Đồ án phân tích ảnh hưởng của quá trình cháy đến thành phần khí thải động cơ diesel kfull five

Giảm hệ số dư lượngkhông khí α đặc biệt ở chế độ quá tải, giảm góc phun sớm, chất lượng phun nhiênliệu kém, thay đổi loại nhiên liệu sử dụng, tăng số vòng quay và hàng loạt các yếu tốkhá

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 3

1.Tính thời sự của đề tài 3

2.Mục đích của đề tài 4

3.Nội dung chính của luận văn 4

4.Phương pháp nghiên cứu của đề tài 4

5.Phạm vi nghiên cứu của đề tài 4

6.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 5

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH CHÁY ĐẾN THÀNH PHẦN KHÍ THẢI TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL 7

1.1.QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL 7

1.1.1.Diễn biến quá trình cháy trong động cơ diesel 7

1.1.1.1.Giai đoạn chuẩn bị cháy 8

1.1.1.2.Giai đoạn tăng áp suất 8

1.1.1.3.Giai đoạn tăng nhiệt độ 9

1.1.1.4.Giai đoạn cháy rớt 9

1.1.2.Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy trong động cơ diesel 10

1.1.2.1.Các yếu tố ảnh hưởng đến giai đoạn chuẩn bị cháy 10

1.1.2.2.Các yếu tố ảnh hưởng đến các giai đoạn còn lại của quá trình cháy 12

1.1.3.Thành phần của khí xả động cơ diesel 13

1.1.4.Sự hình thành NOx trong động cơ 13

1.1.4.1.Sự hình thành mônôxit nitơ (NO) 15

1.1.4.2.Sự hình thành điôxit nitơ (NO2) 15

1.1.4.3.Sự hình thành Prôtôxit nitơ (N2O) 17

1.2.CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN THÀNH PHẦN KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ DIESEL .18

1.2.1.Ảnh hưởng của các yếu tố kết cấu động cơ 18

1.2.1.1.Ảnh hưởng của hình dạng buồng cháy 18

1.2.1.2.Ảnh hưởng của mức độ xoáy lốc 19

1.2.1.3.Ảnh hưởng của hệ thống tăng áp 20

1.2.2.Ảnh hưởng của các yếu tố khai thác động cơ 21

1.2.2.1.Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí 21

1.2.2.2.Ảnh hưởng của hồi lưu khí xả 22

1.2.2.3.Ảnh hưởng của việc cung cấp nhiên liệu 23

1.2.2.4.Ảnh hưởng của tính chất nhiên liệu 26

1.2.2.5.Ảnh hưởng của phụ tải và vòng quay động cơ 27

1.2.2.6.Ảnh hưởng của nhiệt độ khí cháy 28

1.2.2.7.Ảnh hưởng của các chế độ vận hành 28

1.3.CÁC BIỆN PHÁP GIẢM ĐỘC TỐ KHÍ XẢ CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL 29

1.3.1.Các nguyên tắc cơ bản để giảm thiểu độc tố khí xả động cơ diesel tàu thuỷ 29

1.3.2.Các phương pháp giảm thiểu độc tố khí xả 33

1.3.2.1.Phương pháp hoàn thiện kết cấu động cơ và điều chỉnh các thông số điều chỉnh 33 1.3.2.2.Phương pháp sử dụng phụ gia cho nhiên liệu, nhiên liệu sạch và hỗn hợp nhiên liệu 39

1.3.2.3.Phương pháp sử dụng chất trung hoà và hồi lưu khí xả 41

LỰA CHỌN CÔNG THỨC TÍNH VÀ CHƯƠNG TRÌNH TÍNH 47

2.1.CƠ SỞ ĐỂ TÍNH TOÁN NỒNG ĐỘ ĐỘC TỐ 47

2.2.LỰA CHỌN CÔNG THỨC TÍNH 51

2.2.1.Phương pháp tính toán nồng độ NOx theo mô hình cân bằng năng lượng 51

2.2.2.Phương pháp tính toán nồng độ NOx theo động học phản ứng 52

2.2.2.1.Phương pháp tính toán theo mô hình ZELDOVICH 52

2.2.2.2.Phương pháp tính toán theo mô hình ANNAND 52

2.3.THUẬT TOÁN 54

2.4.CHƯƠNG TRÌNH TÍNH 54

2.5.TÍNH TOÁN NOX CHO ĐỘNG CƠ MẪU 55

2.5.1.Giới thiệu động cơ 55

2.5.2.Kết quả tính 55

PHÂN TÍCH KẾT QUẢ VÀ ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP NHẰM HẠN CHẾ NỒNG ĐỘ ĐỘC TỐ TRONG KHÍ XẢ ĐỘNG CƠ DIESEL 58

3.1.PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 58

3.2.ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP HẠN CHẾ NỒNG ĐỘ ĐỘC TỐ TRONG KHÍ XẢ ĐỘNG CƠ DIESEL 59

3.2.1.Phương pháp thay đổi nhiên liệu dùng cho động cơ 59

3.2.2.Phương pháp tác động vào quá trình cháy 59

3.2.3.Phương pháp xử lý thông qua các thiết bị phía sau động cơ 59

Phụ lục 62

Tài liệu tham khảo 81

PHẦN MỞ ĐẦU

1.Tính thời sự của đề tài

Trên thế giới hiện nay, vấn đề môi trường đang là một trong những vấn đề cấpbách đối với toàn thể nhân loại Các thiên tai ngày nay phần lớn do con người tạo ranhư: thủng tầng ozôn, mưa axit, hiệu ứng nhà kính, các hiện tượng bất thường trong tựnhiên gây lụt lội, hạn hán … đã và đang tiếp tục xảy ra mà chính con người phải gánhchịu mọi hậu quả

Xuất phát từ thực trạng trên, tất cả các tổ chức trên thế giới trong đó có các cơquan bảo vệ môi trường đã ban hành và sửa đổi nhiều luật lệ, quy định, nghị định cụthể nhằm hạn chế sự phát sinh các chất ô nhiễm tới môi trường sống và bầu khí quyểnnói riêng đó là: các chất khí SOx, NOx, COx, HC thải ra phải được giảm đến mức thấpnhất ở các nước phát triển và hạn chế sự gia tăng ở các nước đang phát triển Việc thảicác chất khí gây hiệu ứng nhà kính cần phải được hạn chế hết sức ở những nước có thunhập cao và ngăn chặn sự phát sinh nguồn thải mới ở những nước có thu nhập thấp

Và các nhà chức trách vẫn lớn tiếng cảnh báo rằng: nếu các nhà chế tạo và người

sử dụng vẫn tiếp tục để khí thải từ các thiết bị sản xuất làm ô nhiễm môi trường nhưhiện nay mà không có giải pháp cụ thể nào ngăn chặn thì sẽ bị cấm sử dụng hoàn toàn

dù có phải chịu chấp nhận thiệt hại về kinh tế Nghĩa là không chỉ dừng lại ở mứckhuyến khích và đề nghị mà các cơ quan có thẩm quyền đã đến lúc phải dùng các biệnpháp cứng rắn hơn để cưỡng chế và bắt buộc thi hành luật định Điều này khiến chocác cơ sở sản xuất đã và đang sử dụng các loại động cơ đốt trong không thể làm ngơbởi họ cũng hiểu quá rõ tác hại của khí thải đối với môi trường

Trong tất cả các loại động cơ nhiệt sinh công thì động cơ diesel vẫn được ưachuộng nhất do nhiều tính năng ưu việt, đặc biệt là tính kinh tế của nó Tuy nhiên, nếunhững vấn đề liên quan đến mức độ phát sinh ô nhiễm từ khí xả của loại động cơ nàykhông được giải quyết một cách triệt để thì trong một tương lai gần nó sẽ phải đứngtrước ngưỡng giới hạn của luật môi trường ban hành từ nhiều cơ quan chức năng củahầu hết các quốc gia trên thế giới Điều này đồng nghĩa với việc: hoặc là những loạiđộng cơ này trên toàn thế giới sẽ bị cấm sử dụng hoặc bằng các giải pháp nào đó (kể

cả thay đổi nguyên lý cấu tạo hay quy trình khai thác) làm giảm bới đi hàm lượng độc

tố sinh ra từ động cơ

Ngày nay bằng nhiều biện pháp công nghệ, người ta đã sản xuất ra loại động cơmới có các thiết bị chống ô nhiễm hoặc thay thế nhiên liệu ít ô nhiễm hơn Tuy nhiên,

tỉ lệ động cơ mới này là quá ít và việc thay thế nhiên liệu không phải ở đâu hay bất cứđộng cơ nào cũng có thể áp dụng được Bởi vậy, cần phải tìm kiếm các giải pháp cóthể áp dụng để làm giảm nồng độ NOx và các chất độc hại ngay trong quá trình cháycủa động cơ diesel Một trong những giải pháp mà các hãng chế tạo động cơ dieseltrên thế giới hiện nay đang áp dụng mà có thể rút ngắn được quá trình thí nghiệm kiểmđịnh tính toán, đem lại hiệu quả kinh tế cao là nghiên cứu động cơ trên mô phỏng.Xuất phát từ quan điểm đó, việc thực hiện đề tài này là nhằm tìm ra các giải pháp tối

ưu để hạn chế nồng độ các chất độc hại trong khí xả động cơ diesel

2.Mục đích của đề tài

Phân tích ảnh hưởng của quá trình cháy đến thành phần khí thải động cơ diesel,tính toán nồng độ NOx trên động cơ mẫu, từ đó tìm ra các biện pháp tối ưu để giảmthiểu nồng độ NOx trong khai thác mà vẫn duy trì được các chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuậtkhác của động cơ

3.Nội dung chính của luận văn

Mở đầu: Tổng quan

Chương I: Phân tích ảnh hưởng của quá trình cháy đến thành phần khí thải trongđộng cơ diesel

Chương II: Lựa chọn công thức tính và chương trình tính

Chương III: Phân tích kết quả và đề xuất một số giải pháp nhằm hạn chế nồng độđộc tố trong khí xả động cơ diesel

4.Phương pháp nghiên cứu của đề tài

Về lý thuyết: Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý luận thông qua các tài liệu liênquan đến quá trình cháy và cơ chế hình thành NOx trong quá trình cháy nhiên liệu

Về thực nghiệm: Tính toán nồng độ NOx trên động cơ 6чHCл, trên cơ sở phântích và đánh giá kết quả nhận được sẽ đề xuất một số biện pháp nhằm hạn chế nồng độđộc tố trong khí xả động cơ diesel

5.Phạm vi nghiên cứu của đề tài

Phạm vi nghiên cứu của đề tài được giới hạn bởi tạo lập một số tình huống tươngđương thông qua việc thay đổi một thông số hay một nhóm thông số đầu vào để tínhtoán mà kết quả sẽ được lấy làm cơ sở để đánh giá sự hình thành NOx trong khí xảđộng cơ và tình trạng kỹ thuật động cơ

6.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Đề tài đã thực hiện những nghiên cứu cơ bản cơ chế hình thành NOx và các chấtđộc hại trong khí xả Thông qua những kết quả lý thuyết và thực nghiệm thu được đãphân tích và đánh giá được sự ảnh hưởng của các thông số kết cấu và khai thác đếnmức độ hình thành NOx từ đó đề ra một số giải pháp tối ưu nhằm hạn chế nồng độ chấtđộc hại trong khí xả động cơ diesel

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH CHÁY ĐẾN THÀNH PHẦN KHÍ THẢI TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL 1.1.QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL

1.1.1.Diễn biến quá trình cháy trong động cơ diesel

Quá trình cháy trong động cơ diesel thực chất là quá trình ôxy hoá các thànhphần hoá học có trong nhiên liệu kèm theo sự toả nhiệt mãnh liệt Quá trình cháy baogồm hàng loạt các biến đổi về lý hoá, cái nọ nối tiếp cái kia và kéo dài cho đến cả saukhi hỗn hợp đã bốc cháy

Hình 1.1: Diễn biến quá trình cháy trong động cơ diesel

Ở cuối kỳ nén, nhiên liệu được phun vào trong xylanh động cơ dưới dạng sương,nhờ nhiệt độ cao trong xylanh, các hạt nhiên liệu sẽ nhanh chóng bay hơi kèm theonhững biến đổi về vật lý, hình thành khí hỗn hợp và chuẩn bị cho nó bốc cháy Quátrình này chiếm một khoảng thời gian nhất định và được gọi là thời gian chuẩn bịcháy, ký hiệu là τi (giây), tương ứng với một khoảng góc quay ϕi (độ) của trục khuỷu

Quá trình cháy trong động cơ diesel bao gồm nhiều quá trình trung gian kế tiếpnhau nhưng để cho việc nghiên cứu được dễ dàng, người ta chia qúa trình cháy thành 4giai đoạn trên cơ sở căn cứ vào bản chất các quá trình xảy ra trong xylanh động cơ.

1.1.1.1.Giai đoạn chuẩn bị cháy

Giai đoạn chuẩn bị cháy được xác định bằng khoảng thời gian từ lúc nhiên liệubắt đầu phun vào xilanh động cơ (điểm c’) đến khi áp suất trong xylanh động cơ bắtđầu tăng đột ngột, tức là đường cong áp suất biểu thị quá trình cháy tách khỏi đườngcong nén (điểm c) Giai đoạn này trong xylanh động cơ diễn ra hàng loạt các quá trìnhphức tạp: sấy nóng nhiên liệu, bay hơi, phân huỷ các phần tử có liên kết dài thành cácphần tử có liên kết ngắn, ôxy hoá Nhiên liệu đưa vào trong xylanh động cơ ở giaiđoạn thứ nhất chiếm 30 ÷ 40 % lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình Giai đoạn nàyđược đặc trưng bằng thời gian chuẩn bị cháy τi (giây) hay góc chuẩn bị cháy ϕi (độ gócquay trục khuỷu) Giữa thời gian chuẩn bị cháy và góc chuẩn bị cháy có quan hệ vớinhau theo công thức:

n

i i

60

ϕ

τ = (s)Trong đó: n là vòng quay động cơ (vòng/phút)

Thời gian chuẩn bị cháy τi càng dài, lượng nhiên liệu tích luỹ trong giai đoạn nàycàng lớn, nó sẽ ảnh hưởng đến đặc tính quá trình cháy Đặc biệt trong các động cơ caotốc, lượng nhiên liệu cấp trong giai đoạn này khá cao Cá biệt có những động cơ lượngnhiên liệu cấp trong giai đoạn này bằng 100% lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình.Thời gian chuẩn bị cháy dài hay ngắn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: trạng thái kỹthuật của động cơ, loại nhiên liệu, góc phun sớm …

1.1.1.2.Giai đoạn tăng áp suất

Giai đoạn này gọi là giai đoạn cháy nổ, được xác định bằng khoảng thời gian từlúc bắt đầu sự bốc cháy rõ rệt của nhiên liệu (điểm c) đến thời điểm áp suất trongxilanh động cơ đạt giá trị lớn nhất (điểm z’) Ở giai đoạn này tốc độ toả nhiệt củanhiên liệu rất lớn đồng thời áp suất chất khí trong xilanh động cơ cũng tăng lên mộtcách đág kể

Để đánh giá chất lượng và mức độ cháy mãnh liệt của giai đoạn này, người tadùng hai thông số là:

Hai thông số trên đánh giá mức độ làm việc nhẹ nhàng, tin cậy của động cơ Trị

số W, Wtb lớn, động cơ làm việc cứng có tiếng gõ Khi tốc độ tăng áp suất quá cao cóthể dẫn đến hư hỏng bệ đỡ, trục khuỷu của động cơ và các chi tiết khác Khi động cơlàm việc bình thường, giá trị của W nằm trong khoảng 1÷ 6 (kg/cm2.độ GQTK)

Sở dĩ trong giai đoạn này có sự toả nhiệt mãnh liệt là vì phần nhiên liệu phun vàotrong giai đoạn chuẩn bị cháy đã bắt đầu bốc cháy Nhiệt lượng toả ra trong giai đoạnnày chiếm khoảng 1/3 số nhiệt lượng do nhiên liệu cung cấp

1.1.1.3.Giai đoạn tăng nhiệt độ

Giai đoạn này được tính từ lúc áp suất trong xilanh động cơ đạt giá trị cực đại(điểm z’) đến khi nhiệt độ chất khí trong xilanh đạt giá trị cực đại (điểm Tmax) Tronggiai đoạn này, việc cung cấp nhiên liệu vào trong xilanh động cơ cơ bản là chấm dứt.Cường độ toả nhiệt ở giai đoạn này bắt đầu giảm xuống do nồng độ ôxy giảm Ở đầugiai đoạn này mặc dù piston đã đi xuống, thể tích xilanh tăng dần nhưng do nhiên liệucòn tiếp tục cháy mãnh liệt nên nhiệt độ tiếp tục tăng cao và đạt giá trị lớn nhất còn ápsuất trong xilanh động cơ thay đổi không lớn lắm Đây là giai đoạn phát nhiệt chủ yếu,nhiệt lượng toả ra trong giai đoạn này chiếm khoảng (40 ÷ 50)% toàn bộ nhiệt lượng

do nhiên liệu cháy Sự thay đổi áp suất trong xilanh động cơ ở giai đoạn này phụ thuộcvào mối tương quan giữa tốc độ cấp nhiên liệu và việc tăng thể tích của xilanh côngtác Mặc dù quá trình cấp nhiên liệu thường kết thúc ở cuối giai đoạn này nhưng quátrình cháy có thể còn tiếp tục sau điểm z vì quá trình cháy đã bị chậm lại do số lượngôxy tự do trong xilanh động cơ giảm xuống

1.1.1.4.Giai đoạn cháy rớt

Giai đoạn này tương ứng với thời kỳ cháy rớt của nhiên liệu, được tính từ lúcnhiệt độ chất khí trong xilanh động cơ đạt giá trị cực đại đến khi kết thúc quá trìnhcháy nhiên liệu (điểm d) Trong giai đoạn này, tốc độ toả nhiệt giảm và tốc độ cháynhiên liệu diễn ra chậm Trong tất cả các động cơ diesel hầu như đều tồn tại giai đoạncháy rớt này Do tốc độ quay cao, các động cơ cao tốc có quá trình cháy rớt dài sẽ làm

tổ thất nhiệt khí xả tăng, tính kinh tế của động cơ giảm xuống, làm xấu đi chế độ nhiệt

của các chi tiết, đặc biệt là nhóm piston và cơ cấu phân phối khí Giảm hệ số dư lượngkhông khí α (đặc biệt ở chế độ quá tải), giảm góc phun sớm, chất lượng phun nhiênliệu kém, thay đổi loại nhiên liệu sử dụng, tăng số vòng quay và hàng loạt các yếu tốkhác thay đổi là nguyên nhân làm cho quá trình cháy rớt phát triển.

Để rút ngắn thời gian cháy rớt cần phải đảm bảo chất lượng tạo hỗn hợp, tăng hệ

số dư lượng không khí α và rút ngắn thời gian cấp nhiên liệu ở giai đoạn 3

1.1.2.Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy trong động cơ diesel

1.1.2.1.Các yếu tố ảnh hưởng đến giai đoạn chuẩn bị cháy

Thời gian của giai đoạn chuẩn bị cháy rất ngắn τi = 0,005 ÷ 0,001 (giây) Thờigian chuẩn bị cháy và quy luật cấp nhiên liệu hay lượng nhiên liệu cấp trong thời gianchuẩn bị cháy có ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ tăng áp suất và độ cứng của động cơlàm việc êm, tránh được các hư hỏng do các ứng suất cơ gây ra Các yếu tố ảnh hưởngđến thời gian chuẩn bị cháy bao gồm các yếu tố hoá học, các yếu tố vật lý, các yếu tốcấu tạo và các yếu tố khai thác

Các yếu tố về hoá học bao gồm thành phần, tính chất và cấu trúc của nhiên liệu,nồng độ ôxy trong buồng đốt, lượng khí sót còn sót lại của chu trình trước và các chấtphụ gia kích thích quá trình cháy khi pha thêm vào nhiên liệu

Trong các yếu tố về hoá học thì thành phần và tính chất của nhiên liệu có ảnhhưởng đáng kể đến giai đoạn chuẩn bị cháy Trị số xêtan của nhiên liệu sử dụng cànglớn càng rút ngắn thời gian chuẩn bị cháy và do vậy tốc độ tăng áp suất sẽ giảm đi.Tăng nồng độ ôxy, giảm lượng khí sót trong buồng đốt hay pha thêm các chất phụ giakích thích quá trình cháy vào trong nhiên liệu đều có thể làm rút ngắn thời gian chuẩn

Các yếu tố kết cấu bao gồm tỷ số nén, kết cấu buồng cháy, vòng quay động cơ,góc phun sớm nhiên liệu, tính dẫn nhiệt của piston, xilanh, cường độ làm mát piston làcác yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến giai đoạn chuẩn bị cháy.

Các yếu tố kết cấu ảnh hưởng đến thông số cuối kỳ nén và chất lượng hoà trộncủa hỗn hợp Tăng ε làm cho thông số cuối kỳ nén tăng, tạo điều kiện thuận lợi cho sựchuẩn bị cháy nhiên liệu Đối với động cơ sử dụng các loại nhiên liệu khác nhau thìảnh hưởng của tỷ số nén đến thời gian chuẩn bị cháy cũng khác nhau

Tăng số vòng quay của động cơ làm cho thời gian chuẩn bị cháy τi giảm xuốngcòn góc tương ứng với thời gian chuẩn bị cháy ϕi ngược lại lại tăng lên Ảnh hưởngcủa tỷ số nén ε và vòng quay động cơ đến thời gian chuẩn bị cháy được thể hiện trênhình 1.2

Hình 1.2: Ảnh hưởng của tỉ số nén ε và tốc độ quay đến góc chuẩn bị cháy ϕi

(gqtk)

Còn ảnh hưởng của góc phun sớm được giải thích như sau: Trong mỗi động cơ,khi làm việc ở tốc độ quay định mức đều có một góc phun sớm có lợi nhất gọi là gócphun sớm tối ưu Tăng góc phun sớm lớn hơn góc phun sớm tối ưu là nhiên liệu đượcphun vào trong xilanh động cơ khi nhiệt độ và áp suẩttong xilanh còn thấp dẫn đếnthời gian chuẩn bị cháy quá lớn sẽ làm cho quá trình cháy cứng, ứng suất cơ tăng Còngiảm góc phun sớm so với góc phun sớm tối ưu sẽ làm cho quá trình cháy rớt pháttriển, tính kinh tế của động cơ giảm xuống

Chất lượng tạo hỗn hợp sẽ làm thay đổi quá trình ôxy hoá các hạt nhiên liệutrong thời gian chuẩn bị cháy và do đó thời gian chuẩn bị cháy sẽ dài ra hay ngắn đi.Chất lượng tạo hỗn hợp phụ thuộc chủ yếu vào chất lượng phun nhiên liệu và chuyểnđộng xoáy lốc của dòng không khí cuối kỳ nén Động cơ có buồng cháy xoáy lốc cókhả năng tạo hỗn hợp tốt hơn động cơ có buồng cháy thống nhất

Vật liệu chế tạo piston cũng có ảnh hưởng đáng kể tới thời gian chuẩn bị cháy,đặc biệt là ở chế độ khởi động Những động cơ có piston chế tạo bằng nhôm khi ở chế

độ khởi động sẽ khó khởi động hơn hoặc dễ bị nhảy van an toàn do thời gian chuẩn bịcháy kéo dài Ở những động cơ này, thời gian chuẩn bị cháy bị kéo dài chủ yếu do khảnăng truyền nhiệt tốt của piston và khe hở giữa piston và xilang lớn do hệ số giãn nởnhiệt lớn, điều này làm giảm chỉ số nén đa biến và dẫn đến làm giảm áp suất và nhiệt

độ cuối kì nén

Các yếu tố về khai thác bao gồm các điều kiện về môi trường như áp suất, nhiệt

độ, độ ẩm không khí môi trường, nhiệt độ nước làm mát, phụ tải và trạng thái nhiệtcủa động cơ Các yếu tố này sẽ ảnh hưởng đến các thông số vật lý, hoá học và do đóảnh hưởng đến thời gian chuẩn bị cháy trong xilanh động cơ

1.1.2.2.Các yếu tố ảnh hưởng đến các giai đoạn còn lại của quá trình cháy

Giai đoạn 2 tức là giai đoạn cháy nổ phụ thuộc rất nhiều vào thời gian chuẩn bịcháy Trong cùng một điều kiện khai thác, khi rút ngắn thời gian chuẩn bị cháy τi sẽ

làm cho tốc độ tăng áp suất dϕ

dP

và áp suất cháy lớn nhất Pz giảm xuống, động cơ làmviệc êm, nhẹ nhàng hơn

Ngoài yếu tố τi thì lượng nhiên liệu cấp vào trong thời gian chuẩn bị cháy qi cũng

là yếu tố đáng kể ảnh hưởng tới sự thay đổi Pz và dP/dϕ Vì vậy:

( i q i)

f d

dP

,τ

ϕ =Thay đổi quy luật cấp nhiên liệu sẽ làm qi thay đổi, vì vậy trong những động cơdiesel tàu thuỷ hiện đại, người ta chế tạo cam nhiên liệu có biên dạng thay đổi nhằmthay đổi vận tốc của piston bơm cao áp Áp suất phun nhiên liệu ở giai đoạn đầu củanhững bơm cao áp loại này có thể nhỏ hơn 2 ÷ 3 lần so với giai đoạn cuối

Giai đoạn cháy thứ 3 là giai đoạn cháy khi piston đã đi từ ĐCT xuống ĐCD.Thời gian của giai đoạn 3 phụ thuộc vào thời gian của giai đoạn 1, giai đoạn 2 và góccấp nhiên liệu toàn bộ Thay đổi góc cấp nhiên liệu toàn bộ sẽ làm cho thời gian củagiai đoạn 3 thay đổi Khi góc cấp nhiên liệu toàn bộ không đổi việc kéo dài hay rútngắn thời gian của giai đoạn 1 sẽ làm thay đổi giai đoạn 3

Có thể dùng thông số sau để phân tích đường cong quá trình cháy đó là:

ϕi: góc quay trục khuỷu tương ứng với thời gian chuẩn bị cháy

ϕtb: góc cấp nhiên liệu toàn bộ

Từ công thức trên có thể thấy

Khi ϕi = ϕtb → y = 0 , quá trình cháy diễn ra không khống chế được

Khi y tăng dần đến 1 tức là ϕi giảm dần đến 0, việc khống chế quá trình cháytăng lên Khi y = 1, (ϕi = 0) quá trình cháy khống chế được hoàn toàn Thực tế điềunày không thể xảy ra được với các động cơ diesel

Khi y <0 thời gian chuẩn bị cháy dài hơn thời gian cấp nhiên liệu toàn bộ Trongthực tế, trường hợp này có thể xảy ra trong quá trình khởi động động cơ diesel ở trạngthái nguội lạnh

Khi ϕi giảm xuống, y tăng lên, quá trình cháy tiến dần đến quá trình cháy nhanh,hiệu suất chỉ thị của động cơ tăng và đồng thời các thông số động của chu trình cũngtăng theo Các động cơ diesel tàu thuỷ công suất lớn, giá trị của y nằm trong khoảng0,55 ÷ 0,80

Giai đoạn 4 của quá trình cháy là hậu quả của tất cả các giai đoạn trước Càng rútngắn được thời gian của giai đoạn 4 thì tính kinh tế của động cơ càng tăng, trạng tháinhiệt của các chi tiết nhóm piston xilanh càng đảm bảo Giảm tốc độ quay của động

cơ, tăng hệ số dư lượng không khí α hoặc cải thiện chất lượng phun sương và tạo hỗnhợp là những biện pháp hữu hiệu nhằm rút ngắn giai đoạn cháy rớt này Tuy nhiên giaiđoạn 4 này vẫn tồn tại trong tất cả các động cơ diesel

1.1.3.Thành phần của khí xả động cơ diesel

Khí xả động cơ daesel là sản phẩm của phản ứng cháy giữa nhiên liệu và khôngkhí nạp nên thành phần chủ yếu của nó là CO2 và H2O Ngoài ra còn có CO và HCsinh ra trong điều kiện thiếu không khí Cuối cùng là các hợp chất của NOx và SOxsinh ra trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao

1.1.4.Sự hình thành NO x trong động cơ

Hợp chất NOx là tên gọi chung cho ôxit nitơ, bao gồm hai ôxit: đó chính là ôxitnitơ (NO) và điôxit nitơ (NO2) Về bản chất, NOx là chất khí tồn tại trong khí xả cóhàm lượng độc tố cao Tuy có hàm lượng nhỏ trong khí xả nhưng lại là một trong

những thành phần chủ yếu gây ô nhiễm bên cạnh những chất như CO2, SO2, HCHO,

Ch4 … Vì thế, việc xác định tỷ lệ NOx trong khí xả là rất cần thiết để có thể biết đượcmức độ gây ô nhiễm của từng động cơ

Hợp chất NOx được tạo thành từ hai nguyên tử phổ biến nhất trong khí quyển:ôxy và nitơ Ôxy là nguyên tử đóng vai trò quan trọng trong bầu không khí Nó lànguyên tử có hoạt tính mạnh tham gia phản ứng ở tất cả các dạng sinh, lý, hoá như:bảo đảm sự sống cho sinh vật, duy trì sự cháy và ôxy hoá với hầu hết các chất khác.Còn với nitơ theo quan niệm hoá học, là một chất khí trơ trong môi trường tự nhiên, cótác dụng kìm hãm sự cháy Hàm lượng nitơ trong không khí là lớn nhất, tới 78%(trong khi ôxy đứng thứ hai là 21%), nhưng nó ít gây ảnh hưởng đến quá trình sinhhoá trong tự nhiên Nitơ không hoạt động mạnh như ôxy bởi lẽ năng lượng tạo nên cácliên kết phân tử nitơ tương đối lớn (E = 942 kJ/mol) Các quá trình phân ly quang họccủa nitơ đòi hỏi các phôton có bước sóng λ < 169 nm, và do đó tất cả chỉ có thể xảy ra

ở tầng bình lưu trong bầu khí quyển

Nhưng thực tế cho thấy, khả năng hoạt hoá của nitơ tăng theo chiều tăng nhiệt độ

từ 700 ÷ 1700°C Tại khoảng nhiệt độ này nitơ tác dụng với ôxy theo hai phản ứnghoàn toàn và không hoàn toàn, hình thành hai ôxit: ôxit nitơ (NO) và điôxit nitơ (NO2).Phương trình phản ứng ôxy hoá ôxit nitơ được thể hiện như sau:

ô nhiễm của NOx đối với môi trường

Theo lý thuyết nói chung NOx sinh ra theo 3 cơ chế: NOx nhiệt, NOx tức thời,

NOx nhiên liệu Tuy nhiên đối với quá trình cháy của động cơ, nguồn chính tạo ra NOx

là nitơ phân tử (N2) trong không khí nạp vào xilanh động cơ (thưo cơ chế nhiệt của

NOx) Các loại nhiên liệu diesel nói chung chứa rất ít nitơ (khoảng 0,1%) nên ảnh

hưởng của nitơ có trong nhiên liệu đến nồng độ NOx không đáng kể Chỉ có nhiên liệunặng chứa vài ba phần nghìn khối lượng nitơ được sử dụng ở các động cơ thấp tốcdưới tàu thuỷ là có thể phát sinh ra một lượng nhỏ NOx Tuy nhiên mức độ này quá ít

và không đáng quan tâm

1.1.4.1.Sự hình thành mônôxit nitơ (NO)

Sự hình thành mônôxit nitơ (NO) do ôxy hoá phân tử nitơ trong không khí đãđược nghiên cứu qua nhiều mô hình khác nhau từ đơn giản đến phức tạp Trong điềukiện môi trường của buồng đốt, khi hệ số dư lượng không khí α xấp xỉ bằng 1, nhữngphản ứng chính tạo thành và phân huỷ NO theo hai chiều thuận nghịch:

đó hầu như toàn bộ NO hinhg thành phía sau màng lửa Tuy nhiên, chính bộ phận nhỏ

NO được tạo ra trong khu vực phản ứng (hoặc là trong màng lửa) mới có thể tạo ranhững chất còn lại của họ NOx như NO2, N2O … Vì tốc độ phản ứng tạo NO thấp hơnnhiều so với tốc độ phản ứng cháy, nên trong khu vực phản ứng cháy nồng độ NO ítchịu ảnh hưởng của nồng độ ôxy Theo thí nghiệm Heywoos, sau điểm chết trênkhoảng 20° thì nồng độ NO không thay đổi nữa và bằng chính giá trị đo được trênđường xả, nghĩa là toàn bộ NO được sinh ra tại giai đoạn cháy mãnh liệt nhất và cónhiệt độ cao nhất Từ đó cũng cho biết rằng nồng độ No phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độcủa phản ứng cháy

1.1.4.2.Sự hình thành điôxit nitơ (NO 2 )

Qua việc tính toán nồng độ của các chất trong sản phẩm cháy theo điều kiện cânbằng nhiệt động cho thấy: trong điều kiện cháy bình thường của hỗn hợp đồng nhất,nồng độ NO2 so với nồng độ NO là rất nhỏ trong tổng lượng khí thải NOx và ta có thể

bỏ qua Điều này phù hợp với động cơ đánh lửa cưỡng bức Còn đối với động cơ nén

tự cháy như động cơ diesel, do quá trình cháy khuếch tán rất mạnh nên người tathường thấy có đến 10 ÷ 30% NOx ở dạng NO2

Từ các nghiên cứu cho thấy điôxit nitơ (NO2) được hình thành từ NO và chấttrung gian của sản phẩm cháy HO2 (được tạo ra từ quá trình phân huỷ các phân tửphức tạp của nhiên liệu trong buồng đốt ngay trước khi quá trình cháy diễn ra) Sựhình thành này xảy ra ngay taong quá trình cháy ơt buồng đốt và được thể hiện bởiphương trình phản ứng sau:

Khi động cơ diesel làm việc ở chế độ tải thấp thì trong buồng cháy tồn tại nhiềuvùng lạnh có khả năng làm giảm và ngăn chặn phản ứng ngược, trong trường hợp này

tỷ lệ NO2 có trong NOx là rất lớn

Hình 1.3: Tỷ lệ NO 2 /NO x theo tải ứng với các tốc độ khác nhau của động cơ

Ngoài ra, NO2 cũng hình thành từ NO trên đường xả khi tốc độ thải nhỏ và có sựhiện diện của ôxy trong khí xả, lượng NO2 hònh thành trên đường xả chiếm khoảng 5

÷ 10% tổng lượng thải NO2 Đồng thời một phần NO2 cũng được hình thành khi rakhỏi ống khói, tiếp tục quá trình ôxy hoá O2 ở điều kiện môi trường xung quanh và tạonên một lượng NO2 đáng kể

Hình 1.3 cho thấy tỷ lệ NO2 so với tổng lượng thải NOx trong đường xả của động

cơ diesel theo chế độ tải và giá trị của nó sẽ tăng khi giảm tải, và đồng thời tỷ lệ nàycũng sẽ giảm khi vòng quay của động cơ tăng lên

1.1.4.3.Sự hình thành Prôtôxit nitơ (N 2 O)

Trong họ NOx thì N2O có tỷ lệ thấp nhất, thậm chí có thể bỏ qua, nhưng sự hìnhthành N2O lại cần phải quan tâm bởi tính chất độc hại cũng như nó tạo ra các sản phẩmkhác qua các quá trình phản ứng kết hợp và phân giải với các chất trung gian

Prôtôxit nitơ (N2O) chủ yếu hình thành từ các sản phẩm trung gian NH và NCOkhi chúng tác dụng với NO, được thể hiện qua các phản ứng sau:

NH + NO → N2O + HNCO + NO → N2O + CO

5 10 15 20 25 30

Cơ chế hình thành N2O bị giới hạn ở vùng hyđrat hoá, nơi có mất độ nguyên tửhyđrô cao sẽ xảy ra sự phân giải mạnh mẽ Prôtôxit nitơ theo phản ứng:

N2O + H → NH + NO

N2O + H → N2 + OHTrong các sản phẩm cháy tại buồng đốt, đều là các phản ứng oxy hoá Chính vìvậy trong sản phẩm cháy của động cơ diesel, tỷ lệ Prôtôxit nitơ (N2O) rất thấp, chỉ đạtkhoảng 3 ÷ 8 ppm trong tổng hợp lượng thải NOx được sinh ra trong quá trình cháy.Theo tính toán, tỷ lệ N2O do các phương tiện giao thông gây ra chỉ chiếm khoảng6,5% trong tổng lượng N2O trên toàn cầu

1.2.CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN THÀNH PHẦN KHÍ THẢI ĐỘNG

CƠ DIESEL

Theo các nhà nghiên cứu, có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự tạo thành NOx vàhàm lượng các độc tố như: CO, HC, SOx, bồ hóng … và được chia thành 3 loại: yếu tốkết cấu, tình trạng kỹ thuất và yếu tố khai thác Các yếu tố kết cấu như: mức độ xoáylốc, dạng buồng cháy, việc tăng áp động cơ… Còn các yếu tố khai thác như: hệ số dưlượng không khí, hồi lưu khí xả, cung cấp nhiên liệu, phụ tải và vòng quay động cơ,tính chất nhiên liệu, nhiệt độ cực đại, các chế độ vận hành động cơ

1.2.1.Ảnh hưởng của các yếu tố kết cấu động cơ

1.2.1.1.Ảnh hưởng của hình dạng buồng cháy

Theo các nghiên cứu cho thấy, hình dạng buồng cháy ảnh hưởng lớn đến tínhnăng kinh tế - kỹ thuật và mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ, Nếu xét trong cácđiều kiện như nhau giữa hai kiểu buồng cháy thống nhất và buồng cháy phân cách thìnồng độ NOx trong kiểu buồng cháy thống nhất lớn hơn Sự khác nhau này có thể đượcgiải thích là: trong động phun gián tiếp (buồng cháy phân cách) hỗn hợp quá đậmtrong buồng cháy phụ và quá loãng trong buồng cháy chình có tác dụng làm giảm tốc

độ tạo thành NOx

Người ta đã tính được rằng, một bộ phận nhỏ NO được hình thành trong buồngcháy chính (không quá 35%), còn phần lớn được hình thành trong buồng cháy phụ ởmôi trường hỗn hợp đậm đặc Ngay sau đó NO chuyển sang buồng cháy chính ở đócác phản ứng phân giải NO bị ngăn chặn do hoà trộn bới không khí thừa Chính vìphần lớn NO sinh ra trong buồng cháy phụ nên việc tăng thể tích buồng cháy phụ sẽtăng nồng độ NO ở động cơ phun gián tiếp

Hình 1.4 cho thấy sự ảnh hưởng của tỷ số thể tích buồng cháy phụ trên buồngcháy chính đến nồng độ NOx trong động cơ phun gián tiếp Tỷ số này được ký hiệu Vr,

và nồng độ NOx là hàm của độ đậm hỗn hợp nhiên liệu – không khí

Hình 1.4: Ảnh hưởng của tỉ số thể tích buồng cháy phụ trên buồng cháy chính

đến nồng độ NO x

Như vậy, với cùng một chế độ tải, độ đậm đặc hỗn hợp thì tỷ lệ thể tích giữabuồng cháy phụ và buồng cháy chính trong động cơ phun gián tiếp tăng hoặc giảm sẽlàm nồng độ NOx tăng hoặc giảm theo

1.2.1.2.Ảnh hưởng của mức độ xoáy lốc

Trong thực tế, có rất nhiều đỉnh piston được thiết kế nhằm mục đích tạo xoáy lốckhi nạp không khí vào buồng đốt để làm tăng khả năng hoà trộn hỗn hợp không khí -nhiên liệu

Qua nhiều thực nghiệm, vận động xoáy lốc trong quá trình nạp gây ảnh hưởngngược nhau giữa một bên là nồng độ NOx và tiếng ồn, một bên là nồng độ HC và bồhóng Khi mức độ xoáy lốc không khí nạp càng cao, nghĩa là mức độ hoà trộn giữanhiên liệu – không khí càng mạnh thì sẽ càng làm giảm đi mức độ phát sinh bồ hóng(khói đen) trong xilanh Nhưng chính vì điều này đã làm tăng áp suất cực đại và nhiệt

độ cực đại trong xilanh nên làm tăng độ ồn và tăng mức phát sinh NOx Ngược lại khimức độ xoáy lốc khí nạp giảm sẽ làm giảm vận động rối của không khí trong buồngcháy, tốc độ tạo thành NOx giảm xuống nhưng bồ hóng lại tăng lên

0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 100

200 300 400 500 600 700 800 900

Hình 1.5 thể hiện sự ảnh hưởng của tỷ số xoáy lốc đến sự phát sinh bồ hóng và

NOx trong xilanh động cơ Hình vẽ đã chỉ ra sự trái ngược nhau giữa việc phát sinh haiđộc tố phổ biến này khi tỉ số xoáy lốc tăng lên hoặc giảm đi

Hình 1.5: Ảnh hưởng của tỉ số xoáy lốc đến NO x và bồ hóng

Mức độ xoáy lốc khí nạp cũng ảnh hưởng đến suất tiêu hao nhiên liệu của động

cơ Khi tỉ số xoáy lốc tăng sẽ làm tăng tốc độ hình thành NOx nhưng lại làm giảm suấttiêu hao nhiên liệu, cũng là giảm tốc độ phát sinh bồ hóng Bởi vậy khi thiết kế, việclựa chọn một kết cấu động cơ có tỷ số xoáy lốc hợp lý sẽ có khả năng giải quyết đồngthời việc hạn chế bồ hóng, NOx và suất tiêu hao nhiên liệu Như vậy sẽ đáp ứng đượcyêu cầu vừa không gây ô nhiễm, vừa đảm bảo tính kinh tế của động cơ

1.2.1.3.Ảnh hưởng của hệ thống tăng áp

Tăng áp là một biện pháp kỹ thuật với mục đích nhằm nâng cao công suất động

cơ trong cùng một điều kiện khai thác Trong các động cơ có tăng áp, áp suất khí nạptăng lên làm tăng mật độ khí nạp vào xilanh, tăng nồng độ ôxy dẫn đến tăng tốc độcháy trong buồng đốt, do vậy nhiệt độ cực đại Tmax cao hơn nên tốc độ hình thành NOxlớn hơn Nhưng tăng áp cho phép giảm sẹ hình thành CO và bồ hóng Đồng thời tăng

áp còn làm cho công suất động cơ tăng cao hơn so với động cơ không tăng áp có cùngthông số thiết kế và điều kiện làm việc Chính vì điều này mà ngày nay hầu hết cácđộng cơ (nhất là động cơ chính lai chân vịt) người ta đều trang trí hệ thống tăng áp khínạp

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

0,2 0,4 0,6 0,8

1.2.2.Ảnh hưởng của các yếu tố khai thác động cơ

1.2.2.1.Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí

Rất nhiều người cho rằng, tỷ số hoà trộn giữa nhiên liệu và không khí trong sựtạo thành hỗn hợp cháy trong xilanh là yếu tố quan trọng trong việc xác định tốc độhình thành NOx và thanhg phần khí thải từ động cơ Đối với động cơ diesel, hệ số dưlượng không khí trung bình (αTB) của hỗn hợp phụ thuộc trực tiếp vào lượng nhiên liệucấp cho chu trình Theo tính toán, tỉ lệ cần thiết giữa không khí và nhiên liệu để đốtcháy hoàn toàn nhiên liệu là:

Tỷ lệ = Khối lượng không khí / Khối lượng nhiên liệu = 14,5 (lần)

Đây là hệ số tỷ lệ không khí tối ưu cho quá trình cháy xảy ra hoàn toàn trongxilanh Nếu tỷ lệ trên nhỏ hơn 14,5 thì hỗn hợp đó được gọi là hỗn hợp “no” Ngượclại, nếu lượng không khí nhiều để tỷ lệ trên lớn hơn 14,5 thì được gọi là hỗn hợp

“đói”

Trong hỗn hợp “no” sẽ sinh ra khí CO, HC vì nhiên liệu không đủ ôxy để cháyhoàn toàn, còn nếu hỗn hợp “đói” thì giảm được khí CO và HC nhưng đồng thời nănglượng sinh ra giảm dẫn đến làm giảm công suất động cơ

Hình 1.6: Ảnh hưởng của tỉ lệ không khí- nhiên liệu đến hám lượng NO x , HC và g e

Hình 1.6 cho thấy quan hệ giữa nguồn thải CO, HC, NOx và suất tiêu hao nhiênliệu vào tỷ lệ pha trộn giữa không khí và nhiên liệu Khi tỷ lệ không khí – nhiên liệutăng lên sẽ làm giảm hàm lượng NOx nhưng làm tăng hàm lượng CO, HC và suất tiêuhao nhiên liệu Ngược lại khi tỷ lệ này giảm sẽ làm giảm CO, HC và ge, nhưng hàmlượng NOx lại tăng lên Và nồng độ NOx đạt giá trị cao nhất tại tỉ lệ không khí/ nhiênliệu tối ưu bằng 14,5

1.2.2.2.Ảnh hưởng của hồi lưu khí xả

Trong quá trình hoà trộn nhiên liệu và không khí, không phải chỉ có nhiên liệu vàkhông khí sạch mà còn một lượng không khí sót tồn tại trong xilanh Khi trong hỗnhợp cháy có tồn tại khí sót còn lại của chu trình trước sẽ làm giảm tỉ lệ khí nạp, dẫnđến giảm nồng độ ôxy do đó làm giảm nhiệt độ cháy cực đại Tmax, tức là tốc độ tạothành và nồng độ NOx giảm đi Vì vậy hệ số khí sót γr càng cao thì nồng độ NOx càngthấp Tuy nhiên, khí sót tăng lên có xu hướng làm tăng CO và bồ hóng, và khi tỉ lệ khísót vượt quá giới hạn cho phép sẽ làm tốc độ cháy giảm dẫn đến quá trình cháy khônghoàn toàn, gây mất ổn định đến quá trình làm việc của động cơ Vì vậy, tỉ lệ tối ưu củahồi lưu khí xả cần phải được chọn kỹ để có thể vừa giảm mức độ phát sinh NOx, vừađảm bảo tính kinh tế - kỹ thuật của động cơ

19 18

17 16

15 0

270 280 290 300 310

Hình 1.7: Ảnh hưởng của tỉ lệ khí xả đến nồng độ NO x , HC và bồ hóng

Hình 1.7 trình bày về ảnh hưởng của tỉ lệ khí xả hồi lưu đến nồng độ NOx và cácchất ô nhiễm khác Nồng độ của các chất ô nhiễm (kể cả CO và bồ hóng) giảm mạnhkhi tỉ lệ khí xả hồi lưu ở khoảng 20 ÷ 25%, đây là tỉ lệ khí xả hồi lưu lớn nhất có thểchấp nhận được đối với động cơ làm việc ở chế độ tải cục bộ Bởi vì nếu tỉ lệ cao hơn,

NOx chỉ giảm chút ít còn CO, HC và bồ hóng lại tăng vọt, gây ô nhiễm ở khía cạnhkhác

1.2.2.3.Ảnh hưởng của việc cung cấp nhiên liệu

Ngoài đặc tính của các loại nhiên liệu ra, các thông số từ phía động cơ có liênquan đến việc cấp nhiên liệu cũng ảnh hưởng không nhỏ đến nồng độ các chất ônhiễm, như: góc phun sớm, thời gian cấp, tốc độ phun, quy luật phun và chất lượngphun nhiên liệu …

Góc phun sớm gây ảnh hưởng đến nồng độ NOx thông qua nhiệt độ và áp suấtcực đại trong xilanh Khi tăng góc phun sớm sẽ làm cho thời điểm bắt đầu cháy xuấthiện sớm do đó làm tăng giá trị áp suất cực đại, và do hỗn hợp cháy sớm nên thời giansản phẩm cháy tồn tại ở nhiệt độ cao sẽ dài Đó là hai điều kiện thuận lợi thúc đẩy hìnhthành NOx nhanh hơn Vì thế khi tăng góc phun sớm sẽ làm tăng nồng độ NOx trongkhí xả

0 50 100 150 200 250

Hình 1.8: Quan hệ giữa NO x và bồ hóng khi thay đổi góc phun sớm

Hình 1.8 thể hiện mối quan hệ giữa NOx và bồ hóng khi thay đổi góc phun sớm ởđộng cơ phun trực tiếp có buồng cháy thống nhất Ta thấy nếu góc phun sớm giảmtheo chiều (-) thì nồng độ NOx giảm nhưng hàm lượng bồ hóng lại tăng lên

Thời gian cấp nhiên liệu cũng liên quan trực tiếp đến nồng độ bồ hóng và NOx,thời gian cấp ngắn sẽ cho lượng bồ hóng nhỏ nhưng nồng độ NOx lại cao hơn Hình1.9 cho biết sự ảnh hưởng của thời gian và thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu đến nồng

độ NOx và bồ hóng Thời gian này được đo bằng độ của GQTK, trên đồ thị ứng với haigiá trị của hai góc quay là 15° và 20°

0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2

Hỡnh 1.9: Ảnh hưởng của thời gian và thời điểm cấp nhiờn liệu đến NO x và bồ húng

Tốc độ phun nhiờn liệu cũng ảnh hưởng đến nồng độ NOx và bồ húng Với tốc độphun cao ở động cơ phun trực tiếp sẽ làm tăng mức độ hoà trộn nhiờn liệu – khụng khớ,hỗn hợp chỏy mónh liệt hơn làm nhiệt độ cực đại Tmax cao hơn, do đú làm tăng nồng độ

NOx và lượng bồ húng giảm đi

Hỡnh 1.10: Ảnh hưởng của ỏp suất phun đến độ khúi đen và nồng độ NO x

Hỡnh 1.10 cho thấy ảnh hưởng của ỏp suất phun (tốc độ phun) đến độ khúi đen vànồng độ NOx của động cơ diesel phun trực tiếp

Quy luật phun nhiờn liệu cũng giữ vai trũ quan trọng trong việc phỏt sinh cỏc chất

ĐCT 5

0 500 1000 1500 2000 2500

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Thời điểm phun (độ)

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0

Độ khói

NO x

ô nhiễm Phun nhanh với áp suất lớn sẽ làm giảm được HC và CO, bồ hóng nhưng lại làm tăng NOx.

Chất lượng phun cũng ảnh hưởng không nhỏ đến sự hình thành NOx và các chấtđộc hại, nhất là ở động cơ phun trực tiếp Phun rớt là nguyên nhân làm tăng hạt rắn, bồhóng, HC cũng như NOx trong khí xả

1.2.2.4.Ảnh hưởng của tính chất nhiên liệu

Ảnh hưởng của nhiên liệu đến nồng độ NOx trong động cơ diesel có thể biểu diễnqua công thức:

Nox (ppm) = -7,0µ + 4,7τ +4,5Xa + constanteTrong đó:

µ: Độ nhớt động lực học của nhiên liệu,

τ: Thời gian trì hoãn sự cháy,

Xa: Nồng độ Hyđrôcacbon thơm có mặt trong nhiên liệu

Chỉ số Xêtan cũng ảnh hưởng đến nồng độ NOx và bồ hóng Hình 1.11 cho thấy

sự ảnh hưởng của chỉ số Xêtan đên sự tạo thành các chất trên Khi sử dụng nhiên liệu

có chỉ số Xêtan thấp sẽ làm nồng độ NOx và bồ hóng cao và ngược lại

Hình 1.11: Ảnh hưởng của chỉ số Xêtan đến sự tạo thành NO x và bồ hóng

Ngoài ra, thành phần Hyđrôcacbon thơm trong nhiên liệu cũng ảnh hưởng đếnnồng độ NOx và bồ hóng Khi thành phần này có mặt trong nhiên liệu càng nhiều sẽcàng làm tăng nồng độ bồ hóng và NOx Nguyên nhân vì chỉ số Xêtan thấp hoặc thành

0,80 0,85 0,90 0,95 1,0

ChØ sè Xªtan

Bå hãng NO

0

phần hyđrôcacbon cao sẽ làm kéo dài thời gian trì hoãn sự cháy của nhiên liệu, theocông thức trên thì τ càng dài, Xa càng cao thì nồng độ NOx và bồ hóng càng lớn.

1.2.2.5.Ảnh hưởng của phụ tải và vòng quay động cơ

Phụ tải và vòng quay cũng ảnh hưởng rất lớn đến nồng độ các chất độc hại Bởi

vì chúng ảnh hưởng trực tiếp đến các thông số đầu vào của quá trình cháy như: hệ số

dư lượng không khí, lượng nhiên liệu cấp, áp suất và nhiệt độ không khí cháy trongxilanh

Hình 1.12: Ảnh hưởng của phụ tải và vòng quay động cơ tới NO, HC khi thay đổi góc

400 200

Hình 1.12 đã chỉ ra sự ảnh hưởng của NOx và HC khi động cơ khai thác theo đặctính phụ tải và thay đổi góc phun sớm của 2 loại động cơ diesel có buồng cháy thốngnhất và buồng cháy phân cách.

1.2.2.6.Ảnh hưởng của nhiệt độ khí cháy

Nhiệt độ khí cháy là yếu tố lớn nhất và tác động trực tiếp nhất tới tốc độ tạothành các chất gây ô nhiễm Bởi vì hầu hết các yếu tố khác ảnh hưởng tới hàm lượngđộc tố đều phải thông qua nhiệt độ này

Khi nhiệt độ khí cháy cực đại tăng cao sẽ tăng sự tạo thành NOx mặc dù có thểlàm giảm HC và bồ hóng Nhưng nếu giảm nhiệt độ cực đại thì công suất động cơ sẽgiảm, hàm lượng bồ hóng tăng lên mạnh ở chế độ tải thấp, tuy nhiên ở chế độ tải caothì hàm lượng này ít bị ảnh hưởng

Tốc độ phản ứng tạo thành NO trong khí cháy phụ thuộc vào thời gian phản ứngcháy của nhiên liệu Nếu nhiệt độ khí cháy càng cao, thời gian phản ứng càng nhỏ dẫnđến tốc độ hình thành NO càng mạnh và nồng độ NOx trong khí xả càng lớn

Hình 1.13 chỉ ra sự ảnh hưởng của thời gian phản ứng và nhiệt độ khí cháy tới tỉ

lệ nồng độ NO tức thời và NO cân bằng Tỷ lệ này là một hàm thời gian ứng với cácgiá trị nhiệt độ khác nhau của khí cháy

Hình 1.13: Ảnh hưởng của nhiệt độ khí cháy tới tỉ lệ cân bằng nồng độ NO

2500 °Κ

2600 °Κ

2800 °Κ

3000 °Κ

động cơ phát ra Bởi vậy khi tác động để thay đổi theo một trong các thông số nàycũng sẽ kéo theo sự thay đổi một trong các thông số khác Điều này dẫn tới sự thay đổinồng độ các chất gây ô nhiễm như NOx, CO, HC và bồ hóng trong khí xả Vì vậy, chế

độ vận hành động cơ là tổng hợp hầu hết các yếu tố ảnh hưởng đã nêu, nên nó ảnhhưởng trực tiếp tới tốc độ hình thành ô nhiễm trong quá trình cháy của động cơ diesel

1.3.CÁC BIỆN PHÁP GIẢM ĐỘC TỐ KHÍ XẢ CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL

1.3.1.Các nguyên tắc cơ bản để giảm thiểu độc tố khí xả động cơ diesel tàu thuỷ

Nhận thức rõ tầm quan trọng của vấn đề ô nhiễm khí xả, các nước trên thế giớiliên hiệp đưa ra các điều khoản nhằm hạn chế dần mức độ phát thải của các chất độchại do động cơ diesel sinh ra Và xu thế của các tiêu chuẩn về ô nhiễm do động cơdiesel thải ra môi trường ngày một giảm, trong tương lai chỉ số này sẽ giảm xuống 3lần

Trong công ước MARPOL 73/78, phụ lục VI ký ngày 27/09/1997 về việc thayđổi hàm lượng cho phép của các thành phần độc tố NOx có trong khí xả động cơ dieselmới có công suất lớn hơn 130 kW lắp đặt trên tàu thuỷ kể từ ngày 01/01/2000 Ngày

23/11/1999, EPA đã ra văn bản “Kiểm soát sự ô nhiễm không khí từ động cơ diesel

tàu thuỷ đóng mới công suất từ 37 kW trở lên”.

Tuy nhiên vì lý do công nghệ chưa thể hoàn thiện ngay trong thời gian ngắn nênviệc thực hiện công ước được các quốc gia tiến hành lập kế hoạch cho từng giai đoạnđến năm 2010, nhằm đáp ứng chỉ tiêu động cơ sạch của IMO (bảng 1.1) Đồng thờiIMO cũng đã khuyến cáo rằng năm 2000 phải giảm 3% hàm lượng khí do các động cơdiesel lắp trên tàu vận tải quốc tế và các tàu hoạt động ở khu vực đông dân cư thải ramôi trường Cũng theo nghị định thư KYOTO thì năm 2005 này 30 nước công nghiệpphát triển sẽ phải cắt giảm lượng khí nhà kính ít nhất là 5% ở mức năm 1990 trong giaiđoạn từ năm 2008 ÷ 2012

Bảng 1.1: Phụ lục VI của MARPOL về giới hạn cho phép của ô nhiễm

Với động cơ có công suất lớn, dung tích xylanh D ≥ 30 dm3

Tốc độ động cơ (n, v/ph) NOx (g/kWh)

130 v/ph ≤ n < 2000 v/ph 45.n-0,2

Với động cơ có công suất nhỏ và vừa, dung tích xylanh V < 30 dm3

V(dm3)

NOx + HC(g/kWh)

PM(g/kWh)

N ≥ 37 kW

0.9 ≤ V < 1.2 4.0 0.181.2 ≤ V < 2.5 4.0 0.122.5 ≤ V < 5.0 5.0 0.125.0 ≤ V < 15 5.0 0.16

Hiện nay các nước trên thế giới cũng đều đã đưa ra chương trình quốc gia về vấn

đề giảm hàm lượng các độc tố này và bản thân các nước cũng đều đưa ra các cam kết

về việc áp dụng các biện pháp cấp thiết để làm giảm mức độ phát thải các thành phầnđộc tố kể trên đến năm 2010 Để thực hiện được các kế hoạch đó, các nước đều có cáccông trình nghiên cứu trên nhiều lĩnh vực khác nhau và cũng đã đạt được nhiều thànhtựu đáng kể Điển hình trong số đó là các hãng sản xuất động cơ diesel sạch theo IMOnhư CATERPILLAR, YANMAR, KYBOTA …Các nhà sản xuất nhiên liệu cũng liêntục đưa ra các sản phẩm dầu mỏ mới cùng với các chất phụ gia để tăng khả năng cháyhết của nhiên liệu, giảm mài mòn, giảm thiểu ô nhiễm môi trường như hãng Shell,Castrol … Các thiết bị lọc xả cũng đang được áp dụng rộng rãi trên các loại động cơôtô thế hệ mới như hãng HYTE, HORIBA EMD, ENGELHARD …

Ở nước ta hiện nay cũng đang nghiên cứu để áp dụng phụ chương VI của IMOcho vận tải thuỷ do đó việc nghiên cứu các biện pháp giảm thiểu ô nhiễm khí thải cũngđang được quan tâm đặc biệt để sớm hội nhập với khu vực và quốc tế Các nghiên cứucủa chúng ta cũng đã có những thành quả bước đầu như việc chế tạo xúc tác khí thải

ba chức năng chứa đất hiếm, về sự hình thành của các thành phần độc tố trong buồngcháy động cơ đốt trong Tuy vậy với yêu cầu giảm nhanh phát thải ô nhiễm trongnhững năm tới thì việc tiếp tục nghiên cứu để tiến tới đáp ứng các chỉ tiêu của khu vực

- Tăng khả năng cháy hết bằng cách tăng hệ số không khí thừa α Các công trìnhnghiên cứu cho thấy khi α≈ 1.15 sẽ làm cho hàm lượng NOx sinh ra là nhỏ nhất.

- Tảng tốc độ cấp nhiên liệu để hạn chế cháy rớt tại khu vực vòi phun, đóng cáucặn trong buồng đốt…

- Thay đổi góc phun nhiên liệu

- Sử dụng phụ gia cho nhiên liệu, nhiên liệu sạch (có hàm lượng S và chỉ sốXêtan thấp) và hỗn hợp nhiên liệu (nhũ tương dầu nước)

♣Hoàn thiện kết cầu buồng cháy

Lắp thêm các buồng cháy phụ như: buồng cháy xoáy lốc, buồng cháy trước … đểlàm tăng cường độ xoáy lốc, tăng khả năng hoà trộn của không khí và nhiên liệu từ đólàm giảm khí NOx, muội và khói

♣Giảm nhiệt độ quá trình cháy

- Phun nước trực tiếp vào buồng đốt

- Tăng số lỗ phun của vòi phun và giảm đường kính lỗ phun, tăng áp suất phunlàm nhiên liệu phun tốt hơn kết quả là làm giàm số vùng nhiệt độ cao từ đó giảm hàmlượng khí NOx và suất tiêu hao nhiên liệu

- Dùng chất trơ có tỉ nhiệt lớn để hạn chế nhiệt độ max

♣Sử dụng hoá chất trung hoà

Sử dụng chủ yếu Urê và NH3 làm chất trung hoà khí thải Khi đó các chất xúc tác

sẽ tác dụng với các thành phần độc tố có trong sản phẩm cháy để tạo ra các chất khônggây ô nhiễm

♣Dùng thiết bị hấp thụ khí xả

Để hấp thụ khí xả thì phải sử dụng vật liệu xốp kết hợp với một số kim loại hấpthụ mạnh

♣Hồi lưu khí xả

Khí cháy sẽ được đưa một phần quay trở về cửa nạp để đưa vào động cơ

Trên cơ sở nguyên tắc chung này người ta có rất nhiều các phương pháp tác độngnhằm đạt được mục tiêu đã đề ra Các phương pháp chung đó bao gồm:

♦Hoàn thiện kết cấu động cơ và điều chỉnh các thông số điều chỉnh

♦Sử dụng chất phụ gia cho nhiên liệu, nhiên liệu sạch và hỗn hợp nhiên liệu

♦Sử dụng chất trung hoà và hồi lưu khí xả

1.3.2.Các phương pháp giảm thiểu độc tố khí xả

1.3.2.1.Phương pháp hoàn thiện kết cấu động cơ và điều chỉnh các thông số điều

chỉnh

♣Thay đổi góc cấp nhiên liệu

Sự thay đổi hàm lượng khí NOx theo góc cấp nhiên liệu đã được thực nghiệmtrên động cơ 6L 160PN biểu diễn trên hình 1.14 Thực chất của sự tăng hàm lượng khí

NOx khi tăng góc phun sớm là do thời gian cháy trễ tăng, vòng quay TB-MN cũng như

áp suất tăng áp giảm trong khi lượng cấp nhiên liệu vẫn giữ nguyên

Qua các thí nghiệm cũng cho thấy rất rõ rằng vấn đề giảm sự gia tăng lượng cấpnhiên liệu khi tăng tải (dhp/dt) có ý nghĩa rất lớn với việc giảm hàm lượng độc tố trongkhí thải động cơ diesel

Hình 1.14: Sự thay đổi hàm lượng NO x theo thời gian cháy và các góc cấp nhiên liệu

khác nhau của động cơ diesel 6L 160PN

Như vậy, để giảm hàm lượng các độc tố trong khí xả, đồng thời đảm bảo chỉ tiêukinh tế của động cơ thì lượng cấp nhiên liệu cần phải được điều chỉnh phù hợp vớitừng điều kiện tải và vòng quay cũng như loại động cơ

♣Điều chỉnh thời điểm cấp nhiên liệu

Với động cơ có hệ thống điều chỉnh thời điểm bắt đầu cấp nhiên liệu bằng gócxiên của rãnh xoắn trên thân BCA thì việc giảm hàm lượng khí NOx phụ thuộc vào góccấp nhiên liệu Tuỳ thuộc vào áp suất tăng áp, phụ tải và vòng quay động cơ mà tươngứng có góc cấp và kết thúc cấp khác nhau Điều chỉnh thời điểm đầu với mục đíchgiảm hàm lượng khí NOx và thời điểm cuối để giảm hàm lượng lưu huỳnh, do lượngnhiên liệu cấp vào giai đoạn đầu quá trình cháy càng nhiệu thì hàm lượng NOx càngcao do nhiệt độ quá trình cháy tăng nhưng hàm lượng CO, S và khói lại giảm và ngượclại

Để thay đối thời điểm cấp nhiên liệu theo mục đích của mình người ta sử dụng hệthống tự động điều chỉnh VIT theo nhiều đại lượng Hệ thống này đang được áp dụngrộng rãi cho các động cơ hiện đại có mức độ cường hoá cao Các động cơ diesel có sử

10 20 30 40

1,5 2,0

2,5 245

dụng VIT có thể chỉnh góc phun cũng như lượng cấp nhiên liệu theo các thông số vềtải trọng, vòng quay với sự trợ giúpcủa cơ cấu thanh răng đôi.

Hình 1.15: Sự thay đổi thành phần khí thải và suất tiêu hao nhiên liệu có ích theo góc

phun sớm ϕfs của động cơ diesel YANMAR-236

Các sơ đồ tự động đã được các nhà khoa hóc như Lưsepki A.C, Pêtuxovi B.A …sáng chế, sơ đồ này đã được áp dụng rộng rãi cho các loại động cơ diesel như ZulseRBL và các động cơ khác Việc chế tạo BCA với cơ cấu tự động điều chỉnh góc phunnhiên liệu theo áp suất tăng áp đã thu được hiệu quả khá cao trong thực nghiệm, hệthống này với mục đích cơ bản là giảm hàm lượng khí NO trong khí thải động cơdiesel

Tuy nhiên để đạt được kết quả tốt hơn cần sử dụng hệ thống tự động điều chỉnhquá trình cấp nhiên liệu bằng điện tử và phương pháp mô phỏng số Điều này rất phứctạp nhất là khi tiến trong diều kiện của Việt Nam Ngoài ra vẫn có một số loại động cơ

sử dụng hệ thống tích tụ nhiên liệu với vỏi phun điện thuỷ lực, hệ thống nhiên liệuđược cấp các nguồn xung động tạo quá trình mở tế vi dẫn động áp lực cho việc cấpnhiên liệu và van điện từ làm nhiệm vụ điều khiển quá trình bắt đầu, kết thúc nhiênliệu Điều chỉnh thời điẻm đầu với mục đích giảm hàm lượng khí NOx, và thời điểmcuối để giảm hàm lượng COx, SOx Hệ thống này đang được nghiên cứu áp dụng trongtương lai

♣Thay đổi cường độ cháy và áp suất phun nhiên liệu

Việc nâng cao cường độ cháy và phun nhiên liệu ở áp suất cao kết hợp với cáckết cấu đặc biệt của vòi phun BCA đang là vấn đề được quan tâm với các động cơ caotốc Phương pháp này được các nhà khoa học Mỹ và Anh nghiên cứu và đã áp dụngtrên một số động cơ MAN B&W

Để tăng cường độ cháy thì phải tăng số lỗ phun của vòi phun và giảm đường kính

lỗ phun để giảm kích thước hạt nhiên liệu trong buồng cháy Như vậy đòi hỏi côngnghệ chế tạo vòi phun và BCA phải đi trước một bước và nhiên liệu sử dụng yêu cầuphải sạch hơn để tránh kẹt hay tắc vòi phun do đó nếu sử dụng dầu FO thì quá trìnhphân ly, lọc yêu cầu phải rất sạch Mặt khác khi tăng áp suất lớn nhất trong động cơlên 10 bar thì độ bền của piston phải tăng 10%

Thử nghiệm này trên động cơ BAC 32 với áp suất cháy tăng từ 155 bar lên 165bar thì hàm lượng khí NOx là 11 g/kW.h (giảm 30% so với chế độ ban đầu), suất tiêuhao nhiên liệu giảm từ 187 g/kW.h xuống 180 g/kW.h Như vậy việc tăng áp suất phun

nhiên liệu cùng với tăng số vòng quay động cơ cũng làm giảm hàm lượng khí NOx,khói và nâng cao hiệu quả kinh tế.

♣Thay đổi áp suất không khí tăng áp và hệ số không khí thừa α

Tăng áp nhằm đáp ứng lượng không khí cần thiết cho quá trình cháy hoàn toànnhiên liệu, tăng hệ số dư lượng không khí α, nhờ vậy tăng nhiệt độ và áp suất môi chấtcuối quá trình nén, giảm thời gian cháy trễ, kéo dài thời gian cấp nhiên liệu vào buồngđốt và tăng lượng cấp nhiên liệu cho một chu trình Như vậy, tăng áp cừa nhằm tăgncông suất động cơ, vừa cải thiện quá trình cháy, quá trình nạp, thải cho động cơ Sovới động cơ không tăng áp, hàm lượng khói, S, CO đều giảm xuống nhưng hàm lượngkhí NOx lại tăng lên, mức độ tăng áp càng cao thì độ tăng hàm lượng khí NOx càng lớnnhất là với các động cơ diesel cường hoá

Phương pháp này đã được các nhà sản xuất nghiên cứu từ rất sớm cùng với việcnâng cao công suất và hiệu suất động cơ diesel, mà điển hình là các hãng sản xuấtđộng cơ diesel

Đối với động cơ diesel khi làm việc ở chế độ chuyển tiếp mức độ thay đổi hàmlượng các độc tố khí xả đối với động cơ diesel có tăng áp phức tạp, mức độ tăng củacác thành phần độc tố này trong khí xả phụ thuộc vào thời gian, tốc độ và tính trễ củacác thiết bị tăng áp, thiết bị cấp nhiên liệu, tính chất của mômen cản, mômen quán tínhcủa động cơ và thiết bị tiêu thụ công suất Với mục đích giảm các sai lệch có hại củacác thông số liên quan tới quá trình cháy như hệ số dư lượng không khí α, thời giancháy trễ … so với chế độ ổn định thì việc lựa chọn các thiết bị có độ trế, mômen quántình nhỏ là vấn đề cốt lõi

Để giảm tính trễ của dòng khí thải khi động cơ làm việc ở chế độ chuyển tiếpngười ta sử dụng các dạng tuabin tăng áp biến áp Mặt khác để làm giảm hàm lượngkhói, S và CO2 thì phải giảm mômen quán tính của rôto TB-MN Jqt làm giảm độ trễcủa vòng quay tua bin khi tăng giảm tải động cơ Tuy nhiên khi giảm Jqt của rôto TB-

MN gây khó khăn cho vấn đề công nghệ chế tạo, mặt khác nó làm giảm tính ổn địnhcủa động cơ khi hoạt động ở chế độ ổn định với tải cao, nhất là với các động cơ diesel

có số xilanh ít và vòng quay thấp Khi sử dụng TB-MN biến áp sẽ làm xấu quá trìnhcông tác của động cơ nếu sự phân tải của các xilanh không đều nhau hay có một vàixilanh cháy kém Phương án này hiện áp dụng cho các động cơ cao tốc, nhiều xilanh

và thường xuyên hoạt động ở chế độ không ổn định

Để khắc phục bớt nhược điểm của TB-MN khi làm việc ở chế độ chuyển tiếpngười ta đang nghiên cứu và hoàn thiện việc sử dụng bình khí nén hỗ trợ tăng lượngkhông khí nạp khi động diesel làm việc ở các chế độ chuyển tiếp Việc lựa chọnphương thức tăng áp cũng như thiết bị tăng áp theo chế độ công tác của dộng cơ nhằmhạn chế tính trễ của hệ thống khi thay đổi tải cũng đang là vấn đề được quan tâm, đặcbiệt là các động cơ trung cao tốc.

♣Hoàn thiện kết cấu buồng cháy

Hình 1.16: Sự ảnh hưởng của hệ số xoáy lốc đến hàm lượng các thành phần độc tố

trong khí xả động cơ diesel.

1-Hệ số xoáy lốc R=2, 2-Hệ số xoáy lốc R=6, 3-Hệ số xoáy lốc R=4

Khi tăng cường xoáy lốc thì hàm lượng khí NOx cũng tăng do tăng lượng ôxytham gia phản ứng cháy, tuy nhiên nếu tăng cường độ xoáy lốc quá giới hạn thì hàmlượng NOx giảm do giảm khả năng khuếch tán ôxy, còn đối với hàm lượng CO và khóithì ngược lại Vì vậy việc lựa chọn hệ số xoáy lốc hợp lý là rất khó khăn

Sự ảnh hưởng của hệ số xoáy lốc đến hàm lượng các thành phần độc tố có trongkhí xả động cơ diesel biểu diễn trên đồ thị thực nghiệm ở hình 1.16

Theo đồ thị ta thấy khi tăng mức độ xoáy lốc, với góc phun sớm tối ưu ở chế độđầy tải, suất tiêu hao nhiên liệu giảm xuống, mức độ khói cũng giảm vì khả năng hoàtrộn hỗn hợp cháy tốt hơn Đồng thời cũng làm hàm lượng khí CO và các hạt cứnggiảm xuống, nhưng ngược lại hàm lượng khí NOx lại tăng lên

0 10 20 30

0,2 0,2

0,2 0,2

Hình 1.17 Ảnh hưởng của dạng buồng cháy đến nồng độ NO trong động cơ diesel

OC: Buồng cháy thống nhấtPC: Buồng cháy dự bị SC: Buồng cháy xoáy lốcM: Buồng cháy MAN

Để cải thiện tính năng kinh tế kỹ thuật và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơngười ta sử dụng buồng cháy phân cách mà chủ yếu là buồng cháy xoáy lốc để làmtăng cường độ xoáy lốc Trong các điều kiện như nhau, nồng độ NOx đối với buồngcháy thống nhất lớn hơn so với buồng cháy phân cách Do hỗn hợp trong buồng cháyphụ quá đậm đặc nên tạo ra nhiều NOx tại đây song khi ra buồng cháy chính hỗn hợplại quá loãng nên hàm lượng khí NOx giảm Hàm lượng khí NOx sinh ra trong buồngcháy phụ chiếm phần lớn (khoảng 65%) toàn bộ lượng khí NOx có trong khí xả, nênnếu giảm thể tích buồng cháy phụ sẽ giảm được hàm lượng khí NOx

Tuy nhiên việc giảm thể kích thước buồng cháy phụ chỉ có giới hạn vì nếu thểtích của buồng cháy dự bị quá nhỏ thì sẽ không đủ năng lượng để giải phóng các tialửa để bốc cháy hỗn hợp taong buồng cháy chính, hơn nữa việc tính toán góc xoáy lốc

ở buồng cháy xoáy lốc khó khăn Mặt khác để giảm nồng độ các thành phần độc tố cóthể tăng thể tích buồng cháy chính do quá trình cháy trong buồng cháy chính diễn ravới hệ số dư lượng không khí lớn, thời gian cháy trễ nhỏ và hỗn hợp hoà trộn tốt nênhàm lượng các thành phần độc tố khác nhau như khói và muội đều giảm Song nếutăng thể tích buồng cháy sẽ làm giảm tỉ số nén, giảm tính kinh tế của động cơ

Vấn đề này hiện đang được quan tâm nghiên cứu tại các phòng thí nghiệm củacác hãng sản xuất động cơ diesel và được áp dụng vào các động cơ diesel cỡ nhỏ, caotốc có thể tích buồng cháy nhỏ

♣Thay đổi lượng cấp nhiên liệu bằng cách sử dụng vòi phun có điều chỉnh

5 10

SC PC M

OC

Với phương pháp này nhiên liệu được điều chỉnh phụ thuộc vào chế độ tải Việcphun có điều chỉnh làm giảm nồng độ NOx và giảm suất tiêu hao nhiên liệu Khi ở chế

độ nhẹ tải và phun ở chế độ điều chỉnh thì nhiệt độ trung bình trong buồng cháy thấpcho đến khi phun chính do đó nồng độ NOx giảm xuống Thực nghiệm đã chứng minhrằng với phương pháp này có thể giảm được suất tiêu hao nhiên liệu và lượng HCgiảm 40%

Tuy nhiên ở chế độ nhẹ tải phương pháp này chỉ giảm lượng NOx tới mức 3,5(g/kWh), ở chế độ trung tải NOx chỉ giảm ở 5,5 (g/kWh) sau đó lại tăng lên, ở chế độnặng tải thì không gây ảnh hưởng gì tới HC và khói nhưng nó có ảnh hưởng trái ngượcđối với suất tiêu hao nhiên liệu

1.3.2.2.Phương pháp sử dụng phụ gia cho nhiên liệu, nhiên liệu sạch và hỗn hợp

nhiên liệu

♣Sử dụng nhũ tương dầu nước

Các nhà khoa học Nga đã chế tạo ra thiết bị điều chỉnh hàm lượng nhũ tươngtheo vòng quay và phụ tải động cơ Hệ thống như vậy đã được thử nghiệm trên động

cơ VASA-32 Kết quả thử nghiệm cho thấy khi hệ thống hoạt động ở chế độ tự động,suất tiêu hao nhiên liệu giảm 1 ÷ 2 (g/kWh), hàm lượng khói giảm từ 3 ÷ 4 lần, hàmlượng khí NOx và CO giảm tới 35 ÷ 40%, hiệu suất kinh tế đạt lớn nhất khi hàm lượngnước tối ưu

Phương pháp này hiện đang áp dụng thí điểm trên một số xe khách ở Đức,và ởNhật đã bán ra loại nhiên liệu nhũ tương dầu nước hoà trộn sẵn cho một số xe vận tảidùng động cơ diesel kiểu cũ không thay đổi gì về kết cấu Mặt khác nó cũng được ápdụng cho một số phà RoRo Transfennica để vận chuyển khách giữa các đảo của Anhvới bán đảo Scandinavia Kết quả cho thấy có thể giảm được nồng độ NOx xuống 20 ÷

30% Đây là một hướng nghiên cứu hiện đang được các viện nghiên cứu về động cơdiesel trên thế giới hết sức quan tâm

♣Phun nước trực tiếp vào buồng đốt phụ

Phương pháp phun trực tiếp nước vào buồng đốt là một trong những biện pháplàm giảm nhiệt độ buồng cháy, tăng khả năng hoà trộn hỗn hợp cháy do vậy làm giảm

NOx Để tăng khả năng ưu việt của nước phun thì nước được phun vào trong buồngcháy xoáy lốc Việc phun nước trực tiếp vào buồng cháy xoáy lốc trước khi phunnhiên liệu đã làm giảm đáng kể khí NOx thải ra Vì hầu như tất cả nước bị bốc hơingay trong buồng cháy xoáy lốc nên nhiệt độ ngọn lửa ở tâm buồng cháy giảm xuống

đáng kể đồng thời sự ăn mòn, mài mòn sơ mi xilanh và xéc-măng giảm hơn so vớiđộng cơ thông thường.

Tuy nhiên phương pháp này còn có hạn chế trong việc đưa nước vào buồng cháy

và khi NOx đã hình thành rồi thì nước đưa vào không có tác dụng làm giảm NOx,không làm giảm thành phần hữu cơ tan được, khói giảm tương đối ít, suất tiêu haonhiên liệu tăng không đáng kể

Hiện nay một số động cơ diesel đã sử dụng vòi phun hai thân, với kết cấu nàynhiên liệu và nước đồng thời được phun vào buồng cháy chính ở dạng hỗn hợp quamột vòi phun Ngoài ra có thể sử dụng hai vòi phun riêng biệt có hai hệ thống cấpcông chất riêng, phương pháp này hiện đang được các nhà khoa học Đức áp dụng chomột số tàu biển

♣Làm ẩm không khí nạp

Là một biện pháp đưa nước vào buồng đốt gián tiếp thông qua không khí nạp.Yêu cầu chung của phương pháp này là nước phải được lọc thật sạch trước khi hoàtrộn với không khí và lượng nước phải thật phù hợp với lượng không khí sẽ cấp vàoxilanh động cơ

Khi không khí nạp ẩm, nhiệt độ khí nạp sẽ giảm đi Việc không khí nạp vừa ẩmvừa có nhiệt độ thấp sẽ có tác dụng làm giảm nhiệt độ cháy cực đại Tmax và sẽ làmgiảm tốc độ tạo thành NOx tại quá trình cháy trong xilanh Ngoài ra nước có mặt trongkhông khí nạp (hoặc trong buồng đốt) còn có tác dụng tích cực làm giảm các thànhphần HC, CO, bồ hóng và các bụi khói … Do có sự gia tăng hoà trộn hỗn hợp khôngkhí-nhiên liệu sẽ giúp quá trình cháy hoàn thiện hơn

Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản khi sử dụng, làm giảm các chất độc hại, đặcbiệt là NOx mà không cần lắp đặt nhiều thiết bị phức tạp khác

Nhược điểm của phương pháp này là nếu lượng nước quá nhiều trong không khínạp sẽ ăn mòn piston, xilanh và các cơ cầu nạp xả

♣Sử dụng nhiên liệu chọn lọc và chất phụ gia

Việc ứng dụng các chất phụ gia cho nhiên liệu và dùng nhiên liệu có hàm lượng

S, chỉ số Xếtn thấp đang là mục tiêu của các nhà sản xuất nhiên liệu và cũng đang làvấn đề được các nước rất quan tâm.Quá trình công tác của động cơ diesel sử dụngnhiên liệu sạch có sự phân bố đều nhiên liệu trong buồng đốt, loại bỏ các điểm cháycục bộ và hỗn hợp không đồng đều về mặt thành phần hoá học là những khu vực sinh

ra 60 ÷ 70% NOx và SOx