PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG của NHIỆT độ ĐỈNH PISTON đến sự HÌNH THÀNH cặn LẮNG BUỒNG đốt ĐỘNG cơ DIESEL

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐỈNH PISTON ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH CẶN LẮNG BUỒNG ĐỐT ĐỘNG CƠ DIESEL Phạm Văn Việt 1 , Nguyên Lan Hương 1 , Lương Công Nhớ 1 , Trần Quang Vinh 2 1 Trường Đại

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐỈNH PISTON

ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH CẶN LẮNG BUỒNG ĐỐT ĐỘNG CƠ DIESEL Phạm Văn Việt 1 , Nguyên Lan Hương 1 , Lương Công Nhớ 1 , Trần Quang Vinh 2

1 Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam

2 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

TÓM TẮT:

Động cơ diesel là nguồn động lực có hiệu suất

cao nên được sử dụng nhiều trên các phương tiện

vận tải hạng nặng Bài báo này thực hiện nghiên

cứu ảnh hưởng của nhiệt độ bề mặt đỉnh piston

đến sự hình thành cặn lắng trong buồng cháy

động cơ diesel thông qua mô hình thực nghiệm

Sự thay đổi nhiệt độ bề mặt nóng tác động đến

trạng thái tương tác của phần tử nhiên liệu với bề mặt, quá trình bay hơi và tình trạng khô hay ướt của nhiên liệu Đó là một yếu tố chính làm gia tăng sự hình thành cặn lắng trên đỉnh piston nói riêng và trong buồng cháy động cơ diesel nói chung

Từ khóa: cặn lắng, nhiên liệu, động cơ diesel, piston

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Quá trình tạo cặn lắng trong buồng đốt 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 [1] Có rất nhiều nguyên nhân sinh

ra cặn lắng trong buồng cháy động cơ diesel,

nguyên nhân chủ yếu là do sự cháy không hoàn

toàn của nhiên liệu diesel, bên cạnh đó một số

nghiên cứu cho biết dầu bôi trơn là nguyên nhân

chính của cặn buồng đốt [2] Sự có mặt của các

thành phần dầu bôi trơn và các yếu tố như dư

lượng tro, lượng dư vật liệu vô cơ và hydrocarbon

có điểm sôi cao tìm thấy trong các nghiên cứu đã

chứng minh sự đóng góp của dầu bôi trơn trong

quá trình tạo cặn Sự phát triển mức độ cặn lắng

trên bề mặt nóng phụ thuộc vào khoảng cách xảy

ra sự va chạm giữa các phân tử, nhiệt độ bề mặt

nóng, loại nhiên liệu, độ cặn lắng ban đầu, giai

đoạn đầu của quá trình lắng đọng, điều kiện chồng chéo và hiện tượng cạnh tranh khác trong suốt quá trình hình thành, như tác dụng làm mát, tác dụng truyền nhiệt và hiệu ứng của phản ứng hóa học [2, 3] Những yếu tố này quyết định sự tồn tại của độ ẩm và số lượng cặn tích lũy Nhiệt

độ bề mặt nóng khác nhau làm thay đổi sự tương tác của phân tử nhiên liệu trên bề mặt, quá trình bay hơi và tình trạng khô hay ướt [3]

Như vậy, sự thay đổi nhiệt độ bề mặt nóng như trên đỉnh piston có thể là một yếu tố chính làm gia tăng sự hình thành cặn lắng trên đỉnh piston nói riêng và trong buồng cháy động cơ diesel nói chung Do đó, nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt

độ bề mặt đỉnh piston đến sự hình thành cặn lắng trong buồng cháy động cơ diesel thông qua mô hình thực nghiệm xác định sự hình thành cặn trên

bề mặt nóng là cần thiết

2 MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM TẠO CẶN TRÊN

BỀ MẶT NÓNG

2.1 Trang thiết bị thử nghiệm

Mô hình thiết bị được mô tả trên Hình 1, mô hình này sẽ tiến hành 3 thí nghiệm là thí nghiệm tạo giọt, thí nghiệm bay hơi và thí nghiệm tạo cặn trên bề mặt nóng

Hình 1 Sơ đồ bố trí thiết bị tạo giọt liên tục [5]

1 Tấm hợp kim nhôm; 2 Bộ gia nhiệt; 3 Cảm biến phát hiện giọt; 4 Kim phun; 5 Van tiết lưu;

6 Ống dẫn nhiên liệu; 7 Bình nhiên liệu; 8 Cảm biến nhiệt độ; 9 Bộ điều khiển nhiệt độ; 10 Bộ thu tín

hiệu phát hiện giọt; 11 Bộ phát xung; 12 Bộ điều hòa xung; 13 Bộ đếm.

Một đỉnh piston bằng hợp kim nhôm (AC9A)

được dùng và coi như tấm bề mặt nóng Các tấm

này được gia nhiệt bằng điện và nhiệt độ bề mặt

của nó được điều khiển bởi một bộ điều khiển

nhiệt độ Nhiệt độ bề mặt được đo bằng một cặp

nhiệt ngẫu, được lắp tại tâm và phía dưới tấm bề

mặt nóng như mô tả trên Hình 2 Tuy nhiên, nhiệt

độ đo bằng cặp nhiệt ngẫu không thể phản ánh

chính xác nhiệt độ bề mặt thực sự của tấm do

mất nhiệt từ bề mặt của nó Vì vậy, có thêm một

nhiệt kế hồng ngoại được sử dụng để đo nhiệt độ

bề mặt chính xác hơn Đầu kim phun nhiên liệu nằm trên điểm tâm của tấm 80 mm (L) để tránh làm nóng nhiên liệu trước thí nghiệm và hạn chế lỗi xảy ra do sự thiếu hụt lượng giọt lớn trong quá trình va chạm Khoảng thời gian va chạm (τimp) được kiểm soát bằng cách điều chỉnh van tiết lưu

Số giọt va chạm (ND) được tính bằng cách sử dụng một máy dò laser hồng ngoại và thiết bị đếm

Hình 2 Bộ thiết bị thí nghiệm tạo cặn lắng trên bề mặt nóng

2.2 Phương pháp thử nghiệm

Các giọt nhiên liệu chảy từ két chứa và liên tục va

chạm với bề mặt nóng trong những khoảng thời

gian va chạm khác nhau Cứ sau 1000 giọt, khối

lượng cặn được đo và hình ảnh cặn được chụp

lại Do sự thay đổi vi lượng là rất nhỏ, bề mặt

nóng cần được làm mát trước khi đo tổng lượng

cặn sau mỗi 1000 giọt

Dữ liệu cho nhiệt độ bề mặt tối đa và tối thiểu của

cặn (Td[oC]) trong khoảng thời gian va chạm đã

được thu thập bằng cách sử dụng một nhiệt kế

hồng ngoại (IR-MINOLTA 308) với phát xạ 0,90

để kiểm soát tác động của việc thay đổi nhiệt trong quá trình lắng đọng Trong khi đó, nhiệt độ

bề mặt tấm nóng liên quan đến nhiệt độ chỉ định (Ti [°C]) và nhiệt độ bề mặt (TS [°C]), ban đầu được đo bởi một cặp nhiệt ngẫu và sau đó đo bằng một nhiệt kế hồng ngoại

Điều kiện thử nghiệm tạo cặn của nhiên liệu trên

bề mặt nóng được trình bày trong Bảng 1 Trong thử nghiệm này, nhiệt độ bề mặt nóng đã được thiết lập từ 270oC đến 367oC Nhiệt độ này nằm trong phạm vi nhiệt độ bề mặt của vách buồng cháy động cơ diesel

Bảng 1 Điều kiện thử nghiệm tạo cặn lắng trên bề mặt nóng [7]

Thử nghiệm Loại nhiên

liệu

Thời gian va chạm của giọt với vách

Nhiệt độ bề mặt vách

(s) T S ( o C) Ảnh hưởng của nhiệt

độ bề mặt đến sự

hình thành cặn lắng

của nhiên liệu diesel

DF1,0%S

352, 367

3 KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM

3.1 Đặc tính bay hơi của nhiên liệu

Đặc tính bay hơi của nhiên liệu diesel thường

(DF) được thể hiện trên Hình 3 Nhiệt độ MEP

(điểm hóa hơi cực đại) là TS = 357°C và cao hơn

so với nhiệt độ sôi cuối cùng của nhiên liệu DF

Do nhiên liệu nhiều thành phần được sử dụng trong nghiên cứu này, nhiệt độ làm lạnh thứ cấp được tính bởi phương trình (1) [5]

∆TSUB= TS – TMEP (1) Nhiệt độ làm lạnh thứ cấp liên quan đến sự khác biệt nhiệt độ giữa nhiệt độ bề mặt kiểm tra và nhiệt độ MEP

Hình 3 Đặc điểm bay hơi nhiên liệu diesel thường (DF)

3.2 Sự hình thành và phát triển cặn lắng trên

bề mặt nóng

Sự hình thành và phát triển cặn DF ở nhiệt độ bề mặt khác nhau được thể hiện trong Hình 4

Kết quả phân tích dữ liệu thực nghiệm bằng

phương pháp phân tích hồi quy cho thấy, khối

lượng tiêu chuẩn của cặn MR/mD tăng tuyến tính

theo hàm log với tần suất va chạm Để mô tả sự

phát triển cặn, các mối quan hệ thực nghiệm có

thể được biểu diễn bởi phương trình:

R

D D

M

N m





 (2)

MR = tổng lượng cặn trên bề mặt nóng [g]

mD = khối lượng riêng của một giọt nhiên liệu đơn [g]

ND = số giọt tương tác

α = hệ số đánh giá sự tạo cặn trong giai đoạn ban đầu [-]

β = hệ số đánh giá sự phát triển của cặn [-] Các giá trị α và β cho từng giai đoạn phát triển cặn trong Hình 4 được cung cấp trong Bảng 2

Hình 4 Sự hình thành và phát triển cặn lắng trên bề mặt nóng

Bảng 2: Hệ số α và β đối với nhiệt độ bề mặt khác nhau [7]

Nhiệt độ bề

mặt ( o

Điều kiện không chồng chéo và khô Khi tần suất tăng, nhiệt độ bề mặt cao hơn nên xu

hướng tạo cặn ít hơn so với bề mặt nhiệt độ thấp

Ở tần suất 19000 giọt, TS = 270°C, lượng cặn tích

lũy là MR = 54,8 mg, cao gấp 45 lần so với lượng

cặn tích lũy TS = 367°C với MR = 1,2 mg Ở tần

suất 9000 giọt, TS = 327°C (thấp hơn 30°C so với

MEP), MR = 3,3 mg Khi TS = 352°C (thấp hơn

5°C so với nhiệt độ MEP), MR = 1,5 mg, giảm

55% Khi TS = 367°C (cao hơn nhiệt độ MEP

10°C) MR = 1,0 mg, ít hơn 70% so với 327°C Ban

đầu, khi tần suất nhỏ hơn 1000 giọt, lượng cặn

tích tụ nhỏ hơn lượng cặn ở các điều kiện tại

327°C và 352°C sẽ hình thành Sau đó, với tần

suất lớn hơn 1000 giọt, nhiệt độ bề mặt ở 270°C

cho lượng cặn lớn nhất sau đó là lượng cặn ở

nhiệt độ bề mặt ở 327°C, 352°C, 367°C và 306°C

Có hai loại phát triển cặn: loại có 2 bước phát triển và loại có 1 bước phát triển Khi nhiệt độ bề mặt là 270°C, 306°C và 327°C (thấp hơn nhiệt độ MEP), quá trình phát triển có 2 giai đoạn Trong khi nhiệt độ bề mặt là 352°C, 367°C và rất gần nhiệt độ MEP, quá trình phát triển chỉ có 1 giai đoạn

4 KẾT LUẬN

Từ các kết quả thực nghiệm nêu trên, có thể rút

ra một số kết luận như sau:

Nhiệt độ bề mặt đỉnh piston trong mô hình thực nghiệm có ảnh hưởng lớn đến trạng thái tương tác của giọt nhiên liệu và bề mặt vách, thời gian

bay hơi và điều kiện ẩm hay khô Các tác động đó

làm thay đổi tốc độ hình thành và phát triển của

cặn lắng trên bề mặt đỉnh piston

Kết quả thực nghiệm cho thấy khối lượng cặn

hình thành lớn hơn khi nhiệt độ bề mặt đỉnh

piston thấp hơn Ở nhiệt độ 270oC khối lượng cặn

tích lũy là lớn nhất, trong khi ở nhiệt độ 367o

C lượng cặn thu được là nhỏ nhất

Phân tích theo nhiệt độ bề mặt đỉnh piston cho

thấy có hai loại quá trình phát triển của cặn lắng:

nếu nhiệt bề mặt piston 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

Xu hướng hình thành cặn lắng trên bề mặt nóng giảm khi nhiệt độ bề mặt đỉnh piston càng gần nhiệt độ MEP

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Ullmann J, Geduldig M, Stutzenberger H,

Caprotti R, Balfour G Investigation into

formation and prevention of internal diesel

injector deposits SAE paper 2008;

No.2008-01-0926

[2] Stępień Z, Intake valve and combustion

chamber deposits formation – the engine and

fuel related factors that impacts their growth;

Nafta-Gaz, No 4/2014 p 28 – 34

Wydawnictwo Instytutu Nafty I Gazu ISSN

0867-887

[3] Jonkers RK, Bardon MF, Gardiner DP

Techniques for predicting combustion

chamber deposits in a direct injection diesel

engine SAE paper 2002; No.2002-01-2673

[4] Ra Y, Reitz RD, Jarret MW, Shyu TP Effects

of piston crevice flows and lubricant oil

vaporization on diesel engine deposits SAE

paper 2006; No.2006-01-1149

[5] Hallett WLH A simple model for the

vaporization of droplets with large numbers

of components Combustion and Flame; 121:

334-344 (2000)

[6] Mizomoto M and Ikai S Evaporation and

ignition of a fuel droplet on a hot surface

(Part 4, Model of evaporation and ignition) Combustion and Flame; 51: 95-104 (1983)

[7] Phạm Văn Việt, Phân tích và đánh giá ảnh

hưởng của nhiệt độ bề mặt đỉnh piston đến

sự hình thành cặn lắng trong buồng cháy của động cơ diesel tàu thủy trung tốc cỡ nhỏ,

6/2017, NCKH cấp Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam

ANALYSING THE EFFECT OF THE PISTON TOP TEMPERATURES ON

COMBUSTION CHAMBER DEPOSIT FORMATION

ABSTRACT:

Diesel engines are used in most of heavy

duty vehicles due to their good performance This

article studies experimentally the effect of surface

temperature of the piston bowl on the combustion

chamber deposit formation The changes of hot

surface temperature impacted on the interaction of

fuel elements with the surface, the evaporation and the dryness or wetness of fuel That is a major factor to increase formation of deposits on the piston bowl in particular and combustion

Keywords: deposits, fuel, diesel engine, piston