Kỷ yếu Hội thảo khoa học cấp Trường 2022 Tiểu ban Khoa học hàng hải Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Nhiệt Độ Khí Cháy Đến Độc Tố Khí Thải NOx Trên Động Cơ Diesel GM Motori HRM494 Hoàng Văn Sĩ Viện Hàng hải Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam si.hoang@ut.edu.vn Lê Văn Đồng Viện Hàng hải Trường Đại học Giao thơng vận tải Thành phố Hồ Chí Minh Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam dong.le@ut.edu.vn Tóm tắt-Bài báo trình bày số kết nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ khí cháy thuộc động diesel đến nồng độ phát thải NOx động diesel GM Motori HRM494, lắp đặt Phòng thực hành máy Viện Hàng hải Trường Đại học Giao thơng vận tải Thành phố Hồ Chí Minh Trên sở kết nghiên cứu, lựa chọn dãy vòng quay thích hợp để khai thác hiệu nhằm làm giảm nhiễm mơi trường Từ khóa-Độc tố khí thải, nhiệt độ khí xả, động diesel, Diesel RK I GIỚI THIỆU Nghiên cứu trình cháy bên động diesel vấn đề quan tâm nhằm xác định diễn biến trình biến đổi áp suất, nhiệt độ, biến đổi lượng, tính kinh tế [1], [2] Các nghiên cứu nhiệt độ khí cháy ảnh hưởng đến thành phần khí thải, gây thủng tầng ozon [3] Đặc biệt xác định mức độ ảnh hưởng nhiệt độ khí cháy đến độc tố khí thải oxit nitơ NOx, oxit lưu huỳnh SOx, carbon monoxit CO, carbon dioxit CO2, hydro carbon HC, mụi (Soot, PM) nhiều tổ chức nhà khoa học nghiên cứu [4], [5], qua Tổ chức Hàng hải Quốc tế (IMO) đề cập phụ lục VI ngăn ngừa nhiễm khí thải từ tàu thuộc Công ước quốc tế ngăn ngừa ô nhiễm biển từ tàu (MAPPOL 73/78) [6] Do diễn biến trình biến đổi nhiệt động diesel phức tạp, chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố bên bên động làm cho việc xác định mức độ ảnh hưởng nhiệt độ khí xả đến hàm lượng NOx, bụi có khí thải từ động diesel gặp nhiều khó khăn Tuy nhiên, nhờ tiến khoa học công nghệ nay, có nhiều cơng cụ tính tốn, mơ trình cháy bên buồng đốt động diesel Diesel – RK, GT-Power, AVL Boost, Ricardo Wave,… Trong phần mềm liệt kê trên, nhóm tác giả chọn phần mềm Diesel RK [7] để nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ khí cháy Tc đến độc tố khí thải NOx, mụi Vì phần mềm có nhiều ưu điểm xây dựng mơ hình động cách khai báo thông số động trực tiếp, thay đổi tham số mơ hình theo chủng loại động cách dễ dàng Chính vậy, Diesel RK cho phép xác định tương đối xác động lực học q trình cháy hình thành chất nhiễm động diesel Điểm mạnh phần mềm cho nhiều kết như: Mơ q trình hoạt động động – thông số động lực học động cơ; Mơ q trình cháy đa vùng; Mơ hệ thống nạp, xả; Mô hệ thống tăng áp; Mô động nhiều loại nhiên liệu khác nhau: HFO, DO, LPG, NGV, xăng, ethanol, biodiesel,…; Mô chế độ khai thác khác nhau; Kết hợp với phần mềm khác thiết kế tính tốn động II CÁC QUY ĐỊNH CỦA IMO LIÊN QUAN ĐẾN ĐỘC TỐ KHÍ THẢI NOX Các độc tố khí thải có xu hướng gia tăng đáng kể trở thành vấn nạn cộng đồng, cần nhắc đến ngành công nghiệp vận tải Những độc tố khí xả động diesel tàu thủy bao gồm nitơ, oxy, carbon dioxit (CO2), carbon monoxit (CO), hydocarbon (HC), oxit lưu huỳnh (SOx), oxit nitơ (NOx), khói bụi gây hại cho sinh vật, môi trường sức khỏe nhân loại Tháng 10/2008, Hội đồng Bảo vệ môi trường hàng hải (MEPC) IMO chấp nhận bổ sung phụ lục VI áp dụng từ ngày 01/07/2010 theo bảng giới hạn NOx, trình bày bảng [6] 200 Hoàng Văn Sĩ, Lê Văn Đồng BẢNG I QUY ĐỊNH GIỚI HẠN NOX Giới hạn NOx Ngày hiệu lực Giá trị NOx (g/kWh) Đối với động lắp TIER I 01/01/2000 17 TIER II 01/01/2011 14.4 TIER III (Áp dụng cho khu vực có kiểm sốt độc tố khí thải-ECAs) 01/01/2016 3.4 Đối với động cũ lắp từ 01/1990-01/2000 có cơng suất 5000 kW 12 tháng khí quyền báo IMO TIER I Theo bảng I, IMO có quy định nhằm bảo vệ môi trường hàng hải cụ thể sau: so với TIER I, mức giảm đạt sử dụng hệ thống xử lý khí thải thứ cấp lắp động Giới hạn độc tố NOx theo tốc độ động cơ; III XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG CƠ DIESEL GM MOTORI HRM494 BẰNG PHẦN MỀM DIESEL RK Các tàu đóng từ năm 2000 đến cuối năm 2010 phải tuân thủ theo Tier I; Hiệu lực tiêu chuẩn khí thải IMO TIER II thức từ ngày 01/01/2011 áp dụng cho tất động thủy có cơng suất 130 kW lắp đặt xuống tàu; Mức độc tố NOx IMO TIER II tương ứng với mức giảm 20% so với TIER I, mức giảm đạt với tối ưu hóa động cơ; Tiêu chuẩn khí thải IMO TIER III có hiệu lực áp dụng từ ngày 01/01/2016 Tiêu chuẩn áp dụng cho tất động có cơng suất 130 kW lắp xuống tàu với vùng hoạt động kiểm soát khí thải (ECAs), mức phát thải tương ứng giảm đến 80% 17 A Đối tượng nghiên cứu Hệ thống động lực diesel lai hệ thống phanh thủy lực hãng Giacomo – Ý trang bị Phòng thực hành máy thuộc Viện Hàng hải - Trường Đại học Giao thơng vận tải Thành phố Hồ Chí Minh với chức đo giám sát thông số áp suất cháy cực đại, moment xoắn nhiều thông số khác động diesel Hệ thống phanh đo thủy lực lai động diesel Hãng GM Motori Model HRM494, điều khiển tăng giảm tải tay quay thay đổi đóng mở đĩa nhằm thay đổi lượng nước vào phanh tương ứng với tải Thông số kỹ thuật động HRM494 mô tả bảng II BẢNG II THÔNG SỐ ĐỘNG CƠ GM MOTORI HRM494 Đơn vị Thông số Giá trị Hãng/Model GM Motor / HRM494 Loại động Động 04 kỳ, 04 xi lanh (cylinder) thẳng hàng Đường kính x hành trình (DxS) Mm 94 100 Thể tích xi lanh cm3 2776 Công suất cực đại @ v/p KW/rpm 103/3000 Tỷ số nén 15 Xupap (poppet) nạp Cái Xupap xả Cái Nhiên liệu sử dụng Diesel Oil Đường kính lỗ phun mm 0,248 Số lỗ phun Lỗ 201 Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ khí cháy đến độc tố khí thải NOx động diesel GM Motori HRM494 Đơn vị Thông số Giá trị Hệ thống đốt nhiên liệu Phun trực tiếp Thứ tự nổ 1-3-4-2 IV MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ GM MOTORI HRM494 Xây dựng mơ hình động GM Motori HRM494 phần mềm Diesel RK dựa theo thông số động module cấu hình chung (hình 1), buồng đốt – hệ thống cấp nhiên liệu (hình 2), cấu trao đổi khí (hình 3), thuộc tính nhiên liệu sử dụng (hình 4), kết cấu kiểu loại tăng áp chế độ cơng tác,… Hình Cấu hình chung động HRM494 Hình Buồng đốt, hệ thống nhiên liệu 202 Hoàng Văn Sĩ, Lê Văn Đồng Hình Cơ cấu trao đổi khí Hình Cơ cấu trao đổi khí V KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Đồ thị cơng thị (P: Áp suất- : Góc quay trục khuỷu) (T: Nhiệt độ - : Góc quay trục khuỷu) mô qua phần mềm Diesel RK kết hình hình gần quy luật nhiều cơng trình nghiên cứu chun ngành trước Hình Đồ thị cơng thị P- Hình Đồ thị nhiệt T- 203 Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ khí cháy đến độc tố khí thải NOx động diesel GM Motori HRM494 Độc tố khí thải NOx tăng theo góc quay trục khuỷu quy luật đạt giá trị cực đại 2600 ppm 370ogqtk tương ứng với nhiệt độ khí thải 23000K kỳ cháy giãn nở (hình 7) Hình Nồng độ NOx – thay đổi vịng quay động (thay đổi Tc) VI KẾT LUẬN Hình Đồ thị NOx - Theo kết mô (hình 8) nhiệt độ khí nén buồng đốt động q trình nén gần khơng thay đổi đáng kể thay đổi vòng quay động Tuy nhiên, giai đoạn cháy giãn nở, nhiệt độ khí cháy bắt đầu có thay đổi, điều ảnh hưởng đến chế hình thành độc tố khí thải Qua nghiên cứu đồ thị đặc tính động diesel HRM494 trên, nồng độ NOx phụ thuộc trực tiếp vào lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình, nên tăng lượng cấp nhiên liệu, đồng nghĩa việc tăng vòng quay động cơ, làm cho áp suất cháy Pc tăng, dẫn đến tăng nhiệt độ khí cháy Tc, làm cho nồng độ NOx tăng Tuy nhiên, nồng độ NOx khơng tăng tuyến tính theo nhiệt độ mà tùy thuộc vào dãy nhiệt độ khác nhau, hàm lượng độc tố khí thải có giá trị khác Chính thế, người vận hành cần xác định dãy vịng quay phù hợp để khai thác nhằm giảm thiểu ô nhiễm mơi trường khí thải động diesel gây ra, việc cần thiết Trong khuôn khổ nghiên cứu, báo chưa trình bày nội dung ảnh hưởng nhiệt độ khí thải đến độc tố khác SOx, CO, CO2, HC….Các vấn đề này, nhóm tác giả đề cập nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] H V Sĩ, L V Vang, “Động diesel tàu thủy 2,” trường Đại học Giao thơng vận tải Thành phố Hồ Chí Minh, Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam, 2021 Hình Đồ thị Tc - thay đổi vòng quay động Khi thay đổi vòng quay động từ 700 vịng/phút đến 2500 vịng/phút, giá trị độc tố khí thải thay đổi theo xu hướng với mức độ tăng dần đạt giá trị khác góc quay trục khuỷu khác nhau, dãy vòng quay khảo sát, chế độ vòng quay 2500 vòng/phút, giá trị NOx lớn (xấp xỉ 4000 ppm) Trong với vịng quay 700 vịng/phút, giá trị NOx khơng mức thấp nhất, điều có nghĩa mức độ độc tố NOx phụ thuộc lớn vào tốc độ động cơ, nhiệt độ khí cháy thay đổi giá trị độc tố thay đổi đáng kể (hình 9) [2] J B Heywood, “Internal Combustion Engine Fundamentals”, 2nd Edition, NY, USA: McGraw Hill Book Co., 1988 [3] T Kuwahara, et al., “Effect of Exhaust Gas Temperature on Oxidation of Marine Diesel Emission Particulates with Nonthermal-Plasma-Induced Ozone,” Taylor & Francis Online, vol 37, no 6, 2015 DOI:10.1080/01919512.2015.1060881 204 V Kumbhar, A Pandey, A Varghese, “Effect of fuel injection nozzle hole diameter on Emissions of CAT 3401 Diessel Engine Using CONVERGETM CFD code”, International Journal of Engineering and Advanced Technology, vol.8, issue 6, pp 927-932 2019 DOI:10.35940/ijeat.f8231.088619 Hoàng Văn Sĩ, Lê Văn Đồng [4] A Rhaodad, A Khalid, N Sharifhatul, A Sapit, N Jaat, “The effect of nozzle diameter, injection pressure and ambient temperature on spray characteristics in diesel engine,” Journal of Physics, vol 822, no 1, 2017 DOI:10.1088/1742-6596/822/1/012039 [5] IMO, “Prevention of Air Pollution from Ships,” MARPOL VI, 2019 Available: https://www.imo.org/ en/OurWork/Environment/Pages/Air-Pollution.aspx? zarsrc=30&utm_source=zalo&utm_medium=zalo&ut m_campaign=zalo Accessed on: 8/3/2022 [6] DIESEL-RK, “DIESEL-RK is an engine simulation tool” Available: https://diesel-rk.bmstu.ru/Eng/index phphttps://diesel-rk.bmstu.ru/Diesel RK Accessed on: 8/3/2022 205 ... nhiều cơng trình nghiên cứu chun ngành trước Hình Đồ thị cơng thị P- Hình Đồ thị nhiệt T- 203 Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ khí cháy đến độc tố khí thải NOx động diesel GM Motori HRM494 Độc tố khí. .. xả Cái Nhiên liệu sử dụng Diesel Oil Đường kính lỗ phun mm 0,248 Số lỗ phun Lỗ 201 Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ khí cháy đến độc tố khí thải NOx động diesel GM Motori HRM494 Đơn vị Thông số Giá... thống xử lý khí thải thứ cấp lắp động Giới hạn độc tố NOx theo tốc độ động cơ; III XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG CƠ DIESEL GM MOTORI HRM494 BẰNG PHẦN MỀM DIESEL RK Các tàu đóng từ năm 2000 đến cuối