L ỜI GIỚI THIỆU
2. Bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel
Trong khí xả động cơ đốt trong, ngồi các chất khí độc như CO, NOx, HnCm, SOx... cịn có các hạt rắn tồn tại 3 dạng sau: các hạt chì của xăng pha chì, hạt sunphát của tạp chất lưu huỳnh trong nhiên liệu và hạt bồ hóng. Khi hoạt động bình thường, trong khí xả động cơ xăng có rất ít bồ hóng. Lượng bồ hóng chỉđáng kể khi nó làm việc với hỗn hợp đậm đặc. Cịn ở động cơ Diesel, do q trình cháy khuếch tán nhưđã phân tích trên đây, bồ hóng là chất ô nhiễn đặc biệt quan trọng và là thành phần chủ yếu tồn tại dưới dạng hạt rắn trong khí xả.
Thành phần hạt bồ hóng
Ngày nay, người ta đã biết rõ bồ hóng bao gồm các thành phần chính sau đây:
- Carbon: Thành phần này ít nhiều phụ thuộc vào nhiệt độ cháy và hệ sốdư lượng khơng khí trung bình, đặc biệt là khi động cơ hoạt động ở chế độ đầy tải hoặc quá tải.
- Dầu bôi trơn không cháy: Đối với động cơcũ thành phần này chiếm tỉ lệ lớn. Lượng dầu bôi trơn bị tiêu hao và lượng hạt bồ hóng có quan hệ với nhau.
- Nhiên liệu chưa cháy hoặc cháy khơng hồn tồn: Thành phần này phụ thuộc vào nhiệt độ và hệ sốdư lượng khơng khí.
- Sun phát: do lưu huỳnh trong nhiên liệu bị oxy hóa và tạo thành SO2 hoặc SO4.
- Các chất khác: lưu huỳnh, calci, sắt, silicon, chromium, phosphor, các hợp chất calci từ dầu bơi trơn.
Thành phần hạt bồ hóng cịn phụ thuộc vào tính chất nhiên liệu, đặc điểm của q trình cháy, dạng động cơ cũng như thời hạn sử dụng của động cơ (cũ hay mới). Thành phần bồ hóng trong sản phẩm cháy của nhiên liệu có thành phần lưu huỳnh cao khác với thành phần bồ hóng trong sản phẩm cháy của nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh thấp. Hình 5.7 so sánh thành phần bồ hóng của hai loại nhiên liệu Diesel có thành phần lưu huỳnh 0.26% và 0.05%. Đối với động cơ đã qua sử dụng trên 10 năm, thành phần bồ hóng có chứa đến 40% dầu bơi trơn khơng cháy hết như hình 5.8.
Kết quả nghiên cứu thực nghiệm về sự phân bố kích thước hạt cho thấy bồ hóng trong khí xả tồn tại dưới hai dạng: dạng đơn và dạng tích tụ. Dạng đơn (gam
kích thước nhỏ) tồn tại ở nhiệt độ trên 5000C. Ở dạng này, các hạt bồ hóng là sự kết hợp của các hạt sơ cấp hình cầu (mỗi một hạt sơ cấp hình cầu này chứa khoảng 105-106 nguyên tử carbon). Dạng đơn này còn được gọi là thành phần khơng hịa tan ISF (Insoluble Fraction) hay thành phần rắn SOL (Solid). Dạng tích tụ
(gam kích thước lớn) do các bồ hóng liên kết lại với nhau và tồn tại ở nhiệt độ thấp hơn 5000C. Các hạt bồ hóng này được bao bọc bởi các thành phần hữu cơ nặng ngưng tụ và hấp thụ trên bề mặt hạt: HC chưa cháy, HC bị oxy hóa (keton, ester, ether, axít hữu cơ), và các hydrocarbure thơm đa nhân HAP (Hydrocarbures Aromatiques Polynucléaires). Thể tích tụ này có thể cịn có thêm các hạt khác như SO2, NO2, SO4. Những hạt này còn được gọi là thành phần hữu cơ hòa tan SOF (Soluble Organic Fraction). Trong khí xả động cơ Diesel thành phần SOF có thể chiếm từ 5%-80%.
Hình 5.11: Mơ hình cấu trúc sơ cấp Hình 5.12: Cấu trúc tinh thể graphit
Cấu trúc hạt bồ hóng
Hình 5.9 và 5.10 trình bày ảnh chụp khuếch đại của chuỗi và hạt sơ cấp tạo thành hạt bồ hóng trong khí xảđộng cơ Diesel. Một cách tổng quát có thể nói hạt bồ hóng mà người ta thường gọi hình thành do sự liên kết của nhiều hạt sơ cấp hình cầu thành từng khối hoặc chuỗi. Mỗi hạt bồ hóng (khối hay chuỗi) có thể chứa đến 4000 hạt hình cầu sơ cấp. Các hạt sơ cấp có đường kính từ 10 đến 80nm và đại bộ phận hạt nằm trong khoảng 15-30nm, đường kính trung bình của các hạt bồ hóng nằm trong khoảng 100-150nm, có khi lên đến 500-1000nm.
Cấu trúc tinh thể của hạt bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel có dạng tương tự như graphit (hình 5.11) nhưng ít đều đặn hơn. Mỗi hạt sơ cấp hình cầu là một tập hợp khoảng 1000 mầm tinh thể, có dạng phiến mỏng được xếp đồng tâm quanh tâm của mỗi hạt cầu, tương tự như cấu trúc hạt carbon đen. Những nguyên tử carbon kết nối với nhau theo các phiến lục giác phẳng cách nhau 0,34-0,36nm (chỉ lớn hơn một chút so với graphit: 0,33nm). Các phiến này kết hợp với nhau tạo thành các mầm tinh thể (từ 2-5 phiến) với cấu trúc giống như carbon đen. Những mầm tinh này lại sắp xếp lại theo các hướng song song với mặt hạt cầu với kết cấu siêu tĩnh để tạo thành các hạt.
3. Tình hình nghiên cứu và các quy định về nồng độ bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel hiện nay
3.1. Tình hình nghiên cứu bồ hóng
Nghiên cứu bồ hóng trong khí xảđộng cơ Diesel hiện nay tập trung vào các hướng chính sau đây:
Nghiên cứu sự hình thành bồ hóng bên trong buồng cháy động cơ
Trên cơ sở hiểu biết tường tận q trình hình thành bồ hóng chúng ta có thể nghiên cứu tổ chức quá trình cháy, xác định chế độ làm việc tối ưu của động cơ cũng như xác định chất lượng nhiên liệu và các chất phụ gia chống ô nhiễm đểđảm bảo cháy sạch nhiên liệu, làm giảm nồng độ bồ hóng trong sản phẩm cháy. Việc nghiên cứu q trình tạo bồ hóng trong động cơ thường xuất phát từ các mơ
hình ngọn lửa khuếch tán bên ngoài động cơ. Theo hướng này có rất nhiều cơng trình nghiên cứu về mơ hình hóa q trình cháy và tạo bồ hóng trong các ngọn lửa khuếch tán một pha và hai pha. Đặc biệt, sự phát triển đồng dạng tốn học về q trình cháy đã cho phép thiết lập mơ hình tổng quát cho nhiều hệ thống cháy khác nhau để từđó có thể mơ hình hóa q trình tạo bồ hóng bên trong buồng cháy động cơ Diesel. Tesner và Magnussen đã đưa ra mơ hình tạo bồ hóng hai giai đoạn. Các mơ hình tạo bồ hóng khác cũngđã được tổng kết trong các tài liệu của Morel, Kenedy, Lee... Tính đúng đắn của mơ hình của Morel và của Tesner- Magnussen đã được Bùi Văn Ga kiểm nghiệm trên các ngọn lửa rối và khuếch tán một pha và hai pha.
Đối với động cơ Diesel, mơ hình nhiều khu vực ("multi-zone") dựa trên quy luật thực nghiệm của khí kéo theo vào tia nhiên liệu và sự phân bố nhiên liệu trong tia để tính tốn nhiệt độ trung bình trong mỗi khu vực và từ đó tính tốn q trình cháy và tạo bồ hóng trong động cơ Diesel đã cho phép xây dựng các phần mềm đa phương chạy trên các máy tính mini như KIVA2, KIVA3 và TURBO- KIVA.
Nghiên cứu xử lý bồ hóng trên đường xả động cơ
Hướng nghiên cứu này chủ yếu tập trung hoàn thiện 2 giải pháp: - Xử lý bồ hóng bằng kỹ thuật lọc và tái sinh lọc
- Xử lý bồ hóng bằng bộ xúc tác oxy hóa
Trong chương 7 chúng ta sẽ nghiên cứu các giải pháp này. Tuy các nhà khoa học và công nghệ đã có nhiều cải tiến và hồn thiện các bộ lọc nhưng cho đến nay vẫn chưa có được một giải pháp tối ưu nào tỏ ra hữu hiệu cho vấn đề xử lý bồ hóng trên đường xả.
3.2. Các quy định về nồng độ bồ hóng trong khí xảđộng cơ Diesel
Hiện nay, quy trình kiểm tra tiêu chuẩn của mỗi nước phụ thuộc vào chếđộ vận hành của ô tơ ở một thành phố mà nước đó chọn làm tiêu biểu. Các nước đang phát triển thường chọn chế độ thử của những nước công nghiệp phát triển để áp dụng ở nước mình vớI một ít điều chỉnh cho phù hợp với tình hình thực tế. Từ năm 1970, các nước trên thế giới đã thiết lập tiêu chuẩn độ khói cho các loại xe tải và xe bus Diesel như các hình 5.13 (Cộng đồng Châu Âu, loại xe có trọng lượng tồn bộ trên 3500kg), hình 5.14 (Mĩ, loại xe có trọng lượng tồn bộ trên 3850kg) và hình 5.15 (Nhật, loại xe có trọng lượng tồn bộ trên 2500kg).
Ở Việt Nam, Nhà Nước đã ban hành các tiêu chuẩn TCVN 5418-91 và TCVN 6438-98 vềđộ khói trong khí xảđộng cơ Diesel (xemchương 2).
4. Cơ chế tạo bồ hóng trong buồng cháy động cơ Diesel
Các nghiên cứu cơ bản về q trình hình thành bồ hóng trong các ngọn lửa và trong buồng cháy động cơ Diesel đãđược đề cập nhiều trong các tài liệu gần đây với 5 cơ chế hình thành hạt bồhóng điển hình:
1. Polyme hóa qua acétylène và polyacétylène 2. Khởi tạo các hydrocarbure thơmđa nhân (HAP) 3. Ngưng tụ và graphit hóa các cấu trúc HAP
4. Tạo hạt qua các tác nhân ion hóa và hợp thành các phân tử nặng
5. Tạo hạt qua các tác nhân trung tính và phát triển bề mặt hợp thành các thành phần nặng.
Hình 5.13: Tiêu chuẩn châu Âu về độ khói của ô tô Diesel ở các mốc thời gian khác nhau
Hình 5.14: Tiêu chuẩn của Mĩ về độ khói của ô tô Diesel ở các mốc thời gian khác nhau
Hình 5.15: Tiêu chuẩn Nhật Bản về độ khói của ô tô Diesel ở các mốc thời gian khác nhau
Hiện nay người ta thường mơ tả sự hình thành bồ hóng qua 4 giai đoạn được tóm tắt trên hình 5.16.
BÀI 6: CÁC YẾU TỐẢNH HƯỞNG ĐẾN NỒNG ĐỘ CÁC CHẤT Ơ NHIỄM TRONG KHÍ XẢ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
*****
Mục tiêu: Sau khi học xong bài học này, sinh viên có khảnăng:
Phân tích được các yếu tốảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong, từ đó hình thành khả năng chẩn đốn ngun nhân gây ơ nhiễm của động cơ.
Nội dung:
1. Giới thiệu
Nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả phụ thuộc vào đặc điểm động cơ cũngnhư các thông sốđiều chỉnh, vận hành.
Về đặc điểm, động cơ 2 kì cổ điển nói chung có mức độ phát ô nhiễm cao hơn động cơ 4 kì do quá trình tạo hỗn hợp khơng hồn thiện. Tuy nhiên, động cơ 2 kì hiện đại phun nhiên liệu trực tiếp trong buồng cháy đang được nghiên cứu phát triển sẽ khắc phục được nhược điểm này và trở thành loại động cơ có nhiều triển vọng trong tương lai.
Động cơ Diesel có hiệu suất cao hơn động cơ đánh lửa cưỡng bức nhưng do quá trình cháy khuếch tán và làm việc với hệ sốdư lượng khơng khí cao, trong sản phẩm cháy có chứa bồ hóng và NOx, những chất ơ nhiễm mà việc xử lí nó trên đường xả ngày nay vẫn cịn nhiều vướng mắc về mặt kĩ thuật.
Động cơ sử dụng nhiên liệu khí bắt đầu phát triển từ những năm đầu của thập niên 1990 có rất nhiều ưu điểm về mặt phát sinh ô nhiễm. Thực nghiệm đo được trên những động cơ này cho thấy động cơ sử dụng khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) hay khí thiên nhiên (NGV) thỏa mãn dễ dàng các tiêu chuẩn ô nhiễm môi trường khắt khe nhất hiện nay (tiêu chuẩn ULEV chẳng hạn). Tuy nhiên sự phát triển chủng loại động cơ này phụ thuộc nhiều điều kiện, đặc biệt là điều kiện cơ sở hạ tầng phục vụ cho việc cung cấp nhiên liệu khí.
Mức độ phát sinh ơ nhiễm của động cơ cũng phụ thuộc đáng kể vào điều kiện vận hành. Việc điều chỉnh không phù hợp các thông số công tác cũng như việc lựa chọn chếđộ làm việc khơng hợp lí dẫn đến sự gia tăngđáng kể nồng độ các chất ơ nhiễm trong khí xả.
Luật môi trường ngày càng trở nên khắt khe buộc người ta phải áp dụng các biện pháp xử lí khí xả sau khi thoát ra khỏi động cơ bằng bộ xúc tác. Tuy nhiên tỉ lệ biến đổi các chất ô nhiễm của ống xả xúc tác chỉđạt được giá trị yêu cầu khi nhiệt độ khí xả đạt được giá trị nhất định. Vì vậy cần phải làm giảm nồng độ các chất ô nhiễm đến mức thấp nhất trước khi xử lí ở bộ xúc tác. Tất cả những điều chỉnh hay thay đổi kết cấu bên trong động cơ đều gây ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm.
2. Trường hợp động cơđánh lửa cưỡng bức 2.1. Động cơ hai kì
Mặc dù có nhiều cải tiến về kết cấu nhằm hạn chế sự hòa trộn giữa khí cháy và khí chưa cháy, đặc biệt đối với động cơ dùng bộ chếhịa khí, nhưng vẫn khơng tránh khỏi sự thất thốt một bộ phận khí mới làm tăng sự phát sinh HC và làm giảm tính năng kinh tế kĩ thuật của động cơ hai kì. Thêm vào đó, khi làm việc ở tải cục bộ, dạng động cơ này dễ bỏ lửa làm tăng HC.
Một trong các giải pháp làm giảm tổn thất nhiên liệu trong q trình qt khí là làm thay đổi sự phân bốđộđậm đặc của hỗn hợp nhiên liệu khơng khí trong xy lanh sao cho chỉ có hỗn hợp nghèo mới thốt ra đường thải. Một giải pháp khác có hiệu quảhơn là phun nhiên liệu vào buồng cháy một khi cửa thải đãđóng. Tuy nhiên với giải pháp này người ta phải dùng một bơm do động cơ dẫn động do đó nó làm giảm đi một ít cơng suất có ích của động cơ. Mặt khác, so với động cơ 4 kì, thời gian cuối của quá trình nén (sau khi đóng cửa nạp và cửa thải) rất ngắn đòi hỏi phải phun nhiên liệu với tốc độ lớn, do đó một bộ phận nhiên liệu bám lên thành buồng cháy làm tăng nồng độ HC trong khí xả. Một giải pháp tiết kiệm hơn là phun nhiên liệu bằng khơng khí ở áp suất cao trích ra trong giai đoạn nén. Để tránh hiện tượng bám nhiên liệu trên thành, người ta dùng một vòi phun áp suất thấp được đặt trong một buồng cháy dự bị trước xúpáp nạp phun trực tiếp trước một hỗn hợp rất đậm với tốc độ tương đối thấp.
Kĩ thuật quét khí cháy bằng khơng khí cho phép hạn chế tối đa sự phát thải HC trong khí xả. Kĩ thuật này cho phép giảm được từ 80% đến 90% nồng độ HC so với giá trị thông thường đối với động cơ hai kì cổ điển. Nồng độ NOx trong khí xả của động cơ hai kì hiện đại cao hơn một chút so với động cơ 2 kì cổđiển do hiệu suất cháy cao hơn và làm việc với hỗn hợp nghèo hơn.
2.2. Động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo
Động cơđánh lửa cưỡng bức làm việc với hỗn hợp nghèo đã được nghiên cứu từ lâu nhằm giảm suất tiêu hao nhiên liệu dẫn đến giảm nồng độ CO2, chất 'ô nhiễm' được quan tâm nhiều trong những năm gần đây vì nó là chất khí gây hiệu ứng nhà kính.
Khi động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo (hệ sốdư lượng khơng khí a >1,25), nồng độ các chất ơ nhiễm chính (CO, HC, NOx) đều giảm. Khi hệ số dư lượng khơng khí thay đổi từ a=1,0 đến a=1,4, suất tiêu hao nhiên liệu giảm đi 7%, nồng độ NOx có thể giảm đến 85% so với động cơ làm việc với hỗn hợp có a=1 nếu kết hợp với việc giảm một cách hợp lí góc đánh lửa sớm. Tuy nhiên ưuđiểm này chỉ có được trong điều kiện hỗn hợp gần nến đánh lửa có thể bốc cháy và sự lan tràn màng lửa diễn ra một cách bình thường. Điều này địi hỏi việc tổ chức tốt q trình cháy cũngnhư phân bố hợp lí độ đậm đặc của hỗn hợp trong buồng cháy.
Khi gia tăng hệ số dư lượng khơng khí hay làm bẩn hỗn hợp bằng khí xả hồi lưu vượt quá một giới hạn cho phép sẽ dẫn đến:
- Giảm tốc độ cháy, điểm cực đại của áp suất sẽ lệch về phía giai đoạn giãn nở dù đánh lửa sớm hơn
- Momen phát ra không đều dẫn tới sự làm việc không ổn định - Thường xuyên bỏ lửa
- Gia tăng mức độ phát sinh HC
- Gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu do tốc độ cháy giảm
Những giải pháp cho phép động cơ hoạt động gần giới hạn nghèo của hỗn hợp có thể chia làm ba loại:
- Các giải pháp tác động trước khi hỗn hợp vào cylindre: chuẩn bịvà định