QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG cơ đốt TRONG

CÁC DẠNG QUÁ TRÌNH CHÁY - Quá trình cháy của hỗn hợp đồng nhất: động cơ đánh lửa cưỡng bức, hỗn hợp hòa trộn trước khi cháy.. Tốc độ tăng áp suất nhỏ, cháy khuếch tán vừa phun vừa cháy T

QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Chương 1 GIỚI THIỆU

1 CÁC DẠNG QUÁ TRÌNH CHÁY

- Quá trình cháy của hỗn hợp đồng nhất: động cơ đánh lửa cưỡng bức, hỗn hợp hòa trộn trước khi cháy Tốc độ tăng áp suất lớn: cháy đẳng tích

- Cháy khuếch tán: động cơ diesel, vừa hòa trộn vừa cháy Tốc độ tăng

áp suất nhỏ, cháy khuếch tán (vừa phun vừa cháy)

Tỷ số nén của động cơ diesel rất cao, nên cháy khuếch tán là hợp lý hơn Do đó không thể cải tạo động cơ diesel thành động cơ xăng

2 CHÁY CỦA HỖN HỢP HÒA TRỘN TRƯỚC

2.1 Giới hạn cháy

2 2

2 2

4 ( 4 2

) 4 )(

4

(

1 )

m nCO N

12 +

m n A

12 )

28 4 32 ( 4

n

m n A

Màng lửa là khu vực phản ứng rất mỏng, mà bề dày của nó rất bé nên

có thể bỏ qua so với kích thước buồng cháy

Cháy đồng nhất: Màng lửa lan dần từ bugi đến những nơi xa nhất

+ Nếu không có chuyển động rối thì màng lửa có dạng hình cầu

+ Nếu có chuyển động rối sẽ làm màng lửa nhăn nheo làm diện tích màng lửa tăng lên rất lớn; đồng nghĩa với việc tốc độ tiêu thụ nhiên liệu cũng tăng lên

Gọi Sn (m/s) là tốc độ cháy: là tốc độ lan dần của màng lửa theo phương vuông góc với bề mặt màng lửa

144 4

1 3

8 1

3 / 8 12 144

4 1

F

lt

lt A F

tt A F

) / (

) / (

=

055 , 0 061 , 0 9 , 0 ) / (

Vậy tương ứng tiêu thụ một lượng nhiên liệu là:

QF = 10-3.1,1/21,1 = 52,1.10-5 kgnl/s Công suất của quá trình cháy:

kW p

Q Q

493 , 1 1 , 22 33

10 3 1 , 22

1 , 1 10

Màng lửa Sn

Tp_ Nhiệ t độ sản phẩ m cháy

* Nhiệt độ hỗn hợp chưa chây lín đến 500K

Gọi Sg lă tốc độ dịch chuyển măng lửa do giên nở của khí chây gđy ra Khi đó tốc độ dịch chuyển tuyệt đối của măng lửa lă Ss: Ss = Sg + Sn

Nhận xĩt: Ss lớn hơn rất nhiều so với Sn Với Sn lă tốc độ chây cơ bản, quyết định công suất của quâ trình chây

2.3 Đo tốc độ lan trăn măng lửa

LPG Không khí

Lưu lượ ng kế Buồ ng hỗ n hợ p

Nế n đánh lửa

Ngọ n lửa

Ố ng nhự a trong suố t

Ứng với  cho trước, ta điều chỉnh lưu lượng (không khí vă nhiín liệu) Khóa câc van không khí vă van nhiín liệu lại Bật tia lửa điện Xâc định thời gian t vă chiều dăi L Sử dụng công thức: Sn = L/t

- Hỗn hợp không được chuẩn bị trước

- Tốc độ chây phụ thuộc tốc độ hòa trộn nhiín liệu – không khí Trộn được bao nhiíu thì chây bấy nhiíu

- Muốn tăng tốc độ chây để tăng công suất chây thì phải tăng cường tốc độ hòa trộn thông qua tăng cường xoây lốc

3.1 Tia phun nhiín liệu

Không khí

Lõi nhiên liệ u lỏng Hạ t nhiên liệ u

Khu vự c nhiên liệ u bố c hơi

L

Độ đậ m đặ c

Âp suất phun cao (200bar), đường kính lỗ phun nhỏ  = 0,2mm Tốc độ phun được tính theo công thức: p = ½ .V2 Suy ra:

s m p

bộ Vì vậy giai đoạn đầu, động cơ diesel chây như động cơ đânh lửa cưỡng bức Sau đó lă giai đoạn vừa phun – hòa trộn – chây, nín tốc độ chây sau năy thấp hơn nhiều so với tốc độ chây ban đầu

Hơi nhiên liệ u

Hạ t nhiên liệ u lỏng

Khu vự c phản ứng quanh hạ t nhiên liệ u

RKhu vự c cháy

Thực tế, trong động cơ diesel, tia phun bị xĩ nhỏ do vận động xoây lốc của dòng khí trong buồng chây Cho nín tốc độ bốc hơi hòa trộn của tia nhiín liệu lớn hơn nhiều trong buồng chây có khí nĩn yín tĩnh

4 CHÂY PHĐN LỚP (STRATIFIED COMBUSTION)

Đđy lă thănh tựu mới nhất trong ngănh động cơ đốt trong hiện nay Động cơ chây phđn lớp lă động cơ lăm việc ở hai chế độ khâc nhau:

- Khi cần phât công suất lớn thì nó lăm việc với hỗn hợp đồng nhất: lăm việc giống như động cơ đânh lửa cưỡng bức

- Khi hoạt động cơ công suất bĩ thì nó chây phđn lớp

Nguyín lý quâ trình chây phđn lớp lă: chây hỗn hợp không đồng nhất, nhưng không phải lă tự chây mă dùng đânh lửa cưỡng bức Hỗn hợp rất nghỉo ( rất bĩ)

Tổ chức phđn lớp cho hỗn hợp:

Như vậy trong trường hợp này hiệu suất của quá trình cháy phân lớp cao hơn quá trình cháy của động cơ diesel; đồng thời không có nhiên liệu thừa nên ít ô nhiễm môi trường

Điều cơ bản của vấn đề tổ chức cháy phân lớp là làm sao tạo được hỗn hợp tối ưu ngay tại bugi

ở chế độ cháy phân lớp (tải nhỏ)

Ví dụ đối với động cơ phun xăng trực tiếp thì người ta tính toán để làm sao, khi khối nhiên liệu đi tới cực bugi thì bugi sẽ lập tức đánh lửa

Động cơ cháy phân lớp là xu thế phát triển của động cơ đánh lửa cưỡng bức ngày nay Quá trình làm việc của động cơ cháy phân lớp có thể được biểu diễn như sau:

Voìi phun Bugi

Cháy phân lớp Diesel

Cháy đồ ng nhấ t

Chương 2 CHÁY VÀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG

1 GIỚI THIỆU

Khoảng 80% cơ năng trên thế giới là do động cơ đốt trong sinh ra từ Quá trình cháy diễn ra ở các hình thức:

- Động cơ đốt trong sinh ra thông qua quá trình cháy

- Quá trình cháy trong công nghiệp như lò hơi và các quá trình cấp nhiệt khác

- Quá trình gia dụng như bếp, lò sưởi, v.v…

Nhiên liệu chủ yếu là Hydrocacbon Hay nói cách khác, chính là nhiên liệu hóa thạch (fossile) có nguồn gốc hữu cơ (cây cỏ, gỗ rừng) bị vùi lấp lâu năm → than đá Hoặc xác chết của sinh vật (cá, rong tảo, ) dưới đáy đại dương → tạo thành các lớp trầm tích chôn vùi Trong điều kiện thiếu ôxy và ở

áp suất cao, các chất này biến thành dầu mỏ và khí đốt

Tóm lại: nhiên liệu hóa thạch ngày nay dùng là từ chất hữu cơ có công thức C, H, O, N mà chủ yếu là C và H

Trong quá trình cháy: H biến thành H2O (hơi nước)

C biến thành CO2, CO và các chất khác Quá trình cháy của C & H thì cần O2 & N2 Trong điều kiện nhiệt độ cao N2 & O2 biến thành NOx

Như vậy, trong quá trình cháy, ngoài CO2 & H2O, trong khí xả còn có các chất ô nhiễm khác, như là: CO, HC, NOx, bồ hóng,… là những chất ô nhiễm mà không thể tránh được

2 TÓM TẮT TÁC HẠI CỦA CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG SẢN PHẨM CHÁY

2.1 CO

CO (Monoxydecacbon) là chất khí cực độc, không mùi, không màu; gây tử vong với hàm lượng rất bé Khi đi vào cơ thể người (hít vào), chúng sẽ chiếm lĩnh hồng huyết cầu, không cho hồng huyết cầu tải O2 đến nuôi các tế bào Dẫn đến con người bị chết ngạt một cách từ từ (dù vẫn thở) Nguy hiểm

ở chỗ là: cơ thể lịm dần, lịm dần rồi chết, và rất khó phát hiện

Con người chết ngạt khi có 70% hồng huyết cầu bị khống chế Tương đương với hàm lượng CO trong khí quyển là 1000 ppm

CO được mệnh danh là kẻ giết người thầm lặng Ví dụ: Những quốc gia

xứ lạnh, dùng lò sưởi; trong nhà nếu không thông gió tốt sẽ tích tụ nhiều khí

CO làm hàm lượng CO trong không khí tăng lên Trong các ga ra tập thể (nhà xe), bếp lò tập thể, hoặc xe máy và ô tô mới mua về, cho chạy Rôđa trong nhà đóng kín cửa sổ… Vì vậy ở những nơi có nguy cơ ô nhiễm CO cao thì phải gắn cảm biến nồng độ CO để tự động phát hiện, báo động (hú còi, phát sáng…) khi nồng độ CO lớn hơn giá trị ngưỡng cho phép

2.2 HC

HC (hay là Hydrocacbon chưa cháy nói chung)

Hydrocacbon no CnH2n+2, như dầu mỏ, xăng là những chất không độc Nhưng khi ở nhiệt độ cao, các phản ứng hóa học diễn ra ở môi trường có N2

và O2 thì chất CnH2n+2 biến thành vô số các chất trung gian khác Trong đó có những chất trung gian rất độc như là: Thuốc trừ sâu, Dioxin, Furanne,…Những chất trung gian này có thành phần quá bé nên rất khó xác định bằng những dụng cụ đo thông thường, vì vậy mà người ta gọp chung chúng lại thành là Hydrocacbon chưa cháy

Ngoài ra còn có chất HAP (Hydrocacbon Aromatic Polycyclique) Chất này gây ung thư

Benzen gây ung thư

Tóm lại: Những chất trung gian trong quá trình cháy là những chất gây nguy hiểm, chúng tỷ lệ với tổng lượng H & C; lượng H, C càng cao thì thì thành phần chất độc càng lớn Một mặt H, C tồn tại nhiều trong khí xả làm ảnh hưởng đến tính kinh tế

Phiến graphit

Nhiín liệu bị phđn hủy nhiệt tạo thănh câc hạt cơ sở

có đường kính nanomet (rất bĩ) Sau đó, do sự ngưng tụ của hơi nhiín liệu trín câc hạt cơ bản (gọi lă phât triển bề mặt) → kích thước của câc hạt năy tăng lín Sau đó chúng liín kết lại với nhau (nhờ lực hút tĩnh điện) → tạo thănh những hạt lớn hơn

Đồng thời với quâ trình đó lă quâ trình ôxy hóa nín sau khi bị ôxy hóa, những hạt bĩ biến mất, những hạt lớn thì giảm kích thước (hiện diện trong khí thải)

Chúng nguy hiểm ở chỗ lă nó có tâc dụng kĩp: Cơ học vă hóa học

Tâc dụng cơ học: gđy hại như những loại bụi cơ học khâc

Tâc dụng hóa học: gđy ung thư (vì bồ hóng lă dạng xốp, nín trong quâ trình hình thănh, nó hấp thụ Hydrocacbon trong câc lỗ xốp, trong đó đặc biệt nguy hiểm lă chất HAP

Hít phải bồ hóng nghĩa lă hít chất HAP lă chất độc núp trong câc lỗ xốp của bồ hóng

Liín hệ: Tỉ lệ thợ cạo ống khói bị ung thư phổi rất cao Lưu ý: thịt hun khói, câ hun khói đều có chứa bồ hóng

TÓM LẠI: sự có mặt của câc chất ô nhiễm CO, HC, NOX vă bồ hóng lă tất yếu trong bất kỳ sản phẩm chây năo từ CnHm Đặc biệt lă trong khói thuốc

lâ, khi chây cho ra câc chất (CO2, H2O, CO, HC, NOX, bồ hóng, nicotine,…)

đi văo phổi

HAP + O2 (nhiệt độ cao) → CO2 + H2O

3 PHĐN TÍCH CƠ CHẾ HÌNH THĂNH CÂC CHẤT Ô NHIỄM TRONG QUÂ TRÌNH CHÂY

Mục đích: điều khiển, tổ chức quâ trình chây tốt để hạn chế tối đa câc chất gđy ô nhiễm

Chuỗ i bồ hóng

3.1 Dập tắt măng lửa

Khu vự c màng lửa

bị dậ p tắ t

Nơi chứa HC (theo khí thải ra ngoài đố i với độ ng cơ xăng)

Hố c

Do phản ứng dđy chuyền để duy trì măng lửa

Điều kiện để phản ứng dđy chuyền tiếp tục thì năng lượng hoạt tính (EA) đủ lớn Cụ thể lă nhiệt độ T đủ cao

Khi EA < EA cho phĩp thì phản ứng dừng lại → gọi lă dập tắt măng lửa Trong động cơ đốt trong thì khi năo dập tắt măng lửa?

1- Khi măng lửa tiến gần đến thănh buồng chây: do tăng cường truyền nhiệt từ măng lửa đột ngột sang thănh → giảm năng lượng hoạt tính EA vă lăm tắt phản ứng

2- Khi măng lửa đi văo hốc (không gian hẹp): tại đấy mức độ truyền nhiệt cho thănh cũng tăng cao → măng lửa bị dập tắt

Vậy, trong động cơ đânh lửa cưỡng bức thì câc yếu tố lă cơ chế dập tắt măng lửa lă nguyín nhđn chính tạo thănh HC trong khí thải Còn đối với động

cơ diesel thì cơ chế năy không ảnh hưởng gì Vì những khu vực hốc vă gần thănh thì chỉ chứa không khí vă khí sót

Trong câc hốc giới hạn bởi pittông, secmăng, sơmi lă nơi chứa HC chính trong động cơ đânh lửa cưỡng bức

Câc hốc năy dĩ nhiín tồn tại vă chứa khoảng 80% HC

Đối với động cơ diesel thì câc hốc không có tâc dụng dập tắt măng lửa

Đối với động cơ cháy phân lớp: trong miền tải lớn thì hốc ảnh hưởng tương tự như với động cơ đánh lửa cưỡng bức Trong miền tải bé – động cơ cháy phân lớp thì các hốc không gây ảnh hưởng Đây chính là yếu tố làm hiệu suất động cơ tăng cao

3.2 Cháy không hoàn toàn

Động cơ đánh lửa cưỡng bức: Hỗn hợp đồng nhất, được chuẩn bị trước Đứng về mặt lý thuyết thì độ đậm đặc của hỗn hợp  ở mọi điểm trong không gian buồng cháy đều đồng đều Thế nhưng thực tế lại không phải vậy: có những khu vực cục bộ; mà ở đó có độ đậm đặc của hỗn hợp  cao hơn (nhiên liệu tập trung nhiều hơn khu vực khác)

Động cơ diesel: có độ đậm đặc của hỗn hợp  không đồng đều trong không gian buồng cháy

Khi hỗn hợp đậm (nghĩa là hỗn hợp thiếu O2) → đồng thời xảy ra:

- Nhiên liệu thiếu O2 để ôxy hóa hoàn toàn → H, C tồn tại trong khí thải

- Quá trình cháy thiếu O2 → tạo ra nhiều khí CO

3.3 Phân giải sản phẩm cháy

Phản ứng khí – nước: chuyển đổi CO → CO2 và ngược lại

Vì vậy ta có thể xem nồng độ của các chất trong sản phẩm cháy ở trạng thái cân bằng Nghĩa là nồng độ của chúng không thay đổi (hoặc ít thay đổi) theo thời gian Điều này ngoại lệ với chất NOx vì nó không ở trạng thái cân bằng Do tốc độ hình thành thấp nên nồng độ của NOx phụ thuộc theo thời gian

Đối với những chất bị khống chế bởi động học phản ứng thì nồng độ của chúng bị thay đổi theo thời gian Cụ thể trong sản phẩm cháy, chất NOx là chất phụ thuộc động học phản ứng

Chất nào bị khống chế bởi động học phản ứng thì yếu tố nhiệt độ ảnh hưởng rất lớn đến nồng độ của chúng

Để giảm [NOx] → cố gắng giảm nhiệt độ cháy Đây là một bài toán đặt

ra trong quá trình cháy, vì lúc này xuất hiện mâu thuẫn với hiệu quả sinh công của quá trình cháy

3.5 CO2 VÀ HIỆU ỨNG NHÀ KÍNH

CO2 là chất khí không ảnh hưởng gì đến sức khỏe con người Trong thiên nhiên nó ở trạng thái cân bằng

Hiệu ứng nhà kính làm tăng nhiệt độ của vỏ trái đất

Cơ chế làm tăng nhiệt độ như sau:

Liên hệ bình đun nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời:

Kính thì trong suốt đối với vùng thấy được của ánh sáng mặt trời, nhưng lại mờ đối với ánh sáng trong vùng hồng ngoại Kết quả, kính giữ lại ánh sáng vùng hồng ngoại Năng lượng của ánh sáng hồng ngoại làm nóng nước

Liên hệ với bầu khí quyển:

Ban ngày trái đất hấp thụ một năng lượng là Evào

Ban đêm trái đất bức xạ một năng lượng là Era

Những chất gây hiệu ứng nhà kính giữ lại làm phản xạ trở lại trái đất, làm Era < Evào Thủ phạm là CO2, là sản phẩm chính của quá trình cháy nhiên liệu hóa thạch

Hiệu ứng nhà kính làm nhiệt độ vỏ trái đất nóng lên, gây tan băng ở hai cực Nam và Bắc, nước biển dâng lên: làm chìm các lục địa thấp; một mặt thúc đẩy nhanh quá trình sa mạc hóa cũng như các xuất hiện các hiện tượng mưa bão thất thường khó kiểm soát

Bên cạnh đó cũng cần thấy rõ rằng: nhờ có hiệu ứng nhà kính mới giữ

ấm được cho vỏ trái đất vào ban đêm (khi không còn trực tiếp nhận ánh sáng mặt trời nữa) Ví dụ như ở Sao hỏa không có hiệu ứng nhà kính nên Sao hỏa rất lạnh Từ đó có thể thấy rằng nồng độ chất gây hiệu ứng nhà kính phải có một giá trị thích hợp

Nhân loại ngày nay đang tìm cách hạn chế CO2

3.6 Sự hình thành bồ hóng

3.6.1 Phương pháp nghiên cứu

Có hai phương pháp nghiên cứu

Trong động cơ diesel thì bồ hóng là chất gây bức xạ chính, chiếm đến 90% tổng bức xạ của khí xả Vì thế, ở đây không sử dụng phương pháp phân tích khí nữa mà sử dụng phương pháp quang học dựa trên tính chất bức xạ của bồ hóng

Cường độ bức xạ: 4

T

E=  , trong đó  là hệ số bức xạ của bồ hóng 3.6.1.1 Phương pháp dập tắt ánh sáng

Bồ hóng làm tán xạ ánh sáng từ nguồn phát đến, làm mất năng lượng ánh sáng Cường độ ánh sáng ban đầu là Io, sau khi qua màng lửa thì cường

độ ánh sáng chỉ còn lại là I Quan hệ giữa I và Io được biểu diễn qua biểu thức:

fv được tính như sau:



3 )

= , thay vào biểu thức … ta được

) ( 36

1 ln







F I

I L

L

L f

f = . , <fvi> là giá trị trung bình không gian, là một thông số quan trọng dùng để tính ô nhiễm và tính bức xạ nhiệt của động cơ diesel

Biến thiên của bồ hóng dọc theo chiều dài màng lửa được thể hiện như hình dưới đây

Fv = f (T, Cf), fv đạt cực đại ở vị trí mà T và Cf đủ lớn

3.6.1.2 Phương pháp 2 bước sóng

Phương pháp này còn gọi là phương pháp bức xạ nhiệt vì nó dùng ngay bức xạ nhiệt đơn sắc của bồ hóng

Bồ hóng có bức xạ nhiệt trong dãi bước sóng  từ 0   Mỗi bước sóng có 1 bức xạ khác nhau Bức xạ của bồ hóng phụ thuộc vào (fv, T, ) Nếu  cho trước thì có thể suy ra fv và T thông qua 2 phương trình

Như vậy, bức xạ đơn sắc  xác định theo bức xạ của vật đen tuyệt đối trong cùng điều kiện nhiệt độ

o T

M, = . , , trong đó: M,Tlà bức xạ của vật thật,là hệ số bức xạ của vật thật ở  & T,luôn nhỏ hơn 1 , o

M, nên ta có thể xem bức xạ của vật thật là bức

xạ của vật đen ở nhiệt độ biểu kiến TL (TL < T)

5 1

1

Đối với mây bồ hóng:

) ) ( 36 exp(

1

) exp(

1

L f E

L K

2 2 2

2 2 )

(

1 1 2

1

2 1

1

1 )]

/(

exp[

1 )]

/(

exp[

1 1

)]

/(

exp[

1 )]

/(

T C

T C

T C