NHIÊN LIỆU XĂNG-KHÍ HHO
2.3 QUÁ TRÌNH CHÁY HỖN HỢP XĂNG + KHÔNG KHÍ VÀ XĂNG + KHÍ HHO + KHÔNG KHÍ TRONG ĐỘNG CƠ
2.3.2 Lý thuyết cháy ở động cơ xăng
Thành phần nhiên liệu Hydrocarbon mang công thức dưới dạng CxHyOz (các chỉ số x, y và z là số lƣợng các nguyên tử Cacbon, Hyđrô và ôxy của một phân tử nhiên liệu).
Quá trình cháy là phản ứng hóa học diễn ra rất nhanh trong đó các chất phản ứng (nhiên liệu CxH y + không khí (O2 + 3,78N2) + khí sót) biến đổi thành "
sản phẩm cháy" Phương trình cháy tổng quát được viết dưới dạng phương trình hóa học có tính đến công thức hóa học ban đầu của chất cháy.
Đối với hỗn hợp lý thuyết giữa không khí khô và Hydrocacbon CxHy, ta có thể viết nhƣ sau:
2 3,78 2
4y O N
x H
Cx y
y N Hc
x O
y H
xCO
2 2
2 3,78 4
2 (2.20)
Trong đó: Hc - là nhiệt lƣợng Q, xác định độ biến đổi enthalpy. Độ biến đổi enthalpy này tính từ công thức:
Ti
Ti
c Q CpdT
H .
(2.21)
Cách giải đơn giản phương trình (2.20) được thực hiện theo các phương trình cân bằng nhiệt động học có trong các phản ứng.
- Phương trình cháy hỗn hợp xăng (octane -C8H18) / không khí.
C8H18 + (O2 + 3,78N2 ) yCO2 + zH2O + a(3,78N2) + Q (2.22) Cân bằng theo C:
C8H18 + (O2 + 3,78N2 ) 8CO2 + zH2O + a(3,78N2) + Q (2.22a) Cân bằng theo H:
C8H18 + (O2 + 3,78N2 ) 8CO2 + 9H2O + a(3,78N2) + Q (2.22b) Cân bằng theo O2:
C8H18 +12,5 (O2 + 3,78N2 ) 8CO2 + 9H2O + a(3,78N2) + Q (2.22c) Cân bằng theo N2:
C8H18 +12,5 (O2 + 3,78N2 ) 8CO2 + 9H2O + 12,5(3,78N2) + Q (2.22d)
=>Ta có hệ số tương đương = 12,5; y = 8 ; z = 9; a = 12,5 Tỷ lệ hỗn hợp A/F.
Tỷ lệ hỗn hợp A/F là tỉ số của khối lƣợng không khí cần thiết dùng để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu.
Tỷ lệ hỗn hợp lý tưởng A/F =khối lượng không khí/khối lượng nhiên liệu.
A/F octane (C8H18).
A/F = [12,5.(16.2 + 3,78.14.2)]/(12.8 + 1.18) =15,11
- Quá trình cháy hỗn hợp xăng+khí HHO/không khí trong động cơ xăng.
Quá trình cháy của hỗn hợp xăng+khí HHO/ không khí trong buồng đốt động cơ xăng gần giống nhƣ quá trình cháy của hỗn hợp xăng/không khí.
C8H18 + HHO + (O2 + 3,78N2 ) yCO2 + zH2O + a(3,78N2) + Q (2.23) Cân bằng theo C:
C8H18 + HHO + (O2 + 3,78N2 ) 8CO2 + zH2O + a(3,78N2) + Q (2.23a) Cân bằng theo H:
C8H18 + HHO + (O2 + 3,78N2 ) 8CO2 + 10H2O + a(3,78N2) + Q (2.23b) Cân bằng theo O2:
C8H18 + HHO +12,5 (O2 + 3,78N2 )
8CO2 + 10H2O + a(3,78N2) + Q (2.23c) Cân bằng theo N2:
C8H18 + HHO + 12,5(O2 + 3,78N2 )
8CO2 + 10H2O + 12,5(3,78N2) + Q (2.23d)
=>Ta có hệ số tương đương = 12,5; y = 8 ; z = 10; a = 12,5 Tương tự như trên A/F octane (C8H18) + HHO:
A/F = [12,5.(16.2 + 3,78.14.2) +16] / [(12.8 + 1.18) + (1+1)] =14,99
Nếu lƣợng nhiên liệu xăng và không khí nạp vào xilanh động cơ 99% ít hơn lượng lý thuyết do khí HHO chiếm chổ, thì phương trình cháy octane sẽ có dạng:
2 3,78 2
. 4 99 , 0 .
99 ,
0 y O N
x HHO
H Cx y
y N Q
x O
y H
xCO
2 2
2 3,78 4
2 (2.23e)
Tương tự tỷ lệ A/F = 14,99
Từ phương trình (2.20) ta thấy, để đốt cháy hoàn toàn 1 phân tử octane cần phải có ít nhất 12,5 phân tử ôxy, tương đương với 59,5 phân tử không khí. Nếu tính theo khối lƣợng thì cần phải có ít nhất 15,11 kg không khí để đốt cháy hoàn toàn 1
kg octane, tức là lƣợng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1 kg octane là A/F= 15,11 kg không khí/kg octane và đốt cháy hoàn toàn 1 kg (octane +HHO) là A/F= 14,99 kg không khí/kg (octane + HHO).
Nhƣ vâ ̣y, việc bổ sung khí HHO vào hỗn hợp làm cho khối lƣợng không khí nạp vào động cơ (A/F =14,99) ít hơn khối lƣợng không khí lý thuyết (A/F =15,11).
Về mă ̣t thực tiễn trên đô ̣ng cơ dùng c hế hòa khí , lượng nhiên liê ̣u cung cấp cho đô ̣ng cơ trong trường hợp có bổ sung khí HHO có thể giảm , tuy nhiên mức giảm là
không đáng kể so với mức giảm lượng không khí sa ̣ch cung cấp cho đô ̣ng cơ do khí
HHO chiếm chỗ nên nhiên liệu sẽ cháy không hoàn toàn. Viê ̣c bổ sung không khí
khi cung cấp khí HHO cho đô ̣ng cơ là cần thiết nhằm đảm bảo cho quá trình cháy diễn ra mô ̣t cách hoàn toàn , đây là cơ sở để đảm bảo giảm tiêu hao nhiên liê ̣u và cắt giảm động thời các thành phần phát thải CO và HC tƣ̀ đô ̣ng cơ.
Các phản ứng hoá học giữa các phân tử nhiên liệu và ôxy giới thiệu ở trên là sự thể hiện kết quả cuối cùng của hàng loạt quá trình lý-hoá diễn ra từ thời điểm các phân tử nhiên liệu và ôxy chịu tác động của nhiệt độ và áp suất đủ cao để có thể diễn ra các quá trình hoá học. Kết quả nghiên cứu quá trình cháy nhiên liệu ở ĐCĐT chỉ ra rằng, các phản ứng ôxy hoá các phân tử nhiên liệu diễn ra với nhiều giai đoạn và theo kiểu phản ứng dây chuyền, trong đó sự hình thành các phần tử hoạt tính trung gian đóng vai trò quyết định trong sự mở đầu và phát triển của các phản ứng oxy hoá. Cháy hay nổ nhiệt là giai đoạn các phản ứng oxy hoá nhiên liệu diễn ra với tốc độ lớn với sự tồn tại của ngọn lửa nóng lan truyền từ khu vực cháy sang khu vực hỗn hợp chưa cháy. Sự cháy của nhiên liệu thường bắt đầu từ những trung tâm cháy đầu tiên (First Hot Flame Foci ). Thời điểm xuất hiện những tâm cháy đầu tiên đươ ̣c qui ước là thời điểm cháy . Cơ chế hình thành những trung tâm cháy đầu tiên, tức là cơ chế của sự cháy ở ĐCĐT vẫn chƣa đƣợc lý giải một cách hoàn chỉnh. Phần dưới đây sẽ giới thiệu một số lý thuyết được thừa nhận tương đối rộng rãi [5], [46], [47] và các khái niệm cơ bản liên quan để làm cơ sở cho việc phân tích ảnh hưởng của khí HHO, với chức năng là thành tố mới trong hỗn hợp
cháy, đến tính năng kỹ thuật và nồng độ các chất độc hại trong khí thải của động cơ xăng chạy bằng hỗn hợp xăng - khí HHO.
2.3.2.1 Lý thuyết cháy do nhiệt
Lý thuyết cháy do nhiệt lý giải sự hình thành những trung tâm cháy đầu tiên là nhờ gia tốc dương của phản ứng toả nhiệt, tức là sự phát triển các phản ứng chỉ dựa vào nhiệt năng do bản thân của các phản ứng tạo ra để tự sấy nóng và làm tăng tốc phản ứng.
Chúng ta sẽ xem xét điều kiện cháy của một hỗn hợp cháy đƣợc chứa trong không gian công tác của xylanh với những dữ liệu sau đây: V - thể tích của không gian công tác, A - diện tích vách xylanh, T0 - nhiệt độ của vách xylanh, T - nhiệt độ của hỗn hợp cháy, p - áp suất trong xylanh, wh - tốc độ phản ứng hoá học, QH - nhiệt trị của hỗn hợp cháy, k - hệ số trao đổi nhiệt giữa hỗn hợp cháy và vách xylanh.
Tốc độ toả nhiệt của các phản ứng cháy (q1) và tốc độ truyền nhiệt cho vách xylanh (q2) có thể đƣợc biểu diễn nhƣ sau :
q1 = wh . QH (2.24)
q2 = k . A . ( T - T0 ) (2.25) Tốc độ cháy nhiên liệu ở động cơ phụ thuộc vào tốc độ phản ứng hoá học của nhiên liệu và vận tốc độ lan truyền ngọn lửa.
Mối quan hệ giữa tốc độ phản ứng hoá học (wh) của nhiên liệu với ôxy và các đại lượng liên quan có thể biểu diễn bằng công thức dưới đây [46]:
T R
E N h
a
e p F
w
(2.26) Trong đó : F - hằng số, phụ thuộc vào tính chất lý hoá của hỗn hợp cháy; p - áp suất; T - nhiệt độ; N - đại lƣợng đặc trƣng cho thứ tự các giai đoạn của phản ứng; Ea - năng lƣợng kích hoạt; R - hằng số của chất khí.
Hằng số F đặc trƣng cho số lần va chạm của các phần tử tham gia phản ứng.
Số lần va chạm càng nhiều thì xác suất xảy ra phản ứng càng cao và tốc độ phản
ứng càng lớn. Hằng số F phụ thuộc vào hàng loạt yếu tố, nhƣ: loại nhiên liệu, thành phần của hỗn hợp cháy, hàm lƣợng khí sót, nhiệt độ và áp suất trong xylanh, v.v.
Nếu thay giá trị của wh từ công thức (2.26) vào công thức (2.24) thì sẽ thấy q1 là một hàm với nhiều biến số, trong đó có nhiệt độ (T) và áp suất (p). Đối với q2, nếu thay đổi nhiệt độ T0 với giả định hệ số trao đổi nhiệt (k) không đổi thì độ dốc của đường q2 = f(T) không đổi, nhưng điểm gốc của hàm q2 = f(T) sẽ thay đổi.
(Hình 2.9) biểu diễn các hàm số q1 = f(T) và q2 = f(T) ứng với 3 trị số áp suất trong xylanh p0 , p1 , p2 và 3 nhiệt độ của vách T0. 0, T0.1, T0.2 khác nhau, trong đó p2 > p0
> p1 và T0.2 < T0.0 < T0.1 .
a) b) c) Hình 2.9 Giới hạn cháy của hỗn hợp cháy
Xét trường hợp áp suất của hỗn hợp cháy là p1, nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp cháy và của vách xylanh là T0.0 (Hình 2.9a). Ở những thời điểm đầu của quá trình cháy, do q1 > q2 nên nhiệt độ của hỗn hợp cháy sẽ tăng đến nhiệt độ T1 tương ứng với điểm 1, tại đó q1 = q2. Khi nhiệt độ của hỗn hợp cháy vƣợt quá trị số T1 thì nhiệt độ của hỗn hợp cháy sẽ giảm trở lại do khi đó q2 > q1. Trong trường hợp này sẽ không có cháy do nhiệt độ của khu vực phản ứng không tăng liên tục đến trị số giới hạn cháy. Điểm 1 là trạng thái cân bằng nhiệt ứng với nhiệt độ vách xylanh là T0.0 và áp suất của hỗn hợp cháy là p1. Nếu nâng cao nhiệt độ vách xylanh thì nhiệt độ tương ứng với trạng thái cân bằng nhiệt cũng được nâng cao dần. Khi nhiệt độ vách xylanh được nâng cao tới trị số T0.1 thì đường q1 tiếp tuyến với đường q2 tại điểm C1. Tại thời điểm C1, chỉ cần làm tăng nhiệt độ hoặc áp suất của hỗn hợp cháy một ít thì sẽ dẫn đến hiện tƣợng tăng nhiệt độ liên tục rồi phát cháy. Điểm C1 đƣợc gọi là
trạng thái cân bằng nhiệt giới hạn, còn nhiệt độ TC1 - nhiệt độ phát cháy ứng với T0.1 và p1. Nếu thay đổi áp suất của hỗn hợp cháy và nhiệt độ của vách xylanh thì điểm cân bằng nhiệt giới hạn cũng thay đổi. Trên (Hình 2.9b) điểm C0 ứng với p0 và T0.0 ; điểm C2 ứng với p2 và T02 .
Căn cứ vào Lý thuyết cháy trình bày ở trên và nếu chỉ xét sự ảnh hưởng của yếu tố áp suất và nhiệt độ thì có thể chỉ ra những vùng mà tại đó hỗn hợp cháy có thể hoặc không thể phát cháy (Hình 2.9c). Nhƣ vậy, nhiệt độ phát cháy không phải là một đại lƣợng vật lý đặc trƣng cho một loại nhiên liệu mà là một thông số thay đổi theo điều kiện diễn ra quá trình đốt cháy nhiên liệu.
2.3.2.2 Lý thuyết cháy do phản ứng dây chuyền
Phản ứng dây chuyền giữa hyđrô (H2) và ôxy (O2) với sự tham gia của nhân tố thứ ba (M) có thể diễn ra nhƣ sau :
- Phát sinh phần tử hoạt tính và phản ứng dây chuyền:
H2 + M 2H + M
H2 + O2 + M 2OH + M - Phân nhánh dây chuyền : H + O2 OH + O OH + H2 H2O + H O + H2 OH + H - Đứt nhánh dây chuyền :
M H M
H 2
2
1
M O H M H
O 2 2
Tốc độ phát triển của phản ứng dây chuyền và quá trình cháy do phản ứng dây chuyền có thể đƣợc biểu diễn nhƣ sau [5]:
w ewh
w 0 (2.27)
Trong đó: w - tốc độ phản ứng dây chuyền; w0 - tốc độ ban đầu của phản ứng phụ thuộc vào nồng độ ban đầu của các phần tử hoạt tính; wh - tốc độ phản ứng hoá học hai phần tử; - thời gian.
Quá trình phát triển của các phản ứng dây chuyền có thể diễn ra theo một trong hai khả năng nhƣ sau:
Khả năng thứ nhất - tốc độ phân nhánh dây chuyền lớn hơn tốc độ đứt nhánh.
Khi đó, sau một thời gian i, tại khu vực phản ứng sẽ tích luỹ đƣợc một số lƣợng đủ lớn các phần tử hoạt tính làm tăng đột ngột tốc độ phản ứng và gây cháy đường 1 trên (Hình 2.10).
Khả năng thứ hai - tốc độ phân nhánh dây chuyền sẽ giảm sau khi đã đạt tới trị số cực đại nào đó, sau đó tốc độ đứt nhánh tăng dần và không dẫn đến cháy đường 2 và 3.
Hình 2.10 Tốc độ phản ứng dây chuyền
Nhƣ vậy, phản ứng dây chuyền có dẫn đến phát cháy hay không còn tuỳ thuộc vào điều kiện đảm bảo cho sự tách nhánh dây chuyền diễn ra với tốc độ lớn hơn tốc độ đứt nhánh dây chuyền. Sự cháy sẽ diễn ra khi tốc độ phản ứng dây chuyền đạt đến trị số giới hạn wi .
Ở động cơ xăng, nhiệt độ rất cao của tia lửa điện (khoảng 10.000 0C) có thể phá vỡ cấu trúc của các phân tử nhiên liệu và ôxy để tạo ra các phần tử hoạt tính.
Những phần tử hoạt tính này sẽ làm phát triển phản ứng dây chuyền với tốc độ đƣợc xác định theo công thức (2.27). Cùng với sự gia tốc của phản ứng dây chuyền, tốc độ toả nhiệt tại khu vực phản ứng cũng tăng theo. Khi tốc độ toả nhiệt lớn hơn tốc
độ truyền nhiệt từ khu vực phản ứng ra ngoài thì chuyển sang giai đoạn tự nâng cao nhiệt độ của hỗn hợp cháy và dẫn đến cháy.
Qua phân tích ở trên ta thấy, các phản ứng ôxy hoá nhiên liệu ở động cơ đều thuộc loại phản ứng dây chuyền. Nhƣng vì các phản ứng dây chuyền đó đều là phản ứng toả nhiệt nên trong quá trình phản ứng, hỗn hợp cháy cũng tự sấy nóng và sự tự sấy nóng đó cũng ảnh hưởng tới cháy. Như vậy, sự phát cháy ở động cơ đốt trong vừa do phản ứng dây chuyền vừa do nhiệt.