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

HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại 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
1

Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam

2

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

TÓM TẮT:
Động cơ diesel là nguồn động lực có hiệu suất
cao nên được sử dụng nhiều trên các phương tiện
vận tải hạng nặng. Bài báo này thực hiện nghiên

trạng thái tương tác của phần tử nhiên liệu với bề
mặt, quá trình bay hơi và tình trạng khô hay ướt
của nhiên liệu. Đó là một yếu tố chính làm gia

cứu ảnh hưởng của nhiệt độ bề mặt đỉnh piston
đến sự hình thành cặn lắng trong buồng cháy
động cơ diesel thông qua mô hình thực nghiệm.
Sự thay đổi nhiệt độ bề mặt nóng tác động đến

tăng sự hình thành cặn lắng trên đỉnh piston nói
riêng và trong buồng cháy động cơ diesel nói
chung.

Từ khóa: cặn lắng, nhiên liệu, động cơ diesel, piston.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Quá trình tạo cặn lắng trong buồng đốt của động
cơ là một hiện tượng phức tạp gây ra nhiều vấn
đề khác nhau cho động cơ như giảm hiệu suất,
tăng lượng phát thải và có thể dẫn đến hư hỏng
động cơ diesel [1]. Có rất nhiều nguyên nhân sinh
ra cặn lắng trong buồng cháy động cơ diesel,
nguyên nhân chủ yếu là do sự cháy không hoàn
toàn của nhiên liệu diesel, bên cạnh đó một số
nghiên cứu cho biết dầu bôi trơn là nguyên nhân
chính của cặn buồng đốt [2]. Sự có mặt của các
thành phần dầu bôi trơn và các yếu tố như dư
lượng tro, lượng dư vật liệu vô cơ và hydrocarbon
có điểm sôi cao tìm thấy trong các nghiên cứu đã
chứng minh sự đóng góp của dầu bôi trơn trong
quá trình tạo cặn. Sự phát triển mức độ cặn lắng

đoạn đầu của quá trình lắng đọng, điều kiện
chồng chéo và hiện tượng cạnh tranh khác trong
suốt quá trình hình thành, như tác dụng làm mát,
tác dụng truyền nhiệt và hiệu ứng của phản ứng
hóa học [2, 3]. Những yếu tố này quyết định sự
tồn tại của độ ẩm và số lượng cặn tích lũy. Nhiệt
độ bề mặt nóng khác nhau làm thay đổi sự tương
tác của phân tử nhiên liệu trên bề mặt, quá trình
bay hơi và tình trạng khô hay ướt [3].

trên bề mặt nóng phụ thuộc vào khoảng cách xảy

ra sự va chạm giữa các phân tử, nhiệt độ bề mặt
nóng, loại nhiên liệu, độ cặn lắng ban đầu, giai

trong buồng cháy động cơ diesel thông qua mô
hình thực nghiệm xác định sự hình thành cặn trên
bề mặt nóng là cần thiết.

2. MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM TẠO CẶN TRÊN
BỀ MẶT NÓNG

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

2.1. Trang thiết bị thử nghiệm

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

Trang 339


HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM

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

1. Tấm hợp kim nhôm; 2. Bộ gia nhiệt; 3. Cảm biến phát hiện giọt; 4. Kim phun; 5. Van tiết lưu;
6. Ống dẫn nhiên liệu; 7. Bình nhiên liệu; 8. Cảm biến nhiệt độ; 9. Bộ điều khiển nhiệt độ; 10. Bộ thu tín
hiệu phát hiện giọt; 11. Bộ phát xung; 12. Bộ điều hòa xung; 13. Bộ đếm.
Một đỉnh piston bằng hợp kim nhôm (AC9A)
được dùng và coi như tấm bề mặt nóng. Các tấm
này được gia nhiệt bằng điện và nhiệt độ bề mặt
của nó được điều khiển bởi một bộ điều khiển
nhiệt độ. Nhiệt độ bề mặt được đo bằng một cặp
nhiệt ngẫu, được lắp tại tâm và phía dưới tấm bề
mặt nóng như mô tả trên Hình 2. Tuy nhiên, nhiệt
độ đo bằng cặp nhiệt ngẫu không thể phản ánh
chính xác nhiệt độ bề mặt thực sự của tấm do
mất nhiệt từ bề mặt của nó. Vì vậy, có thêm một

nhiệt kế hồng ngoại được sử dụng để đo nhiệt độ
bề mặt chính xác hơn. Đầu kim phun nhiên liệu
nằm trên điểm tâm của tấm 80 mm (L) để tránh
làm nóng nhiên liệu trước thí nghiệm và hạn chế
lỗi xảy ra do sự thiếu hụt lượng giọt lớn trong quá
trình va chạm. Khoảng thời gian va chạm (τimp)
được kiểm soát bằng cách điều chỉnh van tiết lưu.
Số giọt va chạm (ND) được tính bằng cách sử
dụng một máy dò laser hồng ngoại và thiết bị
đếm.

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

Trang 340

HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM

2.2. Phƣơng pháp thử nghiệm
Các giọt nhiên liệu chảy từ két chứa và liên tục va
chạm với bề mặt nóng trong những khoảng thời
gian va chạm khác nhau. Cứ sau 1000 giọt, khối
lượng cặn được đo và hình ảnh cặn được chụp
lại. Do sự thay đổi vi lượng là rất nhỏ, bề mặt
nóng cần được làm mát trước khi đo tổng lượng
cặn sau mỗi 1000 giọt.

để kiểm soát tác động của việc thay đổi nhiệt
trong quá trình lắng đọng. Trong khi đó, nhiệt độ
bề mặt tấm nóng liên quan đến nhiệt độ chỉ định
(Ti [°C]) và nhiệt độ bề mặt (TS [°C]), ban đầu
được đo bởi một cặp nhiệt ngẫu và sau đó đo
bằng một nhiệt kế hồng ngoại.
Điều kiện thử nghiệm tạo cặn của nhiên liệu trên
bề mặt nóng được trình bày trong Bảng 1. Trong
thử nghiệm này, nhiệt độ bề mặt nóng đã được
thiết lập từ 270oC đến 367oC. Nhiệt độ này nằm
trong phạm vi nhiệt độ bề mặt của vách buồng
cháy động cơ diesel.

Dữ liệu cho nhiệt độ bề mặt tối đa và tối thiểu của
cặn (Td[oC]) trong khoảng thời gian va chạm đã
được thu thập bằng cách sử dụng một nhiệt kế

hồng ngoại (IR-MINOLTA 308) với phát xạ 0,90
Bảng 1. Điều kiện thử nghiệm tạo cặn lắng trên bề mặt nóng [7]

Thử nghiệm

Ảnh hƣởng của nhiệt
độ bề mặt đến sự
hình thành cặn lắng
của nhiên liệu diesel

Loại nhiên
liệu

Thời gian va chạm
của giọt với vách

Nhiệt độ bề mặt
vách

(s)

TS (oC)

5

270, 306,
352, 367

DF1,0%S
(TCVN5659)

3. KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM
3.1. Đặc tính bay hơi của nhiên liệu
Đặc tính bay hơi của nhiên liệu diesel thường
(DF) được thể hiện trên Hình 3. Nhiệt độ MEP
(điểm hóa hơi cực đại) là TS = 357°C và cao hơn
so với nhiệt độ sôi cuối cùng của nhiên liệu DF.

327,

Do nhiên liệu nhiều thành phần được sử dụng
trong nghiên cứu này, nhiệt độ làm lạnh thứ cấp
được tính bởi phương trình (1) [5].
∆TSUB= TS – TMEP
(1)
Nhiệt độ làm lạnh thứ cấp liên quan đến sự khác
biệt nhiệt độ giữa nhiệt độ bề mặt kiểm tra và
nhiệt độ MEP.

Hình 3. Đặc điểm bay hơi nhiên liệu diesel thường (DF)
3.2. Sự hình thành và phát triển cặn lắng trên
bề mặt nóng

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

Trang 341


HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017

Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM

Kết quả phân tích dữ liệu thực nghiệm bằng
phương pháp phân tích hồi quy cho thấy, khối
lượng tiêu chuẩn của cặn MR/mD tăng tuyến tính
theo hàm log với tần suất va chạm. Để mô tả sự
phát triển cặn, các mối quan hệ thực nghiệm có
thể được biểu diễn bởi phương trình:

MR
  N D
mD

(2)

MR = tổng lượng cặn trên bề mặt nóng [g]
mD = khối lượng riêng của một giọt nhiên liệu
đơn [g]
ND = số giọt tương tác
α = hệ số đánh giá sự tạo cặn trong giai đoạn
ban đầu [-]
β = hệ số đánh giá sự phát triển của cặn [-]
Các giá trị α và β cho từng giai đoạn phát triển
cặn trong Hình 4 được cung cấp trong Bảng 2.

Hình 4. Sự hình thành và phát triển cặn lắng trên bề mặt nóng
Bảng 2: Hệ số α và β đối với nhiệt độ bề mặt khác nhau [7]
Nhiệt độ bề
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 và khô
Khi tần suất tăng, nhiệt độ bề mặt cao hơn nên xu
nhiệt độ bề mặt ở 327°C, 352°C, 367°C và
hướng tạo cặn ít hơn 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 2 bước phát
lũy là MR = 54,8 mg, cao gấp 45 lần so với lượng
triển và loại có 1 bước phát triển. Khi nhiệt độ bề
cặn tích lũy TS = 367°C với MR = 1,2 mg. Ở tần
mặt là 270°C, 306°C và 327°C (thấp hơn nhiệt độ
suất 9000 giọt, TS = 327°C (thấp hơn 30°C so với
MEP), quá trình phát triển có 2 giai đoạn. Trong
MEP), MR = 3,3 mg. Khi TS = 352°C (thấp hơn
khi nhiệt độ bề mặt là 352°C, 367°C và rất gần
5°C so với nhiệt độ MEP), MR = 1,5 mg, giảm
nhiệt độ MEP, quá trình phát triển chỉ có 1 giai
55%. Khi TS = 367°C (cao hơn nhiệt độ MEP
đoạn.
10°C) MR = 1,0 mg, ít hơn 70% so với 327°C. Ban
4. KẾT LUẬN
đầu, khi tần suất nhỏ hơn 1000 giọt, lượng cặn
tích tụ nhỏ hơn lượng cặn ở các điều kiện tại
Từ các kết quả thực nghiệm nêu trên, có thể rút
327°C và 352°C sẽ hình thành. Sau đó, với tần
ra một số kết luận như sau:
suất lớn hơn 1000 giọt, nhiệt độ bề mặt ở 270°C
Nhiệt độ bề mặt đỉnh piston trong mô hình thực
cho lượng cặn lớn nhất sau đó là lượng cặn ở
nghiệm có ảnh hưởng lớn đến trạng thái tương
tác của giọt nhiên liệu và bề mặt vách, thời gian

Trang 342

HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM

bay hơi và điều kiện ẩm hay khô. Các tác động đó
làm thay đổi tốc độ hình thành và phát triển của
cặn lắng trên bề mặt đỉnh piston.
Kết quả thực nghiệm cho thấy khối lượng cặn
hình thành lớn hơn khi nhiệt độ bề mặt đỉnh
piston thấp hơn. Ở nhiệt độ 270oC khối lượng cặn
tích lũy là lớn nhất, trong khi ở nhiệt độ 367oC
lượng cặn thu được là nhỏ nhất.
Phân tích theo nhiệt độ bề mặt đỉnh piston cho
thấy có hai loại quá trình phát triển của cặn lắng:

nếu nhiệt bề mặt piston thấp hơn nhiệt độ MEP
thì quá trình phát triển cặn lắng theo 2 giai đoạn,
trong khi nếu nhiệt độ đó cao hơn nhiệt độ MEP
thì quá trình phát triển cặn lắng chỉ trải qua 1 giai
đoạn.
Xu hướng hình thành cặn lắng trên bề mặt nóng
giảm khi nhiệt độ bề mặt đỉnh piston càng gần
nhiệt độ MEP.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Ullmann J, Geduldig M, Stutzenberger H,
Caprotti R, Balfour G. Investigation into
formation and prevention of internal diesel
injector deposits. SAE paper 2008; No.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 và đánh giá ảnh
hưởng của nhiệt độ bề mặt đỉnh piston đến
sự hình thành cặn lắng trong buồng cháy
của động cơ diesel tàu thủy trung tốc cỡ nhỏ,
6/2017, NCKH cấp Trường Đại học Hàng
Hải Việt Nam.

ANALYSING THE EFFECT OF THE PISTON TOP TEMPERATURES ON
COMBUSTION CHAMBER DEPOSIT FORMATION

ABSTRACT:
Diesel engines are used in most of heavy
duty vehicles due to their good performance. This
article studies experimentally the effect of surface
temperature of the piston bowl on the combustion
chamber deposit formation. The changes of hot
surface temperature impacted on the interaction of

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

Keywords: deposits, fuel, diesel engine, piston

Trang 343