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

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 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.

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.

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, NOx, HnCm, SOx...

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 SO2 hoặc SO4.

- 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 5000C. 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 105-106 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 5000C. 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 SO2, NO2, SO4. Những hạt này còn được gọi là thành phần hữu cơ hòa tan SOF (Soluble Organic Fraction).

Thanh phan nay co the chiem 5%-80%

2. Cấu trúc hạt bồ hóng

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.