Chương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong

46

4.2.5. Ảnh hưởng của hệ số khí sót

Hình 4.10 trình bày ảnh hưởng của hệ số khí sót x
b
đến nồng độ CO trong khí xả
động cơ Toyota. Khi tăng hệ số khí sót, nhiệt độ cháy giảm làm giảm tốc độ phản ứng
phân giải CO
2
thành CO do đó nồng độ CO trong sản phẩm cháy giảm. Vì vậy, hệ thống
hồi lưu khí xả EGR lắp trên các động cơ hiện đại để khống chế nồng độ NO
x
đồng thời
cũng góp phần làm giảm nồng độ CO ở chế độ tải thấp.

4.3. Cơ chế hình thành hydrocarbure chưa cháy HC

4.3.1. Sự phát sinh hydrocarbure chưa cháy trong khí xả động đốt trong

Sự phát sinh hydrocarbure chưa cháy HC, hay nói một cách tổng quát hơn, sự hình
thành các sản phẩm hữu cơ, là do quá trình cháy không hoàn toàn hoặc do một bộ phận
hỗn hợp nằm ngoài khu vực lan tràn màng lửa. Điều này xảy ra do sự không đồng nhất của
hỗn hợp hoặc do sự dập tắt màng lửa ở khu vực gần thành hay trong các không gian chết,
nghĩa là ở khu vực có nhiệt độ thấp, khác với sự hình thành CO và NO
x
diễn ra trong pha
đồng nhất ở những khu vực có nhiệt độ cao.


Mở soupape xả
Đóng soupape xả
C
3
H
8
C
2
H
4
CH
4
0

100
200 300
400
1
10
10
2
10
3
10
4
Độ góc quay trục khuỷu sau ĐCT
Nồng độ trong
khí xả

Chương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong


Hình 4.12: Sự hình thành HC do tôi màng lửa
trên thành buồng cháy Khi màng lửa bị tôi, nó giải phóng một lớp mỏng hỗn hợp chưa cháy hay cháy
không hoàn toàn trên các bề mặt tiếp xúc (culasse, piston, cylindre, soupape...) hay ở
những không gian chết.

Bề dày của vùng bị tôi phụ thuộc vào những yếu tố khác nhau: nhiệt độ và áp suất
của hỗn hợp khí, tốc độ lan tràn màng lửa, hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, tình trạng bề
mặt của thành buồng cháy, lớp muội than, nhiệt độ thành buồng cháy... Người ta có thể sử
dụng những công thức thực nghiệm để tính kích thước bé nhất của không gian chết để
màng lửa có thể đi qua mà không bị dập tắt.

Quá trình tôi màng lửa diễn ra theo hai giai đoạn: trong giai đoạn đầu, màng lửa bị
tắt khi nhiệt lượng hấp thụ vào thành buồng cháy cân bằng với nhiệt lượng do màng lửa
tỏa ra. Vài giây sau khi tôi, do diễn ra sự khuếch tán hay sự oxy hóa nên nồng độ HC tại
khu vực này nhỏ hơn nồng độ đo được khi tôi. Mặt khác, những hydrocarbure thoát ra
trong quá trình oxy hóa ban đầu do màng lửa bị dập tắt có thể bị oxy hóa trong quá trình
Sản phẩm
cháy

Hỗn hợp
chưa cháy
Vùng
màng lửa
bị kẹt

Chương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong

- Sự cháy không hoàn toàn diễn ra ở một số chu trình làm việc của động cơ (cháy
cục bộ hay bỏ lửa) do sự thay đổi độ đậm đặc, thay đổi góc đánh lửa sớm hay hồi lưu khí
xả, đặc biệt khi gia giảm tốc độ.

Mặt khác, muội than trong buồng cháy cũng có thể gây ra sự gia tăng mức độ phát
sinh ô nhiễm do sự thay đổi các cơ chế trên đây. Tấ
t cả những quá trình này (trừ trường
hợp bỏ lửa) làm gia tăng nồng độ HC chưa cháy ở gần thành buồng cháy chứ không phải
trong toàn bộ thể tích buồng cháy. Trong quá trình thải có thể xuất hiện hai đỉnh cực đại
của nồng độ HC: đỉnh thứ nhất tương ứng với đại bộ phận HC sinh ra trong quá trình cháy
chính, đỉnh thứ hai xuất hiện vào cuối kì thải ở thời điểm nh
ững bộ phận HC cuối cùng
thoát ra khỏi cylindre trong điều kiện lưu lượng khí xả đã giảm. Lớp dầu bôi
trơn hấp thụ
HC

Lớp muội than
hấp thụ HC

Hỗn hợp chưa
cháy bị nén
Hình 4.13: Sơ đồ các nguồn phát sinh HC
4.4.1. Tôi màng lửa trên thành buồng cháy

Bề dày của lớp bị tôi thay đổi từ 0,05 đến 0,4mm phụ thuộc vào chế độ tải của
động cơ. Khi tải càng thấp thì lớp bị tôi càng dày. Sự hiện diện của aldehyde dạng HCHO
hay CH
3
CHO trong lớp tôi chứng tỏ rằng khu vực lớp tôi là nơi diễn ra các phản ứng oxy
hóa ở nhiệt độ thấp. Sau khi màng lửa 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 oxy 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. Lớp muội than gây ảnh hưởng đến
nồng độ HC tương tự như trường hợp thành buồng cháy nhám. 4.4.2. Ảnh hưởng của các 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 các khe hở giới hạn giữa piston, segment và cylindre (hình
4.15). Những không gian chết khác bao gồm chân ren và không gian quanh cực trung tâm

kiện làm việc của động cơ.

Vị trí của nến đánh lửa cũng ảnh hưởng đến mức độ phát sinh HC; nếu nến đánh
lửa đặt gần các không gian chết thì trong không gian đó có chứa một bộ phận sản phẩm
cháy; ngược lại, nếu nến đánh lửa đặt xa thì không gian chết chứa chủ yếu hỗn hợp khí
chưa cháy. Trong nhiều trường hợp, sự chênh lệch nồng độ HC có thể đạt đến 20%.

Lọt khí carter là lượng khí lọt từ cylindre xuống carter trong quá trình nén và cháy
do sự không kín khít của segment. Lọt khí carter cũng là nguồn phát sinh HC nếu nó được
thải trực tiếp ra khí quyển. Ngày nay, ở hầu hết động cơ ô tô, lượng khí này được dẫn vào
đường nạp để tăng tính kinh tế và giảm mức độ phát sinh HC. Để lượng hỗn hợp chưa
cháy chứa trong các không gian chết không quay ngược lại buồng cháy, trong một số
trường hợp người ta có thể giảm độ kín khít của segment để lượng khí này lọt xuống carter
và bị đốt cháy khi quay vào lại cylindre theo đường nạp.
Hình 4.15: Nguồn phát sinh HC trong động cơ đánh lửa cưỡng bức