Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel
65
theo các phiến lục giác phẳng cách nhau 0,34-0,36nm (chỉ lớn hơn một chút so với
graphit: 0,33nm). Các phiến này kết hợp với nhau tạo thành các mầm tinh thể (từ 2-5
phiến) với cấu trúc giống như carbon đen. Những mầm tinh này lại sắp xếp lại theo các
hướng song song với mặt hạt cầu với kết cấu siêu tĩnh để tạo thành các hạt.
5.4. Tình hình nghiên cứu và các quy định về nồng độ
bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel hiện nay
5.4.1. Tình hình nghiên cứu bồ hóng
Nghiên cứu bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel hiện nay tập trung vào các hướng
chính sau đây:
1- Nghiên cứu sự hình thành bồ hóng bên trong buồng cháy động cơ
Trên cơ sở hiểu biết tường tận quá trình hình thành bồ hóng chúng ta có thể nghiên
cứu tổ chức quá trình cháy, xác định chế độ làm việc tối ưu của động cơ cũng như xác
định chất lượng nhiên liệu và các chất phụ gia chống ô nhiễm để đảm bảo cháy sạch nhiên
liệu, làm giảm nồng độ bồ hóng trong sản phẩm cháy. Việc nghiên cứu quá trình tạo bồ
hóng trong động cơ thường xuất phát từ các mô hình ngọn lửa khuếch tán bên ngoài động
cơ. Theo hướng này có rất nhiều công trình nghiên cứu về mô hình hóa quá trình cháy và
tạo bồ hóng trong các ngọn lửa khuếch tán một pha và hai pha. Đặc biệt, sự phát triển
đồng dạng toán học về quá trình cháy đã cho phép thiết lập mô hình tổng quát cho nhiều
hệ thống cháy khác nhau để từ đó có thể mô hình hóa quá trình tạo bồ hóng bên trong
buồng cháy động cơ Diesel. Tesner và Magnussen đã đưa ra mô hình tạo bồ hóng hai giai
đoạn. Các mô hình tạo bồ hóng khác cũng đã được tổng kết trong các tài liệu của Morel,
Kenedy, Lee... Tính đúng đắn của mô hình của Morel và của Tesner-Magnussen đã được
Bùi Văn Ga kiểm nghiệm trên các ngọn lửa rối và khuếch tán một pha và hai pha.
Đối với động cơ Diesel, mô hình nhiều khu vực ("multi-zone") dựa trên quy luật
thực nghiệm của khí kéo theo vào tia nhiên liệu và sự phân bố nhiên liệu trong tia để tính
toán nhiệt độ trung bình trong mỗi khu vực và từ đó tính toán quá trình cháy và tạo bồ
hóng trong động cơ Diesel đã cho phép xây dựng các phần mềm đa phương chạy trên các
máy tính mini như KIVA2, KIVA3 và TURBO-KIVA.
2- Nghiên cứu xử lý bồ hóng trên đường xả động cơ
Hướng nghiên cứu này chủ yếu tập trung hoàn thiện 2 giải pháp:
- Xử lý bồ hóng bằng kỹ thuật lọc và tái sinh lọc
- Xử lý bồ hóng bằng bộ xúc tác oxy hóa
Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel
66
Trong chương 7 chúng ta sẽ nghiên cứu các giải pháp này. Tuy các nhà khoa học
và công nghệ đã có nhiều cải tiến và hoàn thiện các bộ lọc nhưng cho đến nay vẫn chưa có
được một giải pháp tối ưu nào tỏ ra hữu hiệu cho vấn đề xử lý bồ hóng trên đường xả.
5.4.2. Các quy định về nồng độ bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel
Hiện nay, quy trình kiểm tra tiêu chuẩn của mỗi nước phụ thuộc vào chế độ vận
hành của ô tô ở một thành phố mà nước đó chọn làm tiêu biểu. Các nước đang phát triển
thường chọn chế độ thử của những nước công nghiệp phát triển để áp dụng ở nước mình
vớI một ít điều chỉnh cho phù hợp với tình hình thực tế. Từ năm 1970, các nước trên thế
giới đã thiết lập tiêu chuẩn độ khói cho các loại xe tải và xe bus Diesel như các hình 5.13
(Cộng đồng Châu Âu, loại xe có trọng lượng toàn bộ trên 3500kg), hình 5.14 (Mĩ, loại xe
có trọng lượng toàn bộ trên 3850kg) và hình 5.15 (Nhật, loại xe có trọng lượng toàn bộ
trên 2500kg).
Ở Việt Nam, Nhà Nước đã ban hành các tiêu chuẩn TCVN 5418-91 và TCVN
6438-98 về độ khói trong khí xả động cơ Diesel (xem chương 2).
5.5. Cơ chế tạo bồ hóng trong buồng cháy động cơ Diesel
Các nghiên cứu cơ bản về quá trình hình thành bồ hóng trong các ngọn lửa và
trong buồng cháy động cơ Diesel đã được đề cập nhiều trong các tài liệu gần đây với 5 cơ
chế hình thành hạt bồ hóng điển hình:
1. Polyme hóa qua acétylène và polyacétylène
2. Khởi tạo các hydrocarbure thơm đa nhân (HAP)
3. Ngưng tụ và graphit hóa các cấu trúc HAP
4. Tạo hạt qua các tác nhân ion hóa và hợp thành các phân tử nặng
5. Tạo hạt qua các tác nhân trung tính và phát triển bề mặt hợp thành
các thành phần nặng.
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1970 1974 1978 1982 1986 1990 1994 1998 2002
Næm dÜÖng lÎch
ñ¶ khói (g/HP/h)
Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel
67
Hình 5.13: Tiêu chuẩn châu Âu về độ khói của ô tô Diesel ở các mốc thời gian khác nhau
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1970 1974 1978 1982 1986 1990 1994 1998 2002
Næm dÜÖng lÎch
ñ¶ khói (g/HP/h)
Hình 5.14: Tiêu chuẩn của Mĩ về độ khói của ô tô Diesel ở các mốc thời gian khác nhau
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1970 1974 1978 1982 1986 1990 1994 1998 2002
Næm dÜÖng lÎch
ñ¶ khói (g/HP/h)
Hình 5.15: Tiêu chuẩn Nhật Bản về độ khói của ô tô Diesel ở các mốc thời gian khác nhau
Hiện nay người ta thường mô tả sự hình thành bồ hóng qua 4 giai đoạn được tóm
tắt trên hình 5.16.
Nhiên liệu+Không khí
Tạo hạt nhân Phân hủy nhiệt
Axêtylen
Các hạt cơ bản
Phát triển bề
mặt
các hạt
cơb
ản
Các hạt bồ hóng
ban đầu
Phát triển bề mặt
các hạt bồ hóng ban đầu
Các hạt
bồ hóng
Hợp dính
Ngưng tụ
Phát triển bề mặt
Liên kết hạt
Oxy hóa
Oxy hóa
Oxy hóa
Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel
68
Hình 5.16: Quá trình tạo bồ hóng trong động cơ Diesel
5.5.1. Hình thành hạt bồ hóng
Vật chất của pha ngưng tụ đầu tiên phát triển từ những phân tử nhiên liệu thông
qua các sản phẩm của sự oxy hóa hoặc các sản phẩm phân hủy nhiệt (pyrolyse). Những
sản phẩn này gồm những hydrocarbure không bão hòa khác nhau, đặc biệt là acétylène và
các đồng vị bậc cao của nó, và những HAP. Hai dạng phần tử này được coi như là nhân tố
chính trong sự hình thành bồ hóng. Phản ứng ngưng tụ của những phân tử thể khí dẫn đến
sự hình thành các hạt nhân bồ hóng đầu tiên có đường kính rất bé (d<2nm), đây là các hạt
cơ sở được hợp thành bởi một lượng lớn các gốc tinh thể đơn lẻ có kích thước từ 20 -
30A0.
Hình 5.17a: Cơ chế trung gian về động hóa học của sự tạo thành bồ hóng
từ các phân tử aromatics
.C2H+C4H2 C
C
H
C
.C C
C
H
H
C2H2
C
C
H
CCC
C
H
H
C2H2
C
H
C
H
C C
C
H
.
C C
C
H
C C H
.
H
.
Hình 5.17b
+ C2H2
Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel
69
Hình 5.17b: Mô hình cơ chế tạo hạt bồ hóng từ aromatics
và aliphatics
CHx
C2Hx
C3Hx
A
romatics
Các phản ứng ngưng tụ
A
liphatic
Các phản ứng
phân nhánh
Trực tiếp
(h h)
Bồ hóng
Bồ hóng
Gián tiếp (chậm)