Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel 70 Cơ chế tổng quát về sự tạo thành hạt nhân bồ hóng ở nhiệt độ thấp và trung bình được trình bày trên hình 5.17a,b. Ở nhiệt độ thấp (<1700K), hydrocarbure thơm có thể sinh ra bồ hóng một cách trực tiếp và nhanh chóng biến thành cấu trúc gần graphite. Khi nhiệt độ cao hơn 1800K, một cơ chế hình thành bồ hóng khác diễn ra chậm hơn và ít trực tiếp hơn, trước hết qua trung gian những thành phần HC có khối lượng phân tử nhỏ và sau đó bị polymer hóa thành những phần tử kém bão hòa có khối lượng phân tử lớn hơn. Đây là các mầm cơ bản để hình thành các hạt nhân bồ hóng. Theo Borghi, sự hình thành bồ hóng qua trung gian các aromatics được viết như sau: Aromatic→(khử hydro) →Alcanes (CH 4 , C 2 H 6 ) →Các gốc Alcolyles (CH 3 . , C 2 H 5 . →Alcenes (C 2 H 4 )→Alcynes (C 2 H 2 ) →(khử hydro) → Các gốc C 2 H . và sau đó : C 2 H . + C 2 H 2 → C 4 H 2 + H . C 2 H và Diacetylene C 4 H 2 lại tiếp tục tác dụng với nhau như hình 5.17a và cơ chế tiếp tục kéo dài. Ở mỗi một chu trình đều có sự tham gia của C 2 H 2 . 5.5.2. Phát triển hạt bồ hóng Quá trình phát triển của hạt bồ hóng bao gồm sự phát triển bề mặt, ngưng tụ và sự liên kết hạt. Sự phát triển bề mặt diễn ra do các chất thể khí ngưng tụ trên hạt rắn và biến thành một bộ phận của hạt. Các phản ứng phát triển bề mặt dẫn đến sự gia tăng nồng độ bồ hóng f v nhưng không làm thay đổi số lượng hạt. Ngược lại sự phát triển bằng con đường liên kết và hợp dính các hạt với nhau làm giảm số lượng hạt nhưng nồng độ bồ hóng không thay đổi. Khi sự phát triển bề mặt hạt kết thúc, quá trình liên kết hạt thành chuỗi và cụm vẫn có thể xảy ra. Khi đó lực tĩnh điện của chúng có vai trò quan trọng và là yếu tố chính tạo ra sự h ợp dính này. Tóm lại, trong buồng cháy động cơ liên tục xảy ra qua trình tạo hạt nhân, phát triển bề mặt và liên kết hạt. Ở mỗi giai đoạn, khi nhiệt độ đủ cao, hạt bồ hóng bị oxy hóa một bộ phận hay toàn phần. 5.5.3. Quá trình oxy hóa hạt bồ hóng Quá trình oxy hóa có thể diễn ra ngay lúc hình thành các phân tử hoạt tính, hạt nhân và hạt bồ hóng (hình 5.16). Thực nghiệm cho thấy phần lớn bồ hóng bị oxy hóa trong xy lanh trước khi quá trình thải bắt đầu. Tốc độ oxy hóa bồ hóng trong động cơ phụ thuộc vào sự khuếch tán của các chất tham gia cũng như động học phản ứng. Có rất nhiều chất bên trong sản phẩm cháy hay ở gần ngọn lửa có thể oxy hóa bồ hóng như O 2 , O, OH, CO 2 , và H 2 O. Khi áp suất riêng của oxygène cao, sự oxy hóa bồ hóng có thể tuân theo công thức gần đúng dựa trên các nghiên cứu về oxy hóa của pyrographite. Sự oxy hóa bồ hóng bởi OH tác động trên bề mặt hạt. Trong khi đó, sự oxy bồ hóng do oxygène tác động trên bề mặt hạt diễn ra chậm hơn nên nó có thời gian xuyên Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel 71 sâu vào bên trong để oxy hóa và phân hủy hạt bồ hóng. Theo những kết quả gần đây, trong điều kiện áp suất môi trường và hỗn hợp giàu thì sự oxy hóa bồ hóng bởi gốc OH quan trọng hơn so với sự oxy hóa của O hay O 2 . Như vậy, rõ ràng hạt bồ hóng hình thành là sản phẩm của các quá trình: tạo hạt cơ sở, hình thành hạt bồ hóng, phát triển và oxy hóa hạt bồ hóng. Tốc độ tạo bồ hóng trong quá trình cháy là hiệu số giữa tốc độ sản sinh và tốc độ oxy hóa bồ hóng. Cơ chế hình thành bồ hóng phụ thuộc chủ yếu vào nồng độ nhiên liệu, oxygène và nhiệt độ quá trình cháy. 5.6. Mô hình hóa quá trình tạo bồ hóng trong động cơ Diesel 5.6.1. Giới thiệu Động học phản ứng hình thành bồ hóng khác với động học phản ứng hình thành các chất khác trong sản phẩm cháy. Giả thuyết động học phản ứng nhanh không thể áp dụng trong tính toán nồng độ bồ hóng. Trong quá trình cháy khuếch tán, sự phân bố nhiên liệu không đồng đều và chính vùng tập trung nhiên liệu ở biên giới của các mặt tiếp giáp là khu vực sản sinh bồ hóng. Tốc độ sản sinh bồ hóng phụ thuộc nồng độ nhiên li ệu còn tốc độ cháy bồ hóng phụ thuộc nồng độ oxygène. Nồng độ bồ hóng tại một điểm trong ngọn lửa được xác định bởi sự tương tác của hai hiện tượng lí hóa: đối lưu-khuếch tán, khống chế sự dịch chuyển của các phần tử trong dòng chảy và sản sinh-tiêu tán, khống chế sự sinh ra hay mất đi của các phần tử trong quá trình cháy. Nồng độ bồ hóng được xác định theo định luật bảo toàn phần tử trong dòng chảy: d m Y dx mYm i iioo ( & .) & . & ' , ' < > =+ (5.1) Trong trường hợp môi trường bên ngoài không chứa bồ hóng, Y io = 0. Do vậy ta có: dm Y dx m i i ( & .) & ' < > = (5.2) Trong đó tốc độ sản sinh trung bình của phần tử i được tính trên một đơn vị thể tích và thời gian được xác định theo biểu thức: & ' max mRR ii = π 2 (5.3) Mô hình hóa quá trình tạo bồ hóng chủ yếu là tìm mối quan hệ giữa tốc độ tạo bồ hóng m i . ' với các thông số khác của dòng chảy rối để khép kín hệ phương trình. Theo hướng này, hiện nay tồn tại nhiều mô hình tạo bồ hóng. Sau đây là một số mô hình tiêu biểu. Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel 72 5.6.2 Mô hình hóa sự sản sinh bồ hóng Những nghiên cứu thực nghiệm cho thấy sự hình thành bồ hóng được tiến hành qua trung gian của những hydrocarbure thơm đa nhân (HAP) và sự phát triển của hạt bồ hóng là do phản ứng giữa những phân tử hydrocarbure thơm và acétylène. Mô hình động hóa học HAP mô tả sự hình thành bồ hóng theo cơ chế này do Frenklach thiết lập bao gồm khoảng 1000 phản ứng thuận nghịch được khởi động bởi 18 phản ứng chính ban đầu. Nghiệm số hoàn chỉnh của mô hình này vì vậy rất phức tạp. Theo Tesner-Magnussen, bồ hóng được hình thành trong quá trình cháy của hydrocarbure được tiến hành qua hai giai đoạn, đầu tiên là việc hình thành các nhân cơ sở, và giai đoạn sau là việc hình thành bồ hóng từ các nhân này. Tốc độ sản sinh các nhân cơ sở được tính theo biểu thức: ( ) RnfgngnN nf o b o, =+− − (hạt/m 3 /s) (5.4) trong đó: n o : Tốc độ sản sinh hạt cơ sở ban đầu: nac E RT oof =− ⎛ ⎝ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ exp (hạt/m 3 /s) (5.5) a o : Hằng số c f : Nồng độ nhiên liệu (kg/m 3 ). E : Năng lượng kích hoạt R : Hằng số khí vạn năng T : Nhiệt độ tuyệt đối của khí f b : Hệ số tăng nhánh tuyến tính g : Hệ số đứt nhánh tuyến tính g o : Hệ số đứt nhánh của hạt bồ hóng n : Nồng độ hạt cơ sở (hạt/m 3 ) N : Nồng độ hạt bồ hóng (hạt/m 3 ) Tốc độ sản sinh bồ hóng được viết như sau: () RmabNnkgms sf p, (/ /)=− 3 (5.6) Với m p : Khối lượng một hạt bồ hóng (kg/ hạt). a,b : Các hằng số Ngoài ra còn có các mô hình mô tả sự sản sinh bồ hóng khác như: - Mô hình Khan: () R s,f =−Kp T ff φ 3 20000exp / (5.7) Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel 73 f f : Độ đậm đặc của nhiên liệu trong vùng hình thành bồ hóng p f : Áp suất cục bộ của nhiên liệu T : Nhiệt độ khí cháy K : Hằng số tỉ lệ - Mô hình Hiroyasu và Kadota: ( ) R s,f =−KP T b exp /10000 (5.8) P : Áp suất khí T b : Nhiệt độ khí cháy K : Hằng số tỉ lệ - Mô hình Morel: ( ) R s,f = − + AR AT Y f f o 1 2 1476 2 exp / , (5.9) A 1 , A 2 : Các hằng số R f : Tốc độ cháy của nhiên liệu T f : Nhiệt độ ngọn lửa Y O2 : Nồng độ oxy có mặt trong vùng cháy 5.6.3. Mô hình hóa sự oxy hóa bồ hóng Thực nghiệm cho thấy rằng tốc độ cháy bề mặt của bồ hóng tương đương với tốc độ cháy bề mặt của graphite. Do đó công thức thực nghiệm của Nagle và Stricland- Constable thường được dùng trong tính toán tốc độ oxy hoá bề mặt graphite cũng được dùng để tính toán sự oxy hóa bồ hóng. Theo đó, tốc độ oxy hoá bề mặt bồ hóng R s,c được viết như sau: R c d kP kP kP sc s ss Ao zo Bo, . ()= + +− ⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ 720 1 1 2 2 2 ρ χ χ (kgm -3 s -1 ) (5.10) trong đó các hằng số được xác định như sau: Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel 74 kT) kT) kT) kT) A B T Z =− =− =− = ⎧ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ − 20 15100 4 4610 7640 15110 48800 21 3 2060 3 5 exp( / ,. exp( / ,. exp( / , exp( / (5.11) P O2 là áp suất riêng của oxy tính bằng atm χ = + 1 1 2 k k P T B o (5.12) Ngoài ra, còn có nhiều mô hình tính toán tốc độ oxy hóa bồ hóng như: - Mô hình Lee: RPT T c d sc o s ss , / , . . . exp( / ).=− − 6 51 10 19800 512 2 ρ (kgm -3 s -1 ) (5.13) - Mô hình Magnussen: R PT PT c d sc o o s ss , , . . exp( / ) , . . exp( / ) .= − +− 1 83 10 29000 1 3 10 10 29300 82 10 2 2 2 ρ (kgm -3 s -1 ) (5.14) - Mô hình Jones: RPPT T sc O H O, // / . . exp( / ) = − − 2 14 2 12 12 19000 (kgm -3 s -1 ) (5.15) - Mô hình Hiroyasu và Kadota: R c d PT sc s ss O, .exp( / )=− 6 20000 2 ρ (kgm -3 s -1 ) (5.16) - Mô hình Morel: RB c d BTP sc s ss fO, / exp( / ).=− 12 12 2 ρ (kgm -3 s -1 ) (5.17) B 1 , B 2 : Các hằng số - Mô hình "eddy-dissipation" của Magnussen: Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel 75 Dựa trên cùng nguyên tắc mô tả quá trình cháy khuếch tán của nhiên liệu, Magnussen đưa ra mô hình "eddy-dissipation" ứng dụng trong quá trình cháy của bồ hóng. Theo mô hình này, tốc độ cháy bồ hóng được tính theo quan hệ sau đây: RAc k sc s, .= ⎛ ⎝ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ ε (kgm -3 s -1 ) (5.18) trong đó : A : Hằng số c s : Nồng độ bồ hóng ( kg/m 3 ) k : Động năng rối (m 2 /s 2 ) e : Tốc độ tiêu tán động năng rối (m 2 /s 2 ) Quan hệ này được áp dụng trong vùng có thừa oxygène. Trong trường hợp thiếu oxygène, Magnussen đề nghị tính tốc độ cháy bồ hóng theo công thức: RA c rk cr cr cr sc o s ss ss ff , .= ⎛ ⎝ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ + ⎛ ⎝ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ 2 ε (kgm -3 s -1 ) (5.19) r s , r f theo thứ tự là lượng oxygène cần thiết để đốt cháy hoàn toàn một kg bồ hóng và một kg nhiên liệu (kg/kg) theo lí thuyết; c O2 là nồng độ oxygène (kg/m 3 ). Tốc độ cháy bồ hóng là giá trị nhỏ nhất trong hai giá trị tính theo (5.18) và (5.19). Tốc độ hình thành bồ hóng cuối cùng được xác định bởi biểu thức: R s = R s,f - R s,c (kgm -3 s -1 ) (5.20) 5.6.4. Xây dựng mô hình tạo bồ hóng trong buồng cháy động cơ Diesel Việc tính toán và xây dựng mô hình tạo bồ hóng trong buồng cháy động cơ Diesel cần được thực hiện đồng thời với mô hình quá trình cháy khuếch tán. Sơ đồ lôgic của mô hình tính toán được trình bày như trên hình 5.18. Kết hợp với mô hình ngọn lửa khuếch tán bên ngoài động cơ, chúng ta có thể xây dựng được mô hình quá trình cháy của ngọn lửa bên trong động cơ theo các điều kiện ban đầu ở góc quay trục khuỷu α i . Như vậy, ở mỗi bước góc quay trục khuỷu xác định, chúng ta có được nồng độ nhiên liệu, nồng độ oxygène và nhiệt độ cục bộ. Từ đó nồng độ bồ hóng được xác định nhờ các mô hình vừa trình bày trên đây. Đối với quá trình cháy trong động cơ Diesel, hiện nay người ta có thể áp dụng nhiều mô hình khác nhau để tính toán nồng độ bồ hóng. Tuy nhiên, trong các mô hình đó, mô hình Tesner-Magnussen thể hiện được đầy đủ bả n chất của quá trình lí hóa hình thành bồ hóng trong ngọn lửa khuếch tán nhất. Mô hình nhiệt động học trong cylindre Quy luật phun nhiên liệu Điều kiện ban đầu ở góc quay trục khuỷu α i Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel 76 Hình 5.18: Sơ đồ tính toán quá trình cháy và tạo bồ hóng trong động cơ Diesel phun trực tiếp Trong tính toán nồng độ bồ hóng theo mô hình Tesner-Magnussen, năng lượng kích hoạt E (quyết định tốc độ sản sinh bồ hóng) và hệ số oxy hóa A (quyết định tốc độ oxy hóa bồ hóng) sẽ được chọn tùy thuộc vào loại động cơ và loại buồng cháy. Hình 5.19 trình bày một số kết quả so sánh giữa tính toán và thực nghiệm nồng độ bồ hóng trong buồng cháy động cơ Diesel transparent Lombardini LDA-100. Nồng độ bồ hóng trong buồng cháy động cơ đượ c đo bằng phương pháp hỏa kế lưỡng sắc. Sự hình thành bồ hóng được tính theo mô hình Tesner-Magnussen và quá trình cháy được tính toán theo mô hình ngọn lửa khuếch tán. Sự phù hợp giữa mô hình và thực nghiệm ở đây cho thấy mô hình Tesner- Magnussen có thể được áp dụng để tính toán sự hình thành bồ hóng trong buồng cháy động cơ Diesel. f v L.10 8 Tính toán Thực nghiệm n=1000 v/ph p a =1,333 bar Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel 77 1000 v/ph pa=1.333bar 0 5 10 15 20 25 30 35 40 -20-100 10203040506070 G óc quay trøc khu›u (Ƕ) N °ng Ƕ th‹ tích bÒ hóng FvL FvL[m]*E+8_Thí nghiêm FvL[m]*E+8_Tính toán Hình 5.19: So sánh biến thiên nồng độ bồ hóng theo mô hình và thực nghiệm (động cơ transparent Lombardini LDA-100) . Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel 73 f f : Độ đậm đặc của nhiên liệu trong vùng hình thành bồ hóng p f . Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel 70 Cơ chế tổng quát về sự tạo thành hạt nhân bồ hóng ở nhiệt độ thấp