Luận văn Đánh giá ảnh hưởng của xoáy lốc và phun nhiêu liệu nhiều lần đến công suất và khí thải động cơ diesel bằng phương pháp mô phỏng (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Đánh giá ảnh hưởng của xoáy lốc và phun nhiêu liệu nhiều lần đến công suất và khí thải động cơ diesel bằng phương pháp mô phỏng (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN MINH THÍCH ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA XOÁY LỐC VÀ PHUN NHIÊU LIỆU NHIỀU LẦN ĐẾN CÔNG SUẤT VÀ KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ DIESEL BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG NGÀNH: KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ Ô TÔ, MÁY KÉO - 605246 S KC 0 0 4 0 0 2 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2013
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN MINH THÍCH ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA XOÁY LỐC VÀ PHUN NHIÊU LIỆU NHIỀU LẦN ĐẾN CÔNG SUẤT VÀ KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ DIESEL BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG NGÀNH: KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ Ô TÔ MÁY KÉO - 605246 Hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN LÊ DUY KHẢI Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2013
3. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Nguyễn Minh Thích Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 06/06/1983 Nơi sinh: Bắc Ninh Quê quán: Đông Thọ - Yên Phong - Bắc Ninh Dân tộc: Kinh Chức vụ, đơn vị công tác trước khi học tập, nghiên cứu: Giáo viên dạy nghề Công nghệ ôtô trường Cao Đẳng nghề Việt Nam – Singapore. Huyện Thuận An- Bình Dương. Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Khoa Bảo dưỡng công nghiệp trường Cao Đẳng nghề Việt Nam – Singapore Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng E-mail: minhthichckd@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ / đến / Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2003 đến 04/2008 Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Ngành học: Cơ khí động lực Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Chuyên đề ôtô, chuyên đề động cơ, chuyên đề điện-điện tử ôtô. Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: tháng 1/2008 3. Thạc sĩ: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 10/2010 đến 11/ 2012 Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Ngành học: Khai thác và bảo trì ôtô - máy kéo Tên luận văn: Đánh giá ảnh hưởng xoáy lốc và phun nhiên liệu nhiều lần đến công suất và khí thải động cơ diesel bằng phương pháp mô phỏng.
4. Ngày & nơi bảo vệ luận văn: 04/2013 tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Lê Duy Khải 4. Tiến sĩ: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ / đến / Tại (trường, viện, nước): Tên luận án: Người hướng dẫn: Ngày & nơi bảo vệ: 5. Trình độ ngoại ngữ (biết ngoại ngữ gì, mức độ: Anh Văn:B) 6. Học vị, học hàm, chức vụ kỹ thuật đƣợc chính thức cấp; số bằng, ngày & nơi cấp: III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 3/08-2/09 Công ty cổ phần Catalan Nhân viên phòng Kỹ thuật Trường Cao đẳng Kỹ thuật lý Tự 2/09-2/2010 Giáo viên Trọng TPHCM Trường Cao Đẳng nghề Việt Nam – 2/2010 - nay Singapore Giáo viên IV. CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ: Tp HCM, ngày tháng năm 2013 Người khai ký tên Nguyễn Minh Thích
5. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu và các kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác. Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2013. Học viên thực hiện Nguyễn Minh Thích
6. LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình hoc̣ tâp̣ và hoàn thành luận văn này , em đa ̃ nhâṇ đươc̣ sư ̣ hướng dâñ , giúp đỡ quý báu c ủa các Thầy Cô , các bạn học viên cao học CKO trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Đặc biệt, với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc em xin đươc̣ bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới thầy TS. Nguyễn Lê Duy Khải Trưởng khoa Kỹ thuật Giao thông trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh. Trong quá trình thực hiện luận văn, mặc dù rất bận rộn trong công việc nhưng thầy vẫn dành rất nhiều thời gian và tâm huyết trong việc hướng dẫn em. Thầy đã tận tình cung cấp phần mềm Kiva -3V, tài liệu, thầy đa ̃ hết lòng giúp đỡ , dạy bảo, đôṇ g viên và taọ mọi điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Em xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS. Đỗ Văn Dũng, thầy TS. Lý Vĩnh Đạt và các thầy trong hôị đồng chấm luâṇ văn trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đa ̃ cho em những đóng góp quý báu để em hoàn chỉnh luận văn này. Mặc dù đã hết sức cố gắng để hoàn thành luận văn một cách tốt nhất có thể, nhưng do kiến thức và kinh nghiệm của em còn hạn chế. Em rất mong sẽ nhận được sự đóng góp, chia sẻ ý kiến của Quý Thầy, Cô, cùng các bạn để đề tàicó thể hoàn thiện và phát triển ở mức cao hơn. Em xin chân thành cám ơn ! Học viên thực hiện Nguyễn Minh Thích -i-
7. TÓM TẮT Luận văn nghiên cứu ảnh hưởng của xoáy lốc và phun nhiên liệu nhiều lần trên động cơ Diesel phun trực tiếp đến công suất và ô nhiễm khí thải bằng phương pháp mô phỏng. Cụ thể, thông số “tỷ lệ xoáy lốc” và thông số “Số lần phun ” được thay đổi để đánh giá sự tác động đến công suất và phát thải bồ hóng cũng như NOx trong khí thải động cơ Diesel phun trực tiếp. Mỗi thông số quá trình phun đều chứa đựng những ưu điểm và nhược điểm hay chúng có thể tồn tại song song cùng nhau. Nghiên cứu trong luận văn đã chỉ ra rằng, khi tỷ lệ xoáy lốc tăng lên sẽ làm lượng bồ hóng giảm xuống . Khi chuyển qua phun tách lượng bồ hóng giảm. còn NOx chia thành hai giai đoạn: thoạt đầu lượng NOx giảm (25-3-75), sau đó tăng lên ở các trường hợp còn lại. ABSTRACT The thesis introduces the research into influence of the swril and multiple Injections on direct injection Diesel (DI Diesel engine) engine performance and emission, using simulation. The “Swril ratio” and “Number of sprays” was also changed to appreciate the effect on DI Diesel engine performance and emit particulates and oxides of nitrogen. Each technology has its own merits and demerits or exists interaction. The results show that, the total of oxides of particulates decreased when increased “Swril ration”; when increased “Split injection” parameter amount of oxides of particulates decreased and change in the nitrogen divide two stages: the fist of all, nitrogen decreased (25-3-75) ,after that, it increased. - ii -
8. MỤC LỤC Trang Lời cảm ơn i Tóm tắt – Abstract ii Mục lục iii Danh mục hình ảnh v Danh mục bảng biểu viii Danh mục phụ lục ix Danh mục các chữ viết tắt x CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan chung 1 1.2. Lý do chọn đề tài 2 1.2.1. Tác hại của các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 4 1.2.1.1. Tác hại sức khỏe con ngƣời 4 1.2.1.2. Tác hại sức môi trƣờng 5 1.3. Tính cấp thiết và ý nghĩa khoa học 8 1.3.1. Tính cấp thiết của đề tài 8 1.3.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 8 1.4. Mục tiêu đề tài, đối tƣợng nghiên cứu, giới hạn đề tài và phƣơng pháp nghiên cứu 9 1.4.1. Mục tiêu đề tài 9 1.4.2. Đối tƣợng nghiên cứu 9 1.4.3. Giới hạn đề tài 9 1.4.4. Phƣơng pháp nghiên cứu 9 CHƢƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Khái quát về các chất ô nhiễm trong khí thải động cơ Diesel 11 2.1.1. Bồ hóng (muội than) 12 2.1.1.1. Thành phần hạt bồ hóng 12 - iii -
9. 2.1.1.2. Cấu trúc hạt bồ hóng 12 2.1.2. Cơ chế hình thành monoxit cacbon (CO) 15 2.1.3. Oxit nito (NOx) 17 2.1.4. Hydocarbon (HC) 18 2.1.5. Oxit lƣu huỳnh (SO2) 18 2.2. Giới thiệu về phun nhiên liệu trong động cơ diesel 18 2.2.1. Quá trình phun nhiên liệu 19 2.2.1.1. Vấn đề phun nhiên liệu 19 2.2.1.2. Cấu trúc tổng quát của tia nhiên liệu 20 2.2.1.3. Góc mở tia phun 23 2.2.1.5. Sự phân bố kích thƣớc hạt 25 2.2.1.6. Sự bốc hơi nhiên liệu 28 2.3. Giới thiệu về xoáy lốc trong động cơ diesel 30 2.4. Giới thiệu về phần mềm mô phỏng KIVA- 3V 35 2.4.1. Tầm quan trọng của phần mềm mô phỏng trong ngành công nghệ ô tô 35 2.4.2. Lịch sử phần mềm Kiva-3v 37 2.4.3. Cấu trúc phầm mềm Kiva - 3. 39 2.4.4. Các mô hình sử dụng trong Kiva 3V 41 2.4.1.1. Mô hình phân rã tia phun “Kelvin-Helmholtz và Rayleigh-Taylor” 41 2.4.1.1. Mô hình bay hơi hạt nhiên liệu 43 2.4.1.1. Mô hình dòng chảy rối “Renormalized Group k- epsilon”(RNG k -  45 2.4.1.1. Mô hình hình thành NOx 47 2.4.1.1. Mô hình hình thành bồ hóng 49 CHƢƠNG 3 : TẠO LƢỚI VÀ THIẾT LẬP CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG CƠ NGHIÊN CỨU 3.1. Động cơ mô phỏng và quá trình tạo mô hình lƣới động cơ 52 3.2. Điều kiện mô phỏng 56 - iv -
10. CHƢƠNG 4 : ẢNH HƢỞNG CỦA PHUN NHIÊN LIỆU NHIỀU LẦN ĐẾN CÔNG SUẤT VÀ Ô NHIỄM MÔI TRƢỜNG 4.1. Điều kiện mô phỏng 58 4.2. Thông số thay đổi 59 4.3. Kết quả và bình luận 61 4.3.1. Ảnh hƣởng của phun nhiên liệu nhiều lần đến áp suất và nhiệt độ trong xy lanh 61 4.3.2. Ảnh hƣởng của phun nhiên liệu nhiều lần đến hình thành bồ hóng 65 4.3.3. Ảnh hƣởng của phun nhiên liệu nhiều lần đến hình thành NOx 69 4.4. Kết luận 72 CHƢƠNG 5 : ẢNH HƢỞNG CỦA XOÁY LỐC ĐẾN CÔNG SUẤT VÀ Ô NHIỄM MÔI TRƢỜNG 5.1. Điều kiện mô phỏng và thông số thay đổi 73 5.2. Kết quả và bình luận 76 5.2.1. Ảnh hƣởng của xoáy lốc đến áp suất và nhiệt độ trong xy lanh 76 5.2.2 Ảnh hƣởng của xoáy lốc đến hình thành bồ hóng 79 5.2.3. Ảnh hƣởng của xoáy lốc đến hình thành NOx 82 5.3. Kết luận 86 CHƢƠNG 6 : KẾT LUẬN 6.1. Kết luận 87 6.2. Đề xuất hƣớng phát triển 88 Tài liệu tham khảo xi Phụ lục xiv - v -
11. DANH MỤC HÌNH ẢNH Số hiệu hình Trang 1.1 Phổ bức xạ nhiệt của mặt trời và vỏ trái đất 6 1.2 Hiện tượng hiện ứng nhà kính 7 2.1 Cấu trúc chuỗi bồ hóng 13 2.2 Dạng những hạt sơ cấp 13 2.3 Quá trình tạo bồ hóng trong động cơ diesel 14 2.4 Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí (  ) đến nồng độ monoxit carbon (CO) 16 2.5 Quá trình phun nhiên liệu nhiều lần trong động cơ Diesel 19 2.6 Sơ đồ tia phun nhiên liệu trong động cơ diesel 20 2.7 Ảnh chụp sự phát triển của tia nhiên liệu trong buồng cháy động cơ Diesel không xoáy lốc. a.Biên dạng ngoài của tia; b.Lõi tia nhiên liệu 21 2.8 Sơ đồ tia nhiên liệu phun hướng kính vào buồng cháy xoáy lốc 22 2.9 Ảnh chụp biên dạng tia phun trong buồng cháy xoáy lốc 23. 2.10 Biến thiên góc mở tia phun theo tỉ số g / l 25 2.11 Ảnh hưởng của tỉ số chiều dài/đường kính lỗ tia (a) và đường kính lỗ tia đến đường kính Sauter (b) theo áp suất phun 27 2.12 Biến thiên định tính của khối lượng,đường kính,nhiệt độ,tốc độ bốc hơi của hạt và tốc độ truyền nhiệt từ không khí vào hạt nhiên liệu lỏng theo thời gian 28 2.13 Biến thiên độ xuyên thâu của đầu tia phun theo thời gian ứng với các áp suất khác nhau trong buồng cháy không xoáy lốc 31 2.14 Biến thiên độ xuyên thâu của tia phun theo thời gian của buồng cháy xoáy lốc. (a) ảnh hưởng của độ xoáy lốc đến biên dạng tia phun; (b) ảnh hưởng của độ xoáy lốc đến quan hệ S(t) 33 2.15 Ảnh hưởng của tỷ lệ xoáy lốc đến NOx và bồ hóng (SOOT) 34 2.16 Osman Yasar (phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos (LANL) Mỹ) 36 -v-
12. 2.17 Cấu trúc phần mềm KIVA- 3V 40 2.18 Sơ đồ hình thành bồ hóng “8 bước” của Foster 49 3.1 Động cơ diesel AVL 5402 52 3.2 Bản vẽ thiết kế piston AVL 54 3.3 Bản vẽ piston AVL sau khi vẽ lại trên AutoCad 55 3.4 Phân vùng và lập tọa độ điểm vị trí biên của piston 55 3.5 Mô hình lưới buồng đốt piston AVL với góc mô phỏng 720 56 4.1 Mối quan hệ giữa công suất động cơ với các trường hợp phun khác nhau 59 4.2 Mối quan hệ giữa suất tiêu hoa nhiên liệu với các trường hợp phun 60 4.3 Mối quan hệ giữa áp suất trung bình và góc quay trục khuỷu tại các trường hợp phun khác nhau 62 4.4 Đồ thị nhiệt độ trung bình trong xy lanh tại các trường hợp phun khác nhau 63 4.5 Đồ thị thời gian cháy trễ ứng với các trường hợp phun 63 4.6 Phân bố nhiệt độ trong xy lanh ứng với các trường hợp phun tại 7deg BTDC 64 4.7 Lượng bồ hóng phát thải tương ứng với trường hợp phun 1 lần và 90-3-10 65 64 4.8 Lượng bồ hóng hình thành tương ứng với trường hợp phun 66 4.9 Lượng bồ hóng bị oxi hóa tương ứng với trường hợp phun 67 4.10 Lượng bồ hóng phát thải ứng với góc quay trục khuỷu tại các trường hợp phun khác nhau 67 4.11 Lượng bồ hóng phát thải tương ứng với các trường hợp phun 68 4.12 Lượng NOx phát thải tương ứng với góc quay trục khuỷu 69 4.13 Đồ thị nhiệt độ cực đại trong xy lanh theo góc quay trục khuỷu 70 4.14 Lượng NOx phát thải tương ứng với các trường hợp phun khác nhau 71 4.15 Phân bố nhiệt độ lớn nhất trong xy lanh tương ứng trường hợp phun 71 5.1 Mối quan hệ giữa công suất động cơ với tỷ lệ xoáy lốc 74 -vi-
13. 5.2 Mối quan hệ giữa suất tiêu hao nhiên liệu động cơ với tỷ lệ xoáy lốc 75 5.3 Mối quan hệ giữa áp suất trung bình và góc quay trục khuỷu tương ứng với tỷ lệ xoáy lốc khác nhau 76 5.4 Đồ thị nhiệt độ trung bình trong xy lanh với góc quay trục khuỷu ứng với tỷ lệ xoáy lốc khác nhau 76 5.5 Sự phân bố nhiên liệu trong xy lanh ứng với tỷ lệ xoáy lốc khác nhau tại 10 deg ATDC 78 5.6 Phân bố oxi trong xy lanh tại vị trí 10 deg ATDC ứng với tỷ lệ xoáy lốc khác nhau 78. 5.7 Lượng bồ hóng hình thành, bồ hóng bị Ôxi hóa và lượng bồ hóng phát thải khi tỷ lệ xoáy lốc 1.0 79 5.8 Lượng bồ hóng hình thành ứng với góc quay trục khuỷu 80. 5.9 Lượng bồ hóng bị Ôxi hóa ứng với góc quay trục khuỷu 80. 5.10 Lượng bồ hóng phát thải ứng với góc quay trục khuỷu 81 5.11 Lượng bồ hóng phát thải ứng với tỷ lệ xoáy lốc khác nhau 82 5.12 Khối lượng NOx hình thành trong buồng đốt 84 5.13 Đồ thị nhiệt độ cực đại trong xy lanh theo góc quay trục khuỷu 84 5.14 Phân bố nhiệt độ lớn nhất trong xy lanh tương ứng tỷ lệ xoáy lốc 85 5.15 Khối lượng NOx ứng với các tỷ lệ xoáy lốc khác nhau 85 -vii-
14. DANH MỤC BẢNG BIỂU Số hiệu bảng biểu Trang 1.1 Thành phần điển hình của khí thải động cơ Diesel 3 2.1 Hằng số mô hình KH-RT 43 2.2 Các tốc độ phản ứng sử dụng trong mô hình bồ hóng “8 bước” của Foster 50 3.1 Thông số động cơ 1 xy lanh AVL 53. 3.2 Trường hợp mô phỏng 5 6 3.3 Thông số quá trình mô phỏng 5 7 4.1 Các thông số mô phỏng 5 8 4.2 Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu ứng với các trường hợp phun 60 5.1 Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu ứng với các tỷ lệ xoáy lốc 7 3 5.2 Áp suất cực đại và nhiệt độ trung bình cực đại trong xy lanh 75 5.3 Áp suất cực đại và nhiệt độ trung bình cực đại trong xy lanh 77 5.4 Lượng NOx phát thải ứng với tỷ lệ xoáy lốc khác nhau 82 -viii-
15. DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Từ gốc Nghĩa của từ 0C degree of Celsius Độ Celsius 0F degree of Fahrenheit Độ Fahrenheit 0K degree of Kelvin Độ Kelvin ATDC After Top Dead Center Sau điểm chết trên BTDC Before Top Dead Center Trước điểm chết trên CO Carbon monoxide Cạc-bon Mô-nô-xít CO2 Carbon Dioxide Cạc-bon Đi-ô-xít deg. degree Độ (quay trục khuỷu) Deg ATDC degree After Top Dead Độ quay trục khuỷu sau điểm chết Center trên Deg BTDC degree Before Top Dead Độ quay trục khuỷu trước điểm Center chết trên DOHC Double OverHead Trục cam đôi Camshaft EGR Exhaust Gas Recirculation Hồi lưu khí thải EVO Exhaust Valve Open Thời điểm xú páp xả mở ra HC Hydro Carbon Hi-đrô Cạc-bon IVC Intake Valve Close Thời điểm xú páp nạp đóng KH-RT Kelvin-Helmholtz and Mô hình KH-RT Rayleigh-Taylor model NOx Oxides of Nitrogen Ô xít Nitơ PR Precursor Hạt cơ sở RNG k-e Renormalized Group k-e Mô hình dòng chảy rối “RNG k-e” model rpm Revolution per Minute Vòng/phút ppm Parts per million Phần triệu SOx Oxides of Sulfur Ô xít lưu huỳnh TDC Top Dead Center Điểm chết trên -x-
16. LVThS – Đánh giá ảnh hưởng của xoáy lốc và phun nhiên liệu nhiều lần đến công suất và khí thải của động cơ Diesel bằng mô phỏng CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan chung Như chúng ta đã biết, quá trình xoáy lốc và phun nhiên liệu trên động cơ Diesel đóng vai trò quan trọng trong việc phát thải ra các chất gây ô nhiễm và tác động lớn đến suất tiêu hao nhiên liệu cũng như công suất của động cơ. Tùy thuộc vào tỷ lệ xoáy lốc, phương thức và thời điểm mà nhiên liệu phun vào buồng đốt có thể làm cho ô nhiễm trong khí xả và tiêu hao nhiên liệu khác nhau. Có rất nhiều công trình nghiên cứu về quá trình xoáy lốc và phun nhiên liệu trên động cơ Diesel ngày nay để giảm thiểu đáng kể các chất độc hại trong khí xả. Mehta và Tamma (1998) và Fuchs và Rutland (1998) kết luận rằng tăng xoáy lốc chỉ mang lại lợi ích một mức độ nhất định. Fuchs và Rutland sử dụng Kiva-II và Kiva-3 chỉ ra rằng tỷ lệ xoáy lốc quá cao có thể ảnh hưởng xấu đến hòa trộn, muội than có thể giảm khi xoáy lốc tăng trong khi NO tăng khi xoáy lốc tăng, một mô hình đa chiều (Magi, 1987) được sử dụng để nghiên cứu này, Weaver và nhóm tác giả đã chỉ ra rằng khi giảm góc phun sớm sẽ làm cho lượng NOx trong khí xả giảm. Nhưng vấn đề xảy ra khi nồng độ NOx giảm thì lượng bồ hóng lại tăng (Weaver và nhóm tác giả,1994). Điều này cũng đã được chứng minh qua rất nhiều công trình nghiên cứu khác, chẳng hạn như nghiên cứu về tác động của áp suất phun kết hợp phun tách (Okude và nhóm tác giả, 2007), ảnh hưởng của thời điểm phun và tuần hoàn khí xả (Miyamoto và nhóm tác giả 1999) hoặc nghiên cứu ảnh hưởng của xoáy lốc dòng khí nạp trên động cơ Diesel phun trực tiếp cũng nhằm mục đích giảm ô nhiễm khí xả và nâng cao công suất động cơ. Hệ thống nhiên liệu “Common Rail” ra đời để tối ưu hóa quá trình phun nhiên liệu với áp suất phun tạo ra cao sẽ làm cho nồng độ bồ hóng giảm vì điều này giúp cải thiện cho quá trình phân rã hạt nhân, bay hơi và hòa trộn với không khí của tia nhiên liệu (Flaig và nhóm tác giả, 1999). Tuy nhiên, như đã trình bày ở trên, áp suất phun tăng lại làm cho nồng độ NOx tăng theo, nguyên nhân do nhiệt độ cháy cao và các vùng không khí HVTH: Nguyễn Minh Thích 1 CBHD: TS. Nguyễn Lê Duy Khải
17. LVThS – Đánh giá ảnh hưởng của xoáy lốc và phun nhiên liệu nhiều lần đến công suất và khí thải của động cơ Diesel bằng mô phỏng giàu ôxi xung quanh điểm lửa gây ra (Gunabalan và nhóm tác giả, 2010). Việc kết hợp của hệ thống tuần hoàn khí xả (EGR) và hiệu chỉnh góc phun sớm trên động cơ Diesel có thể giảm được NOx nhưng lại làm tăng lượng bồ hóng phát thải (Han và nhóm tác giả, 1996). Hoặc kết hợp giữa kỹ thuật phun tách và EGR (Mingfa và nhóm tác giả, 2009) hay kết hợp ưu điểm của hệ thống “Common rail” với EGR (Millo và nhóm tác giả, 2009) có thể cải thiện công suất động cơ và giảm ô nhiễm nhưng NOx và bồ hóng luôn luôn có sự xuất hiện trái ngược nhau trong khí xả động cơ Diesel. 1.2 . Lý do chọn đề tài Do hiệu suất nhiệt của động cơ Diesel cao hơn những dòng động cơ khác nên chúng được ứng dụng rộng rãi trên các phương tiện vận tải, đặc biệt là vận tải hàng hóa, chẳng hạn như: ôtô khách, ôtô tải, xe lửa, tàu thủy Chính vì lý do này, thị trường động cơ Diesel ngày càng phát triển, không chỉ ở riêng Việt Nam mà cả những thị trường khó tính trên thế giới. Với một nền công nghiệp phát triển, chắc hẳn không thể thiếu việc vận chuyển sản phẩm, hàng hóa từ nơi này sang nơi khác. Từ đó, dòng động cơ Diesel cũng phát triển theo. Nhưng kèm theo đó vấn đề ô nhiễm môi trường mà động cơ đem lại tác động mạnh đến môi trường con người. Động cơ Diesel chuyển đổi năng lượng hóa học thành năng lượng cơ học. Gasoil là hỗn hợp của các hydrocarbure mà trong quá trình cháy lý tưởng, nó chỉ sinh ra CO2 và H2O. Trong thực tế người ta quan sát thấy một vài sản phẩm khí và rắn khác. Điều này liên quan một phần đến sự có mặt của các tạp chất chứa trong các HC (như các hợp chất chứa lưu huỳnh), và mặt khác liên quan đến sự phức tạp của các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình cháy. HVTH: Nguyễn Minh Thích 2 CBHD: TS. Nguyễn Lê Duy Khải
18. LVThS – Đánh giá ảnh hưởng của xoáy lốc và phun nhiên liệu nhiều lần đến công suất và khí thải của động cơ Diesel bằng mô phỏng Bảng 1.1: Thành phần điển hình của khí thải động cơ Diesel Thành phần khí thải Các thông số CO2 2 – 12% H2O 2- 12% O2 3-17% NOX 50- 1000 ppm HC 20 – 300 ppm CO 10- 500 ppm SO2 10-30 ppm N2O ≈3 ppm Quá trình cháy lý tưởng của hỗn hợp hydrocarbure với không khí chỉ sinh ra CO2, H2O và N2. Tuy nhiên, do sự không đồng nhất của hỗn hợp một cách lí tưởng cũng như do tính chất phức tạp của các hiện tượng lí hóa diễn ra trong quá trình cháy nên trong khí xả động cơ đốt trong luôn có một hàm lượng đáng kể những chất độc hại như oxit nitơ (NO, NO2, N2O, gọi chung là NOx), monoxit carbon (CO), các hydrocarbure chưa cháy (HC) và các hạt rắn, đặc biệt là bồ hóng. Nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả phụ thuộc vào loại động cơ và chế độ vận hành. Ở động cơ diesel, nồng độ CO rất bé, chiếm tỉ lệ không đáng kể, nồng độ HC chỉ bằng khoảng 20% nồng độ HC của động cơ xăng còn nồng độ NOx của hai động cơ có giá trị tương đương nhau. Trái lại, bồ hóng là chất ô nhiễm quan trọng trong khí xả động cơ diesel, nhưng hàm lượng của nó không đáng kể trong khí xả động cơ xăng. Những tạp chất, đặt biệt là lưu huỳnh, và các chất phụ gia trong nhiên liệu cũng có ảnh hưởng đến thành phần các chất ô nhiễm trong sản phẩm cháy. Thành phần lưu huỳnh có thể lên đến 0,5% đối với dầu diesel. Trong quá trình cháy, lưu huỳnh bị oxy hoá thành SO2, sau đó một bộ phận SO2 bị oxy hoá tiếp thành SO3, chất có thể kết hợp với nước để tạo ra H2SO4. Nhiệt độ cực đại của quá trình cháy cũng là một nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến thành phần các chất ô nhiễm vì nó ảnh hưởng mạnh đến động học phản ứng, đặt biệt là các phản ứng tạo NOx và bồ hóng. HVTH: Nguyễn Minh Thích 3 CBHD: TS. Nguyễn Lê Duy Khải
19. LVThS – Đánh giá ảnh hưởng của xoáy lốc và phun nhiên liệu nhiều lần đến công suất và khí thải của động cơ Diesel bằng mô phỏng Nói chung tất cả thông số kết cấu hay vận hành nào của động cơ có tác động đến thành phần hỗn hợp và nhiệt độ cháy đều gây ảnh hưởng trực tiếp hay gián tiếp đến sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí xả. 1.2.1. Tác hại của các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 1.2.1.1. Tác hại sức khỏe con ngƣời. CO: Monoxit carbon là sản phẩm khí không màu, không mùi, không vị, sinh ra do oxy hóa không hoàn toàn carbon trong nhiên liệu trong điều kiện thiếu oxi. CO ngăn cản sự dịch chuyển của hồng cầu trong máu làm cho các bộ phận của cơ thể bị thiếu oxi. Nạn nhân bị tử vong khi 70% số hồng cầu bị khống chế (khi nồng độ CO trong không khí lớn hơn 1000 ppm). Ở nồng độ thấp hơn, CO cũng có thể gây nguy hiểm lâu dài đối với con người: khi 20% hồng cầu bị khống chế, nạn nhân bị nhức đầu, chóng mặt, buồn nôn và khi tỷ số này lên đến 50%, não bộ con người bắt đầu bị ảnh hưởng mạnh. NOx: NOx là họ các oxit nitơ, trong đó NO chiếm đại bộ phận. NOx được hình o thành do N2 tác dụng với O2 ở điều kiện nhiệt độ cao (vượt quá 1100 C). Monoxit nitơ (x=1) không nguy hiểm mấy, nhưng nó là cơ sở để tạo ra dioxit nitơ (x=2). NO2 là chất khí màu hơi hồng, có mùi, khứu giác có thể phát hiện khi nồng độ của nó trong không khí đạt khoảng 0,12 ppm. NO2 là chất khó hòa tan, do đó nó có thể theo đường hô hấp đi sâu vào phổi gây viêm và làm hủy hoại các tế bào của cơ quan hô hấp. Nạn nhân bị mất ngủ, ho, khó thở. Protoxit nitơ N2O là chất cơ sở tạo ra ozone ở hạ tầng khí quyển. Hydocarbure: Hydocarbure (HC) có mặt trong khí thải do quá trình cháy không hoàn toàn khi hỗn hợp giàu, hoặc do hiện tượng cháy không bình thường. Chúng gây tác hại đến sức khỏe con người chủ yếu là do các hydrocarbure thơm. Từ lâu người ta đã xác định được vai trò của benzen trong căn bệnh ung thư máu (leucemie) khi nồng độ của nó lớn hơn 40 ppm hoặc gây rối loạn hệ thần kinh khi nồng độ lớn hơn 1 g/m3, đôi khi nó là nguyên nhân gây các bệnh về gan. SO2: Oxit lưu huỳnh là một chất háu nước, vì vậy nó rất dể hòa tan vào nước mũi, bị oxy hóa thành H2SO4 và muối amonium rồi đi theo đường hô hấp vào sâu trong phổi. HVTH: Nguyễn Minh Thích 4 CBHD: TS. Nguyễn Lê Duy Khải
20. LVThS – Đánh giá ảnh hưởng của xoáy lốc và phun nhiên liệu nhiều lần đến công suất và khí thải của động cơ Diesel bằng mô phỏng Mặt khác, SO2 làm giảm khả năng đề kháng của cơ thể và làm tăng cường độ tác hại của các chất ô nhiễm khác đối với nạn nhân. Bồ hóng: Bồ hóng là chất ô nhiễm đặc biệt quan trọng trong khí xả động cơ diesel. Nó tồn tại dưới dạng những hạt rắn có đường kính trung bình khoảng 0,3  m nên rất dễ xâm nhập sâu vào phổi. Sự nguy hiểm của bồ hóng, ngoài việc gây trở ngại cho cơ quan hô hấp như bất kỳ một tạp chất cơ học nào khác có mặt trong không khí, nó còn là nguyên nhân gây ra bệnh ung thư do các hydrocarbure thơm mạch vòng (HAP) hấp thụ trên bề mặt của chúng trong quá trình hình thành. Chì: Chì có mặt trong khí xả do Thetraetyl chì Pb(C2H5)4 được pha vào xăng để tăng tính chống kích nổ của nhiên liệu. Sự pha trộn chất phụ gia này vào xăng hiện nay vẫn còn là đề tài bàn cãi của giới khoa học. Chì trong khí xả động cơ tồn tại dưới dạng những hạt có đường kính cực bé nên rất dễ xâm nhập vào cơ thể qua da hoặc theo đường hô hấp. Khi đã vào được trong cơ thể, khoảng từ 30% đến 40% lượng chì này đi vào máu. Sự hiện diện của chì gây xáo trộn sự trao đổi ion ở não, gây trở ngại cho sự tổng hợp enzyme để hình thành hồng cầu, và đặc biệt hơn nữa, nó tác động lên hệ thần kinh làm trẻ em chậm phát triển trí tuệ. Chì bắt đầu gây nguy hiểm đối với con người khi nồng độ của nó trong máu vượt quá 200 đến 250g/lít. 1.2.1.2. Tác hại môi trƣờng. Ảnh hƣởng nhiệt độ khí quyển. Trong số những chất khí gây hiệu ứng nhà kính, người ta quan tâm đến khí carbonic CO2 vì nó là thành phần chính trong sản phẩm cháy của nhiên liệu có chứa thành phần carbon. Việc tăng nhiệt độ bầu khí quyển do sự có mặt của các chất khí gây hiệu ứng nhà kính có thể được giải thích: Trái đất nhận năng lượng từ mặt trời và bức xạ lại ra không gian một phần nhiệt lượng mà nó nhận được. Bức xạ mặt trời đạt cực đại trong vùng ánh sáng thấy được (có bước sóng trong khoảng 0,4-0,73m) còn bức xạ cực đại của vỏ trái đất nằm trong vùng hồng ngoại (7-15m). HVTH: Nguyễn Minh Thích 5 CBHD: TS. Nguyễn Lê Duy Khải