Sản phẩm dầu mỏ thương phẩm phần 8 docx

Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm 1000v/phút và góc phun sớm 27 0 trước ĐCT. Cũng như trong trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức, sự hồi lưu khí xả làm giảm NO do giảm nhiệt độ khí cháy. 5.1.4.2. Sự hình thành monoxyt cacbon CO. Khi nhiên liệu bị đốt cháy trong điều kiện không đủ oxy thì một phần nhiên liệu không cháy sẻ chịu tác động của nhiệt độ cao và bị phân huỷ hoặc cháy không hoàn toàn để tạo thành monoxyt cacbon (CO). Ngoài ra ở trong điều kiện có nhiệ t độ cao thì một phần khí CO 2 hình thành có thể bị biên đổi thành CO. Phường trình phản ứng: 2C + O 2 → 2CO C + CO 2 → 2CO Nồng độ của CO phụ thuộc và các yếu tố sau: Ảnh hưởng của áp suất nạp Với cùng góc phun sớm, áp suất nạp càng nhỏ thì tốc độ cháy càng thấp kéo theo sự giảm áp suất và nhiệt độ cực đại trong xi lanh. Ảnh hưởng của độ giàu Khi nồng độ quá thấp hay quá cao đều làm gia tăng nồng độ của CO trong khói thải. Ảnh hưởng của góc phun sớm Góc phun sớm gây ả nh hưởng đến nồng độ CO trên đường xả. Nếu nhiên liệu được phun vào quá trễ, quá trình cháy kéo dài trên đường giãn nở, khi đó nhiệt độ giảm nhanh làm giảm khả năng cháy của nhiên liệu, do đó làm tăng nồng độ CO. Ảnh hưởng của hệ số khí sót Khi tăng hệ số khí sót, nhiệt độ cháy giảm làm giảm tốc độ phản ứng phân giải CO 2 thành CO, do đó nồng độ CO trong sản phẩm cháy giảm. Vì vậy, hệ thống hồi lưu khí xả EGR lắp trên các động cơ hiện đại để khống chế nồng độ NOx đồng thời cũng góp phần làm giảm nồng độ CO ở chế độ tải thấp ThS. Trương Hữu Trì Trang 106 Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm 5.1.4.3. Sự hình thành hydrocacbon chưa cháy. Sự phát sinh HC trong quá trình cháy của động cơ đánh lửa cưỡng bức Trong khí xả của động cơ xăng, nồng độ HC tăng nhanh theo độ giàu của hỗn hợp. Tuy nhiên, khi độ giàu 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 do các nguyên nhân sau đây:  Sự tôi màng lửa khi tiếp xúc với thành tạo ra một hỗn hợp không bén lửa trên mặt thành buồng cháy.  Hỗn hợp chứa trong các không gian chết không cháy được do màng lửa bị dập tắt (đây được xem là nguyên nhân chủ yếu)  Hơi nhiên liệu hấp thụ vào lớp dầu bôi trơn trên bề mặt xi lanh trong giai đoạn nạp và nén, sau đó thải ra trong giai đoạn giãn nở và thải.  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 giàu, thay đổi góc đánh lửa sớm hay hồi lưu khí xả, đặc biệt là khi giảm tốc độ. (Chất lượng của quá trình cháy) Mặt khác, muội than trong buồng cháy cũng có thể gây ra sự gia tăng mức độ ô nhiễm do sự thay đổi theo cơ chế trên đây. ThS. Trương Hữu Trì Trang 107 Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm Sơ đồ các nguồn phát sinh HC Ảnh hưởng của các không gian chết Trong các nguyên nhân trên thì yếu tố các không gian chết được xem là nguyên nhân chủ yếu phát sinh HC chưa cháy. ThS. Trương Hữu Trì Trang 108 Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm Sự phát sinh HC trong quá trình cháy của động cơ Diesel 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 rồi hoà trộn với không khí và biến đổi để tự bốc cháy. Khi độ đậm đặc của hỗn hợp quá lớn hoặc quá bé đều làm giảm khả năng tự bắt cháy, do đó làm tăng nồng độ HC chưa cháy. 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. Nếu so sánh không gian chết với động cơ đánh lửa cưỡng bức thì ở động cơ Diesel không gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến nồng độ HC trong khí xả vì trong giai đoạn đầu của quá trình cháy và quá trình nén, các không gian chết chỉ chứa không khí và khí sót. Ảnh hưở ng của lớp dầu bôi trơn bám trên mặt gương xilanh, ảnh hưởng của lớp muội than cũng như ảnh hưởng của sự tôi màng lửa đối với quá trình hình thành HC trong động cơ Diesel nhìn chung không đáng kể so với động cơ đánh lửa cưỡng bức. Cũng như động cơ đánh lửa cưỡng bức, sự tôi ngọn lửa diễn ra gần thành và đó là nguồn phát sinh HC, hiện tượ ng này phụ thuộc đặc biệt vào khu vực va chạm giữa tia nhiên liệu và thành buồng cháy. Sự dập tắt ngọn lửa dẫn đến sự gia tăng mạnh nồng độ HC thường chỉ diễn ra khi động cơ có tỷ số nén thấp và phun trễ. Mặt khác sự dập tắt ngọn lửa cũng xảy ra khi khởi động động cơ ở trạng thái nguội với sự hình thành khói trắng (chủ yếu là do những hạt nhiên liệu không cháy tạo thành). 5.1.4.4. Sự hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel Bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel phần lớn do quá trình cháy không hoàn toàn của nhiên liệu sinh ra, chỉ có một bộ phận nhỏ do sự cháy của dầu bôi trơn. Quá trình cháy khuếch tán trong động cơ Diesel rất thuận lợi cho việc hình thành bồ hóng. Sự cháy của hạt nhiên liệu lỏng trong khi chúng dịch chuyển trong buồng cháy cũng như sự tập trung c ục bộ hơi nhiên liệu ở những vùng có nhiệt độ cao là nguyên nhân chính sản sinh bồ hóng. ThS. Trương Hữu Trì Trang 109 Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm Thành phần hạt bồ hóng Ngày nay qua nghiên cứu người ta đã xác định một cách chính xác bồ hóng bao gồm những thành phần sau: Cacbon: Thành phần này ít nhiều phụ thuộc vào nhiệt độ cháy và hệ số dư không khí, đặc biệt là động cơ làm việc ở chế độ đầy tải. Dầu bôi trơn không cháy: Đối với động cơ cũ thành phần này chiếm tỉ lệ lớn, lượng dầu bôi trơn tiêu hao và lượng b ồ hóng có quan hệ với nhau. Nhiên liệu chưa cháy hoặc cháy không hoàn toàn: Thành phần này phụ thuộc vào nhiệt độ, hệ số dư không khí và cấu trúc buồng đốt của động cơ. Sunfat: Do lưu huỳnh trong nhiên liệu bị ôxy hoá thành SO 2 , hoặc (SO 4 ) 2 Các chất khác: Lưu huỳnh, canxi, phốtpho, sắt Thành phần hạt bồ hóng còn phụ thuộc vào tính chất nguyên liệu, đặc điểm quá trình cháy, dạng động cơ cũng như thời gian sử dụng động cơ (cũ hay mới). Kết quả nghiên cứu thực nghiệm về sự phân bố kích thước hạt bồ hóng cho thấy bồ hóng trong khí xả tồn tại dưới hai dạng: dạng đơn và dạng tích t ụ. Dạng đơn: tồn tại ở nhiệt độ trên 500 0 C, ở dạng này các hạt bồ hóng là sự kết hợp của các lớp sơ cấp hình cầu (mỗi một hạt sơ cấp hình cầu này chứa khoảng 10 5 ÷ 10 6 nguyên tử cacbon). Dạng đơn này được gọi là phần không hoà tan ISF (Insoluble Fraction) hay thành phần rắn SOL (Solid). Dạng tích tụ: Do các hạt bồ hóng liên kết lại với nhau và tồn tại ở nhiệt độ thấp hơn 500 0 C. Các hạt bồ hóng này được bao bọc bởi thành phần hữu cơ nặng ngưng tụ và hấp thụ trên bề mặt hạt: HC chưa cháy, HC bị ôxy hoá (ceton, este, ete, axit hữu cơ) và các hydrocacbon đa nhân HAP. Thể tích tụ này có thể còn có thêm các hạt khác như SO 2 , NO 2 . . . những hạt này được gọi là thành phần hữu cơ hoà tan SOF (Soluble Oganic Fraction). Trong khí xả động cơ thành phần này có thể chiếm từ 5 ÷80% Cấu trúc hạt bồ hóng Cấu trúc tinh thể hạt bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel tương tự graphit nhưng ít đều đặn hơn, mỗi hạt sơ cấp hình cầu là tập hợp khoảng 1000 mầm tinh thể ThS. Trương Hữu Trì Trang 110 Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm có dạng phiến mỏng được sắp xếp đồng đều quanh tâm của mỗi hạt cầu tương tự như cấu trúc của cacbon đen. Những nguyên tử cacbon kết nối với nhau theo các phiến lục giác phẳng cách nhau khoảng 0,34 ÷ 0,36 nm. Các phiến này kết hợp với nhau tạo thành các mầm tinh thể, những mầm tinh thể này lại sắp xếp lại theo các hướng song song với mặt hạt cầu để t ạo thành hạt. Mô hình cấu trúc dạng hạt sơ cấp Cấu trúc tinh thể graphit Người ta cho rằng hạt bồ hóng được hình thành theo 5 giai đoạn như sau:  Polyme hoá acetylen và polyacetylen.  Tạo các hydrocacbon thơm đa nhân (HAP).  Ngưng tụ và graphit hoá các cấu trúc HAP.  Tạo hạt qua các tác nhân ion hoá và hợp thành các phân tử nặng.  Tạo hạt qua các tác nhân trung tính và phát triển bề mặt tạo thành các thành phần nặng. ThS. Trương Hữu Trì Trang 111 Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm Hiện nay người ta thường mô tả sự hình thành bồ hóng qua bốn giai đoạn được tóm tắt như sau: Quá trình tạo bồ hóng trong động cơ Diesel. Cơ chế trung gian về động hoá học của sự tạo thành bồ hóng từ các phân tử Aromatic ThS. Trương Hữu Trì Trang 112 Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm Tóm lại, trong buồng cháy động cơ Diesel liên tục xảy ra quá trình tạo hạt nhân, phát triển bề mặt và liên kết hạt. Ở mỗi giai đoạn khi nhiệt độ đủ cao, hạt bồ hóng bị ôxy hoá một phần hay toàn phần. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành hạt bồ hóng. Sự hình thành hạt bồ hóng trong ngọn lửa khuếch tán trước tiên phụ thuộc vào nhiên liệu, khi nhiên liệu có thành phần Cacbon càng cao thì nồng độ bồ hóng càng lớn. Độ giàu của hỗn hợp công tác là yếu tố chủ yếu ảnh hưởng nên sự hình thành bồ hóng bởi khí độ giàu lớn hơn 1 quá trình cháy không hoàn toàn một phần nhiên liệu bị phân huỷ và tạo các hợp chất có thể ngưng tụ tạo ra bồ hóng. Ngược lại khi hỗn hợp nghèo và được phân bố đồng nhất thì nồng độ bồ hóng rất bé, có thể bỏ qua. Mặt khác nếu oxy có thừ a trong hỗn hợp cháy thì nó có thể oxy hoá bồ hóng sau khi chúng được hình thành, do đó làm giảm nồng độ bồ hóng cuối cùng có mặt trong sản phẩm cháy. 5.4.2. Giải pháp nhằm giảm thiểu nồng độ chất độc hại trong khí cháy Qua nghiên cứu các điều kiện hình thành các chất ô nhiễm trong khói thải động cơ từ đó người ta đưa ra những biện pháp nhằm giảm thiểu các chất ô nhiễm này. Một cách tổng quát thì các giải pháp này được chia thành ba hướ ng như sau:  Cải thiện động cơ và tối ưu hoá quá trình cháy  Cải thiện nhiên liệu bằng, sử dụng nhiên liệu sạch hay dùng nhiên liệu thay thế  Xử lý chất ô nhiễm trước khi thải ra môi trường. 5.4.2.1. Giải pháp nhằm giảm thiểu ô nhiễm ngay tại nguồn Trong những thập niên tới mối quan tâm hàng đầu của việc thiết kế động cơ là giảm mức độ phát sinh ô nhiễm ngay từ nguồn, nghĩa là trước khi ra khỏi xupap xả. Vì vậy, các nhà thiết kế động cơ không chỉ chú trọng đơn thuần về công suất hay tính kinh tế của động cơ mà phải cân nhắc giữa các mục tiêu này và mức độ phát sinh ô nhiễm. ThS. Trương Hữu Trì Trang 113 Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm Động cơ đánh lửa cưỡng bức. Ở động cơ đánh lửa cưỡng bức có ba chất ô nhiễm chính cần quan tâm là NO x , HC và CO. Trong các động cơ thế hệ mới làm việc với hỗn hợp nghèo, người ta thiết kế buồng cháy và các thiết bị phụ trợ nhằm tạo ra chuyển động rối của hỗn hợp công tác trong quá trình cháy để làm giảm nồng độ các chất ô nhiễm, đặc biệt là HC, bởi sự tăng cường chuyển động rối sẽ làm tăng tốc độ lan tràn màng lửa và hạn chế việ c xuất hiện những vùng “chết”. Gia tăng chuyển động rối có thể thực hiện bằng cách sau:  Gia tăng vận tốc xoáy lốc của hỗn hợp trên đường ống nạp.  Sử dụng hai supap nạp khi động cơ làm việc toàn tải và một supap khi làm việc ở tải cục bộ.  Tạo ra một tia khí phun vào đường nạp phụ có kích thước nhỏ hơn đường nạp chính.  Ở động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo, việc làm giảm nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả cũng có thể được thực hiện riêng rẽ hay đồng thời hai giải pháp sau:  Tổ chức quá trình cháy với độ giàu rất thấp.  Hồi lưu một bộ phận khí xả (EGR: Exhaut Gas Recirculation) Ngày nay, hệ thống hồi lưu khí xả được dùng phổ biến trên tất cả các loại động c ơ đánh lửa cưỡng bức. Đối với động cơ Diesel. Đối với động cơ Diesel các giải pháp kỹ thuật tối ưu làm giảm mức độ phát sinh ô nhiễm ngay trong buồng cháy cần phải được cân nhắc giữa nồng độ các chất CO, HC và bồ hóng trong khí xả. ThS. Trương Hữu Trì Trang 114 Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm Việc thay đổi góc phun sớm có ảnh hưởng trái ngược nhau đến nồng độ HC và NO x, sự ảnh hưởng này thể hiện ở đồ thị bên. Các nhà chế tạo động cơ Diesel đã đề ra nhiều biện pháp khác nhau về kỹ thuật phun và tổ chức quá trình cháy nhằm giới hạn nồng độ hai chất ô nhiễm này. Các biện pháp chính là:  Tăng tốc độ phun để làm giảm nồng độ bồ hóng do tăng tốc độ hoà trộn nhiên liệu - không khí.  Tăng áp suất phun, đặ c biệt là đối với động cơ phun trực tiếp.  Điều chỉnh dạng qui luật phun theo hướng kết thúc nhanh quá trình phun để làm giảm HC. Cũng như động cơ xăng, hồi lưu khí xả là một trong những biện pháp hiệu quả nhất để giảm mức độ phát sinh NO x trong động cơ Diesel. Sơ đồ nguyên lý hệ thống hồi lưu khí xả động cơ Diesel. Tuy nhiên, khí xả hồi lưu có thể làm tăng một ít nồng độ bồ hóng và HC, vì vậy nên đưa vào nhiên liệu một lượng nhỏ phụ gia tẩy rửa. Ảnh hưởng của tỷ lệ khí xả hồi lưu đến mức độ phát sinh NO x và hạt rắn 5.4.2.2. Giải pháp liên quan đến nhiên liệu. ThS. Trương Hữu Trì Trang 115 [...]... ở gần hệ số tỷ lượng và tỷ lệ này được điều chỉnh nhờ cảm biến lamda Độ chuyển hoá các chất ô nhiễm qua bộ xúc tác rất nhạy cảm đối với sự thay đổi tỷ lệ hỗn hợp ThS Trương Hữu Trì Trang 1 18 Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm Sơ đồ điều khiển độ giàu bằng cảm biến lamda Biến thiên hiệu quả ống xả xúc tác ba chức năng theo độ lệch của tỷ số không khí /nhiên liệu so với giá trị cháy hoàn toàn lý thuyết Cấu tạo... Hữu Trì Trang 119 Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm Khung chất mang ceramic Khung chất mang kim loại Vật liệu gốm dùng phổ biến là cordierite: 2MgO,2Al2O3,5SiO2 Vật liệu này có ưu điểm là nhiệt độ nóng chảy cao (14000C) do đó nó có thể chịu đựng nhiệt độ khí xả Tuy nhiên loại này cũng có độ dòn cao nên dễ bị vỡ Để khắc phục người ta dùng khung kim loại, nó được chế tạo từ những lá thép cán mỏng thành dạng... ÷ 2% HC chưa cháy 0.5÷1% bao gồm các HC và sản phẩm của quá trình oxi hoá không hoàn toàn (aldehyt, cetone…) Các hợp chất khác N2 : 70 ÷ 75% Hơi H2O : 10 ÷ 12% ThS Trương Hữu Trì Trang 117 Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm CO2 : 10 ÷ 13.5% SO2 : 15 ÷ 60ppm Bộ xúc tác được sử dụng ở đây cho phép xử lý đồng thời ba hợp chất CO, HC và NOx bởi các phản ứng oxi hoá khử và bị khử, vì vậy nó được gọi là bộ xúc.. .Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm Đối với động cơ Diesel, việc cải thiện chất lượng nhiên liệu nhằm giảm mức độ phát sinh chất ô nhiễm có hiệu quả rõ ràng hơn đối với động cơ xăng Cải thiện chất lượng nhiên liệu diesel... khí xả, hệ thống này bao gồm bộ xúc tác khử, bộ cung cấp khí và bộ xúc tác oxi hoá Bộ xúc tác ba chức năng đầu tiên được đưa vào sử dụng từ năm 1975 trên động cơ ThS Trương Hữu Trì Trang 116 Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm đánh lửa cưỡng bức làm việc với hệ số độ giàu xấp xĩ bằng 1 và trở thành bộ xúc tác được ứng dụng rộng rãi nhất hiện nay Trong khi chờ đợi những giải pháp lý tưởng nhằm hạn chế triệt để... dụng trên động cơ Diesel cũng góp phần đáng kể vao việc giảm lượng bồ hóng phát sinh a Bộ xử lý ba chức năng Trong thành phần của khói thải động cơ có chứa các hợp chất với thành phần như sau: Hợp chất có tính oxi hoá Oxi : 0.2 ÷ 2% Oxit nitơ : NO (0.01 ÷ 0.4%); N2O ( . ở những vùng có nhiệt độ cao là nguyên nhân chính sản sinh bồ hóng. ThS. Trương Hữu Trì Trang 109 Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm Thành phần hạt bồ hóng Ngày nay qua nghiên cứu người ta. và sản phẩm của quá trình oxi hoá không hoàn toàn (aldehyt, cetone…)  Các hợp chất khác.  N 2 : 70 ÷ 75%  Hơi H 2 O : 10 ÷ 12% ThS. Trương Hữu Trì Trang 117 Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm. hình cầu là tập hợp khoảng 1000 mầm tinh thể ThS. Trương Hữu Trì Trang 110 Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm có dạng phiến mỏng được sắp xếp đồng đều quanh tâm của mỗi hạt cầu tương tự như cấu trúc