CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
3.5.2. Điều kiện thử nghiệm
Các điều kiện thử nghiệm của TNCMH và TNCBC cũng có một số điểm tương đồng. TNCMH có điều kiện thử nghiệm tương tự TNCBC trong điều kiện nhiệt độ bề mặt vách, trạng thái ướt/khô, cơ chế truyền nhiệt sôi và một số điều kiện khác trong cơ chế tạo cặn trong quá trình thử nghiệm. Các so sánh trong phần này được thực hiện trên cơ sở tham khảo các thông tin thu được từ các tài liệu tham khảo [3, 10, 11, 12, 22, 120].
3.5.2.1. Nhiệt độ bề mặt vách và trạng thái ướt/khô
Đối với TNCMH, nhiệt độ bề mặt vách đã được thiết lập tại 270oC. Nhiệt độ này nằm trong phạm vi nhiệt độ bề mặt của vách buồng cháy động cơ diesel. Như đã đề cập trong các tài liệu, nhiệt độ bề mặt trong buồng cháy động cơ diesel là từ 127-327oC [22], 300- 350oC [120] và 200-450oC [3] (tùy thuộc vào loại và tình trạng vận hành động cơ). Nhiệt độ bề mặt vách thiết lập trong TNCMH trong chương này mô tả nhiệt độ bề mặt vách buồng cháy động cơ diesel thực. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này, nhiệt độ bề mặt trong TNCBC đã được thiết lập tại 240oC, khác 30oC so với nhiệt độ bề mặt đã được thiết lập cho TNCMH. Vì TNCMH được tiến hành trong mơi trường khơng khí, cần phải duy trì trạng thái ướt/khơ của lớp cặn để mơ phỏng một cách tương tự với điều kiện trong động cơ thực. Để thực hiện điều này, trong nghiên cứu thực nghiệm sẽ duy trì trạng thái ướt/khơ bằng cách thiết lập khoảng thời gian va chạm nhỏ hơn so với thời gian giọt tồn tại ở nhiệt độ bề mặt 270oC.
3.5.2.2. Cơ chế sơi truyền nhiệt
Hình 3.22. Cách thức tương tác của hạt nhiên liệu trên bề mặt vách [120]
Xét về cơ chế sôi truyền nhiệt, nhiệt độ 270oC thiết lập trong TNCMH rơi vào khoảng nhiệt của giai đoạn sơi truyền nhiệt có nhân (sự hình thành các bóng khí độc lập tách khỏi bề mặt vách và di chuyển về phía màng giới hạn của hai pha lỏng-khí). Các bóng khí và cơ chế sơi truyền nhiệt chiếm ưu thế trong cơ chế sôi của nhiên liệu trong buồng cháy được đề cập bởi Senda [120] các cơ chế đó được minh họa trong Hình 3.22. Các đặc tính bay hơi của DO, DO+1% L và DO+2% L có mối quan hệ đến cơ chế tạo bóng khí và q trình sơi chuyển đổi, nó giải thích tốc độ giải phóng nhiệt thu được khi sử dụng DO, DO+1% L và DO+2% L trong TNCBC. Mặc dù đặc tính bay hơi của nhiên liệu thử nghiệm thay đổi trong quá trình vận hành động cơ, nhưng nhiệt độ bề mặt chốt vẫn được duy trì trong khoảng 240oC đến 250oC tương tự trong quá trình sơi truyền nhiệt tạo nhân trong quá trình tạo cặn ở TNCBC.
3.5.2.3. Cơ chế tạo cặn
Trong TNCBC, nhiều yếu tố đồng thời có liên quan đến q trình hình thành cặn như sự hình thành lớp màng mỏng lỏng, sự tương tác, gắn kết và nén chặt của các hạt, khả năng hấp phụ các thành phần khí, các phản ứng của hydrocacbon và sự nén của lớp cặn [51]. Điều đó cho thấy là tương đối khó để thiết lập được những điều kiện trong TNCMH tương tự như trong TNCBC. Tuy nhiên, xét về cơ chế hình thành, các giai đoạn của quá trình hình thành và loại bỏ cặn trong động cơ thật được đề xuất trong giải thuyết 1 đã được tích hợp trong TNCMH như sự hình thành lớp màng mỏng chất lỏng, sự bay hơi và các phản ứng của hydrocacbon trong cơ chế hình thành cặn. Sự hình thành
màng mỏng chất lỏng là cơ chế quan trọng nhất vì nó sẽ hoạt động như một phương tiện liên kết các thành phần có khả năng tạo cặn khác như soot. Nếu khơng có nó, khơng có thành phần tạo cặn nào trong buồng cháy có thể bám vào thành. Đối với cơ chế loại bỏ, quá trình oxi hóa của hydrocacbon, q trình bay hơi của thành phần dễ bay hơi, sự phá huỷ cấu trúc cặn xốp và sự rửa trôi các thành phần cịn lại cũng có trong TNCMH.
3.6. Kết luận chương
Xây dựng được mơ hình thử nghiệm tạo cặn trên mơ hình vách buồng cháy TNCMH nhằm thay thế mơ hình động cơ thực rất phức tạp và có chi phí thử nghiệm rất cao. Mơ hình thực nghiệm này khơng mơ phỏng tồn bộ diễn biến và điều kiện diễn ra quá trình hình thành và phát triển của cặn lắng trong buồng cháy động cơ mà tập trung tạo lập cơ chế vật lý và các điều kiện tiên quyết của sự hình thành cặn lắng khi các giọt nhiên liệu tương tác với bề mặt vách với 80 ≤ 𝑊𝑒 ≤ 150. Mặc dù không xét đến các yếu tố như áp suất buồng cháy, đặc tính phun nhiên liệu và chế độ tải của động cơ nhưng bằng nghiên cứu quy hoạch thực nghiệm dựa trên phương pháp hồi qui đã cho thấy xu hướng hình thành và phát triển cặn lắng trên mơ hình thực nghiệm TNCMH và động cơ thực là tương quan khá tốt. Điều đó chứng tỏ tính đúng đắn của mơ hình thực nghiệm đã được xây dựng.
Trong nghiên cứu này, việc sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm và với ưu thế của phương pháp hồi quy cùng sự chặt chẽ của cơng cụ phân tích thống kê là cơ sở để xây dựng mơ hình tốn học phù hợp nhằm mơ tả cơ chế hình thành cặn trên bề mặt vách buồng cháy. Thơng qua đó đã xây dựng và đánh giá được lượng cặn ban đầu (hệ số α) và tốc độ hình thành cặn (hệ số β). Đồng thời xây dựng thành công mơ hình tốn của q trình hình thành cặn thể hiện qua các phương trình hồi qui: 𝑀𝑅
𝑚𝐷 = 𝛼𝑁𝐷𝛽 đối với mơ hình TNCMH và 𝑀𝑅′
𝑚𝑝ℎ = 𝛼𝑁𝑝ℎ𝛽 đối với mơ hình TNCBC với R2 tương ứng là 0,8775 và 0,7202 khi sử dụng nhiên liệu DO.
Hai phương trình trên có ý nghĩa vật lý tương tự và quan trọng nhất là có thể so sánh giá trị α và β thu được từ dữ liệu thử nghiệm trong TNCMH và TNCBC với mức chênh lệch về độ dốc lớn nhất tương ứng là 14% và 21%. Các bộ số α và β thu được đối với mỗi nghiên cứu ảnh hưởng là cơ sở khoa học rất có ý nghĩa để đánh giá mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố như nhiệt độ bề mặt vách buồng cháy, thành phần nhiên liệu và lượng dầu bơi trơn trong nhiên liệu đến cơ chế hình thành và phát triển của cặn lắng.
Các đặc tính của sự phát triển cặn thu được trong nghiên cứu này cho thấy TNCMH có tiềm năng lớn trong nghiên cứu các loại cặn khác nhau của nhiều loại nhiên liệu, mơ hình này có thể đánh giá được những khác biệt rất nhỏ trong xu hướng tạo cặn của các nhiên liệu.