Tài liệu Cơ chế hình thành NOx trong quá trình cháy của động cơ đốt trong pdf

Chương CƠ CHẾ HÌNH THÀNH NOX TRONG QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 3.1 Giới thiệu NOx tên gọi chung oxyde nitơ gồm chất NO, NO2 N2O hình thành kết hợp oxy nitơ điều kiện nhiệt độ cao Chất ô nhiễm ngày quan tâm số trường hợp, chất nhiễm làm giới hạn tính kỹ thuật động Thật vậy, xu hướng nâng cao tính kinh tế động ngày áp dụng kỹ thuật chế hịa khí phân lớp cho động làm việc với hỗn hớp nghèo Trong điều kiện đó, NOx đối tượng việc xử lý ô nhiễm Mặt khác, việc xử lý NOx điều kiện gặp nhiều khó khăn xúc tác ba chức hoạt động có hiệu a = Các giải pháp kỹ thuật khác nhằm hạn chế NOx trình cháy áp dụng động đại: giải pháp hồi lưu khí xả, giải pháp thay đổi thời kỳ trùng điệp góc độ phối khí Vì vậy, việc hiểu biết tường tận chế hình thành NOx để tìm biện pháp hạn chế nồng độ chúng trình cháy cần thiết Mức độ phát sinh nhiễm trung bình q trình cháy nhiên liệu hydrocarbure sau: Chất ô nhiễm NOx Lượng phát sinh (g/kg nhiên liệu) 20 CO 200 HC 25 Bồ hóng 2÷5 Đây số liệu mang tính chất trung bình điều kiện cháy hỗn hợp có hệ số dư lượng khơng khí a=1 Tuy nhiên điều kiện cháy đặc biệt áp suất nhiệt độ cao với hệ số dư lượng khơng khí lớn tỉ lệ thành phần chất nhiễm cho bảng thay đổi theo hướng gia tăng NOx 3.2 Tác hại Oxyde Nitơ 26 Chương 3: Cơ chế hình thành NOx trình cháy động đốt Oxyde nitơ phát sinh trình tự nhiên hay hoạt động cơng nghiệp NOx khí q trình tự nhiên sinh ước chừng 50.107 Nó phân bố mặt địa cầu với nồng độ khoảng ữ 10àg/m3, gi l nng nn NOx hoạt động người tạo ra, tập trung vùng thành thị khu công nghiệp, chiếm khoảng 1/10 lượng NOx tự nhiên 3.2.1 Ảnh hưởng NOx đến sức khỏe người NOx sâu vào phổi người hòa tan nước Khi vào phổi, 80% lượng NOx bị giữ lại (đối với SO2, quan giữ lại khoảng 5%) Trong chất NOx, độc tính NO2 cao nhiều lần so với NO NOx chủ yếu trình cháy gây Ngồi q trình cháy cơng nghiệp gia dụng, sinh hoạt, người chịu đựng ảnh hưởng trực tiếp NOx khói thuốc gây Tùy theo loại thuốc lá, hút điếu thuốc người hút đưa vào phổi từ 100 đến 600µg NOx, 5% NO2 Với thuốc nâu thơng thường, trung bình điếu sinh 350µg NOx Nếu người hút thuốc hít lần, lần 2s với dung tích 35ml khoảng thời gian hai lần hít 60s, tính nồng độ NOx trung bình 933ppm theo thể tích tồn khói thuốc Nhưng lần hít vào, khói thuốc hịa tan vào phổi tích 3500ml, nghĩa làm lỗng 100 lần, nồng độ NOx trung bình phổi khoảng 9,3ppm người chủ động hút thuốc Đối với người thụ động chịu ảnh hưởng thuốc (người hít khơng khí khơng gian bị nhiễm khói thuốc lá) ảnh hưởng nhỏ đáng kể Tính trung bình theo số liệu phịng kín tích 50m3, người ta hút gói 20 điếu thuốc, nồng độ NOx phòng đạt khoảng 0,1ppm người hút thải Nếu tính ln phần khói thuốc hai lần hít, người ta ước chừng nồng độ NOx phịng gấp 2÷5 lần so với nồng độ đây, nghĩa 0,2 ÷ 0,5ppm 3.2.2 Ảnh hưởng NOx đến thực vật NOx ảnh hưởng đến thực vật nồng độ đủ lớn Người ta thấy vùng thị hóa cao, nồng độ NOx đạt khoảng 3,93ppm, quang hợp thực vật giảm 25% Thí nghiệm đặt dưa leo khơng khí có nồng độ NOx 0,75ppm hai tháng cho thấy khơng bị ảnh hưởng Những thí nghiệm khác thực cà chua đậu Hà Lan đặt mơi trường khơng khí nhân tạo với nồng độ NOx cao 10 lần so với nồng độ chúng khơng khí bị nhiễm nặng cho thấy loại không bị hư hại nồng độ nitơ tổng cộng mơi trường gia tăng Các thí nghiệm cam trồng khơng gian nhà kính với điều kiện mơi trường khơng khí sau: a Khơng khí ngun thủy nơi làm thí nghiệm b Khơng khí lọc c Khơng khí lọc + NO2 với nồng độ mơi trường d Khơng khí lọc + lần nồng độ NO2 mơi trường 27 Chương 3: Cơ chế hình thành NOx trình cháy động đốt Thí nghiệm tiến hành cách cân rụng trái thu hoạch thời gian cho trước số cành xác định Người ta thấy điều kiện c có khuynh hướng rụng nhiều điều kiện b; Lượng rụng nhiều mơi trường khơng khí d lượng trái thu hoạch tối ưu mơi trường c Những thí nghiệm khác tiến hành cách đặt cam mơi trường khơng khí ô nhiễm nặng hơn, có nồng độ NO2 từ 0,5 đến 1ppm, kéo dài 35 ngày cho thấy bị vàng rụng nghiêm trọng Vì thực vật bị tác hại nồng độ NOx đủ ln v thi gian di (2ữ10ppm; 4ữ20àg/m3 nhiu ngày) Oxyde nitơ không gây tác hại đến thực vật với nồng độ chúng khí Chỉ có tham dự NOx vào phản ứng hóa quang xem nguy hiểm NOx tác dụng với số chất khác có mặt khơng khí điều kiện định tạo chất nguy hiểm thực vật Chẳng hạn tác dụng tia cực tím mơi trường có chứa hydrocarbure, NOx tạo hợp chất nguy hiểm thực vật gấp ngàn lần so với thân NOx 3.2.3 Ảnh hưởng đến quang hợp Tỉ lệ gia tăng CO2 100 1,6ppm 80 3,2ppm Tỉ lệ gia tăng CO2 100 2,5ppm 80 8ppm 60 40 20 60 5,8ppm 9ppm Ảnh hưởng 40 Phục hồi 20 Ảnh hưởng Phục hồi t(s) Hình0 3.2: Ảnh hưởng NO 100 đến 200 quang hợp t(s) Hình 03.1: Ảnh hưởng đến 100 NO200 quang hợp Khi nồng độ NOx lớn 0,5 ÷ 0,7ppm chúng làm giảm quang hợp Hình 3.1 3.2 cho thấy NO NO2 làm giảm quang hợp với nhiều mức độ khác thời gian tác động Sự giảm quang hợp đạt đến trạng thái cân NO nhanh NO2 sau môi trường hết ô nhiễm, quay trở lại trạng thái ban đầu NO nhanh NO2 Trong vùng thị hóa cao (nồng độ NOx đạt khoảng 3,93ppm), quang hợp bị giảm 25% 3.3 Cơ chế hình thành Oxyde Nitơ 3.3.1 Cơ chế hình thành monoxyde nitơ Trong họ NOx NO chiếm tỉ lệ lớn NOx chủ yếu N2 khơng khí nạp 28 Chương 3: Cơ chế hình thành NOx trình cháy động đốt vào động tạo Nhiên liệu xăng hay Diesel chứa nitơ nên ảnh hưởng chúng đến nồng độ NOx không đáng kể Nhiên liệu nặng sử dụng động tàu thủy tốc độ thấp có chứa khoảng vài phần nghìn nitơ (tỉ lệ khối lượng) nên phát sinh lượng nhỏ NOx khí xả Sự hình thành NO oxy hóa nitơ khơng khí mơ tả chế Zeldovich Trong điều kiện hệ số dư lượng khơng khí xấp xỉ 1, phản ứng tạo thành phân hủy NO là: O + N2 N + O2 N + OH → ← → ← → ← NO + N (3.1) NO + O (3.2) NO + H (3.3) Phản ứng (3.3) xảy hỗn hợp giàu NO tạo thành màng lửa 1,0 3000K sản phẩm cháy phía sau màng lửa X/Xe Trong động cơ, trình cháy diễn điều kiện áp suất cao, vùng phản ứng 2800 mỏng (khoảng 0,1mm) thời gian cháy 2600 ngắn; thêm vào đó, áp suất xilanh tăng 0,5 trình cháy, điều làm nhiệt độ 2500 phận khí cháy trước cao nhiệt độ đạt sau khỏi khu vực màng lửa nên đại phận NO hình thành Hình 3.3: Sự phụ thuộc t(ms) độ khu vực sau màng lửa 20 nhiệt 10 nồng độ NO theo Sự hình thành NO phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ (hình 3.3) Hình 3.4 cho thấy mức độ tiến triển phản ứng: (3.4) N + O2 → ← NO Phản ứng tạo NO có tốc độ thấp nhiều so với phản ứng cháy Nồng độ NO phụ thuộc mạnh vào nồng độ oxy Vì điều kiện nhiệt độ cao nồng độ O2 lớn nồng độ NO sản phẩm cháy lớn 3.3.2 Sự hình thành dioxide nitơ NO2/NO(%) Nồng độ NO2 bỏ qua so với NO tính tốn theo nhiệt động học cân điều kiện nhiệt độ bình thường lửa Kết áp dụng gần trường hợp động đánh lửa cưỡng Đối với động Diesel, người ta thấy có đến 30% NOx dạng NO2 Dioxyde nitơ NO2 hình thành từ monoxyde nitơ NO chất trung gian sản 30 2000 20 NO + HO → NO + OH ← 2400 10 2800 v/phút 29 1000 200 pme(kPa) 400 Chương 3: Cơ chế hình thành NOx trình cháy động đốt vật cháy theo phản ứng sau: Hình 3.4: Biến thiên tỉ số NO2/NO theo tải động Diesel (3.5) Trong điều kiện nhiệt độ cao, NO2 tạo thành phân giải theo phản ứng: NO + O → ← NO + O (3.6) Trong trường hợp NO2 sinh lửa bị làm mát mơi chất có nhiệt độ thấp phản ứng (3.6) bị khống chế, nghĩa NO2 tiếp tục tồn sản vật cháy Vì động xăng làm việc kéo dài chế độ khơng tải nồng độ NO2 khí xả gia tăng Tương tự vậy, động Diesel làm việc chế độ tải thấp phản ứng ngược biến đổi NO2 thành NO bị khống chế vùng khơng khí có nhiệt độ thấp Dioxyde nitơ hình thành đường xả tốc độ thải thấp có diện oxy Hình 3.4 cho thấy biến thiên tỉ lệ NO2/NOx đường xả động Diesel theo chế độ tải Tỉ lệ cao tải thấp NO2 chất độc khí họ NOx việc tổ chức tốt trình cháy để giảm tốc độ phản ứng tạo thành tăng tốc độ phản ứng phân giải chất nhiễm có ý nghĩa quan trọng 3.3.3 Sự hình thành protoxyde nitơ Protoxyde nitơ N2O chủ yếu hình thành từ chất trung gian NH NCO chúng tác dụng với NO: (3.7) NH + NO → ← N 2O + H NCO + NO → ← N O + CO (3.8) N2O chủ yếu hình thành vùng oxy hóa có nồng độ nguyên tử H cao, mà hydrogène chất tạo phân hủy mạnh protoxyde nitơ theo phản ứng: N 2O + H → ← NH + NO N 2O + H → ← N + OH (3.9) (3.10) Chính N2O chiếm tỉ lệ thấp khí xả động đốt (khoảng ÷ 8ppmV) 3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến hình thành Oxyde Nitơ 3.4.1 Trường hợp động đánh lửa cưỡng Những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hình thành NO hệ số dư lượng khơng khí hỗn hợp, hệ số khí sót góc đánh lửa sớm Ảnh hưởng tính chất nhiên liệu đến nồng độ NO bỏ qua so với ảnh hưởng yếu tố 30 Chương 3: Cơ chế hình thành NOx trình cháy động đốt Ảnh hưởng hệ số dư lượng không khí Hình 3.5 minh họa ảnh hưởng hệ số dư lượng khơng khí đến mức độ phát sinh NO Nhiệt độ cháy đạt giá trị cực đại tương ứng với hệ số dư lượng khơng khí khoảng 0,9, nghĩa hỗn hợp giàu Tuy nhiên điều kiện nồng độ O2 thấp nên nồng độ NO không đạt giá trị lớn Khi hệ số dư lượng khơng khí tăng, ảnh hưởng gia tăng áp suất riêng O2 đến nồng độ NO lớn ảnh hưởng giảm nhiệt độ cháy nên NO đạt giá trị cực đại ứng với hệ số dư lượng khơng khí khoảng 1,1 (hỗn hợp nghèo) Nếu độ đậm đặc hỗn hợp tiếp tục giảm tốc độ phản ứng tạo thành NO giảm nhiệt độ cháy thấp Điều giải thích giảm nồng độ NOx tăng hệ số dư lượng khơng khí Ảnh hưởng hệ số khí sót 4000 NO(ppm) 3000 2000 1000 Hình 3.5: độ NO 1,4 theoa 1,0 nồng1,2 0,8Biến thiên Hệ số dư lượng không khí Trước cháy, hỗn hợp xi lanh bao gồm khơng khí, nhiên liệu khí sót Khí sót có mặt hỗn hợp khí cháy chu trình trước cịn sót lại xy lanh hay hồi lưu khí xả Khi khơng có hồi lưu, lượng khí sót xi lanh phụ thuộc vào tải, góc độ phối khí đặc biệt khoảng trùng điệp soupape thải nạp Khi khoảng trùng điệp tăng lượng khí sót tăng làm giảm nồng độ NO Mặt khác, lượng khí sót cịn phụ thuộc vào chế độ động cơ, độ đậm đặc hỗn hợp tỉ số nén Khí sót giữ vai trị làm bẩn hỗn hợp, làm giảm nhiệt độ cháy dẫn đến giảm nồng độ NOx Tuy nhiên, hệ số khí sót gia tăng q lớn, động làm việc không ổn định làm giảm tính kinh tế tăng nồng độ HC Hình 3.6 trình bày ảnh hưởng tỉ lệ khí xả hồi lưu đến nồng độ NO ứng với độ đậm đặc khác hỗn hợp Nồng độ chất ô nhiễm giảm mạnh theo gia tăng tỉ lệ khí xả hồi lưu tỉ lệ đạt 15 ÷ 20%, tỉ lệ khí sót lớn chấp nhận động làm việc tải cục Nhiệt độ cháy giảm gia tăng lượng khí sót hỗn hợp gia tăng nhiệt dung riêng môi chất 3000 3000 NO(ppm) NO(ppm) 16 16 2000 2000 A/F=15 A/F=15 1000 1000 17 17 31 10 EGR(%) 20 50 40 20 10 30 Góc đánh lửa sớm Chương 3: Cơ chế hình thành NOx trình cháy động đốt Hình 3.6: Ảnh hưởng tỉ lệ khí xả hồi lưu đến nồng độ NO Hình 3.7: Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến nồng độ NO Sự gia tăng tỉ lệ khí sót vượt giới hạn cho phép làm giảm chất lượng q trình cháy dẫn đến cháy khơng hồn tồn động làm việc không ổn định bỏ lửa Vì vậy, luợng khí sót tối ưu cần phải cân nhắc giảm nồng độ NO gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu Điều thực cách tự động nhờ hệ thống điều khiển điện tử cho phép điều khiển lượng khí xả hồi lưu tối ưu ứng với chế độ vận hành động Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm Góc đánh lửa sớm có ảnh hưởng mạnh đến phát sinh NO (hình 3.7) Khi tăng góc đánh lửa sớm, điểm bắt đầu cháy xuất sớm chu trình cơng tác, áp suất cực đại xuất gần ĐCT giá trị cao Vì vậy, tăng góc đánh lửa sớm làm tăng nhiệt độ cực đại Mặt khác, thời điểm cháy bắt đầu sớm nên thời gian tồn khí cháy nhiệt độ cao kéo dài Hai yếu tố tạo điều kiện thuận lợi cho hình thành NO Tóm lại, tăng góc đánh lửa sớm làm tăng nồng độ NO khí xả Trong điều kiện vận hành bình thường động cơ, giảm góc đánh lửa 10 độ làm giảm nồng độ NO từ 20 ÷ 30% áp suất cực đại động 3.4.2 Trường hợp động Diesel Khác với động đánh lửa cưỡng bức, đặc điểm trình tạo hỗn hợp khơng đồng nhất, q trình cháy động Diesel gồm hai giai đoạn: giai đoạn cháy đồng diễn sau kì cháy trễ giai đoạn cháy khuếch tán Sự phân bố nhiệt độ thành phần khí cháy khơng gian buồng cháy khơng đồng Đối với q trình cháy hịa trộn trước, thành phần hỗn hợp thay đổi phạm vi rộng; đó, trình cháy khuếch tán, màng lửa xuất khu vực cục có thành phần hỗn hợp gần với giá trị cháy hồn tồn lí thuyết Cũng trường hợp động đánh lửa cưỡng bức, nhiệt độ cực đại yếu tố ảnh hưởng lớn đến hình thành NO trình cháy động Diesel Trong loại động cơ, sản phẩm cháy phận nhiên liệu cháy trước tiên chu trình đóng vai trị quan trọng hình thành NO sau hình thành, phận sản phẩm cháy bị nén làm nhiệt độ gia tăng làm tăng nồng độ NO Mặt khác, trình cháy khuếch tán, buồng cháy động Diesel tồn khu vực hay ‘túi’ khơng khí có nhiệt độ thấp Nhờ phận khơng khí mà NO hình thành buồng cháy động Diesel làm mát (gọi ‘tôi’ NO) nhanh chóng trương hợp động đánh lửa cưỡng NO có khuynh 32 Chương 3: Cơ chế hình thành NOx trình cháy động đốt hướng bị phân giải Các quan sát thực nghiệm cho thấy hầu hết NO hình thành khoảng 200 góc quay trục khuỷu từ lúc bắt đầu cháy Do đó, giảm góc phun sớm, điểm bắt đầu cháy lùi gần ĐCT hơn, điều kiện hình thành NO bắt đầu trễ nồng độ giảm nhiệt độ cực đại thấp Đối với động Diesel cỡ lớn, giảm góc phun sớm làm giảm đến 50% nồng độ NO khí xả phạm vi gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu chấp nhận Đối với động Diesel nói chung, nồng độ NOx tăng theo độ đậm đặc trung bình (hình 3.8) Tuy nhiên nồng độ NOx giảm theo độ đậm đặc chậm trường hợp động đánh lửa cưỡng phân bố không đồng nhiên liệu Trong trình cháy động Diesel, độ đậm đặc trung bình phụ thuộc trực tiếp vào lượng nhiên liệu chu trình Do đó, chế độ tải lớn nghĩa áp suất cực đại cao, nồng độ NO tăng Ở động Diesel phun gián tiếp, phận nhỏ NO hình thành buồng cháy (khoảng 35%) cịn phần lớn hình thành buồng cháy dự bị (khoảng 65%) Quá trình cháy buồng cháy phụ nói chung diễn điều kiện độ đậm đặc trung bình lớn, trừ trường hợp tải thấp, nồng độ NO buồng cháy cao Thời gian dành cho phân giải NO hỗn hợp đậm đặc buồng cháy dự bị rút ngắn sau hình thành, chuyển sang buồng cháy đó, phản ứng phân giải NO bị khống chế chúng hịa trộn với khơng khí có nhiệt độ thấp NO,NOx(ppm) 4000 3000 NOx NO 2000 1000 f Hình 3.8: Ảnh hưởng độ đăm đặc trung 0,3 0,6 0,7 0,8 0,4 0,5 bình đến nồng độ NOx động Diesel Hình 3.8 trình bày biến thiên nồng độ NOx NO khí xả theo độ đậm đặc trung bình động Diesel phun trực tiếp, tốc độ 1000v/phút góc phun sớm 270 trước ĐTC Cũng trường hợp động đánh lửa cưỡng bức, hồi lưu khí xả làm giảm NO làm giảm nhiệt độ khí cháy Tuy nhiên, động Diesel ảnh hưởng khí xả hồi lưu đến NO phụ thuộc mạnh vào chế độ tải Ở chế độ tải cao, khí thải chứa nhiều CO2 nước, hỗn hợp có nhiệt dung riêng lớn, chế độ tải thấp, khí hồi lưu chủ yếu nitơ có nhiệt dung riêng bé Ở động Diesel tăng áp, gia tăng áp suất dẫn đến gia tăng nhiệt độ khí cháy, làm tăng nồng độ NO 3.5 Ví dụ tính tốn nồng độ NOx khí xả động Diesel 3.5.1 Giới thiệu 33 Chương 3: Cơ chế hình thành NOx trình cháy động đốt Trởn ợờy chóng ta ợỈ ợồ cẹp ợỏn cĨc phộn ụng hÈnh thÌnh NOx KhĨc víi phđn lín cĨc chÊt khĨc cã mật sộn phẻm chĨy, nạng ợé NOx ợỨỵc khèng chỏ bẽi ợéng hảc phộn ụng vÈ thêi gian chóng ợĨt ợiồu kiơn cờn bững nhiơt ợéng hảc xÊp xừ thêi gian chĨy ớèi víi quĨ trÈnh chĨy ợéng cŨ, cĨc nhÌ nghiởn cụu ợỈ ợỨa nhƠng hơ phỨŨng trÈnh ợéng hảc phộn ụng khĨc ợố mỡ tộ sù hÈnh thÌnh NOx nhỨ mỡ hÈnh Newhall, Annand, Zeldovich CĨc yỏu tè cŨ bộn ợố tÝnh toĨn nạng ợé NOx theo cĨc mỡ hÈnh nÌy lÌ nạng ợé cơc bé cĐa oxy, nhiởn liơu vÌ nhiơt ợé chĨy Mỡ hÈnh ợố xĨc ợẺnh cĨc thỡng sè nÌy 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 ợỨỵc sư dơng nhỨ mét phỨŨng tiơn ợố tÝnh toĨn quĨ trÈnh chĨy ợéng cŨ Diesel M hẩnh nèy gi nh hỗn hợp bung chĨy lÌ ợạng nhÊt, bá qua ộnh hỨẽng cĐa cĨc hiơn tỨỵng lỶ hoĨ vÌ sù khuỏch tĨn nhiởn liơu - khỡng khÝ ngản löa Mỡ hÈnh ợã râ rÌng khỡng cho phƯp xĨc ợẺnh ợỨỵc nạng ợé NOx Mỡ hÈnh ợa khu vùc ợỨỵc thiỏt lẹp nhữm khÕc phơc nhỨỵc ợiốm trởn Tuy ợỨỵc ghi nhẹn lÌ bỨíc tiỏn ợĨng kố, nhỨng mỡ hÈnh nÌy tạn tĨi mét nhỨỵc ợiốm cŨ bộn ợã lÌ tèc ợé tiởu thơ nhiởn liơu ợỨỵc xĨc ợẺnh dùa trởn nhƠng biốu thục thùc nghiơm, ợã khã cã thố khĨi quĨt hoĨ cho cĨc trỨêng hỵp khĨc cĐa ợéng cŨ Diesel Mỡ hÈnh ngản lưa khuỏch tĨn lÌ mỡ hÈnh ợa khu vùc ợỨỵc thiỏt lẹp thêi gian gđn ợờy ợố tÝnh toĨn quĨ trÈnh chĨy cĐa ợéng cŨ Diesel Tèc ợé tiởu thơ nhiởn liơu ợỨỵc xĨc ợẺnh dùa trởn cŨ cờn bững vẹt chÊt ngản löa rèi Mỡ hÈnh nÌy ợỈ mẽ triốn vảng tÝnh toĨn nạng ợé cĨc chÊt ỡ nhiÔm cĐa quĨ trÈnh chĨy ợéng cŨ Diesel, ợậc biơt lÌ bạ hãng vÌ NOx Phđn sau ợờy sỹ giíi thiơu mét vÝ dơ vồ tÝnh toĨn sù hÈnh thÌnh NOx ợéng cŨ Diesel phun giĨn tiỏp bững mỡ hÈnh khuỏch tĨn 3.5.2 Mỡ hÈnh tĨo NOx Trong trỨêng hỵp ợđy ợĐ cã thố xem sộn vẹt chĨy cĐa khỡng khÝ vÌ nhiởn liơu hydrocarbure cã 12 chÊt: H2O, H2, OH, H, N2, NO, N, CO2, CO, O2, O, Ar Phộn ụng hãa hảc trỨêng hỵp tăng quĨt ợỨỵc viỏt dỨíi dĨng: q m r ⎞⎛ 78 ⎛ ⎞ a (C n H m O r ) + α a ⎜ n + − ⎟ ⎜ O + N + Ar ⎟ → ∑ x i ⎝ 2⎠⎝ 21 21 ⎠ i =1 (3.11) Trong ợã q lÌ tăng sè cĨc thÌnh phđn sộn vẹt chĨy vÌ xi lÌ thÌnh phđn mol cĐa chÊt i sộn vẹt chĨy Phđn lín cĨc chÊt cã mật sộn phẻm chĨy cã thố xem ẽ trÓng thĨi cờn bững 34 Chương 3: Cơ chế hình thành NOx trình cháy động đốt nhiơt ợéng hảc trõ NOx, chÊt cã nạng ợé thay ợăi theo thêi gian Trong phđn trởn chóng ta giíi thiơu hơ phỨŨng trÈnh Zeldovich Trong vÝ dơ nÌy chóng ta sư dông hơ phỨŨng trÈnh ợđy ợĐ hŨn cĐa ANNAND Theo ANNAND, hơ cĨc phỨŨng trÈnh ợéng hảc phộn ụng khèng chỏ sù hÈnh thÌnh NOx bao gạm phỨŨng trÈnh thuẹn nghẺch sau ợờy: ⎛ − 160 ⎞ ⎯ ⎯→ N + NO ← k f = 3,110 (3.12) 10 exp⎜ ⎟ ⎯⎯ N + O , ⎝ T ⎠ ⎛ − 3125⎞ k f = 6,4.10 T.exp⎜ ⎟ ⎝ T ⎠ (3.13) ⎯ ⎯→ N + OH ← ⎯⎯ NO + H , k f = 4,2.1010 (3.14) ⎯ ⎯→ H + N 2O ← ⎯⎯ N + OH , k f = 310 10 exp( − 5350 T) (3.15) ⎯ ⎯→ O + N 2O ← ⎯⎯ N + O , ⎛ − 18900 ⎞ k f = 3,2.1012 exp⎜ ⎟ ⎝ T ⎠ (3.16) ⎯ ⎯→ O + N 2O ← ⎯⎯ NO + NO , k f6 = k f5 (3.17) ⎯ ⎯→ N 2O + M ← ⎯⎯ N + O + M , ⎛ − 30500 ⎞ k f = 1012 exp⎜ ⎟ ⎝ T ⎠ (3.18) N + O2 ⎯ ⎯→ ← ⎯⎯ NO + O , Tèc ợé tĨo thÌnh NO tÝnh theo gãc quay trơc khuủu viỏt dỨíi dĨng sau: ⎛ ⎜ R1 R6 d ([ NO] V ) V ⎜ = (1 − θ ) + ⎜ R1 R6 30 n dα 1+ ⎜ 1+ θ R2 + R3 R4 + R5 + R7 ⎝ ⎞ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ (3.19) Trong ợã:V: Thố tÝch cĐa phđn sộn phẻm chĨy (cm3); n: Sè vßng quay ợéng cŨ n (v/ph); α: Gãc quay trôc khuủu (ợé); Ri = k fi ∏ [ X j ] e ; kfi: lÌ hững sè tèc ợé phộn ụng j =1 thuẹn thụ i (i=1÷7); [Xj]e: nạng ợé ẽ trÓng thĨi cờn bững nhiơt ợéng cĐa chÊt tham gia phộn ụng j phộn ụng thuẹn thụ i (mol/cm3); θ= [NO]pỨ/[NO]e 3.5.3 Mỡ hÈnh chĨy khuỏch tĨn ợéng cŨ Diesel phun giĨn tiỏp Trong giai ợoÓn chĨy khuỏch tĨn khỡng gian cĨc buạng chĨy cĐa ợéng cŨ Diesel PGT ợỨỵc chia thÌnh khu vùc nhỨ hÈnh 3.9 vÌ 3.10 Sau giai ợn chĨy nhanh, nhiởn liu ợc tip tục phun vèo, khng khí lểi buạng chĨy phơ khuỏch tĨn vÌo tia phun vÌ chĨy khuỏch tĨn (khu vùc 1) ớé ợẹm ợậc trung bÈnh khu vùc tÙng dđn vÌ quĨ trÈnh chĨy tĨi ợờy kỏt thóc ợé ợẹm ợậc trung bÈnh lín hŨn giĨ trẺ giíi hĨn trởn cĐa φ Khu vùc nÌy bao gạm nhiởn liơu chỨa chĨy, sộn phẻm chĨy ẽ khu vùc 2, ban 35 Chương 3: Cơ chế hình thành NOx trình cháy động đốt ợđu lÌ khỡng khÝ, thố tÝch khu vùc nÌy thu hỦp dđn vÌ cuèi cĩng lÌ sn phm chy chim chỗ Khu vực lè chy buạng chĨy chÝnh ớđu tiởn nã bao gạm nhiởn liơu chỨa chĨy hỏt, sộn phẻm chĨy khỡng hoÌn toÌn Oxy buạng chĨy chÝnh khuỏch tĨn vÌo khu vùc (ợỨỵc xem nhỨ mét ngản lưa khuỏch tĨn míi) ớé ợẹm ợậc trung bÈnh cĐa khu vùc nÌy giộm dđn vÌ quĨ trÈnh chĨy kỏt thóc tn bé lỨỵng nhiởn liơu phun vÌo ợỈ tiởu thơ hỏt Khu vùc 4, chụa khỡng khÝ, thố tÝch khu vùc nÌy giộm dđn vÌ ợỏn cuèi quĨ trÈnh chĨy nã bẺ sn phm chy chim chỗ hoèn toèn Tia phun Bung chĨy phô d c Buạng chĨy chÝnh c d e f e f Piston HÈnh 3.9: SŨ ợạ phờn chia khu vùc giai ợoÓn chĨy khuỏch tĨn buạng chĨy chÝnh vÌ phơ HÈnh 3.10: Mỡ hÈnh cĨc vĩng phộn ụng ợéng cŨ phun giĨn tiỏp NhỨ vẹy cã thố xem quĨ trÈnh chĨy khuỏch tĨn ợéng cŨ Diesel phun giĨn tiỏp gạm hai ngản löa khuỏch tĨn: Ngản lưa thụ nhÊt chĨy buạng chĨy phơ, cã ợậc ợiốm lÌ tĨi miơng vßi phun chừ cã nhiởn liơu, ngản löa thụ hai chĨy buạng chĨy chÝnh tốc ộ phun thấp hn, ờng kính lỗ phun lớn hŨn (chÝnh lÌ ợỨêng kÝnh hảng thỡng) vÌ tĨi miơng hng thng lè hỗn hợp gm nhin liu vè sn phẻm chĨy Hơ phỨŨng trÈnh cđn giội ụng víi ẻn sè lÌ nhiơt ợé khÝ tĨi cĨc vĩng 1, 2, 3, 4, Ĩp suÊt buạng chĨy p vÌ nạng ợé NOx Hơ phỨŨng trÈnh nÌy ợỨỵc thiỏt lẹp dùa trởn ợẺnh luẹt nhiơt ợéng hảc thụ nhÊt, phỨŨng trÈnh trĨng thĨi khÝ lỶ tỨẽng vÌ phỨŨng trÈnh (3.19) 3.5.4 Kỏt quộ Hơ phỨŨng trÈnh trởn ợỨỵc Ĩp dơng ợố tÝnh toĨn quĨ trÈnh chĨy vÌ sù hÈnh thÌnh NOx ợéng cŨ KUBOTA So sĨnh kỏt quộ tÝnh toĨn NOx víi kỏt quộ thùc nghiơm ẽ cĨc gãc phun sím khĨc ợỨỵc trÈnh bÌy trởn hÈnh 3.11 Kỏt quộ tÝnh toĨn rÊt phĩ hỵp víi thùc nghiơm Khi tÙng gãc phun sím dÉn ợỏn thêi ợiốm bÕt ợđu chĨy diƠn sím 36 Chương 3: Cơ chế hình thành NOx trình cháy động đốt hŨn ợã lÌm tÙng giĨ trẺ Ĩp suÊt cùc ợÓi, nhiơt ợé cùc ợÓi cao hŨn vÈ vẹy nạng ợé NOx sinh lín hŨn So sĨnh kỏt quộ tÝnh toĨn NOx víi kỏt quộ thùc nghiơm ẽ cĨc sè vßng quay khĨc trÈnh bÌy trởn hÈnh 3.12 CÌng tÙng sè vßng quay tèc ợé vẹn ợéng rèi cĐa khỡng khÝ buạng chĨy cÌng tÙng, lÌm tÙng tèc ợé chĨy ợã NOx tÙng lởn Sù sai lơch giƠa tÝnh toĨn lỶ thuyỏt víi thùc nghiơm cã thố viơc giộn hãa giộ thiỏt tÝnh toĨn dĩng mỡ hÈnh rèi k-ε-g ợậc trỨng cho vẹn ợéng rèi cĐa mỡi chÊt buạng chĨy NOx Tênh toạn 50 NOx Thê nghiãûm 45 Nång ®é NOx (ppm) Näöng âäü NOx (ppm) So sĨnh kỏt quộ tÝnh toĨn NOx víi kỏt quộ thùc nghiơm theo ợé m c trung bẩnh ca hỗn hợp cc số vßng quay 1200 vßng/phót vÌ 2200 vßng/phót trÈnh bÌy trởn hÈnh 3.13 vÌ 3.14 Sù phĩ hỵp giƠa tÝnh toĨn vÌ thùc nghiơm cho thÊy cã thố dĩng hơ phỨŨng trÈnh ợéng hảc phộn ụng cĐa Annand ợố tÝnh toĨn sù hÈnh thÌnh NOx khÝ xộ ợéng cŨ Diesel 80 70 60 50 40 30 20 10 16.5 NOx Tênh toaïn NOx Thê nghiãûm 40 35 30 25 20 15 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 18 19.5 21 22.5 24 Säú vng quay (v/ph) Gọc phun såïm (âäü) HÈnh 3.11: So sĨnh kỏt quộ tÝnh toĨn vÌ thÝ nghiơm NOx cĐa ợéng cŨ KUBOTA theo gãc phun sím, lỨỵng nhiởn liơu cung cÊp chu trÈnh Qct= 0.037g/ct HÈnh 3.12: So sĨnh kỏt quộ tÝnh toĨn vÌ thÝ nghiơm nạng ợé NOx cĐa ợéng cŨ KUBOTA theo số vòng quay, lợng nhin liu cung cấp chu trẩnh Qct=0.03g/ct; gãc phun sím 21o 37 Chương 3: Cơ chế hình thành NOx trình cháy động đốt NOx Tinh to¸n(ppm) NOx Tênh toạn(ppm) NOx Thi nghiƯm (ppm) 60 40 Nång ®é NOx (ppm) Nång ®é NOx (ppm) 50 30 20 10 1.1 1.2 1.3 NOx Thê nghiãûm(ppm) 50 40 30 20 10 1.4 Hệ số d lợng không khí 1.1 1.2 1.3 1.4 Hệ số d lợng không khí Hẩnh 3.13: Kỏt quộ tÝnh toĨn vÌ thÝ nghiơm nạng ợé NOx cĐa ợéng cŨ KUBOTA theo hơ sè dỨ lỨỵng khỡng khÝ n= 1200v/ph 38 HÈnh 3.14: Kỏt quộ tÝnh toĨn vÌ thÝ nghiơm nạng ợé NOx cĐa ợéng cŨ KUBOTA theo hơ sè dỨ lỨỵng khỡng khÝ trung bÈnh n= 2200v/ph ... 3.3 Cơ chế hình thành Oxyde Nitơ 3.3.1 Cơ chế hình thành monoxyde nitơ Trong họ NOx NO chiếm tỉ lệ lớn NOx chủ yếu N2 khơng khí nạp 28 Chương 3: Cơ chế hình thành NOx trình cháy động đốt vào động. .. 37 Chương 3: Cơ chế hình thành NOx trình cháy động đốt NOx Tinh to¸n(ppm) NOx Tênh toạn(ppm) NOx Thi nghiƯm (ppm) 60 40 Nång ®é NOx (ppm) Nång ®é NOx (ppm) 50 30 20 10 1.1 1.2 1.3 NOx Thê nghiãûm(ppm)... 400 Chương 3: Cơ chế hình thành NOx trình cháy động đốt vật cháy theo phản ứng sau: Hình 3.4: Biến thiên tỉ số NO2/NO theo tải động Diesel (3.5) Trong điều kiện nhiệt độ cao, NO2 tạo thành phân