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.

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
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.


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.


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


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

0.67nm
0.335nm
a
c
b
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 nay5.4.1. 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

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)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.
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 -
30A
0
.


.C C
C
H
H
C
2
H
2

C
C
H
C
C
C
C
H
H
C
2
H
2
C
H
C
H
C
C
C
H
Hình 5.17b: Mô hình cơ chế tạo hạt bồ hóng từ aromatics
và aliphatics

CH
x

C
2
H
x

C
3
H
x
A
romatics
Các phản ứng ngưng tụ
A
liphatic
Các phản ứng
phân nhánh

H
5
.
→Alcenes (C
2
H
4
)→Alcynes (C
2
H
2
) →(khử hydro) → Các gốc C
2
H
.
và sau đó :
C
2
H
.
+ C
2
H
2
→ C
4
H
2
+ H
.

bề mặt và liên kết hạt. Ở mỗi giai đoạn, khi nhiệt độ đủ cao, hạt bồ hóng bị oxy hóa một
bộ phận hay toàn phần. 5.5.3. Quá trình oxy hóa hạt bồ hóng

Quá trình oxy hóa có thể diễn ra ngay lúc hình thành các phân tử hoạt tính, hạt
nhân và hạt bồ hóng (hình 5.16). Thực nghiệm cho thấy phần lớn bồ hóng bị oxy hóa
trong xy lanh trước khi quá trình thải bắt đầu. Tốc độ oxy hóa bồ hóng trong động cơ phụ
thuộc vào sự khuếch tán của các chất tham gia cũng như động học phản ứng.

Có rất nhiều chất bên trong sản phẩm cháy hay ở gần ngọn lửa có thể oxy hóa bồ
hóng như O
2
, O, OH, CO
2
, và H
2
O. Khi áp suất riêng của oxygène cao, sự oxy hóa bồ
hóng có thể tuân theo công thức gần đúng dựa trên các nghiên cứu về oxy hóa của
pyrographite. Sự oxy hóa bồ hóng bởi OH tác động trên bề mặt hạt. Trong khi đó, sự oxy
bồ hóng do oxygène tác động trên bề mặt hạt diễn ra chậm hơn nên nó có thời gian xuyên
Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel

71
sâu vào bên trong để oxy hóa và phân hủy hạt bồ hóng. Theo những kết quả gần đây, trong
điều kiện áp suất môi trường và hỗn hợp giàu thì sự oxy hóa bồ hóng bởi gốc OH
quan trọng hơn so với sự oxy hóa của O hay O
2
.

m
Y
dx
mYm
i
iioo
(
&
.)

&
.
&
'
,
'
<
>
=+
(5.1)

Trong trường hợp môi trường bên ngoài không chứa bồ hóng, Y
io
= 0. Do vậy ta có:
dm Y
dx
m

hóng
m
i
.
'

với các thông số khác của dòng chảy rối để khép kín hệ phương trình. Theo
hướng này, hiện nay tồn tại nhiều mô hình tạo bồ hóng. Sau đây là một số mô hình tiêu
biểu.
Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel

72

5.6.2 Mô hình hóa sự sản sinh bồ hóng

Những nghiên cứu thực nghiệm cho thấy sự hình thành bồ hóng được tiến hành
qua trung gian của những hydrocarbure thơm đa nhân (HAP) và sự phát triển của hạt bồ
hóng là do phản ứng giữa những phân tử hydrocarbure thơm và acétylène. Mô hình động
hóa học HAP mô tả sự hình thành bồ hóng theo cơ chế này do Frenklach thiết lập bao gồm
khoảng 1000 phản ứng thuận nghịch được khởi động bởi 18 phản ứng chính ban đầu.
Nghiệm số
hoàn chỉnh của mô hình này vì vậy rất phức tạp.

Theo Tesner-Magnussen, bồ hóng được hình thành trong quá trình cháy của
hydrocarbure được tiến hành qua hai giai đoạn, đầu tiên là việc hình thành các nhân cơ sở,
và giai đoạn sau là việc hình thành bồ hóng từ các nhân này. Tốc độ sản sinh các nhân cơ
sở được tính theo biểu thức: (

c
f
: Nồng độ nhiên liệu (kg/m
3
).
E : Năng lượng kích hoạt
R : Hằng số khí vạn năng
T : Nhiệt độ tuyệt đối của khí
f
b
: Hệ số tăng nhánh tuyến tính
g : Hệ số đứt nhánh tuyến tính
g
o
: Hệ số đứt nhánh của hạt bồ hóng
n : Nồng độ hạt cơ sở (hạt/m
3
)
N : Nồng độ hạt bồ hóng (hạt/m
3
)

Tốc độ sản sinh bồ hóng được viết như sau: ()
RmabNnkgms
sf p,
(/ /)=−
3

T : Nhiệt độ khí cháy
K : Hằng số tỉ lệ

- Mô hình Hiroyasu và Kadota:
(
)
R
s,f
=−KP T
b
exp /10000 (5.8)

P : Áp suất khí
T
b
: Nhiệt độ khí cháy
K : Hằng số tỉ lệ

- Mô hình Morel:
(
)
R
s,f
=
−
+
AR

Thực nghiệm cho thấy rằng tốc độ cháy bề mặt của bồ hóng tương đương với tốc
độ cháy bề mặt của graphite. Do đó công thức thực nghiệm của Nagle và Stricland-
Constable thường được dùng trong tính toán tốc độ oxy hoá bề mặt graphite cũng được
dùng để tính toán sự oxy hóa bồ hóng. Theo đó, tốc độ oxy hoá bề mặt bồ hóng R
s,c
được
viết như sau:

R
c
d
kP
kP
kP
sc
s
ss
Ao
zo
Bo,

.
()=
+
+−
⎛
⎝
⎜
⎜
⎞

B
T
Z
=−
=−
=−
=
⎧
⎨
⎪
⎪
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎪
⎪
−
20 15100
4 4610 7640
15110 48800
21 3 2060
3
5
exp( /

,. exp( /
,. exp( /
, exp( /

/
, . . . exp( / ).=−
−
6 51 10 19800
512
2
ρ
(kgm
-3
s
-1
) (5.13)
- Mô hình Magnussen: R
PT
PT
c
d
sc
o
o
s
ss
,

, . . exp( / )
, . . exp( / )
.=

-3
s
-1
) (5.15)

- Mô hình Hiroyasu và Kadota:

R
c
d
PT
sc
s
ss
O,
.exp( / )=−
6
20000
2
ρ
(kgm
-3
s
-1
) (5.16)

- Mô hình Morel:

RB
c

Magnussen đưa ra mô hình "eddy-dissipation" ứng dụng trong quá trình cháy của bồ hóng.
Theo mô hình này, tốc độ cháy bồ hóng được tính theo quan hệ sau đây: RAc
k
sc s,
.=
⎛
⎝
⎜
⎞
⎠
⎟
ε
(kgm
-3
s
-1
) (5.18)

trong đó : A : Hằng số
c
s
: Nồng độ bồ hóng ( kg/m
3
)
k : Động năng rối (m
2
/s

+
⎛
⎝
⎜
⎞
⎠
⎟
2
ε
(kgm
-3
s
-1
) (5.19)

r
s
, r
f

theo thứ tự là lượng oxygène cần thiết để đốt cháy hoàn toàn một kg bồ hóng
và một kg nhiên liệu (kg/kg) theo lí thuyết; c
O2
là nồng độ oxygène (kg/m
3
). Tốc độ cháy
bồ hóng là giá trị nhỏ nhất trong hai giá trị tính theo (5.18) và (5.19). Tốc độ hình thành bồ
hóng cuối cùng được xác định bởi biểu thức: Mô hình nhiệt động
học trong cylindre

Quy luật
phun nhiên liệu

Điều kiện ban đầu ở góc
quay trục khuỷu
α
i

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

76
Magnussen có thể được áp dụng để tính toán sự hình thành bồ hóng trong buồng cháy
động cơ Diesel. f
v
L.10
8

Tính toán
Thực nghiệm

n=1000 v/ph
p
a
=1,333 bar

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

77
1000 v/ph
pa=1.333bar
0
5
10
15
20
25
30
35