CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Bản chất của sự hình thành chất ô nhiễm trong khí xả động cơ cháy cƣỡng bức
2.1.1. Cơ chế và các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành NO x trong quá trình cháy động cơ cháy cưỡng bức
a. Sự hình thành NO
Trong họ NOx thì NO chiếm tỉ lệ lớn nhất. NOx chủ yếu do N2 trong không khí nạp vào động cơ tạo ra. Nhiên liệu xăng hay Diesel chứa rất ít nitơ nên ảnh hưởng của chúng đến nồng độ NOx không đáng kể. Nhiên liệu nặng sử dụng ở động cơ tàu thủy tốc độ thấp có chứa khoảng vài phần nghìn nitơ (tỉ lệ khối lượng) nên có thể phát sinh một lượng nhỏ NOx trong khí xả. Sự hình thành NO do oxy hóa nitơ trong không khí có thể được mô tả bởi cơ chế Zeldovich. Trong điều kiện hệ số dư lượng không khí xấp xỉ 1, những phản ứng chính tạo thành và phân hủy NO là:
2 2
O N NON (2.1)
NO2 NO O (2.2)
NOH NOH (2.3)
Phản ứng (2.3) xảy ra khi hỗn hợp rất giàu. NO tạo thành trong màng lửa và trong sản phẩm cháy phía sau màng lửa. Trong động cơ, quá trình cháy diễn ra trong điều kiện áp suất cao, vùng phản ứng rất mỏng (khoảng 0,1mm) và thời gian cháy rất ngắn ; thêm vào đó áp suất trong xylanh tăng trong qusa trình cháy, điều này làm nhiệt
độ của bộ phận khí cháy trước cao hơn nhiệt độ đạt được ngay sau khi ra khỏi khu vự màng lửa nên đại bộ phận NO hình thành trong khu vực sau màng lửa [1].
Hình 2. 1. Sự phụ thuộc nồng độ NO theo nhiệt độ
Sự hình thành NO phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt độ (hình 2.1), cho thấy mức độ tiến triển của phản ứng:
2 2 2
N O NO (2.4)
Phản ứng tạo NO có tốc độ thấp hơn nhiều so với phản ứng cháy. Nồng độ NO cũng phụ thuộc mạnh vào nồng độ oxy. Vì vậy trong điều kiện nhiệt độ cao và nồng độ O2 lớn thì nồng độ NO trong sản phẩm cháy cũng lớn.
b. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành Oxit Nitơ trong động cơ đánh lửa cưỡng bức
Những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến sự hình thành NO là hệ số dư lượng không khí của hỗn hợp, hệ số khí sót và góc đánh lửa sớm. Ảnh hưởng của tính chất nhiên liệu đến nồng độ NO có thể bỏ qua so với ảnh hưởng của các yếu tố này.
+ Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí
Hình 2.2 minh họa ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí đến mức độ phát sinh NO. Nhiệt độ cháy đạt giá trị cực đại tương ứng với hệ số dư lượng không khí khoảng 0,9, nghĩa là khi hỗn hợp hơi giàu. Tuy nhiên trong điều kiện đó nồng độ O2
thấp nên nồng độ NO không đạt giá trị lớn nhất. Khi hệ số dư lượng không khí tăng, ảnh hưởng của sự gia tăng áp suất riêng O2 đến nồng độ NO lớn hơn ảnh hưởng của sự giảm nhiệt độ cháy nên NO đạt giá trị cực đại ứng với hệ số dư lượng không khí khoảng 1,1 (hỗn hợp hơi nghèo). Nếu độ đậm đặc của hỗn hợp tiếp tục giảm thì tốc độ
của phản ứng tạo thành NO cũng giảm do nhiệt độ cháy thấp. Điều ấy giải thích sự giảm nồng độ NOx khi tăng hệ số dư lượng không khí [1].
Hình 2. 2. Biến thiên nồng độ CO theo hệ số dư lượng không khí + Ảnh hưởng của hệ số khí sót
Trước khi cháy, hỗn hợp trong xy lanh bao gồm không khí, hơi nhiên liệu và khí sót. Khí sót có mặt trong hỗn hợp là do khí cháy của chu trình trước còn sót lại trong xy lanh hay do hồi lưu khí xả. Khi không có sự hồi lưu, lượng khí sót trong xy lanh phụ thuộc vào tải, góc độ phối khí và đặc biệt là khoảng trùng điệp giữa các supap thải và nạp. Khi khoảng trùng điệp tăng thì lượng khí sót tăng làm giảm nồng độ NO. Mặt khác, lượng khí sót còn phụ thuộc vào chế độ động cơ, độ đậm đặc của hỗn hợp và tỉ số nén.
Khí sót giữ vai trò làm bẩn hỗn hợp, do đó làm giảm nhiệt độ cháy dẫn đến sự giảm nồng độ NOx. Tuy nhiên, khi hệ số khí sót gia tăng quá lớn, động cơ sẽ làm việc không ổn định làm giảm tính kinh tế và tăng nồng độ HC.
Hình 2.3 trình bày ảnh hưởng của tỉ lệ khí xả hồi lưu đến nồng độ NO ứng với các độ đậm đặc khác nhau của hỗn hợp. Nồng độ các chất ô nhiễm giảm mạnh theo sự gia tăng của tỉ lệ khí xả hồi lưu cho đến khi tỉ lệ này đạt 15÷20%, đây là tỉ lệ khí sót lớn nhất chấp nhận được đối với động cơ làm việc ở tải cục bộ. Nhiệt độ cháy giảm khi gia tăng lượng khí sót trong hỗn hợp là do sự gia tăng của nhiệt dung riêng môi chất [1].
Sự gia tăng tỉ lệ khí sót vượt quá giới hạn cho phép làm giảm chất lượng quá trình cháy dẫn đến sự cháy không hoàn toàn và động cơ làm việc không ổn định do bỏ lửa. Vì vậy, luợng khí sót tối ưu cần phải cân nhắc giữa sự giảm nồng độ NO và sự gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu. Điều này chỉ có thể thực hiện một cách tự động nhờ hệ
thống điều khiển điện tử cho phép điều khiển lượng khí xả hồi lưu tối ưu ứng với mỗi chế độ vận hành của động cơ.
Hình 2. 3. Ảnh hưởng của hệ số khí xả hồi lưu đến nồng động NO
Hình 2. 4. Ảnh hưởng của góc đánh lửa đến nồng động NO
+ Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm
Góc đánh lửa sớm có ảnh hưởng mạnh đến sự phát sinh NO (hình 2.4). Khi tăng góc đánh lửa sớm, điểm bắt đầu cháy xuất hiện sớm hơn trong chu trình công tác, áp suất cực đại xuất hiện gần ĐCT hơn do đó giá trị của nó cao hơn. Vì vậy, tăng góc đánh lửa sớm cũng làm tăng nhiệt độ cực đại. Mặt khác, vì thời điểm cháy bắt đầu sớm hơn nên thời gian tồn tại của khí cháy ở nhiệt độ cao cũng kéo dài. Hai yếu tố này đều tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành NO.
Tóm lại, tăng góc đánh lửa sớm làm tăng nồng độ NO trong khí xả. Trong điều kiện vận hành bình thường của động cơ, giảm góc đánh lửa 10 độ có thể làm giảm nồng độ NO từ 20÷30% ở cùng áp suất cực đại của động cơ [1].