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

70
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
2
H

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
chính tạo ra sự h
ợp dính này.

Tóm lại, trong buồng cháy động cơ liên tục xảy ra qua trình tạo hạt nhân, phát triển
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


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.

Nồng độ bồ hóng tại một điểm trong ngọn lửa được xác định bởi sự tương tác của
hai hiện tượng lí hóa:
đối lưu-khuếch tán, khống chế sự dịch chuyển của các phần tử trong
dòng chảy và
sản sinh-tiêu tán, khống chế sự sinh ra hay mất đi của các phần tử trong quá
trình cháy. Nồng độ bồ hóng được xác định theo định luật bảo toàn phần tử trong dòng
chảy: d
m
Y
dx
mYm
i
iioo

&

'
<
>
= (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:
&

'
max
mRR
ii
=
π
2
(5.3)

Mô hình hóa quá trình tạo bồ hóng chủ yếu là tìm mối quan hệ giữa tốc độ tạo bồ
hóng
m
i
.
'


trong đó:

n
o
: Tốc độ sản sinh hạt cơ sở ban đầu: nac
E
RT
oof
=−
⎛
⎝
⎜
⎞
⎠
⎟
exp (hạt/m
3
/s) (5.5)
a
o
: Hằng số
c
f
: Nồng độ nhiên liệu (kg/m
3
).
E : Năng lượng kích hoạt


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
20000exp / (5.7)
Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel

73

f
f
: Độ đậm đặc của nhiên liệu trong vùng hình thành bồ hóng
p
f
: Áp suất cục bộ của nhiên liệu
T : Nhiệt độ khí cháy
K : Hằng số tỉ lệ

- Mô hình Hiroyasu và Kadota:
2
1476
2
exp /
,
(5.9)
A
1
, A
2
: Các hằng số
R
f
: Tốc độ cháy của nhiên liệu
T
f
: Nhiệt độ ngọn lửa
Y
O2
: Nồng độ oxy có mặt trong vùng cháy 5.6.3. Mô hình hóa sự oxy hóa bồ hóng

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

2
2
2
ρ
χ
χ
(kgm
-3
s
-1
) (5.10)

trong đó các hằng số được xác định như sau: Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel

74

kT)
kT)
kT)
kT)
A
B
T
Z
=−
=−
=−

χ =
+
1
1
2
k
k
P
T
B
o
(5.12)

Ngoài ra, còn có nhiều mô hình tính toán tốc độ oxy hóa bồ hóng như:

- Mô hình Lee:

RPT T
c
d
sc o
s
ss
,
/
, . . . exp( / ).=−
−
6 51 10 19800
512
2

2
2
ρ
(kgm
-3
s
-1
) (5.14)

- Mô hình Jones: RPPT T
sc O H O,
// /
. . exp( / )
=
−
−
2
14
2
12 12
19000 (kgm
-3
s
-1
) (5.15)

- Mô hình Hiroyasu và Kadota:

/
exp( / ).=−
12
12
2
ρ
(kgm
-3
s
-1
) (5.17)

B
1
, B
2
: Các hằng số

- Mô hình "eddy-dissipation" của Magnussen:

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

75
Dựa trên cùng nguyên tắc mô tả quá trình cháy khuếch tán của nhiên liệu,
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

)

Quan hệ này được áp dụng trong vùng có thừa oxygène. Trong trường hợp thiếu
oxygène, Magnussen đề nghị tính tốc độ cháy bồ hóng theo công thức: RA
c
rk
cr
cr cr
sc
o
s
ss
ss ff
,
.=
⎛
⎝
⎜
⎞
⎠
⎟
+
⎛
⎝
⎜
⎞
⎠

(kgm
-3
s
-1
) (5.20)

5.6.4. Xây dựng mô hình tạo bồ hóng trong buồng cháy động cơ Diesel

Việc tính toán và xây dựng mô hình tạo bồ hóng trong buồng cháy động cơ Diesel
cần được thực hiện đồng thời với mô hình quá trình cháy khuếch tán. Sơ đồ lôgic của mô
hình tính toán được trình bày như trên hình 5.18. Kết hợp với mô hình ngọn lửa khuếch
tán bên ngoài động cơ, chúng ta có thể xây dựng được mô hình quá trình cháy của ngọn
lửa bên trong động cơ theo các điều kiện ban đầu ở góc quay trục khuỷu α
i
. Như vậy, ở
mỗi bước góc quay trục khuỷu xác định, chúng ta có được nồng độ nhiên liệu, nồng độ
oxygène và nhiệt độ cục bộ. Từ đó nồng độ bồ hóng được xác định nhờ các mô hình vừa
trình bày trên đây.

Đối với quá trình cháy trong động cơ Diesel, hiện nay người ta có thể áp dụng
nhiều mô hình khác nhau để tính toán nồng độ bồ hóng. Tuy nhiên, trong các mô hình đó,
mô hình Tesner-Magnussen thể hiện được đầy đủ bả
n chất của quá trình lí hóa hình thành
bồ hóng trong ngọn lửa khuếch tán nhất. Mô hình nhiệt động
Hình 5.18: Sơ đồ tính toán quá trình cháy và tạo bồ hóng
trong động cơ Diesel phun trực tiếp
Trong tính toán nồng độ bồ hóng theo mô hình Tesner-Magnussen, năng lượng
kích hoạt E (quyết định tốc độ sản sinh bồ hóng) và hệ số oxy hóa A (quyết định tốc độ
oxy hóa bồ hóng) sẽ được chọn tùy thuộc vào loại động cơ và loại buồng cháy. Hình 5.19
trình bày một số kết quả so sánh giữa tính toán và thực nghiệm nồng độ bồ hóng trong
buồng cháy động cơ Diesel transparent Lombardini LDA-100. Nồng độ bồ hóng trong
buồng cháy động cơ đượ
c đo bằng phương pháp hỏa kế lưỡng sắc. Sự hình thành bồ hóng
được tính theo mô hình Tesner-Magnussen và quá trình cháy được tính toán theo mô hình
ngọn lửa khuếch tán.

Sự phù hợp giữa mô hình và thực nghiệm ở đây cho thấy mô hình Tesner-
Magnussen có thể được áp dụng để tính toán sự hình thành bồ hóng trong buồng cháy
động cơ Diesel. f
v


Hình 5.19: So sánh biến thiên nồng độ bồ hóng theo mô hình và thực nghiệm
(động cơ transparent Lombardini LDA-100)