Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel70
Cơ chế tổng quát về sự tạo thành hạt nhân bồ hóng ở nhiệt độ thấp và trung bình
được trình bày trên hình 5.17a,b. Ở nhiệt độ thấp (<1700K), hydrocarbure thơm có thể
sinh ra bồ hóng một cách trực tiếp và nhanh chóng biến thành cấu trúc gần graphite. Khi
nhiệt độ cao hơn 1800K, một cơ chế hình thành bồ hóng khác diễn ra chậm hơn và ít trực
tiếp hơn, trước hết qua trung gian những thành phần HC có khối lượng phân tử nhỏ và sau
đó bị polymer hóa thành những phần tử kém bão hòa có khối lượng phân tử lớn hơn. Đây
là các mầm cơ bản để hình thành các hạt nhân bồ hóng.

Theo Borghi, sự hình thành bồ hóng qua trung gian các aromatics được viết như
sau:
Aromatic→(khử hydro) →Alcanes (CH
4
, C
2
H
6
...) →Các gốc Alcolyles (CH
3
.
,
C
2
H
5
.
...→
Alcenes (C

H
2
+ H
. C
2
H và Diacetylene C
4
H
2
lại tiếp tục tác dụng với nhau như hình 5.17a và cơ chế
tiếp tục kéo dài. Ở mỗi một chu trình đều có sự tham gia của C
2
H
2
.

5.5.2. Phát triển hạt bồ hóng

Quá trình phát triển của hạt bồ hóng bao gồm sự phát triển bề mặt, ngưng tụ và sự
liên kết hạt. Sự phát triển bề mặt diễn ra do các chất thể khí ngưng tụ trên hạt rắn và biến
thành một bộ phận của hạt. Các phản ứng phát triển bề mặt dẫn đến sự gia tăng nồng độ bồ
hóng f
v
nhưng không làm thay đổi số lượng hạt. Ngược lại sự phát triển bằng con đường
liên kết và hợp dính các hạt với nhau làm giảm số lượng hạt nhưng nồng độ bồ hóng
không thay đổi. Khi sự phát triển bề mặt hạt kết thúc, quá trình liên kết hạt thành chuỗi và
cụm vẫn có thể xảy ra. Khi đó lực tĩnh điện của chúng có vai trò quan trọng và là yếu tố

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
.

Như vậy, rõ ràng hạt bồ hóng hình thành là sản phẩm của các quá trình:
tạo hạt cơ
sở, hình thành hạt bồ hóng, phát triển và oxy hóa hạt bồ hóng
.
Tốc độ tạo bồ hóng
trong quá trình cháy là hiệu số giữa tốc độ sản sinh và tốc độ oxy hóa bồ hóng.
Cơ chế
hình thành bồ hóng phụ thuộc chủ yếu vào nồng độ nhiên liệu, oxygène và nhiệt độ quá
trình cháy. 5.6. Mô hình hóa quá trình tạo bồ hóng trong động cơ Diesel

5.6.1. Giới thiệu

Động học phản ứng hình thành bồ hóng khác với động học phản ứng hình thành các
chất khác trong sản phẩm cháy. Giả thuyết động học phản ứng nhanh không thể áp dụng
trong tính toán nồng độ bồ hóng. Trong quá trình cháy khuếch tán, sự phân bố nhiên liệu
không đồng đều và chính vùng tập trung nhiên liệu ở biên giới của các mặt tiếp giáp là khu
vực sản sinh bồ hóng. Tốc độ sản sinh bồ hóng phụ thuộc nồng độ nhiên li
ệu còn tốc độ
cháy bồ hóng phụ thuộc nồng độ oxygène.



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

&

'
< >
= (5.2)

Trong đó tốc độ sản sinh trung bình của phần tử i được tính trên một đơn vị thể tích
và thời gian được xác định theo biểu thức:
&
..
'

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: ( )
RnfgngnN
nf o b o,
=+− −
(hạt/m
3
/s) (5.4)
trong đó:

n
o
: Tốc độ sản sinh hạt cơ sở ban đầu: nac
E
RT
oof
=−
⎛

3
)

Tốc độ sản sinh bồ hóng được viết như sau: ()
RmabNnkgms
sf p,
(/ /)=−
3
(5.6)

Với m
p
: Khối lượng một hạt bồ hóng (kg/ hạt).
a,b : Các hằng số

Ngoài ra còn có các mô hình mô tả sự sản sinh bồ hóng khác như:

- Mô hình Khan: ()
R
s,f
=−Kp T
ff
φ
3

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

- Mô hình Morel:
( )
R
s,f
=
−
+
AR
AT
Y
f
f
o
1
2
1476
2
exp /
,
(5.9)
A
1
, A
2

ss
Ao
zo
Bo,

.
()=
+
+−
⎛
⎝
⎜
⎜
⎞
⎠
⎟
⎟
720
1
1
2
2
2
ρ
χ
χ
(kgm
-3
s
-1

⎪
⎪
⎪
−
20 15100
4 4610 7640
15110 48800
21 3 2060
3
5
exp( /

,. exp( /
,. exp( /
, exp( /
(5.11)

P
O2
là áp suất riêng của oxy tính bằng atm

χ =
+
1
1
2
k
k
P
T


R
PT
PT
c
d
sc
o
o
s
ss
,

, . . exp( / )
, . . exp( / )
.=
−
+−
1 83 10 29000
1 3 10 10 29300
82
10 2
2
2
ρ
(kgm
-3
s
-1
) (5.14)

6
20000
2
ρ
(kgm
-3
s
-1
) (5.16)

- Mô hình Morel:

RB
c
d
BTP
sc
s
ss
fO,
/
exp( / ).=−
12
12
2
ρ
(kgm
-3
s
-1