ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐIỀU CHỈNH ĐẾN HÀM LƯỢNG NOX TRONG KHÍ XẢ CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL doc

ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐIỀU CHỈNH
ĐẾN HÀM LƯỢNG NO
X
TRONG KHÍ XẢ CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL


TS. LÊ HOÀI ĐỨC
Bộ môn Động cơ đốt trong
Khoa Cơ khí
Trường Đại học Giao thông Vận tải

Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông điều chỉnh đến
hàm lượng NOx trong khí xả của động cơ diesel và qua đó tìm ra phạm vi khai thác hợp lý cho
người sử dụng để giảm ô nhiễm môi trường.
Summary: The paper presents some reseach results on the impact of adjustment parameters
on the content of NOx in exhaust gas discharged from diesel engines, based on which suitable
operational ranges have been found to help users reduce environmental pollution.

I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay, các loại thiết bị có công suất lớn, nguồn động lực chính vẫn là động cơ diesel.
Đối với Việt Nam, các động cơ diesel hầu hết là nhập khẩu, khi đưa và sử dụng và khai thác, do
điều kiện khí hậu của Việt Nam thay đổi tác động tới chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật và môi trường của
động cơ. Xác định các thông số điều chỉnh trong quá trình khai thác một cách hợp lý có ý nghĩa
lớn trong việc nâng cao chất lượng khai thác phương tiện có sử dụng động cơ diesel, làm tăng
hiệu quả kinh tế và giảm ô nhiễm môi trường. Do đó việc nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng một
số thông số điều chỉnh đến hàm lượng NO
x
trong khí xả của động cơ diesel để tìm ra phạm vi
khai thác hợp lý cho người sử dụng là vấn đề có ý nghĩa khoa học.
II. NỘI DUNG VÀ CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
2.1. Các vấn đề chung

NO
x
là thuật ngữ chuyên môn thường dùng để gọi chung ba nhóm chất hình thành trong
quá trình cháy là: Monoxit Nitơ (NO), Dioxit Nitơ (NO
2
) và Protoxit Ntitơ (N
2
O). Thực chất sự
hình NO
x
là sự kết hợp giữa N
2
và O
2
có mặt trong hỗn hợp ở nhiệt độ cháy (trên 1100
0
C).
Hầu hết các tác giả nghiên cứu về sự tạo thành NO
x
đều cho rằng trong khoảng thời gian
cháy của động cơ đốt trong thông thường chỉ cần xem xét động học phản ứng tạo thành NO
(chất chiếm tỷ lệ cao nhất trong nhóm NO
x
). Các thành phần còn lại NO
2
và N
2
O được xác định
theo kết quả thống kê kinh nghiệm [1], [5].
Để tính toán hàm lượng NO trong khí thải có thể sử dụng nhiều mô hình với mức độ chính

xác khác nhau, nhưng trong đó mô hình Zeldovich có nhiều ưu điểm và được rất nhiều tác giả
sử dụng.

2.2. Tính toán thành phần mol của sản vật cháy theo nhiệt động cân bằng
Phương trình phản ứng đối với nhiên liệu hydrocacbon trong trường hợp tổng quát có thể
viết dưới dạng:

()
∑
=
→
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
++
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−+
φ
+
q
1i
i

xAr
21
1
2
N
21
78
2
O
2
r
4
m
n
a
r
O
n
H
m
Ca
(1)
Trong đó:
q là tổng số các thành phần sản vật cháy;
x
i
là thành phần mol của chất i trong sản vật cháy;
φ là tỷ lệ tương đương (nghịch đảo của hệ số dư lượng không khí α).
Trạng thái cân bằng nhiệt động của các sản vật cháy được biểu diễn bởi 7 phương trình
phản ứng [9].

HH
2
1
2
→
(2)

OO
2
1
2
→
(3)

NN
2
1
2
→
(4)
(5)
222
OH2OH2 +→

22
H
2
1
OHOH +→

(6)

COOHHCO
222
+
→
+
(7)

NOHN
2
1
OH
222
+→+
(8)
Hằng số cân bằng phản ứng của các phương trình từ (2) đến (8) được tính như sau [9]:
p
x
x
K
2
4
1p
=
(9)
p
x
x
K

10
11
2p
=
(10)
p
x
x
K
5
7
3p
=
(11)
p
b
x
K
2
10
4p
=
(12)
p
x.b
x
K
2
3
5p

=
(13)
8
9
6p
x
bx
K =
(14)
p
xb
x
K
5
6
7p
=
(15)
Trong đó:
2
1
x
x
b =
; p là áp suất trong xilanh
Ngoài 7 phương trình hằng số cân bằng đã có, ta có phương trình tổng số mol của sản vật cháy:

(16)
1x
12

1i
i
=
∑
=


Như vậy, ta đã có tổng số 7 phương trình và cần thêm 5 phương trình nữa để có thể xác
định được 12 ẩn số nói trên. Ta có 5 phương trình cân bằng số nguyên tử các chất trước và sau
phản ứng:
avx
12
=
(17)
awxx
98
=
+
(18)
axxxx2x.2
4321
=
+
++
(19)
ayxx2xxxxx
111098631
=+
+
+

+
+
+
(20)
azxxx2
765
=
++
(21)
Trong đó các hệ số v, w, x, y, z phụ thuộc vào nhiên liệu và tỉ lệ tương đương φ. Chúng
được xác định như sau:
)ry(
42
1
v −=
(22)
nw
=
(23)
m
x =
(24)
rr
2
m
n2
1
y +
⎟
⎠

⎞
⎜
⎝
⎛
−+
φ
=
(25)
)ry(
21
78
z −=
(26)
Như vậy ta có 1 hệ gồm 12 phương trình với 12 ẩn số. Giải hệ phương trình trên bằng
phương pháp lặp theo thứ tự các bước sau:
Bước 1: Ước tính giá trị ban đầu của a, b:
Giá trị của a và b đuợc ước tính theo tỷ lệ nhiên liệu, tỉ lệ tương đương φ, áp suất p (tính
theo atm) và nhiệt độ T (tính theo
0
K)

[]
1000
T13.0
e)rm5.0n2(863.1m5.0n
3.1
a
−+++
=
(27)

T
30000
plg5.09
eb
++−
=
(28)
Bước 2: Tính thành phần mol x
i
theo a, b:

2
2
aeae
2
)1b(4
)1b(ax8)KbK()KbK(
x
⎟
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎜
⎝
⎛
+

+++++−
=
(29)
x
1
=bx
2
(30)

2e3
xbKx = (31)
2a4
xKx = (32)
2
2
cgcg
5
4
az8)KbK()KbK(
x
⎟
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎜
⎝
⎛

++++−
=
(33)
5g6
xbKx = (34)
5c7
xKx = (35)

r
8
Kb
abw
x
+
=
(36)
b
xK
x
8f
9
= (37)
(38)
2
d10
bKx =
d11
Kbx = (39)
(40)
v.ax

12
=
2.3. Tính toán hàm lượng NO theo động học phản ứng
Theo mô hình Zeldovich [5] các phương trình phản ứng bao gồm
O + N
2
↔ NO + N (41)
N + O
2
↔ NO + O (42)
N + OH ↔ NO + H (43)
Các hằng số phản ứng có giá trị như sau:
Phương trình (41):
T
38000
14
f
e10.36,1K
−
=
Phương trình (42):
T
3150
9
f
e.T.10.4,6K
−
=
Phương trình (43):
13

f
10.1,4K =
Xét phương trình phản ứng tổng quát
v
a
A + v
b
B → v
c
C + v
d
D (44)
Tốc độ tạo ra một chất ở vế phải, thí dụ chất C được tính như sau:

[
]
[] [] [] []
vdvc
b
vbva
f
DCkBAk
dt
Cd
−=
(45)
Với giả thiết nồng độ các chất O, O
2
, H, OH, N
2

ở trạng thái cân bằng, nồng độ N, NO
được khống chế bởi động học phản ứng. Đặt:
[
]
[]
e
NO
NO
=θ
,
[
]
[]
e
N
N
=β

Trong đó chỉ số e biểu diễn trạng thái cân bằng, áp dụng cho phương trình phản ứng (41) ta có:

[]
[][ ] [ ][]
e
e
21b
ee
1f
ONkNONk
dt
NOd

+θβ−=
(46)
Ở trạng thái cân bằng, ta có

[
]
[
]
[
]
[
]
1
e
e
21b
ee
1f
RONkNONk
=
=
(47)
Ta có:

[
]
11
RR
dt
NOd

+θβ−=
(48)


Tương tự, áp dụng cho phương trình phản ứng (42) và (43)

[
]
22
RR
dt
NOd
β+θβ−=
(49)

[
]
33
RR
dt
NOd
β+θβ−=
(50)
Tổng hợp 3 phương trình phản ứng (48), (49) và (50) và xét thêm ảnh hưởng của sự thay
đổi thể tích sản vật cháy V, ta có:

[]
()(
321321
RRRRRR

dt
NOd
V
1
+β++++βθ−=
)
(51)
Tương tự như NO, đối với N trong các phản ứng (41), (42) và (43) ta có biểu thức xác định
tốc độ phản ứng tạo N:

[
]
()(
321321
RRRRRR
dt
Nd
V
1
+θ++++θβ−=
)
(52)
Các phương trình (51), (52) tồn tại trong một khoảng thời gian giới hạn mà ở đó tốc độ
phản ứng đạt trạng thái cân bằng nhiệt động. Khoảng thời gian này đối với phương trình (52)
nhỏ hơn nhiều so với phương trình (51). Do vậy nồng độ N có thể xem là ổn định so với NO
nên ta có:
-β (θR
1
+ R
2

+ R
3
) + R
1
+ θ ( R
2
+ R
3
)=0 (53)
Suy ra
321
321
RRR
)RR(R
++θ
+θ+
=β

Thế vào phương trình (52) ta có phương trình tính toán tốc độ tạo NO:

[]
(
)
1
RR
R
R
12
dt
NOd

V
1
32
1
1
2
+
+
θ
θ−=
, [mol/mol.s] (54)
Khi tính toán tốc độ hình thành NO theo góc quay trục khuỷu, phương trình (53) có thể viết
lại dưới dạng như sau:

[]
(
)
1
RR
R
R
1
n.30
V
d
NOd
32
1
1
2

+
+
θ
θ−=
ϕ
, [mol/mol.s] (55)
Hoặc

[]
(
)
1
RR
R
R
1
n.30
1
p
RT
d
NOd
32
1
1
2
+
+
θ
θ−=

ϕ
, [mol/mol.s] (56)
Trong đó:
+ V- thể tích sản phẩm cháy, [cm
3
]
+ n – số vòng quay trục khuỷu, [vg/ph]
+ ϕ - góc quay trục khuỷu, [độ]

+ =
1
R
65
T
38000
14
x.xe10.36,1
−

+
105
T
3150
9
2
x.xe.T.10.4,6R
−
=

+ .x

13
3
10.1,4R =
5
.x
3
2.4. Chương trình tính và kết quả khảo sát
Chương trình tính hàm lượng NO
x
được lập trình bằng phần mềm Matlab Simulink 7.0, cho
phép xác định hàm lượng NO
x
trong khí thải động cơ diesel khi thay đổi các biến số đầu vào
khác nhau (tốc độ quay trục khuỷu n (vg/ph), áp suất bắt đầu nâng kim phun (p
nkp
), góc phun
sớm (GPS)).
Đối tượng được lựa chọn là động cơ D243. Đây là loại động cơ diesel buồng cháy thống
nhất do Công ty Diesel Sông Công chế tạo và lắp ráp, được sử dụng nhiều trên máy kéo MTZ -
80, các tàu thuyền cỡ nhỏ. Chương trình tổng thể xác định hàm lượng NO
x
thể hiện trên hình 1.

Hình 1. Chương trình tính toán xác định hàm lượng NO
x
trong khí thải động cơ
Kết quả tính toán và phân tích
Hình 2. Sự thay đổi hàm lượng No
x
theo

góc quay trục khuỷu tại GPS=16
0
,
p
nkp
=17
,
5 MN/m
2
a. Ảnh hưởng của số vòng quay trục khuỷu
Kết quả tính toán hàm lượng NO
x
ở chế độ
“chuẩn” ứng với các số vòng quay khác nhau của trục
khuỷu (lần lượt là 1000, 1400, 1800 và 2200 (vg/ph)
được trình bày trên hình 2.
Theo kết quả tính toán cho thấy, sau điểm chết
trên khoảng 18 - 22 độ hàm lượng NO
x
đạt giá trị cực
đại và sau đó giữ không thay đổi (đây chính là hàm
lượng NO
x
trên đường thải của động cơ).

Khi tăng số vòng quay của trục khuỷu động cơ, hàm lượng NO
x
trong khí thải có xu hướng
giảm rõ rệt. Nguyên nhân chính của hiện tượng này là do thời gian cho phản ứng tạo NO
x

giảm.
Hàm lượng NO
x
đạt giá trị lớn nhất tại số vòng quay n = 1000 (vg/ph).


b. Ảnh hưởng của áp suất bắt đầu nâng kim
phun
Diễn biến hàm lượng NO
x
trong xilanh tại số
vòng quay trục khuỷu n = 1000 (vg/ph) ứng với các
giá trị p
nkp
khác nhau khi giữ cố định GPS = 16
0
được
trình bày trong hình 3.
Khi tăng p
nkp
, hàm lượng NO
x
trong khí thải có
xu hướng tăng. Một trong các nguyên nhân dẫn đến
hiện tượng này là đường kính trung bình của hạt
nhiên liệu có xu hướng giảm khi tăng p
nkp
. Do đó sẽ đẩy nhanh tốc độ bay hơi và cháy của nhiên
liệu, làm tăng nhiệt độ cực đại của động cơ.
Hình 3. Sự thay đổi hàm lượng NO

x
theo
áp suất nâng kim phun p
nkp
, tại n=1000
(
v
g
/
p
h
)
, GPS=16
0
Hình 4. Sự thay đổi hàm lượng NO
x
theo
các giá trị GPS , n=2200 vg/ph, p
nkp
=17,5
MN/m
2
c. Ảnh hưởng của góc phun sớm
Diễn biến hàm lượng NO
x
ứng với các giá trị
GPS khác nhau khi giữ nguyên p
nkp
= 17,5 MN/m
2

tại
số vòng quay n = 2200 v/ph được trình bày trên hình
4.
Khi giảm góc phun sớm, hàm lượng NO
x
trong
khí thải giảm rất mạnh, do thời gian chuẩn bị cháy
của hỗn hợp giảm, nhiệt độ cực đại trong xilanh cũng
giảm đáng kể.
Rõ ràng, giảm GPS là một giải pháp hữu hiệu để giảm NO
x
. Tuy nhiên, chúng ta sẽ phải
chấp nhận sự suy giảm về các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật (N
e
giảm đáng kể, g
e
tăng mạnh).
III. KẾT LUẬN
+ Các thông số thuộc nhóm yếu tố điều chỉnh - vận hành bao gồm: áp suất bắt đầu nâng kim
phun, góc phun sớm nhiên liệu sớm của bơm cao áp, chế độ tốc độ của động cơ có ảnh hưởng đến
quy luật cung cấp nhiên liệu và quy luật cháy qua đó ảnh hưởng đến chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật và hàm
lượng NO
x
trong khí thải động cơ diesel D243.
+ Kết quả tính toán cho thấy khi tăng GPS từ 10
0
- 20
0
thì hàm lượng khí NO
x

tăng (nhưng
công suất có ích N
e
tăng, suất tiêu hao nhiên liệu có ích ge giảm), xét trên tiêu chí tính kinh tế
kỹ thuật và môi trường thì góc phun sớm nhiên liệu trong khoảng 16
0
GQTK là hợp lý. Khi tăng
áp suất bắt đầu nâng kim phun p
nkp
từ 16,5 - 20 MN/m
2
thì hàm lượng khí NO
x
tăng (nhưng
công suất có ích N
e
giảm, suất tiêu hao nhiên liệu có ích ge giảm), tại p
nkp
= 17,5 MN/m
2
công
suất N
e
đạt giá trị lớn nhất, hàm lượng khí NO
x
trong khí thải có giá trị tương đối thấp. Như vậy,
với động cơ D243, góc phun sớm nhiên liệu trong khoảng 16
0
GQTK và áp suất bắt đầu nâng
kim phun bằng 17,5 MN/m

2
là bộ thông số điều chỉnh hợp lý cho hệ thống cung cấp nhiên liệu.

Khi đó, động cơ D243 vẫn duy trì được các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật trong khi hàm lượng NO
x

trong khí thải tương đối thấp.

Tài liệu tham khảo

[1]. Bùi Văn Ga, Văn Thị Bông, Phạm Xuân Mai, Trần Văn Nam, Trần Thanh Hải Tùng (1999), Ô tô và ô
nhiễm môi trường, NXB Giáo Dục, Hà Nội.
[2]. Nguyễn Phùng Quang (2004), Matlab&Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học
kỹ thuật, Hà Nội.
[3]. Nguyễn Tất Tiến (2003), Nguyên lý động cơ đốt trong, NXB Giáo Dục, Hà Nội.
[4]. Lê Hoài Đức (2005), Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm tới tuổi bền khai thác của bộ đôi bơm cao
động cơ ô tô sử dụng ở Việt Nam, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Đại học Giao Thông Vận tải, Hà Nội.
[5]. Nguyễn Hoàng Vũ (2005), Nghiên cứu ảnh hưởng một số thông số điều chỉnh của quy luật cung cấp
nhiên liệu đến các chỉ tiêu kinh tế - năng lượng và mức độ độc hại khí thải động cơ diesel, Luận án Tiến
sĩ kỹ thuật, Học viện kỹ thuật Quân sự, Hà Nội♦