Nghiên cứu mô hình hoá giải pháp giảm phát thải NOx trên động cơ diesel thế hệ cũ bằng khí giàu ni tơ

Bài viết Nghiên cứu mô hình hoá giải pháp giảm phát thải NOx trên động cơ diesel thế hệ cũ bằng khí giàu ni tơ trình bày kết quả nghiên cứu mô phỏng giảm phát thải NOx trên động cơ diesel thế hệ cũ sử dụng hỗn hợp khí giàu ni tơ NEA (Nitrogen Enriched Air). Khí giàu ni tơ NEA được cung cấp vào động cơ bằng cách bố trí một vòi phun khí ni tơ trên đường nạp, phía sau két làm mát khí tăng áp trước khi vào động cơ.

BÀI BÁO KHOA HỌC NGHIÊN CỨU MƠ HÌNH HỐ GIẢI PHÁP GIẢM PHÁT THẢI NOx TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL THẾ HỆ CŨ BẰNG KHÍ GIÀU NI TƠ Nguyễn Thanh Bình1, Nguyễn Trung Kiên1, Trịnh Xuân Phong1, Nguyễn Đức Khánh2 Tóm tắt: Bài báo trình bày kết nghiên cứu mô giảm phát thải NOx động diesel hệ cũ sử dụng hỗn hợp khí giàu ni tơ NEA (Nitrogen Enriched Air) Khí giàu ni tơ NEA cung cấp vào động cách bố trí vịi phun khí ni tơ đường nạp, phía sau két làm mát khí tăng áp trước vào động Lưu lượng khí ni tơ phun vào đường nạp điều chỉnh để đạt tỷ lệ khối lượng ni tơ khơng khí nạp lớn 77 % Kết nghiên cứu cho thấy, sử dụng khí giàu ni tơ vùng tải vừa nhỏ có khả giảm thiểu tốt phát thải độc hại NOx Trong đó, cơng suất động không bị ảnh hưởng với tỷ lệ cung cấp ni tơ nhỏ 80% Các thành phần phát thải độc hại khác động CO soot có xu hướng giảm số chế độ làm việc Có thể thấy, việc sử dụng khí giàu ni tơ giải pháp hiệu để giảm phát thải NOx mà không gây ảnh hưởng nhiều tới tính kỹ thuật thành phần phát thải khác động Từ khóa: Phát thải động diesel, giảm thiểu NOx, NEA GIỚI THIỆU CHUNG * Phát thải ô xit ni tơ (NOx) thành phần phát thải độc hại động diesel NOx sản phẩm q trình xy hóa ni tơ điều kiện nhiệt độ cao Nhiều công nghệ liên quan tới động áp dụng để giảm NOx Trong đó, ln hồi khí thải EGR (Exhaust Gas Recirculation) biện pháp hữu hiệu để giảm hình thành NOx động diesel Tuy nhiên, giải pháp EGR có nhiều nhược điểm như: khí nạp bẩn chất thải dạng hạt khí thải luân hồi, tuổi thọ độ bền động giảm ảnh hưởng axit, khí ln hồi có nhiệt độ cao giảm hệ số nạp động làm việc ổn định, dao động chu kỳ lớn Ngoài ra, thực luân hồi khí thải làm tăng hàm lượng phát thải dạng hạt PM (Paticulate Matter) khói đen, đặc biệt chế độ tải lớn (Ladommatos et al 1996; Kreso et al 1998) Ngoài ra, thực thiện ln hồi khí thải cịn ảnh Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định Khoa Cơ khí Động lực, Trường Cơ khí, Đại học Bách Khoa Hà Nội hưởng đến chất lượng dầu bôi trơn (Leet, Matheausand Dickey 1998) gây mài mòn piston, xylanh, giảm độ bền tuổi thọ động (Dennis, Garner and Taylor 1999; Nagai et al 1983; Nagaki and Korematsu 1995) Một số giải pháp khác nghiên cứu để giảm thiểu NOx khắc phục nhược điểm tồn phương pháp EGR Các nhà nghiên cứu tập trung đánh giá ảnh hưởng tỷ lệ ơxy/ni tơ khí nạp tới trình hình thành phát thải NOx động (Plee, Ahmad and Myers 1981; Röpke, Schweimer, and Strauss 1995; Lapuerta, Salavert, and Doménech 1995; Li et al 1997) Các nghiên cứu hàm lượng ni tơ khí nạp có ảnh hưởng lớn tới hình thành phát thải NOx Olikara Borman (1975) thực nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng hàm lượng ni tơ khí nạp đến nhiệt độ đoạn nhiệt lửa Kết nghiên cứu thể Hình cho thấy nhiệt độ đoạn nhiệt lửa giảm mạnh hàm lượng ni tơ khí nạp tăng lên tỷ lệ khơng khí nhiên liệu A/F (Air/Fuel) Cụ thể, KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 78 (3/2022) hàm lượng ni tơ khí nạp tăng từ 79% đến 83% nhiệt độ lửa giảm khoảng 250K Hình Quan hệ nhiệt độ lửa nồng độ ni tơ Sử dụng khí nạp với hàm lượng ni tơ cao hay gọi khí giàu ni tơ NEA (Nitrogen Enriched Air) khắc phục nhược điểm phương pháp EGR Những ưu điểm kể đến phương pháp dùng khí NEA như: khí nạp nên không ảnh hưởng tới tuổi thọ độ bền động cơ; khí nạp khơng bị gia nhiệt nên không làm giảm hệ số nạp; động làm việc ổn định Tuy nhiên, để áp dụng phương pháp này, cần có thiết bị tách khơng khí đặc biệt lắp đường nạp Điều gây tổn thất lưu lượng áp suất khí nạp làm hệ thống nạp trở lên phức tạp Nhiều nghiên cứu tạo khí NEA để cung cấp cho động thực hiện, kể đến nghiên cứu Poola cộng (Poola et al 1998) Nguyên lý hoạt động ống tách khí thể Hình Khơng khí Khơng khí Hình Ngun lý làm việc ống tách khí Như thể Hình 2, khơng khí có áp suất cao qua ống, chênh lệch áp suất bên bên ống làm cho phân tử nặng ô xy, CO nước ưu tiên qua thành ống ngồi mơi trường cịn ni tơ di chuyển dọc theo màng lọc đến đầu ống tách khí Đầu ống tách khí khơng khí làm giàu ni tơ Bộ tạo khí NEA lắp trực tiếp đường nạp để cung cấp khí nạp cho động Màng tách khí dạng ống hoạt động độ chênh áp suất trước sau ống nhỏ hiệu suất làm giàu ni tơ cao Với mục đích làm rõ ảnh hưởng khí giàu ni tơ tới thành phần phát thải NO x động diesel hệ cũ, nhóm tác giả thực nghiên cứu cơng cụ mơ Trong đó, mơ hình mơ chiều xây dựng phần mềm mô nhiệt động học AVL Boost Phầm mềm AVL Boost sử dụng rộng rãi nghiên cứu lý thuyết chu trình nhiệt động học động Phần mềm cho phép tính tốn mơ chu trình làm việc động dự đoán hàm lượng thành phần phát thải độc hại Quá trình nghiên cứu mô thực đối tượng động diesel D1146Ti Đây loại động diesel hệ cũ, khơng trang bị hệ thống xử lý khí thải hàm lượng phát thải độc hại cao, đặc biệt NOx khói đen Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng tỷ lệ ni tơ khí nạp tới thơng số kỹ thuật phát thải độc hại động Những kết nghiên cứu sở để thực giải pháp giảm thiểu phát thải độc hại từ động diesel hệ cũ lưu hành Việt Nam NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Xây dựng mơ hình mơ Đối tượng nghiên cứu động diesel hệ cũ D1146Ti Đây động tăng áp tua bin máy nén, sử dụng hệ thống nhiên liệu khí khơng trang bị hệ thống xử lý khí thải Các thông số động thể Bảng Dựa KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MƠI TRƯỜNG - SỐ 78 (3/2022) thơng số kỹ thuật nhà sản xuất thông số đo đạc động thực tế, mơ hình động xây dựng AVL Boost thể Hình Bảng Các thơng số động D1146Ti TT Thông số Đơn vị D1146Ti xylanh thẳng hàng, tăng áp Cháy nén 111x139 154-2200 880-1600 16,7 Tên Số xylanh (-) Kiểu (-) Đường kính x hành trình (mm) Cơng suất định mức-tốc độ (kW-v/ph) Mơ men lớn nhất-tốc độ (Nm-v/ph) Tỷ số nén 2.2 Mô hình cháy Mơ hình tính tốn phát thải độc hại động sử dụng nghiên cứu mơ hình AVL MCC (Mixing Controll Combustion) Mơ hình MCC dự đốn tốc độ tỏa nhiệt tính tốn thành phần phát thải độc hại động diesel NOx, bồ hóng (soot) mơnơ xít cácbon (CO) Theo mơ hình MCC, tốc độ tỏa nhiệt xác định từ trình cháy đồng trình cháy khuếch tán theo phương trình 1: (1) 2007) Trong đó, thời gian cháy trễ αid tính từ thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu tới trình cháy diễn Tốc độ tỏa nhiệt giai đoạn cháy khuếch tán xác định hàm số lượng nhiên liệu (f1) mật độ lượng rối buồng cháy (f2) thể phương trình 4: (4) Hàm Viber sử dụng để xác định tốc độ tỏa nhiệt từ trình cháy hỗn hợp đồng thể phương trình 3: (2) cháy, Crate số tốc độ hòa trộn, k mật độ lượng rối, MF lượng nhiên liệu bay hơi, LHV nhiệt trị thấp nhiên liệu, Q lượng nhiệt tích lũy, V thể tích xylanh 2.3 Quy trình nghiên cứu Quy trình nghiên cứu thực theo bước sau đây:  Bước 1: Xây dựng mơ hình động D1146Ti ngun (Hình 3), tiến hành đánh giá độ xác cách so sánh số kết tính tốn mơ với kết đo đạc tiến hành hiệu chỉnh để mơ hình đạt độ tin cậy cần thiết  Bước 2: Tiến hành điều chỉnh lại kết cấu đường nạp động để có mơ hình động sử dụng khí giàu ni tơ thể Hình Phần tử I1 sử dụng để cung cấp (3) Trong đó: cháy đồng nhất, lượng nhiệt giai đoạn nhiệt giai đoạn cháy khuếch tán, α góc quay trục khuỷu (độ trục khuỷu), thời gian cháy đồng nhất, αid thời gian cháy trễ, m a hai hệ số xác định phương trình Vibe Quá trình cháy trễ mơ hình hóa theo phương pháp Arrhenius and Magnussen (Magnussen and Hjertager 1976, Chmela et al Trong đó: ; , CComb số KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MƠI TRƯỜNG - SỐ 78 (3/2022) khí ni tơ vào đường nạp động cơ, phía sau két làm mát khí nạp  Bước 3: Tiến hành mơ q trình làm việc động chế độ tốc độ 1000, 1600 2200 v/ph, tải thay đổi từ 25%, 50% 75% tương ứng lượng nhiên liệu cung cấp chu trình 22, 44 66 mg/chu trình Tỷ lệ ni tơ khí nạp điều chỉnh nhờ thay đổi lượng ni tơ cung cấp phần tử I1 I1 Hình Mơ hình động có vịi phun ni tơ Hình Mơ hình động D1146Ti ngun Ở chế độ làm việc động cơ, tỷ lệ ni tơ khí nạp x(%) xác định theo phương trình 5: (5) Trong đó, tổng lượng ni tơ nạp vào động (kg/h), mN2 lượng ni tơ cung cấp bổ sung vào đường nạp từ vịi phun I1(kg/h), mkk = mMP4 tổng lượng khơng khí nạp bao gồm ni tơ bổ sung (kg/h), mMP3 lượng khí nạp (kg/h) Những đại lượng mN2, mMP3, mMP4 xác định từ kết mô KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN 3.1 Đánh giá độ xác mơ hình Độ tin cậy mơ hình đánh giá cách so sánh kết mơ thí nghiệm thể Hình Sự sai lệch cơng suất mơ thực nghiệm 75% tải 50% tải thể Hình 5-a Ngồi ra, thành phần phát thải NO x, CO soot so sánh mơ thí nghiệm hai chế độ tốc độ 1600 v/ph (Hình 5-b) 2200 v/ph (Hình 5-c) ứng với tải 75% Kết so sánh mô thực nghiệm cho thấy công suất có giá trị sai lệch lớn -4,9% tốc độ 2200 v/ph, 50% tải Trong đó, mơ hình phát thải, giá trị sai lệch NO x 6,2% 7,8%, CO 3,7% 8,5%; soot 7,2% 5,7% tốc độ 1600 2200 v/ph (Khổng Vũ Quảng nnk 2012) Nhìn chung, kết mơ thí nghiệm có sai lệch mức độ cho phép với sai lệch lớn 8,5% Mơ hình sử dụng để thực tính tốn, nghiên cứu Hình thể diễn biến cơng suất có ích động theo tỷ lệ tỷ lệ ni tơ khí nạp chế độ tốc độ 1600 2200 v/ph, 75% tải Kết cho thấy, sử dụng NEA, cơng suất động có xu hướng cải thiện chế độ có tỷ lệ ni tơ nhỏ Khi tăng tỷ lệ ni tơ cơng suất động có xu hướng tăng nhẹ, khoảng 0,75% tốc độ 1600 vg/ph ứng với tỷ lệ ni tơ khoảng 80% Ở tốc độ 2200 v/p cơng suất có xu hướng tăng khoảng 0,5% ứng với tỷ lệ ni tơ từ 78% đến 80% Với tỷ lệ ni tơ lớn 80% cơng suất có xu hướng giảm Nguyên nhân ni tơ KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 78 (3/2022) khí trơ làm tăng nhiệt dung riêng mơi chất (khoảng ½ so với CO2), đồng thời lượng ôxy giảm (a) Ne (kW) 160 mạnh làm thay đổi cấu trúc lửa cháy thời gian cháy Mô 75% tải Thực nghiệm 75% tải Mô 50% tải Thực nghiệm 50% tải 120 80 40 1200 1400 1600 1800 Tốc độ (v/ph) 2000 2200 2.5 2.5 Mô Thực nghiệm 6.2% 2.0 COx100, NOx x1000 (ppm) soot (g/kWh) CO x100, NOx x1000 ( ppm) soot (g/kWh) 1000 1600 rpm, 66 mg/c 1.5 1.0 3.7% 7.2% 0.5 Mô Thực nghiệm 2.0 2200 rpm, 63 mg/c 1.5 7.8% 8.5% 1.0 5.7% 0.5 0.0 0.0 CO soot CO NOx soot NOx Hình So sánh thành phần phát thải chế độ tải 75% 3.2 Ảnh hưởng NEA tới công suất động 1.0 2200 v/ph 1600 v/ph Thay đổi Ne (%) 0.6 0.2 -0.2 77 78 79 80 81 82 83 độ cực đại buồng cháy giảm 320K hai tốc độ 1600 2200 v/ph Điều ảnh hưởng tới cơng suất động mà cịn ảnh hưởng mạnh tới diễn biến thành phần phát thải độc hại, đặc biệt phát thải NOx, mà nhiệt độ cháy yếu tố hình thành phát thải độc hại 84 3300 2200 v/ph 3250 1600 v/ph 3200 -0.6 -1.0 Tmax (K) 3150 Tỷ lệ ni tơ khí nạp (%) 3100 3050 3000 Hình Diễn biến cơng suất có ích theo tỷ lệ ni tơ khí nạp 2950 2900 2850 Sự thay đổi nhiệt dung riêng môi chất suy giảm hàm lượng ơxy làm giảm nhiệt độ q trình cháy thể Hình Khi tăng tỷ lệ ni tơ từ 77% đến 82% nhiệt 77 78 79 80 81 82 Tỷ lệ ni tơ khí nạp (%) 83 84 Hình Diễn biến nhiệt độ lớn buồng cháy theo tỷ lệ ni tơ khí nạp KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MƠI TRƯỜNG - SỐ 78 (3/2022) Hình cho thấy, khí giàu ni tơ có ảnh hưởng mạnh đến diến biến thành phần phát thải NOx Thành phần phát thải giảm mạnh mà nhiệt độ cháy nồng độ ô xy buồng cháy giảm tăng tỷ lệ ni tơ khí nạp 3.3 Ảnh hưởng NEA tới phát thải độc hại động Kết mơ ảnh hưởng khí giàu ni tơ đến thành phần phát thải độc hại NOx động thể Hình Các đồ thị 2250 50% tải 2000 25% tải 1750 y = -236.15x + 20159 R² = 0.976 NOx (ppm) 1500 1250 2500 2500 Tốc độ 1600 v/ph 2250 75% tải 2000 50% tải 2000 1750 25% tải 1750 y = -304.94x + 25641 R² = 0.9993 1500 y = -154.36x + 12997 R² = 0.9634 500 y = -186.56x + 15564 R² = 0.9997 750 500 y = -49.189x + 4081.7 R² = 0.9488 250 78 79 80 81 82 83 Tỷ lệ ni tơ khí nạp (%) 25% tải 1500 y = -291.7x + 24729 R² = 0.9995 750 y = -171.45x + 14525 R² = 0.9988 500 y = -55.216x + 4606.6 R² = 0.9928 250 77 50% tải 1000 1000 750 75% tải 1250 1250 1000 Tốc độ 2200 v/ph 2250 NOx (ppm) Tốc độ 1000 v/ph 75% tải NOx (ppm) 2500 250 y = -49.382x + 4315.7 R² = 0.9829 77 78 79 80 81 82 83 Tỷ lệ ni tơ khí nạp (%) 77 78 79 80 81 82 83 Tỷ lệ ni tơ khí nạp (%) Hình Phát thải NOx theo tỷ lệ ni tơ khí nạp Mối tương quan thành phần phát thải NO x tỷ lệ ni tơ khí nạp thể qua phương trình hồi quy tổng hợp bảng Các phương trình thể bảng xây dựng công cụ hồi quy tuyến tính Bảng Mối quan hệ NOx tỷ lệ ni tơ Tốc Tải (%) độ 25 (v/ph) 1000 y = -236,15x + 20159 y R² = 0,976 1600 = = = -291,7x + 24729 + 15564 y = -171,45x + 14525 R² = 0,9988 -55,216x R² = 0,9928 25641 y R² = 0,9995 -186,56x Cùng xu hướng với thành phần phát thải NO x , việc tăng tỷ lệ ni tơ có xu hướng làm giảm phần phát thải CO thể Hình Khi cung cấp ni tơ vào đường nạp có ảnh hưởng chiếm chỗ không + R² = 0,9997 y = -49,189x + 4081,7 y = R² = 0,9488 -304,94x 75 R² = 0,9993 y = -154,36x + 12997 y R² = 0,9634 2200 50 + 4606,6 y = -49,382x + 4315,7 R² = 0,9829 khí nạp mà khơng ảnh hưởng tới nhiệt độ khí nạp Đồng thời, mơi chất nạp đồng nên giảm thiểu vùng cháy thiếu ô xy cục sử dụng NEA với tỷ lệ ni tơ nhỏ (