ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐIỀU CHỈNH ĐẾN HÀM LƯỢNG NOX TRONG KHÍ XẢ CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL doc

LÊ HOÀI ĐỨC Bộ môn Động cơ đốt trong Khoa Cơ khí Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông điều chỉnh đến hàm lượng N

ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐIỀU CHỈNH

TS LÊ HOÀI ĐỨC

Bộ môn Động cơ đốt trong Khoa Cơ khí

Trường Đại học Giao thông Vận tải

Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông điều chỉnh đến

hàm lượng NOx trong khí xả của động cơ diesel và qua đó tìm ra phạm vi khai thác hợp lý cho người sử dụng để giảm ô nhiễm môi trường

Summary: The paper presents some reseach results on the impact of adjustment parameters

on the content of NOx in exhaust gas discharged from diesel engines, based on which suitable

operational ranges have been found to help users reduce environmental pollution

I ĐẶT VẤN ĐỀ

Hiện nay, các loại thiết bị có công suất lớn, nguồn động lực chính vẫn là động cơ diesel Đối với Việt Nam, các động cơ diesel hầu hết là nhập khẩu, khi đưa và sử dụng và khai thác, do điều kiện khí hậu của Việt Nam thay đổi tác động tới chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật và môi trường của động cơ Xác định các thông số điều chỉnh trong quá trình khai thác một cách hợp lý có ý nghĩa lớn trong việc nâng cao chất lượng khai thác phương tiện có sử dụng động cơ diesel, làm tăng hiệu quả kinh tế và giảm ô nhiễm môi trường Do đó việc nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng một

số thông số điều chỉnh đến hàm lượng NOx trong khí xả của động cơ diesel để tìm ra phạm vi

khai thác hợp lý cho người sử dụng là vấn đề có ý nghĩa khoa học

II NỘI DUNG VÀ CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

2.1 Các vấn đề chung

NOx là thuật ngữ chuyên môn thường dùng để gọi chung ba nhóm chất hình thành trong quá trình cháy là: Monoxit Nitơ (NO), Dioxit Nitơ (NO2) và Protoxit Ntitơ (N2O) Thực chất sự hình NOx là sự kết hợp giữa N2 và O2 có mặt trong hỗn hợp ở nhiệt độ cháy (trên 11000C) Hầu hết các tác giả nghiên cứu về sự tạo thành NOx đều cho rằng trong khoảng thời gian cháy của động cơ đốt trong thông thường chỉ cần xem xét động học phản ứng tạo thành NO (chất chiếm tỷ lệ cao nhất trong nhóm NOx) Các thành phần còn lại NO2 và N2O được xác định theo kết quả thống kê kinh nghiệm [1], [5]

Để tính toán hàm lượng NO trong khí thải có thể sử dụng nhiều mô hình với mức độ chính

xác khác nhau, nhưng trong đó mô hình Zeldovich có nhiều ưu điểm và được rất nhiều tác giả

sử dụng

2.2 Tính toán thành phần mol của sản vật cháy theo nhiệt động cân bằng

Phương trình phản ứng đối với nhiên liệu hydrocacbon trong trường hợp tổng quát có thể viết dưới dạng:

=

→

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ + − φ

1

i xi

Ar 21

1 2 N 21

78 2 O 2

r 4

m n

a r O n H m C

Trong đó:

q là tổng số các thành phần sản vật cháy;

xi là thành phần mol của chất i trong sản vật cháy;

φ là tỷ lệ tương đương (nghịch đảo của hệ số dư lượng không khí α)

Trạng thái cân bằng nhiệt động của các sản vật cháy được biểu diễn bởi 7 phương trình phản ứng [9]

H H

2

1

2→ (2)

O O

2

1

2 → (3)

N N

2

1

2 → (4)

2H2O→ 2H2 +O2 (5)

2 H2

2

1 OH O

H → + (6)

CO2+H2→H2O+CO (7)

N H NO

2

1 O

H2 + 2→ 2+ (8) Hằng số cân bằng phản ứng của các phương trình từ (2) đến (8) được tính như sau [9]:

p x

x

K

2

4

1 = (9) p

x

x K

10

11

2= (10)

p x

x

K

5

7

3 = (11) p

b

x

K 102

4 = (12)

p x

.

b

x

K

2

3

5 = (13)

8

9 6

x

bx

K = (14)

p x

b

x

K

5

6

7 = (15)

Trong đó:

2

1 x

x

b= ; p là áp suất trong xilanh Ngoài 7 phương trình hằng số cân bằng đã có, ta có phương trình tổng số mol của sản vật cháy:

x 1 (16)

12 1 i

i =

∑

=

Như vậy, ta đã có tổng số 7 phương trình và cần thêm 5 phương trình nữa để có thể xác định được 12 ẩn số nói trên Ta có 5 phương trình cân bằng số nguyên tử các chất trước và sau phản ứng:

av

x12 = (17) x8+x9 =aw (18)

ax x x x

x

2 1+ 2+ 3 + 4 = (19) x1+x3+x6+x8 +x9+ x10+x11=ay (20)

az x x

x5 + 6 + 7 = (21)

Trong đó các hệ số v, w, x, y, z phụ thuộc vào nhiên liệu và tỉ lệ tương đương φ Chúng được xác định như sau:

) y

(

42

1

v= − (22) w =n (23) m

x = (24) r r

2

m n 1

⎠

⎞

⎜

⎝

φ

= (25) )

y

(

21

78

z= − (26)

Như vậy ta có 1 hệ gồm 12 phương trình với 12 ẩn số Giải hệ phương trình trên bằng phương pháp lặp theo thứ tự các bước sau:

Bước 1: Ước tính giá trị ban đầu của a, b:

Giá trị của a và b đuợc ước tính theo tỷ lệ nhiên liệu, tỉ lệ tương đương φ, áp suất p (tính theo atm) và nhiệt độ T (tính theo 0K)

T 13 0 e ) m 5 0 n ( 863 1 m 5 0 n

3 1 a

− + +

+

T

30000 p lg 5 0 9

e

b= − + + (28) Bước 2: Tính thành phần mol x i theo a, b:

2 2

a e a

e

) 1 b ( ax 8 ) K b K ( ) K b K ( x

⎟⎟

⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎜

⎝

⎛

+

+ + + +

+

−

= (29)

x1=bx2 (30) x3 =Keb x2 (31)

2 a

4 K x

x = (32)

2 2 c g c

g

az 8 ) K b K ( ) K b K ( x

⎟

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎜

⎝

5 g

6 K b x

x = (34) x7 = Kc x5 (35)

8 b K

abw

x

+

= (36)

b

x K

9 = (37) (38)

2

d

10 K b

x = x11= b Kd (39)

(40)

v

.

a

x12 =

2.3 Tính toán hàm lượng NO theo động học phản ứng

Theo mô hình Zeldovich [5] các phương trình phản ứng bao gồm

O + N2 ↔ NO + N (41)

N + O2 ↔ NO + O (42)

N + OH ↔ NO + H (43)

Các hằng số phản ứng có giá trị như sau:

Phương trình (41): T

38000 14

f 1 , 36 10 e K

−

=

Phương trình (42): T

3150 9

f 6 , 4 10 T e K

−

=

Phương trình (43): 13

f 4 , 1 10

K =

Xét phương trình phản ứng tổng quát

vaA + vbB → vcC + vdD (44)

Tốc độ tạo ra một chất ở vế phải, thí dụ chất C được tính như sau:

[ ] [ ] [ ] [ ] [ ]vc vd

b vb va

f A B k C D k

dt

C d

−

Với giả thiết nồng độ các chất O, O2, H, OH, N2 ở trạng thái cân bằng, nồng độ N, NO

được khống chế bởi động học phản ứng Đặt:

[ ] [ ]NOe

NO

=

θ , [ ]

[ ]Ne

N

= β

Trong đó chỉ số e biểu diễn trạng thái cân bằng, áp dụng cho phương trình phản ứng (41) ta có:

[ ] [ ] [ ] [ ] [ ]

e e 2 1 e e 1

f N NO k N O k

dt

NO

d = − θβ + (46)

Ở trạng thái cân bằng, ta có

kf1[ ] [ ]Ne NOe =k 1[ ] [ ]N2 eOe=R1 (47)

Ta có:

[ ]

1

1 R R dt

NO d

+ θβ

−

= (48)

Tương tự, áp dụng cho phương trình phản ứng (42) và (43)

[ ]

2

2 R R dt

NO d

β + θβ

−

= (49) [ ]

3

3 R R dt

NO d

β + θβ

−

= (50) Tổng hợp 3 phương trình phản ứng (48), (49) và (50) và xét thêm ảnh hưởng của sự thay đổi thể tích sản vật cháy V, ta có:

[ ] ( ) (

3 2 1 3 2

R dt

NO d V

1

+ β + + + + β θ

= ) (51) Tương tự như NO, đối với N trong các phản ứng (41), (42) và (43) ta có biểu thức xác định tốc độ phản ứng tạo N:

[ ] ( ) (

3 2 1 3 2

R dt

N d V

1

+ θ + + + + θ β

= ) (52) Các phương trình (51), (52) tồn tại trong một khoảng thời gian giới hạn mà ở đó tốc độ phản ứng đạt trạng thái cân bằng nhiệt động Khoảng thời gian này đối với phương trình (52) nhỏ hơn nhiều so với phương trình (51) Do vậy nồng độ N có thể xem là ổn định so với NO nên ta có:

-β (θR1 + R2 + R3) + R1 + θ ( R2 + R3)=0 (53) Suy ra

3 2 1

3 2 1

R R R

) R R ( R

+ + θ

+ θ +

= β

Thế vào phương trình (52) ta có phương trình tính toán tốc độ tạo NO:

[ ] ( )

1 R R R

R 1

dt

NO d V 1

3 2 1 1 2

+ + θ

θ

−

= , [mol/mol.s] (54)

Khi tính toán tốc độ hình thành NO theo góc quay trục khuỷu, phương trình (53) có thể viết lại dưới dạng như sau:

[ ] ( )

1 R R R

R 1

n 30

V d

NO d

3 2 1 1 2

+ + θ θ

−

=

ϕ , [mol/mol.s] (55)

Hoặc

[ ] ( )

1 R R R

R 1

n 30

1 p

RT d

NO d

3 2 1 1 2

+ + θ θ

−

=

Trong đó:

+ V- thể tích sản phẩm cháy, [cm3]

+ n – số vòng quay trục khuỷu, [vg/ph]

+ ϕ - góc quay trục khuỷu, [độ]

+ R1= T 5 6

38000

14 e x x 10

36 , 1

−

+ T 5 10

3150 9

2 6 , 4 10 T e x x

R

−

=

+ R3 =4,1.1013.x5.x3

2.4 Chương trình tính và kết quả khảo sát

Chương trình tính hàm lượng NOx được lập trình bằng phần mềm Matlab Simulink 7.0, cho phép xác định hàm lượng NOx trong khí thải động cơ diesel khi thay đổi các biến số đầu vào khác nhau (tốc độ quay trục khuỷu n (vg/ph), áp suất bắt đầu nâng kim phun (pnkp), góc phun sớm (GPS))

Đối tượng được lựa chọn là động cơ D243 Đây là loại động cơ diesel buồng cháy thống nhất do Công ty Diesel Sông Công chế tạo và lắp ráp, được sử dụng nhiều trên máy kéo MTZ -

80, các tàu thuyền cỡ nhỏ Chương trình tổng thể xác định hàm lượng NOx thể hiện trên hình 1

Hình 1 Chương trình tính toán xác định hàm lượng NOx trong khí thải động cơ

Kết quả tính toán và phân tích

Hình 2 Sự thay đổi hàm lượng Nox theo góc quay trục khuỷu tại GPS=16 0 ,

p nkp =17,5 MN/m 2

a Ảnh hưởng của số vòng quay trục khuỷu

Kết quả tính toán hàm lượng NOx ở chế độ

“chuẩn” ứng với các số vòng quay khác nhau của trục

khuỷu (lần lượt là 1000, 1400, 1800 và 2200 (vg/ph)

được trình bày trên hình 2

Theo kết quả tính toán cho thấy, sau điểm chết

trên khoảng 18 - 22 độ hàm lượng NOx đạt giá trị cực

đại và sau đó giữ không thay đổi (đây chính là hàm

lượng NOx trên đường thải của động cơ)

Khi tăng số vòng quay của trục khuỷu động cơ, hàm lượng NOx trong khí thải có xu hướng giảm rõ rệt Nguyên nhân chính của hiện tượng này là do thời gian cho phản ứng tạo NOx giảm Hàm lượng NOx đạt giá trị lớn nhất tại số vòng quay n = 1000 (vg/ph)

b Ảnh hưởng của áp suất bắt đầu nâng kim

phun

Diễn biến hàm lượng NOx trong xilanh tại số

vòng quay trục khuỷu n = 1000 (vg/ph) ứng với các

giá trị pnkp khác nhau khi giữ cố định GPS = 160 được

trình bày trong hình 3

Khi tăng pnkp, hàm lượng NOx trong khí thải có

xu hướng tăng Một trong các nguyên nhân dẫn đến

hiện tượng này là đường kính trung bình của hạt

nhiên liệu có xu hướng giảm khi tăng pnkp Do đó sẽ đẩy nhanh tốc độ bay hơi và cháy của nhiên liệu, làm tăng nhiệt độ cực đại của động cơ

Hình 3 Sự thay đổi hàm lượng NOx theo

áp suất nâng kim phun p nkp , tại n=1000

(vg/ph), GPS=16 0

Hình 4 Sự thay đổi hàm lượng NOx theo các giá trị GPS , n=2200 vg/ph, p nkp =17,5

MN/m 2

c Ảnh hưởng của góc phun sớm

Diễn biến hàm lượng NOx ứng với các giá trị

GPS khác nhau khi giữ nguyên pnkp = 17,5 MN/m2 tại

số vòng quay n = 2200 v/ph được trình bày trên hình

4

Khi giảm góc phun sớm, hàm lượng NOx trong

khí thải giảm rất mạnh, do thời gian chuẩn bị cháy

của hỗn hợp giảm, nhiệt độ cực đại trong xilanh cũng

giảm đáng kể

Rõ ràng, giảm GPS là một giải pháp hữu hiệu để giảm NOx Tuy nhiên, chúng ta sẽ phải chấp nhận sự suy giảm về các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật (Ne giảm đáng kể, ge tăng mạnh)

III KẾT LUẬN

+ Các thông số thuộc nhóm yếu tố điều chỉnh - vận hành bao gồm: áp suất bắt đầu nâng kim phun, góc phun sớm nhiên liệu sớm của bơm cao áp, chế độ tốc độ của động cơ có ảnh hưởng đến quy luật cung cấp nhiên liệu và quy luật cháy qua đó ảnh hưởng đến chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật và hàm lượng NOx trong khí thải động cơ diesel D243

+ Kết quả tính toán cho thấy khi tăng GPS từ 100- 200 thì hàm lượng khí NOx tăng (nhưng công suất có ích Ne tăng, suất tiêu hao nhiên liệu có ích ge giảm), xét trên tiêu chí tính kinh tế

kỹ thuật và môi trường thì góc phun sớm nhiên liệu trong khoảng 160 GQTK là hợp lý Khi tăng

áp suất bắt đầu nâng kim phun pnkp từ 16,5 - 20 MN/m2 thì hàm lượng khí NOx tăng (nhưng công suất có ích Ne giảm, suất tiêu hao nhiên liệu có ích ge giảm), tại pnkp = 17,5 MN/m2 công suất Ne đạt giá trị lớn nhất, hàm lượng khí NOx trong khí thải có giá trị tương đối thấp Như vậy, với động cơ D243, góc phun sớm nhiên liệu trong khoảng 160 GQTK và áp suất bắt đầu nâng kim phun bằng 17,5 MN/m2 là bộ thông số điều chỉnh hợp lý cho hệ thống cung cấp nhiên liệu

Khi đó, động cơ D243 vẫn duy trì được các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật trong khi hàm lượng NOx trong khí thải tương đối thấp

Tài liệu tham khảo

[1] Bùi Văn Ga, Văn Thị Bông, Phạm Xuân Mai, Trần Văn Nam, Trần Thanh Hải Tùng (1999), Ô tô và ô

nhiễm môi trường, NXB Giáo Dục, Hà Nội

[2] Nguyễn Phùng Quang (2004), Matlab&Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học

kỹ thuật, Hà Nội

[3] Nguyễn Tất Tiến (2003), Nguyên lý động cơ đốt trong, NXB Giáo Dục, Hà Nội

[4] Lê Hoài Đức (2005), Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm tới tuổi bền khai thác của bộ đôi bơm cao

động cơ ô tô sử dụng ở Việt Nam, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Đại học Giao Thông Vận tải, Hà Nội

[5] Nguyễn Hoàng Vũ (2005), Nghiên cứu ảnh hưởng một số thông số điều chỉnh của quy luật cung cấp

nhiên liệu đến các chỉ tiêu kinh tế - năng lượng và mức độ độc hại khí thải động cơ diesel, Luận án Tiến

sĩ kỹ thuật, Học viện kỹ thuật Quân sự, Hà Nội♦