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

Quá trình cháy khu ch tán trong đ ng c Diesel rất thuận lợi cho việc hình thành b hóng... 2- Lọc b hóng trên đư ng ng x Gi i pháp xử lý b hóng trên đư ng ng x gặp rất nhiều khó khăn tron

Ch ương 5 C CH HÌNH THÀNH B HÓNG TRONG

QUÁ TRÌNH CHÁY C A

Đ NG C DIESEL

5.1 Gi ới thiệu:

B hóng là chất ô nhiễm đặc biệt quan trọng trong khí x đ ng c Diesel Tuy từ lâu ngư i ta đã nhận bi t được tác h i c a chúng nhưng việc nghiên cứu sự hình thành

chất ô nhiễm này trong khí x đ ng c Diesel chỉ mới thực sự phát triển từ những năm

1970 dựa vào những thành tựu c a kỹ thuật quang học

Sự nguy hiểm c a b hóng đ i với sức khỏe con ngư i đã được đề cập đ n

chư ng 1 Các HAP, kể c các nitro-HAP và dinitro-HAP hấp th trong b hóng Diesel đều có kh năng gây đ t bi n t bào và gây ung thư đư ng hô hấp Ngoài ra, b hóng cũng

có kh năng gây ung thư da n u n n nhân ti p xúc thư ng xuyên với chúng và gây bệnh t máu dẫn đ n những tác đ ng nguy hiểm đ n hệ tim m ch

Trong môi trư ng, các h t b hóng trong không khí có tác d ng hấp th và khu ch tán ánh sáng mặt tr i, làm gi m đ trong su t c a khí quyển và do đó làm gi m tầm nhìn

So với nông thôn, đô thị bức x mặt tr i đo được trên mặt đất nhỏ h n kho ng 15-20% Khi n ng đ b hóng trong không khí đ t kho ng 0,1mg/m3

thì tầm nhìn xa chỉ còn 12km (so với tầm nhìn xa cực đ i 36km), nhất là trong các đô thị có đ phát tán tầm thấp y u và trên các tr c l có sự tập trung phư ng tiện Diesel gi cao điểm (n u có kho ng 20% xe

vận t i Diesel trong lu ng thì tầm nhìn gi m từ 25-30%) Điều này gây mất an toàn giao thông Ngoài ra, khi b hóng bám vào lá cây xanh thì kh năng quang hợp c a lá cây bị

gi m, làm cây c i dễ bị héo ch t B hóng bám vào các công trình xây dựng s gây ra sự

ăn mòn kim lo i

Quá trình cháy khu ch tán trong đ ng c Diesel rất thuận lợi cho việc hình thành

b hóng Thật vậy, sự cháy c a h t nhiên liệu lỏng trong khi chúng dịch chuyển trong

bu ng cháy cũng như sự tập trung c c b h i nhiên liệu những vùng có nhiệt đ cao là nguyên nhân chính s n sinh b hóng B hóng trong khí x là m t trong những y u t chính giới h n kh năng ứng d ng c a đ ng c Diesel hiện nay Mặc dù các nhà khoa học

và các nhà s n xuất ô tô đã quan tâm rất nhiều đ n việc nghiên cứu vấn đề này nhưng đ n nay ngư i ta vẫn chưa tìm ra được m t gi i pháp kỹ thuật nào hữu hiệu nhằm h n ch

n ng đ b hóng trong giới h n cho phép c a các quy định về b o vệ môi trư ng Hai

hướng nghiên cứu chính hiện nay là:

1- C i thiện và tổ chức t t quá trình cháy trong đ ng c Diesel

2- Lọc b hóng trên đư ng ng x

Gi i pháp xử lý b hóng trên đư ng ng x gặp rất nhiều khó khăn trong thực t ,

nhất là gi i quy t vấn đề tái sinh lõi lọc để gi m tr lực trên đư ng th i và việc nâng cao

tuổi thọ các b lọc Vì vậy, gi i pháp có tính c b n c a vấn đề b hóng chỉ có thể rút ra được trên c s nghiên cứu tư ng tận quá trình hình thành chất ô nhiễm này để tìm cách

h n ch chúng ngay từ trong bu ng cháy đ ng c Nghiên cứu sự hình thành b hóng bằng

mô hình toán học hiện đang phát triển rất m nh song song với các nghiên cứu về thực nghiệm Phư ng pháp mô hình hóa có nhiều ưu điểm h n vì việc đo đ c c c b trong

bu ng cháy rất phức t p Tất nhiên, k t qu c a những nghiên cứu về thực nghiệm là không thể thi u để kiểm chứng mô hình toán học

Đ ng c Diesel cho tới nay vẫn là lo i đ ng c đ t trong được sử d ng r ng rãi

nh tính kinh t c a nó cao Tuy nhiên, với sự c nh tranh c a các lo i đ ng c đánh lửa

cưỡng bức hiện đ i, viễn nh áp d ng c a lo i đ ng c này trên các phư ng tiện vận t i trong tư ng lai ph thu c nhiều vào kỹ thuật làm gi m n ng đ b hóng trong khí x

5.2 Hình thành b ồ hóng trong ngọn lửa khuếch tán

Quá trình cháy khu ch tác được áp d ng r ng rãi trong công nghiệp vì nó an toàn Tuy nhiên do đặc điểm phân b nhiên liệu không đ ng nhất, việc kh ng ch quá trình cháy

c a nó gặp nhiều khó khăn h n so với qua trình cháy c a h n hợp đ ng nhất Cũng chính

vì sự phân b h n hợp không đ ng nhất mà trong s n phẩm cháy c a ngọn lửa khu ch tán luôn t n t i những s n phẩm cháy không hoàn toàn mặc dù h n hợp tổng quát rất loãng Trong s những s n phẩm cháy không hoàn toàn này ngư i ta đặc biệt quan tâm đ n b hóng

Sự hình thành b hóng trong ngọn lửa khu ch tán trước tiên ph thu c vào nhiên

li ệu Nhiên liệu có thành phần C càng cao thì n ng đ b hóng càng lớn Hình 5.1 so sánh

n ng đ b hóng đo trên tr c ngọn lửa khu ch tán c a 3 lo i nhiên liệu khác nhau: butane, propane và méthane với cùng điều kiện ban đầu (t c đ phun 90m/s, đư ng kính l phun 3mm) N ng đ được 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 trong s n phẩm cháy c a ngọn lửa butane

lớn nhất và n ng đ này thấp nhất trong ngọn lửa méthane

Y u t thứ hai nh hư ng đ n n ng đ b hóng là nồng độ nhiên liệu và nồng độ oxygène Thật vậy, sự hình thành b hóng ch y u là do quá trình cháy không hoàn toàn

c a nhiên liệu Khi h n hợp nghèo và được phân b đ ng nhất thì n ng đ b hóng rất bé,

có thể bỏ qua N ng đ oxygène nh hư ng đ n sự oxy hóa b hóng sau khi chúng được

hình thành do đó cũng nh hư ng đ n n ng đ b hóng cu i cùng có mặt trong s n phẩm

cháy Hình 5.2a, b biểu diễn bi n thiên c a n ng đ nhiên liệu và oxygène theo chiều cao

ngọn lửa propane có t c đ phun ban đầu 90m/s và đư ng kính l phun là 3mm

a b

Hình 5.3: Profil nhi ệt độ trong ngọn lửa propane Hình 5.4: Phân b ố f v L

trong ng ọn lửa propane

Y u t thứ ba nh hư ng đ n sự hình thành b hóng là sự phân bố nhiệt độ trong

ngọn 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 thoát ra khỏi ngọn lửa khu ch tán là hiệu s giữa lượng b hóng hình thành và

lượng b hóng bị oxy hóa Hình 5.3 giới thiệu profil nhiệt đ trong ngọn lửa khu ch tán propane nghiên cứu

Tóm l i, n ng đ b hóng có mặt trong khí cháy sau khi thoát ra khỏi ngọn lửa

khu ch tán ph thu c vào 4 y u t c b n: thành ph ần nhiên liệu, nồng độ nhiên liệu,

n ồng độ oxygène và sự phân bố nhiệt độ trong ngọn lửa Hình 5 trình bày sự phân b n ng

đ b hóng trong ngọn lửa khu ch tán Hình này cho thấy n ng đ b hóng đ t cực đ i vùng nhiệt đ cao và giàu nhiên liệu nh hư ng c a các y u t trên có thể được minh họa thông qua nghiên cứu bi n thiên đư ng kính h t b hóng trong ngọn lửa propane Hình 5.5 biểu diễn bi n thiên đư ng kính h t b hóng theo phư ng hướng kính c a ngọn lửa

Những h t b hóng có đư ng kính bé tập trung những vùng có nhiệt đ và đ đậm đặc đều cao Khi tăng chiều cao ngọn lửa, vị trí hình thành b hóng dịch chuyển ra xa tr c

đ cao x=400mm, điểm cực tiểu c a đư ng kính bi n mất và đư ng kính c a h t tăng đều đặn từ tr c ra ngoài rìa ngọn lửa K t qu phân tích khí trên hình 5.2a cho thấy khu vực này, n ng đ nhiên liệu rất thấp không đ điều kiện để hình thành các h t b hóng mới

Hình 5.5: Biến thiên hướng kính của đường kính hǛt bồ hóng

Do hiện tượng phát triển h t b hóng sau khi hình thành nên những h t có đư ng kính lớn phân tán ra ngoài khu vực hình thành b hóng K t qu thực nghiệm này cho thấy

sự hình thành b hóng đòi hỏi ph i có đ ng th i hai điều kiện c b n đó là nhiệt đ cao và

h n hợp đậm đặc K t luận này được kiểm chứng bằng sự bi n thiên đư ng kính h t theo chiều cao ngọn lửa cho trên hình 5.6 Thật vậy, chúng ta thấy đư ng kính h t đầu tiên

gi m theo chiều cao cùng với sự gia tăng c a nhiệt đ trên tr c ngọn lửa đ n đ cao 450mm Khi qua khỏi đ cao này, nhiệt đ trong ngọn lửa vẫn còn cao nhưng n ng đ

nhiên liệu bắt đầu gi m, quá trình hình thành b hóng chấm dứt, đư ng kính h t gia tăng

do hiện tượng hấp th bề mặt và liên k t h t

5.3 B ồ hóng trong khí xả động cơ Diesel

Trong khí x đ ng c đ t trong, ngoài các chất khí đ c như CO, NOx, HnCm, SOx

còn có các h t rắn t n t i 3 d ng sau: các h t chì c a xăng pha chì, h t sunphát c a t p

chất lưu huỳnh trong nhiên liệu và h t b hóng Khi ho t đ ng bình thư ng, trong khí x

đ ng c xăng có rất ít b hóng Lượng b hóng chỉ đáng kể khi nó làm việc với h n hợp

đậm đặc Còn đ ng c Diesel, do quá trình cháy khu ch tán như đã phân tích trên đây,

b hóng là chất ô nhiễn đặc biệt quan trọng và là thành phần ch y u t n t i dưới d ng h t

rắn trong khí x

1 Thành ph ần hạt bồ hóng

Ngày nay, ngư i ta đã bi t rõ b hóng bao g m các thành phần chính sau đây:

- Carbon: Thành phần này ít nhiều ph thu c vào nhiệt đ cháy và hệ s dư lượng không khí trung bình, đặc biệt là khi đ ng c ho t đ ng ch đ đầy t i hoặc quá t i

- Dầu bôi tr n không cháy: Đ i với đ ng c cũ thành phần này chi m tỉ lệ lớn

Lượng dầu bôi tr n bị tiêu hao và lượng h t b hóng có quan hệ với nhau

- Nhiên liệu chưa cháy hoặc cháy không hoàn toàn: Thành phần này ph thu c vào nhiệt đ và hệ s dư lượng không khí

- Sun phát: do lưu huỳnh trong nhiên liệu bị oxy hóa và t o thành SO2 hoặc SO4

- Các chất khác: lưu huỳnh, calci, sắt, silicon, chromium, phosphor, các hợp chất calci từ dầu bôi tr n

Thành phần h t b hóng còn ph thu c vào tính chất nhiên liệu, đặc điểm c a quá

trình cháy, d ng đ ng c cũng như th i h n sử d ng c a đ ng c (cũ hay mới) Thành

phần b hóng trong s n phẩm cháy c a nhiên liệu có thành phần lưu huỳnh cao khác với

thành phần b hóng trong 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% và 0.05% Đ i với đ ng c đã qua sử d ng trên 10 năm, thành phần b hóng

có chứa đ n 40% dầu bôi tr n không cháy h t như hình 5.8

Nhiên liệu:US-2D 0.26wt% Sulfer Nồng độ bồ hóng

tổng cộng: 0.30g/HP_h

D ầu bôi trơn 0.10

H ạt

C arbon 0.11

HC 0.03

Sunphát 0.06

Nhiên liệu:"Low Sulfer Fuel"

0.05wt% Sulfer Nồng độ bồ hóng tổng cộng: 0.075g/HP_h

Sunphát 0.008

HC 0.007

D ầu bôi trơn

C arbon 0.043

Sunphát

31%

C hất khác 8%

HC 7%

D ầu bôi trơn 40%

K t qu nghiên cứu thực nghiệm về sự phân b kắch thước h t cho thấy b hóng trong khắ x t n t i dưới hai d ng: d ng đ n và d ng tắch t Dạng đơn (gam kắch thước

nhỏ) t n t i nhiệt đ trên 5000

C d ng này, các h t b hóng là sự k t hợp c a các h t

s cấp hình cầu (m i m t h t s cấp hình cầu này chứa kho ng 105

-106 nguyên tử carbon)

D ng đ n này còn được gọi là thành phần không hòa tan ISF (Insoluble Fraction) hay thành phần rắn SOL (Solid) Dạng tắch tụ (gam kắch thước lớn) do các b hóng liên k t l i

với nhau và t n t i nhiệt đ thấp h n 5000

C Các h t b hóng này được bao bọc b i các thành phần hữu c nặng ngưng t và hấp th trên bề mặt h t: HC chưa cháy, HC bị oxy hóa (keton, ester, ether, axắt hữu c ), và các hydrocarbure th m đa nhân HAP (Hydrocarbures Aromatiques Polynucléaires) Thể tắch t này có thể còn có thêm các h t khác như SO2, NO2, SO4 Những h t này còn được gọi là thành phần hữu c hòa tan SOF

(Soluble Organic Fraction) Trong khí x đ ng c Diesel thành phần SOF có thể chi m từ 5%-80%

2 C ấu trúc hạt bồ hóng

Hình 5.9 và 5.10 trình bày nh ch p khu ch đ i c a chu i và h t s cấp t o thành

h t b hóng trong khí x đ ng c Diesel M t cách tổng quát có thể nói h t b hóng mà

ngư i ta thư ng gọi hình thành do sự liên k t c a nhiều h t s cấp hình cầu thành từng

kh i hoặc chu i M i h t b hóng (kh i hay chu i) có thể chứa đ n 4000 h t hình cầu s

cấp Các h t s cấp có đư ng kính từ 10 đ n 80nm và đ i b phận h t nằm trong kho ng 15-30nm, đư ng kính trung bình c a các h t b hóng nằm trong kho ng 100-150nm, có khi lên đ n 500-1000nm

Cấu trúc tinh thể c a h t b hóng trong khí x đ ng c Diesel có d ng tư ng tự

như graphit (hình 5.11) nhưng ít đều đặn h n M i h t s cấp hình cầu là m t tập hợp kho ng 1000 mầm tinh thể, có d ng phi n mỏng được x p đ ng tâm quanh tâm c a m i

h t cầu, tư ng tự như cấu trúc h t carbon đen Những nguyên tử carbon k t n i với nhau

0.67nm 0.335nm

a

c

b

theo các phi n l c giác phẳng cách nhau 0,34-0,36nm (chỉ lớn h n m t chút so với graphit: 0,33nm) Các phi n này k t hợp với nhau t o thành các mầm tinh thể (từ 2-5 phi n) với cấu trúc gi ng như carbon đen Những mầm tinh này l i sắp x p l i theo các

hướng song song với mặt h t cầu với k t cấu siêu tĩnh để t o thành các h t

5.4 Tình hình nghiên c ứu và các quy định về nồng độ

b ồ hóng trong khí xả động cơ Diesel hiện nay

5.4.1 Tình hình nghiên c ứu b hóng Nghiên cứu b hóng trong khí x đ ng c Diesel hiện nay tập trung vào các hướng chính sau đây:

1- Nghiên c ứu sự hình thành bồ hóng bên trong buồng cháy động cơ

Trên c s hiểu bi t tư ng tận quá trình hình thành b hóng chúng ta có thể nghiên

cứu tổ chức quá trình cháy, xác định ch đ làm việc t i ưu c a đ ng c cũng như xác định chất lượng nhiên liệu và các 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 trong s n phẩm cháy Việc nghiên cứu quá trình t o b hóng trong đ ng c thư ng xuất phát từ các mô hình ngọn lửa khu ch tán bên ngoài đ ng

c Theo hướng này có rất nhiều công trình nghiên cứu về mô hình hóa quá trình cháy và

t o b hóng trong các ngọn lửa khu ch tán m t pha và hai pha Đặc biệt, sự phát triển

đ ng d ng toán học về quá trình cháy đã cho phép thi t lập mô hình tổng quát cho nhiều

hệ th ng cháy khác nhau để từ đó có thể mô hình hóa quá trình t o b hóng bên trong

bu ng cháy đ ng c Diesel Tesner và Magnussen đã đưa ra mô hình t o b hóng hai giai

đo n Các mô hình t o b hóng khác cũng đã được tổng k t trong các tài liệu c a Morel, Kenedy, Lee Tính đúng đắn c a mô hình c a Morel và c a Tesner-Magnussen đã được Bùi Văn Ga kiểm nghiệm trên các ngọn lửa r i và khu ch tán m t pha và hai pha

Đ i với đ ng c Diesel, mô hình nhiều khu vực ("multi-zone") dựa trên quy luật

thực nghiệm c a khí kéo theo vào tia nhiên liệu và sự phân b nhiên liệu trong tia để tính toán nhiệt đ trung bình trong m i khu vực và từ đó tính toán quá trình cháy và t o b hóng trong đ ng c Diesel đã cho phép xây dựng các phần mềm đa phư ng ch y trên các máy tính mini như KIVA2, KIVA3 và TURBO-KIVA

2- Nghiên c ứu xử lý bồ hóng trên đường xả động cơ

Hướng nghiên cứu này ch y u tập trung hoàn thiện 2 gi i pháp:

- Xử lý b hóng bằng kỹ thuật lọc và tái sinh lọc

- Xử lý b hóng bằng b xúc tác oxy hóa

Trong chư ng 7 chúng ta s nghiên cứu các gi i pháp này Tuy các nhà khoa học

và công nghệ đã có nhiều c i ti n và hoàn thiện các b lọc nhưng cho đ n nay vẫn chưa có được m t gi i pháp t i ưu nào tỏ ra hữu hiệu cho vấn đề xử lý b hóng trên đư ng x

5.4.2 Các quy định về n ng đ b hóng trong khắ 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 đó chọn làm tiêu biểu Các nước đang phát triển

thư ng chọn ch đ thử c a những nước công nghiệp phát triển để áp d ng nước mình

vớI m t ắt điều chỉnh cho phù hợp với tình hình thực t Từ năm 1970, các nước trên th

giới đã thi t lập tiêu chuẩn đ khói cho các lo i xe t i và xe bus Diesel như các hình 5.13 (C ng đ ng Châu Âu, lo i xe có trọng lượng toàn b trên 3500kg), hình 5.14 (Mĩ, lo i xe

có trọng lượng toàn b trên 3850kg) và hình 5.15 (Nhật, lo i xe có trọng lượng toàn b trên 2500kg)

Việt Nam, Nhà Nước đã ban hành các tiêu chuẩn TCVN 5418-91 và TCVN 6438-98 về đ khói trong khắ x đ ng c Diesel (xem chư ng 2)

5.5 C ơ chế tạo bồ hóng trong buồng cháy động cơ Diesel

Các nghiên cứu c b n về quá trình hình thành b hóng trong các ngọn lửa và trong bu ng cháy đ ng c Diesel đã được đề cập nhiều trong các tài liệu gần đây với 5 c

ch hình thành h t b hóng điển hình:

1 Polyme hóa qua acétylène và polyacétylène

2 Kh i t o các hydrocarbure th m đa nhân (HAP)

3 Ngưng t và graphit hóa các cấu trúc HAP

4 T o h t qua các tác nhân ion hóa và hợp thành các phân tử nặng

5 T o h t qua các tác nhân trung tắnh 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

Năm dương lịch