Nghiên cứu mô hình hóa quá trình phát thải NOx trong động cơ đốt trong

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Nguyễn Năng Minh NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH PHÁT THẢI NOx TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ NHIỆT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ NHIỆT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS HOÀNG ĐÌNH LONG Hà Nội – Năm 2011 MỤC LỤC Nội dung Trang LỜI CAM ĐOAN iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .iv DANH MỤC CÁC BẢNG v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ vi LỜI NÓI ĐẦU .vii CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG .1 1.1 Vấn đề phát thải động đốt 1.1.1 Các thành phần phát thải độc hại động đốt 1.1.2 Các biện pháp giảm độc hại khí thải 1.1.3 Nhận xét chung 20 1.2 Mục đích nội dung nghiên cứu đề tài .21 1.2.1 Mục đích .21 1.2.2 Các vấn đề thực đề tài- Nhiệm vụ đề tài 21 CHƯƠNG II: THÍ NGHIỆM ĐO NOx 22 2.1 Hệ thống thử nghiệm khí thải xe máy .22 2.1.1 Băng thử xe máy 22 2.1.2 Thiết bị đo nhiên liệu 733S 24 2.1.3 Thiết bị lấy mẫu .25 2.1.4 Tủ phân tích khí CEBII phân tích 25 2.2 Kết thí nghiệm đo NOx xe máy 36 CHƯƠNG III: MÔ HÌNH HÓA CHU TRÌNH ĐỘNG CƠ XĂNG THEO NGUYÊN LÝ NHIỀU VÙNG 43 3.1 Đặt vấn đề 43 3.2 Mô hình đa vùng tính toán chu trình nhiệt động động 44 3.2.1 Các Phương trình 44 3.2.2 Các phương trình mô hình toán tổng quát 49 3.2.3 Tính toán truyền nhiệt chi tiết động .53 CHƯƠNG IV: MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH TẠO NOx TRONG ĐỘNG CƠ XĂNG 58 i 4.1 Đặt vấn đề 58 4.2 Mô hình hóa trình tạo NOx động xăng 58 4.2.1 Sự cân phản ứng cháy xylanh động xăng 58 4.2.2 Mô hình hóa khí xả NOx động 60 CHƯƠNG V: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ THẢO LUẬN .63 5.1 Kết tính toán 63 5.2 Thảo luận 71 Kết luận hướng nghiên cứu tiếp 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đề tài nghiên cứu riêng hướng dẫn PGS TS Hoàng Đình Long Đề tài thực Bộ môn Động Cơ đốt Viện Cơ khí động lực trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Các số liệu, kết trình bày luận văn hoàn toàn trung thực chưa công bố công trình Hà Nội, ngày tháng năm Tác giả Nguyễn Năng Minh iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CO NO NO2 HCs NOx Carbon Monoxide (Cacbon monoxít) Nitric Oxide (Nitơ monoxít) Nitrogen Dioxide (Nitơ dioxít) Hydrocarbon Không Cháy Nitrogen oxides ( Nitơ oxít) ηe Hiệu Suất Động Cơ p Dung Tích Xylanh P Áp Suất Hiệu Dụng (kPa) nR Số Vòng Quay Của Trục Khuỷu Cho Mỗi Kỳ Sinh Công Trên Một Xy Lanh Vd Dung Tích Của Động Cơ (dm3) P Công Suất Động Cơ (W) iv DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật xe Wave α 36  Bảng 2.2 Công suất, lực kéo, suất tiêu hao nhiên liệu .37  Bảng 2.3 Hàm lượng phát thải 38  Bảng 2.4 Công suất, lực kéo, suất tiêu hao nhiên liệu .40  Bảng 2.5 Hàm lượng phát thải 41  Bảng 5.1 Các thông số đầu vào xe Wave α 63  v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Tỷ lệ (khối lượng) chất độc hại khí thải động xăng 3  Hình 1.2 Bộ xử lý xúc tác ba đường 18  Hình 2.1 Phòng thử xe máy CD20” .22  Hình 2.2 Hệ thống đo tiêu thụ nhiên liệu AVL 733S 25 Hình 2.3 Tủ CEBII 26 Hình 2.4 Sơ đồ cấu tạo phân tích CO 29 Hình 2.5 Sơ đồ cấu tạo phân tích NO NOx 31 Hình 2.6 Sơ đồ cấu tạo hệ thống đo O2 32 Hình 2.7 Sơ đồ hệ thống đo CnHm 34  Đồ thị 2.1 Công suất động .38  Đồ thị 2.2 Hàm lượng NOx 39  Đồ thị 2.3 Công suất động .40  Đồ thị 2.4 Hàm lượng NOx 42  Hình 3.1 Hệ thống nhiệt động lực học trình đốt cháy nhiên liệu 56  Hình 3.2 Sơ đồ truyền nhiệt động 57  Hình 3.3: Minh họa mô hình toán theo nguyên lý đa vùng 57  Hình 5.1 Áp suất theo góc quay trục khuỷu 64  Hình 5.2 Đồ thị công 65  Hình 5.3 Môi chất chưa cháy (Tunburn) .67  Hình 5.4 Nhiệt độ chung khí cháy theo góc quay trục khuỷu 68  Hình 5.5 Nhiệt độ trung bình khí thể xylanh (Tgas) theo góc quay trục khuỷu 69  Hình 5.6 Nồng độ NOx vùng .70  Hình 5.7 Nồng độ NOx trung bình theo chu trình 70 Hình 5.8 Ảnh hưởng thành phần hỗn hợp cháy đến NOx 71 Hình 5.9 Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến hàm lượng NOx 71 vi LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, vấn đề ô nhiễm môi trường nhận quan tâm giới, trở nên xúc với tất quốc gia Liên tục hội nghị thượng đỉnh tổ chức để bàn bạc đưa biện pháp xử lý ô nhiễm môi trường như: Rio De Janeiro (Braxin, 1992), Kyoto (Nhật, 1997) Johannesburg (Nam Phi, 9/2002), Bali(Indonexia 12/2007) hội nghị môi trường giới tổ chức Copenhague (Đan Mạch 12/2009) Môi trường xung quanh bị hủy diệt nghiêm trọng từ nhiều nguồn khác Một nguồn ô nhiễm chủ yếu khí thải động đốt trong, thiết bị cung cấp tới 80% tổng lượng tiêu thụ toàn cầu Hiện nay, giới có khoảng gần 800 triệu ôtô, hàng năm thải môi trường hàng trăm triệu độc hại Các hội nghị nhiều nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường Một nguyên nhân chủ yếu khí thải động đốt Đặc biệt loại phương tiện giao thông lưu hành Tại Việt Nam, với phát triển trình công nghiệp hóa, đại hóa nhu cầu sử dụng phương tiện giao thông vận tải ngày nhiều Trong xe máy chiếm tỷ lệ lớn nước lượng xe ôtô ngày tăng Ví dụ, tốc độ tăng bình quân xe máy năm 90 11,94% Tại thời điểm 31.12.1999 nước có 460.000 ôtô 5.585.000 xe máy hoạt động, cuối năm 2003 tăng lên đến 500.000 ôtô, khoảng 11 triệu xe máy, cuối nảm 2004 số tương ứng 523.509 13 triệu theo số liệu Đăng kiểm Việt Nam Năm 2008 theo ước tình nước ta có khoảng 700.000 ôtô 20 triệu xe máy Phần lớn số ôtô, xe máy tập trung đô thị lớn Hà Nội (12%), thành phố Hồ Chí Minh (30%)… gây ô nhiễm môi trường trầm trọng Do đó, việc nghiên cứu áp dụng phương pháp giảm thành phần phát thải độc hại phương tiện giao thông đặt Với mục đích đó, loại xe ô tô du lịch thường vii trang bị hệ thống xúc tác xử lý khí thải hầu hết xe máy không trang bị hệ thống nhiều lý Chính vậy, việc nghiên cứu kiểm soát phát thải từ bên xi lanh động xe máy góp phần quan trọng vào giảm ô nhiễm môi trường Để thực điều cần nghiên cứu chế đặc điểm hình thành thành phần độc hại từ xi lanh động Do vậy, đề tài: “Nghiên cứu mô hình hóa trình phát thải NOx động đốt trong” hình thành nhằm góp phần thực phần mục tiêu Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS TS Hoàng Đình Long thầy giáo môn Động Cơ Đốt Trong - Trường ĐHBK Hà Nội nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành luận văn ! Do thời gian, trình độ hạn chế mảng nghiên cứu mới, đề tài tránh sai sót định Kính mong quan tâm, góp ý Thầy Chuyên gia để đề tài đầy đủ hoàn thiện trình nghiên cứu Xin chân thành cảm ơn! Hà nội, ngày … tháng… năm 2011 Học viên thực Nguyễn Năng Minh viii CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Vấn đề phát thải động đốt 1.1.1 Các thành phần phát thải độc hại động đốt Quá trình cháy lý tưởng hỗn hợp hydrocarbon với không khí sinh CO2, H2O N2 Tuy nhiên, không đồng hỗn hợp tính chất phức tạp tượng lý hóa diễn trình cháy nên khí xả động đốt có chứa hàm lượng đáng kể chất độc hại oxit nitơ (NO, NO2, N2O, gọi chung NOx), monoxit carbon (CO), hydrocarbon chưa cháy (HC) hạt rắn, đặc biệt bồ hóng (trong động diesel) [1, 2] Nồng độ chất ô nhiễm khí xả phụ thuộc vào loại động chế độ vận hành Ở động Diesel, nồng độ CO nhỏ chiếm tỉ lệ không đáng kể, nồng độ HC khoảng 20% nồng độ HC động xăng nồng độ NOx hai loại động có giá trị tương đương Trái lại, bồ hóng chất gây ô nhiễm quan trọng khí xả động Diesel, không đáng kể khí xả động xăng Sau phân tích cụ thể thành phần độc hại khí xả động + CO: Monoxit carbon sản phẩm cháy C nhiên liệu điều kiện thiếu oxy Monoxit carbon dạng khí không màu, không mùi Khi kết hợp với sắt có sắc tố máu tạo thành hợp chất ngăn cản trình hấp thụ oxy máu, làm giảm khả cung cấp oxy cho tế bào thể Monoxit carbon độc, với hàm lượng nhỏ không khí gây cho người tử vong Hàm lượng cực đại cho phép [CO] = 33mg/m3 + HC: (Hydrocarbon, ký hiệu CmHn) loại hydrocarbon có nhiên liệu dầu bôi trơn không cháy hết chứa khí thải Hydrocarbon có nhiều loại Mỗi loại có mức độ độc hại khác nên đánh giá chung cách trực tiếp Ví dụ, paraffin naphtalin coi vô hại Trái lại, loại hydrocarbon thơm thường độc, ví dụ hydrocarbon có nhân 1 H2 ↔ H y7 P1/2 K1 = 1/2 y6 (4.7) O2 ↔ O y8 P1/2 K2 = 1/2 y4 (4.8) 1 H2 + O ↔ OH 2 K3 = y9 1/2 y1/2 y6 (4.9) 1 O2 + N2 ↔ NO 2 K4 = y10 y y31/2 (4.10) H2 + O2 ↔ H2O K5 = y2 1/2 1/2 y1/2 y6 P (4.11) CO + O2 ↔ CO2 K6 = 1/2 y1 1/2 y5 y1/2 P (4.12) Ở đây: P áp suất tính theo chu trình nhiệt động đa vùng ; Ki hàm nhiệt độ T(K) tính theo JANAF [15] có dạng sau: logKi = Aln(T/1000) + B/T + C + DT +ET2 (4.13) Ở đây: A, B, C, D, E số tra sách OLIKARA C BORMAN G [16] Vậy ta có hệ 11 phương trình từ (4.2) đến (4.12) giải theo P T tính chương cho 10 ẩn phần mol yi tổng mol N theo công thức Newton-raphsan method 4.2.2 Mô hình hóa khí xả NOx động Mục đích phần cải tiến chương trình mô để dự báo hình thành NOx động Oxit nitơ NOx hình thành bên động gồm nitric oxide NO, nitrous oxide N2O nitrogen dioxide NO2 Tuy nhiên động cháy cưỡng bức, theo số liệu thí nghiệm nồng độ N2O NO2 nhỏ so với nồng độ NO Chúng chiếm vài phần trăm khí xả NOx (Heywood, 1988) [1] Thành nghiên cứu khí xả NOx động cháy cưỡng (động xăng) chủ yếu NO N2O NO2 bỏ qua 60 Các nhiên liệu sử dụng động cháy cưỡng không chứa hợp chất nitơ nguồn phát thải NO trình oxy hóa nitơ khí chế nhiệt Cơ chế phức tạp nghiên cứu nhiều nhà nghiên cứu xem xét thống theo Heywood [1] Raine [10] Sự hình thành NO oxy hóa nitơ không khí mô tả chế Zeldovich Trong điều kiện hệ số dư lượng không khí xấp xỉ 1, phản ứng tạo thành phân hủy NO là: O + N2 = NO + N (4.14) N + O2 = NO + O (4.15) N + OH = NO + H (4.16) Các phản ứng thường xảy theo chiều thuận – nghịch với số tỷ lệ khác tương ứng với ki+ ki− Ở đây: i = 1, 2, ký hiệu phản ứng phương trình (4.14), (4.15) (4.16) tương ứng Trong nghiên cứu này, số tỷ lệ Heywood (1988) [5] đưa vào tính toán: k = 7,6.10 e + 13 −3800 T k1− = 1,6.1013 + với nhiệt độ 300 - 5000K k = 6, 4.10 Te − k = 1,5.10 Te −3150 T −19500 T k3+ = 4,1.1013 − k = 2.10 e 14 với nhiệt độ 2000 - 5000K −23650 T với nhiệt độ 300 - 3000K với nhiệt độ 1000 - 3000K với nhiệt độ 300 - 2500K với nhiệt độ 2200 - 4500K Tỷ lệ hình thành NO từ phản ứng (4.14) đến (4.16) tính công thức sau: 61 d [ NO ] = k1+ [O][ N ] + k2+ [ N ][O2 ] + k3+ [ N ][OH ] dt − k1− [ NO][ N ] − k2− [ NO ][O ] − k3− [ NO][ H ] (4.17) Các chất bên ngoặc vuông [ ] nồng độ mol chất cm3 Tương tự (4.17) viết cho d[N]/dt: d[ N ] = k1+ [O][ N ] − k2+ [ N ][O2 ] − k3+ [ N ][OH ] dt − k1− [ NO][ N ] + k2− [ NO ][O ] + k3− [ NO][ H ] (4.18) Bởi [N] so với nồng độ chất khác quan tâm (~10−8 thành phần mol), giả định là: d [ N ] dt = (4.19) Bằng cách loại trừ [N] phương trình (4.17) sử dụng giả thiết vào phương trình (4.18) ta tính tỷ lệ hình thành [NO] sau: − [ NO]2 ( K [O2 ][ N ]) d [ NO] = 2k1+ [O][ N ] dt + k1− [ NO] (k2+ [O2 ] + k3+ [OH ]) (4.20) k1+ k2+ Ở đây: K = − − k1 k2 Trong động cơ, NO hình thành môi trường cháy hỗn hợp luôn chiếm ưu sinh NO phía trước lửa Vì vậy, giả định NO hình thành khu vực sau lửa [O], [O2], [OH], [H], [N2] gần với giá trị cân (Heywood, 1988) [1] Những nồng độ xác định theo phương trình nhiệt động học 62 CHƯƠNG KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ THẢO LUẬN 5.1 Kết tính toán Ta sử dụng phần mềm lập trình FORTRAN để liên kết mô hình tính toán chu trình nhiệt động động phương trình động học NOx áp dụng cho xe Wave α với thông số đầu vào sau: Bảng 5.1 Các thông số đầu vào xe Wave α Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Đường kính piston b cm Hành trình piston S 4,95 cm Tỷ số nén r 9,0:1 ε 0,27 Tốc độ vòng quay n 7000 Hệ số lọt khí c 0,6875 Hệ số khí sót f 0,11 Hệ số dư lượng không khí φ 0,87 Nhiệt độ cửa nạp T1 300 K Nhiệt độ thành xylanh Tw 300 K Nhiệt độ piston Tp 300 K Nhiệt độ nắp máy Th 300 K θe -355 Độ zn Vùng Tham số kết cấu cấu truyền tay quay Góc quay trục khuỷu bắt đầu chu trình Số vùng 63 Vòng/phút Góc cháy θb 60 Độ Góc đánh lửa sớm θs -25 Độ Áp suất nạp p1 0,85 Bar Số chu trình chạy j 300 Chu trình Sau chạy phần mềm FORTRAN với vùng ta thu kết sau: a) Áp suất khí thể Áp suất khí thể tính toán chế độ toàn tải, tốc độ 5500 v/p (90km/h), lam da =0,95 thể đồ thị hình 5.1 hình 5.2 Áp suất khí thể (bar) Góc quay trục khuỷu (độ) Hình 5.1 Áp suất theo góc quay trục khuỷu Nhận xét: Ban đầu trình nạp áp suất suốt trình nạp coi áp suất đường nạp pa = 0,85bar Sau kết thúc trình nạp (xupáp nạp đóng) bắt đầu trình nén áp suất xylanh bắt đầu tăng Tiếp trình cháy pmax = pz = 35,1164 64 bar, giãn nở áp suất lại giảm dần đồ thị Quá trình thải (xupap thải mở) áp xuất xylanh pr = 1,0231bar Sau kết thúc trình thải để bắt đầu trình nạp, xylanh chứa đầy khí sót Khi piston xuống, khí sót giãn nở, áp suất xylanh giảm xuống xupap thải đóng muộn Từ thời điểm áp suất xylanh áp suất trước xupap nạp trở đi, khí nạp thực vào xylanh Áp suất khí thể (bar) hoà trộn với khí sót tạo thành hoà khí công tác Thể tích xi lanh (cm3) Hình 5.2 Đồ thị công Nhận xét: Từ đồ thị công (hình 5.2) ta tính công suất động để so sánh với kết thí nghiệm Công suất động (công suất có ích) để kéo máy công tác hiệu công suất thị công suất tổn thất khí tính theo công thức sau: Ne = Ni - Nm (5.1) Ni = f.Li (5.2) + Tính công suất thị: 65 Ở đây: f số chu trình giây f = in 1.7000 175 = = 30τ 30.4 Với: i số xylanh , τ số kỳ Li công thị chu trình thực tế, tổng đại số công dương công âm chu trình Khi làm thực nghiệm lấy đồ thị công, áp suất đường nạp đường thải thường khác thấp so với đường nén cháy nên phần công bơm nhỏ, khó xác định xác coi phần tổn thất khí động Từ đồ thị công theo công thức (5.2) ta thu tính công suất thị động là: Ni = 5,19 (kW) + Tính công suất tổn thất khí: Đó tổn thất ma sát mối ghép động, công suất dẫn động cấu phụ động bơm dầu, bơm nước, quạt gió…và công bơm trình nạp thải Được tính sau: N m = f Lm = Ở đây: pmVhin 30τ (5.3) pm áp suất tổn thất khí xác định thực nghiệm phụ thuộc bậc vào tốc độ trung bình piston cm Đối với động xe máy ta có: pm = 0,05 +0,015.cm (5.4) = 0,05 +0,015.11,55=0,22 (MPa) Sn 49,5.10−3.7000 = = 11,55 (m/s) Với cm = 30 30 Vh thể tích công tác: 66 Vh = π D2 S= π ( 0,5 ) 0, 495 = 97, 2.10−3 (dm3 ) ⇒ N m = pmVh f = 0, 22.97, 2.10 −3 175 = 1, 25 (kW ) Vậy Ne = Ni - Nm = 5,19 - 1,25 = 3,94 (kW) so với kết thí nghiệm với Ne = 3,82 kW ta thấy kết tính toán hoàn toàn chấp nhận Vì kết tính công suất động phải lớn kết đo khoảng 3% (kết đo đo bánh xe = công suất động – (tổn hao truyền xích, ma sát bánh xe) b) Nhiệt độ khí thể Kết tính toán nhiệt độ khí thể thể hình 5.3 5.4 5.5 Hình 5.3 biểu diễn nhiệt độ khí thể cục vùng Nhiệt độ khí thể (K) Góc quay trục khuỷu (độ) Hình 5.3 Môi chất chưa cháy (Tunburn) nhiệt độ khí cháy vùng (Tb1, Tb2, Tb3, Tb4, Tb5) Tại vùng ứng với nhiệt độ Tb1 ta thấy khác biệt rõ ràng so với vùng lại Thực vậy, bắt đầu trình cháy áp suất xylanh đạt cực đạt nhiệt độ lớn 67 Tại vùng từ Tb2 trở nhiệt độ diễn biến không theo chiều giảm mà vùng sau nhiệt độ nhô cao vùng trước gần trùng Do tổn thất nhiệt cho xylanh vùng lân cận….nhưng chia số vùng nhiều thể nhiệt độ theo chiều giảm xuống rõ rệt Nhiệt độ chưa cháy diễn biến đến nhiên liệu cháy kiệt lúc không vùng chưa cháy Còn nhiệt độ vùng từ đến gảm theo chiều tăng góc quay trục khuỷu áp suất giảm nhiệt truyền nhiệt cho chi tiết động Tb (K) 3000 2500 2000 1500 1000 500 -25 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 Góc quay trục( degree) khuỷu (độ) Crank Angle Hình 5.4 Nhiệt độ chung khí cháy theo góc quay trục khuỷu Nhiệt độ trung bình khí cháy thời điểm biểu diễn hình 5.4 Nhìn vào đồ thị ta thấy từ lúc bắt đầu cháy nhiệt độ bắt đầu tăng nhanh đến 2200K lớn khoảng 2460K giảm xuống áp suất giảm truyền nhiệt cho piston, xylanh, nắp máy 68 Nhiệt độ khí thể (K) Góc quay trục khủyu (độ) Hình 5.5 Nhiệt độ trung bình khí thể xylanh (Tgas) theo góc quay trục khuỷu Nhiệt độ trung bình khí thể thời điểm tính theo góc quay trục khuỷu biểu diễn hình 5.5 Nhìn vào đồ thị ta thấy từ lúc bắt đầu cháy nhiệt tăng từ 620K đến 2221K sau giảm phân tích đồ thị 5.4 nhiệt độ khí cháy c) Hàm lượng NOx Hàm lượng NOx tạo thành chu trình biểu diễn hình 5.6 Nồng độ NOx vùng khác biệt theo chiều giảm Đặc biệt nồng độ NOx vùng cao, NOx phụ thuộc lớn vào nhiệt độ mà nhiệt độ vùng lại cao so với vùng lại Nồng độ vùng lại giảm tương đối có trị số tương đối nhỏ 69 Hàm lượng NOx (ppm) Góc quay trục khuỷu (độ) Hình 5.6 Nồng độ NOx vùng Đồ thị hình 5.7 biểu diễn nồng độ NOx trung bình thay đổi theo thời gian (số chu trình), ban đầu nồng độ NOx thay đổi theo chiều tăng lúc động thời kỳ độ nóng dần để đến ổn định Sau động ổn định nồng độ NOx trung bình tương đối ổn định không thay đổi với nồng độ 423,412 ppm Hàm lượng NOx (ppm) Số chu trình Hình 5.7 Nồng độ NOx trung bình theo chu trình 70 d) Các yếu tố ảnh hưởng đến tạo thành NOx - Ảnh hưởng thành phần hỗn hợp: Hàm lượng NOx (ppm) 700 600 500 400 300 200 100 0.8 0.9 1.1 Lam da 1.2 1.3 Hình 5.8 Ảnh hưởng thành phần hỗn hợp cháy đến NOx Hình 5.8 thể ảnh hưởng lambda đến nồng độ NOx tạo thành Có thể thấy NOx có cực đại hỗn hợp nhạt (lambda = 1,05-1,1) - Anh hưởng góc đánh lửa sớm: Hình 5.9 biểu diễn ảnh hưởng góc đánh lửa sớm tới NOx Tăng góc đánh lửa sớm làm tăng nồng độ NOx khí thải hàm lượng NOx (ppm) 1000 800 600 400 200 10 15 20 25 30 35 Góc đánh lửa sớm (độ) 40 Hình 5.9 Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến hàm lượng NOx 5.2 Thảo luận Qua kết tính toán theo mô hình toán vùng ta có số nhận định sau: 71 Công suất động tính toán từ đồ thị công Ne = 3,94kW hoàn toàn sát với công suất động theo kết thí nghiệm Ne = 3,82kW Từ đồ thị nhiệt độ xylanh động theo góc quay trục khuỷu ta nhận thấy rõ ràng nhiệt độ vùng hoàn toàn khác nhau, đặc biệt nhiệt độ vùng Tb1 có khác biệt lớn so với vùng lại Từ đó, ta thấy theo nguyên lý vùng kết tính toán nhiệt độ vùng cháy tính theo nhiệt độ gần vùng màng lửa có giá trị cao hơn, tức có sai lệch lớn Vì nhiệt độ có ảnh hưởng lớn nồng độ NOx sinh xylanh, nên tính toán nhiệt độ xác quan trọng Đồ thị biểu diễn NOx sinh vùng cho thấy khác biệt lớn Ta thấy vùng nhiệt độ lớn vùng lại thời gian tồn lớn NOx lớn nhiều so với vùng lại Đồ thị biểu diễn NOx trung bình xác định theo chu trình cho thấy kết [NOx]= 423,412ppm tương đối phù hợp với thực nghiệm 388 ppm chế độ làm việc KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP Kết luận Đề tài xây dựng phát triển thành công mô hình tính toán chu trình nhiệt tạo thành NOx theo nguyên lý đa vùng Đây công cụ tin cậy cho việc nghiên cứu tính toán hoàn thiện động mà không cần chi phí tốn so với phần mềm đắt tiền Giúp nghiên cứu cải tiến động ngày tối ưu nhất, đảm bảo giảm phát thải NOx Mô hình tính toán có độ tin cậy cao (so sánh Ne NOx với số liệu thí nghiệm) Vì vậy, dùng để nghiên cứu nhân tố ảnh hưởng đến phát thải NOx biện pháp giảm NOx thực hướng phát triển đề tài Hướng nghiên cứu tiếp Nghiên cứu giảm hình thành NOx chu trình cách nghiên cứu tác động làm giảm nhiệt độ vùng (nhiệt độ cháy) chu trình 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Heywood, J B (1988) Internal Combustion Engine Fundamentals McGraw Hill, New York [2] Phạm Minh Tuấn (2009) Khí thải động ô nhiễm môi trường Nhà xuất khoa học kỹ thuật [3] William, L H (2005) Automotive Emission Control Reston Publishing Company, Inc New York [4] Yildiray Yildiz, Anuradha M Annaswamy, Diana Yanakiev, Ilya Kolmanovsky (2010) Spark ignition engine fuel-to-air ratio control An adaptive control approach Control Engineering Practice, Vol 18 [5] Deepak Agarwal, Shrawan Kumar Singh, Avinash Kumar Agarwal (2011) Effect of Exhaust Gas Recirculation (EGR) on performance, emisions, deposits and durability of a constant speed compression ignition engine Applied Energy, Vol 88 [6] Ta-Jen Huang, Chung-Ying Wu, Sheng-Hsiang Hsu, Chi-Chang Wu (2011) Electrochemical-catalytic conversion for simultaneous NOx and hydrocarbons emissions control of lean-burn gasoline engine Applied Catalysis B: Environmental, Vol 110 [7] Ferguson, C R (1986) Internal Combustion Engines - Applied thermosciences John Wiley & Sons [8] Bùi Văn Ga (2008) Mô hình hóa trình cháy động đốt Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2008 [9] Hoang, D L (2002) Mathematical modeling of multi-zone thermodynamics in pelrol engine during cold-start and warm-up Journal of Science & Technology, No 36, Hanoi 2002 73 [10] Raine, R., Stone, C R., and Gould, J (1995) Modelling of Nitric Oxide Formation in Spark Ignition Engines with a Multizone Burned Gas Combustion and Flame, vol 102, pp241-255 [11] Woschni, G (1967) A Universally Applicable Equation for Instantaneous Heat Transfer Coefficient in the Internal Combustion Engine SAE 670931 [12] Caton, J A and Heywood J B (1981) An Experimental and Analytical Study of Heat Transfer in an Engine Exhaust Port Int J Heat Mass Transfer, Vol 24, No 4, 1981 [13] Kaplan, J A and Heywood, J B (1991) Modelling the Spark Ignition Engine Warm-up Process to Predict Component Temperatures and Hydrocarbon Emissions SAE Transaction 910302 [14] Hoang, D L (2002) 051 Modelling of exhaust nitric oxide emissions from a cold – start gasoline engine International Conference on Automovite Technology (ICAT), Hanoi 2002 [15] Janaf Thermochemical tables, 2nd ed National Bureau of standards publications NSRDS-N35 37, Washington D.C 1971 [16] Olikara, C and Borman, G: A computer program for calculating properties of equilibrium combustion products with some applications on IC engines; SAE 910302, 1991 74 ... trường Để thực điều cần nghiên cứu chế đặc điểm hình thành thành phần độc hại từ xi lanh động Do vậy, đề tài: Nghiên cứu mô hình hóa trình phát thải NOx động đốt trong hình thành nhằm góp phần... phát thải kiểm soát phát thải động đốt Thí nghiệm đo phát thải NOx xe máy Honda Wave-α Xây dựng mô hình tính chu trình nhiệt động theo nguyên lý đa vùng Xây dựng mô hình tính toán trình tạo NOx. .. 1.2.2 Phạm vi đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu hình thành NOx xi lanh động xe máy sở nghiên cứu chu trình nhiệt động hình thành NOx trình cháy Đối tượng nghiên cứu xe máy Honda Wave-α 1.2.3 Nội