Môi Trường - Khí Thải Động Cơ Đốt Trong phần 3 docx

17 810 11
Môi Trường - Khí Thải Động Cơ Đốt Trong phần 3 docx

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

Chương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong 47 Những chất còn lại trong hỗn hợp sau khi màng lửa đi qua không phải là nguồn phát sinh HC chính đo được trên đường xả của động cơ đốt trong. Hình 4.11 biểu diễn sự biến thiên nồng độ các thành phần hydrocarbure theo góc quay trục khuỷu đo được trên thành buồng cháy của động cơ một cylindre. Chúng ta thấy rằng, ngay khi màng lửa đi qua, nồng độ HC đo được thấp hơn HC có mặt trong khí xả. Vào cuối chu trình, nồng độ HC lại tăng lên. Thật vậy, khi màng lửa đã lan đến khu vực gần thành thì nó bị dập tắt và chính HC thoát ra từ các vùng không bị cháy đóng vai trò chủ yếu trong việc làm tăng nồng độ HC. 4.3.2. Cơ chế tôi màng lửa Tôi màng lửa hay sự dập tắt màng lửa diễn ra khi nó tiếp xúc với thành buồng cháy. Quá trình tôi màng lửa có thể xảy ra trong những điều kiện khác nhau: màng lửa bị làm lạnh khi tiếp xúc với thành trong quá trình dịch chuyển hoặc màng lửa bị dập tắt trong những không gian nhỏ liên thông với buồng cháy, chẳng hạn như khe hở giữa piston và thành cylindre (hình 4.12). Hình 4.12: Sự hình thành HC do tôi màng lửa trên thành buồng cháy Khi màng lửa bị tôi, nó giải phóng một lớp mỏng hỗn hợp chưa cháy hay cháy không hoàn toàn trên các bề mặt tiếp xúc (culasse, piston, cylindre, soupape ) hay ở những không gian chết. Bề dày của vùng bị tôi phụ thuộc vào những yếu tố khác nhau: nhiệt độ và áp suất của hỗn hợp khí, tốc độ lan tràn màng lửa, hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, tình trạng bề mặt của thành buồng cháy, lớp muội than, nhiệt độ thành buồng cháy Người ta có thể sử dụng những công thức thực nghiệm để tính kích thước bé nhất của không gian chết để màng lửa có thể đi qua mà không bị dập tắt. Quá trình tôi màng lửa diễn ra theo hai giai đoạn: trong giai đoạn đầu, màng lửa bị tắt khi nhiệt lượng hấp thụ vào thành buồng cháy cân bằng với nhiệt lượng do màng lửa tỏa ra. Vài giây sau khi tôi, do diễn ra sự khuếch tán hay sự oxy hóa nên nồng độ HC tại khu vực này nhỏ hơn nồng độ đo được khi tôi. Mặt khác, những hydrocarbure thoát ra trong quá trình oxy hóa ban đầu do màng lửa bị dập tắt có thể bị oxy hóa trong quá trình Sản ph ẩ m cháy H ỗ n hợp chưa cháy Vùng màng lửa bị kẹt Chương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong 48 giãn nở hay thải. Cuối cùng lớp dầu bôi trơn trên mặt gương cylindre có thể hấp thụ hydrocarbure, nhất là các hydrocarbure trước khi bén lửa và thải HC ra hỗn hợp cháy trong kì giãn nở. Quá trình hấp thụ và thải HC như vừa nêu đôi khi là nguồn phát sinh HC quan trọng trong khí xả động cơ đốt trong. 4.4. Sự phát sinh HC trong quá trình cháy của động cơ đánh lửa cưỡng bức Khí xả động cơ xăng thường có chứa từ 1000 đến 3000ppmC, tương ứng với khoảng từ 1 đến 2,5% lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ. Như đã trình bày trên hình 1.1, nồng độ HC tăng nhanh theo độ đậm đặc của hỗn hợp. Tuy nhiên, khi độ đậm đặc của hỗn hợp quá thấp, HC cũng tăng do sự bỏ lửa hay do sự cháy không hoàn toàn diễn ra ở một số chu trình công tác. Sự hình thành HC trong động cơ đánh lửa cưỡng bức có thể được giải thích theo các cơ chế sau đây (hình 4.13): - Sự tôi màng lửa khi tiếp xúc với thành tạo ra một lớp hỗn hợp không bị bén lửa trên mặt thành buồng cháy. - Hỗn hợp chứa trong các không gian chết không cháy được do màng lửa bị dập tắt. - Hơi nhiên liệu hấp thụ vào lớp dầu bôi trơn trên mặt gương cylindre trong giai đoạn nạp và nén và thải ra trong giai đoạn giãn nở và cháy. - Sự cháy không hoàn toàn diễn ra ở một số chu trình làm việc của động cơ (cháy cục bộ hay bỏ lửa) do sự thay đổi độ đậm đặc, thay đổi góc đánh lửa sớm hay hồi lưu khí xả, đặc biệt khi gia giảm tốc độ. Mặt khác, muội than trong buồng cháy cũng có thể gây ra sự gia tăng mức độ phát sinh ô nhiễm do sự thay đổi các cơ chế trên đây. Tấ t cả những quá trình này (trừ trường hợp bỏ lửa) làm gia tăng nồng độ HC chưa cháy ở gần thành buồng cháy chứ không phải trong toàn bộ thể tích buồng cháy. Trong quá trình thải có thể xuất hiện hai đỉnh cực đại của nồng độ HC: đỉnh thứ nhất tương ứng với đại bộ phận HC sinh ra trong quá trình cháy chính, đỉnh thứ hai xuất hiện vào cuối kì thải ở thời điểm nh ững bộ phận HC cuối cùng thoát ra khỏi cylindre trong điều kiện lưu lượng khí xả đã giảm. Lớp d ầ u bôi trơn hấp thụ HC Lớp muội than hấp thụ HC H ỗ n hợp chưa cháy bị nén vào không gian chết Màng lửa H ỗ n hợp cháy không hoàn toàn là nguồn phát sinh HC HC trên thành cylindre bị kéo theo dòng khí x ả Lớp muội than giải phóng HC NÉN CHÁY Chương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong 49 Hình 4.13: Sơ đồ các nguồn phát sinh HC 4.4.1. Tôi màng lửa trên thành buồng cháy Bề dày của lớp bị tôi thay đổi từ 0,05 đến 0,4mm phụ thuộc vào chế độ tải của động cơ. Khi tải càng thấp thì lớp bị tôi càng dày. Sự hiện diện của aldehyde dạng HCHO hay CH 3 CHO trong lớp tôi chứng tỏ rằng khu vực lớp tôi là nơi diễn ra các phản ứng oxy hóa ở nhiệt độ thấp. Sau khi màng lửa bị dập tắt, những phần tử HC có mặt trong lớp tôi khuếch tán vào khối khí nhiệt độ cao trong buồng cháy và đại bộ phận bị oxy hóa. Trạng thái bề mặt của thành buồng cháy cũng ảnh hưởng đến mức độ phát sinh HC: nồng độ HC có thể giảm đi 14% trong trường hợp thành buồng cháy được đánh bóng so với trường hợp thành buồng cháy ở dạng đúc thô. Lớp muội than gây ảnh hưởng đến nồng độ HC tương tự như trường hợp thành buồng cháy nhám. 4.4.2. Ảnh hưởng của các không gian chết Các không gian này được xem là nguyên nhân chủ yếu phát sinh HC. Các không gian chết quan trọng nhất là các khe hở giới hạn giữa piston, segment và cylindre (hình 4.15). Những không gian chết khác bao gồm chân ren và không gian quanh cực trung tâm của bougie, không gian quanh nấm và đế soupape, không gian giới hạn giữa nắp cylindre, thân máy và đệm culasse. Ở thời điểm gia tăng áp suất trong quá trình nén, hỗn hợp nhiên liệu-không khí bị đẩy vào các không gian chết. Do tỉ số giữa diện tích bề mặt và thể tích của các không gian chết lớn nên lượng khí dồn vào đ ây được làm mát nhanh chóng. Trong giai đoạn cháy, áp suất tiếp tục tăng và một bộ phận hỗn hợp mới lại được nén vào không gian chết. Khi màng lửa lan đến các khu vực này, nó có thể lan tràn vào bên trong để đốt cháy hỗn hợp này hoặc nó bị tôi ngay trước khi vào trong không gian chết. Khả năng màng lửa bị tôi phụ thuộc vào dạng hình học của lối vào không gian chết, thành phần của hỗn hợp chưa cháy và trạng thái nhiệt động học của nó. Thực nghiệm cho thấy sự tôi màng lửa diễn ra khi khe hở giữa piston và cylindre nhỏ hơn 0,18mm. Sau khi màng lửa đến và Chương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong 50 bị tôi, khí cháy lại chui vào không gian chết cho đến khi áp suất bắt đầu giảm. Khi áp suất trong không gian chết trở nên lớn hơn áp suất trong cylindre, bộ phận khí chứa trong các không gian này quay trở ngược lại cylindre. Hình 4.15 thể hiện những không gian chết quan trọng nhất, đó là thể tích bao gồm giữa piston, segment và thành cylindre. Nó bao gồm một loạt các thể tích nối liền nhau bởi những khe hẹp như khe hở segment, không gian giới hạn giữa hai segment liên tiếp Dạng hình học của các không gian chết này thay đổi khi segment dịch chuyển trong rãnh để che kín mặt trên hay mặt dưới rãnh segment. Các không gian chết vừa nêu có thể chứa từ 5 đến 10% hỗn hợp trong cylindre và bộ phận hỗn hợp này không cháy được trong quá trình cháy chính. Trong giai đoạn giãn nở, khi quay ngược lại cylindre, một bộ phận HC chứa trong không gian chết bị oxy hóa, phần còn lại (hơn 50%) thoát ra ngoài theo khí xả. Thực nghiệm cho thấy hơn 80% HC chứa trong sản phẩm cháy do các không gian chết của nhóm piston-segment-cylindre gây ra; 13% lượng HC do không gian chết của đệm culasse 2% do không gian chết của bougie. Giảm khoảng cách giữa segment thứ nhất so với đỉnh piston có thể làm giảm nồng độ HC từ 47 đến 74% so với giá trị bình thường tùy theo điều kiện làm việc của động cơ. Vị trí của nến đánh lửa cũng ảnh hưởng đến mức độ phát sinh HC; nếu nến đánh lửa đặt gần các không gian chết thì trong không gian đó có chứa một bộ phận sản phẩm cháy; ngược lại, nếu nến đánh lửa đặt xa thì không gian chết chứa chủ yếu hỗn hợp khí chưa cháy. Trong nhiều trường hợp, sự chênh lệch nồng độ HC có thể đạt đến 20%. Lọt khí carter là lượng khí lọt từ cylindre xuống carter trong quá trình nén và cháy do sự không kín khít của segment. Lọt khí carter cũng là nguồn phát sinh HC nếu nó được thải trực tiếp ra khí quyển. Ngày nay, ở hầu hết động cơ ô tô, lượng khí này được dẫn vào đường nạp để tăng tính kinh tế và giảm mức độ phát sinh HC. Để lượng hỗn hợp chưa cháy chứa trong các không gian chết không quay ngược lại buồng cháy, trong một số trường hợp người ta có thể giảm độ kín khít của segment để lượng khí này lọt xuống carter và bị đốt cháy khi quay vào lại cylindre theo đường nạp. Hình 4.15: Nguồn phát sinh HC trong động cơ đánh lửa cưỡng bức Không gian ch ết giữa đế và nấm soupape Không gian ch ết ở chân ren bougie Không gian ch ết ở đệm culasse Không gian ch ết giữa segment và rãnh segment Chương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong 51 Vì vậy, việc thiết kế hợp lí buồng cháy, lựa chọn hợp lí dạng piston, segment, đệm culasse để giảm các không gian chết, lựa chọn vị trí đặt bougie tốt sẽ làm giảm đáng kể nồng độ HC trong khí xả. 4.4.3. Sự hấp thụ và giải phóng HC ở màng dầu bôi trơn Pha dầu bôi trơn vào nhiên liệu, như trường hợp động cơ 2 kì, sẽ làm gia tăng mức độ phát sinh HC. Khi pha thêm 5% dầu bôi trơn vào nhiên liệu thì nồng độ HC trong khí xả có thể tăng gấp đôi hay gấp ba so với trường hợp động cơ làm việc với nhiên nhiên không pha dầu bôi trơn. Cơ chế làm tăng HC khi pha dầu bôi trơn vào nhiên liệu có thể giải thích như sau. Trong giai đoạn nạp, màng dầu bôi trơn được tráng trên mặt gương cylindre ở trạng thái bão hòa hơi hydrocarbon ở áp suất nạp. Khi cháy hết nhiên liệu, sự giải phóng hơi nhiên liệu từ màng dầu bôi trơn vào khí cháy bắt đầu và đồng thời quá trình này tiếp tục trong kì giãn nở và thải. Trong quá trình đó, một bộ phận hơi này sẽ hòa trộn với khí cháy ở nhiệt độ cao và bị oxy hóa; một bộ phận khác hòa trộn với hỗn hợp khí cháy nhiệt độ thấp, không bị oxy hóa, góp phần làm tăng HC. Luợng HC này tăng theo độ hòa tan của nhiên liệu trong dầu bôi trơn. Sự hiện diện của muội than trong buồng cháy cũng ảnh hưởng đến sự phát sinh HC. Thực tế cho thấy HC có khuynh hướng gia tăng theo mức độ tiêu thụ dầu bôi trơn. Vì vậy, lựa chọn dạng segment dầu hợp lý sẽ làm giảm mức độ tiêu thụ dầu bôi trơn đồng thời làm giảm mức độ phát sinh HC. 4.4.4. Ảnh hưởng của chất lượng quá trình cháy Sự dập tắt màng lửa khi nó lan đến gần thành là một trong những nguyên nhân làm gia tăng HC trong khí xả động cơ. Màng lửa có thể bị tắt khi áp suất và nhiệt độ giảm xuống nhanh. Hiện tượng này diễn ra ở chế độ không tải hay tải nhỏ và tốc độ thấp với thành phần khí sót cao. Ngay cả khi động cơ được điều chỉnh tốt ở chế độ làm việc bình thườ ng, sự dập tắt màng lửa cũng diễn ra ở chế độ quá độ (gia tốc hay giảm tốc). 4.4.5. Ảnh hưởng của lớp muội than Sự hình thành lớp muội than (oxyde chì đối với động cơ sử dụng nhiên liệu pha chì hay là lớp than do dầu bôi trơn bị cháy) xuất hiện trong buồng cháy khi ô tô chạy được khoảng vài ngàn cây số, cũng góp phần làm gia tăng HC. Cơ chế làm tăng HC do sự hiện diện của muội than khá phức tạp. Sự hấp thụ và giải phóng HC ở lớp muội than cũng giống như màng dầu. Mặt khác, nếu kích thước ban đầu của các không gian chết hẹp, lớp bồ hóng làm giảm lượng hỗn hợp khí chưa cháy chứa trong các không gian này vì vậy làm giảm HC. Ngược lại, nếu các không gian này nguyên thủy đủ lớn, sự bám bồ hóng làm giảm tiết diện lối vào, tăng khả năng dập tắt màng lửa do đó làm tăng mức độ phát sinh HC. Chương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong 52 4.4.6. Ảnh hưởng của sự oxy hóa HC trong kì giãn nở và thải Lượng hydrocarbure không tham gia vào quá trình cháy chính trong thực tế lớn hơn nhiều so với lượng hydrocarbure đo được trong khí xả động cơ. Thật vậy, sau khi thoát ra khỏi các không gian chết, nhiên liệu chưa cháy khuếch tán vào khối sản phẩm cháy ở nhiệt độ cao và tại đây chúng bị oxy hóa một cách nhanh chóng. Sự oxy hóa này càng thuận lợi khi lượng oxy trong sản vật cháy càng nhiều (hỗn hợp nghèo). Hydrocarbure ở thể khí bị oxy hóa khi nó tồn tại trong môi trường có nhiệt độ khoảng 600°C (nhiệt độ thông thường của nấm soupape xả) ít nhất là 50ms. Lượng HC thải ra bao gồm nhiên liệu chưa cháy hết và các sản phẩm cháy không hoàn toàn. Mặt khác, quá trình oxy hóa cũng tiếp tục diễn ra trên đường xả làm giảm thêm nồng độ HC sau khi chúng thoát ra khỏi buồng cháy. Vì vậy những điều kiện vận hành của động cơ làm gia tăng nhiệt độ khí xả (hỗn hợp có độ đậm đặc xấp xỉ 1, động cơ làm việc với tốc độ cao, đánh lửa muộn, tỉ số nén cao ) và thời gian tồn tại của hỗn hợp trong buồng cháy dài (tải thấp) sẽ làm gia tăng tỉ lệ HC bị oxy hóa. Giảm góc đánh lửa sớm làm tăng nhiệt độ hỗn hợp khí ở cuối quá trình giãn nở tạo điều kiện thuận lợi cho việc oxy hóa HC trên đường thải. Về mặt kỹ thuật, để tăng khả năng oxy hóa HC trên đường thải cần làm giảm tổn thất nhiệt ở soupape và cổ góp bằng cách gia tăng tiết diện lưu thông và cách nhiệt đoạn đầu đường thải, chẳng hạn như phủ một lớp vật liệu gốm trên thành ống. 4.5. Trường hợp động cơ Diesel 4.5.1. Đặc điểm phát sinh HC trong quá trình cháy động cơ Diesel Do nguyên lí làm việc của động cơ Diesel, thời gian lưu lại của nhiên liệu trong buồng cháy ngắn hơn trong động cơ đánh lửa cưỡng bức nên thời gian dành cho việc hình thành sản phẩm cháy không hoàn toàn cũng rút ngắn làm giảm thành phần hydrocarbure cháy không hoàn toàn trong khí xả. Do nhiên liệu Diesel chứa hydrocarbure có điểm sôi cao, nghĩa là khối lượng phân tử cao, sự phân hủy nhiệt diễn ra ngay từ lúc phun nhiên liệu. Điều này là tăng tính phức tạp của thành phần hydrocarbure cháy không hoàn toàn trong khí xả. Quá trình cháy trong động cơ Diesel là một quá trình phức tạp, trong quá trình đó diễn ra đồng thời sự bay hơi nhiên liệu và hòa trộn nhiên liệu với không khí và sản phẩm cháy. Khi độ đậm đặc trung bình của hỗn hợp quá lớn hoặc quá bé đều làm giảm khả năng tự cháy và lan tràn màng lửa. Trong trường hợp đó nhiên liệu sẽ được tiêu thụ từng phần trong những phản ứng oxy hóa diễn ra chậm ở giai đoạn giãn nở sau khi hòa trộn thêm không khí. Chúng ta có thể chia ra hai khu vực đối với bộ phận nhiên liệu được phun vào buồng cháy trong giai đoạn cháy trễ: khu vực hỗn hợp quá nghèo do pha trộn với không khí quá nhanh và khu vực hỗn hợp quá giàu do pha trộn với không khí quá chậm. Trong trường hợp đó, chủ yếu là khu vực hỗn hợp quá nghèo diễn ra sự cháy không hoàn toàn Chương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong 53 còn khu vực hỗn hợp quá giàu sẽ tiếp tục cháy khi hòa trộn thêm không khí. Đối với bộ phận nhiên liệu phun sau giai đoạn cháy trễ, sự oxy hóa nhiên liệu hay các sản phẩm phân hủy nhiệt diễn ra nhanh chóng khi chúng dịch chuyển trong khối khí ở nhiệt độ cao. Tuy nhiên sự hòa trộn không đồng đều có thể làm cho hỗn hợp quá giàu cục bộ hay dẫn đến sự làm mát đột ngột làm tắt màng lửa, sinh ra các sản phẩm cháy không hoàn toàn trong khí xả . Mức độ phát sinh HC trong động cơ Diesel phụ thuộc nhiều vào điều kiện vận hành; ở chế độ không tải hay tải thấp, nồng độ HC cao hơn ở chế độ đầy tải. Thêm vào đó, khi thay đổi tải đột ngột có thể gây ra sự thay đổi mạnh các điều kiện cháy dẫn đến sự gia tăng HC do những chu trình bỏ lửa. Cuối cùng, khác với động cơ đánh lửa cưỡng bức, không gian chết trong động cơ Diesel không gây ảnh hưởng quan trọng đến nồng độ HC trong khí xả vì trong quá trình nén và giai đoạn đầu của quá trình cháy, các không gian chết chỉ chứa không khí và khí sót. Ảnh hưởng của lớp dầu bôi trơn trên mặt gương cylindre, ảnh hưởng của lớp muội than trên thành buồng cháy cũng như ảnh hưởng của sự tôi màng lửa đối với sự hình thành HC trong động cơ Diesel cũng không đáng kể so với trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức. 4.5.2. Phát sinh HC trong trường hợp hỗn hợp quá nghèo Sự phân bố không đồng đều nhiên liệu trong cylindre ngay lúc bắt đầu phun được giới thiệu trên hình 4.16. Trong dòng xoáy lốc, sự tự cháy diễn ra trong khu vực có độ đậm đặc hơi thấp hơn 1. Bộ phận nhiên liệu ở ngoài rìa tia nằm ngoài giới hạn dưới của sự tự bén lửa do đó chúng không thể tự cháy cũng không thể duy trì màng lửa. Khu vực đó chỉ có thể là vị trí sản sinh các phản ứng chậm dẫn đến sản phẩm cháy không hoàn toàn. Do đó trong vùng này có mặt nhiên liệu chưa cháy hết, những sản vật phân giải từ nhiên liệu, những sản phẩm oxy hóa cục bộ (CO, aldehyde và những oxyde khác) và một bộ phận của những sản phẩm này có mặt trong khí xả. Tầm quan trọng của những hydrocarbure chưa cháy từ những khu vực nghèo này phụ thuộc vào lượng nhiên liệu phun vào động cơ trong thời kì cháy trễ, phụ thuộc vào tỉ lệ không khí kéo theo vào tia trong giai đoạn này và những điều kiện lí hóa ảnh hưởng đến sự tự cháy trong cylindre. Vòi phun Không khí xoáy lốc Giới hạn tia nhiên liệu Đi ể m đánh lửa HC trong vùng hỗn hợp quá nghèo f >1 f = 0 f = f L f =1 Chương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong 54 Hình 4.16: Phân bố độ đậm đặc trong tia phun Diesel Vì vậy nồng độ HC trong khí xả và độ dài của giai đoạn cháy trễ có quan hệ mật thiết với nhau, hay nói cách khác mức độ phát sinh HC có liên quan đến chỉ số cetane của nhiên liệu. Những thay đổi điều kiện vận hành của động cơ làm kéo dài thời kì cháy trễ sẽ làm gia tăng nồng độ HC. 4.5.3. Phát sinh HC trong trường hợp hỗn hợp quá giàu Có hai nguyên nhân dẫn đến sự phát sinh HC do hỗn hợp quá giàu. Nguyên nhân thứ nhất do nhiên liệu rời khỏi vòi phun với tốc độ thấp và thời gian phun kéo dài. Nguồn phát sinh HC chính trong trường hợp này là không gian chết ở mũi vòi phun và sự phun rớt do sự đóng kim phun không dứt khoát. Nguyên nhân thứ hai là do sự thừa nhiên liệu trong buồng cháy do hỗn hợp quá đậm. Vào cuối giai đoạn phun, lỗ phun (không gian chết) ở mũi vòi phun chứa đầy nhiên liệu. Trong giai đoạn cháy và giãn nở , nhiên liệu được sấy nóng và một bộ phận bốc hơi thoát ra khỏi lỗ phun (ở pha lỏng và hơi) và đi vào cylindre với tốc độ thấp và hòa trộn chậm với không khí, do đó chúng không bị đốt cháy trong giai đoạn cháy chính. Ở động cơ phun trực tiếp, thời gian của giai đoạn cháy trễ bé, mức độ phát sinh HC tỉ lệ với thể tích không gian chết ở mũi vòi phun. Tuy nhiên, không phải toàn bộ thể tích nhiên liệu chứa trong không gian chết đều có mặt trong khí xả. Ví dụ 1mm 3 không gian chết trong buồng cháy động cơ phát sinh khoảng 350ppmC trong khí xả, trong khi đó 1mm 3 nhiên liệu cho 1660ppmC. Sự chênh lệch này là do một bộ phận hydrocarbure nặng tiếp tục lưu lại trong vòi phun và một bộ phận hydrocarbure nhẹ bị oxy hóa khi thoát ra khỏi không gian chết. Trong động cơ có buồng cháy dự bị cơ chế này cũng diễn ra tương tự nhưng với mức độ thấp hơn. Ở động cơ phun trực tiếp, hiện tượng nhả khói đen làm giới hạn khả năng tăng độ đậm đặc trung bình của hỗn hợp ở chế độ toàn tải. Ở chế độ tải thấp, tốc độ phun bé và lượng nhiên liệu phun vào nhỏ, do đó động lượng của tia phun bé làm giảm lượng không khí kéo theo vào tia nên độ đậm đặc cục bộ rất cao. Trong điều kiện quá độ khi gia tốc, hỗn hợp trong buồng cháy có thể rất đậm đặc. Trong trường hợp đó, dù tỉ lệ nhiên liệu- không khí tổng quát trong toàn buồng cháy thấp nhưng độ đậm đặc cục bộ rất cao trong giai đoạn giãn nở và thải. Khi độ đậm đặc cục bộ vượt quá 0,9 thì nồng độ HC sẽ gia tăng đột ngột. Ảnh hưởng tương tự như vậy cũng diễn ra trong động cơ có buồng cháy dự bị. Tuy nhiên cơ chế này chỉ gây ảnh hưởng đến nồng độ HC khi gia tốc và nó gây ảnh hưởng đến nồng độ HC ít hơn khi hỗn hợp nghèo ở chế độ không tải hay tải thấp. 4.5.4. Phát sinh HC do tôi ngọn lửa và hỗn hợp không tự bốc cháy Như động cơ đánh lửa cưỡng bức, sự tôi ngọn lửa diễn ra gần thành và đó chính là nguồn phát sinh HC. Hiện tượng này phụ thuộc đặc biệt vào khu vực va chạm giữa tia Chương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong 55 nhiên liệu và thành buồng cháy. Sự bỏ lửa dẫn đến sự gia tăng mạnh nồng độ HC hiếm khi xảy ra đối với động cơ làm việc bình thường. Nó chỉ diễn ra khi động cơ có tỉ số nén thấp và phun trễ. Mặt khác, sự bỏ lửa cũng xảy ra khi khởi động động cơ Diesel ở trạng thái nguội với sự hình thành khói trắng (chủ yếu là do những hạt nhiên liệu không cháy tạo thành). 4.6. Trường hợp động cơ hai kì đánh lửa cưỡng bức Mặc dù người ta đã nghiên cứu sử dụng nhiều kết cấu của hệ thống quét thải nhằm hạn chế sự hòa trộn giữa khí cháy và khí chưa cháy, đặc biệt đối với động cơ hai kỳ dùng bộ chế hòa khí, nhưng vẫn có một bộ phận khí nạp mới thoát ra đường xả làm tăng nồng độ HC, đồng thời làm giảm công suất và tăng suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ. Mặt khác, khi làm việc ở tải cục bộ, loại động cơ này dễ bỏ lửa làm tăng HC. Hiện nay có nhiều giải pháp nhằm khắc phục nhược điểm trên của động cơ 2 kỳ trong đó có hai giải pháp hữu hiệu nhất. Giải pháp thứ nhất là tạo hỗn hợp không đồng đều trong không gian buồng cháy sao cho chỉ có bộ phận hỗn hợp nghèo bị thất thoát ra đường thải. Giải pháp thứ hai là phun nhiên liệu vào buồng cháy một khi cửa thải đã đóng. Trong trường hợp phun nhiên liệu, năng lượng cần thiết để dẫn động bơm phun nhiên liệu thường được trích ra từ động cơ do đó công suất động cơ bị giảm đi một ít. Mặt khác, so với động cơ 4 kì, thời gian dành cho quá trình nén rất ngắn (sau khi đóng cửa nạp và cửa thải) do đó phải phun nhiên liệu thật nhanh với tốc độ phun lớn khiến một bộ phận nhiên liệu bám lên thành cylindre làm tăng mức độ phát sinh HC trong khí xả. Một giải pháp có nhiều triển vọng hơn là phun nhiên liệu bằng khí nén trích từ buồng cháy động cơ. Lượng không khí này được nạp vào buồng nén trong kì nạp và nén của động cơ và được nén mạnh trong giai đoạn cháy và giãn nở. 57 Chương 5 CƠ CHẾ HÌNH THÀNH B Ồ HÓNG TRONG QUÁ TRÌNH CHÁY C Ủ A 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/m 3 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 chứ c tốt quá trình cháy trong động cơ Diesel [...]... hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel 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. .. các hạt khác như SO2, NO2, SO4 Những hạt này còn được gọi là thành phần hữu cơ hòa tan SOF 63 Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel (Soluble Organic Fraction) Trong khí xả động cơ Diesel thành phần SOF có thể chiếm từ 5 %-8 0% Hình 5.9: Cấu trúc chuỗi bồ hóng Hình 5.10: Dạng những hạt sơ cấp c 0 .33 5nm 0.67nm b a Hình 5.11: Mô hình cấu trúc dạng hạt sơ cấp Hình 5.12:... 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... 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. .. 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... 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 62 Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động. .. 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...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... 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. .. 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 . 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, NO x , H n C m , SO x còn có các hạt rắn tồn tại 3 dạng sau: các hạt. nhiên liệu chứa trong không gian chết đều có mặt trong khí xả. Ví dụ 1mm 3 không gian chết trong buồng cháy động cơ phát sinh khoảng 35 0ppmC trong khí xả, trong khi đó 1mm 3 nhiên liệu cho. gọi là thành phần hữu cơ hòa tan SOF Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel 64 (Soluble Organic Fraction). Trong khí xả động cơ Diesel thành phần SOF có

Ngày đăng: 12/07/2014, 16:21

Từ khóa liên quan

Tài liệu cùng người dùng

Tài liệu liên quan