Theo nghiên cứu của Wachters và Westerling (1966) ranh giới giữa các cơ chế tương tác của giọt chất lỏng với bề mặt vách được gia nhiệt ở 400K tùy thuộc vào số We, giọt tương tác và nẩy lên khi số We < 30, giọt bị phá vỡ và trải rộng trên bề mặt khi We > 80. Tiếp sau đó, nghiên cứu Naber và Farrel [73] đã thực hiện nhỏ giọt chất lỏng lên bề mặt vách kim loại được gia nhiệt ở các mức độ khác nhau, khi nhiệt độ bề mặt vách thuộc vào khoảng nhiệt độ từ điểm bão hòa của chất lỏng đến nhiệt độ Leidenfrost cho thấy có sự tương quan đơn giản giữa We và TW. Các tác giả kết luận rằng giọt chất lỏng bị phá vỡ trong môi trường được gia nhiệt ứng với We = 24.
2.1.3. Lý thuyết cơ chế hình thành soot
Cơ chế cơ bản của sự hình thành soot trong ngọn lửa là vấn đề được rất nhiều nhà nghiên cứu về lý thuyết cháy quan tâm trong những năm qua. Những tiến bộ đáng kể được thực hiện từ những năm 1970 do áp dụng các kỹ thuật chuẩn đoán trong nghiên cứu. Các kỹ thuật này cho phép đo được số lượng khá lớn khối lượng của các hợp chất cao phân tử, các ion và gốc hydrocacbon không ổn định, những chất vốn được coi là các tiền tố hình thành các hạt soot, đặc biệt là các hạt soot có đường kính rất nhỏ khoảng 10Å. Kỹ thuật quang học và lấy mẫu chùm phân tử kết hợp với phân tích phổ khối là các phương pháp phổ biến nhất [95][96]. Mặc dù hầu hết các nghiên cứu này đã được thực hiện với ngọn lửa trộn trước ở áp suất thấp hơn nhiều so áp suất trong động cơ diesel trong các mơ hình thực nghiệm. Kết quả thực nghiệm bao gồm kích thước và cấu trúc vi mô của các hạt soot được tạo ra, các ảnh hưởng định tính của sự thay đổi tỷ số cân bằng cục bộ, nhiệt độ, áp suất và ảnh hưởng của các chất phụ gia như các halogen hoặc kim loại kiềm. Điều này đã dẫn đến giả định rằng cơ chế của sự hình thành soot là tương tự nhau ở trong động cơ thực và mơ hình thực nghiệm. Tuy nhiên, các nghiên
cứu gần đây về sự hình thành soot trong hỗn hợp khí propan trộn trước giàu soot trong buồng cháy ở áp suất cao hơn (0,45-1,0 MPa) trong bình thể tích khơng đổi đã cho thấy có nhiều khác biệt rõ rệt [95]. Sự mâu thuẫn giữa các kết quả của nghiên cứu này với các nghiên cứu về ngọn lửa trong phịng thí nghiệm sẽ được phân tích dưới đây.
Cơ chế hình thành soot từ pha hơi của ngọn lửa trong động cơ diesel được mô tả sơ bộ trên Hình 2.3. Soot dưới dạng các khối cầu gồm nhiều hạt hình cầu riêng lẻ trong xilanh động cơ diesel, trong khi đó trong những ngọn lửa trộn trước, dạng hình học của tồn bộ các hạt đã hình thành thường là một chuỗi mạch tổng hợp. Các mạch này được hình thành trong quá trình tổng hợp, với thời gian cư trú khoảng 100 ms. Thời gian cư trú tương đối ngắn (1-10 ms) [97] cùng với sự phát triển ban đầu và kết tụ nhanh hơn khi áp suất và tốc độ hòa trộn cao hơn.
Sự hình thành các hạt bởi các phản ứng trùng hợp và cacbon hóa trong từng giọt chất lỏng đã được ghi nhận trong thí nghiệm [98]. Nếu thiết bị phun nhiên liệu được điều chỉnh đúng cách, sự đóng góp của cơ chế pha lỏng vào tổng lượng phát thải hạt của động cơ diesel (ngoại trừ ở tải nhẹ) là khơng đáng kể. Với q trình hình thành soot được mơ tả trong Hình 2.2, quá trình phá vỡ soot cũng đồng thời xảy ra trong khu vực ngọn lửa có các chất oxy hố. Như Fenimore và Jones [99] đã nhận định, điều này rất quan trọng ngay cả trong các hệ thống ngọn lửa trộn trước giàu nhiên liệu. Chúng đóng một vai trị lớn trong động cơ diesel, thường hoạt động ít hơn ở tốc độ cân bằng tổng thể.