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

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.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel CƠ CHẾ HÌNH THÀNH Chương 5 BỒ HÓNG TRONG QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL 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/m3 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 57 Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của 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 fv.L (L: chiều dài quang trình). Chúng ta thấy nồng độ bồ hóng trong sản phẩm cháy ...