CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.4. Tổng quan về hồi lưu khí thải EGR [15]
2.4.2. Nguyên tắc vận hành hồi lưu khí thải
Tuần hoàn khí thải EGR là phương pháp mà một phần khí thải của động cơ được quay trở lại buồng đốt thông qua các hệ thống đầu vào để làm giảm lượng khí thải NOx.
Một sơ đồ của EGR được thể hiện trong hình 2-7.
Hình 2-7: S đồ đạ d ện ủ hệ thống EG
Nói chung yếu tố quan trọng nhất góp phần vào giảm NOx của EGR là giảm nhiệt độ đỉnh của ngọn lửa đốt cháy động cơ Diesel. Những tác động dẫn đến làm thấp hơn nhiệt độ đỉnh có thể được chia thành (1) hiệu ứng pha loãng, (2) hiệu ứng nhiệt, (3) hiệu ứng hóa học, (4) hiệu ứng tăng khối lượng.
Hiệu ứng pha loãng mô tả nhiệt độ ngọn lửa và giảm phát thải NOx, kết quả giảm phần khối lượng Oxi do sự dịch chuyển của một số lượng Oxi trong không khí nạp tươi bởi một khí trơ. Hiệu ứng pha loãng là đóng góp quan trọng nhất để giảm phát thải NOx đạt được với EGR. Tác động của hiệu ứng pha loãng sẽ được thảo luận chi tiết hơn sau này, chủ yếu là thông qua việc giảm nhiệt độ ngọn lửa cục bộ từ việc mở rộng ngọn lửa do sự giảm Oxi phân tử. Một tỉ lệ tăng của các phần tử không có Oxi trong vùng mở rộng ngọn lửa hấp thụ nhiệt từ ngọn lửa và giảm nhiệt độ. Cần lưu ý rằng bất kỳ tác động của EGR trên sự có sẵn của Oxi cho các phản ứng hóa học chịu trách nhiệm cho sự hình thành NOx được coi là nhỏ.
Hiệu ứng nhiệt là chỉ do sự gia tăng nhiệt dung riêng trung bình của các chất khí có sẵn trong vùng đốt. Những thành phần ảnh hưởng đến việc gia tăng khối lượng cho bất kỳ khối lượng tăng thêm là kết quả từ việc thêm chất pha loãng vào không khí nạp. Hai hiệu ứng này được mô tả tốt nhất bởi tác động của chúng lên sự thay đổi trong sự hấp thụ nhiệt của không khí không phản ứng trong buồng đốt. Sự gia tăng hấp thụ nhiệt của không khí không phản ứng (ΔQ) là tỉ lệ thuận với sản phẩm của việc tăng khối lượng
trong xy-lanh (Δm0), nhiệt dung riêng trung bình ở áp suất không đổi (Cp), và sự khác biệt nhiệt độ giữa nhiệt độ đốt cháy và của EGR (ΔT), nó có thể được thể hiện như sau:
0. p. combustion EGR
Q m C T T
(2-1)
Các sản phẩm cháy bao gồm chủ yếu là CO và H20 với nhiệt độ đặc biệt cao hơn so với không khí. Sự thay đổi nhiệt dung riêng trung bình trong phương trình 2-1 kết quả từ sự pha loãng là hiệu ứng nhiệt. Sự thay đổi khối lượng (Δm0) ảnh hưởng đến việc tăng khối lượng.
Ở điều kiện nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn (STP), nhiệt dung riêng (Cp) của CO2, H2O và N2 tương ứng là 36; 33,5 và 29,2 kJ/kmol-K (nó thể hiện tỉ lệ thể tích EGR, giả định khí lý tưởng, đơn vị thể tích và Mol tỉ lệ thuận). Khí của nhiệt dung riêng cao hơn có thể hấp thụ nhiều hơn và có hiệu quả hơn trong việc giảm NOx. Ví dụ hình 2-8 minh họa việc sử dụng khí tinh khiết như chất pha loãng không khí nạp. EGR làm mát cũng sẽ tăng sự khác biệt nhiệt độ trong phương trình 2-1, tăng khả năng hấp thụ nhiệt và tiếp tục giảm NOx.
Hình 2-8: Ảnh hưởng ủ hất ph oãng khá nh t ên v ệ g ảm NO
Tác dụng hóa học và việc giảm nhiệt độ đốt cháy do phản ứng hóa học với sự tham gia của các loại khí giới thiệu thông qua EGR. Ví dụ nhiệt được tiêu thụ trong quá trình phản ứng hấp thụ nhiệt như sự phân ly của CO2 và H2O.
b) Vai trò của EGR trong việc giảm NOx
Thêm EGR vào không khí nạp của một động cơ kết quả là sự kết hợp của 4 hiệu ứng nêu trên. Tách các hiệu ứng để hiểu rõ hơn về tác động tổng thể hiệu ứng pha loãng với EGR. Đồng thời phân tách tác động của các hiệu ứng khác nhau là rất khó khăn và đòi hỏi phải có kế hoạch cẩn thận của bất kỳ thí nghiệm động cơ nào. Như một điểm khởi đầu, nó rất hữu ích để cẩn thận xác định các hiệu ứng và xem xét làm thế nào có thể được cô lập trong các thí nghiệm động cơ để tránh nhầm lẫn. Một số định nghĩa được sử dụng bởi các nhà nghiên cứu khác nhau kết hợp một số ảnh hưởng trên mà không có tuyên bố rõ ràng.
Một công việc quan trọng được thực hiện bởi Ladommatos và các đồng nghiệp của ông vào cuối những năm 1990 để làm rõ tác động của EGR trên động cơ Diesel đốt và thải khí bằng cách kiểm tra những tác động nêu trên một cách riêng biệt. Định nghĩa cho các hiệu ứng khác nhau sẽ dựa trên cơ sở những công việc của ông.
Hiệu ứng pha loãng: Độ pha loãng của khí nạp với EGR làm giảm phần khối lượng của Oxi. Việc giảm phần khối lượng Oxi là do hiệu ứng pha loãng.
Thêm EGR vào dòng không khí nạp cũng sẽ ảnh hưởng đến thuộc tính trung bình của khí nạp như nhiệt dung riêng và khối lượng phân tử, có thể có các hiệu ứng khác. Trong việc thử nghiệm nhằm mục đích cô lập hiệu ứng pha loãng, nó là cần thiết để sử dụng một dung môi trơ có nhiệt dung riêng phù hợp với không khí. Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng một hỗn hợp của Nitơ và Argon. Khối lượng dòng chảy của không khí và nhiên liệu cũng phải giống nhau cho các thí nghiệm và không cần pha loãng.
Hiệu ứng nhiệt: EGR có chứa một lượng nước đáng kể và CO2, cả hai điều có nhiệt dụng riêng cao hơn đáng kể so với không khí. Ảnh hưởng của gia tăng nhiệt dung riêng là hiệu ứng nhiệt. Như đã đề cập, pha loãng không khí nạp với EGR có thể đồng thời giới thiệu hiệu ứng pha loãng và hiệu ứng nhiệt. Để nghiên cứu các chất khí với nhiệt dung riêng cao hơn, trong sự cô lập, phần khối lượng Oxi trong không khí nạp cần phải được giữ liên tục để tránh sự can thiệp từ hiệu ứng pha loãng. Nitơ trong không khí cần phải được thay thế bởi một khí trơ chẳng hạn như Heli, có hiệu suất nhiệt cao hơn so với Nitơ. Thay thế Nitơ với các khí trơ cần phải đạt được một nhiệt dung riêng trung bình tương tự như khí nạp với hiệu ứng pha loãng nhưng phải giữ khí nạp và dòng nhiên liệu liên tục.
Hiệu ứng hóa học: một số các chất khí pha loãng có thể phân tách hoặc tích cực tham gia phản ứng hóa học trong quá trình cháy. Đây là hiệu ứng hóa học. Một cách để cô lập hiệu ứng hóa học là thay thế Nitơ trong không khí với Argon trong khí pha loãng hiện tại. Điều này sẽ duy trì liên tục nhiệt dung riêng và nồng độ Oxi trong khí nạp so với trường hợp không pha loãng, trong khi duy trì liên tục đầu vào và dòng chảy khối lượng nhiên liệu. Điều này sẽ tránh sự can thiệp từ hiệu ứng nhiệt và hiệu ứng pha loãng.
Hiệu ứng tăng khối lượng: nếu bổ sung chất pha loãng vào khí nạp kết quả là gia tăng một tỉ lệ dòng khối lượng, một hiệu ứng tăng được giới thiệu.
Dòng chảy thêm vào có công suất nhiệt tăng lên do khối lượng của nó. Điều này khác với hiệu ứng nhiệt do bất kỳ khác biệt nhiệt dung riêng mà nó có thể tồn tại.
Hình 2-9 minh họa ảnh hưởng của pha loãng trên phần khối lượng của Oxi và sản phẩm của khối lượng nạp và nhiệt dung riêng (mCp) như có thể xảy ra trên một động cơ có EGR. Tất cả các hiệu ứng xảy ra đồng thời làm cho nó khó khăn để xác định điều mà quan trọng nhất. Hiệu ứng pha loãng chỉ giải thích cho việc giảm khối lượng Oxi,
hiệu ứng nhiệt cho biết sự khác biệt về nhiệt dung riêng trung bình và hiệu ứng tăng khối lượng cho biết sự khác biệt về khối lượng khí nạp. Hiệu ứng hóa học cũng có thể xuất hiện.
Hình 2-9 Khá q át về ảnh hưởng ủ EG
Bằng cách sử dụng các kỹ thuật thực nghiệm để cô lập các hiệu ứng khác nhau về khí thải NOx, và bằng cách kết hợp khác nhau của các chất pha loãng CO2 và hơi nước, có thể minh họa tương đối cho tầm quan trọng của các hiệu ứng đặc biệt trong việc giảm được NOx.
Hình 2-10 cho thấy tương đối giảm NOx của nhiệt, hóa chất và hiệu ứng pha loãng trong việc cô lập và kết hợp với giảm NOx bởi 3 hiệu ứng khi pha loãng với CO2 tinh khiết. Dòng khí nạp và lượng nhiên liệu tiêu thụ đã được cố định như vậy không có ảnh hưởng tăng khối lượng. Rõ ràng giảm NOx từ khí CO2 thông qua hiệu ứng pha loãng với một phần nhỏ ảnh hưởng của hiệu ứng hóa học. Hiệu ứng nhiệt được tìm thấy là không đáng kể ở các cấp độ pha loãng lên đến 7% mặc dù CO2 có nhiệt dung riêng cao hơn đáng kể so với không khí (tương ứng là 1,24 kJ/kg và 1,16 kJ/kg tại 1000K). Điều này không đáng ngạc nhiên khi thêm 6% CO2, tổng số hiện tại gần với 50% EGR – không khí làm tăng nhiệt dung riêng ít hơn 0,5%.
Hình 2-10 Tá dụng ủ EG vớ ph oãng CO2 t nh kh t
Hình 2-11 cho thấy kết quả của việc pha loãng với hơi nước. Cùng với CO2 hầu hết giảm NOx thông qua hiệu ứng pha loãng. Tác dụng hóa học là không đáng kể với mức 3% nước. Trong khi các phương pháp thực nghiệm không cho phép kiểm tra xác nhận, hiệu ứng nhiệt được cho là để giảm NOx qua đó đạt được hiệu ứng pha loãng. Hơi nước có công suất nhiệt cao hơn đáng kể so với không khí (tương ứng là 2,56 kJ/kg và 1,16 kJ/kg tại 1000K). Thêm 3% hơi nước, tổng số hiện tại gần 50% EGR - không khí làm tăng nhiệt dung riêng của hỗn hợp khoảng 3,6%.
Hình 2-11: Tá dụng ủ EG vớ ph oãng h nướ t nh kh t
Hình 2-12 cho thấy tác dụng của hỗn hợp CO2 và hơi nước ở các cấp độ sẽ gặp ở EGR chỉ định. Như với trường hợp chỉ có CO2 và hơi nước, hiệu ứng pha loãng chịu trách nhiệm hầu hết việc giảm phát thải NOx. Kết hợp hiệu ứng nhiệt của nước và CO2 (chủ yếu là nước thể hiện trong hình 4 và hình 5) và tác dụng hóa học của CO2 rất nhỏ nhưng có thể đo.
Hình 2-12 tá dụng ủ EG vớ ph oãng ủ hỗn hợp CO2 và h nướ c) Bình luận về EGR
Tác động chính của hiệu ứng pha loãng là làm giảm nhiệt độ ngọn lửa cục bộ. Nhiệt độ ngọn lửa thấp làm giảm đáng kể NOx hình thành trong khu vực ngọn lửa. Việc giảm nhiệt độ là kết quả của những thay đổi trong khu vực ngọn lửa và là kết quả của việc khác biệt về nồng độ Oxi, liên quan đến nồng độ của các khí không có Oxi. Hình 2-13 cho thấy một đại diện đơn giản của khuếch tán ngọn lửa của một động cơ Diesel có và không có EGR. Khu vực phản ứng chính xảy ra trong một khu vực mà Oxi cục bộ vả tỉ lệ nhiên liệu chủ yếu là cân bằng hóa học (φ~1). Như một số lượng Oxi trong đầu vào được thay thế bởi các loại khí khác, nhiều khí trơ hơn sẽ có mặt trong khu vực đốt liên quan đến quá trình cháy Oxi vì lượng nhiên liệu được thêm vào sẽ không thay đổi,
nhiên liệu sẽ phải khuếch tán xa hơn và hình dạng và kích thước của ngọn lửa sẽ điều chỉnh để duy trì các điều kiện cân bằng hóa học trong khu vực ngọn lửa. Khối lượng tăng thêm của khí không phản ứng trong vùng đốt hấp thụ nhiệt và làm giảm nhiệt độ.
Hình 2-13: ngọn ử kh h tán ó và không ó EG
Điều quan trọng nhận ra cho đến nay tác động quan trọng nhất của hiệu ứng pha loãng là làm giảm nhiệt độ ngọn lửa đỉnh điểm. Các tác dụng phụ là ít quan trọng để giảm lượng Oxi có sẵn cho các phản ứng hóa học liên quan đến sự hình thành NOx.
Tầm quan trọng của những ảnh hưởng này được thể hiện trong hình 2-14 và bảng 2-2.
Hình 2-14 cho thấy có một mối liên quan giữa việc quan sát nhiệt độ ngọn lửa đỉnh điểm và cuối cùng thải ra nồng độ NOx, như là kết quả của việc thêm một chất khí không phản ứng với không khí nạp làm giảm nồng độ Oxi trong vùng ngọn lửa. Như đã giải thích ở trên, khối lượng không phản ứng này hấp thụ nhiệt trong vùng đốt và làm giảm nhiệt độ.
Hình 2-14: Mố tư ng q n g ữ NO và nh ệt đ ngọn ử Bảng 2-2 Ước tính tỉ lệ hình thành NO
O2=23,3% T=2280K O2, % Peak Temp, K d[NO]/dt d[NO]/dt d[NO]/dt
23,3 2280 1,00 1,00 1,00
22,1 2220 0,44 0,45 0,97
19,8 2160 0,18 0,19 0,92
17,5 2035 0,02 0,03 0,87
Bảng 2-2 cho thấy tác động của Oxi có sẵn cho phản ứng hóa học của các dữ liệu trong hình 2-14 là tương đối đáng kể. Hai cột đầu tiên cho thấy nồng độ khối lượng của Oxi và nhiệt độ ngọn lửa đỉnh điểm cho các điều kiện khác nhau. Cột thứ 3 cho thấy tỉ lệ hình thành NO tương đối so với 23,3% (m/m) Oxi từ điều kiện ước tính.
16 0.5 0.5
2 2
[ ] / [6.10 / ] exp( 69090 / ) [ ] [ ]
d NO dt T T O N (2-2)
Cột thứ 4 cho thấy tương quan của tỉ lệ hình thành NO ở nhiệt độ trong cột 2 nhưng với nồng độ Oxi là 23,3%(m/m). Cột thứ 5 cho thấy tương quan của tỉ lệ hình thành NO ở nhiệt độ 2280K nhưng nồng độ Oxi trong cột 1. Bằng cách so sánh tỉ lệ hình thành NO ước tính trong cột 3 với cột 4 và 5, rõ ràng tác động giảm Oxi sẵn có cho các phản ứng hóa học là không đáng kể so với ảnh hưởng của sự giảm nhiệt độ do sự mở rộng của ngọn lửa khuếch tán.
Hiệu ứng hóa học của thành phần CO2 và H20 của EGR lên NOx được đề cập ngắn gọn. Trong trường hợp của CO2, kết quả của hiệu ứng hóa học trong việc giảm nhiệt độ ngọn lửa nhiều hơn kết quả của tác dụng của pha loãng và nhiệt. Điều này dẫn đến tiếp tục giảm NOx như được minh họa trong hình 2-9. Trong trường hợp của H2O, hiệu ứng hóa học thì ngược lại, và khi xem xét trong sự cô lập sẽ dẫn đến sự gia tăng nhỏ trong nhiệt độ ngọn lửa. Ở cấp độ của hơi nước thường gặp trong động cơ Diesel với EGR, hiệu ứng hóa học của hơi nước trong việc giảm phát thải NOx không thể nhận thấy, cho các mục đích thực tế không đáng kể.