Với sự lo ngại về tác hại của ô nhiễm không khí, các tiêu chuẩn phát thải từ xe cộ ngày càng trở nên nghiêm ngặt. Những quy định này giúp giảm đáng kể lượng carbon monoxide, hydrocarbon, nitrogen oxides và các hạt bụi phát sinh từ giao thông. Tiêu chuẩn phát thải mức 7 của EU sẽ có hiệu lực vào năm 2026, siết chặt quy định bằng cách đặt ngưỡng phát thải cho các hạt có kích thước 10 nanomet và yêu cầu thử nghiệm phát thải ở nhiệt độ thấp dưới -7°C.
Theo thông tin từ các phương tiện truyền thông nước ngoài, để cải thiện quá trình đốt cháy và giảm phát thải hạt bụi, các nhà nghiên cứu của Đại học Doshisha đã tiết lộ cách mà sương xăng hình thành màng trong động cơ phun trực tiếp. Nghiên cứu này cung cấp cái nhìn giá trị về ảnh hưởng của các điều kiện lạnh đến sự hình thành màng và đóng góp của nó vào phát thải hạt bụi.
Nhóm nghiên cứu được lãnh đạo bởi Tiến sĩ Dai Matsuda, cựu sinh viên tiến sĩ của Đại học Doshisha và hiện là nhà nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ Công nghiệp Nhật Bản. Jiro Senda và Eriko Matsumura cũng là thành viên của nhóm nghiên cứu.
Xe ô tô phun xăng trực tiếp rất phổ biến vì có hiệu suất nhiên liệu cao hơn, tiết kiệm 10% – 20% so với hệ thống phun qua đường vào. Tuy nhiên, việc phun nhiên liệu gần vị trí động cơ có thể làm giảm thời gian bốc hơi và hòa trộn với không khí, dẫn đến hỗn hợp nhiên liệu đặc hơn và tăng cường lắng đọng trên bề mặt xilanh. Điều này có thể dẫn đến sự đốt cháy không hoàn toàn và tăng hàm lượng hạt bụi trong khí thải. Tiến sĩ Matsuda cho biết: “Khi một lượng nhiên liệu nhất định được phun vào, một phần trong số đó sẽ va chạm vào bề mặt, một phần sẽ bám vào bề mặt, mà không có màng vỡ là số lượng cuối cùng. Nghiên cứu này nhằm làm sáng tỏ mối quan hệ giữa hiện tượng và khối lượng trong quá trình hình thành màng.”
Để mô phỏng sự hình thành màng trên bề mặt xilanh của động cơ, các nhà nghiên cứu đã phun iso-octane vào bề mặt có thể kiểm soát nhiệt độ và áp suất phun. Iso-octane được chọn bởi vì hành vi của nó ở nhiệt độ thấp tương tự như xăng. Trong thiết bị này, iso-octane được phun vào bề mặt với góc 45 độ thông qua một bộ phun được làm lạnh bằng đá khô. Nhiệt độ bề mặt được điều chỉnh thông qua một bộ trao đổi nhiệt được kết nối trực tiếp với bên cạnh. Sau đó, bề mặt được đặt trong một container kín bằng nitơ để loại bỏ ảnh hưởng của độ ẩm trong không khí.
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng hai phương pháp để đo khối lượng sương nhiên liệu bám trên bề mặt: một là phương pháp hấp thụ, tức là cân trọng lượng của bông gòn đặt trên bề mặt sau khi phun nhiên liệu; phương pháp còn lại là phương pháp huỳnh quang laser chỉ thị phản xạ toàn phần (TIR-LIF), tức là sử dụng laser để phát hiện huỳnh quang của các chất đánh dấu hòa trộn với nhiên liệu. Các thí nghiệm cho thấy khi sương xăng va chạm với bề mặt, theo thời gian, có nhiều nhiên liệu bám vào bề mặt hơn, dẫn đến màng dày hơn. Độ dày này đạt tối đa khi kết thúc quá trình phun. Sau độ cao này, lượng nhiên liệu bám trên bề mặt nhanh chóng giảm, sau đó ổn định. Điều này cho thấy màng sẽ bị vỡ sau khi phun dừng lại.
Khi nhiệt độ phun nhiên liệu là 253 K (trên -20.15°C), tỷ lệ va chạm của sương xăng vào bề mặt (tức là tỷ lệ lượng nhiên liệu va vào bề mặt so với tổng lượng nhiên liệu phun) tăng 8.4% so với 293 K (19.85°C). Điều này do nhiên liệu lạnh dày hơn và không thể atom hóa hiệu quả, dẫn đến ít nhưng giọt lớn hơn va chạm vào bề mặt. Tuy nhiên, hiệu suất bám của giọt lớn thấp hơn giọt nhỏ và phân tán hơn, và cuối cùng sẽ rơi khỏi màng sau khi phun dừng lại. Hơn nữa, áp suất phun cao hơn dẫn đến nhiều nhiên liệu hơn bắn lên bề mặt, giảm lượng nhiên liệu cuối cùng bám lại. Tiến sĩ Matsuda cho biết: “Nhiên liệu lạnh làm tăng tỷ lệ va chạm của sương xăng, dẫn đến tỷ lệ bám dính vào bề mặt cao hơn.”
Những phát hiện này cung cấp cái nhìn chi tiết về sự hình thành màng, giúp tối ưu hóa chiến lược phun nhiên liệu và phát triển động cơ phun trực tiếp sạch hơn, hiệu quả hơn.
