TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC GIAO THOÂNG VAÄN TAÛI TP BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HCM oOo BÙI ĐỨC THẢO NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL[.]
TỔNG QUAN
TỔNG QUAN VỀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL TRUYỀN THỐNG
Các parafin hydro-cacbon thường trải qua phản ứng cháy qua các olefin trung gian như ethylen, dẫn đến sự hình thành aldehyt và các gốc oxy, cũng như các ô xít cacbon (CO), thường chuyển đổi thành CO2 thông qua các gốc OH Đối với hydro-cacbon thơm, CO hình thành sớm hơn so với parafin, và gốc butadien đóng vai trò quan trọng trong quá trình oxy hóa Quá trình này tạo ra các thành phần như vinyl acetylen, butadien và acetylen, là những chất trung gian quan trọng để tạo muội Khi hàm lượng hydro-cacbon thơm trong nhiên liệu diesel cao, sẽ dẫn đến phát thải độc hại nhiều hơn Trong động cơ Diesel thủy, hỗn hợp cháy nhiên liệu - không khí được hình thành nhờ phun nhiên liệu vào điều kiện nhiệt độ và áp suất cao Sản phẩm cháy chủ yếu là nước và CO2, nhưng do nhiên liệu còn chứa các chất khác như lưu huỳnh và vanadi, nên khí thải cũng bao gồm NOx, SOx, HC và CO, góp phần gây hiệu ứng nhà kính và ô nhiễm không khí.
Bảo vệ môi trường và tăng trưởng kinh tế là hai mục tiêu đối lập, nhưng cần phải phát triển kinh tế song song với việc bảo vệ môi trường Để đạt được điều này, cần hiểu rõ cơ chế hình thành phát thải từ quá trình cháy nhiên liệu trong động cơ diesel.
Khí SOx được hình thành chủ yếu từ lưu huỳnh trong nhiên liệu trong quá trình cháy, với hàm lượng phụ thuộc vào đặc tính của mỏ dầu và phương pháp chưng cất SOx bao gồm sáu hợp chất khác nhau, trong đó SO2 và SO3 là hai khí chiếm tỷ lệ lớn nhất và thường được sử dụng để đại diện cho nhóm khí này.
Khí SO2 gây hại nghiêm trọng cho hệ hô hấp và tuần hoàn của con người, đồng thời còn làm mờ mắt và giảm khả năng nhìn.
Quá trình cháy nhiên liệu trong động cơ Diesel diễn ra dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, trong đó lưu huỳnh phản ứng với oxy để tạo thành SOx.
Khí CO2 tồn tại tự nhiên trong không khí và được sinh ra khi đốt cháy nhiên liệu Quá trình này lý thuyết cho thấy rằng nhiên liệu khi cháy sẽ sản sinh ra khí CO2 và hơi nước Đối với các loại nhiên liệu thông thường, tỷ lệ giữa carbon và hydro có sự tương đối nhất định.
Khí CO2 phát thải từ việc đốt cháy nhiên liệu cùng với hơi nước cho phép nhiệt mặt trời đến trái đất, nhưng cũng hấp thụ bức xạ nhiệt và truyền lại cho trái đất, tạo ra hiệu ứng nhà kính Hiệu ứng này làm cho trái đất nóng dần lên, và nếu lượng CO2 quá lớn, sẽ dẫn đến biến đổi khí hậu với những hậu quả nghiêm trọng cho con người Để giảm phát thải CO2, cần giảm hàm lượng carbon trên mỗi đơn vị năng lượng, tức là tăng hiệu suất nhiên liệu cháy trong động cơ.
Khí CO là một loại khí độc hại được hình thành từ quá trình cháy không hoàn toàn của nhiên liệu Hàm lượng khí CO trong khí thải phụ thuộc vào tỷ lệ giữa lượng không khí và nhiên liệu thực tế so với lượng không khí và nhiên liệu lý thuyết.
Lượng CO trong khí thải động cơ diesel không cao và có thể được giảm thiểu bằng cách tăng cường lượng không khí vào động cơ.
Cacbon monoxit (CO) là một khí không màu, không mùi, dễ cháy và có độc tính cao, hình thành chủ yếu từ sự cháy không hoàn toàn của cacbon và các hợp chất chứa cacbon Khí thải từ động cơ đốt trong, khi đốt các nhiên liệu gốc cacbon, thường chứa CO, đặc biệt là khi nhiệt độ cháy quá thấp để oxy hóa hoàn toàn các hydrocacbon thành nước và cacbon dioxit, hoặc khi thời gian tồn tại trong buồng đốt không đủ để cung cấp oxy cần thiết Cơ chế hình thành CO trong quá trình cháy của động cơ diesel rất quan trọng để hiểu rõ hơn về sự phát thải khí này.
(3) Thông thường, việc thiết kế và vận hành buồng đốt sao cho có thể giảm lượng
CO khó hơn nhiều so với việc thiết kế để giảm lượng hydrocacbon chưa cháy hết Tuy nhiên, CO có thể dễ dàng chuyển hóa thành CO2 khi phản ứng với oxy trong khí xả.
Khi ra khỏi động cơ, CO sẽ bị ôxi hóa thành cacbon dioxit thông qua các quá trình tự nhiên trong khí quyển Nồng độ cacbon monoxit biến đổi trong không gian và tồn tại rất ngắn hạn trong khí quyển.
Khí CO là một loại khí độc hại, hình thành khi nhiên liệu cháy không sạch do thiếu ô xy Hàm lượng khí CO trong khí thải phụ thuộc vào tỷ số giữa lượng không khí-nhiên liệu thực tế và lý thuyết Trong thực tế, lượng CO trong khí thải động cơ diesel không cao và có thể giảm thiểu bằng cách tăng lượng không khí vào động cơ.
Phát thải hydro - các bon (HC) bao gồm nhiên liệu không cháy hoặc chỉ cháy một phần, với thành phần có thể tồn tại dưới dạng khí hoặc rắn trong các hạt khí thải Cơ chế hình thành các hydro - các bon không cháy ở động cơ diesel khác biệt so với động cơ đánh lửa cưỡng bức.
Với động cơ đánh lửa cưỡng bức, sự hòa trộn nhiên liệu và không khí diễn ra đồng nhất, nhưng hydro - các bon không cháy lại bị giấu kín ở những khu vực mà ngọn lửa không thể tiếp cận, thường là hốc giữa thành piston, thành vách xilanh và xéc măng thứ nhất Trong động cơ diesel, khu vực này chỉ chứa không khí nén Cơ chế hình thành các hydro - các bon không cháy diễn ra như sau:
TỔNG QUAN VỀ CÁC GIẢI PHÁP GIẢM PHÁT THẢI NOX VÀ PM CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL TRUYỀN THỐNG
1.2.1 Những phương hướng để giảm ô nhiễm do khí thải động cơ đốt trong
Trước yêu cầu cấp bách giảm ô nhiễm từ động cơ diesel, nghiên cứu đã tìm ra các biện pháp giảm độc tố trong khí thải Hầu hết các biện pháp này tập trung vào cải thiện chất lượng quá trình cháy trong động cơ, nhằm giảm thiểu lượng độc tố do cháy không hoàn toàn Hiện nay, nhiều biện pháp hiệu quả đang được áp dụng.
- Hoàn thiện kết cấu của động cơ: Cải thiện buồng đốt; cải thiện hệ thống nạp, xả; cải thiện hệ thống nhiên liệu; cải thiện quá trình cháy
Trong quá trình khai thác, cần điều chỉnh các thông số hợp lý như góc cấp, thời điểm cấp, cường độ cháy, áp suất phun, áp suất khí tăng áp và lượng không khí thừa để tối ưu hóa hiệu quả.
+ Biện pháp kết cấu + Hồi lưu khí xả (EGR) + Xử lý khí thải bằng phương pháp nhiệt;
+ Sử dụng chất xúc tác trung hoà khí xả (SCR);
- Biện pháp thay đổi tính chất nhiên liệu:
+ Sử dụng chất phụ gia cho nhiên liệu;
+ Sử dụng nhiên liệu: nhiên liệu sạch, nhiên liệu sinh học, chất nhũ tương dầu nước
Tất cả các biện pháp hiện nay đều gặp khó khăn riêng, như việc hoàn thiện kết cấu động cơ và điều chỉnh thông số Khi giảm lượng CO, S và khói trong khí xả, lượng NOx lại tăng lên và ngược lại Sử dụng chất trung hòa khí xả hay hồi lưu khí xả không cải thiện công suất động cơ và gây tốn kém trong quá trình khai thác.
Sử dụng nhiên liệu sạch thường có chi phí cao, đặc biệt trong bối cảnh nước ta cần tận dụng các động cơ cũ Do đó, cần áp dụng các phương pháp giảm ô nhiễm khí xả mà vẫn đảm bảo tính kinh tế, bao gồm suất tiêu hao nhiên liệu và công suất động cơ mà không làm tăng chi phí khai thác Việc sử dụng chất nhũ tương dầu nước làm nhiên liệu có nhược điểm là hỗn hợp này không bền và dễ bị phân tách Tuy nhiên, việc áp dụng chất xúc tác để trung hòa khí xả có thể không làm thay đổi đáng kể kết cấu động cơ nhưng lại mang lại hiệu quả cao trong việc giảm ô nhiễm môi trường, đây là hướng nghiên cứu chính của đề tài.
Bảo vệ môi trường là một vấn đề toàn cầu, không chỉ giới hạn trong từng quốc gia hay khu vực Mỗi quốc gia áp dụng các luật lệ và tiêu chuẩn về ô nhiễm môi trường khác nhau, tùy thuộc vào điều kiện cụ thể và mức độ khắt khe Ô nhiễm do động cơ đã được các nhà khoa học nghiên cứu từ đầu thế kỷ 20 và bắt đầu được quy định pháp luật ở một số nước vào những năm 50 Tại Việt Nam, luật bảo vệ môi trường có hiệu lực từ ngày 10-1-1994, đánh dấu bước tiến quan trọng trong công tác bảo vệ môi trường.
Nghị định số 175/CP ngày 18-10-1994 để hướng dẫn việc thi hành Luật bảo vệ môi trường
1.2.2 Các biện pháp kết cấu làm giảm khí thải ô nhiễm
Xe hơi là phương tiện thiết yếu nhưng cũng là nguồn ô nhiễm lớn Giảm khí thải ô nhiễm là nhiệm vụ quan trọng của các nhà sản xuất ô tô Từ những năm 70, nhiều hãng đã nghiên cứu và phát triển các bộ phận nhằm giảm lượng khí thải, trong đó có hệ thống hồi lưu khí xả (EGR).
Hệ thống EGR, được phát minh vào đầu những năm 1970, nhằm kiểm soát ô nhiễm môi trường từ xe hơi, ra đời sớm hơn hai năm so với hệ thống trung hòa khí thải bằng xúc tác Hệ thống này giúp giảm nồng độ NOx bằng cách tuần hoàn khí thải trở lại hệ thống nạp động cơ khi có tải.
Hình 1.1 Sơ đồ kết cấu hồi lưu khí xả
Hệ thống này giúp giảm nhiệt độ cháy trong động cơ diesel bằng cách giảm nồng độ oxy và tăng nhiệt dung riêng của dòng khí, từ đó làm giảm nhiệt độ cháy Mục tiêu chính là ngăn chặn quá trình hình thành NOx và giảm nồng độ chất này trong khí thải.
Nhiệt độ cao dẫn đến sự gia tăng lượng NOx (nitơ oxit) sinh ra trong quá trình cháy Ngoài nhiệt độ, nhiều yếu tố khác như áp suất buồng đốt, thời gian cháy, hỗn hợp nhiên liệu, nhiệt độ khí nạp và nhiệt độ chất làm lạnh cũng ảnh hưởng đến sự hình thành NOx Việc giảm tỷ số nén và điều chỉnh góc phun sớm hoặc đánh lửa chậm (đối với động cơ xăng) có thể làm giảm lượng NOx, nhưng đồng thời cũng làm giảm công suất tối đa và hiệu suất của động cơ.
Hình 1 2 Sơ đồ nguyên lí của hệ thống hồi lưu khí xả động cơ Diesel[15]
Hệ thống EGR sử dụng ống nối giữa bộ góp xả và bộ góp nạp được gọi là tuần hoàn khí thải ngoài Van điều khiển có nhiệm vụ điều chỉnh tần suất mở và kiểm soát dòng khí Trước khi trộn với khí nạp, khí thải tuần hoàn cần được làm mát để tránh tăng nhiệt độ khí nạp, điều này có thể ảnh hưởng đến công suất động cơ.
Thời kỳ đầu, EGR sử dụng bộ góp chân không để điều khiển van, dẫn đến hiệu quả không cao Tuy nhiên, với công nghệ điện tử hiện đại, van EGR được điều khiển bằng máy tính, mang lại những cải tiến đáng kể Một trong những cải tiến này là khả năng nâng cao hiệu suất động cơ mà không làm ảnh hưởng đến tính năng vận hành.
Trên động cơ xăng, khoảng 5-15% khí thải được tái sử dụng qua hệ thống EGR để đưa trở về buồng đốt Mức 15% là giới hạn tối ưu để động cơ hoạt động hiệu quả, vì nếu lượng khí thải quá cao, động cơ sẽ gặp khó khăn trong việc khởi động và vận hành không mượt mà Mặc dù hệ thống EGR làm chậm quá trình cháy, nhưng điều này có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi thời gian đánh lửa.
Các động cơ diesel hiện đại sử dụng khí EGR được làm mát qua thiết bị trao đổi nhiệt nhằm tăng cường lượng khí tuần hoàn Khác với động cơ xăng, các kỹ sư không giới hạn tỷ lệ khí tuần hoàn trên các mẫu động cơ diesel, cho phép một số động cơ sử dụng tỷ lệ khí tuần hoàn cao hơn.
50% khí thải được đưa về bộ phận nạp, giúp tăng nhiệt dung riêng của hỗn hợp trong động cơ diesel Điều này làm giảm nhiệt độ cháy, nâng cao hiệu quả và giảm tiêu hao nhiên liệu Phương pháp xử lý khí thải bằng nhiệt cũng đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất động cơ.
Hình 1 3 Xử lý khí thải bằng phương pháp nhiệt [18]
Nguyên tắc cơ bản của phương pháp này là gia nhiệt cả bộ lọc và khí thải động cơ đến nhiệt độ tối thiểu cần thiết để khởi động quá trình cháy của hạt rắn Để nâng nhiệt độ của bộ lọc, có thể áp dụng một trong các phương pháp sau:
TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM VỀ QUÁ TRÌNH CHÁY NHIỆT ĐỘ THẤP
Phương pháp LTC là nó kết hợp các tính năng tốt nhất của các phương pháp
Động cơ CI và SI có hiệu quả khác nhau, với động cơ CI mang lại hiệu suất cao hơn và phát thải sạch hơn Động cơ LTC trong tương lai sẽ cần các phương pháp phun nhiên liệu phức tạp, bao gồm cả phun ở cửa nạp và phun trực tiếp, với tỷ số nén vừa phải Tỷ số nén trong động cơ CI rất quan trọng cho quá trình tự cháy, đặc biệt trong điều kiện khởi động lạnh, vì nó tạo ra nhiệt độ khí cao hơn Các động cơ diesel phun gián tiếp (IDI) có tỷ số nén cao (20–24) để bù đắp cho tổn thất nhiệt do diện tích bề mặt lớn hơn Việc phát triển phun nhiên liệu trực tiếp với áp suất cao hơn giúp giảm tổn thất nhiệt và tỷ số nén Hiệu suất nhiệt động cơ có mối quan hệ phi tuyến với tỷ số nén, với sự gia tăng hiệu suất ban đầu mạnh mẽ, nhưng tác động của tỷ số nén cao hơn lại giảm dần.
Trong động cơ LTC hòa trộn sẵn, độ trễ bắt lửa cần lâu hơn để đảm bảo thời gian trộn nhiên liệu với không khí Việc vận hành động cơ ở tỷ lệ nén thấp hơn giúp giảm nhiệt độ khí trong xilanh, tạo điều kiện thuận lợi cho thời gian trễ lửa kéo dài Do đó, động cơ LTC đang phát triển các phương pháp phun nhiên liệu phức tạp kết hợp với tỷ số nén vừa phải.
Một động cơ lý tưởng nên hoạt động trên hỗn hợp nghèo đồng nhất với tỷ số nén cao, nhằm đạt hiệu suất nhiệt tối ưu và giảm thiểu phát thải NOx cũng như muội than Phương pháp đốt hỗn cháy hợp khí nạp đồng nhất do nén là một giải pháp hiệu quả cho mục tiêu này.
(HCCI) là chính xác khi sử dụng cùng một khái niệm về đốt hỗn hợp đồng nhất nghèo hơn ở tỷ số nén cao hơn
Hạn chế chính của chế độ HCCI là thiếu kiểm soát quá trình cháy và công suất đầu ra thấp Để khắc phục những vấn đề này, nghiên cứu này tập trung vào chế độ đốt hỗn hợp trộn trước một phần do nén trong động cơ diesel (PPCI).
Trong chế độ SCCI, việc phân tầng nhiệt hoặc nhiên liệu có chủ ý giúp khắc phục hạn chế của HCCI Phân tầng nhiên liệu trong buồng đốt được thực hiện dễ dàng nhờ vào công nghệ phun nhiên liệu trực tiếp, hiện đã có sẵn tất cả các công nghệ cần thiết Chế độ đốt này thường được gọi là đốt một phần hỗn hợp trộn trước do nén (PPCI) hoặc viết tắt là PPC, sử dụng phun nhiên liệu trực tiếp để điều chỉnh thời gian hòa trộn PPCI có thể được xem là quá trình trung gian, kết hợp giữa đốt cháy dầu diesel thông thường và chế độ đốt mới.
Trong chế độ PPCI, nhiên liệu được phun vào trong kỳ nén để đảm bảo trộn lẫn đầy đủ Lý tưởng là tất cả nhiên liệu nên được phun trước khi bắt đầu bắt lửa, nhưng không nên quá sớm để tránh tốc độ tỏa nhiệt (HRR) quá mức Khoảng trễ bắt lửa là thời gian từ khi kết thúc quá trình phun đến khi bắt đầu bắt lửa, thường thấy ở động cơ diesel thông thường Khoảng trễ bắt lửa chủ động trong chế độ PPCI cho phép một mức độ trộn nhất định trước khi bắt lửa, thường đạt được bằng cách tăng sự trễ lửa thông qua EGR Thời gian phun ngắn hơn cũng giúp thu được khoảng trễ bắt lửa chủ động trong chế độ PPCI.
PPCI được nghiên cứu cho các loại nhiên liệu diesel (nhiên liệu cao cetane) và nhiên liệu xăng (nhiên liệu thấp cetane)
Sơ đồ minh họa hiệu quả của việc tăng tỷ lệ EGR và cải thiện sự hòa trộn không khí-nhiên liệu để đạt được quá trình đốt cháy PCCI Các phương pháp đốt khác nhau đã được đề xuất nhằm giảm thiểu hình thành muội than và NOx Quá trình cháy PCCI được xác định bởi lượng khí nạp trộn sẵn cao hơn so với đốt cháy thông thường, với sự kiểm soát quan trọng thông qua phương pháp phun Hình 3.2 mở rộng từ hình 3.1, cho thấy các vùng trong quá trình đốt cháy thông thường và PCCI Kết quả cho thấy tỷ lệ EGR cao hơn và sự cải thiện trong pha trộn dẫn đến khu vực đốt PCCI nhỏ hơn, với tỷ lệ tương đương cục bộ đồng đều hơn và nhiệt độ thấp hơn so với đốt thông thường.
Tóm tắt các vùng vận hành trong hình 3.1 cung cấp cái nhìn tổng quan về những thách thức gặp phải Hình 3.2 minh họa sự tiến triển của hai giai đoạn cháy, một giai đoạn tạo ra lượng muội than cao và một giai đoạn khác với lượng muội than thấp Khoảng thời gian từ 20% đến 80% cho thấy khối lượng nhiên liệu bị đốt cháy (MFB) và động lực học tính toán (CFD) được ghi nhận.
Các khu vực mờ thể hiện các vùng chứa phần lớn các phần tử khí trong mô hình 3D-CFD, nhưng không cung cấp thông tin về mật độ Chúng được sử dụng để minh họa quá trình đốt cháy cho hai trường hợp khác nhau.
Bài viết tóm tắt các vùng vận hành trong hình 3.1, cung cấp cái nhìn tổng quan về những khó khăn gặp phải Hình 3.2 minh họa sự tiến triển của hai giai đoạn cháy, trong đó một giai đoạn tạo ra lượng muội than cao, trong khi giai đoạn còn lại có lượng muội than thấp.
Hình 1 6 Sự hình thành muội than và NOx trong mặt phẳng Φ -T với các vùng quan tâm được đơn giản hóa [13]
Khoảng thời gian từ 20% đến 80%, khối lượng nhiên liệu bị đốt cháy (MFB) và động lực học tính toán (CFD) được ghi lại Các khu vực mờ đại diện cho phần lớn các phần tử khí từ tính toán 3D-CFD, nhưng không cung cấp thông tin về mật độ Chúng được vẽ để mô tả tiến trình đốt cháy cho hai trường hợp.
Hình 1 7 Đồ thị Φ-T chỉ ra các khu vực đơn giản hóa nơi xảy ra quá trình đốt cháy diesel và PCCI thông thường [14]
Mặc dù các cấu hình ban đầu tương tự, quá trình đốt cháy tạo ra hai sự khác biệt chính: nhiệt độ tối đa đạt được và sự phân bố tỷ lệ Ở mức 60% MFB, điều kiện khói thải cao xâm lấn đáng kể vào vùng hình thành muội than, trong khi trường hợp không khói chỉ tiếp cận vùng này.
Khi nhiều nhiên liệu được đốt cháy, các phần tử khí không khói ảnh hưởng đến khu vực hình thành muội than, nhưng nhiệt độ thấp giúp giảm thiểu sự hình thành này Ngược lại, khi có tỷ lệ lớn hơn các phần tử khí trong điều kiện khói thải cao, khu vực hình thành muội than sẽ chịu tác động từ nhiệt độ cao hơn.
Kết quả cho thấy sự hình thành muội than lớn hơn trong trường hợp khói cao, nhưng các sơ đồ không chỉ ra quá trình oxy hóa tương đối Lượng muội than nguyên chất cao hơn đáng kể trong trường hợp này, nhấn mạnh sự cần thiết phải giảm sự hình thành của nó, điều này được khai thác qua các phương pháp PCCI.
Mặc dù khí nạp không hoàn toàn đồng nhất, các nguyên tắc tương tự như HCCI vẫn được áp dụng để giảm lượng khí thải Các yếu tố này được sử dụng để điều khiển điều kiện đốt trong quá trình hoạt động.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH PHÁT THẢI NOX VÀ PM
2.1.1.1 Sự hình thành monoxyde ni-tơ
Trong buồng đốt của động cơ diesel, các phản ứng hình thành monoxyd ni-tơ xảy ra theo hai chiều thuận nghịch :
Các phản ứng (6) đến (8) chủ yếu diễn ra trong vùng giàu nhiên liệu với nồng độ hydro cao, trong khi các phản ứng khác xảy ra khắp buồng đốt Trong buồng đốt động cơ diesel, áp suất cao làm cho bề dày màng lửa không đáng kể, dẫn đến hầu hết khí NO được hình thành phía sau màng lửa Tốc độ phản ứng tạo NO thấp hơn nhiều so với tốc độ phản ứng cháy, do đó hàm lượng NO trong khu vực phản ứng cháy ít bị ảnh hưởng bởi nồng độ oxy.
Các kết quả thực nghiệm cho thấy tại góc quay 20 độ của trục khuỷu, nồng độ NO không còn thay đổi, cho thấy toàn bộ khí NO được sinh ra trong giai đoạn cháy với áp suất và nhiệt độ cao nhất Điều này chứng tỏ rằng nồng độ NO trong khí xả phụ thuộc lớn vào nhiệt độ của quá trình cháy.
2.1.1.2 Sự hình thành dioxyde ni-tơ
Theo các kết quả tính toán nồng độ chất trong sản phẩm cháy, ở động cơ xăng trong điều kiện cháy bình thường, nồng độ NO2 rất nhỏ so với NO và có thể bỏ qua Ngược lại, ở động cơ diesel, do hoạt động theo nguyên tắc nén nổ, quá trình cháy khuyếch tán mạnh mẽ dẫn đến hàm lượng NO2 chiếm đến 30% trong các hợp chất NOx.
Các nghiên cứu và phân tích thực nghiệm cho thấy NO2 được hình thành từ NO và chất trung gian của sản phẩm cháy HO2 thông qua một phản ứng hóa học.
HO2 là sản phẩm trung gian trong quá trình cháy, hình thành từ sự phân huỷ các phân tử phức tạp của nhiên liệu trong buồng đốt của động cơ ngay trước khi cháy bắt đầu.
Trong quá trình cháy ở xilanh động cơ, NO2 được hình thành theo phản ứng (9) dưới điều kiện nhiệt độ cao của buồng đốt NO2 có khả năng phân huỷ thành NO khi kết hợp với oxi tự do.
Phản ứng giữa NO2 và O tạo ra NO và O2 có thể bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ Khi NO2 hình thành trong quá trình cháy và được làm mát ngay bởi môi chất có nhiệt độ thấp, nó sẽ không chuyển hóa ngược thành NO Điều này dẫn đến việc lượng NO2 sinh ra từ NO sẽ tồn tại trong khí xả của động cơ Do đó, khi động cơ hoạt động ở chế độ tải thấp, sẽ xuất hiện nhiều vùng lạnh cục bộ trong buồng đốt, làm giảm và ngăn chặn sự chuyển hóa từ NO2 thành NO.
NO theo phản ứng (10), trong trường hợp này hàm lượng NO2 có trong NOx là rất lớn
Khí NO2 không chỉ được hình thành từ quá trình cháy trong xilanh động cơ mà còn được tạo ra do sự oxi hoá NO trên đường xả khi tốc độ dòng khí xả thấp và có sự hiện diện của oxi Lượng NO2 hình thành trên đường xả chiếm khoảng 5 đến 10% tổng lượng NO2 Bên cạnh đó, một lượng NO2 đáng kể cũng được sinh ra khi khí thải ra khỏi ống khói do sự oxi hoá NO trong điều kiện môi trường.
2.1.1.3 Sự hình thành protoxyde ni-tơ
Protoxyde ni-tơ N2O là loại oxyde ni-tơ có hàm lượng thấp nhất, nhưng không thể xem nhẹ sự hình thành của nó do tính độc hại mạnh mẽ và tác động tiêu cực đến môi trường sinh thái.
Protoxyde ni-tơ chủ yếu hình thành từ các sản phẩm trung gian của ni-tơ như
NH và NCO khi chúng tác dụng với NO theo các phản ứng sau:
Sự hình thành N2O chỉ xảy ra trong vùng hydrat hoá với nồng độ hydro nguyên tử cao, dẫn đến các phản ứng phân huỷ mạnh mẽ N2O.
Quá trình cháy trong xilanh động cơ là quá trình oxi hoá các thành phần hoá học trong nhiên liệu Do đó, sản phẩm cháy của động cơ diesel có hàm lượng protoxyde N2O rất thấp Theo thống kê, hàm lượng N2O do các động cơ đốt trong sinh ra chỉ chiếm khoảng
7% tổng lượng N2O trong môi trường
Các nghiên cứu chỉ ra rằng hầu hết các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ tỏa nhiệt ban đầu cũng sẽ tác động đến sự hình thành NOx theo cùng một hướng.
Số lượng nhiên liệu cháy trong giai đoạn tiền hòa trộn có thể giảm thông qua việc điều chỉnh tốc độ cấp nhiên liệu và sử dụng nhiên liệu mồi Rút ngắn thời gian cháy trễ cũng là một phương pháp hiệu quả để giảm lượng nhiên liệu trong pha cháy này Nhiên liệu có trị số Cetan cao giúp giảm phát thải NOx, trong khi nhiệt độ quá trình nén cao có thể làm giảm phát thải NOx ở chế độ tải thấp, nhưng lại tăng phát thải NOx ở chế độ tải cao Các yếu tố như tăng cường hòa trộn không khí-nhiên liệu, kích cỡ và số lượng lỗ phun, hình dạng buồng đốt, và áp suất phun nhiên liệu có thể làm tăng phát thải NOx Định thời cháy có thể được điều chỉnh để giảm nhiệt độ đỉnh của khí cháy và thời gian tồn tại của nhiệt độ cao, nhưng sẽ dẫn đến việc tăng tiêu thụ nhiên liệu và hạt rắn.
Để giảm phát thải NOx, các nhà sản xuất động cơ đang phát triển và áp dụng nhiều công nghệ như hệ thống cấp nhiên liệu common rail, tăng áp suất nén tương đương với áp suất cháy, sử dụng chất xúc tác và xử lý khí thải sau khi ra khỏi động cơ.
2.2.2.1 Cơ sở hình thành PM
Khi xem xét sự hình thành PM từ dầu diesel, chúng ta bắt đầu với phân tử nhiên liệu có từ 12-22 nguyên tử cacbon và tỉ lệ H/C khoảng 2 Sự hình thành các hạt PM điển hình chứa khoảng 10^5 nguyên tử cacbon với tỉ lệ H/C khoảng 0,1 diễn ra khi các nguyên tử cacbon tập hợp thành các mảng hình lục giác, gọi là tiểu cầu Các tiểu cầu này sắp xếp thành các lớp để hình thành tinh thể, thường có 2-5 tiểu cầu trên mỗi tinh thể và 10^3 tinh thể sắp xếp có trật tự trên mỗi hạt muội hình cầu Các tinh thể được sắp xếp theo kiểu turbo tĩnh, với các mặt phẳng song song với bề mặt hạt, cấu trúc này cũng đặc trưng cho than chì nhiệt phân và được cho là nguyên nhân của sự cản trở lớn bất thường đối với sự oxi hóa Trong thời gian cư trú dài, các hạt PM hình cầu có thể kết tụ thành các chuỗi mạch C phân nhánh hoặc không phân nhánh.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH CHÁY NHIỆT ĐỘ THẤP VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ ĐẾN ĐẶC TÍNH CHÁY VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ
đặc tính cháy và phát thải của động cơ diesel
2.2.1 Mô hình đốt cháy khái niệm
Một mô hình khái niệm cho quá trình cháy của tia diesel gần như cố định đã được đưa ra dựa trên hình ảnh laser tấm, cho thấy chiều dài thâm nhập nhiên liệu lỏng nhỏ hơn nhiều so với các nghiên cứu trước đó Mô hình này chỉ ra rằng không có giọt nhỏ nào trong vùng đốt cháy, mà chỉ có nhiên liệu bốc hơi hoàn toàn, với một vùng đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu trộn trước xuất hiện ở phần cuối của tia diesel lỏng Sự hình thành muội than xảy ra trong các khu vực hỗn hợp giàu cục bộ, nơi nhiên liệu và không khí phản ứng, và sau đó hỗn hợp này bị cháy trong ngọn lửa khuếch tán nhiệt độ cao, dẫn đến sự hình thành NOx Tỷ lệ hình thành muội than phụ thuộc vào tỷ lệ tương đương trong vùng nhiên liệu trộn trước, được xác định bởi chiều dài phóng của ngọn lửa, đóng vai trò quan trọng trong quá trình đốt cháy và phát thải trên động cơ diesel Chiều dài phóng của ngọn lửa là khoảng cách giữa lỗ phun và phần cao nhất của ngọn lửa khuếch tán hỗn loạn, nơi hầu hết không khí xung quanh đi vào tia phun Tỷ lệ tương đương bên trong tia phun thấp hơn khi có thêm khí hút vào, dẫn đến hình thành muội than ít hơn Do đó, tỷ lệ tương đương trong chiều dài phóng có vai trò quan trọng trong sự hình thành muội than khi đốt cháy luồng phun, và đặc tính phóng của ngọn lửa phụ thuộc vào nhiệt độ, mật độ xung quanh, đường kính lỗ phun, áp suất phun và nồng độ oxy.
[25, 26] Pickett et al [25] đã đưa ra một mối quan hệ thực nghiệm để ước tính chiều dài phóng (H) cho bởi phương trình:
Hệ số H được tính theo công thức H = CTa - 3.74ρa - 0.85d^0.34U^1Zst^-1, trong đó C là hằng số tỷ lệ, Ta là nhiệt độ môi trường xung quanh tính bằng Kelvin, ρa là mật độ môi trường xung quanh tính bằng kg/m³, d là đường kính đầu vòi phun tính bằng micromet.
Tốc độ phun được đo bằng đơn vị [m/s], trong khi Zst đại diện cho hôn số stoichometric, chịu ảnh hưởng bởi nồng độ oxy trong môi trường xung quanh Chiều ngang trung bình φ của mô hình kim phun có thể được ước lượng thông qua khoảng cách từ vòi phun, theo phương trình (16).
Mật độ nhiên liệu (\( \rho_f \)) và môi trường xung quanh (\( \rho_a \)) là các yếu tố quan trọng trong quá trình cháy Hệ số co lại của vòi phun (\( C_a \)), đường kính lỗ phun (\( d \)), và góc phát tán của tia phun (\( \alpha \)) cũng ảnh hưởng đến quá trình này Tỷ lệ tương đương thực tế (\( \phi \)) tại chiều dài phóng của ngọn lửa có thể được ước lượng thông qua các công thức đã nêu Hệ số \( \phi \) ước tính giúp hiểu rõ hơn về sự hình thành muội than trong quá trình đốt cháy tia phun.
Các nghiên cứu đã phân tích các biến thể trong quá trình hình thành muội than dựa trên bản đồ tỷ lệ nhiệt độ cục bộ tương đương (φ-T), như thể hiện trong hình 2.1b.
[30, 32] Người ta nhận thấy rằng đối với φ