SO SÁNH BỨC XẠ CỦA BỒ HÓNG TRONG NGỌN LỬA
DIESEL CHO BỞI MÔ HÌNH VÀ THỰC NGHIỆM
COMPARISON OF SOOT RADIATION IN DIESEL FLAME PRODUCED BY
MATHEMATICAL MODEL AND BY EXPERIMENTAL DATA TRẦN VĂN NAM – BÙI VĂN GA
Đại học Đà Nẵng
NGUYỄN NGỌC LINH
SAMCO, Thành phố Hồ Chí Minh TÓM TẮT
Mô hình tích phân một chiều được xây dựng để tính toán bức xạ nhiệt của ngọn lửa Diesel
cháy ngoài khí quyển và trong buồng cháy động cơ. Trên cơ sở nhiệt độ và nồng độ bồ hóng
cho bởi lý thuyết màn lửa mỏng và mô hình tạo bồ hóng của Tesner-Magnussen, bức xạ nhiệt
của đám mây bồ hóng tại các vị trí khác nhau trong ngọn lửa được xác định và so sánh với số
liệu thực nghiệm cho bởi phương pháp hai bước sóng.
ABSTRACT
An integral unidirectional model is established to calculate the radiation heat transfer of Diesel
flame in open air and in combustion chamber of engine. Based on temperature and soot
fraction produced by flamlet theory and soot formation model of Tesner-Magnussen, radiation
of soot particulate cloud at different positions of flame is determined and compared with
experimental data obtained by two-color method. 1. GIỚI THIỆU
Truyền nhiệt bức xạ trong buồng cháy động cơ Diesel được chia thành hai nguồn:
nguồn bức xạ của các chất khí và nguồn bức xạ của đám mây bồ hóng, trong đó bức xạ bồ
hóng đóng vai trò chủ yếu. Trong động cơ đánh lửa cưỡng bức sử dụng hỗn hợp đồng nhất,
lượng bồ hóng trong sản phẩm cháy rất thấp nên bức xạ chính từ các chất khí như H

kiểm tra mô hình bức xạ của mình. Kết quả cho thấy cường độ bức xạ phụ thuộc và độ xoáy
lốc trong buồng cháy và đạt cực đại khoảng 1600kW/m
2
ứng với độ xoáy lốc 1,4. Khi không
có xoáy lốc trong buồng cháy, kết quả thực nghiệm của Wiedenhoefer phù hợp với kết quả
tính toán của Blunsdon (bức xạ cực đại khoảng 450kW/m
2
). Thông lượng nhiệt tổng cộng cực
đại truyền qua thành buồng cháy khoảng 6000kW/m
2
theo kết quả đo đạc của Eigimeier và
đồng sự [3]. Phối hợp các kết quả trên chúng ta thấy truyền nhiệt bức xạ từ khí cháy ra thành
buồng cháy động cơ Diesel chiếm khoảng từ 30 đến 40% truyền nhiệt tổng cộng.
Để đơn giản hóa các yếu tố hình học của buồng cháy đến truyền nhiệt bức xạ, trong
nghiên cứu này, chúng tôi tính toán thông lượng nhiệt bức xạ tổng quát truyền từ ngọn lửa
đến thành buồng cháy theo biểu thức gần đúng sau đây:















k
1800-2600K, C
o
=5,67, buồng
cháy động cơ được xem như vật xám có 
w
 0,82. Vấn đề còn lại là xác định hệ số bức xạ của
bồ hóng.
Trong những năm gần đây, người ta đã xây dựng các mô hình toán học để dự đoán các
thông số đặc trưng của bồ hóng. Các mô hình tạo bồ hóng đơn giản, một chiều đã được thiết
lập để tính toán ngọn lửa cháy bên ngoài khí quyển và bên trong buồng cháy động cơ [5]. Các
mô hình đa phương phức tạp hơn đã được xây dựng trong các phần mềm động học chất lỏng
như KIVA III, FIRES, FLUENT Các phần mềm này dù đơn giản hay phức tạp cũng đều
dựa trên lý thuyết tạo bồ hóng nền tảng, trong đó lý thuyết Tesner-Magnussen được sử dụng
rộng rãi [5].
Bồ hóng phát ra bức xạ liên tục trong dãy quang phổ hồng ngoại và vùng quang phổ
thấy được. Dự đoán chính xác về sự phát xạ của bồ hóng có thể thực hiện được nếu những đặc
tính về quang học, sự phân bố cỡ hạt và hình dáng hình học của chúng được xác định. Theo lí
thuyết Mie, bức xạ nhiệt của bồ hóng phụ thuộc vào thông số cỡ hạt α = πds/λ (với d
s
là
đường kính hạt bồ hóng) và các hằng số quang học, mà các hằng số nầy thì phụ thuộc vào
bước sóng. Trong giới hạn α<<1 thì lý thuyết Mie được đơn giản hóa phần khuếch tán trong
giới hạn vùng Rayleigh, khi đó hệ số hấp thụ của bồ hóng được xác định như sau:

 





C
6,3dea
T
1
a
v
0
2
0
,b,soot
4
soot






(4)
với e
b,λ
là công suất phát xạ của vật đen
C
2
=0,0143879mK là hằng số
22222
o
kn4)2kn(
nk36
C

cháy động cơ Diesel.

2. MÔ HÌNH TÍNH TOÁN BỒ HÓNG
Trong quá trình cháy khuếch tán nhiên liệu trong vùng nhiệt độ cao sẽ bị phân hủy
nhiệt thành nhiều thành phần hữu cơ khác nhau. Những thành phần hữu cơ nặng hình thành
các trung tâm tích tụ những phần tử hữu cơ nhẹ, biến các trung tâm ban đầu này thành những
hạt dạng rắn, gọi là giai đoạn tạo hạt nhân cơ sở. Sau đó, những hạt nhân này liên kết với nhau
tạo thành những hạt lớn hơn song song với quá trình phát triển bề mặt và thể tích hạt. Do quá
trình đối lưu-khuếch tán, những hạt bồ hóng sau khi hình thành sẽ được kéo theo dòng khí.
Qua những vùng thừa ô xy và nhiệt độ đủ cao, hạt bồ hóng bị ô xy hóa. Nếu khi ra khỏi những
vùng này mà hạt bồ hóng vẫn chưa bị cháy hòan toàn thì bộ phận còn sót lại sẽ thoát ra ngoài.
Trong động cơ Diesel, chính bộ phận bồ hóng này hiện diện trong khí xả và là nguồn gây ô
nhiễm môi trường.
Xuất phát từ cơ chế hình thành hạt bồ hóng nêu trên, Tesner đã đưa ra mô hình hai giai
đoạn: giai đoạn đầu là giai đọan hình thành hạt nhân cơ sở và giai đoạn cuối là giai đọan phát
triển hạt bồ hóng. Magnussen hoàn thiện mô hình này bằng cách bổ sung thêm tốc độ cháy
hạt bồ hóng. Theo Magnussen, quá trình cháy khuếch tán nói chung và quá trình cháy của hạt
bồ hóng nói riêng, có thể mô tả bằng mô hình “tiêu tán các mặt tiếp giáp” (eddy-dissipation).
Theo mô hình này, cường độ rối quyết định tốc độ cháy vì nó ảnh hưởng đến quá trình hòa
trộn nhiên liệu-không khí mà thời gian cần thiết cho sự hòa trộn này lớn hơn rất nhiều lần so
với thời gian diễn ra phản ứng hóa học. Tốc độ tạo hạt nhân cơ sở được Tesner biểu diễn
bằng phương trình:

 
R a c
E
RT
f g n g nN R
n
c

/s) (8)
Trong biểu thức trên, tốc độ cháy bồ hóng Rs
,c
được quyết định bởi nồng độ tối thiểu
của o-xy hoặc của bồ hóng có mặt trong hỗn hợp :

R A
k
c
c
r
c r
c r c r
s c s
O
s
s s
s s f f
,
. min ,








2
(kg/m

m' R . .R
 
&
(10)
Mô hình tạo bồ hóng trên đây được tích hợp trong chương trình tính ngọn lửa khuếch
tán để tính toán nồng độ bồ hóng tại mỗi thời điểm góc quay trục khuỷu động cơ. Hình 1 và
hình 2 giới thiệu kết quả tính toán tiêu biểu về ảnh
hưởng của góc nghiêng tia phun và tốc độ xoáy lốc
của dòng khí đến nồng độ bồ hóng trong buồng cháy
động cơ Diesel. Dựa vào giá trị nồng độ bồ hóng này,
kết hợp với nhiệt độ cháy của ngọn lửa, chúng ta tính
được bức xạ nhiệt theo biểu thức (1).

3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
Thực nghiệm được tiến hành trên ngọn lửa
khuếch tán ngoài khí quyển và trong buồng cháy động
cơ. Bố trí thí nghiệm và phương pháp tiến hành trong
trường hợp thứ nhất được giới thiệu trong [6] và
trường hợp thứ hai được giới thiệu trong [7]. Nguyên
lý chung của phép đo là sử dụng visioscope AVL để
ghi lại bức xạ của ngọn lửa ở hai bước sóng khác
nhau. Số liệu này được chuyển vào bộ nhớ của máy
tính. Bằng phần mềm Thermovision, số liệu ngọn lửa
được phân tích bằng phương pháp hai bước sóng để
xác định đồng thời nhiệt độ và nồng độ thể tích bồ hóng tại mỗi vị trí quan sát.
3
7
11

15

U

=4m/s)s(m)

f
v
(ppm)
9
0 0,01 0,02 0,03
6
3
0








Hình 2
.

Ảnh h
ư
ởng của tốc độ vận động
dòng khí đ

thiên nồng độ bồ hóng theo chiều cao ngọn lửa ngoài khí quyển cho bởi phương pháp hai
bước sóng. Kết quả tiêu biểu về tính toán nhiệt độ và nồng độ bồ hóng trong buồng cháy phụ
động cơ Mazda ở chế độ tải 60%, tốc độ 2000 vòng/phút, ở vị trí 9 góc quay trục khuỷu được
giới thiệu trên hình 4.

4. SO SÁNH KẾT QUẢ CHO BỞI MÔ HÌNH VÀ THỰC NGHIỆM
Hình 5 và hình 6 giới thiệu kết quả
so sánh biến thiên nồng độ bồ hóng cho
bởi mô hình và thực nghiệm ứng với số
Reynold tại miệng vòi phun là 23.180 và
31.020. Trong giai đoạn đầu, sự gia tăng
nồng độ bồ hóng cho bởi mô hình và thực
nghiệm rất phù hợp với nhau. Sau khi đạt
giá trị cực đại, nồng độ bồ hóng cho bởi
mô hình giảm nhanh hơn nồng độ bồ hóng
cho bởi thực nghiệm. Theo lý thuyết tạo
bồ hóng theo mô hình Tesner-Magnussen,
tốc độ hình thành bồ hóng phụ thuộc vào

4
6
8
0,2 0,4 0,6 0,8 1
x(m)

f
v
(ppm)

Thùc nghiÖm

M« h×nh

Hình 7
.

So sánh cư
ờng độ bức xạ của ngọn
lửa khuếch tán ngoài khí quyển cho bởi mô
hình và thực nghiệm
0

200

400

600

0 0,2 0,4 0,6 0,8

7

3

0

nhiệt độ và nồng độ nhiên liệu. Ở phần đuôi ngọn lửa, nhiệt độ cho bởi thực nghiệm cao hơn
nhiệt độ cho bởi mô hình do đó tốc độ cháy bồ hóng do thực nghiệm cao hơn.
Trên cơ sở nồng độ bồ hóng nhận được kết hợp với nhiệt độ tính toán của ngọn lửa
khuếch tán, chúng ta tính toán được bức xạ nhiệt tại các vị trí khác nhau theo chiều cao ngọn
lửa. Trong tính toán này, chúng ta chỉ so sánh bức xạ nhiệt của ngọn lửa, không quan tâm đến
thành buồng cháy theo biểu thức :
4
k
okkw
100
T
Cq







Hình 7 giới thiệu kết quả so sánh cường độ bức xạ cho bởi mô hình và thực nghiệm
đối với ngọn lửa khuếch tán cháy bên ngoài khí quyển với áp suất phun là 80, 100 và 110
bars. Kết quả cho bởi mô hình có dạng tương tự với kết quả thực nghiệm nhưng điểm cực đại
cho bởi mô hình đạt gần miệng vòi phun hơn so với kết quả thực nghiệm. Giá trị cường độ
bức xạ cực đại cho bởi mô hình thấp hơn giá trị tương ứng cho bởi thực nghiệm khoảng 20%.

dòng khí trong buồng cháy, trong phần sau đây,
chúng tôi đưa vào mô hình bộ thông số đầu vào
gồm : góc nghiêng tia phun /4, tốc độ vận động
của dòng khí 7m/s và áp suất phun 100bar.
Về thực nghiệm, để có thể xem xét biến
Hình 8
.
Bi
ến thi
ên n
ồng độ thể tích bồ hóng
trong buồng cháy phụ động cơ Mazda theo
góc quay tr
ục khuỷu ứng với các tốc độ động
cơ khác nhau ở chế độ tải 60%
Góc quay trục khuỷu (độ)

Nồng độ bồ hóng f
v
(ppm)

1600 v/ph
2000 v/ph

3000 v/ph
60% tải
0
2
4
6


3000 v/ph
60% tải
Mô hình
thiên truyền nhiệt bức xạ theo góc quay trục khuỷu động cơ, chúng ta tiến hành quay phim
diễn biến trong buồng cháy phụ động cơ Mazda. Trên cơ sở nhiệt độ và nồng độ bồ hóng cho
bởi việc phân tích ảnh của ngọn lửa, chúng ta có thể tính được hệ số bức xạ của ngọn lửa và
cường độ truyền nhiệt bức xạ từ ngọn lửa đến thành buồng cháy phụ động cơ Mazda.
Ở tốc độ động cơ cao, vận động xoáy lốc của dòng khí trong buồng cháy phụ mạnh,
hỗn hợp hòa trộn tốt hơn làm giảm sự tập trung cục bộ nhiên liệu dẫn đến giảm nồng độ bồ
hóng (hình 8). Giá trị cực đại của nồng độ bồ hóng đạt từ 6 đến 8ppm, phụ thuộc vào chế độ
tốc độ của động cơ. Kết quả tính toán theo mô hình được biểu diễn bằng đường cong nét liền
trên hình 5. Kết quả này cho thấy, với các thông số đưa vào trong tính toán, mô hình phù hợp
với trường hợp tốc độ động cơ khoảng 3000 vòng/phút. Khi tốc độ động cơ nhỏ hơn, vận
động của dòng khí kém, dẫn đến nồng độ bồ hóng cao. Giá trị này phù hợp với tính toán của
Blunsdon và đồng sự [1]. Tuy nhiên do tốc độ hòa trộn giữa không khí và nhiên liệu gia tăng
làm tăng tốc độ cháy, dẫn đến tăng tốc độ tỏa nhiệt, kết quả là nhiệt độ khu vực cháy tăng khi
tăng tốc độ động cơ ở cùng chế độ tải (hình 9). Kết quả tính toán nhiệt độ cháy với các số liệu
vừa nêu phù hợp với thực nghiệm ở giai đoạn sau khi tốc độ động cơ khoảng 2000 vòng/phút.
Đường cong tính toán đạt giá trị cực đại ở góc quay trục khuỷu 370. Đây cũng là vị trí áp
suất trong buồng cháy động cơ đạt giá trị cực đại. Giai đoạn trước điểm cực đại này có sự sai
lệch đáng kể giữa mô hình và thực nghiệm.
Hình 10 giới thiệu biến thiên của cường độ truyền nhiệt bức xạ từ ngọn lửa đến thành
buồng cháy theo góc quay trục khuỷu động cơ ứng với các chế độ tốc độ khác nhau. Chúng ta
thấy cường độ truyền nhiệt bức xạ đạt giá trị cực đại từ 1500kW/m
2
đến 2000kW/m
2
khi tốc
độ động cơ thay đổi từ 1600v/ph đến 3000v/ph và vị trí cực đại này dịch dần về điểm chết

xạ của bồ hóng trong buồng cháy dự bị của động cơ Diesel đạt khoảng 2000 KW/m
2
.
Mô hình một chiều cho phép dự báo được giá trị cực đại và biến thiên của cường độ
bức xạ theo chiều dài ngọn lửa ngoài khí quyển cũng như theo vị trí góc quay trục khuỷu
trong buồng cháy động cơ. Tuy nhiên để xem xét biến thiên tương đối của bức xạ bồ hóng
theo các chế độ hoạt động khác nhau của động cơ chúng ta cần đưa vào mô hình các thông số
liên quan đến vận động của dòng khí trong buồng cháy.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] C.A. BLUNSDON, W.M.G. MALALASEKERA, J.C. DENT: Application of the Discrete Transfer
Model of Thermal Radiation in a CFD Simulation of Diesel engine Combustion and Heat Transfer.
SAE Technical Paper Series 922305, 1992.
[2] P. FURMANSKI, J. BANASZEK, T.S. WISNIEWSKI: Radiation Heat Transfer in a Combustion
Chamber of Diesel Engine with Partially Transparent Burnt Gas Zone. SAE Technical Paper Series
980504, 1998.
[3] C. EIGIMEIER, H. LETTMANN, G. STIESCH, G.P. MERKER: A detailed Phenomenological Model
for Wall Heat Transfer Prediction in Diesel Engines. SAE Technical Paper Series 2001-01-3265, 2001
[4] J.F. WIEDENHOEFER R.D. REITZ: Multidimensional Modeling of the Effects of Radiation and Soot
Deposition in Heavy-duty Diesel Engines. SAE Technical Paper Series 2003-01-0560, 2003.
[5] BÙI VĂN GA, LÊ VĂN LỮ, NGUYỄN NGỌC LINH: Đánh giá mô hình tạo bồ hóng của Tesner-
Magnussen bằng thực nghiệm trên ngọn lửa Diesel. Hội nghị Cơ học Thủy khí tòan quốc lần thứ 8, pp.
98-107, Hà Tiên, 20-22/7/2004.
[6] BUI VAN GA, PHUNG XUAN THO, PHAM XUAN MAI, LE VAN LU, NGUYEN NGOC LINH:
Soot formation analysis in turbulent diffusion flames by Visoscope. International Automotive Congress
CONAT 2004, Brasov, Romania, 19-22 October 2004.
[7] BUI VAN GA, DUONG VIET DUNG, HUYNH BA VANG, NGUYEN NGOC LINH: Temperature
and Soot Distribution Analysis in Pre-Chamber of MAZDA WL Engine by AVL Visioscope. Paper 042,
International Conference on Automotive Technology for Vietnam, ICAT 2005. Hanoi, October 22-24,

.
So sánh bi
ến thi
ên cư
ờng độ b
ức xạ từ
ngọn lửa đến thành buồng cháy phụ động c
ơ Mazda
theo góc quay trục khuỷu ứng với các chế độ tải
khác nhau (n=2000 v/ph)
360

370 380

390

400

Góc quay trục khuỷu (độ)

1200

400

2000

Cường độ bức xạ (kW/m
2
)
80% tải