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 ngồi mơi 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 ngun 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 ơxít (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 khơng bị oxi hóa hồn tồn
[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 bơi trơn rị lọt vào buồng cháy tăng lên làm gia tăng cặn lắng hình thành từ dầu bơi trơn và các phụ gia của nó [43] nên các hư hỏng nghiêm trọng hơn có thể sẽ xảy ra.
1.2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu cặn lắng trong động cơ
Các nghiên cứu về cặn trong động cơ đã được tiến hành cách đây khoảng 50 năm trước. Các nghiên cứu này được tiến hành nhằm tìm hiểu các tác động của cặn lắng đến động cơ và cách thức phát triển cặn lắng trong động cơ. Cặn trong buồng cháy được chứng minh là có thể hình thành qua ba giai đoạn khác nhau:
(1) Sự ngưng tụ của nhiên liệu cháy khơng hồn tồn trên vách buồng cháy; (2) Sự tác động của những giọt nhiên liệu chưa cháy;
(3) Dòng chảy nhiên liệu (tại xupap nạp, đầu vịi phun và lỗ phun).
Hiện tại, có ba hướng nghiên cứu chính về cặn được các nhà nghiên cứu thực hiện, bao gồm:
(1) Ảnh hưởng của cặn lên động cơ; (2) Các yếu tố hình thành cặn; (3) Đặc tính của cặn.
Những ảnh hưởng của cặn trên động cơ bao gồm phát thải, tổn thất nhiệt, hiệu suất động cơ và các mối nguy hiểm cho động cơ. Tuy nhiên, các yếu tố hình thành cặn, như loại nhiên liệu, điều kiện vận hành động cơ, nhiệt độ thành vách buồng cháy và tỉ lệ khơng khí/nhiên liệu vẫn đang được nghiên cứu trên nhiều loại động cơ khác nhau.
Đặc tính của cặn cũng đã được nghiên cứu để tìm hiểu thêm về tính chất nhiệt và cấu trúc của nó. Độ xốp của cặn có liên quan chặt chẽ đến lượng khí thải và tổn thất nhiệt. Hơn nữa, cấu trúc cặn và các thành phần của nó cho phép chuẩn đốn sự mài mịn và các hư hỏng của động cơ.
Hầu hết các nghiên cứu hiện nay về cặn được thực hiện bằng cách sử dụng các kiểm tra trên động cơ thực. Thử nghiệm động cơ thực có thể được thực hiện theo hai cách: thử nghiệm trên bệ thử và thử nghiệm trên phương tiện. Cả hai cách đều đòi hỏi thời gian dài và khoảng cách di chuyển xa. Một số nghiên cứu thực nghiệm về cặn trên bệ thử động cơ yêu cầu thời gian hoạt động tối thiểu khoảng 200 giờ hoạt động [44][43][37][9]. Trong các nghiên cứu khác, chẳng hạn Hutching [45] tiến hành nghiên cứu việc kiểm sốt cặn trên động cơ mới có lượng phát thải nhỏ trong thời gian 360 giờ hoạt động. Khi nghiên cứu thực nghiệm trên phương tiện cơ giới, để có một lượng cặn đáng kể và có thể xem xét những yếu tố ảnh hưởng thì cần quãng đường di chuyển đủ dài. Tarkowski [46] đã thực hiện nghiên cứu xác định ảnh hưởng của các loại nhiên liệu đến thành phần cặn trong buồng cháy động cơ diesel với quãng đường di chuyển 70000 km. Như vậy, có thể thấy rằng thời gian dài và số kilomet di chuyển nhiều khiến chi phí trong cả hai loại thử nghiệm trên rất cao và có thể gây hư hỏng động cơ trong quá trình thử nghiệm tạo cặn lắng.
Sự hình thành cặn trong động cơ phụ thuộc vào các thông số khác nhau, chẳng hạn như nhiên liệu, vật liệu bề mặt, nhiệt độ, áp suất, môi trường buồng cháy. Tuy nhiên, nhiệt độ vách là một trong những thông số quan trọng nhất ảnh hưởng sự hình thành cặn đó. Jonkers [31] đề cập đến sự ảnh hưởng của các thông số vận hành khác nhau trong việc tạo cặn như chế độ tải, nhiệt độ bề mặt, nhiệt độ nước làm mát và thời gian phun. Khơng có kết luận cụ thể được đưa ra đối với từng loại tham số trong việc giải thích sự hình thành cặn. Đối với mỗi tham số, cặn có thể tăng hoặc giảm tùy thuộc vào mức độ ảnh hưởng của các thơng số, vị trí tương tác và loại động cơ khác nhau. Như vậy, cơ chế hình thành cặn trong buồng cháy động cơ là một quá trình rất phức tạp. Vì thế, việc chỉ ra cơ chế cụ thể mơ tả được q trình cặn lắng hình thành như thế nào là rất cần thiết và có ý nghĩa. Hơn nữa, hiện nay các nghiên cứu lý thuyết cơ bản về quá trình tạo cặn trong động cơ cịn ít. Do đó, lượng kiến thức về sự hình thành cặn trong buồng cháy cịn hạn chế và cần có các nghiên cứu thêm.
Trong các nghiên cứu về cặn lắng trong buồng cháy động cơ, các vấn đề về quá trình bay hơi, quá trình làm nóng, tạo cặn và phản ứng hóa học (nhiệt phân, trùng hợp, oxi hóa,…) ít được đề cập đến. Trong số các vấn đề trên, đặc tính bay hơi được đề cập rộng rãi hơn trong các nghiên cứu về lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm [6][44] [49][50][51]. Trong giai đoạn trước và sau khi cháy, quá trình bay hơi và lắng đọng của các loại nhiên liệu là quan trọng. Do nhiệt độ vách buồng cháy tương đối thấp, ở điều kiện đó, nhiệt lượng tích lũy trong nhiên liệu cịn lại bám trên bề mặt buồng cháy trong quá trình gia nhiệt và quá trình bay hơi tạo thành cặn trên bề mặt của nó. Như đã đề cập bởi Eilts [15], cặn hình thành chủ yếu từ nhiên liệu được lắng đọng trên các bề mặt vách ở trạng thái lỏng và bay hơi khơng hồn tồn. Tuy nhiên, trước khi xem xét quá trình hình thành cặn một cách chi tiết, ta cần hiểu được quá trình bay hơi của các thành phần dễ bay hơi bởi quá trình này là cơ sở xác định lượng nhiên liệu còn lại tham gia vào sự tạo cặn. Một số nghiên cứu về mối quan hệ giữa đặc tính bay hơi của nhiên liệu thuần khiết và nhiên liệu nhiều thành phần và sự tạo cặn như nghiên cứu đặc tính bay hơi của nhiên liệu với mơ hình tạo giọt của Elkotb và các cộng sự [47] hay nghiên cứu đặc tính hóa hơi của nhiên liệu sinh học ở điều kiện nhiệt độ cao của Morin và các cộng sự [48] là cơ sở để hỗ trợ quá trình nghiên cứu sự hình thành cặn.
Để hiểu được cơ chế hình thành cặn và tìm ra các giải pháp hiệu quả để giảm thiểu lượng cặn lắng trong động cơ, cần có các nghiên cứu cơ bản trong đó có sự kết hợp của lý thuyết và thực nghiệm. Do đó, phương pháp thử nghiệm đơn giản hơn mà vẫn có thể tạo ra kết quả tương tự về xu hướng hình thành và phát triển cặn đã được đề xuất như các nghiên cứu của O’Brien [14] về cơ chế hình thành cặn trong một mơ hình buồng cháy thể tích, tuy nhiên nghiên cứu này cũng đỏi hỏi cần sự hỗ trợ của các mơ hình số phức tạp như CHEMKIN. Việc kết hợp các nghiên cứu về đặc tính hóa hơi của nhiên liệu với cơ chế hình thành cặn có thể được xem là hướng đi mới khi nghiên cứu sự tạo cặn của các giọt nhiên liệu đơn hóa hơi trên bề mặt kim loại được gia nhiệt, như các nghiên cứu của Senda và các cộng sự [122] và Furuhata và các cộng sự [123]. Như vậy, để giải quyết các khó khăn trên cần hiểu được cơ chế tạo cặn của các hạt nhiên liệu đơn bởi quá trình tạo cặn trên vách buồng cháy là sự tích tụ của thành phần khơng bay hơi hoặc khó bay hơi của rất nhiều hạt nhiên liệu đơn. Việc thiết lập một mơ hình thử nghiệm tạo cặn lắng của các giọt nhiên liệu đơn để đánh giá và phân tích q trình hình
thành cặn lắng hay cơ chế tạo cặn lắng là cần thiết và khả thi. Một phương pháp đơn giản gọi là thử nghiệm tạo cặn lắng trên mơ hình vách buồng cháy sẽ là cơng cụ để xây dựng các thử nghiệm tạo cặn trên bề mặt vách được gia nhiệt. Dữ liệu thu được từ các thử nghiệm là cơ sở để nghiên cứu cơ chế hình thành và phát triển của cặn lắng trong buồng cháy động cơ sử dụng nhiên liệu diesel và nhiên liệu diesel sinh học do sự va chạm và tác động của phần nhiên liệu chưa cháy hết trên bề mặt vách. Mơ hình thử nghiệm này có thể là bước nghiên cứu ban đầu trong việc phát triển các phương pháp đơn giản để nghiên cứu cặn lắng động cơ đối với các loại nhiên liệu khác nhau.
Dựa vào lý thuyết quy hoạch thực nghiệm để xây dựng mơ hình thực nghiệm đơn giản và khả thi nhằm đạt được mục tiêu của nghiên cứu mà không cần thực hiện các thử nghiệm tạo cặn lắng phức tạp trên động cơ. Phương pháp này trở nên quan trọng hơn khi nhiên liệu sử dụng trong động cơ là nhiên liệu sinh học, loại nhiên liệu có xu hướng tích tụ cặn trong buồng cháy nhiều hơn so với nhiên liệu diesel thông thường. Phương pháp này giúp giảm thời gian và chi phí tốn kém trong thử nghiệm, đồng thời giảm nguy cơ gây hư hỏng động cơ do lượng cặn tích lũy lớn khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học.
Nghiên cứu này tập trung vào sự tương tác liên tục của giọt nhiên liệu với bề mặt vách và quá trình bay hơi của chúng. Điều kiện tương tác của các giọt trong quá trình hình cặn, khả năng khả thi của phương pháp sẽ được thảo luận trong các chương sau cùng với các kết quả so sánh và đánh giá xu hướng tạo cặn của mơ hình thực nghiệm đối chứng trên động cơ thực. Từ đó các khuynh hướng tạo cặn lắng của nhiên liệu diesel, nhiên liệu diesel sinh học và nhiên liệu diesel sinh học pha trộn sẽ được nghiên cứu bằng phương pháp này. Để làm rõ cơ chế hình thành cặn lắng, các đặc tính bay hơi của nhiên liệu và nhiệt độ bề mặt cặn lắng cũng được phân tích và đánh giá. Những điều này sẽ đóng góp đáng kể vào việc củng cố một phần lý thuyết cơ bản về sự tạo cặn lắng trong các động cơ. Qua nghiên cứu này, sự hình thành cặn do các hạt nhiên liệu va chạm liên tục với bề mặt vách ở các mức nhiệt khác nhau cũng được nghiên cứu. Đồng thời, nghiên cứu tác động của các vùng nhiệt độ bề mặt vách buồng cháy đến khả năng hình thành cặn lắng cũng sẽ được chỉ ra để làm cơ sở đề xuất các biện pháp giảm sự tích tụ cặn lắng trong buồng cháy động cơ. Đặc tính của cặn, cơ chế hình thành cặn và các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành cặn khi dùng nhiên liệu diesel, nhiên liệu diesel sinh
học và nhiên liệu diesel sinh học pha trộn và dầu bôi trơn sẽ được nghiên cứu, đánh giá và thảo luận trong luận án này. Bên cạnh đó, loại nhiên liệu ít có khả năng tạo cặn lắng cũng sẽ được đề xuất trong nghiên cứu này.
Quá trình đốt cháy trong động cơ trên thực tế liên quan đến nhiệt lượng, quá trình bay hơi và sự cháy nhiên liệu. Tuy nhiên, trong nghiên cứu tạo cặn trên mơ hình vách buồng cháy, q trình này cũng có hạn chế do các thử nghiệm được tiến hành trong điều kiện khơng có q trình cháy. Vì vậy, tạo cặn trên bề mặt vách buồng cháy chỉ đề cập đến sự tạo cặn lắng do sự va chạm của nhiên liệu cháy không hết với bề mặt vách. Các quá trình của cơ chế tạo cặn được đề xuất bởi [17], như sự hình thành liên kết hoặc nén các hạt và hấp phụ của các thành phần khí thể bị bỏ qua. Tuy nhiên, các quá trình khác như sự hình thành màng lỏng và phản ứng của hydrocacbon, được đề cập đến trong nghiên cứu này.
1.3. Kết luận chương
Quá trình tạo cặn lắng trong buồng cháy của động cơ là một hiện tượng phức tạp gây ra nhiều vấn đề khác nhau cho động cơ như giảm hiệu suất, tăng lượng phát thải và có thể dẫn đến hư hỏng động cơ diesel. Có rất nhiều nguyên nhân sinh ra cặn lắng trong buồng cháy động cơ diesel, nguyên nhân chủ yếu là do sự cháy khơng hồn tồn của nhiên liệu diesel, bên cạnh đó dầu bơi trơn, nhiên liệu hoặc sự kết hợp của cả hai là nguyên nhân chính của cặn buồng cháy. Sự phát triển cặn lắng trên bề mặt vách buồng cháy phụ thuộc vào trạng thái tương tác giữa các giọt nhiên liệu, nhiệt độ bề mặt vách, loại nhiên liệu, trạng thái cặn lắng ban đầu, giai đoạn đầu của quá trình lắng đọng, điều kiện chồng chất và các cơ chế cạnh tranh trong suốt quá trình hình thành cặn như tác dụng làm mát, tác dụng truyền nhiệt và hiệu ứng của phản ứng hóa học. Như vậy, các yếu tố như nhiệt độ bề mặt vách, thành phần nhiên liệu và sự có mặt của dầu bơi trơn trong nhiên liệu sẽ có những tác động nhất định đến sự hình thành và gia tăng lượng cặn tích lũy trên các bộ phận trong buồng cháy động cơ.
Trên thế giới đã thực hiện nhiều các nghiên cứu về vấn đề cặn lắng trong động cơ, nhưng các nghiên cứu này thường được thực hiện trực tiếp trên động cơ thực với thời gian dài, chi phi lớn, khả năng định lượng cặn khó và có thể gây hư hỏng động cơ. Trong khi đó, tại Việt Nam hiện nay chưa có một nghiên cứu đáng kể nào về cơ chế hình thành và phát triển cặn lắng trong buồng cháy động cơ. Do đó, nghiên cứu thực nghiệm sự tạo cặn trên mơ hình đơn giản, phù hợp và khả thi để đánh giá xu hướng hình
thành và phát triển của cặn lắng trong buồng cháy động cơ diesel là cấp thiết, có nhiều ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT SỰ HÌNH THÀNH CẶN LẮNG TRONG BUỒNG CHÁY ĐỘNG CƠ DIESEL
2.1. Cơ sở lý thuyết về sự hình thành cặn lắng trong buồng cháy động cơ 2.1.1. Lý thuyết về sự hình thành và lắng đọng của các hạt 2.1.1. Lý thuyết về sự hình thành và lắng đọng của các hạt
Sự hình thành cặn trong buồng cháy có thể được giải thích dựa trên các cơ chế sau: khuếch tán Brown, nhiệt điện, quang điện, quán tính và lắng đọng trọng lực. Các cơ chế này được đặc trưng bởi một đại lượng khơng thứ ngun, đó là tỉ số của lực gây ra sự lắng đọng hạt và ma sát chất lỏng của mơi trường liên tục. Để ước tính tác động của từng cơ chế, có thể tính tốn hiệu quả thu được của chúng. Hiệu quả thu gom là tỉ lệ khối lượng của cặn thu được đối với khối lượng soot tạo ra trong khu vực buồng cháy được nghiên cứu và được bao phủ bởi xilanh theo hướng lưu lượng khí đi vào.