Tài liệu Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel doc

Chương CƠ CHẾ HÌNH THÀNH BỒ HĨNG TRONG Q TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL 5.1 Giới thiệu: Bồ hóng chất nhiễm đặc biệt quan trọng khí xả động Diesel Tuy từ lâu người ta nhận biết tác hại chúng việc nghiên cứu hình thành chất nhiễm khí xả động Diesel thực phát triển từ năm 1970 dựa vào thành tựu kỹ thuật quang học Sự nguy hiểm bồ hóng sức khỏe người đề cập đến chương Các HAP, kể nitro-HAP dinitro-HAP hấp thụ bồ hóng Diesel có khả gây đột biến tế bào gây ung thư đường hơ hấp Ngồi ra, bồ hóng có khả gây ung thư da nạn nhân tiếp xúc thường xuyên với chúng gây bệnh tụ máu dẫn đến tác động nguy hiểm đến hệ tim mạch Trong mơi trường, hạt bồ hóng khơng khí có tác dụng hấp thụ khuếch tán ánh sáng mặt trời, làm giảm độ suốt khí làm giảm tầm nhìn So với nông thôn, đô thị xạ mặt trời đo mặt đất nhỏ khoảng 15-20% Khi nồng độ bồ hóng khơng khí đạt khoảng 0,1mg/m3 tầm nhìn xa cịn 12km (so với tầm nhìn xa cực đại 36km), thị có độ phát tán tầm thấp yếu trục lộ có tập trung phương tiện Diesel cao điểm (nếu có khoảng 20% xe vận tải Diesel luồng tầm nhìn giảm từ 25-30%) Điều gây an tồn giao thơng Ngồi ra, bồ hóng bám vào xanh khả quang hợp bị giảm, làm cối dễ bị héo chết Bồ hóng bám vào cơng trình xây dựng gây ăn mịn kim loại Quá trình cháy khuếch tán động Diesel thuận lợi cho việc hình thành bồ hóng Thật vậy, cháy hạt nhiên liệu lỏng chúng dịch chuyển buồng cháy tập trung cục nhiên liệu vùng có nhiệt độ cao ngun nhân sản sinh bồ hóng Bồ hóng khí xả yếu tố giới hạn khả ứng dụng động Diesel Mặc dù nhà khoa học nhà sản xuất ô tô quan tâm nhiều đến việc nghiên cứu vấn đề đến người ta chưa tìm giải pháp kỹ thuật hữu hiệu nhằm hạn chế nồng độ bồ hóng giới hạn cho phép quy định bảo vệ môi trường Hai hướng nghiên cứu là: 1- Cải thiện tổ chức tốt trình cháy động Diesel 57 Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng q trình cháy động Diesel 2- Lọc bồ hóng đường ống xả Giải pháp xử lý bồ hóng đường ống xả gặp nhiều khó khăn thực tế, giải vấn đề tái sinh lõi lọc để giảm trở lực đường thải việc nâng cao tuổi thọ lọc Vì vậy, giải pháp có tính vấn đề bồ hóng rút sở nghiên cứu tường tận trình hình thành chất nhiễm để tìm cách hạn chế chúng từ buồng cháy động Nghiên cứu hình thành bồ hóng mơ hình tốn học phát triển mạnh song song với nghiên cứu thực nghiệm Phương pháp mơ hình hóa có nhiều ưu điểm việc đo đạc cục buồng cháy phức tạp Tất nhiên, kết nghiên cứu thực nghiệm khơng thể thiếu để kiểm chứng mơ hình tốn học Động Diesel loại động đốt sử dụng rộng rãi nhờ tính kinh tế cao Tuy nhiên, với cạnh tranh loại động đánh lửa cưỡng đại, viễn ảnh áp dụng loại động phương tiện vận tải tương lai phụ thuộc nhiều vào kỹ thuật làm giảm nồng độ bồ hóng khí xả 5.2 Hình thành bồ hóng lửa khuếch tán Quá trình cháy khuếch tác áp dụng rộng rãi cơng nghiệp an toàn Tuy nhiên đặc điểm phân bố nhiên liệu khơng đồng nhất, việc khống chế q trình cháy gặp nhiều khó khăn so với qua trình cháy hỗn hợp đồng Cũng phân bố hỗn hợp không đồng mà sản phẩm cháy lửa khuếch tán tồn sản phẩm cháy khơng hồn tồn hỗn hợp tổng quát loãng Trong số sản phẩm cháy khơng hồn tồn người ta đặc biệt quan tâm đến bồ hóng Sự hình thành bồ hóng lửa khuếch tán trước tiên phụ thuộc vào nhiên liệu Nhiên liệu có thành phần C cao nồng độ bồ hóng lớn Hình 5.1 so sánh nồng độ bồ hóng đo trục lửa khuếch tán loại nhiên liệu khác nhau: butane, propane méthane với điều kiện ban đầu (tốc độ phun 90m/s, đường kính lỗ phun 3mm) Nồng độ biểu diễn thông qua bề dày đặc trưng bồ hóng fv.L (L: chiều dài quang trình) Chúng ta thấy nồng độ bồ hóng sản phẩm cháy lửa butane lớn nồng độ thấp lửa méthane 58 Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng q trình cháy động Diesel Yếu tố thứ hai ảnh hưởng đến nồng độ bồ hóng nồng độ nhiên liệu nồng độ oxygène Thật vậy, hình thành bồ hóng chủ yếu q trình cháy khơng hồn tồn nhiên liệu Khi hỗn hợp nghèo phân bố đồng nồng độ bồ hóng bé, bỏ qua Nồng độ oxygène ảnh hưởng đến oxy hóa bồ hóng sau chúng hình thành ảnh hưởng đến nồng độ bồ hóng cuối có mặt sản phẩm cháy Hình 5.2a, b biểu diễn biến thiên nồng độ nhiên liệu oxygène theo chiều cao lửa propane có tốc độ phun ban đầu 90m/s đường kính lỗ phun 3mm Hình 5.1: Ảnh hưởng nhiên liệu đến mức độ phát sinh bồ hóng lửa khuếch tán a b Hình 5.2: Biến thiên nồng độ nhiên liệu (a) oxygène (b) theo chiều cao lửa khuếch tán propane 59 Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng q trình cháy động Diesel Hình 5.3: Profil nhiệt độ lửa propane Hình 5.4: Phân bố fv.L lửa propane Yếu tố thứ ba ảnh hưởng đến hình thành bồ hóng phân bố nhiệt độ lửa Nhiệt độ cao vùng giàu nhiên liệu thuận lợi cho việc hình thành bồ hóng Ngược lại nhiệt độ cao vùng thừa oxygène thuận lợi cho việc oxy hóa bồ hóng Nồng độ bồ hóng khỏi lửa khuếch tán hiệu số lượng bồ hóng hình thành lượng bồ hóng bị oxy hóa Hình 5.3 giới thiệu profil nhiệt độ lửa khuếch tán propane nghiên cứu Tóm lại, nồng độ bồ hóng có mặt khí cháy sau thoát khỏi lửa khuếch tán phụ thuộc vào yếu tố bản: thành phần nhiên liệu, nồng độ nhiên liệu, nồng độ oxygène phân bố nhiệt độ lửa Hình trình bày phân bố nồng độ bồ hóng lửa khuếch tán Hình cho thấy nồng độ bồ hóng đạt cực đại vùng nhiệt độ cao giàu nhiên liệu Ảnh hưởng yếu tố minh họa thông qua nghiên cứu biến thiên đường kính hạt bồ hóng lửa propane Hình 5.5 biểu diễn biến thiên đường kính hạt bồ hóng theo phương hướng kính lửa Những hạt bồ hóng có đường kính bé tập trung vùng có nhiệt độ độ đậm đặc cao Khi tăng chiều cao lửa, vị trí hình thành bồ hóng dịch chuyển xa trục Ở độ cao x=400mm, điểm cực tiểu đường kính biến đường kính hạt tăng đặn từ trục ngồi rìa lửa Kết phân tích khí hình 5.2a cho thấy khu vực này, nồng độ nhiên liệu thấp khơng đủ điều kiện để hình thành hạt bồ hóng 60 Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng q trình cháy động Diesel Hình 5.5: Biến thiên hướng kính đường kính hạt bồ hóng Hình 5.6: Biến thiên đường kính hạt bồ hóng trục lửa theo chiều cao Do tượng phát triển hạt bồ hóng sau hình thành nên hạt có đường kính lớn phân tán ngồi khu vực hình thành bồ hóng Kết thực nghiệm cho thấy hình thành bồ hóng địi hỏi phải có đồng thời hai điều kiện nhiệt độ cao hỗn hợp đậm đặc Kết luận kiểm chứng biến thiên đường kính hạt theo chiều cao lửa cho hình 5.6 Thật vậy, thấy đường kính hạt giảm theo chiều cao với gia tăng nhiệt độ trục lửa đến độ cao 450mm Khi qua khỏi độ cao này, nhiệt độ lửa cao nồng độ 61 Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trình cháy động Diesel nhiên liệu bắt đầu giảm, q trình hình thành bồ hóng chấm dứt, đường kính hạt gia tăng tượng hấp thụ bề mặt liên kết hạt 5.3 Bồ hóng khí xả động Diesel Trong khí xả động đốt trong, ngồi chất khí độc CO, NOx, HnCm, SOx cịn có hạt rắn tồn dạng sau: hạt chì xăng pha chì, hạt sunphát tạp chất lưu huỳnh nhiên liệu hạt bồ hóng Khi hoạt động bình thường, khí xả động xăng có bồ hóng Lượng bồ hóng đáng kể làm việc với hỗn hợp đậm đặc Còn động Diesel, q trình cháy khuếch tán phân tích đây, bồ hóng chất nhiễn đặc biệt quan trọng thành phần chủ yếu tồn dạng hạt rắn khí xả Thành phần hạt bồ hóng Ngày nay, người ta biết rõ bồ hóng bao gồm thành phần sau đây: - Carbon: Thành phần nhiều phụ thuộc vào nhiệt độ cháy hệ số dư lượng khơng khí trung bình, đặc biệt động hoạt động chế độ đầy tải tải - Dầu bôi trơn không cháy: Đối với động cũ thành phần chiếm tỉ lệ lớn Lượng dầu bôi trơn bị tiêu hao lượng hạt bồ hóng có quan hệ với - Nhiên liệu chưa cháy cháy khơng hồn tồn: Thành phần phụ thuộc vào nhiệt độ hệ số dư lượng khơng khí - Sun phát: lưu huỳnh nhiên liệu bị oxy hóa tạo thành SO2 SO4 - Các chất khác: lưu huỳnh, calci, sắt, silicon, chromium, phosphor, hợp chất calci từ dầu bơi trơn Thành phần hạt bồ hóng cịn phụ thuộc vào tính chất nhiên liệu, đặc điểm trình cháy, dạng động thời hạn sử dụng động (cũ hay mới) Thành phần bồ hóng sản phẩm cháy nhiên liệu có thành phần lưu huỳnh cao khác với thành phần bồ hóng sản phẩm cháy nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh thấp Hình 5.7 so sánh thành phần bồ hóng hai loại nhiên liệu Diesel có thành phần lưu huỳnh 0.26% 0.05% Đối với động qua sử dụng 10 năm, thành phần bồ hóng có chứa đến 40% dầu bơi trơn khơng cháy hết hình 5.8 62 Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng q trình cháy động Diesel HC 0.007 HC 0.03 H åt C ar bon D Àu bơi 0.11 t Ưn r D Àu bơi H åt 017 t Ưn r 10 C ar bon 043 Sunphát 0.008 Sunphát 0.06 Nhi lŒu: 2D ên i US- Nhi lŒu: Low SulerFuel ên i " f " 26wt Suler Nềng ầả bề húng % f 05wt Suler Nềng ầả bề hóng % f t °ng c¶ng:0 30g/ HP_h t °ng c¶ng:0 075g/ HP_h Hình 5.7: Thành phần hạt bồ hóng theo tính chất nhiên liệu HC 7% D Àu bơit Ưn r 40% C hÃtkhác 8% Sunphát 14% C ar bon 31% Hình 5.8: Thành phần hạt bồ hóng động sử dụng 10 năm Kết nghiên cứu thực nghiệm phân bố kích thước hạt cho thấy bồ hóng khí xả tồn hai dạng: dạng đơn dạng tích tụ Dạng đơn (gam kích thước nhỏ) tồn nhiệt độ 5000C Ở dạng này, hạt bồ hóng kết hợp hạt sơ cấp hình cầu (mỗi hạt sơ cấp hình cầu chứa khoảng 105-106 nguyên tử carbon) Dạng đơn gọi thành phần khơng hịa tan ISF (Insoluble Fraction) hay thành phần rắn SOL (Solid) Dạng tích tụ (gam kích thước lớn) bồ hóng liên kết lại với tồn nhiệt độ thấp 5000C Các hạt bồ hóng bao bọc thành phần hữu nặng ngưng tụ hấp thụ bề mặt hạt: HC chưa cháy, HC bị oxy hóa (keton, ester, ether, axít hữu cơ), hydrocarbure thơm đa nhân HAP (Hydrocarbures Aromatiques Polynucléaires) Thể tích tụ cịn có thêm hạt khác SO2, NO2, SO4 Những hạt gọi thành phần hữu hòa tan SOF 63 Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng q trình cháy động Diesel (Soluble Organic Fraction) Trong khí xả động Diesel thành phần SOF chiếm từ 5%-80% Hình 5.9: Cấu trúc chuỗi bồ hóng Hình 5.10: Dạng hạt sơ cấp c 0.335nm 0.67nm b a Hình 5.11: Mơ hình cấu trúc dạng hạt sơ cấp Hình 5.12: Cấu trúc tinh thể graphit Cấu trúc hạt bồ hóng Hình 5.9 5.10 trình bày ảnh chụp khuếch đại chuỗi hạt sơ cấp tạo thành hạt bồ hóng khí xả động Diesel Một cách tổng quát nói hạt bồ hóng mà người ta thường gọi hình thành liên kết nhiều hạt sơ cấp hình cầu thành khối chuỗi Mỗi hạt bồ hóng (khối hay chuỗi) chứa đến 4000 hạt hình cầu sơ cấp Các hạt sơ cấp có đường kính từ 10 đến 80nm đại phận hạt nằm khoảng 15-30nm, đường kính trung bình hạt bồ hóng nằm khoảng 100-150nm, có lên đến 500-1000nm Cấu trúc tinh thể hạt bồ hóng khí xả động Diesel có dạng tương tự graphit (hình 5.11) đặn Mỗi hạt sơ cấp hình cầu tập hợp khoảng 1000 mầm tinh thể, có dạng phiến mỏng xếp đồng tâm quanh tâm hạt cầu, tương tự cấu trúc hạt carbon đen Những nguyên tử carbon kết nối với 64 Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trình cháy động Diesel theo phiến lục giác phẳng cách 0,34-0,36nm (chỉ lớn chút so với graphit: 0,33nm) Các phiến kết hợp với tạo thành mầm tinh thể (từ 2-5 phiến) với cấu trúc giống carbon đen Những mầm tinh lại xếp lại theo hướng song song với mặt hạt cầu với kết cấu siêu tĩnh để tạo thành hạt 5.4 Tình hình nghiên cứu quy định nồng độ bồ hóng khí xả động Diesel 5.4.1 Tình hình nghiên cứu bồ hóng Nghiên cứu bồ hóng khí xả động Diesel tập trung vào hướng sau đây: 1- Nghiên cứu hình thành bồ hóng bên buồng cháy động Trên sở hiểu biết tường tận trình hình thành bồ hóng nghiên cứu tổ chức trình cháy, xác định chế độ làm việc tối ưu động xác định chất lượng nhiên liệu chất phụ gia chống ô nhiễm để đảm bảo cháy nhiên liệu, làm giảm nồng độ bồ hóng sản phẩm cháy Việc nghiên cứu q trình tạo bồ hóng động thường xuất phát từ mơ hình lửa khuếch tán bên ngồi động Theo hướng có nhiều cơng trình nghiên cứu mơ hình hóa q trình cháy tạo bồ hóng lửa khuếch tán pha hai pha Đặc biệt, phát triển đồng dạng tốn học q trình cháy cho phép thiết lập mơ hình tổng qt cho nhiều hệ thống cháy khác để từ mơ hình hóa q trình tạo bồ hóng bên buồng cháy động Diesel Tesner Magnussen đưa mơ hình tạo bồ hóng hai giai đoạn Các mơ hình tạo bồ hóng khác tổng kết tài liệu Morel, Kenedy, Lee Tính đắn mơ hình Morel Tesner-Magnussen Bùi Văn Ga kiểm nghiệm lửa rối khuếch tán pha hai pha Đối với động Diesel, mơ hình nhiều khu vực ("multi-zone") dựa quy luật thực nghiệm khí kéo theo vào tia nhiên liệu phân bố nhiên liệu tia để tính tốn nhiệt độ trung bình khu vực từ tính tốn q trình cháy tạo bồ hóng động Diesel cho phép xây dựng phần mềm đa phương chạy máy tính mini KIVA2, KIVA3 TURBO-KIVA 2- Nghiên cứu xử lý bồ hóng đường xả động Hướng nghiên cứu chủ yếu tập trung hoàn thiện giải pháp: - Xử lý bồ hóng kỹ thuật lọc tái sinh lọc - Xử lý bồ hóng xúc tác oxy hóa 65 Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trình cháy động Diesel Trong chương nghiên cứu giải pháp Tuy nhà khoa học cơng nghệ có nhiều cải tiến hoàn thiện lọc chưa có giải pháp tối ưu tỏ hữu hiệu cho vấn đề xử lý bồ hóng đường xả 5.4.2 Các quy định nồng độ bồ hóng khí xả động Diesel Hiện nay, quy trình kiểm tra tiêu chuẩn nước phụ thuộc vào chế độ vận hành ô tô thành phố mà nước chọn làm tiêu biểu Các nước phát triển thường chọn chế độ thử nước công nghiệp phát triển để áp dụng nước vớI điều chỉnh cho phù hợp với tình hình thực tế Từ năm 1970, nước giới thiết lập tiêu chuẩn độ khói cho loại xe tải xe bus Diesel hình 5.13 (Cộng đồng Châu Âu, loại xe có trọng lượng tồn 3500kg), hình 5.14 (Mĩ, loại xe có trọng lượng tồn 3850kg) hình 5.15 (Nhật, loại xe có trọng lượng toàn 2500kg) Ở Việt Nam, Nhà Nước ban hành tiêu chuẩn TCVN 5418-91 TCVN 6438-98 độ khói khí xả động Diesel (xem chương 2) 5.5 Cơ chế tạo bồ hóng buồng cháy động Diesel Các nghiên cứu q trình hình thành bồ hóng lửa buồng cháy động Diesel đề cập nhiều tài liệu gần với chế hình thành hạt bồ hóng điển hình: đ ¶ khói( H P/ g/ h) Polyme hóa qua acétylène polyacétylène Khởi tạo hydrocarbure thơm đa nhân (HAP) Ngưng tụ graphit hóa cấu trúc HAP Tạo hạt qua tác nhân ion hóa hợp thành phân tử nặng Tạo hạt qua tác nhân trung tính phát triển bề mặt hợp thành thành phần nặng 0.8 0.6 0.4 0.2 1970 1974 1978 1982 1986 1990 Nỉm dÜƯng lch Ỵ 66 1994 1998 2002 Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng q trình cháy động Diesel đ ¶ khói( H P/ g/ h) Hình 5.13: Tiêu chuẩn châu Âu độ khói tơ Diesel mốc thời gian khác 0.8 0.6 0.4 0.2 1970 1974 1978 1982 1986 1990 1994 1998 2002 Nỉm dÜƯng lch Ỵ Hình 5.14: Tiêu chuẩn Mĩ độ khói ô tô Diesel mốc thời gian khác đ ¶ khói( H P/ g/ h) 0.8 0.6 0.4 0.2 1970 1974 1978 1982 1986 1990 1994 1998 2002 Nỉm dÜƯng lch Ỵ Hình 5.15: Tiêu chuẩn Nhật Bản độ khói tơ Diesel mốc thời gian khác Hiện người ta thường mơ tả hình thành bồ hóng qua giai đoạn tóm tắt hình 5.16 Nhiên liệu+Khơng khí Tạo hạt nhân Phân hủy nhiệt Các hạt Axêtylen Phát triển bề mặt hạt Oxy hóa Các hạt bồ hóng ban đầu Oxy hóa Phát triển bề mặt hạt bồ hóng ban đầu Các hạt bồ hóng Hợp dính Ngưng tụ Phát triển bề mặt Liên kết hạt 67 Oxy hóa Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng q trình cháy động Diesel Hình 5.16: Quá trình tạo bồ hóng động Diesel 5.5.1 Hình thành hạt bồ hóng Vật chất pha ngưng tụ phát triển từ phân tử nhiên liệu thông qua sản phẩm oxy hóa sản phẩm phân hủy nhiệt (pyrolyse) Những sản phẩn gồm hydrocarbure khơng bão hịa khác nhau, đặc biệt acétylène đồng vị bậc cao nó, HAP Hai dạng phần tử coi nhân tố hình thành bồ hóng Phản ứng ngưng tụ phân tử thể khí dẫn đến hình thành hạt nhân bồ hóng có đường kính bé (d