v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
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.