cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ diesel

Chương C CH HÌNH THÀNH B HĨNG TRONG Q TRÌNH CHÁY C A Đ NG C DIESEL 5.1 Giới thiệu: B hóng chất nhiễm đặc biệt quan trọng khí x đ ng c Diesel Tuy từ lâu ngư i ta nhận bi t tác h i c a chúng việc nghiên cứu hình thành chất nhiễm khí x đ ng c Diesel thực phát triển từ năm 1970 dựa vào thành tựu c a kỹ thuật quang học Sự nguy hiểm c a b hóng đ i với sức khỏe ngư i đề cập đ n chư ng Các HAP, kể c nitro-HAP dinitro-HAP hấp th b hóng Diesel có kh gây đ t bi n t bào gây ung thư đư ng hô hấp Ngồi ra, b hóng có kh gây ung thư da n u n n nhân ti p xúc thư ng xuyên với chúng gây bệnh t máu dẫn đ n tác đ ng nguy hiểm đ n hệ tim m ch Trong môi trư ng, h t b hóng khơng khí có tác d ng hấp th khu ch tán ánh sáng mặt tr i, làm gi m đ su t c a khí làm gi m tầm nhìn So với nơng thơn, thị x mặt tr i đo mặt đất nhỏ h n kho ng 15-20% Khi n ng đ b hóng khơng khí đ t kho ng 0,1mg/m3 tầm nhìn xa cịn 12km (so với tầm nhìn xa cực đ i 36km), đô thị có đ phát tán tầm thấp y u tr c l có tập trung phư ng tiện Diesel gi cao điểm (n u có kho ng 20% xe vận t i Diesel lu ng tầm nhìn gi m từ 25-30%) Điều gây an tồn giao thơng Ngồi ra, b hóng bám vào xanh kh quang hợp c a bị gi m, làm c i dễ bị héo ch t B hóng bám vào cơng trình xây dựng s gây ăn mịn kim lo i Quá trình cháy khu ch tán đ ng c Diesel thuận lợi cho việc hình thành b hóng Thật vậy, cháy c a h t nhiên liệu lỏng chúng dịch chuyển bu ng cháy tập trung c c b h i nhiên liệu vùng có nhiệt đ cao nguyên nhân s n sinh b hóng B hóng khí x m t y u t giới h n kh ứng d ng c a đ ng c Diesel Mặc dù nhà khoa học nhà s n xuất ô tô quan tâm nhiều đ n việc nghiên cứu vấn đề đ n ngư i ta chưa tìm m t gi i pháp kỹ thuật hữu hiệu nhằm h n ch n ng đ b hóng giới h n cho phép c a quy định b o vệ môi trư ng Hai hướng nghiên cứu là: 1- C i thiện tổ chức t t trình cháy đ ng c Diesel 57 Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng q trình cháy động Diesel 2- Lọc b hóng đư ng ng x Gi i pháp xử lý b hóng đư ng ng x gặp nhiều khó khăn thực t , gi i quy t vấn đề tái sinh lõi lọc để gi m tr lực đư ng th i việc nâng cao tuổi thọ b lọc Vì vậy, gi i pháp có tính c b n c a vấn đề b hóng rút c s nghiên cứu tư ng tận q trình hình thành chất nhiễm để tìm cách h n ch chúng từ bu ng cháy đ ng c Nghiên cứu hình thành b hóng mơ hình tốn học phát triển m nh song song với nghiên cứu thực nghiệm Phư ng pháp mơ hình hóa có nhiều ưu điểm h n việc đo đ c c c b bu ng cháy phức t p Tất nhiên, k t qu c a nghiên cứu thực nghiệm thi u để kiểm chứng mơ hình tốn học Đ ng c Diesel lo i đ ng c đ t sử d ng r ng rãi nh tính kinh t c a cao Tuy nhiên, với c nh tranh c a lo i đ ng c đánh lửa cưỡng đ i, viễn nh áp d ng c a lo i đ ng c phư ng tiện vận t i tư ng lai ph thu c nhiều vào kỹ thuật làm gi m n ng đ b hóng khí x 5.2 Hình thành bồ hóng lửa khuếch tán Quá trình cháy khu ch tác áp d ng r ng rãi công nghiệp an tồn Tuy nhiên đặc điểm phân b nhiên liệu không đ ng nhất, việc kh ng ch q trình cháy c a gặp nhiều khó khăn h n so với qua trình cháy c a h n hợp đ ng Cũng phân b h n hợp không đ ng mà s n phẩm cháy c a lửa khu ch tán t n t i s n phẩm cháy khơng hồn tồn h n hợp tổng quát loãng Trong s s n phẩm cháy khơng hồn tồn ngư i ta đặc biệt quan tâm đ n b hóng Sự hình thành b hóng lửa khu ch tán trước tiên ph thu c vào nhiên liệu Nhiên liệu có thành phần C cao n ng đ b hóng lớn Hình 5.1 so sánh n ng đ b hóng đo tr c lửa khu ch tán c a lo i nhiên liệu khác nhau: butane, propane méthane với điều kiện ban đầu (t c đ phun 90m/s, đư ng kính l phun 3mm) N ng đ biểu diễn thông qua bề dày đặc trưng c a b hóng fv.L (L: chiều dài quang trình) Chúng ta thấy n ng đ b hóng s n phẩm cháy c a lửa butane lớn n ng đ thấp lửa méthane 58 Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng q trình cháy động Diesel Y u t thứ hai nh hư ng đ n n ng đ b hóng nồng độ nhiên liệu nồng độ oxygène Thật vậy, hình thành b hóng ch y u q trình cháy khơng hồn toàn c a nhiên liệu Khi h n hợp nghèo phân b đ ng n ng đ b hóng bé, bỏ qua N ng đ oxygène nh hư ng đ n oxy hóa b hóng sau chúng hình thành nh hư ng đ n n ng đ b hóng cu i có mặt s n phẩm cháy Hình 5.2a, b biểu diễn bi n thiên c a n ng đ nhiên liệu oxygène theo chiều cao lửa propane có t c đ phun ban đầu 90m/s đư ng kính l phun 3mm Hình 5.1: ǜnh hưởng nhiên liệu đến mức độ phát sinh bồ hóng lửa khuếch tán a b Hình 5.2: Biến thiên nồng độ nhiên liệu (a) oxygène (b) theo chiều cao lửa khuếch tán propane 59 Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng q trình cháy động Diesel Hình 5.3: Profil nhiệt độ lửa propane Hình 5.4: Phân bố fv.L lửa propane Y u t thứ ba nh hư ng đ n hình thành b hóng phân bố nhiệt độ lửa Nhiệt đ cao vùng giàu nhiên liệu s thuận lợi cho việc hình thành b hóng Ngược l i nhiệt đ cao vùng thừa oxygène s thuận lợi cho việc oxy hóa b hóng N ng đ b hóng khỏi lửa khu ch tán hiệu s lượng b hóng hình thành lượng b hóng bị oxy hóa Hình 5.3 giới thiệu profil nhiệt đ lửa khu ch tán propane nghiên cứu Tóm l i, n ng đ b hóng có mặt khí cháy sau khỏi lửa khu ch tán ph thu c vào y u t c b n: thành phần nhiên liệu, nồng độ nhiên liệu, nồng độ oxygène phân bố nhiệt độ lửa Hình trình bày phân b n ng đ b hóng lửa khu ch tán Hình cho thấy n ng đ b hóng đ t cực đ i vùng nhiệt đ cao giàu nhiên liệu nh hư ng c a y u t minh họa thơng qua nghiên cứu bi n thiên đư ng kính h t b hóng lửa propane Hình 5.5 biểu diễn bi n thiên đư ng kính h t b hóng theo phư ng hướng kính c a lửa Những h t b hóng có đư ng kính bé tập trung vùng có nhiệt đ đ đậm đặc cao Khi tăng chiều cao lửa, vị trí hình thành b hóng dịch chuyển xa tr c đ cao x=400mm, điểm cực tiểu c a đư ng kính bi n đư ng kính c a h t tăng đặn từ tr c ngồi rìa lửa K t qu phân tích khí hình 5.2a cho thấy khu vực này, n ng đ nhiên liệu thấp không đ điều kiện để hình thành h t b hóng 60 Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng q trình cháy động Diesel Hình 5.5: Biến thiên hướng kính đường kính hǛt bồ hóng Hình 5.6: Biến thiên đường kính hǛt bồ hóng trục lửa theo chiều cao Do tượng phát triển h t b hóng sau hình thành nên h t có đư ng kính lớn phân tán ngồi khu vực hình thành b hóng K t qu thực nghiệm cho thấy hình thành b hóng địi hỏi ph i có đ ng th i hai điều kiện c b n nhiệt đ cao h n hợp đậm đặc K t luận kiểm chứng bi n thiên đư ng kính h t theo chiều cao lửa cho hình 5.6 Thật vậy, thấy đư ng kính h t gi m theo chiều cao với gia tăng c a nhiệt đ tr c lửa đ n đ cao 450mm Khi qua khỏi đ cao này, nhiệt đ lửa cao n ng đ 61 Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng q trình cháy động Diesel nhiên liệu bắt đầu gi m, trình hình thành b hóng chấm dứt, đư ng kính h t gia tăng tượng hấp th bề mặt liên k t h t 5.3 Bồ hóng khí xả động Diesel Trong khí x đ ng c đ t trong, ngồi chất khí đ c CO, NOx, HnCm, SOx cịn có h t rắn t n t i d ng sau: h t chì c a xăng pha chì, h t sunphát c a t p chất lưu huỳnh nhiên liệu h t b hóng Khi ho t đ ng bình thư ng, khí x đ ng c xăng có b hóng Lượng b hóng đáng kể làm việc với h n hợp đậm đặc Còn đ ng c Diesel, trình cháy khu ch tán phân tích đây, b hóng chất nhiễn đặc biệt quan trọng thành phần ch y u t n t i d ng h t rắn khí x Thành phần hạt bồ hóng Ngày nay, ngư i ta bi t rõ b hóng bao g m thành phần sau đây: - Carbon: Thành phần nhiều ph thu c vào nhiệt đ cháy hệ s dư lượng khơng khí trung bình, đặc biệt đ ng c ho t đ ng ch đ đầy t i t i - Dầu bôi tr n không cháy: Đ i với đ ng c cũ thành phần chi m tỉ lệ lớn Lượng dầu bôi tr n bị tiêu hao lượng h t b hóng có quan hệ với - Nhiên liệu chưa cháy cháy không hoàn toàn: Thành phần ph thu c vào nhiệt đ hệ s dư lượng khơng khí - Sun phát: lưu huỳnh nhiên liệu bị oxy hóa t o thành SO2 SO4 - Các chất khác: lưu huỳnh, calci, sắt, silicon, chromium, phosphor, hợp chất calci từ dầu bôi tr n Thành phần h t b hóng cịn ph thu c vào tính chất nhiên liệu, đặc điểm c a trình cháy, d ng đ ng c th i h n sử d ng c a đ ng c (cũ hay mới) Thành phần b hóng s n phẩm cháy c a nhiên liệu có thành phần lưu huỳnh cao khác với thành phần b hóng s n phẩm cháy c a nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh thấp Hình 5.7 so sánh thành phần b hóng c a hai lo i nhiên liệu Diesel có thành phần lưu huỳnh 0.26% 0.05% Đ i với đ ng c qua sử d ng 10 năm, thành phần b hóng có chứa đ n 40% dầu bơi tr n khơng cháy h t hình 5.8 62 Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng q trình cháy động Diesel HC 0.03 HC 0.007 H åt C arbon D Àu bơi 0.11 trƯn D Àu bơi H åt 0.017 trƯn 0.10 C arbon 0.043 Sunphát 0.008 Sunphát 0.06 Nhiên liŒu:US-2D Nhiên liŒu:"Low SulferFuel" 0.26wt% Sulfer.Nềng ầả bề húng 0.05wt% Sulfer.Nềng ầả bề húng tng c¶ng:0.30g/HP_h t°ng c¶ng:0.075g/HP_h Hình 5.7: Thành phần hǛt bồ hóng theo tính chất nhiên liệu HC 7% D Àu bơitrƯn 40% C hÃtkhác 8% Sunphát 14% C arbon 31% Hình 5.8: Thành phần hǛt bồ hóng động sử dụng 10 năm K t qu nghiên cứu thực nghiệm phân b kích thước h t cho thấy b hóng khí x t n t i hai d ng: d ng đ n d ng tích t Dạng đơn (gam kích thước nhỏ) t n t i nhiệt đ 5000C d ng này, h t b hóng k t hợp c a h t s cấp hình cầu (m i m t h t s cấp hình cầu chứa kho ng 105-106 nguyên tử carbon) D ng đ n gọi thành phần khơng hịa tan ISF (Insoluble Fraction) hay thành phần rắn SOL (Solid) Dạng tích tụ (gam kích thước lớn) b hóng liên k t l i với t n t i nhiệt đ thấp h n 5000C Các h t b hóng bao bọc b i thành phần hữu c nặng ngưng t hấp th bề mặt h t: HC chưa cháy, HC bị oxy hóa (keton, ester, ether, axít hữu c ), hydrocarbure th m đa nhân HAP (Hydrocarbures Aromatiques Polynucléaires) Thể tích t cịn có thêm h t khác SO2, NO2, SO4 Những h t gọi thành phần hữu c hòa tan SOF 63 Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng q trình cháy động Diesel (Soluble Organic Fraction) Trong khí x đ ng c Diesel thành phần SOF chi m từ 5%-80% Hình 5.9: Cấu trúc chuỗi bồ hóng Hình 5.10: DǛng hǛt sơ cấp c 0.335nm 0.67nm b a Hình 5.11: Mơ hình cấu trúc dǛng hǛt sơ cấp Hình 5.12: Cấu trúc tinh thể graphit Cấu trúc hạt bồ hóng Hình 5.9 5.10 trình bày nh ch p khu ch đ i c a chu i h t s cấp t o thành h t b hóng khí x đ ng c Diesel M t cách tổng quát nói h t b hóng mà ngư i ta thư ng gọi hình thành liên k t c a nhiều h t s cấp hình cầu thành kh i chu i M i h t b hóng (kh i hay chu i) chứa đ n 4000 h t hình cầu s cấp Các h t s cấp có đư ng kính từ 10 đ n 80nm đ i b phận h t nằm kho ng 15-30nm, đư ng kính trung bình c a h t b hóng nằm kho ng 100-150nm, có lên đ n 500-1000nm Cấu trúc tinh thể c a h t b hóng khí x đ ng c Diesel có d ng tư ng tự graphit (hình 5.11) đặn h n M i h t s cấp hình cầu m t tập hợp kho ng 1000 mầm tinh thể, có d ng phi n mỏng x p đ ng tâm quanh tâm c a m i h t cầu, tư ng tự cấu trúc h t carbon đen Những nguyên tử carbon k t n i với 64 Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng q trình cháy động Diesel theo phi n l c giác phẳng cách 0,34-0,36nm (chỉ lớn h n m t chút so với graphit: 0,33nm) Các phi n k t hợp với t o thành mầm tinh thể (từ 2-5 phi n) với cấu trúc gi ng carbon đen Những mầm tinh l i x p l i theo hướng song song với mặt h t cầu với k t cấu siêu tĩnh để t o thành h t 5.4 Tình hình nghiên cứu quy định nồng độ bồ hóng khí xả động Diesel 5.4.1 Tình hình nghiên cứu b hóng Nghiên cứu b hóng khí x đ ng c Diesel tập trung vào hướng sau đây: 1- Nghiên cứu hình thành bồ hóng bên buồng cháy động Trên c s hiểu bi t tư ng tận q trình hình thành b hóng nghiên cứu tổ chức trình cháy, xác định ch đ làm việc t i ưu c a đ ng c xác định chất lượng nhiên liệu chất ph gia ch ng ô nhiễm để đ m b o cháy s ch nhiên liệu, làm gi m n ng đ b hóng s n phẩm cháy Việc nghiên cứu q trình t o b hóng đ ng c thư ng xuất phát từ mơ hình lửa khu ch tán bên ngồi đ ng c Theo hướng có nhiều cơng trình nghiên cứu mơ hình hóa q trình cháy t o b hóng lửa khu ch tán m t pha hai pha Đặc biệt, phát triển đ ng d ng toán học q trình cháy cho phép thi t lập mơ hình tổng quát cho nhiều hệ th ng cháy khác để từ mơ hình hóa q trình t o b hóng bên bu ng cháy đ ng c Diesel Tesner Magnussen đưa mơ hình t o b hóng hai giai đo n Các mơ hình t o b hóng khác tổng k t tài liệu c a Morel, Kenedy, Lee Tính đắn c a mơ hình c a Morel c a Tesner-Magnussen Bùi Văn Ga kiểm nghiệm lửa r i khu ch tán m t pha hai pha Đ i với đ ng c Diesel, mơ hình nhiều khu vực ("multi-zone") dựa quy luật thực nghiệm c a khí kéo theo vào tia nhiên liệu phân b nhiên liệu tia để tính tốn nhiệt đ trung bình m i khu vực từ tính tốn q trình cháy t o b hóng đ ng c Diesel cho phép xây dựng phần mềm đa phư ng ch y máy tính mini KIVA2, KIVA3 TURBO-KIVA 2- Nghiên cứu xử lý bồ hóng đường xả động Hướng nghiên cứu ch y u tập trung hoàn thiện gi i pháp: - Xử lý b hóng kỹ thuật lọc tái sinh lọc - Xử lý b hóng b xúc tác oxy hóa 65 Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trình cháy động Diesel Trong chư ng s nghiên cứu gi i pháp Tuy nhà khoa học công nghệ có nhiều c i ti n hồn thiện b lọc cho đ n chưa có m t gi i pháp t i ưu tỏ hữu hiệu cho vấn đề xử lý b hóng đư ng x 5.4.2 Các quy định n ng đ b hóng khí x đ ng c Diesel Hiện nay, quy trình kiểm tra tiêu chuẩn c a m i nước ph thu c vào ch đ vận hành c a ô tô m t thành ph mà nước chọn làm tiêu biểu Các nước phát triển thư ng chọn ch đ thử c a nước công nghiệp phát triển để áp d ng nước vớI m t điều chỉnh cho phù hợp với tình hình thực t Từ năm 1970, nước th giới thi t lập tiêu chuẩn đ khói cho lo i xe t i xe bus Diesel hình 5.13 (C ng đ ng Châu Âu, lo i xe có trọng lượng tồn b 3500kg), hình 5.14 (Mĩ, lo i xe có trọng lượng tồn b 3850kg) hình 5.15 (Nhật, lo i xe có trọng lượng toàn b 2500kg) Việt Nam, Nhà Nước ban hành tiêu chuẩn TCVN 5418-91 TCVN 6438-98 đ khói khí x đ ng c Diesel (xem chư ng 2) 5.5 Cơ chế tạo bồ hóng buồng cháy động Diesel Các nghiên cứu c b n q trình hình thành b hóng lửa bu ng cháy đ ng c Diesel đề cập nhiều tài liệu gần với c ch hình thành h t b hóng điển hình: đ ¶ khói(g/H P/h) Polyme hóa qua acétylène polyacétylène Kh i t o hydrocarbure th m đa nhân (HAP) Ngưng t graphit hóa cấu trúc HAP T o h t qua tác nhân ion hóa hợp thành phân tử nặng T o h t qua tác nhân trung tính phát triển bề mặt hợp thành thành phần nặng 0.8 0.6 0.4 0.2 1970 1974 1978 1982 1986 1990 Næm dÜƯng lỴch 66 1994 1998 2002 Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng q trình cháy động Diesel đ ¶ khói(g/H P/h) Hình 5.13: Tiêu chuẩn châu Âu độ khói tơ Diesel mốc thời gian khác 0.8 0.6 0.4 0.2 1970 1974 1978 1982 1986 1990 1994 1998 2002 Nỉm dÜƯng lỴch Hình 5.14: Tiêu chuẩn Mĩ độ khói tơ Diesel mốc thời gian khác đ ¶ khói(g/H P/h) 0.8 0.6 0.4 0.2 1970 1974 1978 1982 1986 1990 1994 1998 2002 Nỉm dÜƯng lỴch Hình 5.15: Tiêu chuẩn Nhật Bǝn độ khói tơ Diesel mốc thời gian khác Hiện ngư i ta thư ng mơ t hình thành b hóng qua giai đo n tóm tắt hình 5.16 Nhiên liệu+Khơng khí Tạo hạt nhân Phân hủy nhiệt Các hạt Axêtylen Phát triển bề mặt hạt Oxy hóa Các hạt bồ hóng ban đầu Oxy hóa Phát triển bề mặt hạt bồ hóng ban đầu Các hạt bồ hóng Hợp dính Ngưng tụ Phát triển bề mặt Liên kết hạt 67 Oxy hóa Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trình cháy động Diesel Hình 5.16: Quá trình tǛo bồ hóng động Diesel 5.5.1 Hình thành h t b hóng Vật chất c a pha ngưng t phát triển từ phân tử nhiên liệu thông qua s n phẩm c a oxy hóa s n phẩm phân h y nhiệt (pyrolyse) Những s n phẩn g m hydrocarbure khơng bão hịa khác nhau, đặc biệt acétylène đ ng vị bậc cao c a nó, HAP Hai d ng phần tử coi nhân t hình thành b hóng Ph n ứng ngưng t c a phân tử thể khí dẫn đ n hình thành h t nhân b hóng có đư ng kính bé (d