QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH NOx TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

26 Chương 3 CƠ CHẾ HÌNH THÀNH NO X TRONG QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ Đ Ố T TRONG 3.1. Giới thiệu NO x là tên gọi chung của oxyde nitơ gồm các chất NO, NO 2 và N 2 O hình thành do sự kết hợp giữa oxy và nitơ ở điều kiện nhiệt độ cao. Chất ô nhiễm này ngày càng được quan tâm và trong một số trường hợp, nó là chất ô nhiễm chính làm giới hạn tính năng kỹ thuật của động cơ. Thật vậy, một trong những xu hướng nâng cao tính kinh tế của động cơ ngày nay là áp dụng kỹ thuật chế hòa khí phân lớp cho động cơ làm việc với hỗn hớp nghèo. Trong điều kiện đó, NO x là đối tượng chính của việc xử lý ô nhiễm. Mặt khác, việc xử lý NO x trong điều kiện đó gặp nhiều khó khăn vì bộ xúc tác ba chức năng chỉ hoạt động có hiệu quả khi a = 1. Các giải pháp kỹ thuật khác nhằm hạn chế NO x ngay trong quá trình cháy cũng đã được áp dụng trên động cơ hiện đại: giải pháp hồi lưu khí xả, giải pháp thay đổi thời kỳ trùng điệp của góc độ phối khí. Vì vậy, việc hiểu biết tường tận cơ chế hình thành NO x để tìm biện pháp hạn chế nồng độ của chúng ngay trong quá trình cháy là cần thiết. Mức độ phát sinh ô nhiễm trung bình của quá trình cháy nhiên liệu hydrocarbure như sau: Chất ô nhiễm Lượng phát sinh (g/kg nhiên liệu) NO x 20 CO 200 HC 25 Bồ hóng 2÷5 Đây là số liệu mang tính chất trung bình ở điều kiện cháy của hỗn hợp có hệ số dư lượng không khí a=1. Tuy nhiên trong những điều kiện cháy đặc biệt ở áp suất và nhiệt độ cao với hệ số dư lượng không khí lớn thì tỉ lệ thành phần các chất ô nhiễm cho trong bảng trên đây thay đổi theo hướng gia tăng NO x . 3.2. Tác hại của Oxyde Nitơ Chương 3: Cơ chế hình thành NO x trong quá trình cháy của động cơ đốt trong 27 Oxyde nitơ có thể phát sinh do các quá trình tự nhiên hay do hoạt động công nghiệp. NO x trong khí quyển do các quá trình tự nhiên sinh ra ước chừng 50.10 7 tấn. Nó phân bố đều trên mặt địa cầu với nồng độ khoảng 2 ÷ 10µg/m 3 , gọi là nồng độ nền. NO x do hoạt động của con người tạo ra, tập trung chính ở vùng thành thị và các khu công nghiệp, chiếm khoảng 1/10 lượng NO x trong tự nhiên hiện nay. 3.2.1. Ảnh hưởng của NO x đến sức khỏe con người NO x có thể đi sâu vào phổi con người do ít hòa tan trong nước. Khi vào được trong phổi, 80% lượng NO x bị giữ lại (đối với SO 2 , cơ quan này chỉ giữ lại khoảng 5%). Trong các chất của NO x , độc tính của NO 2 cao hơn rất nhiều lần so với NO. NO x chủ yếu do quá trình cháy gây ra. Ngoài các quá trình cháy công nghiệp và gia dụng, trong sinh hoạt, con người còn chịu đựng ảnh hưởng trực tiếp của NO x do khói thuốc lá gây ra. Tùy theo loại thuốc lá, khi hút một điếu thuốc người hút đã đưa vào phổi từ 100 đến 600µg NO x , trong đó hơn 5% là NO 2 . Với thuốc lá nâu thông thường, trung bình mỗi điếu sinh ra 350µg NO x . Nếu người hút thuốc hít 8 lần, mỗi lần 2s với dung tích 35ml và khoảng thời gian giữa hai lần hít là 60s, chúng ta tính được nồng độ NO x trung bình là 933ppm theo thể tích trong toàn bộ khói thuốc. Nhưng mỗi lần hít vào, khói thuốc lá hòa tan vào phổi có thể tích 3500ml, nghĩa là đã làm loãng đi 100 lần, nồng độ NO x trung bình trong phổi khoảng 9,3ppm đối với người chủ động hút thuốc lá. Đối với người thụ động chịu ảnh hưởng của thuốc lá (người hít không khí trong không gian bị ô nhiễm bởi khói thuốc lá) ảnh hưởng này nhỏ nhưng cũng đáng kể. Tính trung bình theo số liệu trên đây thì trong một phòng kín có thể tích 50m 3 , khi người ta hút một gói 20 điếu thuốc, thì nồng độ NO x trong phòng đạt khoảng 0,1ppm do người hút thải ra. Nếu tính luôn phần khói thuốc thoát ra giữa hai lần hít, người ta ước chừng nồng độ NO x trong phòng gấp 2÷5 lần so với nồng độ trên đây, nghĩa là 0,2 ÷ 0,5ppm. 3.2.2. Ảnh hưởng của NO x đến thực vật NO x chỉ ảnh hưởng đến thực vật khi nồng độ của nó đủ lớn. Người ta thấy ở vùng đô thị hóa cao, nồng độ NO x đạt khoảng 3,93ppm, sự quang hợp của thực vật chỉ giảm đi 25%. Thí nghiệm đặt cây dưa leo trong không khí có nồng độ NO x 0,75ppm trong hai tháng cho thấy không bị ảnh hưởng gì. Những thí nghiệm khác được thực hiện trên cà chua và đậu Hà Lan đặt trong môi trường không khí nhân tạo với nồng độ NO x cao hơn 10 lần so với nồng độ của chúng trong không khí khi bị ô nhiễm nặng nhất cho thấy các loại cây này không bị hư hại gì nhưng nồng độ nitơ tổng cộng trong môi trường gia tăng. Các thí nghiệm trên cây cam trồng trong không gian nhà kính với 4 điều kiện môi trường không khí như sau: a. Không khí nguyên thủy nơi làm thí nghiệm b. Không khí được lọc c. Không khí lọc + NO 2 với nồng độ môi trường d. Không khí lọc + 2 lần nồng độ NO 2 trong môi trường Chương 3: Cơ chế hình thành NO x trong quá trình cháy của động cơ đốt trong 28 Thí nghiệm được tiến hành bằng cách cân lá rụng và trái cây thu hoạch được trong thời gian cho trước trên một số cành xác định. Người ta thấy rằng lá cây trong điều kiện c có khuynh hướng rụng nhiều hơn cây trong điều kiện b; Lượng lá rụng nhiều nhất trong môi trường không khí d nhưng lượng trái cây thu hoạch được tối ưu nhất trong môi trường c. Những thí nghiệm khác được tiến hành bằng cách đặt cam trong môi trường không khí ô nhiễm nặng hơn, có nồng độ NO 2 từ 0,5 đến 1ppm, kéo dài trong 35 ngày cho thấy lá cây bị vàng và rụng nghiêm trọng. Vì vậy thực vật chỉ bị tác hại khi nồng độ NO x đủ lớn và thời gian đủ dài (2÷10ppm; 4÷20µg/m 3 trong nhiều ngày). Oxyde nitơ không gây tác hại đến thực vật với nồng độ của chúng hiện nay trong khí quyển. Chỉ có sự tham dự của NO x vào các phản ứng hóa quang mới được xem là nguy hiểm vì NO x tác dụng với một số chất khác có mặt trong không khí trong những điều kiện nhất định tạo ra những chất nguy hiểm đối với thực vật. Chẳng hạn dưới tác dụng của tia cực tím trong môi trường có chứa hydrocarbure, NO x có thể tạo ra những hợp chất nguy hiểm đối với thực vật gấp ngàn lần hơn so với chính bản thân NO x . 3.2.3. Ảnh hưởng đến quang hợp Hình 3.1: Ảnh hưởng của NO đến Hình 3.2: Ảnh hưởng của NO 2 đến quang hợp quang hợp Khi nồng độ NO x lớn hơn 0,5 ÷ 0,7ppm chúng sẽ làm giảm sự quang hợp. Hình 3.1 và 3.2 cho thấy rằng NO và NO 2 làm giảm sự quang hợp với nhiều mức độ khác nhau đối với cùng thời gian tác động. Sự giảm quang hợp đạt đến trạng thái cân bằng đối với NO nhanh hơn đối với NO 2 và sau khi môi trường hết ô nhiễm, sự quay trở lại trạng thái ban đầu đối với NO nhanh hơn đối với NO 2 . Trong những vùng đô thị hóa cao (nồng độ NO x đạt khoảng 3,93ppm), sự quang hợp có thể bị giảm đi 25%. 3.3. Cơ chế hình thành Oxyde Nitơ 3.3.1. Cơ chế hình thành monoxyde nitơ Trong họ NO x thì NO chiếm tỉ lệ lớn nhất. NO x chủ yếu do N 2 trong không khí nạp 0 100 200 0 40 80 20 60 100 t(s) Tỉ lệ gia tăng CO 2 9ppm 8ppm 2,5ppm Ảnh hưởng Phục hồi 0 100 200 0 40 80 20 60 100 t(s) Tỉ lệ gia tăng CO 2 5,8ppm 3,2ppm 1,6ppm Phục hồi Ảnh hưởng Chương 3: Cơ chế hình thành NO x trong quá trình cháy của động cơ đốt trong 29 vào động cơ tạo ra. Nhiên liệu xăng hay Diesel chứa rất ít nitơ nên ảnh hưởng của chúng đến nồng độ NO x không đáng kể. Nhiên liệu nặng sử dụng ở động cơ tàu thủy tốc độ thấp có chứa khoảng vài phần nghìn nitơ (tỉ lệ khối lượng) nên có thể phát sinh một lượng nhỏ NO x trong khí xả. Sự hình thành NO do oxy hóa nitơ trong không khí có thể được mô tả bởi cơ chế Zeldovich. Trong điều kiện hệ số dư lượng không khí xấp xỉ 1, những phản ứng chính tạo thành và phân hủy NO là: (3.1) (3.2) (3.3) Phản ứng (3.3) xảy ra khi hỗn hợp rất giàu. NO tạo thành trong màng lửa và trong sản phẩm cháy phía sau màng lửa. Trong động cơ, quá trình cháy diễn ra trong điều kiện áp suất cao, vùng phản ứng rất mỏng (khoảng 0,1mm) và thời gian cháy rất ngắn; thêm vào đó, áp suất trong xilanh tăng trong quá trình cháy, điều này làm nhiệt độ của bộ phận khí cháy trước cao hơn nhiệt độ đạt được ngay sau khi ra khỏi khu vực màng lửa nên đại bộ phận NO hình thành trong khu vực sau màng lửa. Hình 3.3: Sự phụ thuộc nồng độ NO theo nhiệt độ Sự hình thành NO phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt độ (hình 3.3). Hình 3.4 cho thấy mức độ tiến triển của phản ứng: (3.4) Phản ứng tạo NO có tốc độ thấp hơn nhiều so với phản ứng cháy. Nồng độ NO cũng phụ thuộc mạnh vào nồng độ oxy. Vì vậy trong điều kiện nhiệt độ cao và nồng độ O 2 lớn thì nồng độ NO trong sản phẩm cháy cũng lớn. 3.3.2. Sự hình thành dioxide nitơ Nồng độ NO 2 có thể bỏ qua so với NO nếu tính toán theo nhiệt động học cân bằng trong điều kiện nhiệt độ bình thường của ngọn lửa. Kết quả này có thể áp dụng gần đúng trong trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức. Đối với động cơ Diesel, người ta thấy có đến 30% NO x dưới dạng NO 2 . Dioxyde nitơ NO 2 được hình thành từ monoxyde nitơ NO và các chất trung gian của sản 10 20 0,5 1,0 2500 2600 2800 3000K t(ms) X/X e 2800 v/phút 0 200 400 10 30 2400 2000 1000 p me(kPa) 20 N O 2 /NO(%) ON NON ++ ← → 2 NO NOO ++ ← → 2 NOH NOH ++ ← → NO HO NO OH ++ ← → 22 NO NO 22 2 + ← → Chương 3: Cơ chế hình thành NO x trong quá trình cháy của động cơ đốt trong 30 vật cháy theo phản ứng sau: (3.5) Hình 3.4: Biến thiên tỉ số NO 2 /NO theo tải của động cơ Diesel Trong điều kiện nhiệt độ cao, NO 2 tạo thành có thể phân giải theo phản ứng: (3.6) Trong trường hợp NO 2 sinh ra trong ngọn lửa bị làm mát ngay bởi môi chất có nhiệt độ thấp thì phản ứng (3.6) bị khống chế, nghĩa là NO 2 tiếp tục tồn tại trong sản vật cháy. Vì vậy khi động cơ xăng làm việc kéo dài ở chế độ không tải thì nồng độ NO 2 trong khí xả sẽ gia tăng. Tương tự như vậy, khi động cơ Diesel làm việc ở chế độ tải thấp thì phản ứng ngược biến đổi NO 2 thành NO cũng bị khống chế bởi các vùng không khí có nhiệt độ thấp. Dioxyde nitơ cũng hình thành trên đường xả khi tốc độ thải thấp và có sự hiện diện của oxy. Hình 3.4 cho thấy biến thiên của tỉ lệ NO 2 /NO x trên đường xả động cơ Diesel theo chế độ tải. Tỉ lệ này càng cao khi tải càng thấp. NO 2 là chất độc khí nhất trong họ NO x vì vậy việc tổ chức tốt quá trình cháy để giảm tốc độ phản ứng tạo thành và tăng tốc độ phản ứng phân giải chất ô nhiễm này có ý nghĩa quan trọng. 3.3.3. Sự hình thành protoxyde nitơ Protoxyde nitơ N 2 O chủ yếu hình thành từ các chất trung gian NH và NCO khi chúng tác dụng với NO: (3.7) (3.8) N 2 O chủ yếu được hình thành ở vùng oxy hóa có nồng độ nguyên tử H cao, mà hydrogène là chất tạo ra sự phân hủy mạnh protoxyde nitơ theo phản ứng: (3.9) (3.10) Chính vì vậy N 2 O chỉ chiếm tỉ lệ rất thấp trong khí xả của động cơ đốt trong (khoảng 3 ÷ 8ppmV). 3.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành Oxyde Nitơ 3.4.1. Trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức Những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến sự hình thành NO là hệ số dư lượng không khí của hỗn hợp, hệ số khí sót và góc đánh lửa sớm. Ảnh hưởng của tính chất nhiên liệu đến nồng độ NO có thể bỏ qua so với ảnh hưởng của các yếu tố này. NO O NO O 22 ++ ← → NH NO N O H ++ ← → 2 NCO NO N O CO ++ ← → 2 NO H NH NO 2 ++ ← → NO H N OH 22 ++ ← → Chương 3: Cơ chế hình thành NO x trong quá trình cháy của động cơ đốt trong 31 1. Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí Hình 3.5 minh họa ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí đến mức độ phát sinh NO. Nhiệt độ cháy đạt giá trị cực đại tương ứng với hệ số dư lượng không khí khoảng 0,9, nghĩa là khi hỗn hợp hơi giàu. Tuy nhiên trong điều kiện đó nồng độ O 2 thấp nên nồng độ NO không đạt giá trị lớn nhất. Khi hệ số dư lượng không khí tăng, ảnh hưởng của sự gia tăng áp suất riêng O 2 đến nồng độ NO lớn hơn ảnh hưởng của sự giảm nhiệt độ cháy nên NO đạt giá trị cực đại ứng với hệ số dư lượng không khí khoảng 1,1 (hỗn hợp hơi nghèo). Nếu độ đậm đặc của hỗn hợp tiếp tục giảm thì tốc độ của phản ứng tạo thành NO cũng giảm do nhiệt độ cháy thấp. Điều ấy giải thích sự giảm nồng độ NO x khi tăng hệ số dư lượng không khí. Hình 3.5: Biến thiên nồng độ NO theo Hệ số dư lượng không khí 2. Ảnh hưởng của hệ số khí sót Trước khi cháy, hỗn hợp trong xi lanh bao gồm không khí, hơi nhiên liệu và khí sót. Khí sót có mặt trong hỗn hợp là do khí cháy của chu trình trước còn sót lại trong xy lanh hay do hồi lưu khí xả. Khi không có sự hồi lưu, lượng khí sót trong xi lanh phụ thuộc vào tải, góc độ phối khí và đặc biệt là khoảng trùng điệp giữa các soupape thải và nạp. Khi khoảng trùng điệp tăng thì lượng khí sót tăng làm giảm nồng độ NO. Mặt khác, lượng khí sót còn phụ thuộc vào chế độ động cơ, độ đậm đặc của hỗn hợp và tỉ số nén. Khí sót giữ vai trò làm bẩn hỗn hợp, do đó làm giảm nhiệt độ cháy dẫn đến sự giảm nồng độ NO x . Tuy nhiên, khi hệ số khí sót gia tăng quá lớn, động cơ sẽ làm việc không ổn định làm giảm tính kinh tế và tăng nồng độ HC. Hình 3.6 trình bày ảnh hưởng của tỉ lệ khí xả hồi lưu đến nồng độ NO ứng với các độ đậm đặc khác nhau của hỗn hợp. Nồng độ các chất ô nhiễm giảm mạnh theo sự gia tăng của tỉ lệ khí xả hồi lưu cho đến khi tỉ lệ này đạt 15 ÷ 20%, đây là tỉ lệ khí sót lớn nhất chấp nhận được đối với động cơ làm việc ở tải cục bộ. Nhiệt độ cháy giảm khi gia tăng lượng khí sót trong hỗn hợp là do sự gia tăng của nhiệt dung riêng môi chất. 0,8 1,0 1,2 1,4 1000 2000 3000 4000 N O(ppm) 50 1000 2000 3000 N O(ppm) Góc đánh lửa sớ m 17 16 A/F=15 40 30 20 10 0 a 10 20 1000 2000 3000 N O(ppm) EGR(%) 17 16 A/F=15 Chương 3: Cơ chế hình thành NO x trong quá trình cháy của động cơ đốt trong 32 Hình 3.6: Ảnh hưởng của tỉ lệ khí xả hồi lưu đến nồng độ NO Hình 3.7: Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến nồng độ NO Sự gia tăng tỉ lệ khí sót vượt quá giới hạn cho phép làm giảm chất lượng quá trình cháy dẫn đến sự cháy không hoàn toàn và động cơ làm việc không ổn định do bỏ lửa. Vì vậy, luợng khí sót tối ưu cần phải cân nhắc giữa sự giảm nồng độ NO và sự gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu. Điều này chỉ có thể thực hiện một cách tự động nhờ hệ thống điều khiển điện tử cho phép điều khiển lượng khí xả hồi lưu tối ưu ứng với mỗi chế độ vận hành của động cơ. 3. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm Góc đánh lửa sớm có ảnh hưởng mạnh đến sự phát sinh NO (hình 3.7). Khi tăng góc đánh lửa sớm, điểm bắt đầu cháy xuất hiện sớm hơn trong chu trình công tác, áp suất cực đại xuất hiện gần ĐCT hơn do đó giá trị của nó cao hơn. Vì vậy, tăng góc đánh lửa sớm cũng làm tăng nhiệt độ cực đại. Mặt khác, vì thời điểm cháy bắt đầu sớm hơn nên thời gian tồn tại của khí cháy ở nhiệt độ cao cũng kéo dài. Hai yếu tố này đều tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành NO. Tóm lại, tăng góc đánh lửa sớm làm tăng nồng độ NO trong khí xả. Trong điều kiện vận hành bình thường của động cơ, giảm góc đánh lửa 10 độ có thể làm giảm nồng độ NO từ 20 ÷ 30% ở cùng áp suất cực đại của động cơ. 3.4.2. Trường hợp động cơ Diesel Khác với động cơ đánh lửa cưỡng bức, do đặc điểm của quá trình tạo hỗn hợp không đồng nhất, quá trình cháy trong động cơ Diesel gồm hai giai đoạn: giai đoạn cháy đồng nhất diễn ra ngay sau kì cháy trễ và giai đoạn cháy khuếch tán. Sự phân bố nhiệt độ và thành phần khí cháy trong không gian buồng cháy là không đồng nhất. Đối với quá trình cháy hòa trộn trước, thành phần hỗn hợp có thể thay đổi trong phạm vi r ộng; trong khi đó, đối với quá trình cháy khuếch tán, màng lửa xuất hiện ở những khu vực cục bộ có thành phần hỗn hợp gần với giá trị cháy hoàn toàn lí thuyết. Cũng như trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức, nhiệt độ cực đại là yếu tố ảnh hưởng lớn đến sự hình thành NO trong quá trình cháy của động cơ Diesel. Trong mọi loại động cơ, sả n phẩm cháy của bộ phận nhiên liệu cháy trước tiên trong chu trình đóng vai trò quan trọng nhất đối với sự hình thành NO vì sau khi hình thành, bộ phận sản phẩm cháy đó bị nén làm nhiệt độ gia tăng do đó làm tăng nồng độ NO. Mặt khác, do quá trình cháy khuếch tán, trong buồng cháy động cơ Diesel luôn tồn tại những khu vực hay các ‘túi’ không khí có nhiệt độ thấp. Nhờ bộ phận không khí này mà NO hình thành trong buồng cháy động cơ Diesel được làm mát (gọi là sự ‘tôi’ NO) nhanh chóng hơn trong trương hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức và do đó NO ít có khuynh Chương 3: Cơ chế hình thành NO x trong quá trình cháy của động cơ đốt trong 33 hướng bị phân giải hơn. Các quan sát thực nghiệm cho thấy hầu hết NO được hình thành trong khoảng 20 0 góc quay trục khuỷu từ lúc bắt đầu cháy. Do đó, khi giảm góc phun sớm, điểm bắt đầu cháy lùi gần ĐCT hơn, điều kiện hình thành NO cũng bắt đầu trễ hơn và nồng độ của nó giảm do nhiệt độ cực đại thấp. Đối với động cơ Diesel cỡ lớn, giảm góc phun sớm có thể làm giảm đến 50% nồng độ NO trong khí xả trong phạm vi gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu chấp nhận được. Đối với động cơ Diesel nói chung, nồng độ NO x tăng theo độ đậm đặc trung bình (hình 3.8). Tuy nhiên nồng độ NO x giảm theo độ đậm đặc chậm hơn trong trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức do sự phân bố không đồng nhất của nhiên liệu. Trong quá trình cháy của động cơ Diesel, độ đậm đặc trung bình phụ thuộc trực tiếp vào lượng nhiên liệu chu trình. Do đó, ở chế độ tải lớn nghĩa là áp suất cực đại cao, nồng độ NO tăng. Ở động cơ Diesel phun gián tiếp, một bộ phận nhỏ NO hình thành trong buồng cháy chính (khoảng 35%) còn phần lớn được hình thành trong buồng cháy dự bị (khoảng 65%). Quá trình cháy trong buồng cháy phụ nói chung diễn ra trong điều kiện độ đậm đặc trung bình rất lớn, trừ trường hợp tải thấp, do đó nồng độ NO trong buồng cháy này cao. Thời gian dành cho sự phân giải NO trong hỗn hợp đậm đặc của buồng cháy dự bị rút ngắn vì ngay sau khi hình thành, nó được chuyển sang buồng cháy chính và ở đó, các phản ứng phân giải NO bị khống chế vì chúng được hòa trộn với không khí có nhiệt độ thấp. Hình 3.8: Ảnh hưởng độ đăm đặc trung bình đến nồng độ NO x trong động cơ Diesel Hình 3.8 trình bày biến thiên của nồng độ NO x và NO trong khí xả theo độ đậm đặc trung bình đối với động cơ Diesel phun trực tiếp, tốc độ 1000v/phút và góc phun sớm 27 0 trước ĐTC. Cũng như trong trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức, sự hồi lưu khí xả làm giảm NO do làm giảm nhiệt độ khí cháy. Tuy nhiên, ở động cơ Diesel ảnh hưởng của khí xả hồi lưu đến NO phụ thuộc mạnh vào chế độ tải. Ở chế độ tải cao, khí thải chứa nhiều CO 2 và hơi nước, hỗn hợp có nhiệt dung riêng lớn, còn ở chế độ tải thấp, khí hồi lưu chủ yếu là nitơ có nhiệt dung riêng bé. Ở động cơ Diesel tăng áp, sự gia tăng áp suất dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ khí cháy, do đó làm tăng nồng độ NO. 3.5. Ví dụ tính toán nồng độ NO x trong khí xả động cơ Diesel 3.5.1. Giới thiệu 0,3 1000 2000 3000 N O,NO x (ppm) f N O x N O 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 4000 Chương 3: Cơ chế hình thành NO x trong quá trình cháy của động cơ đốt trong 34 Trởn ợờy chóng ta ợỈ ợồ cẹp ợỏn cĨc phộn ụng hÈnh thÌnh NO x . KhĨc víi phđn lín cĨc chÊt khĨc cã mật trong sộn phẻm chĨy, nạng ợé NO x ợỨîc khèng chỏ bẽi ợéng hảc phộn ụng vÈ thêi gian chóng ợÓt ợiồu kiơn cờn bững nhiơt ợéng hảc xÊp xừ thêi gian chĨy. ớèi víi quĨ trÈnh chĨy trong ợéng cŨ, cĨc nhÌ nghiởn cụu ợỈ ợỨa ra nhƠng hơ phỨŨng trÈnh ợéng hảc phộn ụng khĨc nhau ợố mỡ tộ sù hÈnh thÌnh NO x nhỨ mỡ hÈnh Newhall, Annand, Zeldovich. CĨc yỏu tè cŨ bộn ợố tÝnh toĨn nạng ợé NO x theo cĨc mỡ hÈnh nÌy lÌ nạng ợé côc bé cĐa oxy, nhiởn liơu vÌ nhiơt ợé chĨy. Mỡ hÈnh ợố xĨc ợẺnh cĨc thỡng sè nÌy trong quĨ trÈnh chĨy cĐa ợéng cŨ Diesel ợỈ lÌ ợồ tÌi bÌn cỈi cĐa cĨc nhÌ khoa hảc tõ nhiồu thẹp kủ qua. Tõ lờu, mỡ hÈnh mét khu vùc ợỨîc sö dông nhỨ mét phỨŨng tiơn ợố tÝnh toĨn quĨ trÈnh chĨy ợéng cŨ Diesel. Mỡ hÈnh nÌy giộ ợẺnh hçn hîp trong buạng chĨy lÌ ợạng nhÊt, bá qua ộnh hỨẽng cĐa cĨc hiơn tỨîng lỶ hoĨ vÌ sù khuỏch tĨn nhiởn liơu - khỡng khÝ trong ngản löa. Mỡ hÈnh ợã râ rÌng khỡng cho phƯp xĨc ợẺnh ợỨîc nạng ợé NO x . Mỡ hÈnh ợa khu vùc ợỨîc thiỏt lẹp nhữm khÕc phôc nhỨîc ợiốm trởn. Tuy ợỨîc ghi nhẹn lÌ bỨíc tiỏn ợĨng kố, nhỨng mỡ hÈnh nÌy tạn tÓi mét nhỨîc ợiốm cŨ bộn ợã lÌ tèc ợé tiởu thô nhiởn liơu ợỨîc xĨc ợẺnh dùa trởn nhƠng biốu thục thùc nghiơm, do ợã khã cã thố khĨi quĨt hoĨ cho cĨc trỨêng hîp khĨc nhau cĐa ợéng cŨ Diesel. Mỡ hÈnh ngản löa khuỏch tĨn lÌ mỡ hÈnh ợa khu vùc ợỨîc thiỏt lẹp trong thêi gian gđn ợờy ợố tÝnh toĨn quĨ trÈnh chĨy cĐa ợéng cŨ Diesel. Tèc ợé tiởu thô nhiởn liơu ợỨîc xĨc ợẺnh dùa trởn cŨ sẽ cờn bững vẹt chÊt trong ngản löa rèi. Mỡ hÈnh nÌy ợỈ mẽ ra triốn vảng trong tÝnh toĨn nạng ợé cĨc chÊt ỡ nhiÔm cĐa quĨ trÈnh chĨy ợéng cŨ Diesel, ợậc biơt lÌ bạ hãng vÌ NO x . Phđn sau ợờy sỹ giíi thiơu mét vÝ dô vồ tÝnh toĨn sù hÈnh thÌnh NO x trong ợéng cŨ Diesel phun giĨn tiỏp bững mỡ hÈnh khuỏch tĨn. 3.5.2. Mỡ hÈnh tÓo NO x Trong trỨêng hîp ợđy ợĐ cã thố xem trong sộn vẹt chĨy cĐa khỡng khÝ vÌ nhiởn liơu hydrocarbure cã 12 chÊt: H 2 O, H 2 , OH, H, N 2 , NO, N, CO 2 , CO, O 2 , O, Ar. Phộn ụng hãa hảc trong trỨêng hîp tăng quĨt ợỨîc viỏt dỨíi dÓng: aCH O a n mr ONArx nmr i i q ().++− ⎛ ⎝ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ ++ ⎛ ⎝ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ → ∑ = α 42 78 21 1 21 22 1 (3.11) Trong ợã q lÌ tăng sè cĨc thÌnh phđn sộn vẹt chĨy vÌ x i lÌ thÌnh phđn mol cĐa chÊt i trong sộn vẹt chĨy. Phđn lín cĨc chÊt cã mật trong sộn phẻm chĨy cã thố xem ẽ trÓng thĨi cờn bững Chương 3: Cơ chế hình thành NO x trong quá trình cháy của động cơ đốt trong 35 nhiơt ợéng hảc trõ NO x , chÊt cã nạng ợé thay ợăi theo thêi gian. Trong phđn trởn chóng ta giíi thiơu hơ phỨŨng trÈnh Zeldovich. Trong vÝ dô nÌy chóng ta sö dông hơ phỨŨng trÈnh ợđy ợĐ hŨn cĐa ANNAND. Theo ANNAND, hơ cĨc phỨŨng trÈnh ợéng hảc phộn ụng khèng chỏ sù hÈnh thÌnh NO x bao gạm 7 phỨŨng trÈnh thuẹn nghẺch sau ợờy: NNO N O++ ←⎯⎯ ⎯→⎯ 2 , k T f1 10 3110 160 = − ⎛ ⎝ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ ,. .exp (3.12) N O NO O++ ←⎯⎯ ⎯→⎯ 2 , kT T f2 6 6410 3125 = − ⎛ ⎝ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ , . . .exp (3.13) NOH NOH++ ←⎯⎯ ⎯→⎯ , k f3 10 4210= ,. (3.14) HNO N OH++ ←⎯⎯ ⎯→⎯ 22 , ( ) kT f4 10 310 5350=−. .exp . (3.15) ONO N O++ ←⎯⎯ ⎯→⎯ 222 , k T f5 12 3210 18900 = − ⎛ ⎝ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ ,. .exp (3.16) ONO NONO++ ←⎯⎯ ⎯→⎯ 2 , kk ff65 = (3.17) NO M N O M 22 +++ ←⎯⎯ ⎯→⎯ , k T f7 12 10 30500 = − ⎛ ⎝ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ .exp (3.18) Tèc ợé tÓo thÌnh NO khi tÝnh theo gãc quay trôc khuủu viỏt dỨíi dÓng sau: [] dNO d V n R R RR R R RRR V () . () α θ θ =− + + + + ++ ⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ 30 1 11 2 1 1 23 6 6 457 (3.19) Trong ợã:V: Thố tÝch cĐa phđn sộn phẻm chĨy (cm 3 ); n: Sè vßng quay ợéng cŨ (v/ph); α: Gãc quay trôc khuủu (ợé); ∏ = = n j ejfii XkR 1 ][; k fi : lÌ hững sè tèc ợé phộn ụng thuẹn thụ i. (i=1÷7); [X j ] e : nạng ợé ẽ trÓng thĨi cờn bững nhiơt ợéng cĐa chÊt tham gia phộn ụng j trong phộn ụng thuẹn thụ i (mol/cm 3 ); θ= [NO] pỨ /[NO] e . 3.5.3. Mỡ hÈnh chĨy khuỏch tĨn trong ợéng cŨ Diesel phun giĨn tiỏp Trong giai ợoÓn chĨy khuỏch tĨn khỡng gian cĨc buạng chĨy cĐa ợéng cŨ Diesel PGT ợỨîc chia thÌnh bèn khu vùc nhỨ hÈnh 3.9 vÌ 3.10. Sau giai ợoÓn chĨy nhanh, nhiởn liơu ợỨîc tiỏp tôc phun vÌo, khỡng khÝ cßn lÓi trong buạng chĨy phô khuỏch tĨn vÌo tia phun vÌ chĨy khuỏch tĨn (khu vùc 1). ớé ợẹm ợậc trung bÈnh trong khu vùc 1 tÙng dđn vÌ quĨ trÈnh chĨy tÓi ợờy kỏt thóc khi ợé ợẹm ợậc trung bÈnh lín hŨn giĨ trẺ giíi hÓn trởn cĐa φ. Khu vùc nÌy bao gạm nhiởn liơu chỨ a chĨy, sộn phẻm chĨy. ẽ khu vùc 2, ban [...]... Hẩnh 3.12: So snh kt qu tính ton vè thí nghim nng ộ NOx ca ộng c KUBOTA theo số vòng quay, lợng nhin liu cung cấp chu trẩnh Qct=0.03g/ct; góc phun sớm 21o 37 Chng 3: C ch hỡnh thnh NOx trong quỏ trỡnh chỏy ca ng c t trong NOx Tinh toán(ppm) NOx Tờnh toaùn(ppm) NOx Thi nghiệm (ppm) 60 40 Nồng độ NOx (ppm) Nồng độ NOx (ppm) 50 30 20 10 0 1 1.1 1.2 1.3 NOx Thờ nghióỷm(ppm) 50 40 30 20 10 0 1.4 1 Hệ số d... ton sự hẩnh thènh NOx trong khí x ộng c Diesel 45 Nồng độ NOx (ppm) 50 NOx Thờ nghióỷm Nọửng õọỹ NOx (ppm) NOx Tờnh toaùn 80 70 60 50 40 30 20 10 0 16.5 NOx Tờnh toaùn NOx Thờ nghióỷm 40 35 30 25 20 15 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 18 19.5 21 22.5 24 Sọỳ voỡng quay (v/ph) Goùc phun sồùm (õọỹ) Hẩnh 3.11: So snh kt qu tính ton vè thí nghim NOx ca ộng c KUBOTA theo góc phun sớm, lợng nhin liu cung... diễn ra sớm 36 Chng 3: C ch hỡnh thnh NOx trong quỏ trỡnh chỏy ca ng c t trong hn do ó lèm tng gi tr p suất cực ểi, nhit ộ cực ểi cao hn vẩ vy nng ộ NOx sinh ra lớn hn So snh kt qu tính ton NOx với kt qu thực nghim cc số vòng quay khc nhau trẩnh bèy trn hẩnh 3.12 Cèng tng số vòng quay tốc ộ vn ộng rối ca khng khí trong bung chy cèng tng, lèm tng tốc ộ chy do ó NOx tng ln Sự sai lch gia tính ton l thuyt...Chng 3: C ch hỡnh thnh NOx trong quỏ trỡnh chỏy ca ng c t trong u lè khng khí, th tích khu vực nèy thu hp dn vè cuối cng lè sn phm chy chim chỗ Khu vực 3 lè chy trong bung chy chính u tin nó bao gm nhin liu cha chy ht, sn phm chy khng hoèn toèn Oxy trong bung chy chính khuch tn vèo khu vực 3 (ợc xem nh một ngn lửa khuch tn mới) ộ m c trung... vic gin hóa trong gi thit tính ton khi dng m hẩnh rối k--g c trng cho vn ộng rối ca mi chất trong bung chy So snh kt qu tính ton NOx với kt qu thực nghim theo ộ m c trung bẩnh ca hỗn hợp cc số vòng quay 1200 vòng/phút vè 2200 vòng/phút trẩnh bèy trn hẩnh 3.13 vè 3.14 Sự ph hợp gia tính ton vè thực nghim cho thấy có th dng h phng trẩnh ộng hc phn ng ca Annand tính ton sự hẩnh thènh NOx trong khí x... Piston Hẩnh 3.9: S phn chia khu vực giai oển chy khuch tn trong bung chy chính vè phụ Hẩnh 3.10: M hẩnh cc vng phn ng trong ộng c phun gin tip Nh vy có th xem qu trẩnh chy khuch tn trong ộng c Diesel phun gin tip gm hai ngn lửa khuch tn: Ngn lửa th nhất chy trong bung chy phụ, có c im lè tểi ming vòi phun ch có nhin liu, ngn lửa th hai chy trong bung chy chính tốc ộ phun thấp hn, ờng kính lỗ phun lớn... cn gii ng với 6 n số lè nhit ộ khí tểi cc vng 1, 2, 3, 4, p suất trong bung chy p vè nng ộ NOx H phng trẩnh nèy ợc thit lp dựa trn nh lut nhit ộng hc th nhất, phng trẩnh trểng thi khí l tng vè phng trẩnh (3.19) 3.5.4 Kt qu H phng trẩnh trn ợc p dụng tính ton qu trẩnh chy vè sự hẩnh thènh NOx trong ộng c KUBOTA So snh kt qu tính ton NOx với kt qu thực nghim cc góc phun sớm khc nhau ợc trẩnh bèy trn... Thờ nghióỷm(ppm) 50 40 30 20 10 0 1.4 1 Hệ số d lợng không khí 1.1 1.2 1.3 1.4 Hệ số d lợng không khí Hẩnh 3.13: Kt qu tính ton vè thí nghim nng ộ NOx ca ộng c KUBOTA theo h số d lợng khng khí khi n= 1200v/ph 38 Hẩnh 3.14: Kt qu tính ton vè thí nghim nng ộ NOx ca ộng c KUBOTA theo h số d lợng khng khí trung bẩnh khi n= 2200v/ph