Môi Trường - Khí Thải Động Cơ Đốt Trong phần 3 docx

Chương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
47

Những chất còn lại trong hỗn hợp sau khi màng lửa đi qua không phải là nguồn
phát sinh HC chính đo được trên đường xả của động cơ đốt trong. Hình 4.11 biểu diễn sự
biến thiên nồng độ các thành phần hydrocarbure theo góc quay trục khuỷu đo được trên
thành buồng cháy của động cơ một cylindre. Chúng ta thấy rằng, ngay khi màng lửa đi
qua, nồng độ HC đo được thấp hơn HC có mặt trong khí xả. Vào cuối chu trình, nồng độ
HC lại tăng lên. Thật vậy, khi màng lửa đã lan đến khu vực gần thành thì nó bị dập tắt và
chính HC thoát ra từ các vùng không bị cháy đóng vai trò chủ yếu trong việc làm tăng
nồng độ HC.

4.3.2. Cơ chế tôi màng lửa

Tôi màng lửa hay sự dập tắt màng lửa diễn ra khi nó tiếp xúc với thành buồng
cháy. Quá trình tôi màng lửa có thể xảy ra trong những điều kiện khác nhau: màng lửa bị
làm lạnh khi tiếp xúc với thành trong quá trình dịch chuyển hoặc màng lửa bị dập tắt trong
những không gian nhỏ liên thông với buồng cháy, chẳng hạn như khe hở giữa piston và
thành cylindre (hình 4.12).











Hình 4.12: Sự hình thành HC do tôi màng lửa

trên thành buồng cháy


Khi màng lửa bị tôi, nó giải phóng một lớp mỏng hỗn hợp chưa cháy hay cháy
không hoàn toàn trên các bề mặt tiếp xúc (culasse, piston, cylindre, soupape ) hay ở
những không gian chết.

Bề dày của vùng bị tôi phụ thuộc vào những yếu tố khác nhau: nhiệt độ và áp suất
của hỗn hợp khí, tốc độ lan tràn màng lửa, hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, tình trạng bề
mặt của thành buồng cháy, lớp muội than, nhiệt độ thành buồng cháy Người ta có thể sử
dụng những công thức thực nghiệm để tính kích thước bé nhất của không gian chết để
màng lửa có thể đi qua mà không bị dập tắt.

Quá trình tôi màng lửa diễn ra theo hai giai đoạn: trong giai đoạn đầu, màng lửa bị
tắt khi nhiệt lượng hấp thụ vào thành buồng cháy cân bằng với nhiệt lượng do màng lửa
tỏa ra. Vài giây sau khi tôi, do diễn ra sự khuếch tán hay sự oxy hóa nên nồng độ HC tại
khu vực này nhỏ hơn nồng độ đo được khi tôi. Mặt khác, những hydrocarbure thoát ra
trong quá trình oxy hóa ban đầu do màng lửa bị dập tắt có thể bị oxy hóa trong quá trình
Sản ph
ẩ
m
cháy

H
ỗ
n hợp
chưa cháy
Vùng
màng lửa
bị kẹt

Chương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
48
giãn nở hay thải.

Cuối cùng lớp dầu bôi trơn trên mặt gương cylindre có thể hấp thụ hydrocarbure,
nhất là các hydrocarbure trước khi bén lửa và thải HC ra hỗn hợp cháy trong kì giãn nở.
Quá trình hấp thụ và thải HC như vừa nêu đôi khi là nguồn phát sinh HC quan trọng trong
khí xả động cơ đốt trong.

4.4. Sự phát sinh HC trong quá trình cháy của động cơ
đánh lửa cưỡng bức


Khí xả động cơ xăng thường có chứa từ 1000 đến 3000ppmC, tương ứng với
khoảng từ 1 đến 2,5% lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ. Như đã trình bày trên hình
1.1, nồng độ HC tăng nhanh theo độ đậm đặc của hỗn hợp. Tuy nhiên, khi độ đậm đặc của
hỗn hợp quá thấp, HC cũng tăng do sự bỏ lửa hay do sự cháy không hoàn toàn diễn ra ở
một số chu trình công tác. Sự hình thành HC trong động cơ đánh lửa cưỡng bức có thể
được giải thích theo các cơ chế sau đây (hình 4.13):

- Sự tôi màng lửa khi tiếp xúc với thành tạo ra một lớp hỗn hợp không bị bén lửa
trên mặt thành buồng cháy.

- Hỗn hợp chứa trong các không gian chết không cháy được do màng lửa bị dập
tắt.

- Hơi nhiên liệu hấp thụ vào lớp dầu bôi trơn trên mặt gương cylindre trong giai
đoạn nạp và nén và thải ra trong giai đoạn giãn nở và cháy.

- Sự cháy không hoàn toàn diễn ra ở một số chu trình làm việc của động cơ (cháy
cục bộ hay bỏ lửa) do sự thay đổi độ đậm đặc, thay đổi góc đánh lửa sớm hay hồi lưu khí
xả, đặc biệt khi gia giảm tốc độ.

Mặt khác, muội than trong buồng cháy cũng có thể gây ra sự gia tăng mức độ phát
sinh ô nhiễm do sự thay đổi các cơ chế trên đây. Tấ
t cả những quá trình này (trừ trường
hợp bỏ lửa) làm gia tăng nồng độ HC chưa cháy ở gần thành buồng cháy chứ không phải
trong toàn bộ thể tích buồng cháy. Trong quá trình thải có thể xuất hiện hai đỉnh cực đại
của nồng độ HC: đỉnh thứ nhất tương ứng với đại bộ phận HC sinh ra trong quá trình cháy
chính, đỉnh thứ hai xuất hiện vào cuối kì thải ở thời điểm nh
ững bộ phận HC cuối cùng
thoát ra khỏi cylindre trong điều kiện lưu lượng khí xả đã giảm.








Lớp d
ầ
u bôi
trơn hấp thụ
HC

Lớp muội than
hấp thụ HC

H
ỗ
n hợp chưa
cháy bị nén
vào không
gian chết

Màng lửa
H
ỗ
n hợp cháy
không hoàn
toàn là nguồn
phát sinh HC

HC trên thành
cylindre bị
kéo theo dòng
khí x
ả
Lớp muội than
giải phóng HC
NÉN
CHÁY
Chương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
49

Hình 4.13: Sơ đồ các nguồn phát sinh HC

4.4.1. Tôi màng lửa trên thành buồng cháy

Bề dày của lớp bị tôi thay đổi từ 0,05 đến 0,4mm phụ thuộc vào chế độ tải của
động cơ. Khi tải càng thấp thì lớp bị tôi càng dày. Sự hiện diện của aldehyde dạng HCHO
hay CH
3
CHO trong lớp tôi chứng tỏ rằng khu vực lớp tôi là nơi diễn ra các phản ứng oxy
hóa ở nhiệt độ thấp. Sau khi màng lửa bị dập tắt, những phần tử HC có mặt trong lớp tôi
khuếch tán vào khối khí nhiệt độ cao trong buồng cháy và đại bộ phận bị oxy hóa.

Trạng thái bề mặt của thành buồng cháy cũng ảnh hưởng đến mức độ phát sinh
HC: nồng độ HC có thể giảm đi 14% trong trường hợp thành buồng cháy được đánh bóng
so với trường hợp thành buồng cháy ở dạng đúc thô. Lớp muội than gây ảnh hưởng đến
nồng độ HC tương tự như trường hợp thành buồng cháy nhám.


4.4.2. Ảnh hưởng của các không gian chết

Các không gian này được xem là nguyên nhân chủ yếu phát sinh HC. Các không
gian chết quan trọng nhất là các khe hở giới hạn giữa piston, segment và cylindre (hình
4.15). Những không gian chết khác bao gồm chân ren và không gian quanh cực trung tâm
của bougie, không gian quanh nấm và đế soupape, không gian giới hạn giữa nắp cylindre,
thân máy và đệm culasse. Ở thời điểm gia tăng áp suất trong quá trình nén, hỗn hợp nhiên
liệu-không khí bị đẩy vào các không gian chết. Do tỉ số giữa diện tích bề mặt và thể tích
của các không gian chết lớn nên lượng khí dồn vào đ
ây được làm mát nhanh chóng. Trong
giai đoạn cháy, áp suất tiếp tục tăng và một bộ phận hỗn hợp mới lại được nén vào không
gian chết. Khi màng lửa lan đến các khu vực này, nó có thể lan tràn vào bên trong để đốt
cháy hỗn hợp này hoặc nó bị tôi ngay trước khi vào trong không gian chết. Khả năng
màng lửa bị tôi phụ thuộc vào dạng hình học của lối vào không gian chết, thành phần của
hỗn hợp chưa cháy và trạng thái nhiệt động học của nó. Thực nghiệm cho thấy sự tôi màng
lửa diễn ra khi khe hở giữa piston và cylindre nhỏ hơn 0,18mm. Sau khi màng lửa đến và
Chương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
50
bị tôi, khí cháy lại chui vào không gian chết cho đến khi áp suất bắt đầu giảm. Khi áp suất
trong không gian chết trở nên lớn hơn áp suất trong cylindre, bộ phận khí chứa trong các
không gian này quay trở ngược lại cylindre.

Hình 4.15 thể hiện những không gian chết quan trọng nhất, đó là thể tích bao gồm
giữa piston, segment và thành cylindre. Nó bao gồm một loạt các thể tích nối liền nhau bởi
những khe hẹp như khe hở segment, không gian giới hạn giữa hai segment liên tiếp
Dạng hình học của các không gian chết này thay đổi khi segment dịch chuyển trong rãnh
để che kín mặt trên hay mặt dưới rãnh segment. Các không gian chết vừa nêu có thể chứa
từ 5 đến 10% hỗn hợp trong cylindre và bộ phận hỗn hợp này không cháy được trong quá
trình cháy chính. Trong giai đoạn giãn nở, khi quay ngược lại cylindre, một bộ phận HC
chứa trong không gian chết bị oxy hóa, phần còn lại (hơn 50%) thoát ra ngoài theo khí xả.
Thực nghiệm cho thấy hơn 80% HC chứa trong sản phẩm cháy do các không gian chết của
nhóm piston-segment-cylindre gây ra; 13% lượng HC do không gian chết của đệm culasse

2% do không gian chết của bougie. Giảm khoảng cách giữa segment thứ nhất so với đỉnh
piston có thể làm giảm nồng độ HC từ 47 đến 74% so với giá trị bình thường tùy theo điều
kiện làm việc của động cơ.

Vị trí của nến đánh lửa cũng ảnh hưởng đến mức độ phát sinh HC; nếu nến đánh
lửa đặt gần các không gian chết thì trong không gian đó có chứa một bộ phận sản phẩm
cháy; ngược lại, nếu nến đánh lửa đặt xa thì không gian chết chứa chủ yếu hỗn hợp khí
chưa cháy. Trong nhiều trường hợp, sự chênh lệch nồng độ HC có thể đạt đến 20%.

Lọt khí carter là lượng khí lọt từ cylindre xuống carter trong quá trình nén và cháy
do sự không kín khít của segment. Lọt khí carter cũng là nguồn phát sinh HC nếu nó được
thải trực tiếp ra khí quyển. Ngày nay, ở hầu hết động cơ ô tô, lượng khí này được dẫn vào
đường nạp để tăng tính kinh tế và giảm mức độ phát sinh HC. Để lượng hỗn hợp chưa
cháy chứa trong các không gian chết không quay ngược lại buồng cháy, trong một số
trường hợp người ta có thể giảm độ kín khít của segment để lượng khí này lọt xuống carter
và bị đốt cháy khi quay vào lại cylindre theo đường nạp.

Hình 4.15: Nguồn phát sinh HC trong động cơ đánh lửa cưỡng bức

Không gian ch
ết
giữa đế và nấm
soupape

Không gian ch
ết
ở chân ren
bougie

Không gian ch
ết
ở đệm culasse
Không gian ch
ết
giữa segment và
rãnh segment

Chương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
51
Vì vậy, việc thiết kế hợp lí buồng cháy, lựa chọn hợp lí dạng piston, segment, đệm
culasse để giảm các không gian chết, lựa chọn vị trí đặt bougie tốt sẽ làm giảm đáng kể
nồng độ HC trong khí xả.

4.4.3. Sự hấp thụ và giải phóng HC ở màng dầu bôi trơn

Pha dầu bôi trơn vào nhiên liệu, như trường hợp động cơ 2 kì, sẽ làm gia tăng mức
độ phát sinh HC. Khi pha thêm 5% dầu bôi trơn vào nhiên liệu thì nồng độ HC trong khí

xả có thể tăng gấp đôi hay gấp ba so với trường hợp động cơ làm việc với nhiên nhiên
không pha dầu bôi trơn.

Cơ chế làm tăng HC khi pha dầu bôi trơn vào nhiên liệu có thể giải thích như sau.
Trong giai đoạn nạp, màng dầu bôi trơn được tráng trên mặt gương cylindre ở trạng thái
bão hòa hơi hydrocarbon ở áp suất nạp. Khi cháy hết nhiên liệu, sự giải phóng hơi nhiên
liệu từ màng dầu bôi trơn vào khí cháy bắt đầu và đồng thời quá trình này tiếp tục trong kì
giãn nở và thải. Trong quá trình đó, một bộ phận hơi này sẽ hòa trộn với khí cháy ở nhiệt
độ cao và bị oxy hóa; một bộ phận khác hòa trộn với hỗn hợp khí cháy nhiệt độ thấp,
không bị oxy hóa, góp phần làm tăng HC. Luợng HC này tăng theo độ hòa tan của nhiên
liệu trong dầu bôi trơn.

Sự hiện diện của muội than trong buồng cháy cũng ảnh hưởng đến sự phát sinh
HC. Thực tế cho thấy HC có khuynh hướng gia tăng theo mức độ tiêu thụ dầu bôi trơn. Vì
vậy, lựa chọn dạng segment dầu hợp lý sẽ làm giảm mức độ tiêu thụ dầu bôi trơn đồng
thời làm giảm mức độ phát sinh HC.

4.4.4. Ảnh hưởng của chất lượng quá trình cháy

Sự dập tắt màng lửa khi nó lan đến gần thành là một trong những nguyên nhân làm
gia tăng HC trong khí xả động cơ. Màng lửa có thể bị tắt khi áp suất và nhiệt độ giảm
xuống nhanh. Hiện tượng này diễn ra ở chế độ không tải hay tải nhỏ và tốc độ thấp với
thành phần khí sót cao. Ngay cả khi động cơ được điều chỉnh tốt ở chế độ làm việc bình
thườ
ng, sự dập tắt màng lửa cũng diễn ra ở chế độ quá độ (gia tốc hay giảm tốc).


4.4.5. Ảnh hưởng của lớp muội than

Sự hình thành lớp muội than (oxyde chì đối với động cơ sử dụng nhiên liệu pha chì

hay là lớp than do dầu bôi trơn bị cháy) xuất hiện trong buồng cháy khi ô tô chạy được
khoảng vài ngàn cây số, cũng góp phần làm gia tăng HC.

Cơ chế làm tăng HC do sự hiện diện của muội than khá phức tạp. Sự hấp thụ và
giải phóng HC ở lớp muội than cũng giống như màng dầu. Mặt khác, nếu kích thước ban
đầu của các không gian chết hẹp, lớp bồ hóng làm giảm lượng hỗn hợp khí chưa cháy
chứa trong các không gian này vì vậy làm giảm HC. Ngược lại, nếu các không gian này
nguyên thủy đủ lớn, sự bám bồ hóng làm giảm tiết diện lối vào, tăng khả năng dập tắt
màng lửa do đó làm tăng mức độ phát sinh HC.
Chương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
52

4.4.6. Ảnh hưởng của sự oxy hóa HC trong kì giãn nở và thải

Lượng hydrocarbure không tham gia vào quá trình cháy chính trong thực tế lớn
hơn nhiều so với lượng hydrocarbure đo được trong khí xả động cơ. Thật vậy, sau khi
thoát ra khỏi các không gian chết, nhiên liệu chưa cháy khuếch tán vào khối sản phẩm
cháy ở nhiệt độ cao và tại đây chúng bị oxy hóa một cách nhanh chóng. Sự oxy hóa này
càng thuận lợi khi lượng oxy trong sản vật cháy càng nhiều (hỗn hợp nghèo).
Hydrocarbure ở thể khí bị oxy hóa khi nó tồn tại trong môi trường có nhiệt độ khoảng
600°C (nhiệt độ thông thường của nấm soupape xả) ít nhất là 50ms. Lượng HC thải ra bao
gồm nhiên liệu chưa cháy hết và các sản phẩm cháy không hoàn toàn. Mặt khác, quá trình
oxy hóa cũng tiếp tục diễn ra trên đường xả làm giảm thêm nồng độ HC sau khi chúng
thoát ra khỏi buồng cháy. Vì vậy những điều kiện vận hành của động cơ làm gia tăng nhiệt
độ khí xả (hỗn hợp có độ đậm đặc xấp xỉ 1, động cơ làm việc với tốc độ cao, đánh lửa
muộn, tỉ số nén cao ) và thời gian tồn tại của hỗn hợp trong buồng cháy dài (tải thấp) sẽ
làm gia tăng tỉ lệ HC bị oxy hóa. Giảm góc đánh lửa sớm làm tăng nhiệt độ hỗn hợp khí ở
cuối quá trình giãn nở tạo điều kiện thuận lợi cho việc oxy hóa HC trên đường thải. Về
mặt kỹ thuật, để tăng khả năng oxy hóa HC trên đường thải cần làm giảm tổn thất nhiệt ở
soupape và cổ góp bằng cách gia tăng tiết diện lưu thông và cách nhiệt đoạn đầu đường

thải, chẳng hạn như phủ một lớp vật liệu gốm trên thành ống.

4.5. Trường hợp động cơ Diesel

4.5.1. Đặc điểm phát sinh HC trong quá trình cháy động cơ Diesel

Do nguyên lí làm việc của động cơ Diesel, thời gian lưu lại của nhiên liệu trong
buồng cháy ngắn hơn trong động cơ đánh lửa cưỡng bức nên thời gian dành cho việc hình
thành sản phẩm cháy không hoàn toàn cũng rút ngắn làm giảm thành phần hydrocarbure
cháy không hoàn toàn trong khí xả.

Do nhiên liệu Diesel chứa hydrocarbure có điểm sôi cao, nghĩa là khối lượng phân
tử cao, sự phân hủy nhiệt diễn ra ngay từ lúc phun nhiên liệu. Điều này là tăng tính phức
tạp của thành phần hydrocarbure cháy không hoàn toàn trong khí xả.

Quá trình cháy trong động cơ Diesel là một quá trình phức tạp, trong quá trình đó
diễn ra đồng thời sự bay hơi nhiên liệu và hòa trộn nhiên liệu với không khí và sản phẩm
cháy. Khi độ đậm đặc trung bình của hỗn hợp quá lớn hoặc quá bé đều làm giảm khả năng
tự cháy và lan tràn màng lửa. Trong trường hợp đó nhiên liệu sẽ được tiêu thụ từng phần
trong những phản ứng oxy hóa diễn ra chậm ở giai đoạn giãn nở sau khi hòa trộn thêm
không khí.

Chúng ta có thể chia ra hai khu vực đối với bộ phận nhiên liệu được phun vào
buồng cháy trong giai đoạn cháy trễ: khu vực hỗn hợp quá nghèo do pha trộn với không
khí quá nhanh và khu vực hỗn hợp quá giàu do pha trộn với không khí quá chậm. Trong
trường hợp đó, chủ yếu là khu vực hỗn hợp quá nghèo diễn ra sự cháy không hoàn toàn
Chương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
53
còn khu vực hỗn hợp quá giàu sẽ tiếp tục cháy khi hòa trộn thêm không khí.

Đối với bộ phận nhiên liệu phun sau giai đoạn cháy trễ, sự oxy hóa nhiên liệu hay
các sản phẩm phân hủy nhiệt diễn ra nhanh chóng khi chúng dịch chuyển trong khối khí ở
nhiệt độ cao. Tuy nhiên sự hòa trộn không đồng đều có thể làm cho hỗn hợp quá giàu cục
bộ hay dẫn đến sự làm mát đột ngột làm tắt màng lửa, sinh ra các sản phẩm cháy không
hoàn toàn trong khí xả
.

Mức độ phát sinh HC trong động cơ Diesel phụ thuộc nhiều vào điều kiện vận
hành; ở chế độ không tải hay tải thấp, nồng độ HC cao hơn ở chế độ đầy tải. Thêm vào đó,
khi thay đổi tải đột ngột có thể gây ra sự thay đổi mạnh các điều kiện cháy dẫn đến sự gia
tăng HC do những chu trình bỏ lửa.

Cuối cùng, khác với động cơ
đánh lửa cưỡng bức, không gian chết trong động cơ
Diesel không gây ảnh hưởng quan trọng đến nồng độ HC trong khí xả vì trong quá trình
nén và giai đoạn đầu của quá trình cháy, các không gian chết chỉ chứa không khí và khí
sót. Ảnh hưởng của lớp dầu bôi trơn trên mặt gương cylindre, ảnh hưởng của lớp muội
than trên thành buồng cháy cũng như ảnh hưởng của sự tôi màng lửa đối với sự hình thành
HC trong động cơ Diesel cũng không đáng kể so với trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng
bức.

4.5.2. Phát sinh HC trong trường hợp hỗn hợp quá nghèo

Sự phân bố không đồng đều nhiên liệu trong cylindre ngay lúc bắt đầu phun được
giới thiệu trên hình 4.16. Trong dòng xoáy lốc, sự tự cháy diễn ra trong khu vực có độ
đậm đặc hơi thấp hơn 1. Bộ phận nhiên liệu ở ngoài rìa tia nằm ngoài giới hạn dưới của sự
tự bén lửa do đó chúng không thể tự cháy cũng không thể duy trì màng lửa. Khu vực đó
chỉ có thể là vị trí sản sinh các phản ứng chậm dẫn đến sản phẩm cháy không hoàn toàn.
Do đó trong vùng này có mặt nhiên liệu chưa cháy hết, những sản vật phân giải từ nhiên
liệu, những sản phẩm oxy hóa cục bộ (CO, aldehyde và những oxyde khác) và một bộ

phận của những sản phẩm này có mặt trong khí xả. Tầm quan trọng của những
hydrocarbure chưa cháy từ những khu vực nghèo này phụ thuộc vào lượng nhiên liệu phun
vào động cơ trong thời kì cháy trễ, phụ thuộc vào tỉ lệ không khí kéo theo vào tia trong
giai đoạn này và những điều kiện lí hóa ảnh hưởng đến sự tự cháy trong cylindre.












Vòi phun
Không khí
xoáy lốc

Giới hạn tia
nhiên liệu

Đi
ể
m đánh
lửa

HC trong vùng
hỗn hợp quá

nghèo

f >1
f = 0
f = f
L
f =1
Chương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
54



Hình 4.16: Phân bố độ đậm đặc trong tia phun Diesel

Vì vậy nồng độ HC trong khí xả và độ dài của giai đoạn cháy trễ có quan hệ mật
thiết với nhau, hay nói cách khác mức độ phát sinh HC có liên quan đến chỉ số cetane của
nhiên liệu. Những thay đổi điều kiện vận hành của động cơ làm kéo dài thời kì cháy trễ sẽ
làm gia tăng nồng độ HC.

4.5.3. Phát sinh HC trong trường hợp hỗn hợp quá giàu

Có hai nguyên nhân dẫn đến sự phát sinh HC do hỗn hợp quá giàu. Nguyên nhân
thứ nhất do nhiên liệu rời khỏi vòi phun với tốc độ thấp và thời gian phun kéo dài. Nguồn
phát sinh HC chính trong trường hợp này là không gian chết ở mũi vòi phun và sự phun
rớt do sự đóng kim phun không dứt khoát. Nguyên nhân thứ hai là do sự thừa nhiên liệu
trong buồng cháy do hỗn hợp quá đậm.

Vào cuối giai đoạn phun, lỗ phun (không gian chết) ở mũi vòi phun chứa đầy nhiên
liệu. Trong giai đoạn cháy và giãn nở
, nhiên liệu được sấy nóng và một bộ phận bốc hơi

thoát ra khỏi lỗ phun (ở pha lỏng và hơi) và đi vào cylindre với tốc độ thấp và hòa trộn
chậm với không khí, do đó chúng không bị đốt cháy trong giai đoạn cháy chính. Ở động
cơ phun trực tiếp, thời gian của giai đoạn cháy trễ bé, mức độ phát sinh HC tỉ lệ với thể
tích không gian chết ở mũi vòi phun. Tuy nhiên, không phải toàn bộ thể tích nhiên liệu
chứa trong không gian chết đều có mặt trong khí xả. Ví dụ 1mm
3
không gian chết trong
buồng cháy động cơ phát sinh khoảng 350ppmC trong khí xả, trong khi đó 1mm
3
nhiên
liệu cho 1660ppmC. Sự chênh lệch này là do một bộ phận hydrocarbure nặng tiếp tục lưu
lại trong vòi phun và một bộ phận hydrocarbure nhẹ bị oxy hóa khi thoát ra khỏi không
gian chết. Trong động cơ có buồng cháy dự bị cơ chế này cũng diễn ra tương tự nhưng với
mức độ thấp hơn.

Ở động cơ phun trực tiếp, hiện tượng nhả khói đen làm giới hạn khả năng tăng độ
đậm đặc trung bình của hỗn hợp ở chế độ toàn tải. Ở chế độ tải thấp, tốc độ phun bé và
lượng nhiên liệu phun vào nhỏ, do đó động lượng của tia phun bé làm giảm lượng không
khí kéo theo vào tia nên độ đậm đặc cục bộ rất cao. Trong điều kiện quá độ khi gia tốc,
hỗn hợp trong buồng cháy có thể rất đậm đặc. Trong trường hợp đó, dù tỉ
lệ nhiên liệu-
không khí tổng quát trong toàn buồng cháy thấp nhưng độ đậm đặc cục bộ rất cao trong
giai đoạn giãn nở và thải. Khi độ đậm đặc cục bộ vượt quá 0,9 thì nồng độ HC sẽ gia tăng
đột ngột. Ảnh hưởng tương tự như vậy cũng diễn ra trong động cơ có buồng cháy dự bị.
Tuy nhiên cơ chế này chỉ gây ảnh hưởng đến nồng độ
HC khi gia tốc và nó gây ảnh hưởng
đến nồng độ HC ít hơn khi hỗn hợp nghèo ở chế độ không tải hay tải thấp.

4.5.4. Phát sinh HC do tôi ngọn lửa và hỗn hợp không tự bốc cháy

Như động cơ đánh lửa cưỡng bức, sự tôi ngọn lửa diễn ra gần thành và đó chính là
nguồn phát sinh HC. Hiện tượng này phụ thuộc đặc biệt vào khu vực va chạm giữa tia
Chương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
55
nhiên liệu và thành buồng cháy. Sự bỏ lửa dẫn đến sự gia tăng mạnh nồng độ HC hiếm khi
xảy ra đối với động cơ làm việc bình thường. Nó chỉ diễn ra khi động cơ có tỉ số nén thấp
và phun trễ. Mặt khác, sự bỏ lửa cũng xảy ra khi khởi động động cơ Diesel ở trạng thái
nguội với sự hình thành khói trắng (chủ yếu là do những hạt nhiên liệu không cháy tạo
thành).

4.6. Trường hợp động cơ hai kì đánh lửa cưỡng bức

Mặc dù người ta đã nghiên cứu sử dụng nhiều kết cấu của hệ thống quét thải nhằm
hạn chế sự hòa trộn giữa khí cháy và khí chưa cháy, đặc biệt đối với động cơ hai kỳ dùng
bộ chế hòa khí, nhưng vẫn có một bộ phận khí nạp mới thoát ra đường xả làm tăng nồng
độ HC, đồng thời làm giảm công suất và tăng suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ. Mặt
khác, khi làm việc ở tải cục bộ, loại động cơ này dễ bỏ lửa làm tăng HC.

Hiện nay có nhiều giải pháp nhằm khắc phục nhược điểm trên của động cơ 2 kỳ
trong đó có hai giải pháp hữu hiệu nhất. Giải pháp thứ nhất là tạo hỗn hợp không đồng đều
trong không gian buồng cháy sao cho chỉ có bộ phận hỗn hợp nghèo bị thất thoát ra đường
thải. Giải pháp thứ hai là phun nhiên liệu vào buồng cháy một khi cửa thải đã đóng.

Trong trường hợp phun nhiên liệu, năng lượng cần thiết để dẫn động bơm phun
nhiên liệu thường được trích ra từ động cơ do đó công suất động cơ bị giảm đi một ít. Mặt
khác, so với động cơ 4 kì, thời gian dành cho quá trình nén rất ngắn (sau khi đóng cửa nạp
và cửa thải) do đó phải phun nhiên liệu thật nhanh với tốc độ phun lớn khiến một bộ phận
nhiên liệu bám lên thành cylindre làm tăng mức độ phát sinh HC trong khí xả.

Một giải pháp có nhiều triển vọng hơn là phun nhiên liệu bằng khí nén trích từ

buồng cháy động cơ. Lượng không khí này được nạp vào buồng nén trong kì nạp và nén
của động cơ và được nén mạnh trong giai đoạn cháy và giãn nở.

57


Chương 5

CƠ CHẾ HÌNH THÀNH
B
Ồ
HÓNG TRONG
QUÁ TRÌNH CHÁY C
Ủ
A
ĐỘNG CƠ DIESEL



5.1. Giới thiệu:

Bồ hóng là chất ô nhiễm đặc biệt quan trọng trong khí xả động cơ Diesel. Tuy từ
lâu người ta đã nhận biết được tác hại của chúng nhưng việc nghiên cứu sự hình thành
chất ô nhiễm này trong khí xả động cơ Diesel chỉ mới thực sự phát triển từ những năm
1970 dựa vào những thành tựu của kỹ thuật quang học.

Sự nguy hiểm của bồ hóng đối với sức khỏe con người đã được đề cập đến ở
chương 1. Các HAP, kể cả các nitro-HAP và dinitro-HAP hấp thụ trong bồ hóng Diesel
đều có khả năng gây đột biến tế bào và gây ung thư đường hô hấp. Ngoài ra, bồ hóng cũng
có khả năng gây ung thư da nếu nạn nhân tiếp xúc thường xuyên với chúng và gây bệnh tụ

máu dẫn đến những tác động nguy hiểm đến hệ tim mạch.

Trong môi trường, các hạt bồ hóng trong không khí có tác dụng hấp thụ và khuếch
tán ánh sáng mặt trời, làm giảm độ trong suốt của khí quyển và do đó làm giảm tầm nhìn.
So với nông thôn, ở đô thị bức xạ mặt trời đo được trên mặt đất nhỏ hơn khoảng 15-20%.
Khi nồng độ bồ hóng trong không khí đạt khoảng 0,1mg/m
3
thì tầm nhìn xa chỉ còn 12km
(so với tầm nhìn xa cực đại 36km), nhất là trong các đô thị có độ phát tán tầm thấp yếu và
trên các trục lộ có sự tập trung phương tiện Diesel ở giờ cao điểm (nếu có khoảng 20% xe
vận tải Diesel trong luồng thì tầm nhìn giảm từ 25-30%). Điều này gây mất an toàn giao
thông. Ngoài ra, khi bồ hóng bám vào lá cây xanh thì khả năng quang hợp của lá cây bị
giảm, làm cây cối dễ bị héo chết. Bồ hóng bám vào các công trình xây dựng sẽ gây ra sự
ăn mòn kim loại

Quá trình cháy khuếch tán trong động cơ Diesel rất thuận lợi cho việc hình thành
bồ hóng. Thật vậy, sự cháy của hạt nhiên liệu lỏng trong khi chúng dịch chuyển trong
buồng cháy cũng như sự tập trung cục bộ hơi nhiên liệu ở những vùng có nhiệt độ cao là
nguyên nhân chính sản sinh bồ hóng. Bồ hóng trong khí xả là một trong những yếu tố
chính giới hạn khả năng ứng dụng của động cơ Diesel hiện nay. Mặc dù các nhà khoa học
và các nhà sản xuất ô tô đã quan tâm rất nhiều đến việc nghiên cứu vấn đề này nhưng đến
nay người ta vẫn chưa tìm ra được một giải pháp kỹ thuật nào hữu hiệu nhằm hạn chế
nồng độ bồ hóng trong giới hạn cho phép của các quy định về bảo vệ môi trường. Hai
hướng nghiên cứu chính hiện nay là:

1- Cải thiện và tổ chứ
c tốt quá trình cháy trong động cơ Diesel
Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel

58

2- Lọc bồ hóng trên đường ống xả

Giải pháp xử lý bồ hóng trên đường ống xả gặp rất nhiều khó khăn trong thực tế,
nhất là giải quyết vấn đề tái sinh lõi lọc để giảm trở lực trên đường thải và việc nâng cao
tuổi thọ các bộ lọc. Vì vậy, giải pháp có tính cơ bản của vấn đề bồ hóng chỉ có thể rút ra
được trên cơ sở nghiên cứu tường tận quá trình hình thành chất ô nhiễm này để tìm cách
hạn chế chúng ngay từ trong buồng cháy động cơ. Nghiên cứu sự hình thành bồ hóng bằng
mô hình toán học hiện đang phát triển rất mạnh song song với các nghiên cứu về thực
nghiệm. Phương pháp mô hình hóa có nhiều ưu điểm hơn vì việc đo đạc cục bộ trong
buồng cháy rất phức tạp. Tất nhiên, kết quả của những nghiên cứu về thực nghiệm là
không thể thiếu để kiểm chứng mô hình toán học.

Động cơ Diesel cho tới nay vẫn là loại động cơ đốt trong được sử dụng rộng rãi
nhờ tính kinh tế của nó cao. Tuy nhiên, với sự cạnh tranh của các loại động cơ đánh lửa
cưỡng bức hiện đại, viễn ảnh áp dụng của loại động cơ này trên các phương tiện vận tải
trong tương lai phụ thuộc nhiều vào kỹ thuật làm giảm nồng độ bồ hóng trong khí xả.


5.2. Hình thành bồ hóng trong ngọn lửa khuếch tán

Quá trình cháy khuếch tác được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp vì nó an toàn.
Tuy nhiên do đặc điểm phân bố nhiên liệu không đồng nhất, việc khống chế quá trình cháy
của nó gặp nhiều khó khăn hơn so với qua trình cháy của hỗn hợp đồng nhất. Cũng chính
vì sự phân bố hỗn hợp không đồng nhất mà trong sản phẩm cháy của ngọn lửa khuếch tán
luôn tồn tại những sản phẩm cháy không hoàn toàn mặc dù hỗn hợp tổng quát rất loãng.
Trong số những sản phẩm cháy không hoàn toàn này người ta đặc biệt quan tâm đến bồ
hóng.

Sự hình thành bồ hóng trong ngọn lửa khuếch tán trước tiên phụ thuộc vào nhiên
liệu. Nhiên liệu có thành phần C càng cao thì nồng độ bồ hóng càng lớn. Hình 5.1 so sánh

nồng độ bồ hóng đo trên trục ngọn lửa khuếch tán của 3 loại nhiên liệu khác nhau: butane,
propane và méthane với cùng điều kiện ban đầu (tốc độ phun 90m/s, đường kính lỗ phun
3mm). Nồng độ được biểu diễn thông qua bề dày đặc trưng của bồ hóng f
v
.L (L: chiều dài
quang trình). Chúng ta thấy nồng độ bồ hóng trong sản phẩm cháy của ngọn lửa butane
lớn nhất và nồng độ này thấp nhất trong ngọn lửa méthane.

Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel

59
Yếu tố thứ hai ảnh hưởng đến nồng độ bồ hóng là nồng độ nhiên liệu và nồng độ
oxygène. Thật vậy, sự hình thành bồ hóng chủ yếu là do quá trình cháy không hoàn toàn
của nhiên liệu. Khi hỗn hợp nghèo và được phân bố đồng nhất thì nồng độ bồ hóng rất bé,
có thể bỏ qua. Nồng độ oxygène ảnh hưởng đến sự oxy hóa bồ hóng sau khi chúng được
hình thành do đó cũng ảnh hưởng đến nồng độ bồ hóng cuối cùng có mặt trong sản phẩm
cháy. Hình 5.2a, b biểu diễn biến thiên của nồng độ nhiên liệu và oxygène theo chiều cao
ngọn lửa propane có tốc độ phun ban đầu 90m/s và đường kính lỗ phun là 3mm.

Hình 5.1: Ảnh hưởng của nhiên liệu đến mức độ phát sinh bồ hóng trong ngọn lửa khuếch tán

a. b.
Hình 5.2: Biến thiên của nồng độ nhiên liệu (a) và oxygène (b) theo chiều cao
ngọn lửa khuếch tán propane


Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel

60

Hình 5.3: Profil nhiệt độ trong ngọn lửa propane Hình 5.4: Phân bố f
v
.L
trong ngọn lửa propane

Yếu tố thứ ba ảnh hưởng đến sự hình thành bồ hóng là sự phân bố nhiệt độ trong
ngọn lửa. Nhiệt độ cao ở vùng giàu nhiên liệu sẽ thuận lợi cho việc hình thành bồ hóng.
Ngược lại nhiệt độ cao ở vùng thừa oxygène sẽ thuận lợi cho việc oxy hóa bồ hóng. Nồng
độ bồ hóng thoát ra khỏi ngọn lửa khuếch tán là hiệu số giữa lượng bồ hóng hình thành và

lượng bồ
hóng bị oxy hóa. Hình 5.3 giới thiệu profil nhiệt độ trong ngọn lửa khuếch tán
propane nghiên cứu.

Tóm lại, nồng độ bồ hóng có mặt trong khí cháy sau khi thoát ra khỏi ngọn lửa
khuếch tán phụ thuộc vào 4 yếu tố cơ bản: thành phần nhiên liệu, nồng độ nhiên liệu,
nồng độ oxygène và sự phân bố nhiệt độ trong ngọn lửa. Hình 5 trình bày sự phân bố nồng
độ bồ hóng trong ngọn lửa khuếch tán. Hình này cho thấy nồng
độ bồ hóng đạt cực đại ở
vùng nhiệt độ cao và giàu nhiên liệu. Ảnh hưởng của các yếu tố trên có thể được minh họa
thông qua nghiên cứu biến thiên đường kính hạt bồ hóng trong ngọn lửa propane. Hình
5.5 biểu diễn biến thiên đường kính hạt bồ hóng theo phương hướng kính của ngọn lửa.
Những hạt bồ hóng có đường kính bé tập trung ở những vùng có nhiệt độ và độ đậm đặc
đều cao. Khi tăng chiều cao ngọn lửa, vị trí hình thành bồ hóng dịch chuyển ra xa trục. Ở
độ cao x=400mm, điểm cực tiểu của đường kính biến mất và đường kính của hạt tăng đều
đặn từ trục ra ngoài rìa ngọn lửa. Kết quả phân tích khí trên hình 5.2a cho thấy ở khu vực
này, nồng độ nhiên liệu rất thấp không đủ điều kiện để hình thành các hạt bồ hóng mới.


Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel

61
Hình 5.5: Biến thiên hướng kính của đường kính hạt bồ hóng


Hình 5.6: Biến thiên đường kính hạt bồ hóng trên trục ngọn lửa theo chiều cao

Do hiện tượng phát triển hạt bồ hóng sau khi hình thành nên những hạt có đường
kính lớn phân tán ra ngoài khu vực hình thành bồ hóng. Kết quả thực nghiệm này cho thấy
sự hình thành bồ hóng đòi hỏi phải có đồng thời hai điều kiện cơ bản đó là nhiệt độ cao và

hỗn hợp đậm đặc. Kết luận này được kiểm chứng bằng sự biến thiên đường kính hạt theo
chiều cao ngọn lửa cho trên hình 5.6. Thật vậy, chúng ta thấy đường kính hạt đầu tiên
giảm theo chiều cao cùng với sự gia tăng của nhiệt độ trên trục ngọn lửa đến độ cao
450mm. Khi qua khỏi độ cao này, nhiệt độ trong ngọn lửa vẫn còn cao nhưng nồng độ
Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel

62
nhiên liệu bắt đầu giảm, quá trình hình thành bồ hóng chấm dứt, đường kính hạt gia tăng
do hiện tượng hấp thụ bề mặt và liên kết hạt.

5.3. Bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel

Trong khí xả động cơ đốt trong, ngoài các chất khí độc như CO, NO
x
, H
n
C
m
, SO
x

còn có các hạt rắn tồn tại 3 dạng sau: các hạt chì của xăng pha chì, hạt sunphát của tạp
chất lưu huỳnh trong nhiên liệu và hạt bồ hóng. Khi hoạt động bình thường, trong khí xả
động cơ xăng có rất ít bồ hóng. Lượng bồ hóng chỉ đáng kể khi nó làm việc với hỗn hợp
đậm đặc. Còn ở động cơ Diesel, do quá trình cháy khuếch tán như đã phân tích trên đây,
bồ hóng là chất ô nhiễn đặc biệt quan trọng và là thành phần chủ yếu tồn tại dưới dạng hạt
rắn trong khí xả.

1. Thành phần hạt bồ hóng

Ngày nay, người ta đã biết rõ bồ hóng bao gồm các thành phần chính sau đây:

- Carbon: Thành phần này ít nhiều phụ thuộc vào nhiệt độ cháy và hệ số dư lượng
không khí trung bình, đặc biệt là khi động cơ hoạt động ở chế độ đầy tải hoặc quá tải.

- Dầu bôi trơn không cháy: Đối với động cơ cũ thành phần này chiếm tỉ lệ lớn.
Lượng dầu bôi trơn bị tiêu hao và lượng hạt bồ hóng có quan hệ với nhau.

- Nhiên liệu chưa cháy hoặc cháy không hoàn toàn: Thành phần này phụ thuộc vào
nhiệt độ và hệ số dư lượng không khí.

- Sun phát: do lưu huỳnh trong nhiên liệu bị oxy hóa và tạo thành SO
2
hoặc SO
4
.

- Các chất khác: lưu huỳnh, calci, sắt, silicon, chromium, phosphor, các hợp chất
calci từ dầu bôi trơn.

Thành phần hạt bồ hóng còn phụ thuộc vào tính chất nhiên liệu, đặc điểm của quá
trình cháy, dạng động cơ cũng như thời hạn sử dụng của động cơ (cũ hay mới). Thành
phần bồ hóng trong sản phẩm cháy của nhiên liệu có thành phần lưu huỳnh cao khác với
thành phần bồ hóng trong sản phẩm cháy của nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh thấp.
Hình 5.7 so sánh thành phần bồ hóng của hai loại nhiên liệu Diesel có thành phần lưu
huỳnh 0.26% và 0.05%. Đối với động cơ đã qua sử dụng trên 10 năm, thành phần bồ hóng
có chứa đến 40% dầu bôi trơn không cháy hết như hình 5.8.


Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel

63
Nhiên liŒu:US-2D
0.26w t%Sulfer. NÒng Ƕ bÒ hóng

t°ng c¶ng: 0.30g/HP_h
D Àu bôi
trÖn 0.10
Håt
C arbon

0
.11
HC
0.03
Sunphát
0.06

Nhiên liŒu:"L o w Sulfer Fuel"
0.05w t%Sulfer. NÒng Ƕ bÒ hóng

t°ng c¶ng: 0.075g/HP_h
Sunphát
0.008
HC
0.007
D Àu bô
i
trÖ n
0.017

Håt
C arbon
0.043


Hình 5.7: Thành phần hạt bồ hóng theo tính chất nhiên liệu



Sunphát
14%
C arbon
31%
C hÃt khác
8%
HC
7%
D Àu bôi trÖ n
40%


Hình 5.8: Thành phần hạt bồ hóng của động cơ đã sử dụng trên 10 năm

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm về sự phân bố kích thước hạt cho thấy bồ hóng
trong khí xả tồn tại dưới hai dạng: dạng đơn và dạng tích tụ. Dạng đơn (gam kích thước
nhỏ) tồn tại ở nhiệt độ trên 500
0
C. Ở dạng này, các hạt bồ hóng là sự kết hợp của các hạt
sơ cấp hình cầu (mỗi một hạt sơ cấp hình cầu này chứa khoảng 10
5

-10
6
nguyên tử carbon).
Dạng đơn này còn được gọi là thành phần không hòa tan ISF (Insoluble Fraction) hay
thành phần rắn SOL (Solid). Dạng tích tụ (gam kích thước lớn) do các bồ hóng liên kết lại
với nhau và tồn tại ở nhiệt độ thấp hơn 500
0
C. Các hạt bồ hóng này được bao bọc bởi các
thành phần hữu cơ nặng ngưng tụ và hấp thụ trên bề mặt hạt: HC chưa cháy, HC bị oxy
hóa (keton, ester, ether, axít hữu cơ), và các hydrocarbure thơm đa nhân HAP
(Hydrocarbures Aromatiques Polynucléaires). Thể tích tụ này có thể còn có thêm các hạt
khác như SO
2
, NO
2
, SO
4
. Những hạt này còn được gọi là thành phần hữu cơ hòa tan SOF
Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel

64
(Soluble Organic Fraction). Trong khí xả động cơ Diesel thành phần SOF có thể chiếm từ
5%-80%.





Hình 5.9: Cấu trúc chuỗi bồ hóng

Hình 5.10: Dạng những hạt sơ cấp















Hình 5.11: Mô hình cấu trúc dạng hạt sơ cấp

Hình 5.12: Cấu trúc tinh thể graphit

2. Cấu trúc hạt bồ hóng

Hình 5.9 và 5.10 trình bày ảnh chụp khuếch đại của chuỗi và hạt sơ cấp tạo thành
hạt bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel. Một cách tổng quát có thể nói hạt bồ hóng mà
người ta thường gọi hình thành do sự liên kết của nhiều hạt sơ cấp hình cầu thành từng
khối hoặc chuỗi. Mỗi hạt bồ hóng (khối hay chuỗi) có thể chứa đến 4000 hạt hình cầu sơ
cấp. Các hạt sơ cấp có đường kính từ 10 đến 80nm và đại bộ phận hạt nằm trong khoảng
15-30nm, đường kính trung bình của các hạt bồ hóng nằm trong khoảng 100-150nm, có
khi lên đến 500-1000nm.

Cấu trúc tinh thể của hạt bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel có dạng tương tự
như graphit (hình 5.11) nhưng ít đều đặn hơn. Mỗi hạt sơ cấp hình cầu là một tập hợp
khoảng 1000 mầm tinh thể, có dạng phiến mỏng được xếp đồng tâm quanh tâm của mỗi
hạt cầu, tương tự như cấu trúc hạt carbon đen. Những nguyên tử carbon kết nối với nhau
0.67nm
0.335nm
a
c
b