dây chuyền
Quá trình phát triển
của các phản ứng dây
chuyền có thể diễn ra theo một trong hai khả năng như sau :
Khả năng thứ nhất - tốc độ phân nhánh dây chuyền lớn hơn tốc độ đứt nhánh. Khi đó, sau một thời gian τi , tại khu vực phản ứng sẽ tích lũy được một số lượng đủ lớn các phần tử hoạt tính làm tăng đột ngột tốc độ phản ứng và gây phát hỏa (đường 1 trên Hình 5.2
Khả năng thứ hai - tốc độ phân nhánh dây chuyền sẽ giảm sau khi đã đạt tới trị số cực đại nào đó, sau đó tốc độ đứt nhánh tăng dần và không dẫn đến phát hỏa (đường 2 và 3).
Như vậy, phản ứng dây chuyền có dẫn đến phát hỏa hay khơng cịn tùy thuộc vào điều kiện đảm bảo cho sự tách nhánh dây chuyền diễn ra với tốc độ lớn hơn tốc độ đứt nhánh dây chuyền. Sự phát hỏa sẽ diễn ra khi tốc độ phản ứng dây chuyền đạt đến trị số giới hạn wi .
c) Sự phát hoả của nhiên liệu hydrocarbon ở ĐCĐT
Sự phát hỏa ở động cơ xăng - Ở động cơ xăng , nhiệt độ rất cao của tia lửa điện (khoảng 10 000 0C) có thể phá vỡ cấu trúc của các phân tử nhiên liệu và oxy để tạo ra các phần tử hoạt tính. Những phần tử hoạt tính này sẽ làm phát triển phản ứng dây chuyền với tốc độ được xác định theo công thức (3.1-7). Cùng với sự gia tốc của phản ứng dây chuyền, tốc độ toả nhiệt tại khu vực phản ứng cũng tăng theo. Khi tốc độ toả nhiệt lớn hơn tốc độ truyền nhiệt từ khu vực phản ứng ra ngồi thì chuyển sang giai đoạn tự nâng cao nhiệt độ của HHC và dẫn đến phát hoả.
Sự phát hỏa ở động cơ diesel - Ở động cơ diesel, nhiệt độ trong xilanh tại thời Trang 44
điểm phun nhiên liệu khơng đủ cao để có thể phá huỷ cấu trúc của các phân tử CnHm và O2 (TC ≈ 700 ÷ 900 0C). Tuy nhiên, ở nhiệt độ tương đối thấp (300 ÷ 400 0C) vẫn có thể diễn ra phản ứng hố học giữa các phân tử CnHm và O2 với sự hình thành những chất peroxide. Ví dụ :
C7H16 + O2 → C7H15OOH
Khi tích tụ đến một nồng độ giới hạn, các chất peroxide ROOH dễ dàng tự phân huỷ ở nhiệt độ trong buồng đốt như sau :
ROOH → ( R C H ) + ( R C R ) + ( R CH CH R ) O O
Peroxid es
→ aldehydes + ketons + olef
is
hoặc ROOH → RO + OH
Sản phẩm của sự phân huỷ các chất peroxide có thể là các chất có tính hoạt hố yếu như aldehyde, ketone, olefin, v.v. và các phần tử hoạt tính, ví dụ RO, OH, v.v. Các phần tử hoạt tính mới được hình thành dễ dàng phản ứng với các phân tử CnHm và O2 để tạo ra những phần tử hoạt tính mới và làm xuất hiện phản ứng dây chuyền rồi có thể kết thúc bằng sự xuất hiện những trung tâm cháy đầu tiên. Sự hình thành các phần tử hoạt tính là kết quả của hàng loạt q trình hố học trung gian được gọi là các phản ứng tiền ngọn lửa (Preflame Reactions). Thời điểm HHC tự
bốc cháy là thời điểm xuất hiện trong buồng đốt những trung tâm cháy đầu tiên (First Hot Flame Foci). Đó là những khu vực tập trung những phần tử hoạt tính với nồng độ đủ lớn sao cho tốc độ toả nhiệt từ các phản ứng hoá học giữa chúng với nhau và giữa chúng với các phân tử nhiên liệu lớn hơn tốc độ truyền nhiệt từ khu vực phản ứng ra ngoài. Trong điều kiện như vậy, sự tự gia tốc dây chuyền làm cho phản ứng đạt đến tốc độ đảm bảo việc tự bốc cháy và cháy của HHC xung quanh.
Qua phân tích ở trên ta thấy, các phản ứng oxy hóa nhiên liệu ở ĐCĐT đều thuộc loại phản ứng dây chuyền. Nhưng vì các phản ứng dây chuyền đó đều là phản ứng toả nhiệt nên trong quá trình phản ứng, HHC cũng tự sấy nóng và sự tự sấy nóng đó cũng ảnh hưởng tới phát hoả. Như vậy, sự phát hỏa ở ĐCĐT vừa
do phản ứng dây chuyền vừa do nhiệt.
3.2 Các thơng số đặc trưng của q trình cháy
3.3.1 Thời gian chậm cháy
Thời gian chậm cháy (Ignition Lag) là khoảng thời gian cần thiết để HHC phát hoả khi chịu tác dụng của áp suất và nhiệt độ đủ lớn. Đối với động cơ xăng, thời gian chậm cháy được tính từ thời điểm xuất hiện tia lửa điện giữa hai cực của buji đến thời điểm xuất hiện những trung tâm cháy đầu tiên; còn ở động cơ diesel - thời gian chậm cháy kéo dài từ thời điểm nhiên liệu thực tế bắt đầu được phun vào buồng đốt đến thời điểm xuất hiện những trung tâm cháy đầu tiên. Thời gian chậm cháy có thể được tính bằng giây (τi) hoặc bằng độ góc quay của trục khuỷu (ϕi).
Thời gian chậm cháy vật lý và thời gian chậm cháy hóa học
Nhiều thí nghiệm đã được tiến hành nhằm mục đích xác định thời gian chậm cháy.
Hình 3.2 giới thiệu kết quả thí nghiệm bằng cách phun hỗn hợp của 33 % isooctane và 67 % n-heptane vào một bình chứa khơng khí và một bình khác chứa nitơ đã được đốt nóng . Kết quả thí nghiệm chứng tỏ sự tồn tại các q trình vật lý và hố học diễn ra trong giai đoạn chậm cháy. Thời gian diễn ra các q trình hóa hơi nhiên liệu, hịa trộn hơi nhiên liệu với khơng khí và sấy nóng hỗn hợp cháy đến nhiệt độ tự bốc cháy được gọi là thời gian chậm cháy vật lý (τi.ph . Thời gian tính từ thời điểm xuất hiện các phản ứng tiền ngọn lửa đến thời điểm xuất hiện những trung tâm cháy đầu tiên được gọi là thời gian chậm cháy hóa học (τi. ch).
τ i = τi. ph + τi. ch
Ảnh hưởng của giai đoạn chậm cháy đến chất lượng quá trình cháy
Ảnh hưởng của giai đoạn chậm cháy đến diễn biến và chất lượng quá trình cháy ở động cơ xăng và diesel khơng hồn toàn như nhau. Giai đoạn chậm cháy ở động cơ xăng diễn ra trong khoảng thời gian rất ngắn và khơng có ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng của tồn bộ q trình cháy. Ngược lại, giai đoạn chậm cháy ở động cơ diesel diễn ra trong một khoảng thời gian khá dài so với tổng thời gian dành cho q trình cháy và có ảnh hưởng rất lớn đến diễn biến của các giai
đoạn tiếp theo của quá trình cháy. Giai đoạn chậm cháy ở động cơ diesel kéo dài sẽ làm cho lượng nhiên liệu cháy rớt, tốc độ tăng áp suất (wp.m) và áp suất cháy cực đại (pz) đều tăng.
a)