intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Môi Trường - Khí Thải Động Cơ Đốt Trong phần 4

Chia sẻ: Dqwdwegrth Vdhrdthergw | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:17

Thêm vào BST
Báo xấu
185
lượt xem 47
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel theo các phiến lục giác phẳng cách nhau 0,34-0,36nm (chỉ lớn hơn một chút so với graphit: 0,33nm).

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Môi Trường - Khí Thải Động Cơ Đốt Trong phần 4

  1. Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel 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. 5.4. Tình hình nghiên cứu và các quy định về nồng độ bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel hiện nay 5.4.1. Tình hình nghiên cứu bồ hóng Nghiên cứu bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel hiện nay tập trung vào các hướng chính sau đây: 1- Nghiên cứu sự hình thành bồ hóng bên trong buồng cháy động cơ Trên cơ sở hiểu biết tường tận quá trình hình thành bồ hóng chúng ta có thể nghiên cứu tổ chức quá trình cháy, xác định chế độ làm việc tối ưu của động cơ cũng như xác định chất lượng nhiên liệu và các chất phụ gia chống ô nhiễm để đảm bảo cháy sạch nhiên liệu, làm giảm nồng độ bồ hóng trong sản phẩm cháy. Việc nghiên cứu quá trình tạo bồ hóng trong động cơ thường xuất phát từ các mô hình ngọn lửa khuếch tán bên ngoài động cơ. Theo hướng này có rất nhiều công trình nghiên cứu về mô hình hóa quá trình cháy và tạo bồ hóng trong các ngọn lửa khuếch tán một pha và hai pha. Đặc biệt, sự phát triển đồng dạng toán học về quá trình cháy đã cho phép thiết lập mô hình tổng quát cho nhiều hệ thống cháy khác nhau để từ đó có thể mô hình hóa quá trình tạo bồ hóng bên trong buồng cháy động cơ Diesel. Tesner và Magnussen đã đưa ra mô hình tạo bồ hóng hai giai đoạn. Các mô hình tạo bồ hóng khác cũng đã được tổng kết trong các tài liệu của Morel, Kenedy, Lee... Tính đúng đắn của mô hình của Morel và của Tesner-Magnussen đã được Bùi Văn Ga kiểm nghiệm trên các ngọn lửa rối và khuếch tán một pha và hai pha. Đối với động cơ Diesel, mô hình nhiều khu vực ("multi-zone") dựa trên quy luật thực nghiệm của khí kéo theo vào tia nhiên liệu và sự phân bố nhiên liệu trong tia để tính toán nhiệt độ trung bình trong mỗi khu vực và từ đó tính toán quá trình cháy và tạo bồ hóng trong động cơ Diesel đã cho phép xây dựng các phần mềm đa phương chạy trên các máy tính mini như KIVA2, KIVA3 và TURBO-KIVA. 2- Nghiên cứu xử lý bồ hóng trên đường xả động cơ Hướng nghiên cứu này chủ yếu tập trung hoàn thiện 2 giải pháp: - Xử lý bồ hóng bằng kỹ thuật lọc và tái sinh lọc - Xử lý bồ hóng bằng bộ xúc tác oxy hóa 65
  2. Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel Trong chương 7 chúng ta sẽ nghiên cứu các giải pháp này. Tuy các nhà khoa học và công nghệ đã có nhiều cải tiến và hoàn thiện các bộ lọc nhưng cho đến nay vẫn chưa có được một giải pháp tối ưu nào tỏ ra hữu hiệu cho vấn đề xử lý bồ hóng trên đường xả. 5.4.2. Các quy định về nồng độ bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel Hiện nay, quy trình kiểm tra tiêu chuẩn của mỗi nước phụ thuộc vào chế độ vận hành của ô tô ở một thành phố mà nước đó chọn làm tiêu biểu. Các nước đang phát triển thường chọn chế độ thử của những nước công nghiệp phát triển để áp dụng ở nước mình vớI một ít điều chỉnh cho phù hợp với tình hình thực tế. Từ năm 1970, các nước trên thế giới đã thiết lập tiêu chuẩn độ khói cho các loại xe tải và xe bus Diesel như các hình 5.13 (Cộng đồng Châu Âu, loại xe có trọng lượng toàn bộ trên 3500kg), hình 5.14 (Mĩ, loại xe có trọng lượng toàn bộ trên 3850kg) và hình 5.15 (Nhật, loại xe có trọng lượng toàn bộ trên 2500kg). Ở Việt Nam, Nhà Nước đã ban hành các tiêu chuẩn TCVN 5418-91 và TCVN 6438-98 về độ khói trong khí xả động cơ Diesel (xem chương 2). 5.5. Cơ chế tạo bồ hóng trong buồng cháy động cơ Diesel Các nghiên cứu cơ bản về quá trình hình thành bồ hóng trong các ngọn lửa và trong buồng cháy động cơ Diesel đã được đề cập nhiều trong các tài liệu gần đây với 5 cơ chế hình thành hạt bồ hóng điển hình: 1. Polyme hóa qua acétylène và polyacétylène 2. Khởi tạo các hydrocarbure thơm đa nhân (HAP) 3. Ngưng tụ và graphit hóa các cấu trúc HAP 4. Tạo hạt qua các tác nhân ion hóa và hợp thành các phân tử nặng 5. Tạo hạt qua các tác nhân trung tính và phát triển bề mặt hợp thành các thành phần nặng. 1 g/ h) ñ ¶ khói( H P/ 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1970 1974 1978 1982 1986 1990 1994 1998 2002 Næm dÜÖng lch Î 66
  3. Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel Hình 5.13: Tiêu chuẩn châu Âu về độ khói của ô tô Diesel ở các mốc thời gian khác nhau 1 g/ h) 0.8 ñ ¶ khói( H P/ 0.6 0.4 0.2 0 1970 1974 1978 1982 1986 1990 1994 1998 2002 Næm dÜÖng lch Î Hình 5.14: Tiêu chuẩn của Mĩ về độ khói của ô tô Diesel ở các mốc thời gian khác nhau 1 g/ h) 0.8 ñ ¶ khói( H P/ 0.6 0.4 0.2 0 1970 1974 1978 1982 1986 1990 1994 1998 2002 Næm dÜÖng lch Î Hình 5.15: Tiêu chuẩn Nhật Bản về độ khói của ô tô Diesel ở các mốc thời gian khác nhau Hiện nay người ta thường mô tả sự hình thành bồ hóng qua 4 giai đoạn được tóm tắt trên hình 5.16. Nhiên liệu+Không khí Tạo hạt nhân Phân hủy nhiệt Các hạt cơ bản Axêtylen Phát triển bề m ặt Oxy hóa các hạt c ơ bản Các hạt bồ hóng ban đầu Oxy hóa Phát triển bề mặt các hạt bồ hóng ban đầu 67 Các hạt bồ hóng Hợp dính Ngưng tụ Phát triển bề mặt Liên kết hạt Oxy hóa
  4. Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel Hình 5.16: Quá trình tạo bồ hóng trong động cơ Diesel 5.5.1. Hình thành hạt bồ hóng Vật chất của pha ngưng tụ đầu tiên phát triển từ những phân tử nhiên liệu thông qua các sản phẩm của sự oxy hóa hoặc các sản phẩm phân hủy nhiệt (pyrolyse). Những sản phẩn này gồm những hydrocarbure không bão hòa khác nhau, đặc biệt là acétylène và các đồng vị bậc cao của nó, và những HAP. Hai dạng phần tử này được coi như là nhân tố chính trong sự hình thành bồ hóng. Phản ứng ngưng tụ của những phân tử thể khí dẫn đến sự hình thành các hạt nhân bồ hóng đầu tiên có đường kính rất bé (d
  5. Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel Aromatics Các phản ứng ngưng tụ Trực tiếp ( h h) Bồ hóng CHx Gián tiếp (chậm) Các phản ứng Bồ hóng C2Hx phân nhánh C3Hx Hình 5.17b: Mô hình cơ chế tạo hạt bồ hóng từ aromatics và aliphatics Aliphatic 69
  6. Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel 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 (
  7. Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel 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 s ự o xy hóa b ồ h óng b ở i g ố c OH quan tr ọ ng h ơ n so v ớ i s ự o xy hóa c ủ a 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 liệu 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. < Yi > ) & = mi' + Yi,o . m'o (5.1) & & dx Trong trường hợp môi trường bên ngoài không chứa bồ hóng, Yio = 0. Do vậy ta có: d ( m. < Yi >) & = m 'i (5.2) & dx 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: m'i = R i .π . R 2 (5.3) & max 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. 71
  8. Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel 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: R n, f = n o + ( f b − g)n − g o nN (hạt/m3/s) (5.4) trong đó: no : Tốc độ sản sinh hạt cơ sở ban đầu: ⎛ E⎞ (hạt/m3/s) n o = a o c f exp⎜ − ⎟ (5.5) ⎝ RT ⎠ ao : Hằng số Nồng độ nhiên liệu (kg/m3). cf : E : Năng lượng kích hoạt R : Hằng số khí vạn năng T : Nhiệt độ tuyệt đối của khí fb : Hệ số tăng nhánh tuyến tính g : Hệ số đứt nhánh tuyến tính go : Hệ số đứt nhánh của hạt bồ hóng Nồng độ hạt cơ sở (hạt/m3) n : Nồng độ hạt bồ hóng (hạt/m3) N : Tốc độ sản sinh bồ hóng được viết như sau: R s, f = m p ( a − bN ) n ( kg / m 3 / s) (5.6) Với mp : 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 = Kφf3 p f exp( − 20000 / T) (5.7) 72
  9. Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel ff : Độ đậm đặc của nhiên liệu trong vùng hình thành bồ hóng pf : 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 exp( − 10000 / Tb ) (5.8) P : Áp suất khí Tb : Nhiệt độ khí cháy K : Hằng số tỉ lệ - Mô hình Morel: exp( − A 2 / Tf ) R s,f = A 1R f (5.9) 1 + 4,76Yo2 A1, A2 : Các hằng số Rf : Tốc độ cháy của nhiên liệu Tf : Nhiệt độ ngọn lửa YO2 : 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 Rs,c được viết như sau: ⎛ k A Po 2 χ ⎞ 720. c s ⎜ + k B Po 2 (1 − χ )⎟ (kgm-3s-1) R s, c = (5.10) ⎜ 1+ k P ⎟ ρsd s ⎝ ⎠ z o2 trong đó các hằng số được xác định như sau: 73
  10. Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel ⎧ k A = 20 exp( −15100 / T) ⎪ ⎪ ⎪k B = 4,4610 − 3 exp( −7640 / T) . ⎪ ⎨ (5.11) ⎪ .5 ⎪ k T = 1,5110 exp( −48800 / T) ⎪ ⎪ k = 21,3 exp( 2060 / T) ⎩Z PO2 là áp suất riêng của oxy tính bằng atm 1 χ= (5.12) k 1 + T Po 2 kB Ngoài ra, còn có nhiều mô hình tính toán tốc độ oxy hóa bồ hóng như: - Mô hình Lee: cs (kgm-3s-1) R s,c = 6 , 51.105 . Po2 . T −1/ 2 exp( −19800 / T ). (5.13) ρsd s - Mô hình Magnussen: 1, 83.108 . P 2 o2 exp( −29000 / T ) c (kgm-3s-1) R s, c = .s (5.14) 1 + 3,10.10 . P o 2 exp( −29300 / T ) ρ s d s 10 2 - Mô hình Jones: (kgm-3s-1) R s,c = PO/24 . PH/22O . T −1/ 2 exp( −19000 / T) 1 1 (5.15) - Mô hình Hiroyasu và Kadota: 6c s (kgm-3s-1) R s, c = PO2 .exp( −20000 / T ) (5.16) ρsd s - Mô hình Morel: cs (kgm-3s-1) R s,c = B1 exp( − B 2 / Tf ). PO/22 1 (5.17) ρsd s B1, B2 : Các hằng số - Mô hình "eddy-dissipation" của Magnussen: 74
  11. Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel 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: ⎛ ε⎞ (kgm-3s-1) R s ,c = A . c s ⎜ ⎟ (5.18) ⎝ k⎠ trong đó : A : Hằng số Nồng độ bồ hóng ( kg/m3) cs : Động năng rối (m2/s2) k : Tốc độ tiêu tán động năng rối (m2/s2) e : 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: c o2 ⎛ ε ⎞ ⎛ ⎞ c s rs (kgm-3s-1) R s ,c = A . (5.19) ⎜ ⎟⎜ ⎟ rs ⎝ k ⎠ ⎝ c s rs + c f rf ⎠ rs, rf 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; cO2 là nồng độ oxygène (kg/m3). 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: (kgm-3s-1) Rs = Rs,f - Rs,c (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 αi. 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 bản chất của quá trình lí hóa hình thành bồ hóng trong ngọn lửa khuếch tán nhất. Mô hình nhiệt động Quy luật học trong cylindre phun nhiên liệu 75 Điều kiện ban đầu ở góc quay trục khuỷu αi
  12. Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel 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 được 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. fvL.108 Thực nghiệm n=1000 v/ph pa=1,333 bar 76 Tính toán
  13. Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel 1000 v/ph 40 pa=1.333bar 35 30 N °ng Ƕ t tch bÒ hóng FvL FvL[m]*E+8_Thí nghiêm 25 FvL[m]*E+8_Tính toán 20 h‹ í 15 10 5 0 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 G óc quay t øc khu›u ( r Ƕ) Hình 5.19: So sánh biến thiên nồng độ bồ hóng theo mô hình và thực nghiệm (động cơ transparent Lombardini LDA-100) 77
  14. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG Chương 6 ĐẾN NỒNG ĐỘ CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG KHÍ XẢ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 6.1. Giới thiệu Nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả phụ thuộc vào đặc điểm động cơ cũng như các thông số điều chỉnh, vận hành. Về đặc điểm, động cơ 2 kì cổ điển nói chung có mức độ phát ô nhiễm cao hơn động cơ 4 kì do quá trình tạo hỗn hợp không hoàn thiện. Tuy nhiên, động cơ 2 kì hiện đại phun nhiên liệu trực tiếp trong buồng cháy đang được nghiên cứu phát triển sẽ khắc phục được nhược điểm này và trở thành loại động cơ có nhiều triển vọng trong tương lai. Động cơ Diesel có hiệu suất cao hơn động cơ đánh lửa cưỡng bức nhưng do quá trình cháy khuếch tán và làm việc với hệ số dư lượng không khí cao, trong sản phẩm cháy có chứa bồ hóng và NOx, những chất ô nhiễm mà việc xử lí nó trên đường xả ngày nay vẫn còn nhiều vướng mắc về mặt kĩ thuật. Động cơ sử dụng nhiên liệu khí bắt đầu phát triển từ những năm đầu của thập niên 1990 có rất nhiều ưu điểm về mặt phát sinh ô nhiễm. Thực nghiệm đo được trên những động cơ này cho thấy động cơ sử dụng khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) hay khí thiên nhiên (NGV) thỏa mãn dễ dàng các tiêu chuẩn ô nhiễm môi trường khắt khe nhất hiện nay (tiêu chuẩn ULEV chẳng hạn). Tuy nhiên sự phát triển chủng loại động cơ này phụ thuộc nhiều điều kiện, đặc biệt là điều kiện cơ sở hạ tầng phục vụ cho việc cung cấp nhiên liệu khí. Mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ cũng phụ thuộc đáng kể vào điều kiện vận hành. Việc điều chỉnh không phù hợp các thông số công tác cũng như việc lựa chọn chế độ làm việc không hợp lí dẫn đến sự gia tăng đáng kể nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả. Luật môi trường ngày càng trở nên khắt khe buộc người ta phải áp dụng các biện pháp xử lí khí xả sau khi thoát ra khỏi động cơ bằng bộ xúc tác. Tuy nhiên tỉ lệ biến đổi các chất ô nhiễm của ống xả xúc tác chỉ đạt được giá trị yêu cầu khi nhiệt độ khí xả đạt được giá trị nhất định. Vì vậy cần phải làm giảm nồng độ các chất ô nhiễm đến mức thấp nhất trước khi xử lí ở bộ xúc tác. Tất cả những điều chỉnh hay thay đổi kết cấu bên trong động cơ đều gây ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm. 6.2. Trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức 78
  15. Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 6.2.1. Động cơ hai kì Mặc dù có nhiều cải tiến về kết cấu nhằm hạn chế sự hòa trộn giữa khí cháy và khí chưa cháy, đặc biệt đối với động cơ dùng bộ chế hòa khí, nhưng vẫn không tránh khỏi sự thất thoát một bộ phận khí mới làm tăng sự phát sinh HC và làm giảm tính năng kinh tế kĩ thuật của động cơ hai kì. Thêm vào đó, khi làm việc ở tải cục bộ, dạng động cơ này dễ bỏ lửa làm tăng HC. Một trong các giải pháp làm giảm tổn thất nhiên liệu trong quá trình quét khí là làm thay đổi sự phân bố độ đậm đặc của hỗn hợp nhiên liệu không khí trong xy lanh sao cho chỉ có hỗn hợp nghèo mới thoát ra đường thải. Một giải pháp khác có hiệu quả hơn là phun nhiên liệu vào buồng cháy một khi cửa thải đã đóng. Tuy nhiên với giải pháp này người ta phải dùng một bơm do động cơ dẫn động do đó nó làm giảm đi một ít công suất có ích của động cơ. Mặt khác, so với động cơ 4 kì, thời gian cuối của quá trình nén (sau khi đóng cửa nạp và cửa thải) rất ngắn đòi hỏi phải phun nhiên liệu với tốc độ lớn, do đó một bộ phận nhiên liệu bám lên thành buồng cháy làm tăng nồng độ HC trong khí xả. Một giải pháp tiết kiệm hơn là phun nhiên liệu bằng không khí ở áp suất cao trích ra trong giai đoạn nén. Để tránh hiện tượng bám nhiên liệu trên thành, người ta dùng một vòi phun áp suất thấp được đặt trong một buồng cháy dự bị trước xúpáp nạp phun trực tiếp trước một hỗn hợp rất đậm với tốc độ tương đối thấp. Kĩ thuật quét khí cháy bằng không khí cho phép hạn chế tối đa sự phát thải HC trong khí xả. Kĩ thuật này cho phép giảm được từ 80% đến 90% nồng độ HC so với giá trị thông thường đối với động cơ hai kì cổ điển. Nồng độ NOx trong khí xả của động cơ hai kì hiện đại cao hơn một chút so với động cơ 2 kì cổ điển do hiệu suất cháy cao hơn và làm việc với hỗn hợp nghèo hơn. 6.2.2. Động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo Động cơ đánh lửa cưỡng bức làm việc với hỗn hợp nghèo đã được nghiên cứu từ lâu nhằm giảm suất tiêu hao nhiên liệu dẫn đến giảm nồng độ CO2, chất 'ô nhiễm' được quan tâm nhiều trong những năm gần đây vì nó là chất khí gây hiệu ứng nhà kính. Khi động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo (hệ số dư lượng không khí a >1,25), nồng độ các chất ô nhiễm chính (CO, HC, NOx) đều giảm. Khi hệ số dư lượng không khí thay đổi từ a=1,0 đến a=1,4, suất tiêu hao nhiên liệu giảm đi 7%, nồng độ NOx có thể giảm đến 85% so với động cơ làm việc với hỗn hợp có a=1 nếu kết hợp với việc giảm một cách hợp lí góc đánh lửa sớm. Tuy nhiên ưu điểm này chỉ có được trong điều kiện hỗn hợp gần nến đánh lửa có thể bốc cháy và sự lan tràn màng lửa diễn ra một cách bình thường. Điều này đòi hỏi việc tổ chức tốt quá trình cháy cũng như phân bố hợp lí độ đậm đặc của hỗn hợp trong buồng cháy. Khi gia tăng hệ số dư lượng không khí hay làm bẩn hỗn hợp bằng khí xả hồi lưu vượt quá một giới hạn cho phép sẽ dẫn đến: 79
  16. Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong - giảm tốc độ cháy, điểm cực đại của áp suất sẽ lệch về phía giai đoạn giãn nở dù đánh lửa sớm hơn - momen phát ra không đều dẫn tới sự làm việc không ổn định - thường xuyên bỏ lửa - gia tăng mức độ phát sinh HC - gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu do tốc độ cháy giảm Những giải pháp cho phép động cơ hoạt động gần giới hạn nghèo của hỗn hợp có thể chia làm ba loại: - Các giải pháp tác động trước khi hỗn hợp vào cylindre: chuẩn bị và định lượng hỗn hợp nhiên liệu (chế hòa khí hay phun), hệ thống điều chỉnh hỗn hợp, thiết kế hợp lí đường nạp - Các biện pháp tác động bên trong động cơ: hình dạng buồng cháy, bố trí soupape và nến đánh lửa - Các biện pháp tác động trên đường thải: thiết kế đường thải, trang bị bộ xúc tác oxy hóa để hạn chế CO và HC Để động cơ có thể làm việc với hỗn hợp nghèo người ta áp dụng giải pháp nạp phân lớp hỗn hợp nhiên liệu-không khí vào xy lanh động cơ sao cho ở gần điểm đánh lửa, độ đậm đặc của hỗn hợp cao hơn giá trị trung bình để có thể bén lửa và bốc cháy. Người ta đã thử nghiệm nhiều hệ thống tạo hỗn hợp phân lớp nhưng hiện nay chỉ có hai dạng được ứng dụng khả quan nhất: hệ thống buồng dự bị (dạng CVCC) và hệ thống phun trực tiếp (dạng PROCO) - Hệ thống Honda CVCC dùng một buồng cháy phụ nhỏ có soupape nạp riêng (hình 6.1). Hỗn hợp giàu được nạp vào buồng cháy phụ còn hỗn hợp rất nghèo được nạp vào buồng cháy chính qua soupape nạp thông thường. Hỗn hợp giàu trong buồng cháy phụ được đốt bằng tia lửa điện. Sản phẩm cháy có nhiệt độ cao thoát ra khỏi buồng cháy phụ và tiếp tục đốt cháy hỗn hợp nghèo trong buồng cháy chính. Hệ thống này làm giảm nhiệt độ cực đại của quá trình cháy, do đó làm giảm NOx, nhưng vẫn đủ cao để oxy hóa HC. Mặt khác, do độ đậm đặc của hỗn hợp thấp nên nồng độ CO trong khí xả cũng giảm. Động cơ làm việc với hệ thống này có suất tiêu hao nhiên liệu riêng thấp, nhưng công suất lít của cylindre cũng giảm. Do đó từ năm 1986 nó không còn được nghiên cứu nữa và thay vào đó, người ta nghiên cứu một hệ thống tương tự trong đó bộ chế hòa khí được thay thế bằng hệ thống phun. Ở hệ thống mới này, vòi phun phun nhiên liệu có áp suất 3,5 MPa tạo nên vùng hỗn hợp giàu gần nến đánh lửa trong buồng cháy phụ có kích thước bé. Hệ thống này làm giảm NOx nhưng làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu. Hỗn hợp giàu Hỗn hợp nghèo Họng0 8 thông Nạp Cháy Nén
  17. Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong Hình 6.1: Sơ đồ động cơ tạo hỗn hợp phân lớp sử dụng buồng cháy phụ - Hệ thống Ford PROCO thực hiện sự phân lớp hỗn hợp bằng cách phun nhiên liệu trực tiếp vào trong buồng cháy (hình 6.2). Hệ thống này không có buồng cháy phụ nhưng sử dụng một buồng cháy khoét lõm trên đỉnh piston. Người ta sử dụng một tia phun có góc phun rất rộng với hỗn hợp giàu được phun vào giữa cylindre bởi một vòi phun có độ xuyên thâu bé. Hỗn hợp này được đốt nhờ tia lửa điện và lan đến hỗn hợp chung quanh nghèo hơn ngay khi piston đi xuống nhờ cường độ xoáy lốc mạnh. Vòi phun Hình 6.2: Sơ đồ động cơ tạo hỗn hợp phân lớp phun trực tiếp PROCO - Hệ thống TEXACO TCCS: Khác với hệ thống PROCO, hệ thống này phun nhiên liệu theo phương tiếp tuyến với buồng cháy và hướng về phía nến đánh lửa và quá trình đánh lửa được kéo dài. Việc điều chỉnh tối ưu thời gian phun và thời điểm đánh lửa cho phép khởi đầu quá trình cháy ở thời điểm mà hỗn hợp giàu đạt đến nến đánh lửa; màng lửa được giữ lại ở đó với điều kiện nhiên liệu được khuếch tán ra không khí chung quanh. Hệ thống này có những nhược điểm giống như động cơ Diesel (hỗn hợp không đồng nhất) và phát sinh nhiều hạt rắn trong khí xả. Giải pháp hạn chế nhược điểm của việc đánh lửa là sử dụng ngọn lửa điện có năng lượng lớn hơn (tăng khoảng cách giữa hai điện cực, kéo dài thời gian đánh lửa), giảm tổn thất nhiệt ở nến đánh lửa (cực đánh lửa nhỏ, giảm đường kính nến đánh lửa từ 14 xuống 10mm) và tăng số điểm đánh lửa. Năng lượng đánh lửa hiện nay (khoảng 10mJ) là đủ để đảm bảo sự hoạt động ổn định và mức độ phát sinh HC bé nhất. Bố trí hai nến đánh lửa 81
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
3=>0