Tiểu Luận Động Cơ

Tiểu luận Động Cơ & Ô Nhiễm GVHD: TS.Trương Hữu Trì

LỜI MỞ ĐẦU

Động cơ Diesel là một loại động cơ đốt trong, khác với động cơ xăng (hay động cơ Otto). Sự cháy của nhiên liệu, tức dầu diesel, xảy ra trong buồng đốt khi piston đi tới gần điểm chết trên trong kỳ nén, là sự tự cháy dưới tác động của nhiệt độ và áp suất cao của không khí nén.

Động cơ Diesel do một kỹ sư người Đức, ông Rudolf Diesel, phát minh ra vào năm 1892. Chu trình làm việc của động cơ cũng được gọi là chu trình Diesel.

Do những ưu việt của nó so với động cơ xăng, như hiệu suất động cơ cao hơn hay nhiên liệu diesel rẻ tiền hơn xăng, nên động cơ Diesel được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, đặc biệt trong ngành giao thông vận tải thủy và vận tải bộ.

Bài tiểu luận sau đây sẽ cho chúng ta cái nhìn tổng thể về động cơ diesel như nguyên tắc hoạt động, yêu cầu nhiên liệu, rồi so sánh hiệu năng khi hoạt động của nó có gì khác biệt hay nổi trội so với động cơ xăng. Bên cạnh đó bài tiểu luận cũng đề cập đến các chất ô nhiễm phát thải từ động cơ-một vấn đề rất được quan tâm hiện nay, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu nguyên nhân, sự hình thành và các giải pháp để hạn chế tác hại của các chất ô nhiễm này.

1. Nguyên tắc hoạt động của động cơ Diesel:

Hoạt động của động cơ bao gồm bốn giai đoạn:

Kỳ nạp

Pittông còn nằm ở ĐCT. Lúc này trong thể tích buồng cháy còn 1 lượng khí sót của chu trình trước, áp suất khí sót bên trong xilanh cao hơn áp suất khí quyển. Khi trục khuỷu quay, thanh truyền làm chuyển dịch pittông từ ĐCT đến ĐCD, xuppap nạp mở thông xilanh với đường ống nạp. Cùng với sự tăng tốc của pittông, áp suất môi chất trong xilanh trở nên nhỏ dần hơn so với áp suất trên đường ống nạp (0,01- 0,03Mpa). Sự giảm áp suất bên trong xilanh so với áp suất của đường ống nạp tạo nên quá trình nạp (hút) môi chất mới (không khí) từ đường ống nạp vào xilanh.

SVTH: Ngô Tấn Quang Lớp: 11H5 1


Kỳ nén

Pittông chuyển dịch từ ĐCD đến ĐCT, các xupap hút và xả đều đóng, môi chất bên trong xilanh bị nén lại. Giá trị của áp suất cuối quá trình nén phụ thuộc vào tỷ số nén , độ kín của buồng đốt, mức độ tản nhiệt của thành vách xilanh và áp suất của môi chất ở đầu quá trình nén. Việc tự bốc cháy của hỗn hợp khí phải cần một thời gian nhất định (thời gian cảm ứng), mặc dù rất ngắn. Muốn sử dụng tốt nhiệt lượng do nhiên liêu cháy sinh ra thì điểm bắt đầu và điểm kết thúc quá trình cháy phải ở lân cận ĐCT. Do đó việc phun nhiên liệu vào xilanh động cơ đều được thực hiện trước khi pittông đến ĐCT.

Kỳ cháy và giãn nở

Đầu kỳ cháy và giãn nở, hỗn hợp không khí-nhiên liệu được tạo ra ở cuối quá trình nén được bốc cháy nhanh. Do có một nhiệt lượng lớn được toả ra, làm nhiệt độ và áp suất môi chất tăng mạnh. Dưới tác dụng đẩy của lực do áp suất môi chất tạo ra, pittông tiếp tục đẩy xuống thực hiện quá trình giãn nở của môi chất trong xilanh. Trong quá trình giãn nở môi chất đẩy pittông sinh công, do đó kỳ cháy và giãn nở được gọi là hành trình công tác (sinh công).

Kỳ thải

Kỳ thải, động cơ thực hiện quá trình xả sạch khí thải ra khỏi xilanh. Pittônng chuyển dịch từ ĐCD đến ĐCT đẩy khí thải ra khỏi xilanh qua đường xupap thải đang mở vào đường ống thải. Tiếp theo pittông sẽ lặp lại kỳ nạp theo trình tự chu trình công tác động cơ nói trên.

Đặc điểm của quá trình cháy trong động cơ diesel:

Mỗi chu kỳ hoạt động được thực hiện lần lượt bốn kỳ trong 2 vòng quay của trục khuỷu

Nhiên liệu chỉ được nạp vào xylanh khi không khí đã được nén và đạt được nhiệt độ cao sau đó chúng bay hơi, trộn lẫn với không khí rồi tự bắt cháy

Quá trình cháy của nhiên liệu có thể xảy ra ở bất cứ vị trí nào trong buồng cháy mà không cần bugie hay màng lửa lan truyền đến

Động cơ diezel đòi hỏi phải có tỷ số nén cao từ 14 - 17(21) (trong khi đó tỷ số này của động cơ xăng khoảng 10 -11 (12)). Do đó động cơ diezel cho công lớn hơn động cơ xăng khi tiêu thụ cùng một lượng nhiên liệu

Nhiên liệu khi phun vào xilanh thì không cháy ngay mà cần phải có thời gian chuẩn bị hay còn gọi thời gian cảm ứng:

Thời gian cảm ứng vật lý (phụ thuộc vào cấu trúc động cơ) Thời gian cảm ứng hoá học (phụ thuộc vào thành phần nhiên liệu) Thời gian cảm ứng này có ảnh hưởng đến chất lượng quá trình cháy, thời gian

cảm ứng dài có thể dẫn đến quá trình cháy tương tự quá trình cháy kích nổ trong



động cơ xăng, quá trình cháy kích nổ sẽ làm giảm công suất và tăng nồng độ chất độc hại trong khói thải.

Thời gian cảm ứng phụ thuộc nhiều vào bản chất của nhiên liệu và cấu trúc động cơ.

2. So sánh ưu nhược điểm của động cơ Diesel và Xăng:

3. Yêu cầu về nhiên liệu:

Để bảo đảm cho hoạt động của động cơ được tốt thì nhiên liệu phải thỏa mãn những chỉ tiêu chất lượng cơ bản sau: khối lượng riêng, % bay hơi ở tại một số nhiệt độ nhất định, độ nhớt và một số chỉ tiêu liên quan đến điều kiện làm việc ở nhiệt độ thấp ...

a. Khối lượng riêng:

Khối lượng riêng của xăng thay đổi tùy theo quy định của từng Quốc gia hay khu vực, thông thường ρ = 820-860 kg/m3

Giới hạn dưới nhằm đảm bảo công suất cực đại cho động cơ Giới hạn trên nhằm hạn chế sự thải nhiều khói đen



Khối lượng riêng ảnh hưởng đến tiêu thụ nhiên liệu (ρ ↑ → tiêu thụ↓)b. Thành phần cất:

Diesel được phun vào buồng cháy dưới dạng sương, vì vậy kích thước của hạt sương sẽ ảnh hưởng lớn đến quá trình bay hơi và cháy, ở tính chất này thì thành phần cất và độ nhớt sẽ có vai trò ảnh hưởng rất lớn (đối với mỗi loại động cơ)

Các tiêu chuẩn định rỏ mức độ bay hơi thấp nhất và cao nhất của diesel như sau:

ở 250°C, % bay hơi nhỏ hơn 65 ở 350°C, % bay hơi lớn hơn 85 ở 370°C, % bay hơi lớn hơn 95

Nhiệt độ sôi đầu và cuối của diesel thường không quy định, vì việc xác định chúng thường không chính xác. Đối với diesel thương phẩm:

T sôi đầu khoảng : 160-180°C T sôi cuối khoảng : 350-385°Cc. Độ nhớt:

Khi độ nhớt quá lớn:

Tăng tổn thất áp suất trong bơm và trong kim phun Tăng kích thước của các hạt sương nhiên liệu :

Cháy không hết Pha loãng màng dầu bôi trơn

Khi độ nhớt quá bé:

Kích thước hạt quá mịn, giảm đường đi: cháy không hết Ảnh hưởng sự bôi trơn bơm và hệ thống phun nhiên liệud. Tiêu chuẩn liên quan đến điều kiện làm việc ở nhiệt độ thấp:

Diesel trước khi đi vào bơm phun nhiên liệu thì chúng phải trải qua hệ thống lọc (khoảng vài μm). Ở nhiệt độ thấp các tinh thể (nước, n-p mạch dài) có thể hình thành và gây ảnh hưởng lên hoạt động của toàn hệ thống nạp liệu:

Giảm áp suất trong bơm Làm chậm quá trình phun nhiên liệu Lượng nhiên liệu phun vào không đều Tắt nghẽn hệ thống lọc

Để bảo đảm cho quá trình nạp liệu thì nhiên liệu cần phải đạt được các chỉ tiêu sau:

Điểm chảy: Nhiệt độ đông đặc là nhiệt độ cao nhất mà ở đó các phân đoạn hay sản phẩm dầu mỏ, trong điều kiện thử nghiệm mất hẳn tính linh động



Điểm vẫn đục: Nhiệt độ vẫn đục là nhiệt độ mà ở đó các phân tử n-parafin trong các phân đoạn dầu mỏ hay sản phẩm dầu mỏ, bắt đầu kết tinh và làm giảm độ trong suốt của mẫu thí nghiệm mà ta có thể nhìn thấy.

Nhiệt độ lọc tới hạn: Nhiệt độ lọc tới hạn là nhiệt độ thấp nhất mà ở đó một thể tích xác định mẫu (20ml) còn có thể được hút qua một hệ thống lọc quy định trong một thời gian xác định (60s)e. Một số yêu cầu khác:

Chỉ số xetan là đại lượng quy ước được tính bằng phần trăm thể tích của n-xetan (n-C16H34) trong hỗn hợp của nó với α-metylnaphtalen (C11H10) khi hỗn hợp này có khả năng bắt cháy tương đương với nhiên liệu đang xem xét. Trong đó n-xetan là cấu tử có khả năng tự bắt cháy tốt nên chỉ số xetan của nó được quy ước bằng 100, ngược lại α metylnaphtalen là cấu tử có khả năng bắt cháy kém nên chỉ số xetan của nó được quy ước bằng 0. ( Yêu cầu IC của động cơ không cao khoảng 40 cho động cơ tốc độ chậm và 50 - 55 cho động cơ tốc độ cao)

Nhiệt độ chớp cháy là nhiệt độ thấp nhất mà ở đó mẫu thử khi được đun nóng trong điều kiện xác định sẽ bay hơi trộn lẫn với không khí và có thể vụt cháy rồi tắt ngay như một tia chớt khi ta đưa ngọn lửa đến gần

Độ bôi trơn Hàm lượng nước,…

4. Bảng tiêu chuẩn chất lượng Diesel ở Việt Nam:

TCVN 5689:2005



TCCS 03:2009/PETROLIMEX

5. Chất phát thải ô nhiễm từ động cơ:

Quá trình đốt cháy nhiên liệu:

Cháy lý tưởng:

Quá trình cháy trong thực tế luôn sinh ra những hợp chất khác :

Oxyt nitơ (NO, N2O, NO2 gọi chung là NOx ) Monoxyt cacbon (CO) Hydrocacbon chưa cháy (HC) Các hạt rắn nhỏ (particular matter) Bồ hóng . . . Ngoài ra trong nhiên liệu ban đầu thường chứa thêm lưu huỳnh nên trong khói thải

còn có thêm khí SOx (SO2, SO3)

Đây chính là 6 chất gây ô nhiễm môi trường chính từ khói thải động cơ

a. Sự hình thành các chất độc hại trong quá trình cháy của động cơ: Sự hình thành NOx :



NOx được hình thành chủ yếu do sự kết hợp giữa oxi và nitơ của không khí ở điều kiện nhiệt độ cao.

Đối với động cơ xăng thì các yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến sự hình thành NOx là:

Độ giàu của hỗn hợp nhiên liệu Lượng khí thải hồi lưu lại buồng cháy Góc đánh lửa sớm.



Đối với động cơ diesel: thường hoạt động với hỗn hợp nghèo (thừa oxy), như vậy ở đây NOx tạo ra phụ thuộc hoàn toàn vào nhiệt độ cực đại đạt được trong buồng cháy



Sự hình thành CO trong quá trình cháy của động cơ Diesel:

Khi nhiên liệu bị đốt cháy trong điều kiện không đủ oxy thì một phần nhiên liệu không cháy sẽ chịu tác động của nhiệt độ cao và bị phân huỷ hoặc cháy không hoàn toàn để tạo thành monoxyt cacbon (CO). Ngoài ra ở trong điều kiện có nhiệt độ cao thì một phần khí CO2 hình thành có thể bị biến đổi thành CO.

Phương trình phản ứng:

2C + O2 2CO C + CO2 2CO

Trong động cơ thì những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến sự hình thành CO là:

Độ giàu của hỗn hợp nhiên liệu Áp suất nạp Góc đánh lửa sớm Hệ số khí sót

Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm: Nếu nhiên liệu được phun vào quá trễ, quá trình cháy kéo dài trên đường giãn nở, khi đó nhiệt độ giảm nhanh làm giảm khả năng cháy của nhiên liệu, do đó làm tăng nồng độ CO



Ảnh hưởng của hệ số khí sót: Hệ thống hồi lưu khí xả EGR lắp trên các động cơ hiện đại để khống chế nồng độ NOx đồng thời cũng góp phần làm giảm nồng độ CO ở chế độ tải thấp

Sự hình thành hydrocacbon chưa cháy: Khi độ giàu quá lớn hoặc quá bé đều làm giảm khả năng tự bắt cháy, do đó làm tăng

nồng độ HC chưa cháy 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 Không gian chết ở động cơ Diesel không gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến nồng độ

HC trong khí xả Ảnh hưởng của lớp dầu bôi trơn bám trên mặt gương xilanh, của lớp muội than cũng

như ảnh hưởng của sự tôi màng lửa đối với quá trình hình thành HC trong động cơ Diesel nhìn chung không đáng kể so với động cơ đánh lửa cưỡng bức Sự hình thành bồ hóng:

Bồ hóng do quá trình cháy không hoàn toàn của nhiên liệu sinh ra (nguyên nhân chính)

Nguyên nhân: Hạt nhiên liệu lỏng di chuyển trong buồng cháy có thể gặp nhiệt độ cao chúng

phân hủy trước khi bay hơi Sự tập trung cục bộ hơi nhiên liệu ở những vùng có nhiệt độ cao Ngoài ra, một phần nhỏ dầu bôi trơn trong buồng cháy có thể bị phân hủy ở nhiệt

độ cao. Thành phần của bồ hóng bao gồm những thành phần sau:

Cacbon Dầu bôi trơn không cháy Nhiên liệu chưa cháy hoặc cháy không hoàn toàn: Sunfat: lưu huỳnh trong nhiên liệu bị ôxy hoá thành SO2, hoặc (SO4)2-

Các chất khác: Lưu huỳnh, canxi, phốtpho, sắt... Thành phần hạt bồ hóng còn phụ thuộc vào tính chất nguyên liệu, đặc điểm quá

trình cháy, dạng động cơ cũng như thời gian sử dụng động cơ Dạng tồn tại:

Dạng đơn Dạng tích tụ

Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành hạt bồ hóng: Khi nhiên liệu có thành phần cacbon càng cao thì nồng độ bồ hóng càng lớn Độ giàu càng lớn hơn 1 thì bồ hóng sinh ra càng nhiều Nếu oxy có thừa trong hỗn hợp cháy thì nó có thể oxy hoá bồ hóng sau khi chúng

được hình thành, do đó làm giảm nồng độ bồ hóng cuối cùng có mặt trong sản phẩm cháy



6. Tác hại của các chất có trong khói thải đối với sức khỏe con người:a. Tác hại của CO:

CO tác dụng đối với hồng cầu trong máu tạo thành một hợp chất bền vững do đó nó làm giảm hồng cầu trong máu từ đó làm giảm khả năng hấp thụ oxy của hồng cầu để nuôi dưỡng tế bào cơ thể.

HbO2 + CO HbCO + O2

Mức độ nguy hiểm của khí CO

b. Tác hại của NOx: NO là chất khí không màu, không mùi, không tan trong nước, NO có thể gây nguy

hiểm cho cơ thể do tác dụng với hồng cầu trong máu làm giảm khả năng vận chuyển oxi gây thiếu máu.

NO2 là chất khí màu nâu nhạt, mùi của nó có thể bắt đầu được phát hiện ở nồng độ 0.12ppm.

NO2 dễ hấp thụ bức xạ tử ngoại, dễ hoà tan trong nước và tham gia phản ứng quang hoá.

NO2 là loại khí có tính kích thích, khi tiếp xúc với niêm mạc tạo thành axit qua đường hô hấp hoặc hoà tan vào nước bọt rồi vào đường tiêu hoá, sau đó vào máu.

Nồng độ NOx và mức độ gây nguy hiểm



c. Tác hại của HC và bồ hóng: HC trong khói thải là một hỗn hợp bao gồm nhiều chất khác nhau như benzen, metan,

etan, etylen . . . các khí chứa oxy như rượu, axit, xeton, andehyt . . . Andehyt có mùi khó chịu, gây tác dụng kích thích mũi, mắt và niêm mạc HC thơm đặc biệt benzen là chất gây ra bệnh ung thư mạnh HAP (hydrocacbon polyaromactic) hấp phụ trong các hạt hữu cơ như bụi, bồ hóng đi

vào cơ thể gây ung thư Bồ hóng tồn tại dưới dạng các hạt rắn có đường kính trung bình khoảng 0.3 m nên rất

dễ xâm nhập sâu vào phổi, bị giữ lại ở đó, phản ứng với màng nhầy gây hại đến sức khoẻ.d. Tác hại của SOx:

Các oxit lưu huỳnh là những chất háo nước, vì vậy khi nhiệt độ hạ thấp xuống thì nó kết hợp với nước để tạo thành axit tương ứng, các axit này có thể theo đường hô hấp để vào sâu trong phổi gây ảnh hưởng đến sức khoẻ con người.

Ngoài ảnh hưởng đối với sức khỏe con người, các chất độc hại này khi phát thải ra môi trường cũng gây ra những tác hại đáng kể như:

CO2 gây hiệu ứng nhà kính làm tăng nhiệt độ của quả đất. Sự nóng lên của trái đất và băng tan ở bắc cực

Mưa axit:

Do các chất khí có tính axit như SOx, NOx có mặt trong dòng khí thải Mưa axit làm tăng độ axit của đất, huỷ diệt rừng, mùa màng, gây nguy hại đối với

sinh vật dưới nước, nguy hại đối với người và động vật, làm hỏng nhà cửa, cầu cống và các công trình

Thủng tầng ozon: Khí sinh ra do khói thải động cơ như CH4, NOx và các chất hữu cơ là nguyên nhân gây suy giảm tầng ozon



7. Giải pháp nhằm giảm thiểu nồng độ chất độc hại:

Một cách tổng quát thì các giải pháp này được chia thành ba hướng như sau:

Cải thiện động cơ và tối ưu hoá quá trình cháy Cải thiện nhiên liệu, sử dụng nhiên liệu sạch hay dùng nhiên liệu thay thế Xử lý chất ô nhiễm trước khi thải ra môi trường.

a. Giải pháp liên quan đến động cơ:

Đối với động cơ Diesel thì 3 chất ô nhiễm chính cần quan tâm là CO, HC và bồ hóng.

Các biện pháp chính nhằm hạn chế nồng độ chất ô nhiễm:

Tăng tốc độ phun để làm giảm nồng độ bồ hóng do tăng tốc độ hoà trộn nhiên liệu - không khí.

Tăng áp suất phun, đặc biệt là đối với động cơ phun trực tiếp. Kết thúc nhanh quá trình phun để làm giảm HC.

Hồi lưu khí xả là một trong những biện pháp hiệu quả nhất để giảm mức độ phát sinh NOx trong động cơ Diesel.

b. Giải pháp liên quan đến nhiên liệu:

Cải thiện chất lượng nhiên liệu diesel đồng nghĩa với việc tối thiểu hàm lượng lưu huỳnh và Aromatic. Có ba quá trình cần khảo sát ảnh hưởng đến chất lượng nhiên liệu Diesel.

Quá trình Hydrotraitement Quá trình Hydrodesulfuration Tổng hợp nhiên liệu Diesel theo phương pháp Fisher-Tropsch và quá trình oligomer

hoá.



...c. Xử lý chất ô nhiễm trước khi thải ra môi trường:

Sơ lược về quá trình xử lý:

1960: ở Mỹ cũng như Châu Âu đã nghiên cứu xử lý khói thải bằng bộ xúc tác Bộ xúc tác oxi hoá trên được sử dụng đầu tiên và hoạt động với hỗn hợp giàu Tiếp theo là hệ xúc tác lưỡng tính, hệ thống này bao gồm bộ xúc tác khử, bộ cung cấp

khí và bộ xúc tác oxi hoá. 1975: sử dụng bộ xúc tác ba chức năng trên động cơ đánh lửa cưỡng bức làm, loại xúc

tác được ứng dụng rộng rãi nhất hiện nay Hiện nay có các loại bộ xúc tác sau được sử dụng trên động cơ:

Xúc tác ba chức năng Bộ xúc tác oxi hoá dùng cho động cơ Diesel Khử oxit nitơ trong môi trường có sự hiện diện của oxi

Bên cạnh sử dụng các bộ xử lý xúc tác, việc đưa bộ lọc hạt rắn vào ứng dụng trên động cơ Diesel cũng góp phần đáng kể vào việc giảm lượng bồ hóng phát sinh

Thành phần khói thải của động cơ diesel:

Động cơ Diesel vận hành với hỗn hợp nghèo, khi so sánh với thành phần khói thải

của động cơ xăng thì:

Hàm lượng CO, HC thấp hơn nhiều Hàm lượng NOx cao hơn Xuất hiện các hạt rắn nhỏ, bồ hóng Có mặt O2 trong khói thải

Sự có mặt của O2 trong khói thải sẽ giúp cho xúc tác oxy hóa hoạt động hiệu quả. Tuy nhiên vấn đề còn lại ở đây là nhiệt độ làm như hình bên

Kết quả thử nghiệm trên động cơ ô tô nhẹ theo chu trình ECE+EUDC (Economic Commission for Europe + Extra Urban Driving Cycle) cho thấy bộ xúc tác oxy hoá trên động cơ Diesel có thể làm giảm 35% CO, 30%HC, 25% đối với hạt rắn ‘hoà tan’

Giảm thiểu hàm lượng NOx:

Hồi lưu khí thải

Nhiều giải pháp nhằm thực hiện phản ứng NO2 → N2 + O2

Sử dụng các chất khử là ure hoặc amoniac



NO + NH3 + O2 → N2 + H2O

(có thể giảm được 70- 80% NO, nhưng kỹ thuật thì chưa áp dụng được)

Sử dụng các chất khử là HC

NO + HC → N2 + CO2 + H2O

(có thể giảm được 40-80% NO ở điều kiện tối ưu)

Thực tế:

Nhiệt độ của bộ xúc tác thấp hơn (150-250°C so với 400-500°C) VVH quá lớn Nồng độ HC trong khói thải quá ít (nhỏ hơn 20-40 lần)

Xử lý bồ hóng bằng phương pháp lọc:



KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Bài giảng Hóa Học Dầu Mỏ, TS.Trương Hữu Trì ĐHBK Đà Nẵng

[2] Bài giảng Sản Phẩm Thương Phẩm Dầu Mỏ, TS.Trương Hữu Trì ĐHBK Đà Nẵng

[3] Các bài báo khoa học trên Internet của 1 số website: Wikipedia,…


Documents

Tiểu Luận Động Cơ