Giáo trình động cơ đốt trong - Chương 5.1

57


Chương 5

CƠ CHẾ HÌNH THÀNH
BỒ HÓNG TRONG
QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA
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