khác nhau.
17
1.1.3.5. Phát thải
Hình 1.15. Sự tương quan giữa khối lượng cặn và lượng phát thải HC [15]
Liên quan đến vấn đề ô nhiễm do phát thải, cặn lắng trên đỉnh piston và bề mặt nắp xilanh [39] có ảnh hưởng tiêu cực đến phát thải hydrocacbon (HC) và phát thải dạng hạt (PM) ra ngoài môi trường. Các nhà nghiên cứu cho rằng các cơ chế hấp phụ và giải hấp phụ hydrocarbon gây ra bởi cặn đã làm gia tăng lượng phát thải ngoài ý muốn [36]. Theo Eilts [15], mức HC cao thải ra trong quá trình cháy là do thành vách buồng cháy ở trạng thái ướt quá mức, sự duy trì trạng thái ướt hay khô trên vách buồng cháy cũng là nguyên nhân giải thích cho sự hình thành và phát triển cặn trong buồng cháy. Hình 1.16 cho thấy mối tương quan về sự gia tăng của phát thải HC với lượng cặn tích lũy trên vách buồng cháy động cơ [15].
Sự tích tụ cặn buồng cháy có thể dẫn đến sự gia tăng các nitơ ôxít (NOx) [40][41]. Khi lớp cặn tích lũy dày hơn thì khả năng cách nhiệt của nó tăng lên và làm cho nhiệt độ xilanh tăng, điều này làm nhiệt độ khí thể tăng cao trong quá trình cháy, tức là khả năng hình thành NOX lớn hơn [31].
Soot trong buồng cháy với điều kiện áp suất và nhiệt độ cao được tạo thành dạng hạt mịn, chúng bám dính trên xupap, đỉnh piston và vách xilanh dẫn đến hình thành lớp cặn cacbon, trong khi đó lớp cặn trước sẽ làm cho chúng không bị oxi hóa hoàn toàn
18
[40]. Sự hình thành cặn trong buồng cháy động cơ có thể ảnh hưởng nhất định đến sự gia tăng phát thải soot của động cơ.
1.1.3.6. Các hư hỏng động cơ
Sự hình thành cặn lắng có khả năng gây ra hư hỏng cho các chi tiết bên trong buồng cháy động cơ. Khi trong buồng cháy có lớp cặn, nếu động cơ hoạt động trong thời gian dài có thể gây ra hư hỏng cơ học trong khi khởi động nguội do va chạm giữa piston và nắp xilanh [42]. Trong động cơ diesel, cắn lặng có thể dẫn đến mài mòn và xước mặt gương xilanh.
Khi động cơ đã cũ, các chi tiết mòn nhiều dẫn tới lượng dầu bôi trơn rò lọt vào buồng cháy tăng lên làm gia tăng cặn lắng hình thành từ dầu bôi trơn và các phụ gia của nó [43] nên các hư hỏng nghiêm trọng hơn có thể sẽ xảy ra.