2.3.2.1. Đặc điểm phát sinh HC trong quá trình cháy động cơ diesel
Động cơ diesel hình thành hỗn hợp bên trong buồng cháy, do đó thời gian lưu lại của nhiên liệu trong buồng cháy ngắn hơn động cơ xăng. Đặc điểm trên đã dẫn đến thời gian dành cho việc hình thành sản phẩm cháy không hoàn toàn cũng rút ngắn làm giảm thành phần HC cháy không hoàn toàn trong khí xả.
Do nhiên liệu diesel chứa HC có điểm sôi cao, nghĩa là khối lượng phân tử cao, sự phân hủy nhiệt diễn ra ngay từ lúc phun nhiên liệu. Điều này làm tăng tính phức tạp của thành phần HC cháy không hoàn toàn trong khí xả.
Quá trình cháy trong động cơ diesel là một quá trình phức tạp, trong đó diễn ra đồng thời sự bay hơi nhiên liệu và hòa trộn nhiên liệu với không khí và sản phẩm cháy. Khi độ đậm đặc trung bình của hỗn hợp quá lớn hoặc quá bé đều làm giảm khả năng tự cháy và lan tràn màng lửa. Nhiên liệu sẽ được tiêu thụ từng phần trong những phản ứng ôxy hóa diễn ra chậm ở giai đoạn giãn nở sau khi hòa trộn thêm không khí.
Chúng ta có thể chia ra hai khu vực đối với bộ phận nhiên liệu được phun vào buồng cháy trong giai đoạn cháy trễ: Khu vực hỗn hợp quá nghèo do pha trộn với không khí quá nhanh và khu vực hỗn hợp quá giàu do pha trộn với không khí quá chậm. Trong trường hợp đó, chủ yếu là khu vực hỗn hợp quá nghèo diễn ra sự cháy không hoàn toàn còn khu vực hỗn hợp quá giàu sẽ tiếp tục cháy khi hòa trộn thêm không khí.
Đối với bộ phận nhiên liệu phun sau giai đoạn cháy trễ, sự ôxy hóa nhiên liệu hay các sản phẩm phân hủy nhiệt diễn ra nhanh chóng khi chúng dịch chuyển trong khối khí ở nhiệt độ cao. Tuy nhiên sự hòa trộn không đồng đều có thể làm cho hỗn hợp quá giàu cục bộ hay dẫn đến sự làm mát đột ngột làm tắt màng lửa, sinh ra các sản phẩm cháy không hoàn toàn trong khí xả.
Mức độ phát sinh HC trong động cơ diesel phụ thuộc nhiều vào điều kiện vận hành; ở chế độ không tải hay tải thấp, nồng độ HC cao hơn ở chế độ
đầy tải. Thêm vào đó, khi thay đổi tải đột ngột có thể gây ra sự thay đổi mạnh các điều kiện cháy dẫn đến sự gia tăng HC do những chu trình bỏ lửa.
Cuối cùng, khác với động cơ xăng, không gian chết trong động cơ diesel không gây ảnh hưởng quan trọng đến nồng độ HC trong khí xả vì trong quá trình nén và giai đoạn đầu của quá trình cháy, các không gian chết chỉ chứa không khí và khí sót. Ảnh hưởng của lớp dầu bôi trơn trên mặt gương xi lanh, ảnh hưởng của lớp muội than trên thành buồng cháy cũng như ảnh hưởng của sự tôi màng lửa đối với sự hình thành HC trong động cơ diesel cũng không đáng kể so với trường hợp động cơ xăng.
2.3.2.2. Phát sinh HC trong trường hợp hỗn hợp quá nghèo
Sự phân bố không đồng đều nhiên liệu trong xi lanh ngay lúc bắt đầu phun được giới thiệu trên hình 2.12. Khi vòi phun phun nhiên liệu, quá trình tự cháy diễn ra ở khu vực có độ đậm đặc 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 cũng 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 hóa không hoàn toàn như CO, anđêhit và những ôxít khác.
Hàm lượng cácbuahyđrô chưa cháy ở khu vực nghèo này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Lượng nhiên liệu phun trong thời kỳ cháy trễ, tỷ lệ không khí kéo theo vào tia phun và những điều kiện lý hóa ảnh hưởng đến sự tự cháy của nhiên liệu trong xi lanh.
2.3.2.3. 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.
Hình 2.12. Sự phân bố nhiên liệu tia phun [5]
Vòi phun
Tia nhiên liệu
Giới hạn tia nhiên liệu Vùng hỗn hợp quá nghèo Nguồn lửa 𝜆 > 1 = 𝜋𝑟21 𝜆 = ∞ 𝜆 < 1 𝜆 = 1
51
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 mũi vòi phun và phun rớt do đóng kim phun không dứt khoát. Nguyên nhân thứ hai: 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 khí) đi vào xi lanh với tốc độ thấp rồi hòa trộn chậm với không khí. Do đó, phần nhiên liệu này không bị đốt cháy trong giai đoạn cháy chính.
Ở động cơ phun trực tiếp, thời gian của giai đoạn cháy trễ nhỏ, mức độ phát sinh HC tỷ lệ với thể tích không gian chết ở đầu vòi phun. Tuy nhiên, không phải toàn bộ phần nhiên liệu chứa trong thể tích chết đều bay hơi và hòa trộn với sản vật cháy. Một phần cácbuahydro nặng tiếp tục lưu lại trong vòi phun còn phần cácbuahydro nhẹ sẽ bay hơi và bị ôxy hóa khi thoát ra khỏi thể tích chết.
2.3.2.4. Tôi màng lửa trên thành buồng cháy
Tôi màng lửa là hiện tượng màng lửa bị dập tắt khi nó tiếp xúc với thành xi lanh. 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 như trên hình 2.13. Khi màng lửa bị tôi, nó giải phóng một lớp hỗn hợp rất mỏng chưa cháy hoặc cháy
không hoàn toàn trên các bề mặt như đỉnh piston, thành xi lanh, xu páp, vòi phun… và cả ở những phần thể tích chết.
Bề dày của vùng bị tôi phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Nhiệt độ, áp
Hình 2.13. Sự hình thành HC do tôi trên thành buồng cháy [5]
Vùng màng lửa bị tôi Hỗn hợp chưa cháy
suất của hỗn hợp; tốc độ lan tràn màng lửa; hệ số dẫn nhiệt; nhiệt dung riêng; tình trạng bề mặt của thành xi lanh; lớp muội than; nhiệt độ thành buồng cháy. Bề dày của lớp bị tôi thay đổi từ 0,05 đến 0,4mm tùy theo chế độ tải của động cơ, ở chế độ tải càng thấp thì lớp bị tôi càng dày. Một số nghiên cứu cho thấy trong lớp tôi có tồn tại anđêhit dạng HCHO, CH3CHO, điều đó chứng tỏ rằng khu vực lớp tôi là nơi diễn ra các phản ứng ôxy hóa ở nhiệt độ thấp. Sau khi màng lửa bị làm lạnh hoặc 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 trường hợp thành buồng cháy ở dạng đúc thô. Ngoài ra, lớp muội than cũng gây ảnh hưởng đến nồng độ HC tương tự như trường hợp thành buồng cháy nhám.