CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Cặn lắng trong buồng cháy động cơ 1. Đặc điểm của cặn lắng Cặn lắng (deposit) hay cặn lắng cacbon là một hỗn hợp không đồng nhất gồm tro, soot và các chất hữu cơ dạng keo [5][6].
Nó có thể bao gồm các tạp chất hoặc cặn tích tụ trên các chi tiết chính của buồng cháy động cơ như nắp xilanh, piston, các xupap, đầu vòi phun (Hình 1. Cặn lắng trên các vị trí khác nhau của buồng cháy. Cặn lắng trên các chi tiết khác nhau của động cơ làm giảm hệ số dư lượng không khí, hạn chế lưu lượng không khí, tăng tỉ số nén, thay đổi đặc tính phun, kích nổ, giảm tính dẫn nhiệt và hoạt tính của chất xúc tác, do đó tác động đáng kể đến hiệu suất động cơ, suất tiêu hao nhiên liệu, khởi động nguội, kích nổ và lượng khí thải thông qua các vấn đề khác nhau đã được Ye nêu ra [8]. Ngoài ra, các mảng cặn buồng cháy bám vào nấm xupap xả và làm kẹt xupap đã được ghi nhận bởi Kalghatgi [9][10].
Các lớp cặn bám trên bề mặt vách buồng cháy làm khó khởi động động cơ, gây kích nổ, gia tăng phát thải hydrocarbon và chạy không tải rung giật [11][12]. 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Xét về mức độ hư hại cho động cơ, cặn bám trên các chi tiết, đặc biệt là trên đỉnh piston và xilanh, có thể gây ra kẹt xéc măng và mài mòn, gây cản trở hoạt động bình thường của động cơ [13][14]. Cặn sinh ra trong buồng cháy cũng gây hư hại nghiêm trọng với các động cơ diesel buồng cháy thống nhất khi làm việc ở chế độ tải thấp trong thời gian dài [15]. Trên các động cơ hiện đại, cặn trong buồng cháy làm tăng lượng HC chưa cháy do quá trình hấp phụ và giải hấp phụ (ngược của quá trình hấp phụ) các khí của lớp cặn xốp.
Lượng phát thải NOx cũng tăng lên do các tác dụng cách nhiệt và giữ nhiệt của cặn, làm tăng nhiệt độ khí thể bên trong buồng cháy [16]. Ngày nay, trên các động cơ hiện đại, các chi tiết có độ chính xác rất cao như hệ thống phun nhiên liệu, ảnh hưởng của cặn lắng đến đặc tính làm việc của hệ thống càng rõ rệt. Chỉ cần một lượng nhỏ cặn lắng cũng có thể ảnh hưởng xấu tới tính năng làm việc của động cơ. Nguồn gốc của cặn lắng Hai thành phần đóng góp nhiều nhất vào việc tạo cặn trong buồng cháy là nhiên liệu và dầu bôi trơn.
Tuy nhiên, lượng cặn lắng còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như loại động cơ, chế độ làm việc và vị trí trong buồng cháy. Theo Lepperhoff và cộng sự [17], vị trí cặn tại các vùng nhiệt độ cao của động cơ chủ yếu là quặng khoáng còn lại từ quá trình bay hơi hay đốt cháy nhiên liệu hoặc dầu bôi trơn. Các nghiên cứu khác nhau cho kết quả rất khác nhau về lượng nhiên liệu và dầu bôi trơn trong cặn. Một số nghiên cứu khẳng định dầu bôi trơn là nguyên nhân chính của cặn buồng cháy (CCD - Combustion Chamber Deposit) [18][19].
Các thành phần như dư lượng tro, vật liệu vô cơ cùng hydrocacbon có nguồn gốc từ dầu bôi trơn được tìm thấy trong cặn chứng tỏ dầu bôi trơn đã tham gia vào quá trình tạo cặn. Fukui và cộng sự [20] nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu và dầu bôi trơn đến khối lượng CCD trên động cơ một xilanh, hai kỳ, cháy cưỡng bức chạy bằng xăng và iso-octan. Hai mẫu dầu bôi trơn sử dụng được gọi là dầu bôi trơn A và dầu bôi trơn B. Kết quả thử nghiệm trên Hình 1.2 cho thấy ảnh hưởng của dầu bôi trơn đến sự tích lũy CCD lớn hơn so với các hydrocacbon không bão hòa có trong nhiên liệu.
2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Ảnh hưởng của nhiên liệu và dầu bôi trơn đến lượng cặn tích lũy [20] Trong một công trình khác, Diaby và cộng sự [21] đã nghiên cứu cặn ở rãnh xéc măng trên cùng của động cơ diesel bốn xilanh. Khi phân tích thành phần hóa học của cặn, các tác giả thấy rằng không có yếu tố nào liên quan đến thành phần nhiên liệu. Nghiên cứu đã kết luận lượng cặn trên rãnh xéc măng trên cùng của động cơ diesel chủ yếu là cacbon hình thành do sự phân hủy của dầu bôi trơn với sự có mặt của các nguyên tố kim loại được tìm thấy.
Trong một nghiên cứu khác [22][23], soot được tạo ra từ việc đốt cháy khuếch tán nhiên liệu diesel chiếm 20% của cặn, còn lại là thành phần có nguồn gốc từ dầu bôi trơn. Trong một số loại động cơ diesel sử dụng nhiên liệu để bôi trơn, có sự xuất hiện của các ion kim loại trong cặn [20]. Nhiên liệu diesel ngày nay có chứa nhiều thành phần có tính axit như axit béo, với mức độ chưa bão hòa khác nhau thường được sử dụng làm phụ gia bôi trơn trong nhiên liệu diesel. Các axit đó sẵn sàng phản ứng với các tạp chất kim loại trong nhiên liệu để tạo thành muối kim loại.
Theo Ullmann và cộng sự [24], các loại muối kim loại gắn liền với sự hình thành cặn ở đầu vòi phun và lỗ phun. Trong khi đó, Ra và cộng sự [25] lại tập trung nghiên cứu sự hình thành soot và cặn lắng trên vách xilanh trong quá trình phun nhiên liệu (giả thuyết rằng đỉnh piston, nắp xilanh và phần ống lót xilanh tiếp xúc với khí cháy). Tác động của dòng chảy trên rãnh xéc măng và sự bay hơi của dầu bôi trơn trong động cơ diesel được khảo sát thông qua các mô hình cháy, sự hình thành soot, quá trình bay hơi và tạo cặn. Kết quả nghiên cứu cho thấy có một lượng soot đáng kể lắng đọng trong các khe hở của rãnh xéc măng, 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com do đó nhiên liệu hydrocacbon đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành cặn trên bề mặt rãnh xéc măng.
Lượng kẽm hấp thụ bởi phụ gia dầu bôi trơn [26] Về ảnh hưởng của nhiên liệu đến sự tạo cặn trên vòi phun, Leedham và cộng sự [25] cho rằng với lượng nhỏ các kim loại có thể ảnh hưởng đến cơ chế hình thành cặn. Kết quả thử nghiệm trên động cơ ở nghiên cứu này chỉ ra rằng nhiên liệu gốc không quyết định sự hình thành cặn. Tuy nhiên, khi có sự tham gia của một lượng nhỏ kẽm thì lượng cặn được hình thành là đáng kể. Các chất phụ gia dạng este không ảnh hưởng đến nồng độ kẽm có trong nhiên liệu, trong khi các chất phụ gia bôi trơn dạng axit có ảnh hưởng đến sự hấp thụ kẽm (Hình 1.
Khi nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiên liệu tới việc hình thành cặn, Ebert [27] cho rằng nhiên liệu cháy không hết, kết hợp với dầu cácte sẽ bị oxi hóa và lắng đọng để hình thành cặn dạng bùn. Nghiên cứu của Cloud và cộng sự [28] cho rằng lưu huỳnh được chuyển thành lưu huỳnh triôxít lần lượt thâm nhập vào dầu bôi trơn để tạo cặn dạng bùn và cuối cùng sản sinh cặn dạng sơn (lacquer) và dạng vecni (varnish). Như vậy, từ những nghiên cứu đã công bố, có thể thấy rằng có rất nhiều yếu tố về nhiên liệu và dầu bôi trơn tham gia và quá trình tạo cặn ở buồng cháy. Cấu trúc của cặn lắng Cấu trúc của cặn phụ thuộc nhiều thông số như thành phần nhiên liệu, nhiệt độ làm việc của động cơ và thành phần chất phụ gia trong nhiên liệu [29].
Cấu trúc xốp của cặn 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com thúc đẩy các cơ chế lưu trữ nhiên liệu và đóng vai trò quan trọng về mức độ phát thải HC [8]. Hơn nữa, khối lượng cặn còn có mối liên hệ mật thiết với lượng phát thải HC như đã đề cập trong lý thuyết của Eilts [15]. Như vậy, đặc tính của cặn có tác động trực tiếp đến các hiệu ứng khác nhau trong buồng cháy như thay đổi sự truyền nhiệt và phát thải HC. Tùy theo nhiệt độ tại vị trí hình thành, cặn sẽ có cấu trúc khác nhau.
Nagao và cộng sự [30] cho rằng lượng và hình thái cặn thay đổi theo nhiệt độ vách buồng cháy. Nếu nhiệt độ của vách cao (> 550oC), lớp cặn hình thành rất mỏng, mềm, khô và dễ bong nên bị thổi đi do lực đẩy của dòng khí thể trong buồng cháy. Về thành phần, cặn trong trường hợp này chủ yếu là cacbon. Ở nhiệt độ thấp hơn (<200oC), cặn bám chặt vào thành buồng cháy và được làm ẩm bằng nhiên liệu.
Thành phần cặn khi này gồm nhiên liệu, chất kết dính và cacbon. Lepperhoff và cộng sự [17] cũng đưa ra những kết luận tương tự như trên, tuy có khác một chút ở vùng nhiệt độ cao. Ở nhiệt độ cao (> 300oC), lượng cặn nhỏ có màu sắc khó quan sát và tạo ra một lớp cặn mỏng đặc trưng. Tuy nhiên, ở mức nhiệt độ thấp (<200oC), dễ dàng quan sát thấy vùng vật liệu tối bao gồm cacbon màu đen, hydrocacbon ướt và soot.
Nắp xilanh Đỉnh piston Xupap nạp 0,3 THỂ TÍCH CỦA LỖ/ĐƠN VỊ KHỐI LƯỢNG CẶN 0,25 0,2 [CC/NM/G] 0,15 0,1 0,05 0 0,2 0,3 0,5 0,7 0,9 0,34 0,38 0,42 0,46 0,54 0,58 0,62 0,66 0,74 0,78 0,82 0,86 0,94 0,98 BỀ RỘNG CỦA LỖ [NM] Hình 1. Sự phân bố kích thước lỗ xốp của cặn buồng cháy [29] Zerda và cộng sự [29] đã chứng minh rằng hình thái của các loại cặn khác nhau thay đổi theo vị trí của nó trong buồng cháy. Diện tích bề mặt và tổng số lỗ phụ thuộc 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com vào vị trí cặn, sự bóc tách cặn khỏi bề mặt nắp xilanh, đỉnh piston hoặc xupap nạp (Hình 1. Cấu trúc của cặn tại nắp xilanh thường xốp hơn so với cặn ở đỉnh piston.
Tương tự như vậy, cặn ở xupap nạp có độ xốp nhỏ hơn so với cặn ở các vị trí khác. Kích thước lỗ xốp của cặn ở nắp xilanh là lớn nhất, tiếp theo là đỉnh piston và xupap nạp. Nhiên liệu gốc Nhiên liệu gốc + PEA-1 Nhiên liệu gốc + PBA-1 0,3 THỂ TÍCH CỦA LỖ/ĐƠN VỊ KHỐI LƯỢNG CẶN [CC/NM/G] 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 0,58 0,96 0,20 0,28 0,30 0,32 0,34 0,36 0,38 0,40 0,42 0,44 0,46 0,48 0,50 0,52 0,54 0,56 0,60 0,62 0,64 0,66 0,68 0,70 0,72 0,74 0,76 0,78 0,80 0,82 0,84 0,86 0,88 0,90 0,92 0,94 0,98 1,00 BỀ RỘNG CỦA LỖ [NM] Hình 1. Tương quan kích thước lỗ cặn với nhiên liệu có phụ gia [29] Kết quả khảo sát sự ảnh hưởng của các chất phụ gia tới cấu trúc cặn (Hình 1.