Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Cơ chế hình thành các chất phát thải ô nhiễm của động cơ đánh lửa cưỡng bức
2.1.2. Sự hình thành hydrocarbure (HC)
➢ Cơ chế hình thành HC
Sự phát sinh hydrocarbure chưa cháy trong khí xả động cơ: Sự phát sinh hydrocarbon chưa cháy gọi là HC. HC bao gồm các thành phần hydrocarbure rất khác biệt, có hại đối với sức khỏe con người cũng như và môi trường. HC hình thành do sự không đồng nhất của hỗn hợp và đặc biệt là ở khu vực gần vách buồng cháy (khu vực có nhiệt độ thấp). Trên hình 2.5 biểu diễn sự biến thiên nồng độ các thành phần hydrocarbure theo góc quay trục khuỷu đo được trên thành buồng cháy của động cơ một xy lanh.
Hình 2.5 Biến thiên nồng độ các Hydrocarbure theo góc quay trục khuỷu
Cơ chế tôi màng lửa: Tôi màng lửa diễn ra khi khí cháy tiếp xúc với thành buồng cháy, quá trình này xảy ra trong những điều kiện khác nhau: màng lửa bị làm lạnh khi tiếp xúc với thành trong quá trình dịch chuyển hoặc màng lửa bị dập tắt trong những không gian nhỏ liên thông với buồng cháy, như khe hở giữa piston và thành xy lanh (hình 2.6). Khi màng lửa bị tôi, nó giải phóng một lớp mỏng hỗn hợp chưa cháy hay cháy không hoàn toàn trên các bề mặt tiếp xúc (như: nắp xy lanh, xy lanh, piston, xupap…) hay ở những không gian chết. Bề dày của vùng bị tôi phụ thuộc vào những yếu tố khác nhau như: nhiệt độ và áp suất của hỗn hợp khí, tốc độ lan tràn màng lửa, hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, tình trạng bề mặt của thành buồng cháy, lớp muội than, nhiệt độ thành buồng cháy…
Hình 2.6 Sự hình thành HC do tôi màng lửa trên thành buồng cháy
Quá trình tôi màng lửa diễn ra theo hai giai đoạn: Trong giai đoạn đầu, màng lửa bị tắt khi nhiệt lượng hấp thụ vào thành buồng cháy cân bằng với nhiệt lượng do màng lửa tỏa ra sau đó diễn ra sự khuếch tán hay sự ô xy hóa nên nồng độ HC tại khu vực này nhỏ hơn nồng độ đo được khi tôi. Mặt khác, những hydrocarbure thoát ra trong quá trình ô xy hóa ban đầu do màng lửa bị dập tắt có thể bị ô xy hóa trong quá trình giãn nở hay thải.
Cuối cùng lớp dầu bôi trơn trên mặt gương xy lanh có thể hấp thụ hydrocarbure nhất là các hydrocarbure trước khi bén lửa và thải HC ra hỗn hợp cháy trong kỳ giãn nở.
Quá trình hấp thụ và thải HC như vừa nêu đôi khi là nguồn phát sinh HC quan trọng trong khí xả động cơ đốt trong.[1]
➢ Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành HC:
✓ Các không gian chết trong buồng cháy: Các không gian chết như khe hở giữa piston với xéc măng và xy lanh, không gian quanh cực giữa của bugi, không gian quanh nấm và đế xu páp, không gian giữa thân máy, đệm và nắp xy lanh (hình 2.7) được xem là nguyên nhân chủ yếu phát sinh HC. Ở thời điểm tăng áp suất nén, hòa khí được đẩy vào các không gian chết. Trong giai đoạn cháy, màng lửa lan đến các khu vực này để đốt cháy hỗn hợp hoặc nó có thể bị tôi ngay trước khi vào trong không gian chết. Sau khi màng lửa đến và bị tôi, khí cháy lại chui vào không gian chết cho đến khi áp suất giảm chúng quay ngược lại xy lanh.
Hình 2.7 Nguồn phát sinh HC trong động cơ đánh lửa cưỡng bức
Vị trí của bugi cũng ảnh hưởng đến mức độ phát sinh HC; nếu bugi đặt gần không gian chết thì trong không gian đó có chứa một bộ phận sản phẩm cháy; ngược lại, nếu
bugi đặt xa thì không gian chết chứa chủ yếu hỗn hợp khí chưa cháy. Lượng khí lọt xuống cacte trong quá trình nén và cháy cũng là nguồn phát sinh HC nếu nó được thải trực tiếp ra ngoài. Nếu buồng cháy thiết kế hợp lý thì sẽ góp phần giảm đáng kể nồng độ HC trong khí xả.
✓ Sự tôi màng lửa trên thành buồng cháy: Bề dày của lớp bị tôi thay đổi từ 0,05 mm đến 0,4mm phụ thuộc vào chế độ tải của động cơ. Khi tải càng thấp thì lớp tôi càng dày. Sau khi màng lửa bị dập tắt, những phần tử HC có mặt trong lớp tôi khuếch tán vào khối khí nhiệt độ cao trong buồng cháy và đại bộ phận bị ô xy hóa. Trạng thái bề mặt của thành buồng cháy cũng ảnh hưởng đến mức độ phát sinh HC, nồng độ HC có thể giảm đi 14% trong trường hợp thành buồng cháy được đánh bóng so với buồng cháy ở dạng đúc thô. Lớp muội than gây ảnh hưởng đến nồng độ HC tương tự như trường hợp buồng cháy nhám.
✓ Sự hấp thụ và giải phóng HC ở màng dầu bôi trơn: Khi dầu bôi trơn được hòa lẫn với nhiên liệu, như trường hợp động cơ xăng 2 kỳ, hay do dầu bôi trơn từ cate chui qua khe hở giữa piston và xy lanh lên buồng cháy.
Trong giai đoạn nạp, màng dầu bôi trơn được tráng lên mặt gương xy lanh ở trạnh thái bão hòa hơi hydrocarbon ở áp suất nạp. Khi cháy hết nhiên liệu, sự giải phóng hơi nhiên liệu từ màng dầu bôi trơn vào khí cháy bắt đầu và đồng thời quá trình này tiếp tục trong kỳ giãn nở và thải. Trong quá trình đó, một bộ phận hơi này sẽ hòa trộn với khí cháy nhiệt độ thấp, không bị ô xy hóa, góp phần làm tăng HC. Lượng HC này tăng theo độ hòa tan của nhiên liệu trong dầu bôi trơn.
✓ Chất lượng quá trình cháy: Sự dập tắt màng lửa khi nó lan đến gần thành buồng cháy là một trong những nguyên nhân làm tăng HC trong khí xả động cơ. Màng lửa có thể bị tắt khi nhiệt độ và áp suất giảm nhanh. Hiện tượng này diễn ra ở chế độ không tải hay tải nhỏ và tốc độ thấp với thành phần khí sót cao. Ngay cả khi động cơ được điều chỉnh tốt ở chế độ làm việc bình thường, sự dập tắt màng lửa cũng diễn ra ở chế độ quá độ (gia tốc hay giảm tốc).
✓ Sự ô xy hóa HC trong kỳ giãn nở và thải: Sau khi thoát ra khỏi các không gian chết, nhiên liệu chưa cháy khuếch tán vào khối sản phẩm cháy ở nhiệt độ cao và bị ô xy hóa một cách nhanh chóng. Sự ô xy hóa này càng thuận lợi khi lượng ô xy trong sản phẩm cháy càng nhiều (hỗn hợp nghèo). Lượng HC thải ra bao gồm nhiên liệu chưa cháy hết và các sản phẩm cháy không hoàn toàn. Mặt khác, quá trình ô xy hóa cũng tiếp tục diễn ra trên đường xả làm giảm thêm nồng độ HC. Vì vậy những điều kiện vận hành của động cơ làm gia tăng nhiệt độ khí xả và thời gian tồn tại của hỗn hợp trong buồng cháy dài sẽ làm tăng tỉ lệ HC bị ô xy hóa, tức làm giảm nồng độ HC khi thải ra ngoài.[1]