5.1. Giới thiệu: Bồ hóng là chất ô nhiễm đặc biệt quan trọng trong khí xả động cơ Diesel. Tuy từ lâu người ta đã nhận biết được tác hại của chúng nhưng việc nghiên cứu sự hình thành chất ô nhiễm này trong khí xả động cơ Diesel chỉ mới thực sự phát triển từ những năm 1970 dựa vào những thành tựu của kỹ thuật quang học. Sự nguy hiểm của bồ hóng đối với sức khỏe con người đã được đề cập đến ở chương 1. Các HAP, kể cả các nitro-HAP và dinitro-HAP hấp thụ trong bồ hóng Diesel đều có khả năng gây đột biến tế bào và gây ung thư đường hô hấp. Ngoài ra, bồ hóng cũng có khả năng gây ung thư da nếu nạn nhân tiếp xúc thường xuyên với chúng và gây bệnh tụ máu dẫn đến những tác động nguy hiểm đến hệ tim mạch Trong môi trường, các hạt bồ hóng trong không khí có tác dụng hấp thụ và khuếch tán ánh sáng mặt trời, làm giảm độ trong suốt của khí quyển và do đó làm giảm tầm nhìn. So với nông thôn, ở đô thị bức xạ mặt trời đo được trên mặt đất nhỏ hơn khoảng 15-20%. Khi nồng độ bồ hóng trong không khí đạt khoảng 0,1mg/m 3 thì tầm nhìn xa chỉ còn 12km (so với tầm nhìn xa cực đại 36km), nhất là trong các đô thị có độ phát tán tầm thấp yếu và trên các trục lộ có sự tập trung phương tiện Diesel ở giờ cao điểm (nếu có khoảng 20% xe vận tải Diesel trong luồng thì tầm nhìn giảm từ 25-30%). Điều này gây mất an toàn giao thông. Ngoài ra, khi bồ hóng bám vào lá cây xanh thì khả năng quang hợp của lá cây bị giảm, làm cây cối dễ bị héo chết. Bồ hóng bám vào các công trình xây dựng sẽ gây ra sự ăn mòn kim loại Quá trình cháy khuếch tán trong động cơ Diesel rất thuận lợi cho việc hình thành bồ hóng. Thật vậy, sự cháy của hạt nhiên liệu lỏng trong khi chúng dịch chuyển trong buồng cháy cũng như sự tập trung cục bộ hơi nhiên liệu ở những vùng có nhiệt độ cao là nguyên nhân chính sản sinh bồ hóng. Bồ hóng trong khí xả là một trong những yếu tố chính giới hạn khả năng ứng dụng của động cơ Diesel hiện nay. Mặc dù các nhà khoa học và các nhà sản xuất ô tô đã quan tâm rất nhiều đến việc nghiên cứu vấn đề này nhưng đến nay người ta vẫn chưa tìm ra được một giải pháp kỹ thuật nào hữu hiệu nhằm hạn chế nồng độ bồ hóng trong giới hạn cho phép của các quy định về bảo vệ môi trường. Hai hướng nghiên cứu chính hiện nay là: 1- Cải thiện và tổ chức tốt quá trình cháy trong động cơ Diesel 2- Lọc bồ hóng trên đường ống xả Giải pháp xử lý bồ hóng trên đường ống xả gặp rất nhiều khó khăn trong thực tế, nhất là giải quyết vấn đề tái sinh lõi lọc để giảm trở lực trên đường thải và việc nâng cao tuổi thọ các bộ lọc. Vì vậy, giải pháp có tính cơ bản của vấn đề bồ hóng chỉ có thể rút ra được trên cơ sở nghiên cứu tường tận quá trình hình thành chất ô nhiễm này để tìm cách hạn chế chúng ngay từ trong buồng cháy động cơ. Nghiên cứu sự hình thành bồ hóng bằng mô hình toán học hiện đang phát triển rất mạnh song song với các nghiên cứu về thực nghiệm. Phương pháp mô hình hóa có nhiều ưu điểm hơn vì việc đo đạc cục bộ trong buồng cháy rất phức tạp. Tất nhiên, kết quả của những nghiên cứu về thực nghiệm là không thể thiếu để kiểm chứng mô hình toán học. Động cơ Diesel cho tới nay vẫn là loại động cơ đốt trong được sử dụng rộng rãi nhờ tính kinh tế của nó cao. Tuy nhiên, với sự cạnh tranh của các loại động cơ đánh lửa cưỡng bức hiện đại, viễn ảnh áp dụng của loại động cơ này trên các phương tiện vận tải trong tương lai phụ thuộc nhiều vào kỹ thuật làm giảm nồng độ bồ hóng trong khí xả. 5.2. Hình thành bồ hóng trong ngọn lửa khuếch tán Quá trình cháy khuếch tác được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp vì nó an toàn. Tuy nhiên do đặc điểm phân bố nhiên liệu không đồng nhất, việc khống chế quá trình cháy của nó gặp nhiều khó khăn hơn so với qua trình cháy của hỗn hợp đồng nhất. Cũng chính vì sự phân bố hỗn hợp không đồng nhất mà trong sản phẩm cháy của ngọn lửa khuếch tán luôn tồn tại những sản phẩm cháy không hoàn toàn mặc dù hỗn hợp tổng quát rất loãng. Trong số những sản phẩm cháy không hoàn toàn này người ta đặc biệt quan tâm đến bồ hóng. Sự hình thành bồ hóng trong ngọn lửa khuếch tán trước tiên phụ thuộc vào nhiên liệu. Nhiên liệu có thành phần C càng cao thì nồng độ bồ hóng càng lớn. Hình 5.1 so sánh nồng độ bồ hóng đo trên trục ngọn lửa khuếch tán của 3 loại nhiên liệu khác nhau: butane, propane và méthane với cùng điều kiện ban đầu (tốc độ phun 90m/s, đường kính lỗ phun 3mm). Nồng độ được biểu diễn thông qua bề dày đặc trưng của bồ hóng f v .L (L: chiều dài quang trình). Chúng ta thấy nồng độ bồ hóng trong sản phẩm cháy của ngọn lửa butane lớn nhất và nồng độ này thấp nhất trong ngọn lửa méthane. Yếu tố thứ hai ảnh hưởng đến nồng độ bồ hóng là nồng độ nhiên liệu và nồng độ oxygène. Thật vậy, sự hình thành bồ hóng chủ yếu là do quá trình cháy không hoàn toàn của nhiên liệu. Khi hỗn hợp nghèo và được phân bố đồng nhất thì nồng độ bồ hóng rất bé, có thể bỏ qua. Nồng độ oxygène ảnh hưởng đến sự oxy hóa bồ hóng sau khi chúng được hình thành do đó cũng ảnh hưởng đến nồng độ bồ hóng cuối cùng có mặt trong sản phẩm cháy. Hình 5.2a, b biểu diễn biến thiên của nồng độ nhiên liệu và oxygène theo chiều cao ngọn lửa propane có tốc độ phun ban đầu 90m/s và đường kính lỗ phun là 3mm. Hình 5.1: Ảnh hưởng của nhiên liệu đến mức độ phát sinh bồ hóng trong ngọn lửa khuếch tán a. b. Yếu tố thứ ba ảnh hưởng đến sự hình thành bồ hóng là sự phân bố nhiệt độ trong ngọn lửa. Nhiệt độ cao ở vùng giàu nhiên liệu sẽ thuận lợi cho việc hình thành bồ hóng. Ngược lại nhiệt độ cao ở vùng thừa oxygène sẽ thuận lợi cho việc oxy hóa bồ hóng. Nồng độ bồ hóng thoát ra khỏi ngọn lửa khuếch tán là hiệu số giữa lượng bồ hóng hình thành và lượng bồ hóng bị oxy hóa. Hình 5.3 giới thiệu profil nhiệt độ trong ngọn lửa khuếch tán propane nghiên cứu. Tóm lại, nồng độ bồ hóng có mặt trong khí cháy sau khi thoát ra khỏi ngọn lửa khuếch tán phụ thuộc vào 4 yếu tố cơ bản: thành phần nhiên liệu, nồng độ nhiên liệu, nồng độ oxygène và sự phân bố nhiệt độ trong ngọn lửa. Hình 5 trình bày sự phân bố nồng độ bồ hóng trong ngọn lửa khuếch tán. Hình này cho thấy nồng độ bồ hóng đạt cực đại ở vùng nhiệt độ cao và giàu nhiên liệu. Ảnh hưởng của các yếu tố trên có thể được minh họa thông qua nghiên cứu biến thiên đường kính hạt bồ hóng trong ngọn lửa propane. Hình 5.5 biểu diễn biến thiên đường kính hạt bồ hóng theo phương hướng kính của ngọn lửa. Những hạt bồ hóng có đường kính bé tập trung ở những vùng có nhiệt độ và độ đậm đặc đều cao. Khi tăng chiều cao ngọn lửa, vị trí hình thành bồ hóng dịch chuyển ra xa trục. Ở độ cao x=400mm, điểm cực tiểu của đường kính biến mất và đường kính của hạt tăng đều đặn từ trục ra ngoài rìa ngọn lửa. Kết quả phân tích khí trên hình 5.2a cho thấy ở khu vực này, nồng độ nhiên liệu rất thấp không đủ điều kiện để hình thành các hạt bồ hóng mới. Hình 5.5: Biến thiên hướng kính của đường kính hạt bồ hóng Hình 5.6: Biến thiên đường kính hạt bồ hóng trên trục ngọn lửa theo chiều cao Do hiện tượng phát triển hạt bồ hóng sau khi hình thành nên những hạt có đường kính lớn phân tán ra ngoài khu vực hình thành bồ hóng. Kết quả thực nghiệm này cho thấy sự hình thành bồ hóng đòi hỏi phải có đồng thời hai điều kiện cơ bản đó là nhiệt độ cao và hỗn hợp đậm đặc. Kết luận này được kiểm chứng bằng sự biến thiên đường kính hạt theo chiều cao ngọn lửa cho trên hình 5.6. Thật vậy, chúng ta thấy đường kính hạt đầu tiên giảm theo chiều cao cùng với sự gia tăng của nhiệt độ trên trục ngọn lửa đến độ cao 450mm. Khi qua khỏi độ cao này, nhiệt độ trong ngọn lửa vẫn còn cao nhưng nồng độ nhiên liệu bắt đầu giảm, quá trình hình thành bồ hóng chấm dứt, đường kính hạt gia tăng do hiện tượng hấp thụ bề mặt và liên kết hạt. 5.3. Bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel Trong khí xả động cơ đốt trong, ngoài các chất khí độc như CO, NO x , H n C m , SO x còn có các hạt rắn tồn tại 3 dạng sau: các hạt chì của xăng pha chì, hạt sunphát của tạp chất lưu huỳnh trong nhiên liệu và hạt bồ hóng. Khi hoạt động bình thường, trong khí xả động cơ xăng có rất ít bồ hóng. Lượng bồ hóng chỉ đáng kể khi nó làm việc với hỗn hợp đậm đặc. Còn ở động cơ Diesel, do quá trình cháy khuếch tán như đã phân tích trên đây, bồ hóng là chất ô nhiễn đặc biệt quan trọng và là thành phần chủ yếu tồn tại dưới dạng hạt rắn trong khí xả. 1. Thành phần hạt bồ hóng Ngày nay, người ta đã biết rõ bồ hóng bao gồm các thành phần chính sau đây: - Carbon: Thành phần này ít nhiều phụ thuộc vào nhiệt độ cháy và hệ số dư lượng không khí trung bình, đặc biệt là khi động cơ hoạt động ở chế độ đầy tải hoặc quá tải. - Dầu bôi trơn không cháy: Đối với động cơ cũ thành phần này chiếm tỉ lệ lớn. Lượng dầu bôi trơn bị tiêu hao và lượng hạt bồ hóng có quan hệ với nhau. - Nhiên liệu chưa cháy hoặc cháy không hoàn toàn: Thành phần này phụ thuộc vào nhiệt độ và hệ số dư lượng không khí. - Sun phát: do lưu huỳnh trong nhiên liệu bị oxy hóa và tạo thành SO 2 hoặc SO 4 . - Các chất khác: lưu huỳnh, calci, sắt, silicon, chromium, phosphor, các hợp chất calci từ dầu bôi trơn. Thành phần hạt bồ hóng còn phụ thuộc vào tính chất nhiên liệu, đặc điểm của quá trình cháy, dạng động cơ cũng như thời hạn sử dụng của động cơ (cũ hay mới). Thành phần bồ hóng trong sản phẩm cháy của nhiên liệu có thành phần lưu huỳnh cao khác với thành phần bồ hóng trong sản phẩm cháy của nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh thấp. Hình 5.7 so sánh thành phần bồ hóng của hai loại nhiên liệu Diesel có thành phần lưu huỳnh 0.26% và 0.05%. Đối với động cơ đã qua sử dụng trên 10 năm, thành phần bồ hóng có chứa đến 40% dầu bôi trơn không cháy hết như hình 5.8. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm về sự phân bố kích thước hạt cho thấy bồ hóng trong khí xả tồn tại dưới hai dạng: dạng đơn và dạng tích tụ. Dạng đơn (gam kích thước nhỏ) tồn tại ở nhiệt độ trên 500 0 C. Ở dạng này, các hạt bồ hóng là sự kết hợp của các hạt sơ cấp hình cầu (mỗi một hạt sơ cấp hình cầu này chứa khoảng 10 5 -10 6 nguyên tử carbon). Dạng đơn này còn được gọi là thành phần không hòa tan ISF (Insoluble Fraction) hay thành phần rắn SOL (Solid). Dạng tích tụ (gam kích thước lớn) do các bồ hóng liên kết lại với nhau và tồn tại ở nhiệt độ thấp hơn 500 0 C. Các hạt bồ hóng này được bao bọc bởi các thành phần hữu cơ nặng ngưng tụ và hấp thụ trên bề mặt hạt: HC chưa cháy, HC bị oxy hóa (keton, ester, ether, axít hữu cơ), và các hydrocarbure thơm đa nhân HAP (Hydrocarbures Aromatiques Polynucléaires). Thể tích tụ này có thể còn có thêm các hạt khác như SO 2 , NO 2 , SO 4 . Những hạt này còn được gọi là thành phần hữu cơ hòa tan SOF (Soluble Organic Fraction). Trong khí xả động cơ Diesel thành phần SOF có thể chiếm từ 5%-80%. Hình 5.9: Cấu trúc chuỗi bồ hóng Hình 5.10: Dạng những hạt sơ cấp Hình 5.9 và 5.10 trình bày ảnh chụp khuếch đại của chuỗi và hạt sơ cấp tạo thành hạt bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel. Một cách tổng quát có thể nói hạt bồ hóng mà người ta thường gọi hình thành do sự liên kết của nhiều hạt sơ cấp hình cầu thành từng khối hoặc chuỗi. Mỗi hạt bồ hóng (khối hay chuỗi) có thể chứa đến 4000 hạt hình cầu sơ cấp. Các hạt sơ cấp có đường kính từ 10 đến 80nm và đại bộ phận hạt nằm trong khoảng 15-30nm, đường kính trung bình của các hạt bồ hóng nằm trong khoảng 100-150nm, có khi lên đến 500-1000nm. Cấu trúc tinh thể của hạt bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel có dạng tương tự như graphit (hình 5.11) nhưng ít đều đặn hơn. Mỗi hạt sơ cấp hình cầu là một tập hợp khoảng 1000 mầm tinh thể, có dạng phiến mỏng được xếp đồng tâm quanh tâm của mỗi hạt cầu, tương tự như cấu trúc hạt carbon đen. Những nguyên tử carbon kết nối với nhau theo các phiến lục giác phẳng cách nhau 0,34-0,36nm (chỉ lớn hơn một chút so với graphit: 0,33nm). Các phiến này kết hợp với nhau tạo thành các mầm tinh thể (từ 2-5 phiến) với cấu trúc giống như carbon đen. Những mầm tinh này lại sắp xếp lại theo các hướng song song với mặt hạt cầu với kết cấu siêu tĩnh để tạo thành các hạt. 5.4. Tình hình nghiên cứu và các quy định về nồng độ bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel hiện nay 5.4.1. Tình hình nghiên cứu bồ hóng Nghiên cứu bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel hiện nay tập trung vào các hướng chính sau đây: 1- Nghiên cứu sự hình thành bồ hóng bên trong buồng cháy động cơ Trên cơ sở hiểu biết tường tận quá trình hình thành bồ hóng chúng ta có thể nghiên cứu tổ chức quá trình cháy, xác định chế độ làm việc tối ưu của động cơ cũng như xác định chất lượng nhiên liệu và các chất phụ gia chống ô nhiễm để đảm bảo cháy sạch nhiên liệu, làm giảm nồng độ bồ hóng trong sản phẩm cháy. Việc nghiên cứu quá trình tạo bồ hóng trong động cơ thường xuất phát từ các mô hình ngọn lửa khuếch tán bên ngoài động cơ. Theo hướng này có rất nhiều công trình nghiên cứu về mô hình hóa quá trình cháy và tạo bồ hóng trong các ngọn lửa khuếch tán một pha và hai pha. Đặc biệt, sự phát triển đồng dạng toán học về quá trình cháy đã cho phép thiết lập mô hình tổng quát cho nhiều hệ thống cháy khác nhau để từ đó có thể mô hình hóa quá trình tạo bồ hóng bên trong buồng cháy động cơ Diesel. Tesner và Magnussen đã đưa ra mô hình tạo bồ hóng hai giai đoạn. Các mô hình tạo bồ hóng khác cũng đã được tổng kết trong các tài liệu của Morel, Kenedy, Lee Tính đúng đắn của mô hình của Morel và của Tesner-Magnussen đã được Bùi Văn Ga kiểm nghiệm trên các ngọn lửa rối và khuếch tán một pha và hai pha. Đối với động cơ Diesel, mô hình nhiều khu vực ("multi-zone") dựa trên quy luật thực nghiệm của khí kéo theo vào tia nhiên liệu và sự phân bố nhiên liệu trong tia để tính toán nhiệt độ trung bình trong mỗi khu vực và từ đó tính toán quá trình cháy và tạo bồ hóng trong động cơ Diesel đã cho phép xây dựng các phần mềm đa phương chạy trên các máy tính mini như KIVA2, KIVA3 và TURBO-KIVA. 2- Nghiên cứu xử lý bồ hóng trên đường xả động cơ Hướng nghiên cứu này chủ yếu tập trung hoàn thiện 2 giải pháp: - Xử lý bồ hóng bằng kỹ thuật lọc và tái sinh lọc - Xử lý bồ hóng bằng bộ xúc tác oxy hóa Trong chương 7 chúng ta sẽ nghiên cứu các giải pháp này. Tuy các nhà khoa học và công nghệ đã có nhiều cải tiến và hoàn thiện các bộ lọc nhưng cho đến nay vẫn chưa có được một giải pháp tối ưu nào tỏ ra hữu hiệu cho vấn đề xử lý bồ hóng trên đường xả. 5.4.2. Các quy định về nồng độ bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel Hiện nay, quy trình kiểm tra tiêu chuẩn của mỗi nước phụ thuộc vào chế độ vận hành của ô tô ở một thành phố mà nước đó chọn làm tiêu biểu. Các nước đang phát triển thường chọn chế độ thử của những nước công nghiệp phát triển để áp dụng ở nước mình vớI một ít điều chỉnh cho phù hợp với tình hình thực tế. Từ năm 1970, các nước trên thế giới đã thiết lập tiêu chuẩn độ khói cho các loại xe tải và xe bus Diesel như các hình 5.13 (Cộng đồng Châu Âu, loại xe có trọng lượng toàn bộ trên 3500kg), hình 5.14 (Mĩ, loại xe có trọng lượng toàn bộ trên 3850kg) và hình 5.15 (Nhật, loại xe có trọng lượng toàn bộ trên 2500kg). Ở Việt Nam, Nhà Nước đã ban hành các tiêu chuẩn TCVN 5418-91 và TCVN 6438-98 về độ khói trong khí xả động cơ Diesel. 5.5. Cơ chế tạo bồ hóng trong buồng cháy động cơ Diesel Các nghiên cứu cơ bản về quá trình hình thành bồ hóng trong các ngọn lửa và trong buồng cháy động cơ Diesel đã được đề cập nhiều trong các tài liệu gần đây với 5 cơ chế hình thành hạt bồ hóng điển hình: 1. Polyme hóa qua acétylène và polyacétylène 2. Khởi tạo các hydrocarbure thơm đa nhân (HAP) 3. Ngưng tụ và graphit hóa các cấu trúc HAP 4. Tạo hạt qua các tác nhân ion hóa và hợp thành các phân tử nặng 5. Tạo hạt qua các tác nhân trung tính và phát triển bề mặt hợp thành các thành phần nặng. Hiện nay người ta thường mô tả sự hình thành bồ hóng qua 4 giai đoạn được tóm tắt trên hình 5.16. Vật chất của pha ngưng tụ đầu tiên phát triển từ những phân tử nhiên liệu thông qua các sản phẩm của sự oxy hóa hoặc các sản phẩm phân hủy nhiệt (pyrolyse). Những sản phẩn này gồm những hydrocarbure không bão hòa khác nhau, đặc biệt là acétylène và các đồng vị bậc cao của nó, và những HAP. Hai dạng phần tử này được coi như là nhân tố chính trong sự hình thành bồ hóng. Phản ứng ngưng tụ của những phân tử thể khí dẫn đến sự hình thành các hạt nhân bồ hóng đầu tiên có đường kính rất bé (d<2nm), đây là các hạt cơ sở được hợp thành bởi một lượng lớn các gốc tinh thể đơn lẻ có kích thước từ 20 - 30A 0 . . khói trong khí xả động cơ Diesel. 5.5. Cơ chế tạo bồ hóng trong buồng cháy động cơ Diesel Các nghiên cứu cơ bản về quá trình hình thành bồ hóng trong các ngọn lửa và trong buồng cháy động cơ Diesel. Nghiên cứu sự hình thành bồ hóng bên trong buồng cháy động cơ Trên cơ sở hiểu biết tường tận quá trình hình thành bồ hóng chúng ta có thể nghiên cứu tổ chức quá trình cháy, xác định chế độ làm việc. tạo bồ hóng trong động cơ thường xuất phát từ các mô hình ngọn lửa khuếch tán bên ngoài động cơ. Theo hướng này có rất nhiều công trình nghiên cứu về mô hình hóa quá trình cháy và tạo bồ hóng trong