CƠ CHẾ HỉNH THĂNH BỒ HốNG TRONG
5.2. Hình thănh bồ hóng trong ngọn lửa khuếch tân
Quâ trình chây khuếch tâc được âp dụng rộng rêi trong công nghiệp vì nó an toăn. Tuy nhiắn do đặc điểm phđn bố nhiắn liệu không đồng nhất, việc khống chế quâ trình chây của nó gặp nhiều khó khăn hơn so với qua trình chây của hỗn hợp đồng nhất. Cũng chắnh vì sự phđn bố hỗn hợp không đồng nhất mă trong sản phẩm chây của ngọn lửa khuếch tân luôn tồn tại những sản phẩm chây không hoăn toăn mặc dù hỗn hợp tổng quât rất loêng. Trong số những sản phẩm chây không hoăn toăn năy người ta đặc biệt quan tđm đến bồ
hóng.
Sự hình thănh bồ hóng trong ngọn lửa khuếch tân trước tiắn phụ thuộc văo nhiắn liệu. Nhiắn liệu có thănh phần C căng cao thì nồng độ bồ hóng căng lớn. Hình 5.1 so sânh nồng độ bồ hóng đo trắn trục ngọn lửa khuếch tân của 3 loại nhiắn liệu khâc nhau: butane, propane vă mĩthane với cùng điều kiện ban đầu (tốc độ phun 90m/s, đường kắnh lỗ phun 3mm). Nồng độđược biểu diễn thông qua bề dăy đặc trưng của bồ hóng fv.L (L: chiều dăi quang trình). Chúng ta thấy nồng độ bồ hóng trong sản phẩm chây của ngọn lửa butane lớn nhất vă nồng độ năy thấp nhất trong ngọn lửa mĩthane.
Chương 5: Cơ chế hình thănh bồ hóng trong quâ trình chây của động cơ Diesel
59
Yếu tố thứ hai ảnh hưởng đến nồng độ bồ hóng lă nồng độ nhiắn liệu vă nồng độ
oxygỉne. Thật vậy, sự hình thănh bồ hóng chủ yếu lă do quâ trình chây không hoăn toăn của nhiắn liệu. Khi hỗn hợp nghỉo vă được phđn bốđồng nhất thì nồng độ bồ hóng rất bĩ, có thể bỏ qua. Nồng độ oxygỉne ảnh hưởng đến sự oxy hóa bồ hóng sau khi chúng được hình thănh do đó cũng ảnh hưởng đến nồng độ bồ hóng cuối cùng có mặt trong sản phẩm chây. Hình 5.2a, b biểu diễn biến thiắn của nồng độ nhiắn liệu vă oxygỉne theo chiều cao ngọn lửa propane có tốc độ phun ban đầu 90m/s vă đường kắnh lỗ phun lă 3mm.
Hình 5.1: Ảnh hưởng của nhiắn liệu đến mức độ phât sinh bồ hóng trong ngọn lửa khuếch tân
a. b.
Hình 5.2: Biến thiắn của nồng độ nhiắn liệu (a) vă oxygỉne (b) theo chiều cao ngọn lửa khuếch tân propane
Chương 5: Cơ chế hình thănh bồ hóng trong quâ trình chây của động cơ Diesel
60
Hình 5.3: Profil nhiệt độ trong ngọn lửa propane Hình 5.4: Phđn bố fv.L trong ngọn lửa propane
Yếu tố thứ ba ảnh hưởng đến sự hình thănh bồ hóng lă sựphđn bố nhiệt độ trong ngọn lửa. Nhiệt độ cao ở vùng giău nhiắn liệu sẽ thuận lợi cho việc hình thănh bồ hóng. Ngược lại nhiệt độ cao ở vùng thừa oxygỉne sẽ thuận lợi cho việc oxy hóa bồ hóng. Nồng
độ bồ hóng thoât ra khỏi ngọn lửa khuếch tân lă hiệu số giữa lượng bồ hóng hình thănh vă lượng bồ hóng bị oxy hóa. Hình 5.3 giới thiệu profil nhiệt độ trong ngọn lửa khuếch tân propane nghiắn cứu.
Tóm lại, nồng độ bồ hóng có mặt trong khắ chây sau khi thoât ra khỏi ngọn lửa khuếch tân phụ thuộc văo 4 yếu tố cơ bản: thănh phần nhiắn liệu, nồng độ nhiắn liệu, nồng độ oxygỉne vă sự phđn bố nhiệt độ trong ngọn lửa. Hình 5 trình băy sự phđn bố nồng
độ bồ hóng trong ngọn lửa khuếch tân. Hình năy cho thấy nồng độ bồ hóng đạt cực đại ở
vùng nhiệt độ cao vă giău nhiắn liệu. Ảnh hưởng của câc yếu tố trắn có thểđược minh họa thông qua nghiắn cứu biến thiắn đường kắnh hạt bồ hóng trong ngọn lửa propane. Hình 5.5 biểu diễn biến thiắn đường kắnh hạt bồ hóng theo phương hướng kắnh của ngọn lửa. Những hạt bồ hóng có đường kắnh bĩ tập trung ở những vùng có nhiệt độ vă độ đậm đặc
đều cao. Khi tăng chiều cao ngọn lửa, vị trắ hình thănh bồ hóng dịch chuyển ra xa trục. Ở độ cao x=400mm, điểm cực tiểu của đường kắnh biến mất vă đường kắnh của hạt tăng đều
đặn từ trục ra ngoăi rìa ngọn lửa. Kết quả phđn tắch khắ trắn hình 5.2a cho thấy ở khu vực năy, nồng độ nhiắn liệu rất thấp không đủđiều kiện để hình thănh câc hạt bồ hóng mới.
Chương 5: Cơ chế hình thănh bồ hóng trong quâ trình chây của động cơ Diesel
61
Hình 5.5: Biến thiắn hướng kắnh của đường kắnh hạt bồ hóng
Hình 5.6: Biến thiắn đường kắnh hạt bồ hóng trắn trục ngọn lửa theo chiều cao
Do hiện tượng phât triển hạt bồ hóng sau khi hình thănh nắn những hạt có đường kắnh lớn phđn tân ra ngoăi khu vực hình thănh bồ hóng. Kết quả thực nghiệm năy cho thấy sự hình thănh bồ hóng đòi hỏi phải có đồng thời hai điều kiện cơ bản đó lă nhiệt độ cao vă hỗn hợp đậm đặc. Kết luận năy được kiểm chứng bằng sự biến thiắn đường kắnh hạt theo chiều cao ngọn lửa cho trắn hình 5.6. Thật vậy, chúng ta thấy đường kắnh hạt đầu tiắn giảm theo chiều cao cùng với sự gia tăng của nhiệt độ trắn trục ngọn lửa đến độ cao 450mm. Khi qua khỏi độ cao năy, nhiệt độ trong ngọn lửa vẫn còn cao nhưng nồng độ
Chương 5: Cơ chế hình thănh bồ hóng trong quâ trình chây của động cơ Diesel
62
nhiắn liệu bắt đầu giảm, quâ trình hình thănh bồ hóng chấm dứt, đường kắnh hạt gia tăng do hiện tượng hấp thụ bề mặt vă liắn kết hạt.