Cấp khí nén vào buồng đốt động cơ diesel ở thời điểm phun nhằm giảm phát thải NOx

Bài viết phân tích các thành phần phát thải độc hại trong khí thải của động cơ diesel và các yêu cầu pháp lý đối với thành phần của khí thải từ tàu, chủ yếu từ động cơ diesel. Bài viết đã đề cập đến các giới hạn ngày càng khắt khe hơn đối với việc phát thải các thành phần khí thải độc hại của động cơ tàu thủy.

TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ CẤP KHÍ NÉN VÀO BUỒNG ĐỐT ĐỘNG CƠ DIESEL Ở THỜI ĐIỂM PHUN NHẰM GIẢM PHÁT THẢI NOx TO SUPPLY THE COMPRESSED AIR AT THE FUEL INJECTION TIMING INTO THE COMBUSTION CHAMBER OF DIESEL ENGINE FOR REDUCTION OF NOx LƯU QUANG HIỆU Khoa Máy tàu biển, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Email liên hệ: luuquanghieu@vimaru.edu.vn Tóm tắt Bài báo phân tích thành phần phát thải độc hại khí thải động diesel yêu cầu pháp lý thành phần khí thải từ tàu, chủ yếu từ động diesel Bài báo đề cập đến giới hạn ngày khắt khe việc phát thải thành phần khí thải độc hại động tàu thủy Tác giả thực so sánh hiệu phương pháp khác sử dụng để giảm phát thải oxit nitơ Một giải pháp hiệu cung cấp khí nén vào buồng đốt động diesel Tác giả chế giảm NOx khí thải cách nén khí cung cấp vào buồng đốt động diesel Từ khóa: Phát thải độc hại, khí xả, oxit nitơ, khơng khí nén Abstract The components of the exhaust gases emission and the legal requirements are investigated in this paper The strict limitation of exhaust gases emission has been mentioned The authors have made a comparison between the different methods to reduce the nitrogen oxides (NOx) into the exhaust gases One of the solutions is the compressed air supplied into the combustion chambers of diesel engines The authors showed the mechanism to decrease the nitrogen oxides into the exhaust gases by the compressed air supplied into the combustion chamber of diesel engine Keywords: Harmful emissions, exhaust gas, nitrogen oxides, compressed air Vấn đề phát thải khí độc hại từ tàu Hoạt động giao thông vận tải nguồn gây nhiễm khơng khí lớn (chiếm tới 60 ÷ 80%) Giống phương thức vận tải khác, tàu biển sông nguồn gây nguy hiểm cho môi trường Mặc dù tỷ lệ ô nhiễm không khí từ tàu tổng thể tương đối nhỏ không vượt 3% SỐ 63 (8-2020) ô nhiễm lại tập trung chủ yếu vùng có mật độ tàu qua lại cao bến cảng gây nguy hiểm cho dân cư khu vực [3] Khí xả từ động đốt hỗn hợp phức tạp với khoảng 200 thành phần Bốn thành phần bao gồm khí ni tơ (N2), oxy (O2), cacbonic (CO2) nước (H2O) chiếm 99-99,9% thể tích khí xả Những chất khí khơng gây độc mà thành phần gây độc chiếm 0,1-1% thể tích hỗn hợp khí thải Trong đó, thành phần khí độc hại khí xả động diesel oxit nitơ Khí thải động chứa khoảng 10 loại hợp chất nitơ với oxy, NO chiếm tỷ lệ lớn từ 95-98% Chiếm 2-5% oxit lại bao gồm: NO2; N2O; N2O3 Khí CO sản phẩm trung gian phản ứng hóa học nhiên liệu với oxy khí Sự hình thành CO buồng đốt động phụ thuộc vào tính đồng hỗn hợp nhiên liệu-khơng khí Nói cách đơn giản, carbon monoxide hình thành kết q trình đốt cháy nhiên liệu khơng hồn tồn, liên quan trực tiếp đến hệ số khơng khí thừa buồng đốt Và hydrocarbon (CHx) nhóm hợp chất hóa học lớn khí thải CHx có mặt khí thải nhiên liệu bị đốt cháy khơng hồn tồn xi lanh động [3] Hiện tổ chức Hàng hải quốc tế IMO áp dụng quy định phát thải khí NOx từ tàu áp dụng cho động diesel có cơng suất từ 130kW trở lên, động lai chân vịt, lai máy phát động dự phòng Tổ chức Hàng hải quốc tế kiểm sốt phát thải khí NOx hệ thống với tiêu chuẩn (three-tier system) ứng với năm tàu bắt đầu đóng cơng suất động buộc chủ tàu phải áp dụng giải pháp nhằm giảm phát thải chất khí độc hại Các yếu tố ảnh hưởng đến phát thải NOx Sự hình thành NOx xảy theo chế nhiệt vùng cháy nhiệt độ cao, kết q trình oxy hóa nitơ với oxy tự Nếu hình thành hầu hết chất độc hại q trình cháy khơng hồn tồn nhiên liệu hình thành NOx 47 TẠP CHÍ KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ diễn hồn hảo q trình cháy góc độ hiệu lượng nhiên liệu Nhiệt độ tối đa chu kỳ cao hiệu suất động cao tạo nhiều NOx [1, 3, 4] ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY tới làm giảm lượng khí nạp vào động cơ, đồng thời làm tăng nhiệt độ cuối kỳ nén, dẫn tới làm tăng nhiệt độ cháy cực đại Như vậy, tác động giảm nhiệt độ không khí nạp góp phần cải thiện q trình cháy, giảm phát thải Hình Ảnh hưởng nhiệt độ buồng đốt đến nồng độ NOx Giảm chất độc hại khí thải động diesel nhiệm vụ khoa học kỹ thuật phức tạp Các giải pháp triển khai thực tế thường bám sát quy định kiểm sốt phát thải, vấn đề giảm phát thải cần giải cần thiết đảm bảo tiêu kinh tế kỹ thuật động Mỗi phương pháp giảm phát thải hướng đến số thành phần khí thải định Những biện pháp nhằm giảm NOx nhiều có tác động đến hàm lượng CO CHx, gia tăng việc tạo muội Vì lựa chọn giải pháp hay giải pháp khác để cải thiện việc phát thải khí độc hại ln cân nhắc mối quan hệ tổng hòa chất độc hại, hiệu sử dụng nhiên liệu chi phí áp dụng Hình Ảnh hưởng nhiệt độ khí nạp đến phát thải NOx Các thơng số cung cấp nhiên liệu có ảnh hưởng đến q trình đốt cháy chúng theo thành phần độc hại: áp suất phun, chu kỳ cấp nhiên liệu, góc phun sớm quy luật phun Độ mịn nhiên liệu phụ thuộc vào áp suất phun Hỗn hợp nhiên liệu khơng khí phân tán mịn đốt cháy nhanh hoàn toàn thu số tốt hiệu nhiên liệu độ khói Tuy nhiên, nhiệt độ cháy tăng dẫn đến phát thải oxit nitơ tăng lên (Hình 3) Giải pháp giảm thành phần độc hại trực tiếp trong xi lanh động cho phép tác động trực tiếp đến hình thành chất có hại q trình đốt cháy nhiên liệu Đặc tính q trình cháy nhiên liệu xi lanh động phụ thuộc nhiều yếu tố, số chủ yếu có liên quan đến tính khơng đồng trường nhiệt độ theo thể tích buồng đốt lẫn thời gian [3] Nhiệt độ khơng khí nạp có ảnh hưởng đến phát thải NOx, nhiệt độ khơng khí nạp tăng dẫn đến gia tăng nhiệt độ cháy buồng đốt, kết phát thải NOx tăng độ khói giảm Hình Do đó, động tăng áp dùng tuabin khí xả có làm mát khơng khí tăng áp cho phép cải thiện tiêu môi trường động Theo [3], giảm 10°C nhiệt độ khơng khí nạp vào xi lanh giúp giảm khoảng 10% lượng NOx tạo thành Ngược lại, nhiệt độ không khí nạp tăng làm giảm tỷ trọng khí, dẫn 48 Hình Ảnh hưởng áp suất phun nhiên liệu đến phát thải NOx Nghiên cứu [2, 4] cho thấy việc hình thành NOx phụ thuộc đáng kể vào độ lớn góc phun sớm Điều giải thích, giảm góc phun sớm nhiệt độ cháy cực đại thời gian tỏa nhiệt giảm Vì giảm góc phun sớm hàm lượng NOx giảm, nhiên theo logic phát thải CO, CHx muội SỐ 63 (8-2020) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY tăng (Hình 4) Bên cạnh đó, giảm góc phun sớm để giảm phát thải NOx tác động tiêu cực đến hiệu sử dụng nhiên liệu động Theo kết nghiên cứu [4] giảm góc phun sớm 10o vịng quay trục khuỷu chế độ định mức hàm lượng NOx khí xả giảm 60%, hiệu sử dụng nhiên liệu giảm 10% lượng muội tăng 100% Có thể thấy hầu hết biện pháp nhằm giảm phát thải NOx dẫn đến giảm hiệu sử dụng nhiên liệu khí thải Nồng độ oxit nitơ sau đạt cực đại có xu hướng giảm dần tăng lượng khơng khí cấp (Hình 5) Điều phần lớn NOx hình thành khoảng thời gian ngắn, chủ yếu giai đoạn thứ hai trình đốt cháy nhiên liệu, với gia tăng lượng khơng khí cấp nhiệt độ buồng đốt giảm, nhiệt độ cao nguyên nhân để hình thành NOx Như vậy, giải pháp hiệu giảm phát thải khí độc hại từ động diesel đảm bảo tính kinh tế tìm giá trị hệ số khơng khí thừa tối ưu  Gkk Lo g e N e (1) Trong đó: Gkk- lượng khơng khí cấp cho động giờ, kg/h; Hình Sự phụ thuộc phát thải khí độc hại vào góc phun sớm Lo - lượng khơng khí lý thuyết để đốt cháy hết kg dầu diesel, kg/kg; ge - suất tiêu hao nhiên liệu, kg/kWh; Ne - công suất có ích động cơ, kW Từ cơng thức (1) thấy giá trị hệ số khơng khí thừa α tối ưu đạt thơng qua điều chỉnh cấp nhiên liệu khơng khí Thực tế khai thác hệ số khơng khí thừa thường trì theo cách điều chỉnh cấp nhiên liệu, nhiên phương pháp làm giảm khả tăng tốc động cơ, giai đoạn độ diễn lâu, đặc biệt trình tăng tải bị chậm trễ đáng kể Do đó, điều chỉnh lượng khơng khí cung cấp cho động có lợi định Hình Ảnh hưởng tỉ số nhiên liệu/khơng khí đến phát thải NOx Lượng khơng khí cấp vào buồng đốt động có ảnh hưởng đáng kể đến hàm lượng NOx khí thải Khi đốt cháy hỗn hợp giàu phát thải NOx giảm có liên quan đến việc thiếu oxy tự [2] Tại thời điểm mà tỷ lệ nhiên liệu khơng khí xấp xỉ 16: 1, nồng độ NOx đạt đến giá trị tối đa (Hình 5) Điều gia tăng nhiệt độ buồng đốt - điều kiện thuận lợi cho trình hình thành NOx dẫn đến nồng độ chất thải đạt giá trị tối đa Tiếp tục gia tăng lượng khơng khí cấp vào buồng đốt khiến nồng độ NOx có xu hướng giảm Giảm phát thải NOx phương pháp cấp khơng khí nén Những phân tích cho thấy hệ số khơng khí thừa α có ảnh hưởng đáng kể đến độc tính SỐ 63 (8-2020) Nhiên liệu phun vào buồng đốt động diesel dạng chùm, bắt đầu khoảng 15-25o vòng quay trục khuỷu trước điểm chết diễn 20-35o Khi nhiên liệu phun vào buồng đốt cấu trúc đặc trưng chùm nhiên liệu dẫn đến phân bố khơng đồng hỗn hợp nhiên liệu khơng khí Hệ số khơng khí thừa buồng đốt động không số theo thời gian thể tích Ngay phía bên lửa hệ số α biến Thực tế khơng có khơng khí lõi lửa, chủ yếu giọt nhiên liệu, vùng α ≈ 0, xa lõi có nhiều khơng khí hỗn hợp, α ≈ điểm chớp cháy Không gian chùm nhiên liệu có khơng khí nên α→ ∞ Việc cấp khí nén vào buồng đốt động với nhiên liệu làm tăng hệ số khơng khí thừa, giúp q trình hịa trộn nhiên liệu khơng khí diễn nhanh, cải thiện mật độ khơng khí tâm chùm nhiên liệu Lượng khơng khí 49 TẠP CHÍ KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ cấp nhiên liệu đồng thời làm giảm nhiệt độ cháy cực đại buồng đốt giúp cải thiện số phát thải khí độc hại ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY hành xy lanh động cơ, vòi phun thay mới, cảm biến áp suất khí lắp van thị cảm biến áp suất lắp ống cao áp đường cấp nhiên liệu Trong trình thử nghiệm đồng thời tiến hành đo lượng nhiên liệu tiêu thụ, thời gian, nhiệt độ khí thải, nhiệt độ nước làm mát nồng độ chất khí độc hại Các thông số bên buồng đốt xác định thiết bị HLV 2005 MK hãng Baewert GMBH Kết thử nghiệm chế độ tải khác thể Hình Hình Mơ hình phát triển chùm nhiên liệu Hình Sự phụ thuộc nồng độ NOx vào tải động Hình Vịi phun nhiên liệu kép - Đường cấp nhiên liệu; - đường cấp khơng khí; - van chiều; - vít điều chỉnh Để cấp thêm khơng khí vào buồng đốt động sử dụng vòi phun giới thiệu nghiên cứu A.E Svistul [5] Vòi phun nhiên liệu thiết kế để động làm việc với hỗn hợp nhiên liệu chất phụ gia Tuy nhiên, ta sử dụng dạng vòi phun để cung cấp hỗn hợp nhiên liệu khơng khí buồng đốt đồng thời Trong khơng khí nhiên liệu cấp vào buồng đốt theo hai nhánh riêng biệt có van chiều giúp ngăn nhiên liệu vào đường khơng khí Nhiên liệu khơng khí hịa trộn khoang hịa trộn đầu vịi phun (Hình 7) Kết nhiên liệu phun vào buồng đốt dạng hỗn hợp nhiên liệu - khơng khí Thí nghiệm cung cấp khơng khí có áp lực cao vào buồng đốt động thời điểm phun nhiên liệu thực động không tăng áp 4NVD24 lai máy phát điện làm việc theo đặc tính tải Động làm việc với số vòng quay cố định, lượng nhiên liệu cấp cho động tự động điều chỉnh theo tải thông qua nhiên liệu Tải động cố định thông qua điều chỉnh cường độ dòng điện hiệu điện bảng điều khiển.Thử nghiệm tiến 50 Từ kết thử nghiệm đưa số nhận xét sau: - Ở chế độ tải thấp việc cấp thêm không khí vào buồng đốt có tác động nhỏ đến phát thải NOx; - Hiệu khơng khí cấp thêm vào buồng đốt thực ghi nhận động làm việc gần chế độ tải định mức Ở giá trị áp suất thị trung bình Pi = 0,48 Mpa, cung cấp khơng khí nhiên liệu giúp giảm nồng độ NOx 37,8%, áp suất cháy cực đại Pz giảm 0,27 Mpa tương ứng 5,6%; - Tiếp tục tăng tải động cơ, lượng phát thải NOx tăng khơng cịn phụ thuộc nhiều vào việc cấp bổ sung khơng khí Kết lần khẳng định việc hình thành NOx chịu ảnh hưởng hệ số khơng khí thừa Khi cung cấp thêm khơng khí vào buồng đốt tạo thay đổi, hệ số khơng khí thừa α tăng đồng thời nhiệt độ cháy cực đại giảm làm giảm lượng NOx tạo thành Nồng độ NOx khí thải giảm cịn giải thích chất lượng phun nhiên liệu cải thiện cấp khơng khí có áp lực cao Sự có mặt khơng khí tạo bọt khí nhiên liệu làm yếu sức căng bề mặt độ bám dính nhiên liệu, từ bọt khí góp phần phân nhỏ hạt nhiên liệu chúng rời khỏi vòi phun SỐ 63 (8-2020) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ Kết luận TÀI LIỆU THAM KHẢO Như vậy, yếu tố ảnh hưởng đến phát thải NOx khí thải động diesel nhiệt độ cháy cực đại, thời gian cháy nhiệt độ cao trạng thái hịa trộn hỗn hợp khơng khí - nhiên liệu Cấp trực tiếp khơng khí vào buồng đốt với nhiên liệu thời điểm phun giải pháp đồng thời giải nhiều vấn đề bao gồm: tăng tỉ lệ khơng khí/nhiên liệu, khơng khí phân bố buồng đốt, cải thiện chất lượng phun nhiên liệu giảm nhiệt độ cháy cực đại Khơng khí cấp bổ sung với nhiên liệu giúp xé nhỏ hạt dầu, hạn chế vùng thiếu oxy cục gần vòi phun, bóng khí nằm xen lẫn chùm nhiên liệu nguồn bổ sung oxy tạo điểm chớp cháy Giải pháp làm tăng hiệu trình cháy nhiên liệu đồng thời giảm phát thải khí độc hại mơi trường, đáp ứng u cầu ngày nghiêm ngặt tổ chức Hàng hải quốc tế quốc gia thành viên [1] Phạm Hữu Tân Mơ hình tính tốn q trình cháy trình hình thành NOx buồng đốt động diesel có hồi lưu khí xả Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 31 (8/2012), tr.25-39, 2012 Lời cảm ơn Nghiên cứu sản phẩm đề tài nghiên cứu khoa học cấp Trường năm học 2019-2020: “Nghiên cứu giảm phát thải khí độc hại động trung tốc cách cấp khí nén vào buồng đốt thời điểm phun nhiên liệu”, hỗ trợ kinh phí Trường Đại học Hàng hải Việt Nam SỐ 63 (8-2020) [2] Strauss, Sebastian, and Yangbing Zeng The Effect of Fuel Spray Momentum on Performance and Emissions of Direct-Injected Two-Stroke Engines SAE transactions: pp.2146-2157, 2004 [3] Альферович В В Токсичность двигателей внутреннего сгорания Минск-БНТУ 56 p, 2016 [4] Перспективные технологии снижения выбросов NOx судовых дизелей (материалы конгресса CIMAC 2013) Двигателестроение., № pp 38-54, 2014 [5] Свистула А.Е Повышение показателей рабочего процесса дизеля улучшением смесеобразования и сгорания: автореф дис.… докт техн наук Барнаул, 2007 35 с Ngày nhận bài: 21/04/2020 Ngày nhận sửa: 08/05/2020 Ngày duyệt đăng: 19/05/2020 51 ... Hình Ảnh hưởng tỉ số nhiên liệu/khơng khí đến phát thải NOx Lượng khơng khí cấp vào buồng đốt động có ảnh hưởng đáng kể đến hàm lượng NOx khí thải Khi đốt cháy hỗn hợp giàu phát thải NOx giảm có... sau: - Ở chế độ tải thấp việc cấp thêm khơng khí vào buồng đốt có tác động nhỏ đến phát thải NOx; - Hiệu không khí cấp thêm vào buồng đốt thực ghi nhận động làm việc gần chế độ tải định mức Ở giá... đến nồng độ chất thải đạt giá trị tối đa Tiếp tục gia tăng lượng khơng khí cấp vào buồng đốt khiến nồng độ NOx có xu hướng giảm Giảm phát thải NOx phương pháp cấp không khí nén Những phân tích