HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM PHÂN TÍCH ẢNH HƢỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐỈNH PISTON ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH CẶN LẮNG BUỒNG ĐỐT ĐỘNG CƠ DIESEL Phạm Văn Việt1, Nguyên Lan Hƣơng1, Lƣơng Công Nhớ1, Trần Quang Vinh2 Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội TÓM TẮT: Động diesel nguồn động lực có hiệu suất cao nên sử dụng nhiều phương tiện vận tải hạng nặng Bài báo thực nghiên trạng thái tương tác phần tử nhiên liệu với bề mặt, q trình bay tình trạng khơ hay ướt nhiên liệu Đó yếu tố làm gia cứu ảnh hưởng nhiệt độ bề mặt đỉnh piston đến hình thành cặn lắng buồng cháy động diesel thơng qua mơ hình thực nghiệm Sự thay đổi nhiệt độ bề mặt nóng tác động đến tăng hình thành cặn lắng đỉnh piston nói riêng buồng cháy động diesel nói chung Từ khóa: cặn lắng, nhiên liệu, động diesel, piston ĐẶT VẤN ĐỀ Quá trình tạo cặn lắng buồng đốt động tượng phức tạp gây nhiều vấn đề khác cho động giảm hiệu suất, tăng lượng phát thải dẫn đến hư hỏng động diesel [1] Có nhiều nguyên nhân sinh cặn lắng buồng cháy động diesel, nguyên nhân chủ yếu cháy khơng hồn tồn nhiên liệu diesel, bên cạnh số nghiên cứu cho biết dầu bơi trơn ngun nhân cặn buồng đốt [2] Sự có mặt thành phần dầu bơi trơn yếu tố dư lượng tro, lượng dư vật liệu vơ hydrocarbon có điểm sơi cao tìm thấy nghiên cứu chứng minh đóng góp dầu bơi trơn q trình tạo cặn Sự phát triển mức độ cặn lắng đoạn đầu trình lắng đọng, điều kiện chồng chéo tượng cạnh tranh khác suốt trình hình thành, tác dụng làm mát, tác dụng truyền nhiệt hiệu ứng phản ứng hóa học [2, 3] Những yếu tố định tồn độ ẩm số lượng cặn tích lũy Nhiệt độ bề mặt nóng khác làm thay đổi tương tác phân tử nhiên liệu bề mặt, q trình bay tình trạng khơ hay ướt [3] bề mặt nóng phụ thuộc vào khoảng cách xảy va chạm phân tử, nhiệt độ bề mặt nóng, loại nhiên liệu, độ cặn lắng ban đầu, giai buồng cháy động diesel thông qua mơ hình thực nghiệm xác định hình thành cặn bề mặt nóng cần thiết MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM TẠO CẶN TRÊN BỀ MẶT NĨNG Mơ hình thiết bị mơ tả Hình 1, mơ hình tiến hành thí nghiệm thí nghiệm tạo giọt, thí nghiệm bay thí nghiệm tạo cặn bề mặt nóng 2.1 Trang thiết bị thử nghiệm Như vậy, thay đổi nhiệt độ bề mặt nóng đỉnh piston yếu tố làm gia tăng hình thành cặn lắng đỉnh piston nói riêng buồng cháy động diesel nói chung Do đó, nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ bề mặt đỉnh piston đến hình thành cặn lắng Trang 339 HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Hình Sơ đồ bố trí thiết bị tạo giọt liên tục [5] Tấm hợp kim nhôm; Bộ gia nhiệt; Cảm biến phát giọt; Kim phun; Van tiết lưu; Ống dẫn nhiên liệu; Bình nhiên liệu; Cảm biến nhiệt độ; Bộ điều khiển nhiệt độ; 10 Bộ thu tín hiệu phát giọt; 11 Bộ phát xung; 12 Bộ điều hòa xung; 13 Bộ đếm Một đỉnh piston hợp kim nhôm (AC9A) dùng coi bề mặt nóng Các gia nhiệt điện nhiệt độ bề mặt điều khiển điều khiển nhiệt độ Nhiệt độ bề mặt đo cặp nhiệt ngẫu, lắp tâm phía bề mặt nóng mơ tả Hình Tuy nhiên, nhiệt độ đo cặp nhiệt ngẫu phản ánh xác nhiệt độ bề mặt thực nhiệt từ bề mặt Vì vậy, có thêm nhiệt kế hồng ngoại sử dụng để đo nhiệt độ bề mặt xác Đầu kim phun nhiên liệu nằm điểm tâm 80 mm (L) để tránh làm nóng nhiên liệu trước thí nghiệm hạn chế lỗi xảy thiếu hụt lượng giọt lớn trình va chạm Khoảng thời gian va chạm (τimp) kiểm soát cách điều chỉnh van tiết lưu Số giọt va chạm (ND) tính cách sử dụng máy dò laser hồng ngoại thiết bị đếm Hình Bộ thiết bị thí nghiệm tạo cặn lắng bề mặt nóng Trang 340 HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM 2.2 Phƣơng pháp thử nghiệm Các giọt nhiên liệu chảy từ két chứa liên tục va chạm với bề mặt nóng khoảng thời gian va chạm khác Cứ sau 1000 giọt, khối lượng cặn đo hình ảnh cặn chụp lại Do thay đổi vi lượng nhỏ, bề mặt nóng cần làm mát trước đo tổng lượng cặn sau 1000 giọt để kiểm soát tác động việc thay đổi nhiệt trình lắng đọng Trong đó, nhiệt độ bề mặt nóng liên quan đến nhiệt độ định (Ti [°C]) nhiệt độ bề mặt (TS [°C]), ban đầu đo cặp nhiệt ngẫu sau đo nhiệt kế hồng ngoại Điều kiện thử nghiệm tạo cặn nhiên liệu bề mặt nóng trình bày Bảng Trong thử nghiệm này, nhiệt độ bề mặt nóng thiết lập từ 270oC đến 367oC Nhiệt độ nằm phạm vi nhiệt độ bề mặt vách buồng cháy động diesel Dữ liệu cho nhiệt độ bề mặt tối đa tối thiểu cặn (Td[oC]) khoảng thời gian va chạm thu thập cách sử dụng nhiệt kế hồng ngoại (IR-MINOLTA 308) với phát xạ 0,90 Bảng Điều kiện thử nghiệm tạo cặn lắng bề mặt nóng [7] Thử nghiệm Ảnh hƣởng nhiệt độ bề mặt đến hình thành cặn lắng nhiên liệu diesel Loại nhiên liệu Thời gian va chạm giọt với vách Nhiệt độ bề mặt vách (s) TS (oC) 270, 306, 352, 367 DF1,0%S (TCVN5659) KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM 3.1 Đặc tính bay nhiên liệu Đặc tính bay nhiên liệu diesel thường (DF) thể Hình Nhiệt độ MEP (điểm hóa cực đại) TS = 357°C cao so với nhiệt độ sôi cuối nhiên liệu DF 327, Do nhiên liệu nhiều thành phần sử dụng nghiên cứu này, nhiệt độ làm lạnh thứ cấp tính phương trình (1) [5] ∆TSUB= TS – TMEP (1) Nhiệt độ làm lạnh thứ cấp liên quan đến khác biệt nhiệt độ nhiệt độ bề mặt kiểm tra nhiệt độ MEP Hình Đặc điểm bay nhiên liệu diesel thường (DF) 3.2 Sự hình thành phát triển cặn lắng bề mặt nóng Sự hình thành phát triển cặn DF nhiệt độ bề mặt khác thể Hình Trang 341 HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Kết phân tích liệu thực nghiệm phương pháp phân tích hồi quy cho thấy, khối lượng tiêu chuẩn cặn MR/mD tăng tuyến tính theo hàm log với tần suất va chạm Để mô tả phát triển cặn, mối quan hệ thực nghiệm biểu diễn phương trình: MR   N D mD (2) MR = tổng lượng cặn bề mặt nóng [g] mD = khối lượng riêng giọt nhiên liệu đơn [g] ND = số giọt tương tác α = hệ số đánh giá tạo cặn giai đoạn ban đầu [-] β = hệ số đánh giá phát triển cặn [-] Các giá trị α β cho giai đoạn phát triển cặn Hình cung cấp Bảng Hình Sự hình thành phát triển cặn lắng bề mặt nóng Bảng 2: Hệ số α β nhiệt độ bề mặt khác [7] Nhiệt độ bề o mặt ( C) TS = 270 TS = 306 TS = 327 TS = 352 TS = 367 6,0.10-5 1,43 1,7.10-1 0,42 -12 2,0.10 3,32 1,8.10-3 0,62 4,1.10-1 0,04 3,2.10-3 0,57 2,1.10-2 0,29 2,1.10-2 0,29 7,5.10-4 0,56 Điều kiện không chồng chéo khô Khi tần suất tăng, nhiệt độ bề mặt cao nên xu nhiệt độ bề mặt 327°C, 352°C, 367°C hướng tạo cặn so với bề mặt nhiệt độ thấp 306°C Ở tần suất 19000 giọt, TS = 270°C, lượng cặn tích Có hai loại phát triển cặn: loại có bước phát lũy MR = 54,8 mg, cao gấp 45 lần so với lượng triển loại có bước phát triển Khi nhiệt độ bề cặn tích lũy TS = 367°C với MR = 1,2 mg Ở tần mặt 270°C, 306°C 327°C (thấp nhiệt độ suất 9000 giọt, TS = 327°C (thấp 30°C so với MEP), trình phát triển có giai đoạn Trong MEP), MR = 3,3 mg Khi TS = 352°C (thấp nhiệt độ bề mặt 352°C, 367°C gần 5°C so với nhiệt độ MEP), MR = 1,5 mg, giảm nhiệt độ MEP, q trình phát triển có giai 55% Khi TS = 367°C (cao nhiệt độ MEP đoạn 10°C) MR = 1,0 mg, 70% so với 327°C Ban KẾT LUẬN đầu, tần suất nhỏ 1000 giọt, lượng cặn tích tụ nhỏ lượng cặn điều kiện Từ kết thực nghiệm nêu trên, rút 327°C 352°C hình thành Sau đó, với tần số kết luận sau: suất lớn 1000 giọt, nhiệt độ bề mặt 270°C Nhiệt độ bề mặt đỉnh piston mơ hình thực cho lượng cặn lớn sau lượng cặn nghiệm có ảnh hưởng lớn đến trạng thái tương tác giọt nhiên liệu bề mặt vách, thời gian Trang 342 HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM bay điều kiện ẩm hay khô Các tác động làm thay đổi tốc độ hình thành phát triển cặn lắng bề mặt đỉnh piston Kết thực nghiệm cho thấy khối lượng cặn hình thành lớn nhiệt độ bề mặt đỉnh piston thấp Ở nhiệt độ 270oC khối lượng cặn tích lũy lớn nhất, nhiệt độ 367oC lượng cặn thu nhỏ Phân tích theo nhiệt độ bề mặt đỉnh piston cho thấy có hai loại trình phát triển cặn lắng: nhiệt bề mặt piston thấp nhiệt độ MEP trình phát triển cặn lắng theo giai đoạn, nhiệt độ cao nhiệt độ MEP trình phát triển cặn lắng trải qua giai đoạn Xu hướng hình thành cặn lắng bề mặt nóng giảm nhiệt độ bề mặt đỉnh piston gần nhiệt độ MEP TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ullmann J, Geduldig M, Stutzenberger H, Caprotti R, Balfour G Investigation into formation and prevention of internal diesel injector deposits SAE paper 2008; No.200801-0926 [2] Stępień Z, Intake valve and combustion chamber deposits formation – the engine and fuel related factors that impacts their growth; Nafta-Gaz, No 4/2014 p 28 – 34 Wydawnictwo Instytutu Nafty I Gazu ISSN 0867-887 [3] Jonkers RK, Bardon MF, Gardiner DP Techniques for predicting combustion chamber deposits in a direct injection diesel engine SAE paper 2002; No.2002-01-2673 [4] Ra Y, Reitz RD, Jarret MW, Shyu TP Effects of piston crevice flows and lubricant oil vaporization on diesel engine deposits SAE paper 2006; No.2006-01-1149 [5] Hallett WLH A simple model for the vaporization of droplets with large numbers of components Combustion and Flame; 121: 334-344 (2000) [6] Mizomoto M and Ikai S Evaporation and ignition of a fuel droplet on a hot surface (Part 4, Model of evaporation and ignition) Combustion and Flame; 51: 95-104 (1983) [7] Phạm Văn Việt, Phân tích đánh giá ảnh hưởng nhiệt độ bề mặt đỉnh piston đến hình thành cặn lắng buồng cháy động diesel tàu thủy trung tốc cỡ nhỏ, 6/2017, NCKH cấp Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam ANALYSING THE EFFECT OF THE PISTON TOP TEMPERATURES ON COMBUSTION CHAMBER DEPOSIT FORMATION ABSTRACT: Diesel engines are used in most of heavy duty vehicles due to their good performance This article studies experimentally the effect of surface temperature of the piston bowl on the combustion chamber deposit formation The changes of hot surface temperature impacted on the interaction of fuel elements with the surface, the evaporation and the dryness or wetness of fuel That is a major factor to increase formation of deposits on the piston bowl in particular and combustion chamber of diesel engine in general Keywords: deposits, fuel, diesel engine, piston Trang 343 ... quan đến khác biệt nhiệt độ nhiệt độ bề mặt kiểm tra nhiệt độ MEP Hình Đặc điểm bay nhiên liệu diesel thường (DF) 3.2 Sự hình thành phát triển cặn lắng bề mặt nóng Sự hình thành phát triển cặn. .. khơ Các tác động làm thay đổi tốc độ hình thành phát triển cặn lắng bề mặt đỉnh piston Kết thực nghiệm cho thấy khối lượng cặn hình thành lớn nhiệt độ bề mặt đỉnh piston thấp Ở nhiệt độ 270oC khối... triển cặn lắng theo giai đoạn, nhiệt độ cao nhiệt độ MEP trình phát triển cặn lắng trải qua giai đoạn Xu hướng hình thành cặn lắng bề mặt nóng giảm nhiệt độ bề mặt đỉnh piston gần nhiệt độ MEP