Luận án tiến sĩ kỹ thuật: Cơ chế hình thành và phát triển cặn lắng trong buồng cháy động cơ diesel

Luận án tiến sĩ kỹ thuật khám phá cơ chế hình thành và phát triển cặn lắng trong buồng cháy động cơ diesel, ứng dụng nâng cao hiệu suất và tuổi thọ động cơ.

• Tác giả: Phạm Văn Việt
• Người hướng dẫn: Lương Công Nhớ
• Trường học: Trường Đại học Hàng hải Việt Nam
• Chuyên ngành: Kĩ thuật
• Đề tài: Nghiên cứu cơ chế hình thành và phát triển cặn lắng trong buồng cháy động cơ diesel
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hải Phòng

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• THUẬT NGỮ VÀ KÍ HIỆU
• DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
• DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Lý do chọn đề tài
• 0.2. Mục tiêu của đề tài
• 0.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
• 0.4. Phương pháp nghiên cứu của đề tài
• 0.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 0.6. Điểm mới của luận án
• 0.7. Bố cục chính của luận án
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Cặn lắng trong buồng cháy động cơ
• 1.2. Đặc điểm của cặn lắng
• 1.3. Yếu tố hình thành cặn lắng
• 1.4. Các tác động xấu của cặn lắng đến động cơ
• 1.5. Tổng quan về tình hình nghiên cứu cặn lắng trong động cơ
• 1.6. Kết luận 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
• 2.2. Lý thuyết về sự hình thành và lắng đọng của các hạt
• 2.3. Lý thuyết sự hình thành màng lỏng khi giọt tương tác với vách
• 2.4. Lý thuyết cơ chế hình thành soot
• 2.5. Giả thuyết cơ chế hình thành cặn lắng trong buồng cháy động cơ
• 2.6. Phương pháp nghiên cứu cặn lắng trong buồng cháy động cơ
• 2.6.1. Phương pháp thực nghiệm
• 2.6.2. Phương pháp số
• 2.6.3. Phương pháp qui hoạch thực nghiệm
• 2.7. Kết luận chương
• 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM TẠO CẶN LẮNG TRÊN VÁCH BUỒNG CHÁY
• 3.1. Giới thiệu chung
• 3.2. Cơ sở thiết kế
• 3.3. Xây dựng mô hình thực nghiệm
• 3.4. Thiết lập mô hình
• 3.5. Trang thiết bị
• 3.6. Quy trình và chế độ thử nghiệm
• 3.7. Mô hình thực nghiệm đối chứng TNCBC
• 3.8. Mô hình và trang thiết bị
• 3.9. Quy trình thử nghiệm
• 3.10. Phương trình hồi quy của sự hình thành và phát triển cặn lắng
• 3.11. Mô hình toán mô tả sự hình thành và phát triển cặn lắng của mô hình TNCMH
• 3.12. Mô hình toán mô tả sự hình thành và phát triển cặn lắng của mô hình TNCBC
• 3.13. Tính tương đồng giữa mô hình TNCMH và TNCBC
• 3.14. Sự phát triển của cặn lắng. Điều kiện thử nghiệm
• 3.15. Kết luận chương
• 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
• 4.1. Phương pháp và quy trình thử nghiệm tạo cặn lắng trên bề mặt vách buồng cháy
• 4.2. Quy trình và điều kiện thử nghiệm
• 4.3. Đặc tính bay hơi của các nhiên liệu thử nghiệm
• 4.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ vách buồng cháy đến sự hình thành và phát triển cặn lắng
• 4.4.1. Khối lượng cặn lắng tích lũy
• 4.4.2. Cấu trúc của lớp cặn
• 4.4.3. Nhiệt độ lớp cặn. Hàm tỷ lệ tạo cặn xét đến ảnh hưởng của nhiệt độ vách buồng cháy
• 4.5. Nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu đến sự hình thành và phát triển cặn lắng
• 4.5.1. Khối lượng cặn tích lũy
• 4.5.2. Tính chất của lớp cặn
• 4.5.3. Cơ chế hình thành cặn lắng
• 4.5.4. Hàm tỷ lệ tạo cặn xét đến ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu
• 4.6. Nghiên cứu ảnh hưởng của lượng dầu bôi trơn trong buồng cháy đến sự hình thành và phát triển cặn lắng
• 4.6.1. Khối lượng cặn tích lũy
• 4.6.2. Nhiệt độ lớp cặn. Hàm tỷ lệ tạo cặn xét đến ảnh hưởng của lượng dầu bôi trơn trong buồng cháy
• 4.7. Kết luận chương
• HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về cặn lắng trong buồng cháy động cơ diesel

Cặn lắng là một vấn đề nghiêm trọng trong buồng cháy của động cơ diesel, gây ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ động cơ. Cặn lắng hình thành do sự tích tụ các hạt carbon, hydrocacbon chưa cháy hết và các hợp chất khác trong quá trình đốt cháy nhiên liệu. Cơ chế hình thành cặn liên quan đến nhiều yếu tố như nhiệt độ, thành phần nhiên liệu và điều kiện vận hành động cơ. Nghiên cứu cặn lắng giúp hiểu rõ quá trình này và tìm ra giải pháp giảm thiểu tác động tiêu cực của cặn lắng.

1.1. Đặc điểm của cặn lắng

Cặn lắng trong buồng cháy thường có cấu trúc xốp và chứa nhiều hợp chất hữu cơ phức tạp. Các hạt carbon và hydrocacbon là thành phần chính của cặn lắng. Cặn lắng tích tụ trên các bề mặt như piston, vách buồng cháy và vòi phun, gây cản trở quá trình truyền nhiệt và làm giảm hiệu suất động cơ. Cặn lắng diesel cũng làm tăng lượng khí thải độc hại, ảnh hưởng đến môi trường.

1.2. Yếu tố hình thành cặn lắng

Hình thành cặn trong buồng cháy phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và thành phần nhiên liệu. Nhiệt độ cao trong buồng cháy thúc đẩy quá trình phân hủy nhiên liệu, tạo ra các hạt carbon. Cơ chế hình thành cặn lắng cũng liên quan đến sự tương tác giữa nhiên liệu và dầu bôi trơn. Cặn lắng trong động cơ diesel còn bị ảnh hưởng bởi tốc độ và tải trọng động cơ.

II. Cơ sở lý thuyết về sự hình thành và phát triển cặn lắng

Cơ chế hình thành cặn trong buồng cháy được nghiên cứu dựa trên các lý thuyết về sự lắng đọng hạt và hình thành màng lỏng. Cơ chế phát triển cặn liên quan đến sự kết tụ các hạt carbon và hydrocacbon trên bề mặt vách buồng cháy. Nghiên cứu cặn lắng sử dụng các phương pháp thực nghiệm và mô hình toán học để mô phỏng quá trình này.

2.1. Lý thuyết về sự hình thành và lắng đọng hạt

Cơ chế hình thành cặn lắng bắt đầu từ sự lắng đọng các hạt carbon và hydrocacbon trong buồng cháy. Các hạt này hình thành do quá trình đốt cháy không hoàn toàn nhiên liệu. Cặn lắng trong động cơ diesel phát triển khi các hạt này kết tụ và bám dính trên bề mặt vách buồng cháy. Cơ chế phát triển cặn cũng liên quan đến sự tương tác giữa nhiên liệu và dầu bôi trơn.

2.2. Lý thuyết về sự hình thành màng lỏng

Cơ chế hình thành cặn còn liên quan đến sự hình thành màng lỏng khi giọt nhiên liệu tương tác với bề mặt vách buồng cháy. Màng lỏng này sau đó bị oxy hóa và tạo thành cặn lắng. Cặn lắng buồng cháy phát triển khi màng lỏng này tích tụ và cứng lại theo thời gian. Nghiên cứu cặn lắng sử dụng các mô hình toán học để mô tả quá trình này.

III. Phương pháp nghiên cứu cặn lắng trong buồng cháy

Nghiên cứu cặn lắng trong buồng cháy sử dụng các phương pháp thực nghiệm và mô hình toán học. Phương pháp thực nghiệm bao gồm việc tạo cặn lắng trên mô hình vách buồng cháy và đo lường các thông số liên quan. Phương pháp số được sử dụng để mô phỏng quá trình hình thành và phát triển cặn lắng.

3.1. Phương pháp thực nghiệm

Phương pháp thực nghiệm trong nghiên cứu cặn lắng bao gồm việc thiết lập mô hình vách buồng cháy và tiến hành các thử nghiệm tạo cặn. Cặn lắng trong động cơ diesel được đo lường bằng cách sử dụng các thiết bị như cân điện tử và kính hiển vi điện tử. Cặn lắng và phát triển được đánh giá dựa trên khối lượng và cấu trúc của cặn lắng.

3.2. Phương pháp số

Phương pháp số được sử dụng để mô phỏng quá trình hình thành và phát triển cặn lắng trong buồng cháy. Các mô hình toán học được xây dựng để dự đoán xu hướng tích tụ cặn lắng theo thời gian. Nghiên cứu cặn lắng sử dụng các phương trình hồi quy để phân tích dữ liệu thực nghiệm và đưa ra các kết luận khoa học.

IV. Ứng dụng và ý nghĩa của nghiên cứu

Nghiên cứu cặn lắng trong buồng cháy có ý nghĩa quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất và tuổi thọ của động cơ diesel. Cặn lắng diesel là nguyên nhân chính gây ra các vấn đề như giảm hiệu suất và tăng lượng khí thải. Nghiên cứu cặn lắng giúp tìm ra các giải pháp giảm thiểu sự hình thành cặn lắng, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng động cơ.

4.1. Ứng dụng trong công nghiệp

Nghiên cứu cặn lắng được ứng dụng trong công nghiệp để cải thiện hiệu suất của động cơ diesel. Cặn lắng trong động cơ diesel là vấn đề phổ biến trong các ngành công nghiệp vận tải và sản xuất. Nghiên cứu cặn lắng giúp các nhà sản xuất tìm ra các giải pháp giảm thiểu sự hình thành cặn lắng, từ đó kéo dài tuổi thọ động cơ.

4.2. Ý nghĩa môi trường

Nghiên cứu cặn lắng cũng có ý nghĩa quan trọng trong việc giảm thiểu lượng khí thải độc hại từ động cơ diesel. Cặn lắng diesel là nguyên nhân chính gây ra các vấn đề môi trường như ô nhiễm không khí. Nghiên cứu cặn lắng giúp tìm ra các giải pháp giảm thiểu sự hình thành cặn lắng, từ đó giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan về luận án

Nghiên cứu của tác giả Phạm Văn Việt (2019) dưới sự hướng dẫn của GS. Lương Công Nhớ và PGS.TS Trần Quang Vinh tại Trường Đại học Hàng hải Việt Nam và Đại học Bách khoa Hà Nội mang tên "Nghiên cứu cơ chế hình thành và phát triển cặn lắng trong buồng cháy động cơ diesel" là công trình tiên phong tại Việt Nam giải quyết bài toán cốt lõi về nhiệt động lực học và quá trình chuyển pha - phản ứng của màng nhiên liệu trên bề mặt buồng cháy. Trong kỹ thuật động cơ đốt trong, sự hình thành cặn lắng buồng cháy (Combustion Chamber Deposit - CCD) là nguyên nhân trực tiếp dẫn tới hiện tượng kích nổ, tăng phát thải hydrocarbon (HC), gia tăng phát thải nitơ oxit ($\text{NO}_x$), làm giảm hệ số nạp và gây hư hỏng cơ học nghiêm trọng như mài mòn mặt gương xilanh hay kẹt xéc-măng.

Khoảng trống nghiên cứu (Research Gap) chính xuất phát từ việc hầu hết các nghiên cứu quốc tế trước đây đều phụ thuộc vào thử nghiệm trên động cơ thực (TNCBC) hoặc thử nghiệm phương tiện với chi phí tốn kém và thời gian vận hành kéo dài. Điển hình như các thử nghiệm bệ thử của Kalghatgi (1995) yêu cầu tối thiểu 200 giờ, Hutching (1998) kéo dài 360 giờ, hay nghiên cứu của Tarkowski (1997) đòi hỏi phương tiện phải chạy tới 70.000 km. Phương pháp truyền thống này vừa tốn kém kinh phí vừa tiềm ẩn rủi ro phá hủy động cơ, đồng thời không thể cô lập hay định lượng chính xác tác động độc lập của từng thông số vi mô. Luận án đặt ra các câu hỏi nghiên cứu và giả thuyết cụ thể:

• Câu hỏi nghiên cứu 1 (RQ1): Cơ chế động học và chuyển pha nào chi phối quá trình hình thành lớp cặn lắng ban đầu khi giọt nhiên liệu tương tác với vách kim loại được gia nhiệt ở các chế độ sôi khác nhau?
• Câu hỏi nghiên cứu 2 (RQ2): Mức độ ảnh hưởng tương quan giữa nhiệt độ bề mặt vách ($t_{bm}$), bản chất hóa lý của nhiên liệu (diesel khoáng so với biodiesel gốc dầu cọ PME, dầu dừa CME) và tỷ lệ pha trộn dầu bôi trơn (SAE 30) đến tốc độ tạo cặn ban đầu ($\alpha$) và tốc độ phát triển cặn tích lũy ($\beta$) diễn ra như thế nào?
• Giả thuyết 1 (H1): Quá trình tạo cặn không diễn ra tuyến tính theo nhiệt độ mà đạt cực đại tại vùng nhiệt độ có tốc độ hóa hơi cực đại ($t_{MEP}$ - Maximum Evaporation Rate Point), sau đó suy giảm khi chuyển sang chế độ sôi màng (hiệu ứng Leidenfrost).
• Giả thuyết 2 (H2): Nhiên liệu biodiesel có nhiệt độ chưng cất $T_{90}$ và độ nhớt cao sẽ làm tăng lượng cặn tích lũy $M_R$ và thay đổi cấu trúc xốp của lớp cặn so với diesel truyền thống.

Khung lý thuyết của công trình tích hợp lý thuyết truyền nhiệt - sôi màng (Dhir, 1998; Rein, 1993), cơ chế va chạm thủy động lực học giọt lỏng (Cossali et al., 1997; Bai & Gosman, 1995) và cơ chế lắng đọng hạt vi mô (Kneer et al., 1993). Về mặt định lượng, nghiên cứu đã xây dựng mô hình thực nghiệm tạo cặn trên mô hình vách buồng cháy (TNCMH), cho phép rút ngắn chu kỳ thử nghiệm xuống hàng nghìn lần (đo lường chính xác từ 1.000 đến 19.000 giọt đơn lẻ) với độ tương đồng thống kê cao so với thử nghiệm đối chứng trên động cơ thực DY41DS.

Literature Review và Positioning

Tổng quan y văn quốc tế ghi nhận ba luồng nghiên cứu chính về cặn lắng buồng cháy:

1. Luồng nguồn gốc hình thành cặn: Tồn tại hai quan điểm đối lập sâu sắc trong giới học thuật. Nhóm tác giả Fukui et al. (1998) và Diaby et al. (2009) khẳng định dầu bôi trơn và các phụ gia kim loại là nguồn gốc chủ yếu tạo nên CCD ở rãnh xéc-măng và đỉnh piston thông qua phản ứng phân hủy nhiệt. Ngược lại, Eilts (1992), Senda et al. (1999) và Ra et al. (2008) chỉ ra rằng nhiên liệu hydrocarbon chưa cháy bám dính tạo màng lỏng mới là yếu tố kiểm soát chính lượng soot và cặn xốp buồng cháy.
2. Luồng cấu trúc và tính chất hóa lý: Nagao et al. (1994) và Zerda et al. (2001) làm rõ tính chất phân lớp của cặn gồm lớp đáy dạng sơn mài (lacquer/varnish) bám dính chặt giàu hợp chất béo và lớp trên xốp dạng muội than (soot) giàu hydrocarbon thơm đa vòng. Jonkers et al. (1993) chứng minh độ dẫn điện của cặn giảm mạnh do sự biến đổi nhóm chức hóa học, trong khi Guralp et al. (2006) và Nishiwaki et al. (1983) định lượng hóa sự sụt giảm hệ số dẫn nhiệt của cặn gây cách nhiệt cục bộ.
3. Luồng tương tác chùm tia phun và vách nóng: Lepperhoff et al. (1996), Kinoshita et al. (1999), Tropea & Marengo (1999), và Vander Wal et al. (2006) phân tích sự phụ thuộc của quá trình bay hơi, tạo màng lỏng vào nhiệt độ vách và số không thứ nguyên Weber ($We$), Ohnesorge ($Oh$).

Nghiên cứu quốc tế	Phương pháp & Quy mô	Phạm vi & Hạn chế	Điểm bứt phá của Luận án Phạm Văn Việt (2019)
Tarkowski (1997)	Thử nghiệm phương tiện thực tế chạy 70.000 km	Chi phí cực lớn, sai số ngẫu nhiên cao do điều kiện môi trường thay đổi liên tục	Thiết lập mô hình TNCMH đơn giản, kiểm soát chính xác vi mô từng giọt nhiên liệu ($N_D$) và nhiệt độ vách ($t_{bm}$)
Hutching (1998)	Bệ thử động cơ cố định vận hành 360 giờ liên tục	Thời gian dài, nguy cơ hỏng hóc cơ khí cao, khó cô lập yếu tố	Rút ngắn thời gian khảo sát, thiết lập phương trình hồi quy toán học với hệ số $\alpha$ và $\beta$ được kiểm định trên phần mềm R
Diaby et al. (2009)	Phân tích SEM, EDX, FTIR cặn trên rãnh xéc-măng động cơ 4 xilanh	Chỉ tập trung vào sự suy thoái của dầu bôi trơn 5W-30 có hạt nano xeri oxit	Khảo sát đồng thời nhiên liệu diesel (DO), biodiesel (B5, B20, B50, B100) và dầu bôi trơn (DO+1%L, DO+2%L)

Luận án định vị chính xác khoảng trống bằng việc kết nối hiện tượng hóa hơi của giọt nhiên liệu đơn lẻ với động học tích lũy cặn nhiều chu kỳ trên vách kim loại được gia nhiệt chính xác, chuyển dịch mô hình nghiên cứu từ quan sát thực nghiệm vĩ mô sang phân tích cơ chế nhiệt động học vi mô có kiểm soát.

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án mở rộng và chuẩn hóa lý thuyết truyền nhiệt chuyển pha của Dhir (1998) và Rein (1993) trong điều kiện tương tác giọt chất lỏng - bề mặt kim loại chịu nhiệt của động cơ diesel. Nghiên cứu đã chứng minh và mở rộng các định đề lý thuyết sau:

• Proposition 1 (Định đề về nhiệt độ thứ cấp $\Delta t$): Tốc độ tạo cặn ban đầu $\alpha_1$ và tốc độ phát triển cặn $\beta_1$ không phải là hàm đơn điệu của nhiệt độ vách $t_{bm}$, mà phụ thuộc trực tiếp vào khoảng chênh lệch nhiệt độ thứ cấp $\Delta t = t_{bm} - t_{MEP}$. Khi $t_{bm} \approx t_{MEP}$ ($\Delta t \to 0$), thời gian tồn tại của giọt $\tau_{tt}$ là ngắn nhất, màng chất lỏng bị bẻ gãy tạo điều kiện cho các phản ứng nhiệt phân và trùng hợp diễn ra mãnh liệt nhất, dẫn đến khối lượng cặn $M_R$ đạt giá trị cực đại.
• Proposition 2 (Định đề về cơ chế tích tụ hai pha): Quá trình hình thành cặn tuân theo cơ chế động học hai giai đoạn: giai đoạn tạo mầm liên kết ban đầu ($\alpha$) chi phối bởi độ nhám bề mặt $R_s$ và năng lượng kích hoạt phản ứng Arrhenius ($E_a$), tiếp nối bởi giai đoạn tích lũy lớp cặn thứ cấp ($\beta$) hoạt động như một lớp cản nhiệt làm thay đổi nhiệt độ bề mặt cặn ($t_c$).

[Giọt nhiên liệu / Phụ gia] 

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của luận án tích hợp đồng thời ba lý thuyết nền tảng:

1. Lý thuyết vận chuyển hạt của Kneer et al. (1993) & Langmuir (1946): Mô tả hiệu suất thu thập hạt $\eta_{0,D}$ thông qua khuếch tán Brown, lực quán tính Stokes ($Stk$), khuếch tán nhiệt ($N_{st}$) và lắng đọng điện di ($N_{se}$).
2. Lý thuyết tương tác thủy động học giọt - màng lỏng của Cossali et al. (1997) & Vander Wal et al. (2006): Xác định ngưỡng bắn tóe (splashing limit) dựa trên tương quan $K_{cr} = We \cdot Oh^{-0,4}$ và độ dày màng không thứ nguyên $\delta = h_{LF}/D_0$.
3. Mô hình động học tạo cặn tổng quát: Thiết lập cấu trúc hàm toán học mô tả khối lượng cặn tích lũy $M_R$:

$$M_R = f(N_D, t_{bm}, \text{Nhiên liệu}, \text{Dầu bôi trơn}) = \alpha \cdot N_D^\beta$$

Trong đó $\alpha = \alpha_1(t_{bm}) \cdot \alpha_2(\text{Nhiên liệu}) \cdot \alpha_3(\text{LO})$ và $\beta = \beta_1(t_{bm}) \cdot \beta_2(\text{Nhiên liệu}) \cdot \beta_3(\text{LO})$. Điều kiện biên (boundary conditions) được xác định rõ: áp suất khí quyển $P = 0,1\text{ MPa}$, dải nhiệt độ vách từ $200^\circ\text{C}$ đến $550^\circ\text{C}$, tần suất va chạm $\tau_{vc} = 5\text{s}$ và $8\text{s}$, kích thước giọt ban đầu $D_0 \approx 2\text{ - }3\text{ mm}$.

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Nghiên cứu được xây dựng trên lập trường nhận thức luận thực chứng (Positivism / Critical Realism), kết hợp chặt chẽ giữa suy diễn lý thuyết toán - lý và thực nghiệm đối chứng đa cấp độ (multi-level validation design):

• Cấp độ 1 (Mô hình vi mô TNCMH): Hệ thống tạo cặn trên vách kim loại nung nóng độc lập, kiểm soát chính xác từng giọt nhiên liệu rơi bằng kim phun định lượng, cảm biến nhiệt độ tiếp xúc và quang học.
• Cấp độ 2 (Mô hình đối chứng động cơ thực TNCBC): Băng thử động cơ diesel 1 xilanh Yanmar/Robin DY41DS (công suất định mức hoạt động ở các dải tải khác nhau) được gắn chốt đo cặn chuyên dụng trên nắp xilanh và đỉnh piston nhằm kiểm chứng tính tương đồng về mặt động học và hình thái học.

Quy trình nghiên cứu rigorous

Quy trình thu thập và xử lý số liệu tuân thủ các tiêu chuẩn đo lường nghiêm ngặt:

• Chiến lược lấy mẫu và đối tượng thử nghiệm: Sử dụng mẫu chuẩn gồm Dodecane ($C_{12}H_{26}$, độ tinh khiết $>99%$), Diesel thương mại (DO), Biodiesel B100 gốc cọ (PME) và gốc dừa (CME) đạt quy chuẩn QCVN 1:2015/BKHCN, các hỗn hợp phối trộn B5, B10, B20, B50, cùng mẫu dầu bôi trơn công nghiệp SAE 30 pha trộn với diesel theo tỷ lệ khối lượng DO+1%L và DO+2%L.
• Trang thiết bị đo lường chuyên dụng: Cảm biến nhiệt độ bề mặt vách WRET-01 kết hợp bộ điều khiển PID; nhiệt kế hồng ngoại Beta 1760/IR 1600 (dải đo lên tới $1600^\circ\text{C}$); cân phân tích điện tử vi lượng ABS 220-4N (độ chính xác $0,0001\text{ g}$); camera tốc độ cao Canon 70D ghi nhận hình ảnh va chạm và bay hơi; kính hiển vi điện tử quét Jeol SEM 5410 LV khảo sát cấu trúc tế vi và độ xốp; phương pháp phân tích nhiệt trọng vi sai (TGA) và phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR).
• Độ tin cậy và kiểm chuẩn: Toàn bộ kết quả đo lường trên mô hình TNCMH được kiểm định và cấp chứng nhận bởi Chi cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng Hải Phòng.

Data và phân tích

• Dữ liệu thực nghiệm được xử lý bằng ngôn ngữ lập trình thống kê R, sử dụng tiêu chuẩn thông tin Akaike (Akaike Information Criterion - AIC) để lựa chọn mô hình hồi quy tối ưu và kiểm định phân phối Student ($t_{dmax}$) với mức ý nghĩa $p < 0,05$.
• Các phương trình hồi quy phi tuyến tính mô tả quá trình tăng trưởng khối lượng cặn đạt hệ số tương quan hiệu chỉnh $R^2 > 0,92$, chứng minh tính vững chắc (robustness) của mô hình mô phỏng thực nghiệm so với dữ liệu thực tế trên động cơ DY41DS.

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

1. Sự tồn tại của đỉnh tạo cặn tại điểm hóa hơi cực đại ($t_{MEP}$): Nghiên cứu phát hiện tại vùng nhiệt độ bề mặt vách $t_{bm} \approx 300^\circ\text{C} - 370^\circ\text{C}$ (tương ứng vùng $t_{MEP}$ của nhiên liệu diesel và biodiesel), khối lượng cặn tích lũy $M_R$ đạt cực trị. Khi nhiệt độ vượt qua điểm Leidenfrost ($t_{bm} > 450^\circ\text{C} - 550^\circ\text{C}$), giọt nhiên liệu bị nâng bổng bởi màng hơi, thời gian tiếp xúc thực tế giảm mạnh khiến cặn hình thành có cấu trúc xốp mềm, dễ bị dòng khí quét sạch, làm giảm $M_R$ tới $65% - 80%$.
2. Xu hướng tạo cặn vượt trội của Biodiesel: Ở cùng số lượng 8.000 giọt và khoảng thời gian va chạm $\tau_{vc} = 5\text{s}$, nhiên liệu B100 tạo ra lượng cặn cao gấp $1,8 - 2,4$ lần so với nhiên liệu diesel truyền thống (DO). Hàm lượng ester mạch dài chưa bão hòa trong B100 làm tăng nhiệt độ chưng cất $T_{90}$, kéo dài thời gian tồn tại của màng lỏng và đẩy mạnh phản ứng trùng hợp tạo cặn dạng keo.
3. Tác động xúc tác tiêu cực của dầu bôi trơn: Khi hòa trộn $1%$ và $2%$ dầu nhờn SAE 30 vào diesel (DO+1%L, DO+2%L), hệ số tạo cặn $\alpha_3$ và $\beta_3$ tăng vọt từ $35%$ đến $72%$. Sự hiện diện của các phụ gia kim loại (kẽm, canxi) và hydrocacbon nặng trong dầu nhớt đóng vai trò như chất kết dính, liên kết các hạt muội soot thành khối cặn vững chắc có cấu trúc lacquer khó bóc tách.
4. Quy luật tiến hóa cấu trúc lớp cặn: Hình ảnh SEM chỉ ra cấu trúc phân lớp rõ rệt: tại $t_{bm} = 367^\circ\text{C}$ với 19.000 giọt nhiên liệu DO, lớp cặn chuyển hóa từ dạng vô định hình xốp sang cấu trúc mạng carbon đặc khít, làm giảm độ dẫn nhiệt cục bộ, khiến nhiệt độ bề mặt cặn $t_c$ cao hơn nhiệt độ vách kim loại $t_{bm}$ từ $45^\circ\text{C}$ đến $90^\circ\text{C}$.

Implications đa chiều

• Về mặt học thuật: Cung cấp dữ liệu thực nghiệm chuẩn hóa về hệ số $\alpha$ và $\beta$ cho các mô hình mô phỏng CFD cháy (như ANSYS Forte, CONVERGE, KIVA) và động học hóa học (CHEMKIN), hoàn thiện lý thuyết động học lắng đọng hạt đa pha.
• Về mặt kỹ thuật và chế tạo: Cung cấp cơ sở định lượng để các nhà sản xuất động cơ tối ưu hóa biên dạng chùm tia phun, tránh hiện tượng tia nhiên liệu táp vách (wall impingement) tại các vùng nhiệt độ nhạy cảm ($300^\circ\text{C} - 370^\circ\text{C}$), đồng thời thiết kế hệ thống làm mát nắp xilanh và đỉnh piston nhằm duy trì dải nhiệt độ tối ưu.
• Về mặt vận hành và chính sách: Đưa ra khuyến cáo kỹ thuật cho các đội tàu biển và phương tiện cơ giới khi chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu sinh học (B5, B20, B100): cần rút ngắn chu kỳ bảo dưỡng xéc-măng và vòi phun, kiểm soát chặt chẽ hiện tượng lọt dầu bôi trơn vào buồng cháy và sử dụng phụ gia tẩy rửa gốc polyether amine (PEA) để hạn chế đóng cặn.

Limitations và Future Research

Luận án thẳng thắn thừa nhận các giới hạn khoa học mang tính điều kiện biên:

1. Hạn chế về môi trường phản ứng: Mô hình thực nghiệm TNCMH được thực hiện trong môi trường không khí ở áp suất khí quyển ($0,1\text{ MPa}$) và không có sự hiện diện của ngọn lửa bùng cháy trực tiếp, do đó bỏ qua ảnh hưởng của sóng áp suất nén cao ($5 - 15\text{ MPa}$) và sự tương tác tức thời với các gốc tự do mang năng lượng cao ($\text{OH}^-$, $\text{O}$, $\text{H}^+$) sinh ra trong quá trình cháy thực tế.
2. Hạn chế về động lực học dòng khí: Bỏ qua vận tốc xoáy lốc (swirl/tumble) tốc độ cao của môi chất nạp trong xilanh, vốn có thể làm tăng tốc độ bóc tách cơ học lớp cặn bề mặt.

Chương trình nghiên cứu mở rộng giai đoạn tiếp theo cần tập trung:

• Tích hợp buồng cháy thể tích không đổi đẳng tích áp suất cao (Constant Volume Combustion Chamber - CVCC) có cửa sổ quang học thạch anh để khảo sát tạo cặn dưới áp suất nén $10\text{ MPa}$.
• Ứng dụng mô phỏng động học phân tử kết hợp cơ chế phản ứng chi tiết trong phần mềm CHEMKIN nhằm mô tả chính xác quá trình cracking và polyme hóa của các phân tử methyl ester mạch dài.
• Nghiên cứu cơ chế tạo cặn của các dạng nhiên liệu sinh học tiên tiến thế hệ mới (HVO - Hydrotreated Vegetable Oil, E-fuels, nhiên liệu sinh học từ vi tảo).

Tác động và ảnh hưởng

• Giá trị học thuật: Đóng góp bộ cơ sở dữ liệu thực nghiệm đầu tiên tại Việt Nam về động học cặn lắng giọt lỏng đơn lẻ, có tiềm năng trích dẫn cao trong các tạp chí chuyên ngành quốc tế thuộc danh mục ISI/Scopus (như Fuel, Energy & Fuels, Applied Thermal Engineering, SAE Technical Papers).
• Tác động công nghiệp: Giúp ngành cơ khí động lực, giao thông vận tải thủy và đường bộ cắt giảm chi phí thử nghiệm R&D hàng trăm triệu đồng cho mỗi chu kỳ đánh giá nhiên liệu mới, nhờ thay thế các thử nghiệm động cơ 300 giờ tốn kém bằng mô hình mô phỏng TNCMH tinh gọn.
• Lợi ích xã hội và môi trường: Việc kiểm soát và giảm thiểu cặn buồng cháy giúp duy trì hiệu suất nhiệt của động cơ diesel, giảm tiêu hao nhiên liệu từ $3% - 5%$, đồng thời hạn chế sự gia tăng phát thải khí nhà kính, muội than PM2.5 và hydrocacbon độc hại ra môi trường đô thị và hàng hải.

Đối tượng hưởng lợi

• Nghiên cứu sinh và học giả: Tiếp cận phương pháp luận quy hoạch thực nghiệm chuẩn xác, kết hợp phân tích vi mô (SEM, FTIR) với mô hình hóa toán học bằng phần mềm R.
• Kỹ sư R&D động cơ đốt trong: Ứng dụng các phương trình toán học thực nghiệm ($\alpha, \beta$) để hiệu chỉnh thuật toán điều khiển phun nhiên liệu đa điểm (Common Rail DI) nhằm triệt tiêu hiện tượng tạo màng lỏng táp vách.
• Doanh nghiệp vận tải biển và nhà máy điện diesel: Xây dựng quy trình bảo dưỡng phòng ngừa chuẩn xác, lựa chọn tỷ lệ phối trộn biodiesel và dầu bôi trơn tối ưu nhằm kéo dài tuổi thọ động cơ.
• Cơ quan quản lý tiêu chuẩn nhiên liệu: Cung cấp luận cứ khoa học để hoàn thiện hệ thống quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nhiên liệu sinh học và phụ gia tẩy rửa buồng cháy.

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì?

Đó là việc mở rộng lý thuyết sôi truyền nhiệt của Dhir (1998) sang lĩnh vực động học tạo cặn buồng cháy động cơ bằng cách xác lập hàm số tương quan giữa tốc độ tích lũy cặn $M_R$ với khoảng chênh lệch nhiệt độ thứ cấp $\Delta t = t_{bm} - t_{MEP}$. Nghiên cứu đã chứng minh khoa học rằng sự tạo cặn đạt tốc độ bùng nổ cực đại tại điểm hóa hơi cực đại $t_{MEP}$ chứ không tăng tuyến tính theo nhiệt độ vách.

2. Điểm cải tiến phương pháp luận so với các nghiên cứu tiền nhiệm?

So với thử nghiệm bệ thử 360 giờ của Hutching (1998) hay thử nghiệm xe chạy 70.000 km của Tarkowski (1997), luận án đã phát triển thành công hệ thiết bị TNCMH cho phép kiểm soát số lượng giọt chính xác ($N_D$), nhiệt độ vách chính xác ($\pm 1^\circ\text{C}$) và phân tích độc lập từng nhân tố ảnh hưởng với chi phí chỉ bằng một phần nhỏ nhưng đạt độ tương đồng thống kê xuất sắc so với động cơ thực DY41DS.

3. Phát hiện bất ngờ nhất từ số liệu thực nghiệm là gì?

Khi nhiệt độ vách vượt qua ngưỡng $450^\circ\text{C} - 550^\circ\text{C}$ (tiến vào vùng sôi màng Leidenfrost), khối lượng cặn tích lũy $M_R$ giảm mạnh đột ngột thay vì tăng do nhiệt phân. Lớp đệm hơi hình thành tức thời ngăn cách giọt nhiên liệu tiếp xúc trực tiếp với kim loại, làm giảm đáng kể khả năng bám dính và tạo mầm liên kết của các gốc polymer.

4. Quy trình thử nghiệm có khả năng lặp lại (Replication Protocol) không?

Quy trình được thiết kế chuẩn hóa tuyệt đối: từ bước chuẩn bị bề mặt đĩa mẫu kim loại (đo độ nhám $R_s$), kiểm soát khoảng cách đầu kim đến tâm bề mặt ($L_h$), thiết lập tần suất nhỏ giọt ($\tau_{vc}$), ghi nhận nhiệt độ qua cặp nhiệt điện WRET-01 và nhiệt kế Beta 1760/IR 1600, đến việc xác định khối lượng bằng cân vi lượng ABS 220-4N được chứng nhận bởi cơ quan đo lường nhà nước.

5. Định hướng lộ trình nghiên cứu 10 năm tiếp theo?

Mở rộng mô hình TNCMH thành hệ thống buồng nén quang học cao áp tích hợp chùm tia laser chẩn đoán (PIV/LIF), phát triển phần mềm dự báo tạo cặn tự động tích hợp AI dựa trên dữ liệu thành phần hóa học của nhiên liệu sinh học thế hệ mới và nhiên liệu tổng hợp không carbon (NH3, Hydrogen blends).

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Phạm Văn Việt đã giải quyết xuất sắc và toàn diện một bài toán kỹ thuật phức tạp với 5 đóng góp cốt lõi:

1. Xác lập thành công cơ chế nhiệt động học và chuyển pha chi phối sự hình thành, phát triển cặn lắng trong buồng cháy động cơ diesel dưới tác động tổng hòa của nhiệt độ vách, bản chất nhiên liệu và dầu bôi trơn.
2. Thiết kế, chế tạo và chuẩn hóa thành công mô hình thực nghiệm tạo cặn vách nung nóng TNCMH, mở ra bước đột phá về phương pháp luận nghiên cứu thực nghiệm chi phí thấp, độ chính xác cao.
3. Xây dựng hoàn chỉnh mô hình toán học hồi quy phi tuyến với các hệ số đặc trưng $\alpha$ và $\beta$, cho phép tiên lượng chính xác tốc độ tạo cặn theo thời gian vận hành.
4. Làm rõ đặc tính hóa lý và hình thái cấu trúc xốp của cặn lắng từ nhiên liệu diesel, biodiesel (B5 - B100) và dầu bôi trơn SAE 30 bằng các kỹ thuật hiển vi điện tử SEM và phổ nghiệm tiên tiến.
5. Đề xuất hệ thống giải pháp kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao nhằm kiểm soát và giảm thiểu cặn lắng cho các phương tiện cơ giới và tàu thủy hoạt động tại Việt Nam.

Công trình tạo tiền đề vững chắc cho các hướng nghiên cứu chuyển tiếp về mô phỏng số 3D-CFD buồng cháy đa pha, ứng dụng nhiên liệu xanh giảm phát thải và phát triển các thế hệ động cơ đốt trong có độ tin cậy cao trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 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 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật Hình 1. 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 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 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 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 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 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 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 1.5), trong đó nồng độ chất phụ gia PEA-1 (polyether amin-based) và PBA-1 (polybutane amin-based) là bằng nhau cho thấy khi tăng nồng độ các chất phụ gia thì diện tích bề mặt giảm, do đó lượng cặn cũng tăng nhẹ.