Đang tải... (xem toàn văn)
Nghiên cứu cơ chế hình thành và phát triển cặn lắng trong buồng cháy động cơ dieselNghiên cứu cơ chế hình thành và phát triển cặn lắng trong buồng cháy động cơ dieselNghiên cứu cơ chế hình thành và phát triển cặn lắng trong buồng cháy động cơ dieselNghiên cứu cơ chế hình thành và phát triển cặn lắng trong buồng cháy động cơ dieselNghiên cứu cơ chế hình thành và phát triển cặn lắng trong buồng cháy động cơ dieselNghiên cứu cơ chế hình thành và phát triển cặn lắng trong buồng cháy động cơ dieselNghiên cứu cơ chế hình thành và phát triển cặn lắng trong buồng cháy động cơ dieselNghiên cứu cơ chế hình thành và phát triển cặn lắng trong buồng cháy động cơ dieselNghiên cứu cơ chế hình thành và phát triển cặn lắng trong buồng cháy động cơ dieselNghiên cứu cơ chế hình thành và phát triển cặn lắng trong buồng cháy động cơ dieselNghiên cứu cơ chế hình thành và phát triển cặn lắng trong buồng cháy động cơ dieselNghiên cứu cơ chế hình thành và phát triển cặn lắng trong buồng cháy động cơ dieselNghiên cứu cơ chế hình thành và phát triển cặn lắng trong buồng cháy động cơ dieselNghiên cứu cơ chế hình thành và phát triển cặn lắng trong buồng cháy động cơ dieselNghiên cứu cơ chế hình thành và phát triển cặn lắng trong buồng cháy động cơ diesel
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết trình bày Luận án trung thực chưa công bố công trình khác Tơi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực luận án cảm ơn thơng tin trích dẫn luận án rõ nguồn gốc Hải Phòng, ngày 26 tháng 03 năm 2019 Tác giả Phạm Văn Việt i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Viện Đào tạo Sau đại học, tập thể giảng viên Khoa Máy tàu biển Viện Cơ khí - Trường Đại học Hàng hải Việt Nam; Ban chủ nhiệm Viện Cơ khí Động lực, Bộ mơn Động đốt - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, dành cho điều kiện thuận lợi để hồn thành Luận án Tơi xin tỏ lòng kính trọng chân thành biết ơn GS.TS Lương Công Nhớ, PGS.TS Trần Quang Vinh nhận hướng dẫn thực Luận án Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý Thầy phản biện, quý Thầy Hội đồng chấm Luận án đồng ý đọc, duyệt đóng góp ý kiến để tơi hồn chỉnh Luận án định hướng nghiên cứu tương lai Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, đồng nghiệp thân hữu ủng hộ, động viên suốt thời gian thực Luận án ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi THUẬT NGỮ VÀ KÍ HIỆU .viii DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ xii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xv MỞ ĐẦU xvii i Lý chọn đề tài xvii ii Mục tiêu đề tài xvii iii Đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài xviii iv Phương pháp nghiên cứu đề tài xviii v Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài xix vi Điểm luận án xix vii Bố cục luận án xix CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Cặn lắng buồng cháy động 1.1.1 Đặc điểm cặn lắng 1.1.2 Yếu tố hình thành cặn lắng 1.1.3 Các tác động xấu cặn lắng đến động 14 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu cặn lắng động 18 1.3 Kết luận chương 22 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT SỰ HÌNH THÀNH CẶN LẮNG TRONG BUỒNG CHÁY ĐỘNG CƠ DIESEL 24 2.1 Cơ sở lý thuyết hình thành cặn lắng buồng cháy động 24 2.1.1 Lý thuyết hình thành lắng đọng hạt 24 2.1.2 Lý thuyết hình thành màng lỏng giọt tương tác với vách 26 2.1.3 Lý thuyết chế hình thành soot 34 iii 2.1.4 Giả thuyết chế hình thành cặn lắng buồng cháy động 38 2.2 Phương pháp nghiên cứu cặn lắng buồng cháy động 45 2.2.1 Phương pháp thực nghiệm 45 2.2.2 Phương pháp số 47 2.2.3 Phương pháp qui hoạch thực nghiệm 47 2.3 Kết luận chương 56 CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM TẠO CẶN LẮNG TRÊN VÁCH BUỒNG CHÁY 57 3.1 Đặt vấn đề 57 3.1.1 Giới thiệu chung 57 3.1.2 Mục tiêu 60 3.1.3 Cơ sở thiết kế 61 3.2 Xây dựng mơ hình thực nghiệm 63 3.2.1 Thiết lập mơ hình 63 3.2.2 Trang thiết bị 66 3.2.3 Quy trình chế độ thử nghiệm 68 3.3 Mơ hình thực nghiệm đối chứng TNCBC 72 3.3.1 Mơ hình trang thiết bị 73 3.3.2 Quy trình thử nghiệm 74 3.4 Phương trình hồi quy hình thành phát triển cặn lắng 74 3.4.1 Mơ hình tốn mơ tả hình thành phát triển cặn lắng mơ hình TNCMH 75 3.4.2 Mơ hình tốn mơ tả hình thành phát triển cặn lắng mơ hình TNCBC 80 3.5 Tính tương đồng mơ hình TNCMH TNCBC 81 3.5.1 Sự phát triển cặn lắng 82 3.5.2 Điều kiện thử nghiệm 83 3.6 Kết luận chương 85 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 86 4.1 Phương pháp quy trình thử nghiệm tạo cặn lắng bề mặt vách buồng cháy 86 4.1.1 Quy trình điều kiện thử nghiệm 86 4.1.2 Đặc tính bay nhiên liệu thử nghiệm 87 iv 4.2 Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ vách buồng cháy đến hình thành phát triển cặn lắng 92 4.2.1 Khối lượng cặn lắng tích lũy 93 4.2.2 Cấu trúc lớp cặn 96 4.2.3 Nhiệt độ lớp cặn 97 4.2.4 Hàm tỷ lệ tạo cặn xét đến ảnh hưởng nhiệt độ vách buồng cháy 99 4.3 Nghiên cứu ảnh hưởng thành phần nhiên liệu đến hình thành phát triển cặn lắng 102 4.3.1 Khối lượng cặn tích lũy 102 4.3.2 Tính chất lớp cặn 106 4.3.3 Cơ chế hình thành cặn lắng 109 4.3.4 Hàm tỷ lệ tạo cặn xét đến ảnh hưởng thành phần nhiên liệu 113 4.4 Nghiên cứu ảnh hưởng lượng dầu bôi trơn buồng cháy đến hình thành phát triển cặn lắng 115 4.4.1 Khối lượng cặn tích lũy 115 4.4.2 Nhiệt độ lớp cặn 116 4.4.3 Hàm tỷ lệ tạo cặn xét đến ảnh hưởng lượng dầu bôi trơn buồng cháy 118 4.5 Kết luận chương 119 KẾT LUẬN 122 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 124 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 125 TÀI LIỆU THAM KHẢO 127 PHỤ LỤC 136 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt Å Ångström Đơn vị độ dài AIC Akaike info criterion Tiêu chuẩn thông kê Akaike A/F Air/fuel Tỷ số khơng khí/nhiên liệu B100C Nhiên liệu 100% dầu dừa B100 Nhiên liệu 100% dầu cọ B50 Nhiên liệu diesel pha trộn với 50% khối lượng B100 B20 Nhiên liệu diesel pha trộn với 20% khối lượng B100 B5 Nhiên liệu diesel pha trộn với 5% khối lượng B100 CCD Combustion chamber deposit CHEMKIN Cặn lắng buồng cháy Phần mềm mơ phản ứng hóa học q trình cháy CME CPO Coconut metyl ester Crude palm oil Dầu dừa Dầu cọ thô DI Direct injection Phun trực tiếp DDC Dodecane (C12H26) DO Nhiên liệu diesel DO+1%L Dầu diesel pha trộn với 1% dầu bôi trơn khối lượng DO+2%L Dầu diesel pha trộn với 2% dầu bôi trơn khối lượng ESR Electron spin resonance FTIR Fourier Transform Infra-Red fps Frame per second Sự cộng hưởng chuyển động quay điện tử Phân tích hồng ngoại biến đổi Fourier Số khung hình giây HC Hydrocarbon Phát thải hydrocacbon vi HCCI Homogeneous charge compression Động nén cháy hỗn hợp ignition đồng LO Lubricated oil Dầu bôi trơn MEP Maximum evaporation rate point NASA National Aeronautics and Space Administration Pb PBA PEA Polybutane amine-based additive Polyether amine-based additive Điểm có tốc độ hóa cực đại Cơ quan hàng khơng, vũ trụ quốc gia Hoa Kỳ Chì Phụ gia gốc polybutan amin Phụ gia gốc polyeste amin PM Particulate matter Phát thải hạt PME OH R SI SEM tb TEM Palm metyl ester TGA TNCBC Thermo-Gravimetric Metyl este dầu cọ Gốc hiđroxit Ngơn ngữ lập trình R Cháy cưỡng (đánh lửa) Kính hiển vi điện tử qt Trung bình Kính hiển vi điện tử truyền dẫn Phương pháp phân tích nhiệt Thử nghiệm xác định lượng cặn buồng cháy động thực Thử nghiệm tạo cặn mơ hình vách buồng cháy Spark ignition Scanning Electron Microscopes Transmission electron microscopy TNCMH vii THUẬT NGỮ VÀ KÍ HIỆU Kí hiệu Giải thích Đơn vị a Hệ số phương trình Arrhenius Ai Giá trị thực nghiệm thứ i 𝐴 Giá trị thực nghiệm trung bình Bi Số Biot b Hệ số phương trình Arrhenius C Hằng số không thứ nguyên xét đến khuếch tán c Số lượng kích thước riêng phần d Đường kính hạt soot Da Số Damkohler Dd Đường kính giọt nhiên liệu mm dc Đường kính xilanh m Di Hệ số khuếch tán riêng phần chất i D0 Kích thước ban đầu giọt Dp Hệ số khuếch tán dp Đường kính hạt m 𝑑𝑁 𝑑𝑡 Tốc độ kết tụ hạt soot m/s Ea Năng lượng kích hoạt phản ứng J f Tần suất va chạm giọt với vách fs Hệ số “hút nhiệt” g Gia tốc trọng trường G’ Hệ số xét đến gia tăng va chạm lực điện từ phân mm mm m/s2 tán hLF Độ dày lớp chất lỏng mm k Hằng số Boltzmann kc Hệ số truyền nhiệt xilanh Kn Hệ số dòng trượt kg Hệ số truyền nhiệt khí thể xilanh kp Hệ số mật độ phần tử khí viii W/Km W/Km ktn Hệ số kết tụ hạt soot ka, kb, kt, Các hệ số thực nghiệm liên quan đến hệ số tốc độ cho kz phản ứng thay đổi chế Krc Tiêu chuẩn khơng thứ ngun kích thước giọt Lh Khoảng cách từ đầu kim đến tâm bề mặt mơ hình vách mm lr Chiều dài độ nhám mm MR Tổng khối lượng cặn bề mặt vách g MD Tổng khối lượng giọt nhiên liệu g Md Khối lượng tích lũy giọt nhiên liệu g mD Khối lượng giọt nhiên liệu g N Mật độ số lượng hạt soot ND Số giọt nhiên liệu va chạm với bề mặt Num Hệ số đặc trưng cho tác động đồng thời khuếch tán Nsd Không thứ nguyên hiệu ứng khuếch tán Nse Không thứ nguyên hiệu ứng điện di Nst Không thứ nguyên khuếch tán nhiệt Stokes Nsg Không thứ nguyên xét đến trọng lực Oh Số không thứ nguyên Ohnesorge p Số lượng nút lưới chiều Pes Số Peclet Pi Áp suất riêng phần chất i r Hệ số tương quan R Tham số tổng hợp liên quan đến hiệu suất thu thập lắng MPa đọng hạt xilanh Rec Hệ số xét đến đồng dạng đường kính R2 Tổng bình phương sai số Stk Khơng thứ ngun Stokes RS Độ nhám bề mặt T Nhiệt độ xilanh K t Thời gian xét đến chuyển động ngẫu nhiên hạt s ix tc Thời gian tính tốn mơ hình chiều tdmax Giá trị kiểm định phân phối Student tMEP Nhiệt độ MEP o tct Nhiệt độ thị o tbm Nhiệt độ bề mặt vách o tc Nhiệt độ bề mặt cặn o tVách Nhiệt độ bề mặt vách o T90 Nhiệt độ chưng cất 90% o TPA Nhiệt độ chất lỏng trạng thái bám dính hồn tồn o Tc Nhiệt độ xilanh o Tg Nhiệt độ khí thể xilanh o Tsat Nhiệt độ bão hòa o Tcrit Nhiệt độ tới hạn o Tleid Nhiệt độ Leidenfrost o TW Nhiệt độ vách hâm nóng o ∆t Nhiệt độ thứ cấp (tbm - tMEP) o Ucr Vận tốc giọt m/s v0 Tốc độ tương đối hạt soot m/s x0 Khoảng cách giới hạn từ bề mặt xilanh mm xi Các yếu tố đầu vào (điều khiển) 𝑥̅ Sự dịch chuyển chuyển động ngẫu nhiên hạt soot yi Thông số tối ưu We Số không thứ nguyên Weber Wc Khối lượng phân tử C Wi Đại lượng ngẫu nhiên α Hệ số đặc trưng cho tạo cặn ban đầu α1 Hệ số đặc trưng cho tạo cặn ban đầu xét đến ảnh hưởng C C C C C C C C C C C C C C nhiệt độ bề mặt vách α2 s Hệ số đặc trưng cho tạo cặn ban đầu xét đến ảnh hưởng nhiên liệu x mm α3 Hệ số đặc trưng cho tạo cặn ban đầu xét đến ảnh hưởng dầu bôi trơn ∝ Hệ số liên quan đến đa tán sắc tự nhiên hệ thống αT Hệ số tỏa nhiệt αbđ Hệ số đặc trưng cho tạo cặn ban đầu giai đoạn đầu αs Hệ số đặc trưng cho tạo cặn ban đầu giai đoạn sau β Hệ số đặc trưng cho phát triển cặn β1 βbđ Hệ số đặc trưng cho phát triển cặn xét đến ảnh hưởng nhiệt độ bề mặt vách Hệ số đặc trưng cho phát triển cặn xét đến ảnh hưởng nhiên liệu Hệ số đặc trưng cho phát triển cặn xét đến ảnh hưởng dầu bôi trơn Hệ số đặc trưng cho phát triển cặn giai đoạn đầu βs Hệ số đặc trưng cho phát triển cặn giai đoạn sau 𝜎𝑛 Độ lệch ước lượng tập hợp mẫu 𝜀0 Hệ số điện môi 𝜀𝑑 Tốc độ tiêu hao lượng rối δ Độ dày màng chất lỏng mm 𝜇 Độ nhớt động học Pa s 𝜂0,𝐷 Hiệu suất thu thập hạt khuếch tán Brown 𝜂0,𝐼 Hiệu suất thu thập hạt chế điện di 𝜌 Mật độ hạt ρp Khối lượng riêng hạt kg/m3 ρnl Khối lượng riêng nhiên liệu kgm-3 ∅ Phân lượng thể tích soot 𝜙 Phân lượng thể tích pha lơ lửng τtt Thời gian tồn giọt nhiên liệu giây τvc Thời gian va chạm giây νtrộn Độ nhớt động học nhiên liệu DO hòa trộn với dầu bôi mm2/s β2 β3 W/m2K trơn 𝜔 Tốc độ oxi hóa bề mặt xi DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Cặn lắng vị trí khác buồng cháy Hình 1.2 Ảnh hưởng nhiên liệu dầu bơi trơn đến lượng cặn tích lũy Hình 1.3 Lượng kẽm hấp thụ phụ gia dầu bôi trơn Hình 1.4 Sự phân bố kích thước lỗ xốp cặn buồng cháy Hình 1.5 Tương quan kích thước lỗ cặn với nhiên liệu có phụ gia Hình 1.6 Cấu trúc lớp cặn Hình 1.7 Sự sụt giảm khả dẫn điện cặn tích tụ Hình 1.8 Độ dẫn nhiệt phụ thuộc độ dày lớp cặn nắp xilanh Hình 1.9 Sự hình thành cặn bề mặt piston 10 Hình 1.10 Quan hệ nhiệt độ vòi phun sụt giảm dòng nhiên liệu 11 Hình 1.11 Ảnh hưởng dòng chảy chất lỏng đến hình thành cặn 12 Hình 1.12 Tương quan lượng cặn nhiệt độ piston 13 Hình 1.13 Ảnh hưởng tốc độ động đến hình thành cặn 13 Hình 1.14 Sự truyền nhiệt lớp cặn 15 Hình 1.15 Sự tương quan khối lượng cặn lượng phát thải HC 17 Hình 2.1 Sự sơi thời gian tồn giọt chất lỏng 31 Hình 2.2 Mối quan hệ We TW 34 Hình 2.3 Cơ chế hình thành hạt soot buồng cháy 35 Hình 2.4 Cấu trúc hạt cacbon 36 Hình 2.5 Giả thuyết chế hình thành cặn lắng buồng cháy 39 Hình 2.6 Mơ hình chiều 40 Hình 2.7 Giả thuyết chế hình thành loại bỏ cặn buồng cháy 42 Hình 2.8 Hình chiếu SEM cặn xéc măng thứ 46 Hình 2.9 Sơ đồ hộp đen 49 Hình 2.10 Đồ thị phân phối Student 51 Hình 3.1 Quá trình hình thành cặn bề mặt vách buồng cháy động 57 Hình 3.2 Quá trình tích tụ cặn lắng bề mặt vách 59 xii Hình 3.3 Quá trình nghiên cứu hình thành cặn lắng 60 Hình 3.4 Sơ đồ thử nghiệm tạo cặn mơ hình bề mặt vách buồng cháy 64 Hình 3.5 Bộ thiết bị thử nghiệm TNCMH 65 Hình 3.6 Mơ hình TNCMH 65 Hình 3.7 Trang thiết bị TNCMH 66 Hình 3.8 Đặc tính bay chung nhiên liệu thử nghiệm 69 Hình 3.9 Đặc tính bay giọt nhiên liệu DO đơn kép 70 Hình 3.10 Sự tương quan nhiệt độ Ti TS 71 Hình 3.11 Quá trình đo nhiệt độ bề mặt cặn 72 Hình 3.12 Băng thử động DY41DS 73 Hình 3.13 Bố trí thiết bị động DY41DS 74 Hình 3.14 Tương quan phát triển cặn dựa liệu MR 77 Hình 3.15 Tương quan phát triển cặn dựa liệu tương đối MR /MD 78 Hình 3.16 Tương quan phát triển cặn với liệu tương đối MR /Md 79 Hình 3.17 Tương quan phát triển cặn với liệu tương đối MR /mD 79 Hình 3.18 Sự phát triển cặn DO hỗn hợp DO với SAE30 TNCBC 81 Hình 3.19 So sánh giá trị α β 83 Hình 3.20 Cách thức tương tác hạt nhiên liệu bề mặt vách 84 Hình 4.1 Thiết bị trình thử nghiệm TNCMH 86 Hình 4.2 Đặc tính bay dodecane 88 Hình 4.3 Đặc tính bay nhiên liệu diesel DO 89 Hình 4.4 Đặc tính bay DO, B100, B50, B20 B5 90 Hình 4.5 Đặc tính bay DO, DO+1%L DO+2%L 92 Hình 4.6 Phát triển cặn DO nhiệt độ bề mặt vách khác 93 Hình 4.7 Các dạng phát triển cặn 94 Hình 4.8 Cặn nhiên liệu diesel 1000 9000 giọt có dạng phát triển 95 Hình 4.9 Cặn nhiên liệu diesel 1000 9000 giọt có dạng phát triển 96 Hình 4.10 Cấu trúc cặn DO tbm = 367°C với 19000 giọt 97 xiii Hình 4.11 Nhiệt độ bề mặt cặn thời gian tồn giọt nhiên liệu 98 Hình 4.12 Giá trị α β mức nhiệt độ thứ cấp khác 100 Hình 4.13 Phát triển cặn τvc = 5s 103 Hình 4.14 Phát triển cặn τvc = 8s 104 Hình 4.15 Sự phát triển cặn DO nhiệt độ khoảng thời gian va chạm 105 Hình 4.16 Cặn B100, B50, B20 B5 3000 8000 giọt với τvc = 5s, 107 Hình 4.17 Cặn B100, B50, B20 B5 3000 8000 giọt với τvc = 8s, 108 Hình 4.18 Cặn DO 3000 8000 giọt τvc = 5s, tbm=306oC 109 Hình 4.19 Nhiệt độ bề mặt cặn B100 DO, thời gian tồn giọt nhiên liệu 110 Hình 4.20 Nhiệt độ bề mặt cặn B100, B50, B20 B5 với τvc = 5s τvc = 8s 112 Hình 4.21 Lượng cặn DO, DO+1%L, DO+2%L TNCMH 116 Hình 4.22 Nhiệt độ bề mặt cặn TNCMH 117 Hình 4.23 So sánh giá trị α3 β3 118 Hình PL Kết thức nghiệm mơ hình TNCMH xác nhận chi cục tiêu chuẩn đo lường chất lượng Hải Phòng 24/PL Hình PL Hình dạng vị trí chốt nắp xi lanh 25/PL Hình PL Kích thước vị trí chốt động DY41DS 25/PL Hình PL Bản vẽ thiết kế mơ hình thử nghiệm TNCMH 26/PL Hình PL Bản vẽ chi tiết mơ hình thử nghiệm TNCMH 27/PL Hình PL Bản vẽ thiết kế két chứa nhiên liệu mơ hình thử nghiệm 28/PL Hình PL Hình ảnh mơ hình TNCMH bắt đầu trình thử nghiệm 29/PL Hình PL Hình ảnh mơ hình TNCMH có cặn 29/PL Hình PL Hình ảnh mơ hình TNCMH có cặn 30/PL Hình PL 10 Hình ảnh tồn mơ hình TNCMH 30/PL Hình PL 11 Hình ảnh trang thiết bị mơ hình TNCMH 31/PL Hình PL 12 Hình ảnh trang thiết bị mơ hình TNCMH 31/PL Hình PL 13 Hình ảnh tác giả thực thử nghiệm 32/PL Hình PL 14 Hình ảnh tác giả thực thử nghiệm phòng thí nghiệm 32/PL xiv Hình PL 15 Hình ảnh giảng viên nhà khoa học Bộ môn Máy tàu thủy chứng kiến trình thử nghiệm TNCMH 33/PL Hình PL 16 Hình ảnh sinh viên, giảng viên nhà khoa học Bộ mơn Máy tàu thủy chứng kiến q trình thử nghiệm TNCMH 33/PL DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Cặn hình thành piston động diesel khác Bảng 3.1 Sự ảnh hưởng số We đến chế phân rã [115] 62 Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật cảm biến WRET-01 66 Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật điều khiển nhiệt độ gia nhiệt cho piston 66 Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật nhiệt kế Beta 1760/IR 1600 67 Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật cân điện tử vi lượng ABS 220-4N 67 Bảng 3.6 Thơng số kỹ thuật kính hiển vi điện tử quét Jeol SEM 5410 LV 67 Bảng 3.7 Thông số camera Canon 70D 68 Bảng 3.8 Điều kiện thử nghiệm TNCMH 72 Bảng 3.9 Các thơng số động DY41DS 73 Bảng 3.10 Hệ số tương quan 76 Bảng 3.11 Kết kiểm định mơ hình hồi quy R TNCMH 77 Bảng 3.12 Kết kiểm định mơ hình hồi quy R TNCBC 80 Bảng 4.1 Điều kiện thử nghiệm TNCMH 87 Bảng 4.2 Hệ số α β nhiệt độ bề mặt vách khác 99 Bảng 4.3 Giá trị 𝛼2 β2 113 Bảng PL Kết phân tích nhiên liệu diesel (DO) 1/PL Bảng PL Kết phân tích dầu bơi trơn SAE 30 1/PL Bảng PL Kết phân tích Dodecane 2/PL Bảng PL Tính chất lý hóa nhiên liệu B100 (QCVN 1:2015/BKHCN) 2/PL Bảng PL Kết phân tích nhiên liệu B5, B10, B20 B50 3/PL Bảng PL Tính tốn We, v Lh 4/PL xv Bảng PL Kết thử nghiệm bay (TNBH) với nhiên liệu DO 5/PL Bảng PL Kết thử nghiệm bay (TNBH) với nhiên liệu DO+2%L 6/PL Bảng PL Kết thử nghiệm bay (TNBH) với nhiên liệu Dodecan 7/PL Bảng PL 10 Kết thử nghiệm bay (TNBH) với nhiên liệu B100 8/PL Bảng PL 11 Kết thử nghiệm bay (TNBH) với nhiên liệu B50 9/PL Bảng PL 12 Kết thử nghiệm bay (TNBH) với nhiên liệu B20 10/PL Bảng PL 13 Kết thử nghiệm bay (TNBH) với nhiên liệu B5 11/PL Bảng PL 14 Điều kiện thử nghiệm với TNCMH nhiên liệu 12/PL Bảng PL 15 Kết thử nghiệm tạo cặn TNCMH nhiên liệu DO 12/PL Bảng PL 16 Kết thử nghiệm tạo cặn TNCMH nhiên liệu 13/PL Bảng PL 17 Kết thử nghiệm tạo cặn TNCMH nhiên liệu 13/PL Bảng PL 18 Điều kiện thử nghiệm với TNCMH nhiên liệu DO 14/PL Bảng PL 19 Kết thử nghiệm tạo cặn TNCMH nhiên liệu DO 14/PL Bảng PL 20 Điều kiện thử nghiệm với TNCMH nhiên liệu B100, 15/PL Bảng PL 21 Kết thử nghiệm tạo cặn TNCMH nhiên liệu 15/PL Bảng PL 22 Nhiệt độ bề mặt cặn TNCMH nhiên liệu 17/PL xvi MỞ ĐẦU i Lý chọn đề tài Một nghiên cứu quan trọng việc sử dụng nhiên liệu động diesel nghiên cứu tạo cặn lắng buồng cháy động Quá trình tạo cặn lắng buồng cháy động tượng phức tạp gây nhiều vấn đề khác giảm hiệu suất, tăng lượng phát thải gây hư hỏng động diesel Do việc nghiên cứu chế hình thành phát triển cặn lắng buồng cháy động sử dụng nhiên liệu diesel truyền thống hay diesel sinh học cần thiết, điều giúp tìm biện pháp phù hợp nhằm ngăn ngừa hình thành cặn lắng, để đảm bảo việc sử dụng động lâu dài Các nghiên cứu cặn động tiến hành nhằm tìm hiểu tác động cặn đến động cách thức hình thành, phát triển chúng Hầu hết nghiên cứu cặn thực cách sử dụng kết thống kê từ khảo sát kiểm tra động thực Thử nghiệm động thực thực theo hai cách: thử nghiệm bệ thử thử nghiệm phương tiện Cả hai cách đòi hỏi thời gian dài khoảng cách di chuyển xa dẫn tới chi phí thử nghiệm cao thường gây hư hỏng cho động trình thử nghiệm cặn lắng Việc nghiên cứu xây dựng mơ hình thực nghiệm đơn giản hơn, tiết kiệm chi phí mà đáp ứng yêu cầu đặt khảo sát, kiểm tra hình thành cặn đánh giá yếu tố hình thành nên chúng cần thiết Những vấn đề đặt lý để NCS lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu chế hình thành phát triển cặn lắng buồng cháy động diesel” Luận án tập trung nghiên cứu chế hình thành phát triển cặn lắng buồng cháy động diesel thông qua thử nghiệm tạo cặn mơ hình vách buồng cháy thiết lập nhằm đánh giá ảnh hưởng yếu tố tiên (nhiệt độ bề mặt vách, loại nhiên liệu, …) đến tích tụ cặn lắng bề mặt vách buồng cháy xây dựng mơ hình tốn để tiên lượng xu hướng hình thành phát triển cặn lắng theo thời gian ii Mục tiêu đề tài a) Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu chế hình thành phát triển cặn lắng buồng cháy động diesel sử dụng số nhiên liệu phổ biến Việt Nam diesel diesel sinh học b) Mục tiêu lý thuyết xvii - Xác định phân tích yếu tố ảnh hưởng đến hình thành phát triển cặn lắng buồng cháy động diesel c) Mục tiêu thực nghiệm - Xây dựng mơ hình thực nghiệm xác định tạo cặn lắng bề mặt vách gia nhiệt; - Xây dựng mơ hình tốn để đánh giá xu hướng hình thành phát triển cặn lắng theo thời gian iii Đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài a) Đối tượng nghiên cứu: - Nhiên liệu diesel sẵn có thị trường Việt Nam: diesel diesel sinh học; - Một số loại động diesel cỡ nhỏ điển hình (kết cấu buồng cháy điều kiện làm việc); b) Phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu cơ chế hình thành cặn lắng giọt nhiên liệu lỏng tương tác với vách buồng cháy động diesel thơng qua mơ hình tạo cặn bề mặt vách gia nhiệt; - Dựa sở tượng vật lý (hóa hơi, lắng đọng,…), nghiên cứu tập trung vào chế hình thành cặn lắng bề mặt vách gia nhiệt xét đến tham số nhiệt độ thành phần nhiên liệu iv Phương pháp nghiên cứu đề tài - Nghiên cứu tổng quan cơng trình cơng bố gần giới liên quan đến chế hình thành phát triển cặn lắng buồng cháy động làm sở định hướng nội dung chi tiết nghiên cứu; - Nghiên cứu lý thuyết chế hình thành phát triển cặn lắng buồng cháy động cơ; - Nghiên cứu quy hoạch thực nghiệm để xây dựng đánh giá tính đắn mơ hình thực nghiệm Dùng lý thuyết thống kê để xây dụng mơ hình tốn mơ tả tiên lượng lượng cặn lắng hình thành theo thời gian; - Nghiên cứu thực nghiệm nhằm đánh giá yếu tố tác động đến chế hình thành phát triển cặn lắng xviii v Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài - Góp phần làm rõ chế hình thành phát triển cặn lắng buồng cháy động diesel sử dụng loại nhiên liệu khác có sẵn Việt Nam; - Từ kết nghiên cứu, xây dựng giải pháp tổng thể cho nhà sản xuất người vận hành để giảm thiểu lượng cặn lắng hình thành buồng cháy động vi Điểm luận án - Là nghiên cứu Việt Nam chế hình thành phát triển cặn lắng buồng cháy động diesel; - Xây dựng mơ hình thực nghiệm đơn giản tiết kiệm chi phí mà đảm bảo tính đắn việc xác định tạo cặn lắng buồng cháy động diesel; - Xây dựng mô hình tốn học mơ tả xu hướng hình thành phát triển cặn lắng buồng cháy động vii Bố cục luận án Mở đầu Chương Tổng quan vấn đề nghiên cứu Chương Cơ sở lý thuyết hình thành cặn lắng buồng cháy động diesel Chương Xây dựng mô hình tạo cặn bề mặt vách buồng cháy Chương Nghiên cứu thực nghiệm Kết luận Hướng phát triển Các cơng trình cơng bố Tài liệu tham khảo Phụ lục xix CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Cặn lắng buồng cháy động 1.1.1 Đặc điểm cặn lắng Cặn lắng (deposit) hay cặn lắng cacbon hỗn hợp không đồng gồm tro, soot chất hữu dạng keo [5][6] Nó bao gồm tạp chất cặn tích tụ chi tiết buồng cháy động nắp xilanh, piston, xupap, đầu vòi phun (Hình 1.1) [7] Hình 1.1 Cặn lắng vị trí khác buồng cháy Cặn lắng chi tiết khác động làm giảm hệ số dư lượng khơng khí, hạn chế lưu lượng khơng khí, tăng tỉ số nén, thay đổi đặc tính phun, kích nổ, giảm tính dẫn nhiệt hoạt tính chất xúc tác, tác động đáng kể đến hiệu suất động cơ, suất tiêu hao nhiên liệu, khởi động nguội, kích nổ lượng khí thải thông qua vấn đề khác Ye nêu [8] Ngoài ra, mảng cặn buồng cháy bám vào nấm xupap xả làm kẹt xupap ghi nhận Kalghatgi [9][10] Các lớp cặn bám bề mặt vách buồng cháy làm khó khởi động động cơ, gây kích nổ, gia tăng phát thải hydrocarbon chạy không tải rung giật [11][12] Xét mức độ hư hại cho động cơ, cặn bám chi tiết, đặc biệt đỉnh piston xilanh, gây kẹt xéc măng mài mòn, gây cản trở hoạt động bình thường động [13][14] Cặn sinh buồng cháy gây hư hại nghiêm trọng với động diesel buồng cháy thống làm việc chế độ tải thấp thời gian dài [15] Trên động đại, cặn buồng cháy làm tăng lượng HC chưa cháy trình hấp phụ giải hấp phụ (ngược q trình hấp phụ) khí lớp cặn xốp Lượng phát thải NOx tăng lên tác dụng cách nhiệt giữ nhiệt cặn, làm tăng nhiệt độ khí thể bên buồng cháy [16] Ngày nay, động đại, chi tiết có độ xác cao hệ thống phun nhiên liệu, ảnh hưởng cặn lắng đến đặc tính làm việc hệ thống rõ rệt Chỉ cần lượng nhỏ cặn lắng ảnh hưởng xấu tới tính làm việc động 1.1.1.1 Nguồn gốc cặn lắng Hai thành phần đóng góp nhiều vào việc tạo cặn buồng cháy nhiên liệu dầu bôi trơn Tuy nhiên, lượng cặn lắng phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác loại động cơ, chế độ làm việc vị trí buồng cháy Theo Lepperhoff cộng [17], vị trí cặn vùng nhiệt độ cao động chủ yếu quặng khống lại từ trình bay hay đốt cháy nhiên liệu dầu bôi trơn Các nghiên cứu khác cho kết khác lượng nhiên liệu dầu bôi trơn cặn Một số nghiên cứu khẳng định dầu bơi trơn ngun nhân cặn buồng cháy (CCD - Combustion Chamber Deposit) [18][19] Các thành phần dư lượng tro, vật liệu vô hydrocacbon có nguồn gốc từ dầu bơi trơn tìm thấy cặn chứng tỏ dầu bơi trơn tham gia vào trình tạo cặn Fukui cộng [20] nghiên cứu ảnh hưởng nhiên liệu dầu bôi trơn đến khối lượng CCD động xilanh, hai kỳ, cháy cưỡng chạy xăng iso-octan Hai mẫu dầu bôi trơn sử dụng gọi dầu bôi trơn A dầu bôi trơn B Kết thử nghiệm Hình 1.2 cho thấy ảnh hưởng dầu bơi trơn đến tích lũy CCD lớn so với hydrocacbon khơng bão hòa có nhiên liệu Hình 1.2 Ảnh hưởng nhiên liệu dầu bơi trơn đến lượng cặn tích lũy [20] Trong cơng trình khác, Diaby cộng [21] nghiên cứu cặn rãnh xéc măng động diesel bốn xilanh Khi phân tích thành phần hóa học cặn, tác giả thấy khơng có yếu tố liên quan đến thành phần nhiên liệu Nghiên cứu kết luận lượng cặn rãnh xéc măng động diesel chủ yếu cacbon hình thành phân hủy dầu bơi trơn với có mặt nguyên tố kim loại tìm thấy Trong nghiên cứu khác [22][23], soot tạo từ việc đốt cháy khuếch tán nhiên liệu diesel chiếm 20% cặn, lại thành phần có nguồn gốc từ dầu bôi trơn Trong số loại động diesel sử dụng nhiên liệu để bơi trơn, có xuất ion kim loại cặn [20] Nhiên liệu diesel ngày có chứa nhiều thành phần có tính axit axit béo, với mức độ chưa bão hòa khác thường sử dụng làm phụ gia bơi trơn nhiên liệu diesel Các axit sẵn sàng phản ứng với tạp chất kim loại nhiên liệu để tạo thành muối kim loại Theo Ullmann cộng [24], loại muối kim loại gắn liền với hình thành cặn đầu vòi phun lỗ phun Trong đó, Ra cộng [25] lại tập trung nghiên cứu hình thành soot cặn lắng vách xilanh trình phun nhiên liệu (giả thuyết đỉnh piston, nắp xilanh phần ống lót xilanh tiếp xúc với khí cháy) Tác động dòng chảy rãnh xéc măng bay dầu bôi trơn động diesel khảo sát thơng qua mơ hình cháy, hình thành soot, trình bay tạo cặn Kết nghiên cứu cho thấy có lượng soot đáng kể lắng đọng khe hở rãnh xéc măng, nhiên liệu hydrocacbon đóng vai trò quan trọng việc hình thành cặn bề mặt rãnh xéc măng Hình 1.3 Lượng kẽm hấp thụ phụ gia dầu bôi trơn [26] Về ảnh hưởng nhiên liệu đến tạo cặn vòi phun, Leedham cộng [25] cho với lượng nhỏ kim loại ảnh hưởng đến chế hình thành cặn Kết thử nghiệm động nghiên cứu nhiên liệu gốc khơng định hình thành cặn Tuy nhiên, có tham gia lượng nhỏ kẽm lượng cặn hình thành đáng kể Các chất phụ gia dạng este không ảnh hưởng đến nồng độ kẽm có nhiên liệu, chất phụ gia bơi trơn dạng axit có ảnh hưởng đến hấp thụ kẽm (Hình 1.3) Chì (Pb) kẽm (Zn) kim loại dễ bị hấp thụ vào nhiên liệu, kim loại khác không phát [20] Khi nghiên cứu ảnh hưởng nhiên liệu tới việc hình thành cặn, Ebert [27] cho nhiên liệu cháy không hết, kết hợp với dầu cácte bị oxi hóa lắng đọng để hình thành cặn dạng bùn Nghiên cứu Cloud cộng [28] cho lưu huỳnh chuyển thành lưu huỳnh triơxít thâm nhập vào dầu bơi trơn để tạo cặn dạng bùn cuối sản sinh cặn dạng sơn (lacquer) dạng vecni (varnish) Như vậy, từ nghiên cứu cơng bố, thấy có nhiều yếu tố nhiên liệu dầu bơi trơn tham gia q trình tạo cặn buồng cháy 1.1.1.2 Cấu trúc cặn lắng Cấu trúc cặn phụ thuộc nhiều thông số thành phần nhiên liệu, nhiệt độ làm việc động thành phần chất phụ gia nhiên liệu [29] Cấu trúc xốp cặn thúc đẩy chế lưu trữ nhiên liệu đóng vai trò quan trọng mức độ phát thải HC [8] Hơn nữa, khối lượng cặn có mối liên hệ mật thiết với lượng phát thải HC đề cập lý thuyết Eilts [15] Như vậy, đặc tính cặn có tác động trực tiếp đến hiệu ứng khác buồng cháy thay đổi truyền nhiệt phát thải HC Tùy theo nhiệt độ vị trí hình thành, cặn có cấu trúc khác Nagao cộng [30] cho lượng hình thái cặn thay đổi theo nhiệt độ vách buồng cháy Nếu nhiệt độ vách cao (> 550oC), lớp cặn hình thành mỏng, mềm, khơ dễ bong nên bị thổi lực đẩy dòng khí thể buồng cháy Về thành phần, cặn trường hợp chủ yếu cacbon Ở nhiệt độ thấp ( 300oC), lượng cặn nhỏ có màu sắc khó quan sát tạo lớp cặn mỏng đặc trưng Tuy nhiên, mức nhiệt độ thấp (1 (trong Langmuir xem xét Rec 4): trạng thái tương tác giọt nhiên liệu không phụ thuộc vào đặc tính hình học bề mặt vách độ dày lớp màng Sự hình thành màng lỏng nhiên liệu gây tương tác phức tạp chùm tia phun với lớp chất lỏng, lớp chất lỏng tác động đến số lượng lớn tính chất q trình tương tác chùm tia phun với vách bao gồm đặc tính giọt thứ cấp bắn tóe nhiên liệu Các nghiên cứu thực nghiệm lớp màng nhiên liệu dày trạng thái bắn tóe giọt nhiên liệu thứ cấp mạnh hơn, ngược lại giọt thứ cấp tiếp xúc với bề mặt vách khơ khơng xảy bắn tóe Yarin Weiss [62] nghiên cứu tác động phân rã giọt nhiên liệu đến lớp màng lỏng nhiên liệu thông qua xây dựng mối qua hệ tương quan vận tốc Ucr giọt với tính chất nhiên liệu tần suất va chạm f giọt với vách: 27 𝜎 0.25 𝑈𝑐𝑟 ≫ 18 ( ) 𝜗8 𝑓 𝜌 (2.14) (trong đó: 𝜗 độ nhớt động học, 𝜌 khối lượng riêng nhiên liệu) Khi kích thước giọt nhiên liệu đơn tính biểu thức: 𝐾𝑐𝑟 = 𝑊𝑒 𝑂ℎ−0.4 ≫ (2.15) Do đó, giả định nhóm khơng thứ ngun hợp hạt đơn kiểm sốt bắn tóe giọt đơn mà có ảnh hưởng đến màng lỏng nhiên liệu tồn trước Khi lượng bắn tóe thỏa mãn u cầu kết hợp số khơng thứ nguyên Weber (We) Ohnesorge (Oh) phù hợp để định lượng điều kiện phân rã giọt tác động lên bề mặt vách ướt Cossali cộng [63] thiết lập tiêu chuẩn cho bắn tóe giọt nhiên liệu tương tác lớp màng lỏng nhiên liệu tồn sẵn: 𝐾𝑐𝑟 = 2100 + 5880𝛿 1.44 (2.16) Với 0,1 < 𝛿 < 1; 10−3 < 𝑂ℎ; Rs = 5.10-5 Trong nghiên cứu gần Motzkus cộng [64], phương trình điều chỉnh sau: hệ số 5880 thay 2000, để phù hợp với liệu thực nghiệm Tương tự vậy, Rioboo [65] tiến hành nghiên cứu bắt đầu bắn tóe giọt nhiên liệu tương tác với bề mặt vách ướt Kết thực nghiệm thu cho thấy phụ thuộc vào thông số: chiều dày lớp màng lỏng không thứ nguyên (𝛿) tham số K Tiêu chuẩn chuyển đổi cho phân rã giọt đề xuất Kcr = 2100 phù hợp với phương trình 2.16 chất lỏng có độ nhớt thấp Tuy nhiên, theo Vander Wal cộng [60], ranh giới phân định vùng bắn tóe vùng khơng bắn tóe giọt tương tác với lớp màng mỏng chất lỏng bao phủ bề mặt vách thể qua mối quan hệ sau: 𝑊𝑒 0,585 𝑂ℎ−0,17 = 63 (2.17) Các kết nghiên cứu khẳng định hình thành màng lỏng nhiên liệu bề mặt vách gây thay đổi đáng kể đến đặc tính bắn tóe giọt tương tác với vách Tuy nhiên, có số nghiên cứu khẳng định ranh giới bắn tóe hay khơng bắn tóe giọt tương tác khơng có quan hệ với độ dày màng lỏng hình thành bề mặt vách Mặt khác, nghiên cứu Huang Zhang [66] kích thước giọt chiều dày lớp màng lỏng có tác động đến trạng thái giọt nước nhiên liệu tương tác với vách Nghiên cứu Cossali cộng [63] khẳng định 28 có thay đổi đáng kể trạng thái giọt tương tác lớp màng mỏng chất lỏng mỏng Dựa kết cơng bố trên, phương trình tiêu chuẩn chuyển đổi đề xuất để thiết lập mối quan hệ We Oh với chiều dày lớp màng mỏng chất lỏng bề mặt vách: 𝑊𝑒 0,375 𝑂ℎ−0,25 = 25 + 7𝛿 1,44 (2.18) Ngoài ra, phương pháp khác đề xuất nghiên cứu Bai Gosman [67], họ cho chiều dày lớp màng lỏng bề mặt vách không ảnh hưởng tới lắng đọng bắn tóe giọt chất lỏng Thay vào đó, họ đề xuất tiêu chuẩn thông qua cập nhật số thực nghiệm đánh gia tương tác giọt chất lỏng bề mặt vách khô giả định tương tác lớp màng lỏng điều kiện bề mặt qua độ nhám bề mặt: 𝑊𝑒 𝑂ℎ−0.366 = 1320 (2.19) Rõ ràng quan điểm cần phải cân nhắc xem xét cẩn thẩn độ dày màng lỏng tác động đến độ nhám bề mặt vách Bảng 2.1 tóm tắt tiêu chuẩn chuyển tiếp tương tác giọt bề mặt vách ướt thiết lập từ nghiên cứu trước Bảng chia thành hai phần: phần thể phương trình theo hệ số K tổng quát, phần hai thể ngưỡng phân rã khác tương ứng với hệ số thực nghiệm số không thứ nguyên We Oh khác Bảng 1: Tiêu chuẩn chuyển tiếp vùng phân rã giọt tương tác với vách ướt Thông số K 𝐾𝑐𝑟 = 𝑊𝑒 𝑂ℎ−0.4 Tác giả Kết thực nghiêm Cossali 𝐾𝑐𝑟 = 2100 + 5880𝛿 1.44 Motzkus 𝐾𝑐𝑟 = 2100 + 2000𝛿 1.44 Rioboo 𝐾𝑐𝑟 = 2100 Okawa 𝐾𝑐𝑟 = 2100 Bai and Gosman 𝑊𝑒 𝑂ℎ−0.366 = 1320 Thông số K hiệu chỉnh ∗ 𝐾𝑐𝑟 = 𝑊𝑒 𝑎 𝑂ℎ𝑏 29 Vander Wal 𝑊𝑒 𝑂ℎ−0.290 = 1190,7 Huang and Zhang 𝑊𝑒 𝑂ℎ−0,667 = (25 + 7𝛿 1,44 )2,667 Tuy nhiên, việc sử dụng tiêu chuẩn cần phải thận trọng số liệu đưa tác giả phù hợp với điều kiện phạm vi định Do đó, việc liệt kê kết nghiên cứu cung cấp cơng cụ khách quan để so sánh phương pháp tiếp cận khác Khi vận tốc giọt tương tác tương đối thấp giọt bám dính vào vách nẩy lại thân lượng cuối giai đoạn lan rộng lớp chất lỏng Các tiêu chuẩn chuyển tiếp đề xuất Bai Gosman [67] thể ranh giới bám dính/nẩy lại với We = nẩy lại/lan rộng với We = khảo sát giọt nước tương tác bề mặt vách ướt Tuy nhiên, sau tác giả hiệu chỉnh số We lên tới 20 cho trình chuyển đổi nẩy lên lan rộng xét đến tác động giọt tương tác trước Stanton Rutland [23] có phương pháp tiếp cận tương tự kết thu có khác biệt nhỏ: We = chuyển tiếp bám dính/nẩy lên We = 10 chuyển tiếp nẩy lên/lan rộng Theo Rioboo cộng [65] nẩy lên thúc đẩy gia tăng sức căng bề mặt chất lỏng góc tiếp xúc giọt với bề mặt vách Trong đó, Sommerfeld Huber [68] kết luận độ nhám bề mặt vách làm thay đổi chế nẩy lên hạt Tuy nhiên, vấn đề thực có ảnh hưởng đến trạng thái tương tác giọt với bề mặt vách mà chế lan rộng bắt đầu chế kết thúc tức mà bề mặt vách không tồn tồn lớp màng lỏng hay điều kiện bề mặt vách khơ 2.1.2.2 Sự hình thành màng lỏng nhiên liệu vách gia nhiệt Xét tương tác chùm tia phun với vách gia nhiệt hiệu ứng nhiệt tác động đến chế thủy động giọt tương tác Giọt được gia nhiệt khí nóng bề mặt vách, nhận nhiệt nóng lên Khi trao đổi nhiệt xảy ra, khối lượng chất lỏng giảm dần trình bay diễn vùng khí nóng bề mặt vách Các đặc điểm trình chuyển pha ảnh hưởng lớn đến chế tương tác giọt với vách Nếu khối lượng giọt chất lỏng khơng bay hồn tồn q trình rơi vùng khí nóng phần giọt tương tác với bề mặt vách nóng, chế truyền nhiệt 30 xảy Trong phạm vi nghiên cứu đề tài, lý thuyết hai chế bay tương tác với vách gia nhiệt tập trung nghiên cứu chủ điểm: 1) Cơ chế truyền nhiệt xảy hạt chất lỏng lắng xuống bề mặt vách gia nhiệt 2) Sự bay giọt phân tán mơi trường khí nóng Cơ chế truyền nhiệt: Theo lý thuyết sôi cổ điển Dhir [69], Rein [70], Faghri Zhang [71], trình sôi (đường cong sôi) giọt chất lỏng rơi, tương tác với bề mặt vách gia nhiệt nằm ngang bao phủ lớp chất lỏng liên tục có giai đoạn khác nhau: 1) sơi đối lưu tự nhiên, 2) sôi bên giọt, 3) sôi chuyển tiếp 4) sôi màng Đường cong sôi thời gian tồn giọt chất lỏng thể Hình 2.1 Hình 2.1 Sự sơi thời gian tồn giọt chất lỏng [72] Ở vùng I, nhiệt độ nhiệt độ bão hòa chất lỏng khơng có dạng bong bóng Cơ chế truyền nhiệt đối lưu tự nhiên, khơng thay đổi pha Khi nhiệt độ bề mặt nâng lên (trên nhiệt độ bão hòa), hệ thống vào giai đoạn sôi bên giọt (vùng II) Điều kèm với xuất bong bóng vị trí định (thường xác định vị trí bên trong) gia tăng mật độ dòng nhiệt đạt thơng lượng nhiệt tới hạn Khi đạt tới cực đại đường cong sôi, giai đoạn sôi chuyển tiếp bắt đầu diễn (vùng III) Từ thời điểm này, tốc độ bong bóng sinh vượt tốc độ tạo bong bóng tách từ bề mặt vách gia nhiệt Các bong bóng hình thành gần vách, sau di chuyển lên thông qua chế để bắt đầu hợp tạo thành màng vùng tiếp giáp pha lỏng-rắn Điều làm giảm diện tích tiếp xúc, tạo lớp cách nhiệt 31 cản trở mật độ dòng nhiệt hai pha lắng đọng cục nhiệt độ Leidenfrost Kết nhiệt độ bề mặt tăng thời gian bay tăng lên mật độ dòng nhiệt giảm Một đặc điểm khác giai đoạn trạng thái không ổn định màng dẫn đến bong bóng vỡ khỏi bề mặt, bùng nổ vùng tiếp giáp pha khí - lỏng dẫn đến hình thành giọt nhỏ Khi nhiệt độ vách gia nhiệt đến mức độ đủ lớn để trì màng ổn định, giọt lúc tách hoàn toàn khỏi bề mặt vách Điểm - gọi điểm nhiệt độ Leidenfrost - đánh dấu khởi đầu giai đoạn sôi màng (vùng IV) đặc trưng giá trị thông lượng nhiệt cực tiểu Sự truyền nhiệt diễn chủ yếu cách truyền qua màng Do đó, nhiệt độ bề mặt vách tăng lên, mật độ dòng nhiệt tăng cường gradient nhiệt chất lỏng bề mặt cao Theo lý thuyết này, Bai Gosman [67] bổ sung thêm hai nhiệt độ đặc trưng: nhiệt độ vùng bám dính (xét cho vùng bên giọt tương tác, giọt có bám dính với phần chất lỏng bên có lượng tương tác thấp); nhiệt độ vùng nẩy lên (xét cho vùng giọt tương tác, giọt tương tác đẩy lên lượng tương tác thấp) Mặt khác, giả thuyết đơn giản Naber Farrel [73] đề xuất kết hợp chế truyền nhiệt với chế thủy động học Hai vùng (I II) có nhiệt độ thấp (tức giai đoạn sôi đối lưu sơi bên nhân) có liên quan đến chế làm ướt, giai đoạn sôi màng liên quan đến chế không ướt Trong chế độ chuyển tiếp, tiếp xúc giọt bề mặt giả định khơng liên tục Hình 2.1 thể định tính đường cong sôi thời gian tồn giọt, đồng thời cho thấy ranh giới vùng chế truyền nhiệt Tuy nhiên, giá trị định lượng (như giá trị xác Tcr, Tsat, TLeid) phụ thuộc vào tính chất q trình tương tác [74] Nếu xét cho giọt nhiên liệu tự bốc cháy nên xem xét đến nhiệt độ nhiệt độ bề mặt vách cao [70] Các nghiên cứu trước khẳng định rằng: đường cong sôi chất lỏng, nhiệt độ Leidenfrost xem điểm nhiệt độ nhạy cảm Trái ngược với nhiệt độ bão hòa, nhiệt độ Leidenfrost nhạy cảm với điều kiện tương tác, đặc tính hình học bề mặt [75], tính chất chất lỏng [76], góc tương tác [77] áp suất xung quanh [78] Cơ chế bay hơi: Godsave Spalding [79] người đề xuất mơ hình bay dựa nguyên tắc D2 cho giọt đơn Kể từ đó, lý thuyết nhiều tác giả xem xét [80][81] chủ yếu dành riêng cho việc nghiên cứu động lực học 32 giọt đơn Mặt khác, Abramzon Sirignano [82] mở rộng phạm vi ứng dụng cách đề xuất mơ hình bay giọt phun Các tác giả chứng minh hiệu ứng đối lưu thông số có liên quan để xem xét Trong đó, nhiều nghiên cứu so sánh trực tiếp kết tính tốn phép đo thực nghiệm với mức tương quan tốt [83], hay kết nghiên cứu Barata [84] bay nhiên liệu sinh học Tuy nhiên, hầu hết nghiên cứu gần quan tâm nhiều đến vấn đề liên quan đến gia nhiệt tức thời bề mặt thống phía vách [85] phân bố nhiệt độ bên hạt [86] [87] dọc theo bề mặt [88] Các nghiên cứu thực với chất lỏng khiết (đơn thành phần) Tuy nhiên, hầu hết nhiên liệu sử dụng động chất lỏng đa thành phần phức tạp Trên thực tế, xăng dầu nhiên liệu sinh học chứa hàng trăm thành phần hóa học khác Nếu xét đến tất thành phần nhiên liệu tham vọng để đạt mục tiêu nghiên cứu chế bay Tuy nhiên, nghiên cứu Long cộng [89] theo giá trị nhiệt khối lượng quan sát trình bay nhiên liệu cụ thể cách sử dụng mơ hình hợp chất bao gồm số lượng tương đối nhỏ thành phần Phân tích bay chất lỏng đa thành phần trở thành chủ đề quan tâm nhà nghiên cứu Ví dụ, Bhattacharya [90] tiến hành nghiên cứu lý thuyết nhiên liệu hydrocacbon hai thành phần mơi trường khí xung quanh nhiệt độ cao, Maqua [87] đo phân bố nhiệt độ giọt hai thành phần điều kiện nhiệt khác Gần hơn, Strotos [91] đề xuất mơ hình số chất lỏng hydrocacbon hai thành phần nhỏ lên bề mặt vách gia nhiệt xác nhận dựa liệu thực nghiệm Các nghiên cứu gần xét thêm thơng số điều kiện dòng chảy, nhiệt độ nồng độ nhiên liệu nghiên cứu chế bay nhiên liệu đa thành phần Mặt khác, Sazhin tiến hành nghiên cứu thực nghiệm mô hình bay giọt đa thành phần dựa giải pháp phân tích dẫn nhiệt khuếch tán chất lượng chất tùy ý [85] Gần đây, xu hướng tiếp tục phát triển số nhóm nghiên cứu khác, nghiên cứu [92][93][93] bổ sung làm rõ chế bay giọt nhiên liệu đa thành phần Lee Ryu [94] đề xuất sơ đồ tổng quát thể chế độ tương tác điều kiện chuyển tiếp với mức nhiệt bề mặt vách khác thông qua mối quan hệ số We nhiệt độ bề mặt vách gia nhiệt Tw (Hình 2.2) 33 Hình 2.2 Mối quan hệ We TW [77] Theo nghiên cứu Wachters Westerling (1966) ranh giới chế tương tác giọt chất lỏng với bề mặt vách gia nhiệt 400K tùy thuộc vào số We, giọt tương tác nẩy lên số We < 30, giọt bị phá vỡ trải rộng bề mặt We > 80 Tiếp sau đó, nghiên cứu Naber Farrel [73] thực nhỏ giọt chất lỏng lên bề mặt vách kim loại gia nhiệt mức độ khác nhau, nhiệt độ bề mặt vách thuộc vào khoảng nhiệt độ từ điểm bão hòa chất lỏng đến nhiệt độ Leidenfrost cho thấy có tương quan đơn giản We TW Các tác giả kết luận giọt chất lỏng bị phá vỡ môi trường gia nhiệt ứng với We = 24 2.1.3 Lý thuyết chế hình thành soot Cơ chế hình thành soot lửa vấn đề nhiều nhà nghiên cứu lý thuyết cháy quan tâm năm qua Những tiến đáng kể thực từ năm 1970 áp dụng kỹ thuật chuẩn đoán nghiên cứu Các kỹ thuật cho phép đo số lượng lớn khối lượng hợp chất cao phân tử, ion gốc hydrocacbon không ổn định, chất vốn coi tiền tố hình thành hạt soot, đặc biệt hạt soot có đường kính nhỏ khoảng 10Å Kỹ thuật quang học lấy mẫu chùm phân tử kết hợp với phân tích phổ khối phương pháp phổ biến [95][96] Mặc dù hầu hết nghiên cứu thực với lửa trộn trước áp suất thấp nhiều so áp suất động diesel mơ hình thực nghiệm Kết thực nghiệm bao gồm kích thước cấu trúc vi mô hạt soot tạo ra, ảnh hưởng định tính thay đổi tỷ số cân cục bộ, nhiệt độ, áp suất ảnh hưởng chất phụ gia halogen kim loại kiềm Điều dẫn đến giả định chế hình thành soot tương tự động thực mơ hình thực nghiệm Tuy nhiên, nghiên 34 cứu gần hình thành soot hỗn hợp khí propan trộn trước giàu soot buồng cháy áp suất cao (0,45-1,0 MPa) bình thể tích khơng đổi cho thấy có nhiều khác biệt rõ rệt [95] Sự mâu thuẫn kết nghiên cứu với nghiên cứu lửa phòng thí nghiệm phân tích Cơ chế hình thành soot từ pha lửa động diesel mô tả sơ Hình 2.3 Soot dạng khối cầu gồm nhiều hạt hình cầu riêng lẻ xilanh động diesel, trong lửa trộn trước, dạng hình học tồn hạt hình thành thường chuỗi mạch tổng hợp Các mạch hình thành trình tổng hợp, với thời gian cư trú khoảng 100 ms Thời gian cư trú tương đối ngắn (1-10 ms) [97] với phát triển ban đầu kết tụ nhanh áp suất tốc độ hòa trộn cao Sự hình thành hạt phản ứng trùng hợp cacbon hóa giọt chất lỏng ghi nhận thí nghiệm [98] Nếu thiết bị phun nhiên liệu điều chỉnh cách, đóng góp chế pha lỏng vào tổng lượng phát thải hạt động diesel (ngoại trừ tải nhẹ) khơng đáng kể Với q trình hình thành soot mơ tả Hình 2.2, q trình phá vỡ soot đồng thời xảy khu vực lửa có chất oxy hố Như Fenimore Jones [99] nhận định, điều quan trọng hệ thống lửa trộn trước giàu nhiên liệu Chúng đóng vai trò lớn động diesel, thường hoạt động tốc độ cân tổng thể Tạo thành hạt Nhiệt phân •Phát triển bề mặt • Sự kết tụ Sự thiêu kết Hình 2.3 Cơ chế hình thành hạt soot buồng cháy Khi nghiên cứu chế hình thành soot động diesel, phân tử nhiên liệu điển hình có từ 12-22 ngun tử C tỉ lệ H/C khoảng Do đó, hình thành hạt soot điển hình có chứa khoảng 105 ngun tử cacbon có tỉ lệ H/C khoảng 0,1 Các nguyên tử cacbon tập hợp lại thành mảng hình lục giác, gọi tiểu cầu [100] Như minh họa Hình 2.4, khoảng cách lớp trung bình 3,55Å, lớn chút so với thể graphite Các tiểu cầu xếp thành 35 lớp để hình thành tinh thể Thơng thường có 2-5 tiểu cầu tinh thể 103 tinh thể xếp có trật tự hạt soot hình cầu [101] Các tinh thể xếp theo kiểu turbo tĩnh, với mặt phẳng song song với bề mặt hạt Cấu trúc turbo tĩnh đặc trưng than chì nhiệt phân cho nguyên nhân cản trở lớn bất thường tới oxi hóa Trong thời gian cư trú dài, hạt soot hình cầu kết tụ thành chuỗi mạch C phân nhánh khơng phân nhánh Hình 2.4 Cấu trúc hạt cacbon[101] Sự phân hủy nhiệt Với hầu hết hydrocacbon, phân hủy xếp lại phân tử nguyên tử phân tử nhiên liệu xảy trước hình thành soot Các trình thường dẫn đến hydrocacbon bão hòa, có khối lượng phân tử thấp gốc, chúng thường gọi pyrolytic, đặc biệt chúng diễn mơi trường khơng có oxy Các phản ứng nhiệt phân nói chung phản ứng thu nhiệt, tốc độ phản ứng phụ thuộc nhiệt độ Sự phân hủy thường diễn chế gốc tự do, dù nồng độ O, O2 OH nhỏ làm tăng đáng kể q trình bổ sung cho hình thành gốc tự thơng qua phản ứng phân nhánh Sự tạo mầm hay tạo hạt Sự tạo mầm trình hình thành soot liên quan đến hình thành phơi phát triển nhanh phản ứng phân hủy phản ứng khác Do đó, tiền chất hidrocarbon cho hạt nhân soot phải đủ ổn định để chống lại cân nhiệt độ cao hệ thống đốt, phản ứng đủ để tính đến tốc độ mà hạt soot hình thành (thời gian đặc trưng ≤ 1𝑚𝑠) Glassman [102] Thomas [103] đề xuất cấu trúc liên hợp cực cho tiền tố trực tiếp trình tạo mầm Các phân tử nhiên liệu từ chất liên hợp cực hình thành cách trực tiếp, chẳng hạn chất thơm, nên tốc độ tạo hạt nhanh Sự phát triển soot Sự phát triển soot bổ sung khối lượng vào hạt soot (sau nhân soot hình thành) phản ứng với phân tử nhiên liệu giai đoạn khí Cũng phát triển hạt nhân soot, hidrocarbon giai đoạn phản ứng chủ yếu axetilen, polyme có khối lượng phân tử cao bổ 36 sung nhiều polyme có khối lượng nhỏ [96] Các polyaxetilen nhỏ trải qua trình trùng hợp nhiều hơn, chế nêu phần trước (hình thành nhân) Do kết hợp ưu polyme lớn hơn, tỷ lệ H/C hạt soot (ban đầu ~ 0,4 đường kính 15Å) giảm xuống giá trị phát triển Điều cho thấy hầu hết polyaxetilen thêm vào phải có khối lượng phân tử cao trình tách H diễn Sự kết tụ Các hạt soot nhỏ, hạt phát triển thông qua bổ sung từ pha khí, thể qua hợp Do mật độ hạt soot thấp so với hidrocacbon pha khí giai đoạn phát triển, nên làm tăng đường kính trung bình hạt giai đoạn [104] Khi kết tụ xảy hạt nhanh chóng tạo thành dạng hình cầu Quá trình hạt soot nhỏ hình cầu hình thành hạt hình cầu lớn hơn, gọi hợp Sự kết tụ, diễn hạt nhỏ có tốc độ phát triển cao Như đề cập phần trước, điều xảy với hạt có đường kính 100Å áp suất thấp hệ thống trộn trước Khi tốc độ tăng trưởng chậm suy giảm hidrocacbon pha khí tính hoạt động hạt, hợp dẫn đến chuỗi hạt soot hình cầu Q trình này, đòi hỏi mơ tả tốn học khác với động tụ gọi tập hợp Sự thiêu kết Sau trình phát triển hạt, chúng tiếp tục thiêu kết hạt soot dạng cầu dẫn đến hình thành chuỗi Thực tế cho thấy cấu trúc khơng tìm thấy loại soot lấy mẫu buồng cháy động diesel trình cháy động diesel diễn ngắn để trình hình thành soot hồn thành Wersborg cộng [104] nhận thấy khoảng 20% hạt khu vực xảy thiêu kết tác nhân Chúng tác nhân nằm chuỗi hạt, cho biết hình dạng cụm giống tác nhân cụ thể Do khơng có tăng trưởng [105] tạo nhân trình thiêu kết, tốc độ thiêu kết tỉ lệ thuận với bình phương mật độ hạt Sự oxi hóa Sự oxi hóa hạt soot, nhân tiền tố xảy vùng lửa nơi mà chất oxi hóa diện Fenimore Jones [106] giải thích xâm nhập phát thải soot từ lửa khuếch tán trộn trước xét đến tranh chấp kết tụ oxi hóa OH Q trình chiếm ưu giả định để kiểm soát tranh chấp OH CO hạt soot kết tụ Với giả định gốc OH hướng tới 37 di chuyển phân tử C từ hạt soot 10 lần va chạm, chúng xuất phát từ tiêu chí cho phát thải soot 2.1.4 Giả thuyết chế hình thành cặn lắng buồng cháy động 2.1.4.1 Giả thuyết thứ a, Nội dung giả thuyết Từ kết luận rút từ nghiên cứu trước xây dựng mơ hình trình hình thành cặn lắng buồng cháy động Cơ chế đề xuất trình bày Hình 2.5, lửa phía trước gần vách buồng cháy động vào thời điểm cuối chu trình, bắt đầu nhiệt truyền cho nguồn lạnh, làm chậm tốc độ phản ứng ngăn không cho lửa lan truyền xung quanh để tới vách buồng cháy Kết lượng hỗn hợp mơi chất nhiên liệu khơng khí khu vực lửa tắt tức thời không đủ nhiệt độ cao để q trình oxi hóa xảy hồn tồn Các phản ứng cháy khơng hồn tồn dẫn tới sản phẩm cháy thu sản phẩm bay thấp, hidrocacbon bị oxi hóa phần chúng có khả ngưng tụ bề mặt vách chúng coi tiền tố cặn Như Hình 2.6, khu vực có tiền tố cặn hình thành khơng phải khu vực liền kề bề mặt vách mà có khoảng cách nhỏ với vách để nhiệt độ đủ cao cho số phản ứng diễn Mật độ dòng nhiệt khuếch tán đối lưu mang tiền tố cặn khỏi khu vực chúng hình thành, vào tận khí bên trong, nơi chúng có khả bị oxi hóa thành sản phẩm cháy cân hướng tới bề mặt vách, nơi mà chúng ngưng tụ Nếu lượng tiền tố cặn đủ để hình thành thơng qua phản ứng oxi hóa phần vận chuyển đến bề mặt vách, áp suất riêng chất vách vượt áp suất nhiệt độ vách, cho phép ngưng tụ diễn Ngược lại chất ngưng tụ vách lớp cặn khơng liên kết hóa học với phần cặn lại, hóa áp suất riêng phần pha khí thấp áp suất Mơ hình giả sử giai đoạn đầu hình thành cặn lắng, cách quan sát tiền tố cặn bao gồm giọt chất lỏng gần hình cầu với đường kính khoảng 10µm, cho thấy ảnh hưởng mạnh mẽ sức căng bề mặt Những chất giữ lại vách qua nhiều chu trình làm việc động tiếp xúc với lửa buồng cháy để trải qua phản ứng trở thành phần cấu trúc cặn dạng polyme Khi cặn tiếp tục phát triển theo cách này, hoạt động lớp cách nhiệt làm tăng nhiệt độ bề mặt phân tử khí tỉ lệ ngưng tụ trở lên thấp để tạo phát triển cặn lắng vượt tốc độ loại bỏ cặn 38 Hình 2.5 Giả thuyết chế hình thành cặn lắng buồng cháy [14] Bên cạnh số q trình khác góp phần vào hình thành cặn vách, hấp thụ phản ứng không đồng Mặc dù hiệu ứng khơng xét đến mơ hình này, dựa chứng thực nghiệm cho thấy ngưng tụ đóng vai trò chế hình thành cặn lắng, bên cạnh khơng có chứng tương ứng cho thấy hấp thụ phản ứng khơng đóng góp vào hình thành cặn buồng cháy Mơ hình khẳng định hình thành cặn buồng cháy phụ thuộc vào bốn trình: hình thành tiền tố cặn từ thành phần nhiên liệu oxy khu vực lửa tắt tức thời, ngưng tụ bay tiền tố cặn vách buồng cháy bề mặt lớp cặn phản ứng trùng hợp bên cấu trúc lớp cặn Sự cân động trình này, với xuất liên tiếp q trình loại bỏ cặn theo chế hóa học học xác định lượng tỉ lệ cặn từ loại nhiên liệu cụ thể điều kiện hoạt động cụ thể động b, Mơ hình khơng thứ ngun thơng số đặc trưng Sự hình thành loại bỏ cặn lắng buồng cháy thực tế có liên quan đến từ mười đến hàng trăm chất hóa học tương tác vùng tắt lửa gần với vách động điều kiện dòng rối thay đổi nhanh Tuy nhiên thông số đặc trưng bắt nguồn từ mô hình đơn giản nhiều mơ tả tồn q trình Loại phân tích giúp làm rõ mối quan hệ mô tả phần trình vật lý khác góp phần vào việc hình thành cặn, từ mang đến cho nhìn sâu sắc q trình mà bị chi phối điều kiện khác [14] 39 Hình 2.6 Mơ hình chiều [14] Nếu xem xét chất khuếch tán phản ứng cách đơn lẻ (ví dụ tiền tố cặn có khối lượng phân tử cao tạo q trình oxi hóa phần nhiên liệu chưa cháy) lớp lửa bị dập tắt gần với vách lạnh động nơi mà xảy ngưng tụ bay hơi, q trình mơ tả gần phương trình (giả định đối lưu không đáng kể)[14]: 𝜕𝑃𝑖 𝜕 𝑃𝑖 = 𝐷𝑖 − 𝑘𝑟,𝑖 (𝑥, 𝑡 )𝑃𝑖 + 𝑘𝑓,𝑖 (𝑥, 𝑡) 𝜕𝑡 𝜕𝑥 (2.27) Trong Pi áp suất riêng phần chất i, Di hệ số khuếch tán chất i vào hỗn hợp xung quanh (ở giả định độc lập với vị trí), kf, kr số tỉ lệ để hình thành loại bỏ chất, chúng phụ thuộc vào vị trí thời gian x tọa độ khơng gian vng góc với bề mặt vách buồng cháy (hệ thống giả định chiều Hình 2.5) Các điều kiện biên phù hợp cho phương trình tất gradient tiến không khoảng cách lớn so với vách (nghĩa khí cháy trung tâm), với điều kiện biên dòng chất lỏng ngưng tụ hóa vách buồng cháy, sử dụng mối quan hệ Clasius-Clapeyron áp suất hóa chất nhiệt độ T: −∆𝐻𝑣 1 𝜕𝑃𝑖 ( − ) 𝐷𝑖 = 𝑘𝑐 (𝑃𝑣,𝑖 (𝑇) − 𝑃𝑖 ) = 𝑘𝑐 (𝑃𝑣,𝑖 (𝑇)𝑒 𝑅 𝑇 𝑇0 − 𝑃𝑖 ) 𝜕𝑥 (2.28) Trong kc số tỉ lệ ngưng tụ hóa hơi, Pv,i(To) áp suất chất i nhiệt độ To, ∆𝐻𝑣 /𝑅 nhiệt hóa chất theo nhiệt độ Kelvin (cũng 40 To) T nhiệt độ vách Các phương trình cần bổ sung phản ứng lớp cặn chế loại bỏ cặn ngoại trừ hóa Việc khơng thứ ngun hóa phương trình trên, sử dụng bề rộng lớp lửa tắt chiều dài đặc trưng thời gian khuếch tán qua lớp lửa tắt, L2/Di, thời gian đặc trưng, dẫn tới phương trình chiều dài khơng thứ ngun 𝜁, thời gian 𝜏 nồng độ chất 𝜃: 𝜕𝜃 𝜕 𝜃 = − 𝐷𝑎𝑟 𝜃 + 𝐷𝑎𝑓 𝜕𝜏 𝜕𝜉 (2.29) −∆𝐻𝑣 1 𝜕𝜃 ( − ) = 𝐵𝑖 (𝑒 𝑅 𝑇 𝑇0 − 𝜃) 𝜕𝜉 (2.30) Có hai loại khơng thứ ngun phương trình số Damkohler, Dar = kr,iL2/Di Daf = kf,iL2/Di tỉ số tốc độ phản ứng với tốc độ khuếch tán; số Biot, Bi = kcL/Di tỉ số khối lượng chuyển đổi ngưng tụ hóa với khối lượng chuyển đổi khuếch tán vách Độ lớn hai số xác định quy trình chiếm ưu hình thành cặn; ví dụ, Daf, Dai Bi lớn so với thành phần khác (như khuếch tán chậm phản ứng lớp lửa tắt ngưng tụ hóa nhanh khuếch tán vách), tốc độ hình thành cặn xác định thời gian cần thiết để chất khuếch tán vào vách, số Bi nhỏ, hình thành cặn bị giới hạn tốc độ ngưng tụ vách Biết số đặc trưng lớn nhỏ cho phép phân tích đơn giản hình thành cặn cách nhiều q trình liên quan có ảnh hưởng khơng đáng kể Sử dụng giá trị tiêu biểu cho nhiên liệu hydrocacbon lớp lửa tắt động L = 1mm, Di = - cm2 / s, ki = 10-1000 s-1 (đại diện cho tỷ lệ oxy hố phần), xác định phạm vi cho số Damkohler 0,05 > 10000 giọt), lượng cặn tích lũy DO+1% tăng mạnh nhanh DO rõ ràng 4.4.2 Nhiệt độ lớp cặn Hình 4.23 thể phân bổ nhiệt độ bề mặt cặn nhiên liệu DO, DO+1%L DO+2%L thử nghiệm TNCMH Giá trị nhiệt độ bề mặt cặn nhỏ vào thời điểm giọt nhiên liệu vừa xuất nhiệt độ tăng dần giọt nhiên liệu Xu hướng tiếp tục đến khoảng 275oC đạt giá trị cực đại, sau nhiệt độ bề mặt lớp cặn có xu hướng giảm xuống Điều giải thích mơ hình truyền nhiệt chủ yếu hai phương thức đối lưu dẫn nhiệt, ban đầu giọt nhiên liệu nhận nhiệt từ bề mặt kim loại nên nhiệt độ cặn thấp nhiệt độ bề mặt kim loại, cặn tạo lớp màng mỏng hạn chế tiếp xúc trực tiếp khơng khí với bề mặt đốt nóng kết làm tăng nhiệt độ bề mặt cặn, đến thời 116 điểm chiều dày lớp cặn đủ lớn hạn chế dẫn nhiệt kết xu hướng nhiệt độ giảm Kết thực nghiệm tác động mạnh dầu bôi trơn đến nhiệt độ bề mặt cặn lắng, nhiên liệu có pha trộn với dầu bôi trơn, số giọt nhiên liệu tăng lên nhiệt độ cặn lớn nhỏ có xu hướng giảm mạnh theo độ tăng tỉ lệ hòa trộn Với DO+1%L có nhiệt độ cặn lớn giảm xuống khoảng 260oC nhiệt độ nhỏ cặn chạm mức giới hạn thiết bị đo nhiệt hồng ngoại 250oC số giọt đạt đến 19000 giọt Trong đó, DO+2%L cho thấy dải nhiệt độ bề mặt cặn lớn có biên độ dao động thu hẹp giá trị nhiệt độ bề mặt cặn lớn nhỏ giảm mạnh, 12000 giọt chúng giảm xuống mức tới hạn thiết bị đo, điều chứng tỏ cặn với thành phần dầu bôi trơn làm giảm khả truyền nhiệt lớp cặn Độ nhớt chứa chất khó bay làm cho nhiệt độ nhỏ lớp cặn giảm xuống, mặt khác lớp cặn tích lũy nhiều có dầu bôi trơn làm bề dày lớp cặn tăng nhanh dẫn đến giảm hệ số truyền nhiệt cặn kết nhiệt độ lớn cặn giảm xuống so với bề mặt vách cách đáng kể Hình 4.22 Nhiệt độ bề mặt cặn TNCMH 117 4.4.3 Hàm tỷ lệ tạo cặn xét đến ảnh hưởng lượng dầu bôi trơn buồng cháy Mối quan hệ, tương quan số lượng giọt nhiên liệu khối lượng cặn tương đối mô tả hàm hồi quy Hình 4.21 với hệ số thực nghiệm 𝛼3 𝛽3 tương ứng Giá trị 𝛼3 phương trình phụ thuộc vào điều kiện ban đầu, giá trị 𝛽3 gradient MR/mD theo ND tính tốn theo kết thực nghiệm Hàm hồi quy cho thấy xu hướng chung hình thành phát triển cặn lắng nhiên liệu DO, DO+1%L DO+2%L Kết hồi quy liệu thực nghiệm cho thấy giá trị β DO+2%L lớn với 𝛽3 = 1,02, 0,71 0,51 với so với DO+1%L DO tương ứng Do đó, pha trộn nhiên liệu DO với dầu bơi trơn tốc độ phát triển cặn lắng nhanh hơn, tốc độ tăng với tỉ lệ hòa trộn Hình 4.23 So sánh giá trị α3 β3 Giá trị α3 có xu hướng trái ngược hồn tồn với β3 (Hình 4.22), lượng cặn hình thành ban đầu DO lớn ứng với giá trị α lớn nhất, DO+1%L DO+2%L Như xét giai đoạn đầu lượng cặn tăng tỉ lệ pha trộn dầu bôi trơn Tuy nhiên, số lượng giọt nhiên liệu tăng lên việc β3 tăng tỉ lệ pha trộn dầu bôi trơn tăng yếu tố định tốc độ phát triển cặn tổng khối lượng cặn tích lũy sau thử nghiệm Như vậy, xuất dầu bôi trơn nhiên liệu làm gia tăng tốc độ phát triển cặn tổng khối lượng cặn lắng tích lũy Điều có nghĩa dầu bơi trơn 118 yếu tố việc hình thành gia tăng tích tụ cặn lắng buồng cháy động Tóm lại, phân tích đánh giá kết thực nghiệm tiến hành thử nghiệm nhiên liệu DO pha trộn với dầu bôi trơn mơ hình TNCMH ta rút số kết luận sau: Xu hướng hình thành phát triển cặn lắng mơ hình TNCMH mơ tả tương đối tốt qua mơ hình hồi quy với hàm hồi quy: 𝑀𝑅 𝛽 = 𝛼3 𝑁𝐷 𝑚𝐷 Các liệu thực nghiệm cho thấy tỉ lệ pha trộn dầu bôi trơn tăng lên từ 0%L đến 2%L tốc độ phát triển cặn lắng tổng khối lượng cặn tích lũy tăng đáng kể, kết thực nghiệm có tương đồng kết nghiên cứu [8][103] Nhiệt độ cặn thành phần cặn cho thấy chất dầu bơi trơn có tác động đáng kể đến hình thành cặn lắng tính chất (tính dẫn nhiệt hơn), cấu trúc (cấu trúc đặc hơn) cặn lắng 4.5 Kết luận chương Các đặc tính bay sở để có liệu trạng thái ướt/khô ban đầu, tương tác vật lý giọt nhiên liệu với bề mặt vách thời gian tồn ước tính giọt nhiên liệu suốt q trình tạo cặn Đồng thời, giải thích ngun nhân phát triển cặn, đặc tính cặn, quãng biến động thời gian tồn giọt nhiên liệu tượng xung đột q trình hình thành cặn Do đó, đặc tính bay loại nhiên liệu thu nghiên cứu có ý nghĩa định việc giải thích kết thu từ TNCMH Kết nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ, tình trạng ướt hay khơ… bề mặt vách đến tạo cặn nghiên cứu cho thấy nhiệt độ bề mặt vách có tác động lớn đến chế hình thành cặn lắng nhiên liệu Nhiệt độ điểm có tốc độ hóa cực đại MEP nhiệt độ quan trọng phát triển cặn lắng Ở điều kiện nhiệt độ thứ cấp khác (so với nhiệt độ MEP) cho thấy có khác tương tác giọt với bề mặt vách, thời gian bay hơi, trạng thái ướt/khơ bề mặt vách, đặc tính phát triển cặn khác Sự tạo cặn nhiên liệu DO nhiệt độ bề mặt khác cho thấy có hai loại hình phát triển cặn: phát triển theo hai giai đoạn nhiệt độ bề mặt vách thấp nhiệt độ MEP, phát triển theo giai đoạn nhiệt độ bề mặt vách gần với nhiệt độ MEP Nhiệt độ bề mặt vách nằm gần nhiệt độ MEP (tức nhiệt độ thứ cấp nhỏ) làm giảm hình thành cặn bề mặt vách, lượng cặn tích lũy nhiệt độ thứ cấp -5oC +10oC giảm 55% 70% so với lượng cặn tích 119 lũy nhiệt độ thứ cấp -30oC Do đó, nhiệt độ bề mặt vách yếu tố quan trọng hình thành phát triển cặn lắng bề mặt vách buồng cháy, việc kiểm soát nhiệt độ bề mặt vách buồng cháy biện pháp hữu hiệu để giảm hình thành cặn động Thời gian va chạm nhiệt độ bề mặt vách xác định điều kiện ban đầu tình trạng ướt/khơ bề mặt, chồng chất hay không chồng chất Khi điều kiện không chồng chất cặn khô làm lượng cặn tích lũy q trình tạo cặn giảm xuống, điều kiện chồng chất cặn ẩm làm gia tăng lượng cặn tích tụ Với thời gian va chạm ngắn (τvc= giây), nhiệt độ bề mặt gần với nhiệt độ MEP (tbm = 352°C tức thấp 5°C so với nhiệt độ MEP) thường có cặn khơ khơng có tình trạng chồng chất; nhiệt độ bề mặt thấp nhiệt độ MEP (tbm = 270°C tức thấp 87°C so với nhiệt độ MEP) trạng thái chồng chất điều kiện cặn ẩm chiếm ưu Tuy nhiên, tác động điều kiện cặn khô hay ẩm, chồng chất hay không chồng chất thể rõ giai đoạn sau trình phát triển cặn Ở giai đoạn sau, lượng cặn tích lũy nhiệt độ gần MEP giảm đến 97% so với lượng cặn tích lũy nhiệt độ bề mặt thấp MEP Như để giảm lượng cặn hình thành bề mặt vách cần trì điều kiện khơng chồng chất cặn khơ Nghiên cứu đánh giá tác động thành phần nhiên liệu đến xu hướng hình thành phát triển cặn, thành phần cặn biến động nhiệt độ bề mặt cặn tiến hành TNCMH Kết thực nghiệm cho thấy metyl este dầu cọ (B100) hỗn hợp pha trộn (B50, B20, B5) hình thành cặn lắng điều kiện bề mặt ẩm tốc độ phát triển cặn lắng phụ thuộc vào tỷ lệ pha trộn Ở giai đoạn sau trình phát triển cặn lắng, tỷ lệ pha trộn yếu tố định tốc độ phát triển tổng lượng cặn tích lũy Dầu bơi trơn với thành phần phụ gia có tính chống oxi hóa, chất tẩy rửa gốc dầu chứa nhiều hidrocacbon thơm cho thấy có tác động đáng kể đến gia tăng khả tạo cặn, tốc độ tạo cặn lẫn vào nhiên liệu động Sự biến động nhiệt độ bề mặt cặn gây cạnh tranh tác dụng làm mát, tác dụng oxi hóa bề mặt hiệu ứng truyền nhiệt q trình hình thành cặn Nói chung cặn phát triển nhanh nhiệt độ bề mặt cặn thấp nhiệt độ bề mặt vách giai đoạn ban đầu trình tạo cặn khoảng thời gian tồn giọt nhiệt liệu giai đoạn dài nên trì điều kiện chồng chất cặn Tác dụng làm mát nhiên liệu lỏng chiếm ưu giai đoạn đầu trình hình thành cặn lắng làm giảm nhiệt độ bề mặt Tiếp theo, q trình oxi hóa bề mặt diễn số giọt nhiên liệu tăng, nhiệt từ phản ứng oxi hóa sau giải phóng ra, dẫn đến gia tăng nhiệt độ bề mặt cặn Sau lớp cặn tích lũy, nhiệt độ bề mặt cặn 120 giảm ảnh hưởng khả dẫn nhiệt thấp cặn Tuy nhiên mức độ ảnh hưởng khả dẫn nhiệt thấp lớn hiệu ứng oxi hóa nên miền nhiệt bề mặt cặn giảm Cơ chế hình thành phát triển cặn nói đặc trưng cho hình thành cặn lắng nhiên liệu diesel sinh học (B100) nhiên liệu có pha trộn dầu bôi trơn (DO+1%L, DO+2%L) Tuy nhiên, tốc độ phát triển cặn chậm điều kiện không chồng chất trì suốt trình thử nghiệm nhiệt độ bề mặt cặn thấp 3-8% nhiệt độ bề mặt vách kim loại Các hiệu ứng làm mát giai đoạn đầu q trình oxi hóa cặn giai đoạn sau dẫn tới sư phát triển cặn chậm, lớp cặn hình thành mỏng Đặc trưng cho chế tạo cặn nhiên liệu diesel DO Như vậy, chế hình thành cặn lắng nghiên cứu phụ thuộc vào tượng cạnh tranh gồm tác dụng làm mát, tác dụng oxi hóa tác dụng truyền nhiệt (dẫn nhiệt cặn) trình lắng đọng cặn nhiên liệu 121 KẾT LUẬN Thử nghiệm bay (TNBH) giọt nhiên liệu đơn liên tiếp tiến hành trước thử nghiệm tạo cặn mơ hình vách buồng cháy (TNCMH), xác định thời gian tồn giọt nhiên liệu q trình hóa hỗ trợ cho nghiên cứu chế hình thành cặn nhiên liệu buồng cháy động Trong TNCMH, giọt đơn va chạm với bề mặt vách, bay hơi, số thành phần nhiên liệu bị oxi hóa biến đổi thành cặn cacbon Thử nghiệm nhằm có liệu để đánh giá xây dựng lên mơ hình tốn mơ tả xu hướng hình thành phát triển cặn bề mặt vách Kết nghiên cứu rút kết luận chủ yếu sau: Các thử nghiệm tạo cặn mô hình vách buồng cháy (TNCMH) có đủ khả thu kết tương tự thử nghiệm xác định lượng cặn buồng cháy động (TNCBC) Các điều kiện thử nghiệm TNCMH tương tự số điều kiện động diesel trường nhiệt độ, độ ẩm, truyền nhiệt… Vì vậy, TNCMH coi mơ hình tương đối đồng dạng nghiên cứu phát triển cặn động thực Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm xây dựng mô hình tốn q trình hình thành cặn thể qua phương trình hồi qui dạng: 𝑀𝑅 𝑚𝐷 𝛽 = 𝛼𝑁𝐷 Các số α β thu nghiên cứu ảnh hưởng sở khoa học có ý nghĩa để đánh giá mức độ ảnh hưởng yếu tố đến chế hình thành phát triển cặn lắng đốt cháy nhiên liệu diesel diesel sinh học Sự kết hợp đặc tính hình thành cặn lắng đặc tính bay nhiên liệu nhằm làm sáng tỏ kết thực nghiệm nghiên cứu Các đặc tính bay sở để giải thích nguyên nhân phát triển cặn, đặc tính cặn, quãng biến động thời gian tồn giọt nhiên liệu tượng xung đột trình hình thành cặn Nhiệt độ bề mặt vách yếu tố quan trọng hình thành phát triển cặn lắng bề mặt vách buồng cháy, việc kiểm soát nhiệt độ bề mặt vách buồng cháy biện pháp hữu hiệu để giảm hình thành cặn động Thời gian va chạm nhiệt độ bề mặt vách xác định điều kiện ban đầu trạng thái ướt/khô bề mặt vách, chồng chất hay khơng chồng chất Do đó, để giảm lượng cặn hình thành bề mặt vách cần trì điều kiện không chồng chất cặn khô Nhiên liệu sinh học (B100) hỗn hợp pha trộn (B50, B20, B5) hình thành cặn điều kiện bề mặt vách ẩm tốc độ phát triển cặn lắng phụ thuộc vào tỷ lệ pha trộn Ở giai đoạn ban đầu trình hình thành, không tỷ lệ pha trộn cao tạo nhiều cặn Tuy nhiên, giai đoạn sau, tỷ lệ pha trộn 122 yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phát triển cặn tổng lượng cặn tích lũy Dầu bơi trơn có mặt nhiên liệu làm tăng độ nhớt, giảm khả bay hơi, kéo dài thời gian tồn giọt nhiên liệu làm gia tăng lượng cặn lắng hình thành bề mặt vách Do đó, tỉ lệ pha trộn dầu bơi trơn cao xu hướng cặn hình thành, tốc độ phát triển cặn tăng lên Các chế tạo cặn nghiên cứu mô tả theo biến động nhiệt độ bề mặt cặn biến động thời gian tồn giọt nhiên liệu trình tạo cặn Sự biến động nhiệt độ bề mặt cặn gây cạnh tranh tác dụng làm mát, tác dụng oxi hóa bề mặt hiệu ứng truyền nhiệt trình hình thành cặn 123 HƯỚNG PHÁT TRIỂN Như đề cập kết luận thứ nhất, điều kiện cho phép việc thiết lập mơ hình thực nghiệm có kể đến yếu tố nhiệt độ, áp suất khí thể, yếu tố ảnh hưởng đến trình cháy….thì kết thực nghiệm thu có tính thuyết phục với q trình nghiên cứu hình thành cặn lắng buồng cháy động Tuy nhiên với kết nghiên cứu cho phép mở hướng phát triển nâng cấp mơ hình thực nghiệm nhằm tiến tới đánh giá cách toàn diện yếu tố hình thành nên cặn lắng buồng cháy động Ngồi với thành cơng ban đầu nghiên cứu chế hình thành cặn lắng buồng cháy động diesel sở lý thuyết ban đầu để xây dựng giải pháp giảm thiểu cặn lắng động diesel nói chung động diesel tàu thủy nói riêng xu bắt buộc sử dụng nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh thấp siêu thấp vấn đề hình thành cặn lắng buồng cháy động cơ, đặc biệt đầu vòi phun nghiêm trọng 124 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Phạm Văn Việt, Lương Công Nhớ, Trần Quang Vinh “Cặn Lắng Trong Động Cơ Và Các Biện Pháp Phòng Ngừa” Tạp chí Khoa học & Cơng nghệ, Đại học Cơng nghiệp Hà Nội, Số 27, ISSN 1859-3585, 2015 Pham Van Viet, Hoang Anh Tuan, Luong Cong Nho, Tran Van Trung Proceedings of the 2016 international conference: “The Effect Of Combustion Chamber Deposits On Heat Transfer And Combustion In A Small Marine Diesel Engines”, Advanced Technology & Sustainable Development, Industrial University of Ho Chi Minh Publishing House, ISBN 978-604-920-040-3, 2016 Phạm Văn Việt, Lương Công Nhớ, Nguyễn Lan Hương “Nghiên Cứu Quá Trình Tạo Cặn Trong Buồng Cháy Động Cơ”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải, NXB Hàng hải, Số 50, ISSN 1859-316X, 2017 Phạm Văn Việt, Lương Công Nhớ, Trần Quang Vinh, Nguyễn Lan Hương “Phân Tích Ảnh Hưởng Của Nhiệt Độ Đỉnh Piston Đến Sự Hình Thành Cặn Lắng Buồng Đốt Động Cơ Diesel” Hội nghị KHCN tồn quốc Cơ khí – Động lực, Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, ISBN 978-604-73-5602-7, 2017 Pham VanViet, Luong Cong Nho, Tran Quang Vinh, Nguyen Lan Huong, Tran The Nam “Setting Up The Experimental Model To Investigate Deposit Fomation Of Diesel And Biodiesel Fuels On A Wall Surface” Journal of ASIA Maritime & Fisheries Universities Forum, ISSN: 2508-5247, 2017 Pham Van Viet, Luong Cong Nho, Tran Quang Vinh “Analysing The Effect Of Lubricant Oil On Combustion Chamber Deposit Formation In Diesel Engines” Journal of Marine Science and Technology No 53, ISSN 1859-316X, Marine Publishing House, 2018 Pham Văn Việt, Hồng Anh Tuấn, Lương Cơng Nhớ, Trần Quang Vinh, Phạm Ngọc Tuyền “Nghiên Cứu Sự Hình Thành Cặn Lắng Trong Buồng Cháy Và Sự Suy Thoái Của Dầu Bôi Trơn Trong Động Cơ Diesel Thủy Cỡ Nhỏ Sử Dụng Trực Tiếp Dầu Thực Vật” Tạp chí Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải, Số 26-2/2018, ISSN 18594263, 2018 Phạm Văn Việt, Lương Công Nhớ, Trần Quang Vinh, Phạm Ngọc Tuyền, Phan Trung Kiên “Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Dầu Bơi Trơn Đến Sự Hình Thành Cặn 125 Lắng Piston Trong Động Cơ Diesel Sử Dụng Nhiên Liệu Sinh Học” Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ IV, Đại học Giao thông vận tải TP HCM, 2018 Anh Tuan Hoang, Van Viet Pham “Impact of Jatropha Oil on Engine Performance, Emission Characteristics, Deposit Formation, and Lubricating Oil Degradation” Combustion Science and Technology, https://doi.org/10.1080/00102202.2018.1504292, vol 191, No 3, pp 504 - 519, 2019 126 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] [2] [3] [4] N Cảnh, “Quy hoạch thực nghiệm,” Nhà xuất Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2004 GS TSKH Phạm Văn Lang, Quy hoạch xử lý số liệu thực nghiệm Hà Nội, 2012 N N Kiểng, “Thống kê học nghiên cứu khoa học–,” Nhà xuất Giáo Dục, 1996 V T Nguyễn, Phân tích số liệu tạo biểu đồ R NXB Khoa học kỹ thuật, 2015 Tiếng Anh [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] G Shu, L Dong, and X Liang, “A review of experimental studies on deposits in the combustion chambers of internal combustion engines,” Int J Engine Res., vol 13, no 4, pp 357–369, 2012 H F Shurvell, A D H Clague, and M C Southby, “Method for the determination of the composition of diesel engine piston deposits by infrared spectroscopy,” Appl Spectrosc., vol 51, no 6, pp 827–835, 1997 O Güralp et al., “Characterizing the Effect of Combustion Chamber Deposits on a Gasoline HCCI Engine,” SAE Tech Pap 2006-01-3277, no 724, 2006 Z Ye, Q Meng, H P Mohamadian, J T Wang, L Chen, and L Zhu, “Investigation of deposit formation mechanisms for engine in-cylinder combustion and exhaust systems using quantitative analysis and sustainability study,” Int J Thermophys., vol 28, no 3, pp 1056–1066, 2007 G T Kalghatgi, A Sutkowski, S Pace, H Schwahn, and B Nierhauve, “ASTM unwashed gum and the propensity of a fuel to form combustion chamber deposits,” SAE Technical Paper, 2000 P Singer and J Rühe, “On the mechanism of deposit formation during thermal oxidation of mineral diesel and diesel/biodiesel blends under accelerated conditions,” Fuel, vol 133, pp 245–252, 2014 J Hoard and P Moilanen, “Exhaust valve seat leakage,” SAE Technical Paper, 1997 G T Kalghatgi and R J Price, “Combustion chamber deposit flaking,” SAE Technical Paper, 2000 S M Muzikus, M I Fedorov, and E I Frolov, “Standard allowable limit for carbon-deposit formation in diesel engines,” Chem Technol Fuels Oils, vol 11, no 10, pp 815–817, 1975 C J O’Brien, “Formation mechanisms of combustion chamber deposits.” Massachusetts Institute of Technology, 2001 P Eilts, “Investigation on deposit formation during low load operation of high supercharged diesel engines,” in Int Symposium COMODIA, 1990, vol 90, pp 517–522 X Sun, X Liang, G Shu, Y Wang, Y Wang, and H Yu, “Effect of different 127 [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] combustion models and alternative fuels on two-stroke marine diesel engine performance,” Appl Therm Eng., vol 115, pp 597–606, 2017 G Lepperhoff and M Houben, “Mechanisms of deposit formation in internal combustion engines and heat exchangers,” SAE Technical Paper, 1993 N Fujii, H Miyama, M Koshi, and T Asaba, “Kinetics of ammonia oxidation in shock waves,” in Symposium (International) on Combustion, 1981, vol 18, no 1, pp 873–883 L R Rudnick, Lubricant additives: chemistry and applications CRC press, 2017 M Fukui, T Sato, N Fujita, and M Kitano, “Examination of lubricant oil components affecting the formation of combustion chamber deposit in a twostroke engine,” JSAE Rev., vol 22, no 3, pp 281–285, 2001 M Diaby, M Sablier, A Le Negrate, M El Fassi, and J Bocquet, “Understanding carbonaceous deposit formation resulting from engine oil degradation,” Carbon N Y., vol 47, no 2, pp 355–366, 2009 J A McGeehan and B J Fontana, “Effect of soot on piston deposits and crankcase oils-Infrared spectrometric technique for analyzing soot,” SAE Technical Paper, 1980 D W Stanton, A M Lippert, R D Reitz, and C Rutland, “Influence of spraywall interaction and fuel films on cold starting in direct injection diesel engines,” SAE Technical Paper, 1998 J Ullmann, M Geduldig, H Stutzenberger, R Caprotti, and G Balfour, “Investigation into the formation and prevention of internal diesel injector deposits,” SAE Technical Paper, 2008 Y Ra, R D Reitz, M W Jarrett, and T P Shyu, “Effects of piston crevice flows and lubricant oil vaporization on diesel engine deposits,” SAE Technical Paper, 2006 A Leedham, R Caprotti, O Graupner, and T Klaua, “Impact of fuel additives on diesel injector deposits,” SAE Technical Paper, 2004 L B Ebert, Chemistry of engine combustion deposits Springer, 1985 G H Cloud and A J Blackwood, “The Influence of Diesel Fuel Properties on Engine Deposits and Wear,” SAE Technical Paper, 1943 T W Zerda, X Yuan, and S M Moore, “Effects of fuel additives on the microstructure of combustion engine deposits,” Carbon N Y., vol 39, no 10, pp 1589–1597, 2001 F NAGAO, M IKEGAMI, and A TOKUNAGA, “Temperature Dependence of Carbon Deposit in a Diesel Combustion Chamber,” Bull JSME, vol 9, no 35, pp 573–579, 1966 R K Jonkers, M F Bardon, and D P Gardiner, “Techniques for Predicting Combustion Chamber Deposits in a Direct Injection Diesel Engine,” SAE Technical Paper, 2002 K Nishiwaki and M Hafnan, “The determination of thermal properties of engine combustion chamber deposits,” SAE Technical Paper, 2000 S I Sevast’yanov, “High-temperature deposits on pistons of high-performance diesel engines,” Chem Technol Fuels Oils, vol 9, no 11, pp 872–877, 1973 H Ishii, M Emi, Y Yamada, S Kimura, K Shimano, and Y Enomoto, “Heat 128 [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] Loss to The Combustion Chamber Wall with Deposit Adhering to The Wall Surface in DI Diesel Engine First Report: Influence of Deposit on Instantaneous Heat Flux into the Piston Surfaces,” SAE Technical Paper, 2001 M Kinoshita, A Saito, S Matsushita, H Shibata, and Y Niwa, “Study of deposit formation mechanism on gasoline injection nozzle,” JSAE Rev., vol 19, no 4, pp 355–357, 1998 J B Heywood, “Internal combustion engine fundamentals,”, McGraw-Hill Education, 1988 A B Hopwood, S Chynoweth, and G T Kalghatgi, “A Technique to Measure Thermal Diffusivity and Thickness of Combustion Chamber Deposits In-Situ,” SAE Technical Paper, 1998 K Wannatong, N Akarapanyavit, S Siengsanorh, and S Chanchaona, “Combustion and knock characteristics of natural gas diesel dual fuel engine,” SAE Technical Paper, 2007 H A Haidar, “Combustion chamber deposit effects on hydrocarbon emissions from a spark-ignition engine.” Massachusetts Institute of Technology, 1997 S L Bower, T A Litzinger, and V Frottier, “The effect of fuel composition and engine deposits on emissions from a spark ignition engine,” SAE Technical Paper, 1993 W M Studzinski et al., “A computational and experimental study of combustion chamber deposit effects on NOx emissions,” in Fall Fuels and Lubricants Meeting and Exposition, 1993 X Zhang et al., “Investigating the microstructures of piston carbon deposits in a large-scale marine diesel engine using synchrotron X-ray microtomography,” Fuel, vol 142, pp 173–179, 2015 D Caceres, J R Reisel, A Sklyarov, and A Poehlman, “Exhaust emission deterioration and combustion chamber deposit composition over the life cycle of small utility engines,” J Eng Gas turbines power, vol 125, no 1, pp 358–364, 2003 Ø Buhaug, “Deposit formation on cylinder liner surface in medium-speed engines,” Norwegian University of Science and Technology, 2003 M Hutchings, D Chasan, R Burke, P Odorisio, M Rovani, and W Wang, “Heavy duty diesel deposit control prevention as a cure,” SAE Technical Paper, 1997 P Tarkowski, J Sarzyński, P Budzyński, R Paluch, and M Wiertel, “Influence of the kind of fuel oil on the deposit composition in the diesel engine combustion chamber,” Fuel, vol 80, no 10, pp 1399–1403, 2001 M M Elkotb, S L Aly, and H A Elsalmawy, “Evaporation characteristics of fuel and multifuel droplets,” Combust Flame, vol 85, no 3–4, pp 300–308, 1991 C Morin, C Chauveau, and I Gökalp, “Droplet vaporisation characteristics of vegetable oil derived biofuels at high temperatures,” Exp Therm Fluid Sci., vol 21, no 1–3, pp 41–50, 2000 W L H Hallett, “A simple model for the vaporization of droplets with large numbers of components,” Combust Flame, vol 121, no 1–2, pp 334–344, 2000 R Kneer, M Schneider, B Noll, and S Wittig, “Diffusion controlled evaporation 129 [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] of a multicomponent droplet: theoretical studies on the importance of variable liquid properties,” Int J Heat Mass Transf., vol 36, no 9, pp 2403–2415, 1993 M Renksizbulut and M Bussmann, “Multicomponent droplet evaporation at intermediate Reynolds numbers,” Int J Heat Mass Transf., vol 36, no 11, pp 2827–2835, 1993 W Ranz, “Technical Report No 3,” Contract AT-(30-3)-28, Univ Illinois, 1951 B B Langmuir I, “Mathematical investigation of water droplet trajectories,” Gen Electr Res Lab., vol Report No., 1945 D T Daly, S A Bannon, D A Fog, and S M Harold, “Mechanism of combustion chamber deposit formation,” SAE Technical Paper, 1994 H Kaufmann, T Nussbaumer, L Baxter, and N Yang, “Deposit formation on a single cylinder during combustion of herbaceous biomass,” Fuel, vol 79, no 2, pp 141–151, 2000 D E Rosner, Transport processes in chemically reacting flow systems Courier Corporation, 2012 L Talbot, R K Cheng, R W Schefer, and D R Willis, “Thermophoresis of particles in a heated boundary layer,” J Fluid Mech., vol 101, no 4, pp 737– 758, 1980 K Ko and M Arai, “Diesel spray impinging on a flat wall, part I: Characteristics of adhered fuel film in an impingement diesel spray,” At Sprays, vol 12, no 5&6, 2002 J Senda, M Ohnishi, T Takahashi, H Fujimoto, A Utsunomiya, and M Wakatabe, “Measurement and modeling on wall wetted fuel film profile and mixture preparation in intake port of SI engine,” SAE Technical Paper, 1999 R L Vander Wal, G M Berger, and S D Mozes, “Droplets splashing upon films of the same fluid of various depths,” Exp Fluids, vol 40, no 1, pp 33–52, 2006 C Tropea and M Marengo, “The impact of drops on walls and films,” Multiph Sci Technol., vol 11, no 1, 1999 A L Yarin and D A Weiss, “Impact of drops on solid surfaces: self-similar capillary waves, and splashing as a new type of kinematic discontinuity,” J Fluid Mech., vol 283, pp 141–173, 1995 G E Cossali, A Coghe, and M Marengo, “The impact of a single drop on a wetted solid surface,” Exp Fluids, vol 22, no 6, pp 463–472, 1997 C Motzkus, F Gensdarmes, and E Géhin, “Study of the coalescence/splash threshold of droplet impact on liquid films and its relevance in assessing airborne particle release,” J Colloid Interface Sci., vol 362, no 2, pp 540–552, 2011 R Rioboo, C Bauthier, J Conti, M Voue, and J De Coninck, “Experimental investigation of splash and crown formation during single drop impact on wetted surfaces,” Exp Fluids, vol 35, no 6, pp 648–652, 2003 Q Huang and H Zhang, “A study of different fluid droplets impacting on a liquid film,” Pet Sci., vol 5, no 1, pp 62–66, 2008 C Bai and A D Gosman, “Development of methodology for spray impingement simulation,” SAE Trans., pp 550–568, 1995 M Sommerfeld and N Huber, “Experimental analysis and modelling of particlewall collisions,” Int J Multiph flow, vol 25, no 6–7, pp 1457–1489, 1999 130 [69] V K Dhir, “Nucleate and transition boiling heat transfer under pool and external flow conditions,” Int J heat fluid flow, vol 12, no 4, pp 290–314, 1991 [70] M Rein, “Interactions between drops and hot surfaces,” in Drop-Surface Interactions, Springer, 2002, pp 185–217 [71] A Faghri and Y Zhang, Transport phenomena in multiphase systems Elsevier, 2006 [72] J R Welty, C E Wicks, G Rorrer, and R E Wilson, Fundamentals of momentum, heat, and mass transfer John Wiley & Sons, 2009 [73] J D Naber and P V Farrell, “Hydrodynamics of droplet impingement on a heated surface,” SAE Trans., pp 1346–1361, 1993 [74] L H J Wachters and N A J Westerling, “The heat transfer from a hot wall to impinging water drops in the spheroidal state,” Chem Eng Sci., vol 21, no 11, pp 1047–1056, 1966 [75] J D Bernardin and I Mudawar, “The Leidenfrost point: experimental study and assessment of existing models,” J Heat Transfer, vol 121, no 4, pp 894–903, 1999 [76] K J Baumeister and F F Simon, “Leidenfrost temperature—its correlation for liquid metals, cryogens, hydrocarbons, and water,” J Heat Transfer, vol 95, no 2, pp 166–173, 1973 [77] B S Kang and D H Lee, “On the dynamic behavior of a liquid droplet impacting upon an inclined heated surface,” Exp Fluids, vol 29, no 4, pp 380–387, 2000 [78] G S Emmerson, “The effect of pressure and surface material on the Leidenfrost point of discrete drops of water,” Int J Heat Mass Transf., vol 18, no 3, pp 381–386, 1975 [79] G A E Godsave, “Studies of the combustion of drops in a fuel spray—the burning of single drops of fuel,” in Symposium (International) on Combustion, 1953, vol 4, no 1, pp 818–830 [80] T J Schoenbaum, “Liability for damages inoil spill accidents: Evaluating the usa and international law regimes in the light of deepwater horizon,” J Environ Law, vol 24, no 3, pp 395–416, 2012 [81] A H Lefebvre and V G McDonell, Atomization and sprays CRC press, 2017 [82] B Abramzon and W A Sirignano, “Droplet vaporization model for spray combustion calculations,” Int J Heat Mass Transf., vol 32, no 9, pp 1605– 1618, 1989 [83] X.-Q Chen and J C F Pereira, “Prediction of evaporating spray in anisotropically turbulent gas flow,” Numer Heat Transf Part A Appl., vol 27, no 2, pp 143–162, 1995 [84] C Rodrigues, J Barata, and A Silva, “Influence of the energy dissipation in the spray impingement modeling,” in 50th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition, 2012, p 349 [85] S S Sazhin et al., “A simplified model for bi-component droplet heating and evaporation,” Int J Heat Mass Transf., vol 53, no 21–22, pp 4495–4505, 2010 [86] A J Petsi and V N Burganos, “Temperature distribution inside an evaporating two-dimensional droplet lying on curved or flat substrates,” Phys Rev E, vol 84, no 1, p 11201, 2011 [87] C Maqua, G Castanet, and F Lemoine, “Bicomponent droplets evaporation: 131 Temperature measurements and modelling,” Fuel, vol 87, no 13–14, pp 2932– 2942, 2008 [88] H Zhang, B Bai, L Liu, H Sun, and J Yan, “Droplet dispersion characteristics of the hollow cone sprays in crossflow,” Exp Therm fluid Sci., vol 45, pp 25– 33, 2013 [89] T Long, M Li, Y Chen, and X Zhu, “Study on Evaporation Characteristics of Bio-oil and its Compound Models,” BioResources, vol 9, no 3, pp 4242–4252, 2014 [90] P Bhattacharya, S Ghosal, and S K Som, “Evaporation of multicomponent liquid fuel droplets,” Int J energy Res., vol 20, no 5, pp 385–398, 1996 [91] G Strotos, M Gavaises, A Theodorakakos, and G Bergeles, “Numerical investigation of the evaporation of two-component droplets,” Fuel, vol 90, no 4, pp 1492–1507, 2011 [92] K Saha, E Abu-Ramadan, and X Li, “Multicomponent evaporation model for pure and blended biodiesel droplets in high temperature convective environment,” Appl Energy, vol 93, pp 71–79, 2012 [93] R Banerjee, “Numerical investigation of evaporation of a single ethanol/isooctane droplet,” Fuel, vol 107, pp 724–739, 2013 [94] B S Gottfried, C J Lee, and K J Bell, “The Leidenfrost phenomenon: film boiling of liquid droplets on a flat plate,” Int J Heat Mass Transf., vol 9, no 11, pp 1167–1188, 1966 [95] L Delfau, P Michaud, and A Barassin, “Formation of small and large positive ions in rich and sooting low-pressure ethylene and acetylene premixed flames,” Combust Sci Technol., vol 20, no 5–6, pp 165–177, 1979 [96] B S Haynes and H G Wagner, “Soot formation,” Prog energy Combust Sci., vol 7, no 4, pp 229–273, 1981 [97] I M Khan, G Greeves, and D M Probert, “Prediction of soot and nitric oxide concentrations in diesel engine exhaust,” Air Pollut Control Transp Engines C, vol 142, pp 205–217, 1971 [98] M A Serageldin, “Soot formation in small flames,” SAE Technical Paper, 1981 [99] C P Fenimore and G W Jones, “Comparative yields of soot from premixed hydrocarbon flames,” Combust Flame, vol 12, no 3, pp 196–200, 1968 [100] W H Lipkea, J H Johnson, and C T Vuk, “The physical and chemical character of diesel particulate emissions-measurement techniques and fundamental considerations,” SAE Technical Paper, 1978 [101] C L Mantell, “Carbon and Graphite Handbook, Interscience.” Wiley, New York, 1988 [102] I Glassman, “Sooting laminar diffusion flames: effect of dilution, additives, pressure, and microgravity,” in Symposium (International) on Combustion, 1998, vol 27, no 1, pp 1589–1596 [103] T R Sem, “Effect of various lubricating oils on piston deposits in biodiesel fueled engines,” SAE Technical Paper, 2004 [104] J B Howard, B L Wersborg, and G C Williams, “Coagulation of carbon particles in premixed flames,” in Faraday Symposia of the Chemical Society, 1973, vol 7, pp 109–119 [105] S J Harris, R J Blint, and J E M Goldsmith, “Concentration profiles in rich 132 and sooting ethylene flames,” in Symposium (International) on Combustion, 1988, vol 21, no 1, pp 1033–1045 [106] C P Fenimore and G W Jones, “Coagulation of soot to smoke in hydrocarbon flames,” Combust Flame, vol 13, no 3, pp 303–310, 1969 [107] N Feng, X Guo, S Liang, Y Zhu, and J Liu, “Biosorption of heavy metals from aqueous solutions by chemically modified orange peel,” J Hazard Mater., vol 185, no 1, pp 49–54, 2011 [108] V V Shahare, B Kumar, and P Singh, “Biofuels for Sustainable Development: A Global Perspective,” in Green Technologies and Environmental Sustainability, Springer, 2017, pp 67–89 [109] M Husnawan, H H Masjuki, T M I Mahlia, and M G Saifullah, “Thermal analysis of cylinder head carbon deposits from single cylinder diesel engine fueled by palm oil–diesel fuel emulsions,” Appl Energy, vol 86, no 10, pp 2107–2113, 2009 [110] M L Maiello and M D Hoover, Radioactive air sampling methods CRC press, 2010 [111] R Pos, R Cracknell, and L Ganippa, “Transient characteristics of diesel sprays from a deposit rich injector,” Fuel, vol 153, pp 183–191, 2015 [112] T W Zerda, X Yuan, S M Moore, and C A L y Leon, “Surface area, pore size distribution and microstructure of combustion engine deposits,” Carbon N Y., vol 37, no 12, 1999 [113] P P M B M Hilka and T J Poinsot, “A numerical study of laminar flame wall interaction with detailed chemistry: wall temperature effects,” Direct Numer Simul Turbul React Flows, p 81, 1996 [114] R J Kee, F M Rupley, and J A Miller, “The Chemkin thermodynamic data base,” Reaction Design, 2000 [115] C Arcoumanis, H Flora, M Gavaises, and M Badami, “Cavitation in real-size multi-hole diesel injector nozzles,” SAE Trans., pp 1485–1500, 2000 [116] A Wierzba, “Deformation and breakup of liquid drops in a gas stream at nearly critical Weber numbers,” Exp Fluids, vol 9, no 1–2, pp 59–64, 1990 [117] T Tran, H J J Staat, A Prosperetti, C Sun, and D Lohse, “Drop impact on superheated surfaces,” Phys Rev Lett., vol 108, no 3, p 36101, 2012 [118] W S Mathews, C F Lee, J E Peters Experimental investigations of spray/wall impingement Atomization and Sprays; vol 13, p 223-242, 2003 [119] L Allocca L, "Wall-Impingement of a Spray from a Common Rail Injection System for Diesel Engines", Conference on Thermo and Fluid Dynamic Processes in Diesel Engines, pp 67–76, 2002 [120] J Senda, K Yamada, H Fujimoto, H Miki, “The heat transfer characteristics ofa small droplet impinging upon a hot surface” JSME International Journal Series II; vol 31, no 1, pp.105-111, 1988 [121] S Sikalo, M Marengo, C Tropea, E.N Ganic, “Analysis of impact of droplets on horizontal surfaces” Experimental Thermal and Fluid Science, vol 25, pp 503-510, 2002 [122] J Senda, T Kanda, M Al-Roub, P.V Farrel, T Fukami, H Fujimoto, “Modeling spray impingement considering fuel film formation on the wall”, SAE Technical Paper; No.970047, 2010 133 [123] T Furuhata, T Ohmori, & M Arai, “Evaporation Deposits of Diesel and Biodiesel Fuels on a Hot Surface” SAE Technical Paper Series doi:10.4271/201101-1933, 2011 134 PHỤ LỤC Bảng PL Kết phân tích nhiên liệu diesel (DO) TT Phương pháp Tên tiêu Đơn vị Đo Giới hạn Khối lượng riêng 15oC Kg/m3 823 820 - 860 Sức căng bề mặt 40oC mN/m 25,4 Hàm lượng lưu huỳnh mg/kg 380 500, max ASTM D 2622 Trị số xêtan 49 50, max ASTM D 613 Nhiệt độ cất 90% thể tích thu o 332 355, max ASTM D 86 hồi C thử ASTM D1298 ASTM D971 Điểm chớp cháy cốc kín o 60 55, ASTM D 93 Độ nhớt động học 40oC mm2/s 3,13 2,0-4,5 ASTM D 445 Điểm đông đặc o +3 +6, max ASTM D 97 Hàm lượng nước mg/kg 50 200, max ASTM D 6304 10 Hàm lượng chất thơm đa vòng % 11, max ASTM D 5186 (PAH) C C khối lượng Bảng PL Kết phân tích dầu bôi trơn SAE 30 TT Tection Momograde Phương Đơn vị pháp thử SAE 10W SAE 30 SAE 40 SAE 50 Khối lượng riêng 15oC ASTM 1298 Kg/ m3 885 887 894 905 Điểm chớp cháy cốc hở ASTM D92 o C 226 244 252 258 Độ nhớt động học 40oC ASTM D445 cSt 43,8 98,6 155 201,6 Độ nhớt động học 100oC ASTM D445 cSt 7,0 11,5 15,6 18,8 Chỉ số độ nhớt ASTM D2270 - 116 107 102 102 Điểm rót chảy ASTM D97 o -36 -24 -24 -24 C 1/PL TT Tection Momograde Phương Đơn vị pháp thử SAE 10W SAE 30 SAE 40 SAE 50 Độ kiềm tổng (TBN) ASTM D2896 mgKOH/g 7,1 7,1 7,1 7,1 Độ tro sun-phát ASTM D874 % tl 0,9 0,9 0,9 0,9 Bảng PL Kết phân tích Dodecane TT Tính chất Cơng thức phân tử Đơn vị - Dodecane C12H26 Khối lượng riêng 15oC (𝜌𝑓𝑢𝑒𝑙 ) kg/m3 749 Độ nhớt động học 40oC mm2/s 24 15 Khối lượng riêng 40oC ASTMD 1298 - 875 Kg/m3 16 Sức căng bề mặt 40oC ASTM D971 - 28,9 mN/m C mg/kg Bảng PL Kết phân tích nhiên liệu B5, B10, B20 B50 TT Tên tiêu B5 B10 B20 B50 Phương pháp thử Hàm lượng lưu huỳnh, mg/kg 313 315 312 310 ASTM D 2622 Trị số xêtan 51 52 52,3 53,4 ASTM D 613 Nhiệt độ cất 90% thể tích thu 332 335 338 342 ASTM D 86 62 64 67 69 ASTM D 93 3,21 3,25 3,38 3,41 ASTM D 445 +4 +4 ASTM D 97 hồi, oC Điểm chớp cháy cốc kín, oC Độ nhớt động học 40oC, mm2/s Điểm đông đặc, oC +3 +3 Hàm lượng tro, % khối lượng 0,003 0,003 0,004 0,005 ASTM D 6304 Hàm lượng chất thơm đa vòng 7,5 10 ASTM D 5186; 4,2 4,3 4,6 4,8 EN 14078 Độ ổn định oxy hóa, mg/100ml 17,31 18,24 77,27 26,25 11 Khối lượng riêng 40oC 834 848 854 862 ASTMD 1298 12 Sức căng bề mặt 40oC 25,8 26,3 27,1 28,2 ASTM D971 (PAH), % khối lượng Hàm lượng metyl este axít béo (FAME), % thể tích 10 3/PL ASTM D 7462; ASTM D 7545; Bảng PL Tính tốn We, v Lh TT Nội dung Kí Đơn vị Cơng thức Kết kg/m3 DO theo PL1 823 hiệu Khối lượng riêng nhiên liệu ρnl Sức căng bề mặt nhiên liệu σ mN/m DO theo PL1 25,4 Gia tốc trọng trường g m/s2 Chỉ định 9,81 Dd m Lựa chọn Đường kính trung bình giọt nhiên liệu Số không thứ nguyên Weber Vận tốc giọt tương tác với bề mặt vách Khoảng cách từ kim nhỏ đến bề mặt vách 0,0023 𝜌𝑣 𝐷𝑑 𝑊𝑒 = 𝜎 We 80 110 150 1,03 v m/s 𝑣=√ 𝑊𝑒𝜎 𝜌𝐷𝑑 Lh 4/PL m 𝑙= 𝑣 2𝑔 1,21 1,42 0,055 0,075 0,102 Bảng PL Kết thử nghiệm bay (TNBH) với nhiên liệu DO DO+1%L STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 Nhiên liệu DO Giọt đơn Giọt kép Nhiệt độ Thời Nhiệt độ Thời bề mặt gian (s) bề mặt gian (s) o o vách ( C) vách ( C) 245 86,8 337 6,0 245 76,7 340 4,3 245 71,6 350 1,5 260 69,0 357 0,5 260 62,2 365 0,9 260 60,3 372 1,2 268 49,5 378 1,5 268 41,1 380 2,0 280 41,0 390 2,1 280 36,9 400 2,5 285 28,8 408 2,9 285 27,0 285 25,7 300 24,7 300 22,6 306 17,4 306 14,8 316 11,5 316 10,1 321 7,8 321 7,5 332 5,1 332 4,4 342 1,3 350 1,5 357 0,3 365 0,9 372 1,1 - 5/PL DO+1%L Giọt đơn Nhiệt độ Thời bề mặt gian (s) o vách ( C) 260 57,1 260 56,8 260 51,1 268 45,2 268 39,6 280 38,6 280 36,0 285 38,1 285 36,5 296 37,0 296 35,2 300 30,1 300 29,0 300 28,5 310 27,5 310 25,1 320 24,2 320 22,5 320 20,1 330 21,3 330 15,6 340 12,1 340 11,2 - Bảng PL Kết thử nghiệm bay (TNBH) với nhiên liệu DO+2%L Nhiên liệu DO+2%L STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 Giọt đơn Nhiệt độ bề mặt Thời gian vách (oC) (s) 260 43,1 260 40,1 260 38,0 260 37,2 268 42,1 268 39,0 268 38,2 270 36,5 270 33,2 282 34,6 282 32,2 282 26,8 295 32,5 295 30,7 295 29,6 295 28,1 295 24,9 300 25,8 300 23,4 300 21,7 310 23,1 310 20,3 310 19,5 320 26,5 320 22,1 320 19,5 320 15,3 330 14,6 335 12,1 340 10,5 350 8,6 357 5,8 365 6,2 370 7,9 372 10,0 376 9,1 385 8,7 386 9,3 387 9,5 6/PL Giọt kép Nhiệt độ bề mặt Thời gian (s) o vách ( C) 325 19,8 326 18,2 327 16,4 327 13,7 330 16,1 332 13,7 337 13,6 337 12,0 338 9,5 342 13,5 350 10,5 351 7,7 357 6,4 360 7.0 361 7,2 365 7,5 370 8,2 375 8,5 380 9,3 382 9,5 390 10,2 - 40 41 42 43 388 389 390 392 9,6 9,7 10,5 13,6 - - Bảng PL Kết thử nghiệm bay (TNBH) với nhiên liệu Dodecan Nhiên liệu Dodecan STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 Giọt đơn Nhiệt độ bề Thời gian o mặt vách ( C) (s) 125 96 125 77 125 72 135 71 135 66 135 65 140 48 140 44 140 42 145 39 145 38 150 33 150 32 152 28 152 27 155 24 155 23 157 20 160 16 160 15 165 13 165 11 170 11 170 10 170 175 10 175 179 179 180 182 185 190 195 Giọt kép Nhiệt độ bề mặt Thời gian (s) o vách ( C) 295 10,3 295 9,5 305 10,2 305 9,2 315 9,3 315 6,5 325 10,6 325 9,2 330 9,3 330 8,7 340 9,0 350 9,1 350 8,2 - 7/PL 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 200 205 210 215 220 225 230 235 240 245 250 255 260 265 270 275 280 285 285 290 290 1,5 0,5 0,5 1,5 1,8 2,5 3,8 4,5 5,0 6,3 7,5 8,6 10,2 9,5 12 11 - - Bảng PL 10 Kết thử nghiệm bay (TNBH) với nhiên liệu B100 Nhiên liệu B100 STT 10 11 12 13 14 15 16 Giọt đơn Nhiệt độ bề mặt Thời gian o vách ( C) (s) 300 100 300 72 310 82 310 81 310 80 315 60 315 58 315 50 320 35 320 34 320 30 330 46 330 41 330 31 335 24 335 21 8/PL Giọt kép Nhiệt độ bề mặt Thời gian o vách ( C) (s) 340 11,6 340 10,0 345 11,0 345 9,5 345 8,8 350 6,7 350 4,1 355 0,4 - 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 335 355 360 365 370 375 380 385 390 395 400 405 410 18 0,5 0,7 0,9 1,0 1,2 1,5 1,8 2,0 1,8 2,2 2,5 2,0 - - Bảng PL 11 Kết thử nghiệm bay (TNBH) với nhiên liệu B50 Nhiên liệu B50 STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Giọt đơn Nhiệt độ bề mặt Thời gian vách (oC) (s) 285 300 300 300 305 305 305 315 315 315 330 330 330 340 340 345 345 347 347 350 350 352 352 360 96 70 61 57 41 38 36 25 22 20 19 18 16 20 26 13 12 12 10 12 10 7 Giọt kép Nhiệt độ bề mặt Thời gian vách (oC) (s) - 9/PL - 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 360 365 375 375 380 380 385 385 390 390 395 395 398 398 4 3 4 3,5 3,5 4,5 3,5 - - Bảng PL 12 Kết thử nghiệm bay (TNBH) với nhiên liệu B20 Nhiên liệu B20 STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Giọt đơn Nhiệt độ bề mặt Thời gian o vách ( C) (s) 300 105 300 102 300 77 310 87 310 77 310 70 320 52 320 45 320 44 325 44 325 40 325 36 330 29 330 27 330 20 335 340 2,5 340 1,5 345 345 1,5 350 355 362 0,5 10/PL Giọt kép Nhiệt độ bề mặt Thời gian o vách ( C) (s) 365 370 375 380 3,5 385 390 395 5,5 400 - 25 26 27 28 29 - - - - Bảng PL 13 Kết thử nghiệm bay (TNBH) với nhiên liệu B5 Nhiên liệu B5 STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Giọt đơn Nhiệt độ bề mặt Thời gian vách (oC) (s) 250 109,5 250 106 250 83 270 78 270 57 270 48 285 42 285 41 285 40 290 29 290 23 290 21 300 22 300 20 300 19 315 28 315 21 315 20 320 23 320 21 320 18 325 21 325 14 325 12 330 13 330 335 335 7,5 340 340 4,5 11/PL Giọt kép Nhiệt độ bề mặt Thời gian vách (oC) (s) 345 350 357 357 365 365 370 370 375 10 375 380 11 380 385 10 385 390 10 390 395 11 395 10 400 400 5,5 - Kết thử nghiệm tạo cặn mơ hình vách buồng cháy (TNCMH) 1.1 Thử nghiệm - Điều kiện thử nghiệm: Bảng PL 14 Điều kiện thử nghiệm với TNCMH nhiên liệu mức nhiệt độ bề mặt vách Loại nhiên liệu - Thời gian va chạm giọt với 𝝉vách 𝒗𝒄 (s) DO DO+1%L DO+2%L Kết thử nghiệm: Nhiệt độ bề mặt vách Tbm (oC) 270 Bảng PL 15 Kết thử nghiệm tạo cặn TNCMH nhiên liệu DO STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 ND Khối lượng giọt nhiên liệu đơn mD [g] 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000 14000 15000 16000 17000 18000 19000 20000 0.0053 0.0053 0.0053 0.0053 0.0053 0.0053 0.0053 0.0053 0.0053 0.0053 0.0053 0.0053 0.0053 0.0053 0.0053 0.0053 0.0053 0.0053 0.0053 0.0053 Số giọt Khối lượng tích lũy giọt nhiên liệu Md [g] Nhiên liệu DO 5.3 5.3 5.3 5.3 5.3 5.3 5.3 5.3 5.3 5.3 5.3 5.3 5.3 5.3 5.3 5.3 5.3 5.3 5.3 5.3 12/PL Tổng khối lượng giọt nhiên liệu MD [g] Tổng khối lượng cặn bề mặt vách MR [g] 5.3 10.6 15.9 21.2 26.5 31.8 37.1 42.4 47.7 53 58.3 63.6 68.9 74.2 79.5 84.8 90.1 95.4 100.7 106 0.0121 0.0191 0.0250 0.0261 0.0283 0.0325 0.0331 0.0337 0.0348 0.0385 0.0382 0.0425 - Bảng PL 16 Kết thử nghiệm tạo cặn TNCMH nhiên liệu DO+1%L STT Số giọt ND 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000 14000 15000 16000 17000 18000 19000 20000 Khối lượng Tổng khối Khối lượng giọt lượng tích lũy nhiên liệu giọt nhiên giọt nhiên liệu đơn liệu mD [g] Md [g] MD [g] Nhiên liệu DO+1%L 0.0053 5.3 5.3 0.0053 5.3 10.6 0.0053 5.3 15.9 0.0053 5.3 21.2 0.0053 5.3 26.5 0.0053 5.3 31.8 0.0053 5.3 37.1 0.0053 5.3 42.4 0.0053 5.3 47.7 0.0053 5.3 53 0.0053 5.3 58.3 0.0053 5.3 63.6 0.0053 5.3 68.9 0.0053 5.3 74.2 0.0053 5.3 79.5 0.0053 5.3 84.8 0.0053 5.3 90.1 0.0053 5.3 95.4 0.0053 5.3 100.7 0.0053 5.3 106 Tổng khối lượng cặn bề mặt vách MR [g] 0.0121 0.0195 0.0255 0.0322 0.0368 0.0329 0.0397 0.0461 0.0467 0.0509 0.0562 0.0595 0.0628 0.0675 0.0762 0.0787 0.0891 0.0901 0.0972 - Bảng PL 17 Kết thử nghiệm tạo cặn TNCMH nhiên liệu DO+2%L STT Số giọt ND 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Khối lượng Tổng khối Khối lượng giọt lượng tích lũy nhiên liệu giọt nhiên giọt nhiên liệu đơn liệu mD [g] Md [g] MD [g] Nhiên liệu DO+2%L 0.0055 5.5 5.5 0.0055 5.5 11 0.0055 5.5 16.5 0.0055 5.5 22 0.0055 5.5 27.5 0.0055 5.5 33 0.0055 5.5 38.5 0.0055 5.5 44 13/PL Tổng khối lượng cặn bề mặt vách MR [g] 0.0249 0.0475 0.0677 0.0861 0.1027 0.1204 0.1475 0.1683 STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Số giọt ND 9000 10000 11000 12000 13000 14000 15000 16000 17000 18000 19000 20000 Khối lượng giọt nhiên liệu đơn mD [g] 0.0055 0.0055 0.0055 0.0055 0.0055 0.0055 0.0055 0.0055 0.0055 0.0055 0.0055 0.0055 Khối lượng tích lũy giọt nhiên liệu Md [g] 5.5 5.5 5.5 5.5 5.5 5.5 5.5 5.5 5.5 5.5 5.5 5.5 Tổng khối lượng giọt nhiên liệu MD [g] 49.5 55 60.5 66 71.5 77 82.5 88 93.5 99 104.5 110 Tổng khối lượng cặn bề mặt vách MR [g] 0.1862 0.2187 0.2402 0.2677 0.3083 0.3368 0.3597 0.3888 0.4229 0.4525 0.4403 0.0249 1.2 Thử nghiệm - Điều kiện thử nghiệm: Bảng PL 18 Điều kiện thử nghiệm với TNCMH nhiên liệu DO mức nhiệt độ bề mặt vách Loại nhiên liệu Thời gian va chạm giọt với 𝝉vách (s) Nhiệt độ bề mặt vách Khối lượng trung bình giọt Tbm (oC) mD, tb (mg) 270 306 327 352 367 5,4 𝒗𝒄 DO - Kết thử nghiệm : Bảng PL 19 Kết thử nghiệm tạo cặn TNCMH nhiên liệu DO mức nhiệt độ bề mặt vách khác STT Số giọt ND 1000 2000 3000 Tổng khối lượng cặn bề mặt vách, MR (g) 270oC 0,006 0,018 0,026 306oC 0,0001 0,0011 0,0014 14/PL 327oC 0,0028 0,0029 0,003 352oC 0,0008 0,001 0,0012 367oC 0,0001 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 0,029 0,033 0,035 0,038 0,041 0,042 0,044 0,045 0,046 0,049 0,05 0,051 0,053 0,054 0,055 0,055 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000 14000 15000 16000 17000 18000 19000 0,0031 0,0031 0,0032 0,0031 0,0018 0,0033 0,0021 0,0033 0,0022 0,0022 0,0023 0,0023 0,0024 0,0025 0,0027 0,0028 0,0016 0,0019 0,0022 0,0024 0,0025 0,0028 0,0029 0,0031 0,0033 0,0034 0,0036 0,0038 0,0039 0,0041 0,0042 0,0044 0,0005 0,0012 0,0018 0,0011 0,0015 0,0015 0,0017 - 0,00042 0,00054 0,00053 0,00012 0,0001 0.001 0,00075 0,00072 0,00078 0,00082 0,00079 0,00089 0,0013 0,00095 0,00099 0.0012 1.3 Thử nghiệm - Điều kiện thử nghiệm: Bảng PL 20 Điều kiện thử nghiệm với TNCMH nhiên liệu B100, B50, B20 B5 mức nhiệt độ bề mặt vách mức thời gian va chạm giọt với vách Thời gian va chạm giọt với 𝝉vách (s) Nhiệt độ bề mặt vách Khối lượng trung bình giọt Tbm (oC) mD, tb (mg) B100 352oC 5,9 B50 352oC 5,6 5,7 B20 352oC 5,4 5,4 B5 352oC 5,4 5,6 Loại nhiên liệu 𝒗𝒄 - Kết thử nghiệm: Bảng PL 21 Kết thử nghiệm tạo cặn TNCMH nhiên liệu B100, B50, B20 B5 ST T Tổng khối lượng cặn bề mặt vách, MR (g) Số giọt B100 ND 5s B50 8s 5s 15/PL B20 8s 5s B5 8s 5s 8s 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10 1000 11 1100 12 1200 13 1300 14 1400 15 1500 0,008 0,00 0,0004 0,009 0,012 0,00 0,000 0,014 0,000 0,00 0,0001 0,02 0,016 0,01 0,000 0,01 0,0004 0,032 0,022 0,021 0,000 0,01 0,000 0,01 0,0015 0,043 0,027 0,03 0,001 0,01 0,001 0,01 0,0017 0,044 0,031 0,01 0,002 0,038 0,001 0,01 0,0016 0,047 0,034 0,047 0,002 0,02 0,001 0,01 0,0016 0,051 0,039 0,055 0,002 0,02 0,002 0,01 0,0013 0,052 0,044 0,063 0,002 0,02 0,002 0,02 0,0019 0,054 0,048 0,071 0,003 0,02 0,002 0,002 - 0,02 0,0021 0,057 - 0,02 - 0,002 - 0,02 0,0023 0,058 - 0,02 - 0,002 - 0,02 0,061 - 0,02 - 0,003 - 0,02 0,062 - 0,02 - 0,003 - 0,02 0,065 - 0,03 - 0,003 - 0,03 - - - Nhiệt độ bề mặt cặn 2.1 Thử nghiệm 1: - Điều kiện thử nghiệm: Nhiên liệu: diesel DO, DO+1%L, DO+2%L 16/PL 0,03 Nhiệt độ bề mặt vách: 270oC Thời gian va chạm: 8s Bảng PL 22 Nhiệt độ bề mặt cặn TNCMH nhiên liệu DO, DO+1%L DO+2%L Nhiệt độ bề mặt cặn (oC) STT Số gọt DO DO+1%L DO+2%L max max max 200 262 268 267 270 267 270 400 262 268 268 270 267 271 600 261 267 267 269 266 269 800 262 267 266 269 263 267 1000 261 267 266 268 262 268 1200 260 268 265 269 262 267 1400 261 267 265 268 262 269 1600 261 267 266 269 261 267 1800 261 268 265 267 260 268 10 2000 260 267 265 269 255 266 11 2200 262 267 266 268 260 266 12 2400 261 266 264 269 259 265 13 2600 260 266 265 269 259 265 14 2800 261 265 265 268 257 264 15 3000 260 266 264 267 256 264 16 3200 260 266 264 266 259 265 17 3400 260 265 265 267 259 264 18 3600 261 266 265 267 260 264 19 3800 261 265 265 268 258 263 20 4000 260 264 266 268 256 263 21 4200 261 265 265 267 256 264 22 4400 261 266 265 268 255 263 23 4600 262 266 266 267 254 263 24 4800 260 265 264 269 255 262 17/PL 25 5000 262 266 265 267 254 260 26 5200 262 265 266 268 255 260 27 5400 261 266 263 267 254 260 28 5600 261 266 265 267 255 260 29 5800 261 265 266 269 253 260 30 6000 260 266 264 267 250 259 31 6200 260 266 264 267 251 256 32 6400 261 265 263 268 252 257 33 6600 261 266 264 267 251 257 34 6800 260 266 264 268 251 256 35 7000 260 265 263 268 252 256 36 7200 260 266 263 267 251 255 37 7400 259 265 263 268 250 256 38 7600 259 265 263 267 251 255 39 7800 259 266 262 267 250 254 40 8000 259 266 261 267 251 253 41 8200 258 265 262 266 250 252 42 8400 257 266 261 267 251 253 43 8600 258 266 260 266 250 252 44 8800 257 265 261 267 250 252 45 9000 256 266 260 266 250 251 46 9200 255 266 261 266 251 253 47 9400 254 265 260 267 250 252 48 9600 255 265 262 266 250 251 49 9800 254 266 261 266 250 251 50 10000 250 266 260 267 251 252 51 10200 254 267 260 266 250 251 52 10400 255 265 258 265 250 252 53 10600 254 264 259 267 251 251 54 10800 256 266 257 266 251 252 55 11000 255 265 255 265 250 251 56 11200 254 265 259 266 251 251 18/PL 57 11400 256 267 260 265 250 252 58 11600 255 266 259 265 250 251 59 11800 254 267 260 266 251 251 60 12000 255 267 260 267 250 251 61 12200 - - 259 266 - - 62 12400 - - 259 267 - - 63 12600 - - 258 266 - - 64 12800 - - 259 265 - - 65 13000 - - 258 266 - - 66 13200 - - 258 266 - - 67 13400 - - 257 265 - - 68 13600 - - 256 266 - - 69 13800 - - 255 265 - - 70 14000 - - 255 263 - - 71 14200 - - 254 264 - - 72 14400 - - 256 263 - - 73 14600 - - 255 264 - - 74 14800 - - 254 263 - - 75 15000 - - 256 262 - - 76 15200 - - 253 263 - - 77 15400 - - 254 262 - - 78 15600 - - 254 263 - - 79 15800 - - 252 261 - - 80 16000 - - 250 261 - - 81 16200 - - 251 260 - - 82 16400 - - 255 261 - - 83 16600 - - 254 260 - - 84 16800 - - 255 261 - - 85 17000 253 262 86 17200 250 260 87 17400 252 263 88 17600 253 260 19/PL 89 17800 252 258 90 18000 251 259 91 18200 253 260 92 18400 251 260 93 18600 251 259 94 18800 250 261 95 19000 253 260 20/PL 21/PL 22/PL 23/PL Hình PL Kết thức nghiệm mơ hình TNCMH xác nhận chi cục tiêu chuẩn đo lường chất lượng Hải Phòng 24/PL Hình PL Hình dạng vị trí chốt nắp xi lanh Hình PL Kích thước vị trí chốt động DY41DS 25/PL Hình PL Bản vẽ thiết kế mơ hình thử nghiệm TNCMH 26/PL Hình PL Bản vẽ chi tiết mơ hình thử nghiệm TNCMH 27/PL Hình PL Bản vẽ thiết kế két chứa nhiên liệu mơ hình thử nghiệm TNCMH 28/PL Hình PL Hình ảnh mơ hình TNCMH bắt đầu q trình thử nghiệm Hình PL Hình ảnh mơ hình TNCMH có cặn 29/PL Hình PL Hình ảnh mơ hình TNCMH có cặn Hình PL 10 Hình ảnh tồn mơ hình TNCMH 30/PL Hình PL 11 Hình ảnh trang thiết bị mơ hình TNCMH Hình PL 12 Hình ảnh trang thiết bị mơ hình TNCMH 31/PL Hình PL 13 Hình ảnh tác giả thực thử nghiệm Hình PL 14 Hình ảnh tác giả thực thử nghiệm phòng thí nghiệm 32/PL Hình PL 15 Hình ảnh giảng viên nhà khoa học Bộ môn Máy tàu thủy chứng kiến trình thử nghiệm TNCMH Hình PL 16 Hình ảnh sinh viên, giảng viên nhà khoa học Bộ môn Máy tàu thủy chứng kiến trình thử nghiệm TNCMH 33/PL ... Nghiên cứu chế hình thành phát triển cặn lắng buồng cháy động diesel Luận án tập trung nghiên cứu chế hình thành phát triển cặn lắng buồng cháy động diesel thông qua thử nghiệm tạo cặn mơ hình. .. đến chế hình thành phát triển cặn lắng buồng cháy động làm sở định hướng nội dung chi tiết nghiên cứu; - Nghiên cứu lý thuyết chế hình thành phát triển cặn lắng buồng cháy động cơ; - Nghiên cứu. .. tả xu hướng hình thành phát triển cặn lắng buồng cháy động vii Bố cục luận án Mở đầu Chương Tổng quan vấn đề nghiên cứu Chương Cơ sở lý thuyết hình thành cặn lắng buồng cháy động diesel Chương