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

- 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.
- Vấn đề phát thải của động cơ đốt trong.
- Các thành phần phát thải độc hại chính của động cơ đốt trong .
- Kết quả thí nghiệm đo NOx trên xe máy CHƯƠNG III: MÔ HÌNH HÓA CHU TRÌNH ĐỘNG CƠ XĂNG THEO NGUYÊN LÝ NHIỀU VÙNG .
- Mô hình đa vùng tính toán chu trình nhiệt động của động cơ .
- Tính toán truyền nhiệt của các chi tiết động cơ CHƯƠNG IV: MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH TẠO NOx TRONG ĐỘNG CƠ XĂNG...58 i 4.1.
- Mô hình hóa quá trình tạo NOx trong động cơ xăng .
- Sự cân bằng phản ứng cháy trong xylanh động cơ xăng .
- Mô hình hóa khí xả NOx trong động cơ CHƯƠNG V: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ THẢO LUẬN .
- Hoàng Đình Long Đề tài được thực hiện tại Bộ môn Động Cơ đốt trong Viện Cơ khí động lực trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
- Tỷ lệ (khối lượng) các chất độc hại trong khí thải động cơ xăng Hình 1.2.
- Công suất động cơ Đồ thị 2.2.
- Công suất động cơ Đồ thị 2.4.
- Sơ đồ truyền nhiệt của động cơ Hình 3.3: Minh họa mô hình toán theo nguyên lý đa vùng Hình 5.1.
- Một trong các nguồn ô nhiễm chủ yếu là khí thải động cơ đốt trong, thiết bị cung cấp tới 80% tổng năng lượng tiêu thụ trên toàn cầu.
- Một trong những nguyên nhân chủ yếu đó là khí thải của động cơ đốt trong.
- Chính vì vậy, việc nghiên cứu kiểm soát phát thải từ ngay bên trong xi lanh động cơ đối với xe máy sẽ góp phần quan trọng vào giảm ô nhiễm môi trường.
- Để thực hiện được điều này cần nghiên cứu cơ chế và đặc điểm hình thành các thành phần độc hại từ trong xi lanh động cơ.
- Do vậy, đề tài: “Nghiên cứu mô hình hóa quá trình phát thải NOx trong động cơ đốt trong” được hình thành nhằm góp phần thực hiện một phần mục tiêu trên.
- GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Vấn đề phát thải của động cơ đốt trong 1.1.1 Các thành phần phát thải độc hại chính của động cơ đốt trong Quá trình cháy lý tưởng của hỗn hợp hydrocarbon với không khí chỉ sinh ra CO2, H2O và N2.
- Tuy nhiên, do sự không đồng nhất của hỗn hợp cũng như do tính chất phức tạp của các hiện tượng lý hóa diễn ra trong quá trình cháy nên trong khí xả động cơ đốt trong luôn có chứa một hàm lượng đáng kể những chất độc hại như oxit nitơ (NO, NO2, N2O, gọi chung là NOx), monoxit carbon (CO), các hydrocarbon chưa cháy (HC) và các hạt rắn, đặc biệt là bồ hóng (trong động cơ diesel) [1, 2].
- Nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả phụ thuộc vào loại động cơ và chế độ vận hành.
- Trái lại, bồ hóng là chất gây ô nhiễm quan trọng trong khí xả động cơ Diesel, nhưng không đáng kể trong khí xả động cơ xăng.
- Sau đây phân tích cụ thể từng thành phần độc hại trong khí xả của động cơ.
- Tỷ lệ các chất độc hại trong khí thải của động cơ xăng Hình 1-1 trình bày tỷ lệ trung bình tính theo khối lượng các chất độc hại trong khí thải động cơ xăng theo chương trình đặc trưng của Châu Âu [2].
- Tỷ lệ (khối lượng) các chất độc hại trong khí thải động cơ xăng.
- Các chất độc hại chính trong khí thải động cơ xăng là CO, HC và NOx.
- Nồng độ các thành phần độc hại này phụ thuộc rất nhiều vào hệ số dư lượng không khí λ và các chế độ làm việc của động cơ.
- Sử dụng bugi kiểu mới: Thực tế chứng tỏ, kết cấu của bugi ảnh hưởng rất lớn đến diễn biến quá trình cháy, tức ảnh hưởng đến tính kinh tế và sự phát thải ô nhiễm của động cơ.
- Tỷ số nén ε: Tỷ số nén ε là một thông số rất quan trọng của động cơ.
- Nói chung, khi tăng ε thì hiệu suất của động cơ tăng, ge giảm có nghĩa là giảm phát thải CO2.
- Luân hồi khí thải Để giảm NOx, một số động cơ (kể cả xăng và diesel) dùng phương pháp luân hồi khí thải [5], thực chất là đưa một phần sản vật cháy trở lại để đốt.
- 12 Luân hồi bên ngoài là phương pháp trích một phần khí thải từ đường thải quay trở lại đường nạp để hoà trộn với khí nạp mới trên đường nạp vào động cơ.
- Tuy nhiên, khí thải luân hồi sẽ làm cho hỗn hợp “bẩn” hơn cũng tương tự như trường hợp hệ số khí sót γr lớn dẫn tới làm giảm tinh kinh tế của động cơ nói chung và động cơ không thể phát ra công suất cực đại ở chế độ toàn tải.
- Mặt khác, ở chế độ không tải cũng không dùng luân hồi vì khi đó hỗn hợp có thể quá nghèo không cháy được, động cơ sẽ bị chết máy.
- Thiết kế động cơ dùng hỗn hợp nghèo Khi dùng hỗn hợp với λ > 1 (Ví dụ với λ = 1,2 chẳng hạn) tức là hỗn hợp nghèo thì các thành phần độc hại như CO và NOx giảm đi.
- Hình thành khí hỗn hợp phân lớp: Phương pháp hình thành khí hỗn hợp phân lớp được áp dụng trong động cơ phun xăng trực tiếp.
- Bản chất của phương pháp này là bố trí một bugi đánh lửa trong buồng cháy của động cơ tại vị trí hỗn hợp có thành phần λ nhỏ (hỗn hợp đậm λ để đốt hỗn hợp bằng tia lửa điện.
- Như vậy, hỗn hợp toàn bộ của động cơ là hỗn hợp nhạt (hỗn hợp này ở động cơ thông thường là quá nhạt, không thể cháy được).
- Do động cơ làm việc với λ lớn nên sinh ra ít độc hại.
- Hiện nay, tất cả các nhà sản xuất ô tô hàng đầu thế giới đều nghiên cứu chế tạo động cơ hình thành khí hỗn hợp phân lớp và đã đưa ra rất nhiều loại kết cấu với buồng cháy thống nhất và buồng cháy ngăn cách.
- Hạn chế sử dụng động cơ ở chế độ tải nhỏ Ở chế độ tải nhỏ, lượng khí nạp mới ít, hệ số khí sót lớn (hỗn hợp “bẩn” hơn), hỗn hợp cháy không tốt nên chất lượng khí thải kém và suất tiêu thụ nhiên liệu cao.
- Do đó, khi sử dụng nên hạn chế vận hành động cơ ở chế độ tải nhỏ.
- Để cho trong xylanh chỉ diễn ra quá trình công tác như ở chế độ tải lớn, nhằm mục đích giảm tiêu thụ nhiên liệu và giảm độc hại trong khí thải, một số hãng đã chế tạo động cơ có thể cắt một số xylanh khi động cơ chỉ cần phát ra công suất nhỏ (tải nhỏ).
- Gần đây, hãng Mercedes-Benz đã đưa ra hai loại động cơ chữ V 8 và 12 xylanh dùng cho ô tô du lịch sử dụng biện pháp này.
- Động cơ được trang bị một cơ cấu cơ-điện-thủy lực để cắt nhiên liệu và dừng cơ cấu phối khí của một nhánh chữ V khi tải nhỏ.
- Sử dụng nhiên liệu thay thế + Cồn: Cồn (alcohol) có cấu trúc phân tử CnH2n+2-i(OH)i được sản xuất từ công nghiệp thực phẩm có thể sử dụng làm nhiên liệu trong động cơ đốt trong.
- Ngoài ra, do chỉ số octan cao nên có thể tăng được tỷ số nén làm tăng hiệu suất động cơ.
- Tuy nhiên, do nhiệt trị thấp hơn xăng ( đối với ethanol chỉ bằng 62%) nên công suất động cơ dùng cồn thấp hơn khá nhiều so với động cơ dùng xăng.
- Nhiên liệu khí: Nhiên liệu khí chủ yếu dùng trong động cơ là khí hóa lỏng Liquified Petroleum Gas (LPG) và khí thiên nhiên nén Compressed Natural Gas (CNG).
- Khí sinh vật (Biogas) ở nước ta hầu như chưa được sử dụng để chạy động cơ.
- Khí thải động cơ khi dùng nhiên liệu khí ít độc hại hơn so với dùng xăng do thành phần cacbon trong nhiên liệu ít hơn (nhiều hydro hơn) và hỗn hợp nhiêu liệu – không khí hòa trộn tốt và cháy tốt hơn nên độc hại chỉ bằng khoảng 30% so với khi dùng xăng.
- Dùng động cơ hybrit Hiện nay đã có nhiều hãng chế tạo ô tô (Ford, Toyota, Honda.
- xe máy (Honda) dùng động cơ hybrid.
- Trên xe lắp động cơ đốt trong và một máy điện hoạt động ở hai chế độ động cơ và máy phát.
- Ở chế độ thông thường, ví dụ chạy trên xa lộ, động cơ đốt trong (xăng hoặc diesel) truyền lực cho bánh xe và kéo máy phát điện nạp cho acquy.
- Khi chạy trên đường thành phố chỉ dùng động cơ điện do acquy kéo nên không gây ô nhiễm.
- Những lúc cần công suất lớn có thể dùng cả hai động cơ.
- Một số động cơ ít xylanh có thể bố trí van một chiều trên đường ống thải.
- Phương pháp này rất hiệu quả đối với động cơ có hỗn hợp đậm (λ nhỏ).
- Khí thải đến từ động cơ trước hết vào bộ xử lý khử NOx.
- Vì vậy, hệ thống nhiên liệu của động cơ cụ thể là bộ chế hòa khí (có trang bị điện tử) hay thiết bị phun xăng phải điều chỉnh sao cho λ = 1.
- Cụ thể, động cơ có bộ xử lý ba đường không được dùng xăng pha chì.
- Như đã trình bày, bộ xử lý ba đường có hiệu quả xử lý cao nên được coi là phương pháp xử lý hoàn hảo nhất hiện nay đối với động cơ xăng.
- Châu Âu cũng qui định bắt 19 buộc đối với những động cơ xăng cho ô tô từ đời xe 2000 trở đi.
- Bộ xử lý xúc tác hấp thụ NOx dùng cho hỗn hợp nghèo (NOx – Absorber) Khi dùng động cơ hỗn hợp nghèo để giảm độc hại thì λ > 1 khá nhiều.
- Bộ xử lý hấp thụ cũng có thể dùng cho động cơ diesel.
- Nhận xét chung Với các thành phần khí thải độc hại phát ra từ động cơ đang hàng ngày gây ô nhiễm môi trường.
- Vấn đề giảm phát thải đã được đặt nên hàng đầu với các biện pháp cải tiến động cơ và biện pháp xử lý khí thải đã được áp dụng.
- Còn các động cơ có bộ xử lý xúc tác trên đường thải (dù xăng hay diesel) thì hiệu quả xử lý NOx còn thấp và thiết bị đắt tiền nên lượng NOx phát ra còn cao.
- Do đó, việc nghiên cứu giảm thiểu sự hình thành NOx từ ngay bên trong xi lanh động cơ, đặc biệt động cơ xe máy, là điều rất cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn cao.
- Để có cơ sở 20 thực hiện vấn đề này, cần nghiên cứu cơ chế và đặc điểm quá trình hình thành NOx trong xi lanh động cơ để nghiên cứu giảm thành phần phát thải độc hại này từ gốc.
- Mục đích Xây dựng và phát triển mô hình toán nghiên cứu cơ chế và đặc điểm quá trình hình thành NOx trong xi lanh động cơ.
- Phạm vi và đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu sự hình thành NOx trong xi lanh động cơ xe máy trên cơ sở nghiên cứu chu trình nhiệt của động cơ và sự hình thành NOx trong quá trình cháy.
- Tổng quan về phát thải và kiểm soát phát thải trong động cơ đốt trong 2.
- Xây dựng mô hình tính chu trình nhiệt của động cơ theo nguyên lý đa vùng.
- Xây dựng mô hình tính toán quá trình tạo NOx trong xi lanh động cơ 5.
- Thí nghiệm được thực hiện trên động cơ xe máy Honda Wave-α trên băng thử xe máy AVL tại phòng thí nghiệm động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực, Trường đại học Bách Khoa Hà Nội.
- Qua đó giúp cho quá trình nghiên cứu cải tiến xe máy và động cơ được dễ dàng.
- Băng thử động học gồm một động cơ điện công suất 23,9kW dẫn động con lăn thông qua hộp số làm liền động cơ.
- Vì trục con lăn chính là trục động cơ điện nên từ tốc độ con lăn có thể xác định được tốc độ xe.
- Bánh đà và đĩa phanh (phanh hơi) được gắn trên trục động cơ và con lăn có nhiệm vụ tích lũy năng lượng.
- Trên động cơ chính còn có cơ cấu đo lực dùng nguyên lý phanh điện xoay chiều.
- 23 Lực kéo lớn nhất của động cơ ở chế độ động cơ là 1512N ở 90km/h.
- Lực kéo lớn nhất của động cơ ở chế độ khi sử dụng nhiều là là 945N ở 90 km/h.
- Lượng nhiên liệu trong bình chứa được đo liên tục trong 24 từng giây dựa vào lượng nhiên liệu còn trong bình ECU sẽ tính ra lượng nhiên liệu tiêu thụ của động cơ.
- Nhiên liệu tới động cơ.
- Nhiên liệu hồi từ động cơ.
- Bộ đo P-M: Trong thử nghiệm công nhận kiểu về khí thải, người ta dung phương pháp đo trực tiếp P-M trong khí thải của động cơ diesel để xác định lượng phát thải g/km (đối với xe con, xe tải nhẹ) hay g/kWh.
- Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Đại học Bách khoa Hà Nội có cân siêu chính xác: có dải đo 1mg – 2100mg với độ chính xác 0,001mg.
- Trong kết quả trên ta quan tâm tại tốc độ 90 km/h công suất động cơ tại 2 lần đo là 3,65 và 4,015kW và hàm lượng phát thải tại 2 lần đo là 382 và 388ppm.
- MÔ HÌNH HÓA CHU TRÌNH ĐỘNG CƠ THEO NGUYÊN LÝ NHIỀU VÙNG 3.1.
- Đặt vấn đề Xác định các thông số của chu trình động cơ đốt trong là việc làm không thể thiếu trong nghiên cứu, hoàn thiện và phát triển động cơ.
- Kết quả có thể nhận được bằng thực nghiệm, tuy nhiên việc này tốn nhiều thời gian và đòi hỏi chi phí thí nghiệm rất cao, đặc biệt là đo nhiệt độ hoặc thành phần khí cháy trong xylanh động cơ, nên không phải phòng thí nghiệm động cơ nào cũng có thể thực hiện được.
- Do đó, mô hình hóa chu trình nhiệt động và quá trình trao đổi nhiệt trong động cơ sẽ khắc phục được các khó khăn nói trên và xác định được tất cả các thông số cần thiết.
- Hiện nay, mô hình hóa được áp dụng rất rộng rãi trong nghiên cứu động cơ [7, 8].
- Một số phần mềm thương mại như phần mềm đa phương KIVA, phần mềm nhiệt động hóa học quá trình công tác của động cơ PROMO, phần mềm BOOST, FIRE, vv.
- cho phép xác định được các thông số cần thiết của động cơ.
- Mặt khác, các phần mềm thương mại thường có giá khá cao và người sử dụng lại không thể thay đổi, bổ sung hoặc kết nối với các mô hình khác như mô hình tính toán các thành phần độc hại trong động cơ chẳng hạn.
- Mô hình đa vùng tính toán chu trình nhiệt động của động cơ 3.2.1

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt