v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
2.4.1. Phát thải NOx
2.4.1.1. Cơ chế chung
Quá trình hình thành NOx diễn ra chủ yếu ở nhiệt độ trên 2000 0K. Do đó nếu khống chế được nhiệt độ tức thời trong buồng cháy dưới 2000 0K thì có thể giảm được sự hình thành NOx.
39
NOx hình thành từ phản ứng ôxy hóa nitơ trong điều kiện nhiệt độ cao của quá trình cháy. Thành phần NOx phụ thuộc rất nhiều vào hệ số dư lượng không khí và nhiệt độ của quá trình cháy. Nồng độ NOx đạt giá trị cực đại tại = 1,05 1,1 [4]. Tại đây, nhiệt độ của quá trình cháy đủ lớn để ôxy và nitơ phân hủy thành nguyên tử có tính năng hoạt hóa cao và nồng độ ôxy đủ lớn cho phản ứng ôxy hóa, do đó NOx đạt cực đại.
Do đặc điểm của động cơ diesel là hình thành hỗn hợp bên trong nên hệ số dư lượng không khí nằm trong một giới hạn rất rộng, cụ thể là 1,2 đến 10. Khi tăng, nhiệt độ cháy giảm nên thành phần NOx giảm. So với động cơ xăng thì động cơ diesel có thành phần NOx thấp hơn. Tuy nhiên, thành phần NO2 trong NOx lại cao hơn, chiếm 5÷15% trong khi tỷ lệ này ở động cơ xăng là 2÷10%.
Phương pháp hình thành hỗn hợp có ảnh hưởng lớn đến sự hình thành NOx. Đối với buồng cháy ngăn cách, quá trình cháy diễn ra ở buồng cháy phụ rất thiếu ôxy nên mặc dù nhiệt độ lớn nhưng NOx vẫn nhỏ. Khi cháy ở buồng cháy chính, mặc dù rất lớn, ôxy nhiều nhưng nhiệt độ quá trình cháy không lớn nên NOx c ng nhỏ. Tổng hợp lại, NOx của động cơ có buồng cháy ngăn cách chỉ bằng khoảng một nửa so với động cơ có buồng cháy thống nhất. Tuy vậy, động cơ sử dụng buồng
cháy ngăn cách có tính kinh tế không cao do có suất tiêu hao nhiên liệu lớn nên ngày nay không được sử dụng nhiều.
Sự hình thành NO phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt độ như hình 2.8, hình này thể hiện mức độ tiến triển của phản ứng:
N2 + O2 2NO (2.15) Phản ứng tạo NO có tốc độ thấp hơn nhiều so với phản ứng cháy. Nồng độ NO c ng phụ thuộc mạnh vào nồng độ ôxy. Vì vậy trong điều kiện nhiệt độ cao và nồng độ
O2 lớn thì nồng độ NO trong sản phẩm cháy c ng lớn.
2.4.1.2. So sánh khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học
Phát thải NOx của động cơ khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học sẽ cao hơn so với khi sử dụng nhiên liệu diesel. Nguyên nhân là do bản thân nhiên liệu diesel sinh học có chứa thành phần Oxy trong công thức phân tử giúp cho quá trình cháy khuếch tán diễn ra thuận lợi. Quá trình cháy khuếch tán diễn ra ở khu vực có nhiệt độ cao, điều này tạo thuận lợi cho quá trình hình thành NOx.
2.4.1.3. Cơ sở tính toán
Sự hình thành của NOx được tính toán theo thông số nhập đầu vào như tốc độ động cơ, nhiên liệu c ng như áp suất, nhiệt độ, hệ số dư lượng không khí λ, thể tích và khối lượng, thời gian c ng như số vùng cháy. Quá trình tính toán được bắt đầu lúc thời điểm cháy bắt đầu. Mặc dù trong khí thải NOx của động cơ, NO chiếm phần lớn (90 ÷ 98%) nhưng việc tính toán N2O c ng không thể bỏ qua. Lượng N2O sinh ra có mối quan hệ như sau:
Hình 2.8. Sự phụ thuộc nồng độ NO theo nhiệt độ [4]
40
√
[
] (2.15)
Tốc độ hình thành NOx được tính như sau:
[ ]
( ) [
] (2.16)
Tốc độ phân huỷ NO [mol/cm3] được tính toán như sau:
1 4
P r 2
2 4
. .2, 0.(1 )
1 . 1
N O P ost ocM ult kineticM ult
r r r C C A K A K (2.17) Với: , , P r 1 . N O a ct N O eq u P o st o M u lt C C C ; 1 2 2 3 r A K r r ; 4 4 5 6 r A K r r
Quá trình hình thành của chúng được thể hiện qua sáu phương trình phản ứng theo cơ chế Zeldovich được trình bày trong bảng 2.2.
Bảng 2.2. Chuỗi phản ứng hình thành NOx. TT Phản ứng Phản ứng thuận Phản ứng nghịch A (cm3/mol s) B (–) E (kcal/mol K) A (cm3/mol s) B (–) E (kcal/mol K) 1 N2 + O ↔ NO + N 4.93 x 1013 0.0472 - 75.59 1.6 x 1013 0 0 2 O2 + N ↔ NO + O 1.48 x 108 1.5 - 5.68 1.25 x 107 1612 - 37.69 3 OH + N ↔ NO + H 4.22 x 1013 0 0 6.76 x 1014 - 0.212 - 49.34 4 N2O + O ↔ NO + NO 4.58 x 1013 0 - 24.1 7.39 x 108 0.89 - 58.93 5 O2 + N2 ↔ N2O + O 2.25 x 1010 0.825 - 102.5 3.82 x 1013 0 - 24.1 6 OH + N2 ↔ N2O + H 9.14 x 107 1.148 - 71.9 2.95 x 1013 0 - 10.8 2.4.2. Phát thải bồ hóng 2.4.2.1. Cơ chế chung
Bồ hóng là chất ô nhiễm đặc biệt quan trọng trong khí thải động cơ diesel. Tuy từ lâu người ta đã nhận biết được tác hại của chúng nhưng việc nghiên cứu sự hình thành chất ô nhiễm này trong khí thải động cơ diesel chỉ mới thực sự phát triển từ những năm 1970 dựa vào những thành tựu của kỹ thuật quang học.
Theo nghiên cứu, bồ hóng bao gồm các thành phần chính sau đây:
- Cacbon: thành phần này phụ thuộc vào nhiệt độ cháy và hệ số dư lượng không khí trung bình, đặc biệt là khi động cơ hoạt động ở chế độ tải lớn hoặc toàn tải.
- Dầu bôi trơn không cháy: đối với động cơ c thành phần này chiếm tỷ lệ lớn. Lượng dầu bôi trơn bị tiêu hao và phát thải bồ hóng có quan hệ với nhau.
41
- Nhiên liệu chưa cháy hoặc cháy không hoàn toàn (HC): thành phần này phụ thuộc vào nhiệt độ cháy và hệ số dư lượng không khí.
- Sunfat: do tạp chất lưu huỳnh trong nhiên liệu bị ôxy hóa và tạo thành SO2 hoặc SO4. Thành phần hạt bồ hóng phụ thuộc vào tính chất nhiên liệu, đặc điểm của quá trình cháy, loại động cơ c ng như thời hạn sử dụng của động cơ (c hay mới).
Quá trình cháy khuếch tán trong động cơ diesel rất thuận lợi cho việc hình thành bồ hóng. Thật vậy, sự cháy của hạt nhiên liệu lỏng trong khi chúng dịch chuyển trong buồng cháy c ng như sự tập trung cục bộ hơi nhiên liệu ở những vùng có nhiệt độ cao là nguyên nhân chính sản sinh bồ hóng. Bồ hóng trong khí thải là một trong những yếu tố chính giới hạn khả năng ứng dụng của động cơ diesel hiện nay.
Các nghiên cứu cơ bản về quá trình hình thành bồ hóng trong các ngọn lửa và trong buồng cháy động cơ Diesel đã được đề cập nhiều trong các tài liệu gần đây với 2 cơ chế hình thành hạt bồ hóng điển hình:
- Cơ chế bán toàn phần (hay cơ chế hai bước của Hiroyasu) - Cơ chế fusco
2.4.2.2. So sánh khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học
Khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học thì với sự có mặt của thành phần Oxy trong nhiên liệu và đặc trưng quá trình cháy là cháy khuếch tán diễn ra mãnh liệt hơn giúp cho quá trình oxy hóa bồ hóng triệt để hơn. Mặt khác, nhiên liệu diesel sinh học có trị số xêtan cao hơn và chuỗi phân tử hydrocacbon dài hơn giúp cho quá trình cháy tốt hơn, kết quả làm giảm lượng bồ hóng.
2.4.2.3. Cơ sở tính toán
Phát thải Soot được hình thành theo cơ chế Hiroyasu (hay còn gọi là cơ chế hai bước). Cơ chế này mô tả sự ôxy hoá và cơ chế hình thành của các phân tử bồ hóng bởi hai hoặc nhiều phản ứng. Hiroyasu đưa ra mô hình đơn giản, mô hình này mô tả sự thay đổi của khối lượng bồ hóng thông qua công thức:
(2.18)
Với phần tử thứ nhất và thứ hai của vế phải lần lượt là tốc độ hình thành bồ hóng và tốc độ ôxy hoá. Chúng được tính theo công thức tương đương như sau:
[ ] (2.19) [ ] (2.20)
Trong đó: - ms: khối lượng bồ hóng;
42 - PO2: áp suất của các phân tử O2;
- Es,f = 52,335 kJ/kmol là năng lượng hoạt hoá; - Es,ox = 58,615 kJ/kmol là năng lượng ôxy hoá;
- Af, Aox: các hằng số lựa chọn theo kinh nghiệm và loại động cơ cụ thể. Đối với nhiều nghiên cứu về động cơ hiện nay, khối lượng bồ hóng phát ra được tính theo công thức (2.19), tốc độ hình thành bồ hóng tính theo công thức (2.20) nhưng tốc độ ôxy hoá bồ hóng thì lại được tính theo công thức của Nagle – Strickland Constble dựa trên các phương trình phản ứng xảy ra sau đây:
(i) ̇
(2.21)
(ii) ̇ ( ) (2.22)
(iii) ̇ (2.23)
Với:
- x là tỷ lệ C trên bề mặt của phần tử A tham gia phản ứng (i);
- ̇ ̇ ̇ là tốc độ phản ứng (i), (ii) và (iii), với giả thiết ̇ ̇ , x trở thành:
( ) (2.24) Các hằng số tốc độ: kA =20 exp [-15,100K/T] (2.25) kB = 4,46 . 10-3exp [-7,650K/T] (2.26) kτ = 1,51 . 105exp [-48,800K/T] (2.27) kz = 21,3exp[+2,060K/T] (2.28)
Tốc độ ôxy hoá bồ hóng ở công thức (2.20) trở thành:
(2.29)
Trong đó: Rtot - hằng số tốc độ ôxy hoá bồ hóng, Rtot tính theo công thức (2.30)
(
) ( ) (2.30)
- MWc: trọng lượng của phân tử C;
- s: mật độ của bồ hóng, s = 2000 kg/m3;
- Ds: đường kính của phân tử bồ hóng đặc trưng, Ds = 2,5.10-8 m.
43 ( ) [ ] (2.31)
Ở trong công thức này tốc độ ôxy hoá bồ hóng được tính tới các điều kiện như trong phần cơ chế hình thành ban đầu.
2.4.3. Phát thải HC
Sự phát sinh cacbuahydro chưa cháy (HC), là do quá trình cháy không hoàn toàn hoặc do một bộ phận hỗn hợp nằm ngoài khu vực màng lửa lan tràn tới. Điều này xảy ra có thể do hỗn hợp không đồng nhất (vì động cơ diesel hình thành hỗn hợp bên trong xylanh) hoặc màng lửa bị dập tắt ở khu vực sát thành và trong các không gian chết, ngh a là ở những khu vực có nhiệt độ thấp.
2.4.3.1. Một số cơ chế chung
- Tôi màng lửa trên thành buồng cháy:
Tôi màng lửa là hiện tượng màng lửa bị dập tắt khi nó tiếp xúc với thành xylanh. Quá trình tôi màng lửa có thể xảy ra trong những điều kiện khác nhau: màng lửa bị làm lạnh khi tiếp xúc với thành buồng cháy trong quá trình dịch chuyển hoặc màng lửa có thể bị dập tắt.
- Ảnh hư ng của không gian chết:
Các không gian này được xem là nguyên nhân chủ yếu phát sinh HC. Các không gian chết quan trọng nhất là khe hở giữa piston – xylanh, xécmăng và rãnh xécmăng, chân ren và không gian quanh vòi phun, không gian quanh nấm và đế xupáp, không gian giới hạn giữa nắp xylanh, thân máy và đệm nắp máy.
- Ảnh hư ng của 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 gia tăng HC trong khí thải động cơ. Màng lửa có thể bị tắt khi áp suất và nhiệt độ trong buồng cháy giảm xuống nhanh. Hiện tượng này diễn ra ở chế độ không tải hoặc tải nhỏ và tốc độ thấp với thành phần khí sót cao. Ở chế độ làm việc bình thường thì động cơ được điều chỉnh để đảm bảo tránh hiện tượng dập tắt màng lửa, nhưng ở các chế độ quá độ (tăng tốc hoặc giảm tốc) thì hiện tượng này vẫn xảy ra, dẫn tới làm tăng mức phát thải HC.
- Ảnh hư ng của lớp muội than:
Cơ chế làm tăng HC do muội than hình thành trong buồng cháy diễn ra khá phức tạp. Sự hấp thụ và giải phóng HC ở lớp muội than c ng giống như sự hấp thụ và giải phóng HC ở màng dầu. Mặt khác, nếu kích thước ban đầu của các thể tích chết hẹp, lớp muội than làm giảm lượng hỗn hợp khí chưa cháy chứa trong các không gian này vì vậy làm giảm HC. Ngược lại, nếu các không gian nguyên thủy này đủ lớn, sự bám bồ hóng làm giảm tiết diện lối vào, tăng khả năng dập tắt màng lửa do đó làm tăng mức độ phát sinh HC.
- Ảnh hư ng của sự ôxy hóa HC trong kỳ giãn n và thải:
Lượng cacbuahydro không tham gia vào quá trình cháy chính trong thực tế lớn hơn nhiều so với lượng cacbuahydro đo được trong khí thải động cơ. Sau khi thoát ra khỏi các
44
không gian chết, nhiên liệu chưa cháy khuếch tán vào khối sản vật cháy ở nhiệt độ cao và tiếp tục bị ôxy hóa. Quá trình ôxy hóa càng thuận lợi khi lượng ôxy trong sản vật cháy càng nhiều (hỗn hợp nghèo). Cacbuahydro ở thể khí bị ôxy hóa ở điều kiện nhiệt độ 600°C trong khoảng thời gian đủ lớn (cỡ 50ms). Lượng HC thải ra bao gồm phần nhiên liệu chưa được ôxy hóa và các sản phẩm ôxy hóa không hoàn toàn. Mặt khác, trong quá trình thải, phần HC ôxy hóa không hoàn toàn tiếp tục bị ôxy hóa trên đường thải.
- Phát sinh HC trong trường hợp hỗn hợp quá nghèo:
Khi vòi phun phun nhiên liệu, quá trình tự cháy diễn ra ở khu vực có độ đậm đặc hơi thấp hơn 1. Phần nhiên liệu ở vùng ngoài tia phun nằm ngoài giới hạn tự cháy, do đó chúng không thể tự cháy và c ng không thể duy trì màng lửa. Phản ứng ở khu vực này diễn ra chậm dẫn đến sản phẩm cháy không hoàn toàn. Do đó trong vùng này có một phần nhiên liệu chưa cháy hết, những sản phẩm ôxy không hoàn toàn như: CO, aldehyde và những oxit khác.
- Phát sinh HC trong trường hợp hỗn hợp quá giàu:
Có hai nguyên nhân dẫn đến sự phát sinh HC do hỗn hợp quá giàu.
Nguyên nhân thứ nhất: do nhiên liệu rời khỏi vòi phun với tốc độ thấp và thời gian phun kéo dài. Nguồn phát sinh HC chính trong trường hợp này là không gian chết ở m i vòi phun và phun rớt do đóng kim phun không dứt khoát.
Nguyên nhân thứ hai: do sự thừa nhiên liệu trong buồng cháy do hỗn hợp quá đậm. Vào cuối giai đoạn phun, ở miệng vòi phun (không gian chết) chứa đầy nhiên liệu. Trong quá trình cháy và giãn nở, phần nhiên liệu này được sấy nóng và bốc hơi thoát ra khỏi lỗ phun (ở pha lỏng và hơi) và đi vào xylanh với tốc độ thấp và hòa trộn chậm với không khí. Do đó, phần nhiên liệu này không bị đốt cháy trong giai đoạn cháy chính.
2.4.3.2. So sánh khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học
Ngoài một số cơ chế chung giống như khi sử dụng nhiên liệu diesel, thì phát thải HC khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học có sự khác biệt ở nguyên nhân do hỗn hợp hoặc quá giàu hoặc quá nghèo. Do có thành phần Oxy trong nhiên liệu nên giúp làm giảm ảnh hưởng của vùng hỗn hợp quá giàu nhưng lại càng làm trầm trọng ở vùng hỗn hợp quá nghèo. Tuy nhiên, nói chung thì do quá trình cháy của động cơ khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học diễn ra hoàn hảo hơn nên góp phần đáng kể giảm phát thải HC.
2.4.3.3. Cơ sở tính toán
Tốc độ hình thành HC được tính theo phương trình như sau:
E RT a b HC HC A e HC O c dt HC d HC gw 2 / (2.32)
trong đó AHC = 7,7 x 109 ((m3/mol)a+b-1/s), EHC = 156222 (J/mol), R là hằng số chất khí có giá trị là 8314 (J/mol K), Tgw là nhiệt độ trung bình trong lớp biên nhiệt có giá trị là (Tgas + Tcyl.wall)/2 với Tgas là nhiệt độ khí trong toàn bộ xylanh, Tcyl.wall là nhiệt độ của thành vách tại thời điểm đó, a và b là các số m và thường bằng 1. [HC] và [O2] là mật độ của
45
HC và O2 (mol/m3), cHC là hằng số điều chỉnh tốc độ phản ứng tuỳ thuộc từng chế độ, từng loại động cơ.
2.4.4. Phát thải CO
2.4.4.1. Cơ chế chung
CO – monoxit cacbon là sản phẩm cháy của C trong nhiên liệu trong điều kiện thiếu oxy. Monoxit cacbon tồn tại ở dạng khí không màu, không mùi. Khi kết hợp với sắt có trong sắc tố của máu sẽ tạo thành một hợp chất ngăn cản quá trình hấp thụ oxy của hemoglobin trong máu, làm giảm khả năng cung cấp oxy cho các tế bào trong cơ thể.