QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG cơ đốt TRONG

QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Chương GIỚI THIỆU CÁC DẠNG QUÁ TRÌNH CHÁY - Quá trình cháy hỗn hợp đồng nhất: động đánh lửa cưỡng bức, hỗn hợp hòa trộn trước cháy Tốc độ tăng áp suất lớn: cháy đẳng tích - Cháy khuếch tán: động diesel, vừa hòa trộn vừa cháy Tốc độ tăng áp suất nhỏ, cháy khuếch tán (vừa phun vừa cháy) Tỷ số nén động diesel cao, nên cháy khuếch tán hợp lý Do khơng thể cải tạo động diesel thành động xăng p p    Tốc độ cháy tăng cao: cháy đẳng tích Cháy khuếch tán (vừa phun vừa cháy) Tốc độ tăng áp suất thấp Thực tế: Con người sử dụng chủ yếu trình cháy khuếch tán để đảm bảo an tồn Ví dụ mỏ hàn gió đá, mỏ hàn hơi, nấu ăn H2 O2 O2 C2H2 LPG MADE IN VN Hàn gió đá Nấu ăn Tên lửa CHÁY CỦA HỖN HỢP HÒA TRỘN TRƯỚC 2.1 Giới hạn cháy Nghèo min Giàu  max ( F / A)tt = ( F / A)lt  m m m Cn H m + (n + )(O2 + N ) → nCO2 + H 2O + 4(n + ) N 4 = 12n + m F   =  A lt  n + m (32 + 4.28)   4  Đặt y = m n F Suy ra:   =  A lt 12n + m 12 + y = m y    n + (32 + 4.28) 1 + .144 4   4 (F/A)lt = f(y), nghĩa (F/A)lt hàm y phụ thuộc vào nhiên liệu 2.2 Lan tràn màng lửa Màng lửa khu vực phản ứng mỏng, mà bề dày bé nên bỏ qua so với kích thước buồng cháy Cháy đồng nhất: Màng lửa lan dần từ bugi đến nơi xa + Nếu khơng có chuyển động rối màng lửa có dạng hình cầu + Nếu có chuyển động rối làm màng lửa nhăn nheo làm diện tích màng lửa tăng lên lớn; đồng nghĩa với việc tốc độ tiêu thụ nhiên liệu tăng lên Gọi Sn (m/s) tốc độ cháy: tốc độ lan dần màng lửa theo phương vng góc với bề mặt màng lửa Tốc độ tiêu thụ hỗn hợp V (m3/s): V = F.Sn; Q (Kg/s): Q = .F.Sn Chú ý: Hỗn hợp khơng khí cộng với khơng khí, tốc độ tiêu thụ hỗn hợp tỉ lệ với công suất trình cháy Ví dụ: Cho chất khí C3H8 cháy với khơng khí buồng cháy Biết tốc độ cháy Sn = 5cm/s,  = 0,9; khối lượng riêng hỗn hợp hh = 2kg/m3; nhiệt trị thấp C3H8 30.000 kJ/kg; diện tích màng lửa Fml = 100cm2 Tính cơng suất q trình cháy F Áp dụng cơng thức:   =  A lt Và từ 12 + y 12 + / = = 0,061 y   1 1 + .144 1 + .144  4  4 công thức: = ( F / A)tt , ( F / A)lt suy ra: ( F / A)tt =  ( F / A)lt = 0,9.0,061 = 0,055 Sử dụng mối quan hệ: 1,1F → 20 A → 21,1 hỗn hợp Từ tính tốc độ tiêu thụ hỗn hợp: Q = .Sn.F = 2.100.10-4.5.10-2 = 10-3 (kg/s) (kilogam hỗn hợp giây) Vậy tương ứng tiêu thụ lượng nhiên liệu là: QF = 10-3.1,1/21,1 = 52,1.10-5 kgnl/s Công suất trình cháy: p = QF QHV = p= 10−3.1,1 3.104 22,1 33 = 1,493kW 22,1 Kết luận: Hai yếu tố tốc độ màng lửa diện tích màng lửa ảnh hưởng đến cơng suất q trình cháy Trong động đốt trong, có vận động dòng khí buồng cháy làm màng lửa nhăn nheo, diện tích màng lửa lớn nhiều so với màng lửa hình cầu, tốc độ cháy tăng nhanh, tiêu thụ hết lượng hỗn hợp thời gian ngắn dành cho Tp_ Nhiãû t âäü sn pháø m chạy Mng lỉía Sn * Nhiệt độ hỗn hợp chưa cháy lên đến 500K Gọi Sg tốc độ dịch chuyển màng lửa giãn nở khí cháy gây Khi tốc độ dịch chuyển tuyệt đối màng lửa Ss: Ss = Sg + Sn Nhận xét: Ss lớn nhiều so với Sn Với Sn tốc độ cháy bản, định công suất trình cháy 2.3 Đo tốc độ lan tràn màng lửa Ng n lỉía Nãú n âạnh lỉía Bư ng häù n håü p ÄÚ ng nhæû a suäú t Læu læåü ng kãú LPG Khäng khê Ứng với  cho trước, ta điều chỉnh lưu lượng (khơng khí nhiên liệu) Khóa van khơng khí van nhiên liệu lại Bật tia lửa điện Xác định thời gian t chiều dài L Sử dụng công thức: Sn = L/t Bài tập thực hành: Chế tạo hệ thống đo tốc độ cháy Sn Đo Sn = f () LPG CHÁY KHUẾCH TÁN Đặc điểm: - Hỗn hợp không chuẩn bị trước - Tốc độ cháy phụ thuộc tốc độ hòa trộn nhiên liệu – khơng khí Trộn cháy nhiêu - Muốn tăng tốc độ cháy để tăng cơng suất cháy phải tăng cường tốc độ hòa trộn thơng qua tăng cường xốy lốc 3.1 Tia phun nhiên liệu Âäüâáû m âàû c Khäng khê Li nhiãn liãû u lng Hả t nhiãn liãû u Khu vỉû c nhiãn liãû u bäú c håi L Áp suất phun cao (200bar), đường kính lỗ phun nhỏ  = 0,2mm Tốc độ phun tính theo cơng thức: p = ½ .V2 Suy ra: V = 2p /  = 2.200.105 / 800 = 230m / s Do tốc độ lớn nên tia nhiên liệu khỏi vòi phun bị phân rã thành hạt có đường kính bé dễ dàng bốc hòa trộn nhanh với khơng khí  max min O R Khu vỉû c chạy Theo hướng kính: Giữa tập trung nhiên liệu nhiều hơn; ngồi rìa nhiên liệu làm độ đậm đặc giảm xuống Cụ thể động diesel, sau thời gian i kể từ lúc phun vào hỗn hợp bắt đầu bốc cháy Lượng nhiên liệu bốc trước cháy có thời gian hòa trộn tốt với khơng khí → tạo lượng hỗn hợp đồng cục Vì giai đoạn đầu, động diesel cháy động đánh lửa cưỡng Sau giai đoạn vừa phun – hòa trộn – cháy, nên tốc độ cháy sau thấp nhiều so với tốc độ cháy ban đầu   max min R Håi nhiãn liãû u Khu vỉû c chạy Khu vỉû c phn ỉïng quanh haû t nhiãn liãû u Haû t nhiãn liãû u loíng Khu vực cháy động diesel xuất ngẫu nhiên Khu vực đủ điều kiện cháy cháy trước Do mà phải dùng lý thuyết xác suất thống kê để nghiên cứu trình cháy khuếch tán Thực tế, động diesel, tia phun bị xé nhỏ vận động xoáy lốc dòng khí buồng cháy Cho nên tốc độ bốc hòa trộn tia nhiên liệu lớn nhiều buồng cháy có khí nén n tĩnh CHÁY PHÂN LỚP (STRATIFIED COMBUSTION) Đây thành tựu ngành động đốt Động cháy phân lớp động làm việc hai chế độ khác nhau: - Khi cần phát công suất lớn làm việc với hỗn hợp đồng nhất: làm việc giống động đánh lửa cưỡng - Khi hoạt động cơng suất bé cháy phân lớp Ngun lý q trình cháy phân lớp là: cháy hỗn hợp không đồng nhất, tự cháy mà dùng đánh lửa cưỡng Hỗn hợp nghèo ( bé) Tổ chức phân lớp cho hỗn hợp: Phán låïp  Khu vực quanh bugi có hỗn hợp tối ưu,  xấp xỉ 1, xung quanh bugi có hỗn hợp nghèo Nghĩa toàn nhiên liệu tập trung quanh cực bugi (không cháy khu vực xa) Như trường hợp hiệu suất trình cháy phân lớp cao trình cháy động diesel; đồng thời khơng có nhiên liệu thừa nên nhiễm mơi trường Điều vấn đề tổ Vi phun Bugi chức cháy phân lớp tạo hỗn hợp tối ưu bugi chế độ cháy phân lớp (tải nhỏ) Ví dụ động phun xăng trực tiếp người ta tính toán để làm sao, khối nhiên liệu tới cực bugi bugi đánh lửa Động cháy phân lớp xu phát triển động đánh lửa cưỡng ngày Quá trình làm việc động cháy phân lớp biểu diễn sau:  Chaïy phán låïp P (Cäng sú t) Chạy âäư ng nháú t Diesel Âạnh lỉía cỉåỵng bỉïc Chạy phán låïp M (Mämen) Chương CHÁY VÀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG GIỚI THIỆU Khoảng 80% giới động đốt sinh từ Quá trình cháy diễn hình thức: - Động đốt sinh thơng qua q trình cháy - Q trình cháy cơng nghiệp lò q trình cấp nhiệt khác - Quá trình gia dụng bếp, lò sưởi, v.v… Nhiên liệu chủ yếu Hydrocacbon Hay nói cách khác, nhiên liệu hóa thạch (fossile) có nguồn gốc hữu (cây cỏ, gỗ rừng) bị vùi lấp lâu năm → than đá Hoặc xác chết sinh vật (cá, rong tảo, ) đáy đại dương → tạo thành lớp trầm tích chơn vùi Trong điều kiện thiếu ôxy áp suất cao, chất biến thành dầu mỏ khí đốt Tóm lại: nhiên liệu hóa thạch ngày dùng từ chất hữu có cơng thức C, H, O, N mà chủ yếu C H Trong trình cháy: H biến thành H2O (hơi nước) C biến thành CO2, CO chất khác Quá trình cháy C & H cần O2 & N2 Trong điều kiện nhiệt độ cao N2 & O2 biến thành NOx Như vậy, q trình cháy, ngồi CO2 & H2O, khí xả có chất nhiễm khác, là: CO, HC, NOx, bồ hóng,… chất ô nhiễm mà tránh TĨM TẮT TÁC HẠI CỦA CÁC CHẤT Ơ NHIỄM TRONG SẢN PHẨM CHÁY 2.1 CO CO (Monoxydecacbon) chất khí cực độc, không mùi, không màu; gây tử vong với hàm lượng bé Khi vào thể người (hít vào), chúng chiếm lĩnh hồng huyết cầu, khơng cho hồng huyết cầu tải O đến nuôi tế bào Dẫn đến người bị chết ngạt cách từ từ (dù thở) Nguy hiểm chỗ là: thể lịm dần, lịm dần chết, khó phát Con người chết ngạt có 70% hồng huyết cầu bị khống chế Tương đương với hàm lượng CO khí 1000 ppm CO mệnh danh kẻ giết người thầm lặng Ví dụ: Những quốc gia xứ lạnh, dùng lò sưởi; nhà khơng thơng gió tốt tích tụ nhiều khí CO làm hàm lượng CO khơng khí tăng lên Trong ga tập thể (nhà xe), bếp lò tập thể, xe máy tơ mua về, cho chạy Rơđa nhà đóng kín cửa sổ… Vì nơi có nguy nhiễm CO cao phải gắn cảm biến nồng độ CO để tự động phát hiện, báo động (hú còi, phát sáng…) nồng độ CO lớn giá trị ngưỡng cho phép 2.2 HC HC (hay Hydrocacbon chưa cháy nói chung) Hydrocacbon no CnH2n+2, dầu mỏ, xăng chất không độc Nhưng nhiệt độ cao, phản ứng hóa học diễn mơi trường có N O2 chất CnH2n+2 biến thành vơ số chất trung gian khác Trong có chất trung gian độc là: Thuốc trừ sâu, Dioxin, Furanne,…Những chất trung gian có thành phần bé nên khó xác định dụng cụ đo thơng thường, mà người ta gọp chung chúng lại thành Hydrocacbon chưa cháy Ngoài có chất HAP (Hydrocacbon Aromatic Polycyclique) Chất gây ung thư Benzen gây ung thư Tóm lại: Những chất trung gian trình cháy chất gây nguy hiểm, chúng tỷ lệ với tổng lượng H & C; lượng H, C cao thì thành phần chất độc lớn Một mặt H, C tồn nhiều khí xả làm ảnh hưởng đến tính kinh tế 2.3 NOx NOx họ ba chất: - NO: chiếm đại phận (trên 80%) - NO2: chất độc, màu hồng - N2O NO: không độc, lại chất trung gian để sinh NO2 NO + O2(khí quyển) → NO2 (là chất độc) NO2 sinh trình cháy Một ta phát diện NO2 khơng khí lúc ta khó mà sống NO2: chất độc Nó có đặc tính không háo nước nên dễ dàng sâu vào phổi Tại xảy phản ứng: NO2 + H2O → HNO3 (axit) gây viêm loét phổi, làm phổi bị tổn thương, dễ dàng bị vi trùng công N2O: (Protoxyde Nitơ): chất tác động sinh ôzôn (thượng tầng khí quyển) O3 gây viêm đường hô hấp 2.4 Bồ hóng Bồ hóng hạt cacbon rắn xốp Có thể coi bồ hóng miếng graphít xếp song song lại với Khi theo khí thải ngồi dạng Phiến graphit chuỗi bồ hóng Bồ hóng sinh từ hậu q trình cháy khuếch tán theo chế sau: Nhiên liệu bị phân hủy nhiệt tạo thành hạt sở Chuäù i bäưhọng có đường kính nanomet (rất bé) Sau đó, ngưng tụ nhiên liệu hạt (gọi phát triển bề mặt) → kích thước hạt tăng lên Sau chúng liên kết lại với (nhờ lực hút tĩnh điện) → tạo thành hạt lớn Đồng thời với q trình q trình ơxy hóa nên sau bị ơxy hóa, hạt bé biến mất, hạt lớn giảm kích thước (hiện diện khí thải) Chúng nguy hiểm chỗ có tác dụng kép: Cơ học hóa học Tác dụng học: gây hại loại bụi học khác Tác dụng hóa học: gây ung thư (vì bồ hóng dạng xốp, nên q trình hình thành, hấp thụ Hydrocacbon lỗ xốp, đặc biệt nguy hiểm chất HAP Hít phải bồ hóng nghĩa hít chất HAP chất độc núp lỗ xốp bồ hóng Liên hệ: Tỉ lệ thợ cạo ống khói bị ung thư phổi cao Lưu ý: thịt hun khói, cá hun khói có chứa bồ hóng TĨM LẠI: có mặt chất nhiễm CO, HC, NOX bồ hóng tất yếu sản phẩm cháy từ CnHm Đặc biệt khói thuốc lá, cháy cho chất (CO2, H2O, CO, HC, NOX, bồ hóng, nicotine,…) vào phổi HAP + O2 (nhiệt độ cao) → CO2 + H2O PHÂN TÍCH CƠ CHẾ HÌNH THÀNH CÁC CHẤT Ơ NHIỄM TRONG Q TRÌNH CHÁY Mục đích: điều khiển, tổ chức q trình cháy tốt để hạn chế tối đa chất gây ô nhiễm 3.1 Dập tắt màng lửa Nåi chæïa HC (theo khêthi ngoi âäú i våïi âäü ng cå xàng) Khu vỉû c mng lỉía bëdáû p tàõ t Häú c Do phản ứng dây chuyền để trì màng lửa Điều kiện để phản ứng dây chuyền tiếp tục lượng hoạt tính (EA) đủ lớn Cụ thể nhiệt độ T đủ cao Khi EA < EA cho phép phản ứng dừng lại → gọi dập tắt màng lửa Trong động đốt dập tắt màng lửa? 1- Khi màng lửa tiến gần đến thành buồng cháy: tăng cường truyền nhiệt từ màng lửa đột ngột sang thành → giảm lượng hoạt tính EA làm tắt phản ứng 2- Khi màng lửa vào hốc (không gian hẹp): mức độ truyền nhiệt cho thành tăng cao → màng lửa bị dập tắt Vậy, động đánh lửa cưỡng yếu tố chế dập tắt màng lửa nguyên nhân tạo thành HC khí thải Còn động diesel chế khơng ảnh hưởng Vì khu vực hốc gần thành chứa khơng khí khí sót Trong hốc giới hạn pittơng, secmăng, sơmi nơi chứa HC động đánh lửa cưỡng Các hốc dĩ nhiên tồn chứa khoảng 80% HC Đối với động diesel hốc khơng có tác dụng dập tắt màng lửa Đối với động cháy phân lớp: miền tải lớn hốc ảnh hưởng tương tự với động đánh lửa cưỡng Trong miền tải bé – động cháy phân lớp hốc khơng gây ảnh hưởng Đây yếu tố làm hiệu suất động tăng cao 3.2 Cháy khơng hồn tồn Động đánh lửa cưỡng bức: Hỗn hợp đồng nhất, chuẩn bị trước Đứng mặt lý thuyết độ đậm đặc hỗn hợp  điểm không gian buồng cháy đồng Thế thực tế lại vậy: có khu vực cục bộ; mà có độ đậm đặc hỗn hợp  cao (nhiên liệu tập trung nhiều khu vực khác) Động diesel: có độ đậm đặc hỗn hợp  khơng đồng không gian buồng cháy Khi hỗn hợp đậm (nghĩa hỗn hợp thiếu O2) → đồng thời xảy ra: - Nhiên liệu thiếu O2 để ơxy hóa hồn tồn → H, C tồn khí thải - Quá trình cháy thiếu O2 → tạo nhiều khí CO 3.3 Phân giải sản phẩm cháy Phản ứng khí – nước: chuyển đổi CO → CO2 ngược lại CO + OH  CO2 + H Do H OH chất trung gian trình cháy nên dù hỗn hợp nghèo hay đậm tồn chế phân giải sản phẩm cháy sinh CO 3.4 Động học phản ứng Đại phận chất sản phẩm cháy có tốc độ hình thành cao nên thời gian đạt trạng thái cân nhiệt động học nhỏ thời gian cháy Vì ta xem nồng độ chất sản phẩm cháy trạng thái cân Nghĩa nồng độ chúng không thay đổi (hoặc thay đổi) theo thời gian Điều ngoại lệ với chất NOx khơng trạng thái cân Do tốc độ hình thành thấp nên nồng độ NO x phụ thuộc theo thời gian Đối với chất bị khống chế động học phản ứng nồng độ chúng bị thay đổi theo thời gian Cụ thể sản phẩm cháy, chất NO x chất phụ thuộc động học phản ứng Chất bị khống chế động học phản ứng yếu tố nhiệt độ ảnh hưởng lớn đến nồng độ chúng Để giảm [NOx] → cố gắng giảm nhiệt độ cháy Đây toán đặt trình cháy, lúc xuất mâu thuẫn với hiệu sinh cơng q trình cháy 3.5 CO2 VÀ HIỆU ỨNG NHÀ KÍNH CO2 chất khí khơng ảnh hưởng đến sức khỏe người Trong thiên nhiên trạng thái cân Hiệu ứng nhà kính làm tăng nhiệt độ vỏ trái đất Cơ chế làm tăng nhiệt độ sau: Liên hệ bình đun nước nóng sử dụng lượng mặt trời: Kính suốt vùng thấy ánh sáng mặt trời, lại mờ ánh sáng vùng hồng ngoại Kết quả, kính giữ lại ánh sáng vùng hồng ngoại Năng lượng ánh sáng hồng ngoại làm nóng nước Liên hệ với bầu khí quyển: Ban ngày trái đất hấp thụ lượng Evào Ban đêm trái đất xạ lượng Era Những chất gây hiệu ứng nhà kính giữ lại làm phản xạ trở lại trái đất, làm Era < Evào Thủ phạm CO2, sản phẩm q trình cháy nhiên liệu hóa thạch Hiệu ứng nhà kính làm nhiệt độ vỏ trái đất nóng lên, gây tan băng hai cực Nam Bắc, nước biển dâng lên: làm chìm lục địa thấp; mặt thúc đẩy nhanh trình sa mạc hóa xuất hiện tượng mưa bão thất thường khó kiểm sốt Bên cạnh cần thấy rõ rằng: nhờ có hiệu ứng nhà kính giữ ấm cho vỏ trái đất vào ban đêm (khi khơng trực tiếp nhận ánh sáng mặt trời nữa) Ví dụ Sao hỏa khơng có hiệu ứng nhà kính nên Sao hỏa lạnh Từ thấy nồng độ chất gây hiệu ứng nhà kính phải có giá trị thích hợp Nhân loại ngày 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 diesel bồ hóng chất gây xạ chính, chiếm đến 90% tổng xạ khí xả Vì thế, khơng sử dụng phương pháp phân tích khí mà sử dụng phương pháp quang học dựa tính chất xạ bồ hóng Cường độ xạ: E = T ,  hệ số xạ bồ hóng 3.6.1.1 Phương pháp dập tắt ánh sáng Bồ hóng làm tán xạ ánh sáng từ nguồn phát đến, làm lượng ánh sáng Cường độ ánh sáng ban đầu Io, sau qua màng lửa cường độ ánh sáng lại I Quan hệ I Io biểu diễn qua biểu thức: I = I o exp(− K  L) , K hệ số dập tắt ánh sáng với bước sóng   K  =  N (r )Qext ( ,  )r dr Qext hiệu dập tắt ánh sáng, N(r) số hạt có đường kính từ r → r + dr Trong điều kiện đường kính bé, ta có  48r  , Qext = F ( ) với   F() hàm số số phức bồ hóng Khi nồng độ thể tích bồ hóng fv tính sau:  f v =  N (r ) r 3dr Từ biểu thức suy ra: K  = 36 F ( )  f v , thay vào biểu thức … ta I  f v L = − ln  , L chiều dài quang trình (chiều dài tia sáng  I o  36F ( ) xuyên qua màng lửa) Dịch chuyển màng lửa ta đo nồng độ thể tích bồ hóng tồn bề mặt f vi = f vi Li , giá trị trung bình khơng gian, thơng số quan Li trọng dùng để tính nhiễm tính xạ nhiệt động diesel Biến thiên bồ hóng dọc theo chiều dài màng lửa thể hình Fv = f (T, Cf), fv đạt cực đại vị trí mà T Cf đủ lớn 3.6.1.2 Phương pháp bước sóng Phương pháp gọi phương pháp xạ nhiệt dùng xạ nhiệt đơn sắc bồ hóng Bồ hóng có xạ nhiệt dãi bước sóng  từ   Mỗi bước sóng có xạ khác Bức xạ bồ hóng phụ thuộc vào (f v, T, ) Nếu  cho trước suy fv T thơng qua phương trình Như vậy, xạ đơn sắc  xác định theo xạ vật đen tuyệt đối điều kiện nhiệt độ M  ,T =   M o,T , đó: M  ,T xạ vật thật,   hệ số xạ vật thật  & T,   nhỏ , M o,T xạ vật đen tuyệt đối  & T Do M  ,T nhỏ M o,T nên ta xem xạ vật thật xạ vật đen nhiệt độ biểu kiến TL (TL < T) Với bồ hóng: T