ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA XOÁY LỐC VÀ PHUN NHIÊU LIỆU NHIỀU LẦN ĐẾN CÔNG SUẤT VÀ KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ DIESEL BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN MINH THÍCH

ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA XOÁY LỐC
VÀ PHUN NHIÊU LIỆU NHIỀU LẦN ĐẾN
CÔNG SUẤT VÀ KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ DIESEL
BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG

NGÀNH: KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ Ô TÔ, MÁY KÉO - 605246

S KC 0 0 4 0 0 2

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN MINH THÍCH

ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA XOÁY LỐC VÀ PHUN NHIÊU LIỆU
NHIỀU LẦN ĐẾN CÔNG SUẤT VÀ KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ DIESEL
BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG

NGÀNH: KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ Ô TÔ MÁY KÉO - 605246

Hướng dẫn khoa học:
TS. NGUYỄN LÊ DUY KHẢI

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2013


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: Nguyễn Minh Thích
Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 06/06/1983
Nơi sinh: Bắc Ninh
Quê quán: Đông Thọ - Yên Phong - Bắc Ninh
Dân tộc: Kinh
Chức vụ, đơn vị công tác trước khi học tập, nghiên cứu: Giáo viên dạy nghề Công
nghệ ôtô trường Cao Đẳng nghề Việt Nam – Singapore. Huyện Thuận An- Bình
Dương.
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Khoa Bảo dưỡng công nghiệp trường Cao Đẳng
nghề Việt Nam – Singapore
Điện thoại cơ quan:
Điện thoại nhà riêng
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ ……
Nơi học (trường, thành phố):
Ngành học:
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy
Thời gian đào tạo từ 09/2003 đến 04/2008

Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM
Ngành học: Cơ khí động lực
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Chuyên đề ôtô, chuyên đề động cơ,
chuyên đề điện-điện tử ôtô.
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: tháng 1/2008
3. Thạc sĩ:
Hệ đào tạo: Chính quy
Thời gian đào tạo từ 10/2010 đến 11/ 2012
Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM
Ngành học: Khai thác và bảo trì ôtô - máy kéo
Tên luận văn: Đánh giá ảnh hưởng xoáy lốc và phun nhiên liệu nhiều lần đến
công suất và khí thải động cơ diesel bằng phương pháp mô phỏng.


Ngày & nơi bảo vệ luận văn: 04/2013 tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM
Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Lê Duy Khải
4. Tiến sĩ:
Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ ……
Tại (trường, viện, nước):
Tên luận án:
Người hướng dẫn:
Ngày & nơi bảo vệ:
5. Trình độ ngoại ngữ (biết ngoại ngữ gì, mức độ: Anh Văn:B)
6. Học vị, học hàm, chức vụ kỹ thuật đƣợc chính thức cấp; số bằng, ngày & nơi
cấp:
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI
HỌC:
Thời gian

Nơi công tác

3/08-2/09

Công ty cổ phần Catalan
Trường Cao đẳng Kỹ thuật lý Tự
Trọng TPHCM
Trường Cao Đẳng nghề Việt Nam –
Singapore

2/09-2/2010
2/2010 - nay

Công việc đảm nhiệm
Nhân viên phòng Kỹ thuật
Giáo viên
Giáo viên

IV. CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ:

Tp HCM, ngày
tháng năm 2013
Người khai ký tên

Nguyễn Minh Thích


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu và các kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng
được ai công bố trong các công trình nào khác.

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2013.
Học viên thực hiện

Nguyễn Minh Thích


LỜI CẢM ƠN
Trong suố t quá triǹ h ho ̣c tâ ̣p và hoàn thành luận văn này , em đã nhâ ̣n đươ ̣c sự
hướng dẫn , giúp đỡ quý báu c ủa các Thầy Cô , các bạn học viên cao học CKO trường
Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
Đặc biệt, với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc em xin đươ ̣c bày tỏ lời cảm ơn
chân thành tới thầy TS. Nguyễn Lê Duy Khải Trưởng khoa Kỹ thuật Giao thông
trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh. Trong quá trình thực hiện luận văn,
mặc dù rất bận rộn trong công việc nhưng thầy vẫn dành rất nhiều thời gian và tâm
huyết trong việc hướng dẫn em. Thầy đã tận tình cung cấp phần mềm Kiva -3V, tài
liệu, thầ y đã hế t lòng giúp đỡ , dạy bảo, đô ̣ng viên và ta ̣o mọi điều kiện thuận lợi để em
hoàn thành luận văn tốt nghiệp.
Em xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS. Đỗ Văn Dũng, thầ y TS. Lý Vĩnh Đạt
và các thầy trong hô ̣i đồ ng chấ m luâ ̣n văn trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Thành
phố Hồ Chí Minh đã cho em những đóng góp quý báu để em hoàn chỉnh luận văn này.
Mặc dù đã hết sức cố gắng để hoàn thành luận văn một cách tốt nhất có thể,
nhưng do kiến thức và kinh nghiệm của em còn hạn chế. Em rất mong sẽ nhận được sự
đóng góp, chia sẻ ý kiến của Quý Thầy, Cô, cùng các bạn để đề tài có thể hoàn thiện và
phát triển ở mức cao hơn.
Em xin chân thành cám ơn !
Học viên thực hiện

Nguyễn Minh Thích

-i-

TÓM TẮT
Luận văn nghiên cứu ảnh hưởng của xoáy lốc và phun nhiên liệu nhiều lần
trên động cơ Diesel phun trực tiếp đến công suất và ô nhiễm khí thải bằng phương
pháp mô phỏng. Cụ thể, thông số “tỷ lệ xoáy lốc” và thông số “Số lần phun ” được
thay đổi để đánh giá sự tác động đến công suất và phát thải bồ hóng cũng như NOx
trong khí thải động cơ Diesel phun trực tiếp.
Mỗi thông số quá trình phun đều chứa đựng những ưu điểm và nhược điểm
hay chúng có thể tồn tại song song cùng nhau. Nghiên cứu trong luận văn đã chỉ ra
rằng, khi tỷ lệ xoáy lốc tăng lên sẽ làm lượng bồ hóng giảm xuống . Khi chuyển qua
phun tách lượng bồ hóng giảm. còn NOx chia thành hai giai đoạn: thoạt đầu lượng
NOx giảm (25-3-75), sau đó tăng lên ở các trường hợp còn lại.

ABSTRACT
The thesis introduces the research into influence of the swril and multiple
Injections on direct injection Diesel (DI Diesel engine) engine performance and
emission, using simulation. The “Swril ratio” and “Number of sprays” was also
changed to appreciate the effect on DI Diesel engine performance and emit
particulates and oxides of nitrogen.
Each technology has its own merits and demerits or exists interaction. The
results show that, the total of oxides of particulates decreased when increased “Swril
ration”; when increased “Split injection” parameter

amount of oxides of

particulates decreased and change in the nitrogen divide two stages: the fist of all,
nitrogen decreased (25-3-75) ,after that, it increased.

- ii -

MỤC LỤC
Trang
Lời cảm ơn ..................................................................................................

i

Tóm tắt – Abstract .......................................................................................

ii

Mục lục........................................................................................................

iii

Danh mục hình ảnh .....................................................................................

v

Danh mục bảng biểu....................................................................................

viii

Danh mục phụ lục .......................................................................................

ix

Danh mục các chữ viết tắt ...........................................................................

x

CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan chung ..................................................................................

1

1.2. Lý do chọn đề tài ..................................................................................

2

1.2.1. Tác hại của các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong..

4

1.2.1.1. Tác hại sức khỏe con ngƣời........................................

4

1.2.1.2. Tác hại sức môi trƣờng ...............................................

5

1.3. Tính cấp thiết và ý nghĩa khoa học .....................................................

8

1.3.1. Tính cấp thiết của đề tài ...........................................................

8

1.3.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .................................

8

1.4. Mục tiêu đề tài, đối tƣợng nghiên cứu, giới hạn đề tài và phƣơng
pháp nghiên cứu ..........................................................................................

9

1.4.1. Mục tiêu đề tài .........................................................................

9

1.4.2. Đối tƣợng nghiên cứu ...............................................................

9

1.4.3. Giới hạn đề tài ..........................................................................

9

1.4.4. Phƣơng pháp nghiên cứu ..........................................................

9

CHƢƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Khái quát về các chất ô nhiễm trong khí thải động cơ Diesel ...........

11

2.1.1. Bồ hóng (muội than).................................................................

12

2.1.1.1. Thành phần hạt bồ hóng ...............................................

12

- iii -


2.1.1.2. Cấu trúc hạt bồ hóng ....................................................

12

2.1.2. Cơ chế hình thành monoxit cacbon (CO) .................................

15

2.1.3. Oxit nito (NOx) ........................................................................

17

2.1.4. Hydocarbon (HC) .....................................................................

18

2.1.5. Oxit lƣu huỳnh (SO2) ...............................................................

18

2.2. Giới thiệu về phun nhiên liệu trong động cơ diesel .......................

18

2.2.1. Quá trình phun nhiên liệu .........................................................

19

2.2.1.1. Vấn đề phun nhiên liệu .................................................

19

2.2.1.2. Cấu trúc tổng quát của tia nhiên liệu ............................

20

2.2.1.3. Góc mở tia phun ...........................................................

23

2.2.1.5. Sự phân bố kích thƣớc hạt ............................................

25

2.2.1.6. Sự bốc hơi nhiên liệu ....................................................

28

2.3. Giới thiệu về xoáy lốc trong động cơ diesel .................................

30

2.4. Giới thiệu về phần mềm mô phỏng KIVA- 3V ..............................

35

2.4.1. Tầm quan trọng của phần mềm mô phỏng trong ngành công
nghệ ô tô ....................................................................................

35

2.4.2. Lịch sử phần mềm Kiva-3v ......................................................

37

2.4.3. Cấu trúc phầm mềm Kiva - 3. ..................................................

39

2.4.4. Các mô hình sử dụng trong Kiva 3V ........................................

41

2.4.1.1. Mô hình phân rã tia phun “Kelvin-Helmholtz và
Rayleigh-Taylor”.........................................................................................

41

2.4.1.1. Mô hình bay hơi hạt nhiên liệu ....................................

43

2.4.1.1. Mô hình dòng chảy rối “Renormalized Group kepsilon”(RNG k -  ......................................................................................

45

2.4.1.1. Mô hình hình thành NOx .............................................

47

2.4.1.1. Mô hình hình thành bồ hóng ........................................

49

CHƢƠNG 3 : TẠO LƢỚI VÀ THIẾT LẬP CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG CƠ
NGHIÊN CỨU
3.1. Động cơ mô phỏng và quá trình tạo mô hình lƣới động cơ .................

52

3.2. Điều kiện mô phỏng .............................................................................

56

- iv -


CHƢƠNG 4 : ẢNH HƢỞNG CỦA PHUN NHIÊN LIỆU NHIỀU LẦN ĐẾN

CÔNG SUẤT VÀ Ô NHIỄM MÔI TRƢỜNG
4.1. Điều kiện mô phỏng .............................................................................

58

4.2. Thông số thay đổi .................................................................................

59

4.3. Kết quả và bình luận ............................................................................

61

4.3.1. Ảnh hƣởng của phun nhiên liệu nhiều lần đến áp suất và
nhiệt độ trong xy lanh ................................................................

61

4.3.2. Ảnh hƣởng của phun nhiên liệu nhiều lần đến hình thành bồ
hóng ...........................................................................................

65

4.3.3. Ảnh hƣởng của phun nhiên liệu nhiều lần đến hình thành
NOx ...........................................................................................

69

4.4. Kết luận ................................................................................................

72

CHƢƠNG 5 : ẢNH HƢỞNG CỦA XOÁY LỐC ĐẾN CÔNG SUẤT VÀ Ô
NHIỄM MÔI TRƢỜNG
5.1. Điều kiện mô phỏng và thông số thay đổi ...........................................

73

5.2. Kết quả và bình luận ............................................................................

76

5.2.1. Ảnh hƣởng của xoáy lốc đến áp suất và nhiệt độ trong xy
lanh ............................................................................................

76

5.2.2 Ảnh hƣởng của xoáy lốc đến hình thành bồ hóng .....................

79

5.2.3. Ảnh hƣởng của xoáy lốc đến hình thành NOx .........................

82

5.3. Kết luận ................................................................................................

86

CHƢƠNG 6 : KẾT LUẬN

6.1. Kết luận ................................................................................................

87

6.2. Đề xuất hƣớng phát triển ......................................................................

88

Tài liệu tham khảo .......................................................................................

xi

Phụ lục….. ...................................................................................................

xiv

-v-


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Số hiệu hình

Trang

1.1

Phổ bức xạ nhiệt của mặt trời và vỏ trái đất ........................................................6

1.2

Hiện tượng hiện ứng nhà kính ...............................................................................7

2.1

Cấu trúc chuỗi bồ hóng ..........................................................................................
13

2.2

Dạng những hạt sơ cấp ..........................................................................................
13

2.3

Quá trình tạo bồ hóng trong động cơ diesel ........................................................
14
Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí (  ) đến nồng độ

2.4

monoxit carbon (CO)…………..………………………………………

16

2.5

Quá trình phun nhiên liệu nhiều lần trong động cơ Diesel ...............................
19

2.6

Sơ đồ tia phun nhiên liệu trong động cơ diesel…..…………………..

2.7

Ảnh chụp sự phát triển của tia nhiên liệu trong buồng cháy động
cơ Diesel không xoáy lốc. a.Biên dạng ngoài của tia; b.Lõi tia
nhiên liệu ..................................................................................................................
21

2.8

Sơ đồ tia nhiên liệu phun hướng kính vào buồng cháy xoáy lốc ......................
22

2.9

Ảnh chụp biên dạng tia phun trong buồng cháy xoáy lốc .................................
23

20

2.10 Biến thiên góc mở tia phun theo tỉ số g /l .........................................................
25
2.11 Ảnh hưởng của tỉ số chiều dài/đường kính lỗ tia (a) và đường kính
lỗ tia đến đường kính Sauter (b) theo áp suất phun ............................................
27
2.12 Biến thiên định tính của khối lượng,đường kính,nhiệt độ,tốc độ

bốc hơi của hạt và tốc độ truyền nhiệt từ không khí vào hạt nhiên

liệu lỏng theo thời gian...........................................................................................
28
2.13 Biến thiên độ xuyên thâu của đầu tia phun theo thời gian ứng với
các áp suất khác nhau trong buồng cháy không xoáy lốc ..................................
31
2.14 Biến thiên độ xuyên thâu của tia phun theo thời gian của buồng

cháy xoáy lốc. (a) ảnh hưởng của độ xoáy lốc đến biên dạng tia
phun; (b) ảnh hưởng của độ xoáy lốc đến quan hệ S(t) .....................................
33
2.15 Ảnh hưởng của tỷ lệ xoáy lốc đến NOx và bồ hóng (SOOT) ...................................
34
2.16 Osman Yasar (phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos (LANL)

Mỹ) ………………………………………………………………...

-v-

36


2.17 Cấu trúc phần mềm KIVA- 3V .................................................................................
40
2.18 Sơ đồ hình thành bồ hóng “8 bước” của Foster ..................................................
49
3.1

Động cơ diesel AVL 5402 .....................................................................................
52

3.2

Bản vẽ thiết kế piston AVL ...................................................................................
54

3.3

Bản vẽ piston AVL sau khi vẽ lại trên AutoCad ................................................
55

3.4

Phân vùng và lập tọa độ điểm vị trí biên của piston ...........................................
55

3.5

Mô hình lưới buồng đốt piston AVL với góc mô phỏng 720 ............................
56

4.1

Mối quan hệ giữa công suất động cơ với các trường hợp phun khác
nhau ..........................................................................................................................
59

4.2

Mối quan hệ giữa suất tiêu hoa nhiên liệu với các trường hợp phun .......................
60

4.3

Mối quan hệ giữa áp suất trung bình và góc quay trục khuỷu tại
các trường hợp phun khác nhau ...........................................................................
62

4.4

Đồ thị nhiệt độ trung bình trong xy lanh tại các trường hợp phun
khác nhau .................................................................................................................
63

4.5

Đồ thị thời gian cháy trễ ứng với các trường hợp phun .....................................
63

4.6

Phân bố nhiệt độ trong xy lanh ứng với các trường hợp phun tại 7deg
BTDC ........................................................................................................................
64

4.7

Lượng bồ hóng phát thải tương ứng với trường hợp phun 1 lần và
90-3-10 .....................................................................................................................
65 64

4.8

Lượng bồ hóng hình thành tương ứng với trường hợp phun............................
66

4.9

Lượng bồ hóng bị oxi hóa tương ứng với trường hợp phun .............................
67

4.10 Lượng bồ hóng phát thải ứng với góc quay trục khuỷu tại các
trường hợp phun khác nhau ...................................................................................
67
4.11 Lượng bồ hóng phát thải tương ứng với các trường hợp phun ........................
68
4.12 Lượng NOx phát thải tương ứng với góc quay trục khuỷu ...............................
69
4.13 Đồ thị nhiệt độ cực đại trong xy lanh theo góc quay trục khuỷu ......................
70
4.14 Lượng NOx phát thải tương ứng với các trường hợp phun khác
nhau ..........................................................................................................................
71
4.15 Phân bố nhiệt độ lớn nhất trong xy lanh tương ứng trường hợp
phun ..........................................................................................................................
71
5.1

Mối quan hệ giữa công suất động cơ với tỷ lệ xoáy lốc ....................................
74

-vi-


5.2

Mối quan hệ giữa suất tiêu hao nhiên liệu động cơ với tỷ lệ xoáy
lốc..............................................................................................................................
75

5.3

Mối quan hệ giữa áp suất trung bình và góc quay trục khuỷu tương
ứng với tỷ lệ xoáy lốc khác nhau ..........................................................................
76

5.4

Đồ thị nhiệt độ trung bình trong xy lanh với góc quay trục khuỷu
ứng với tỷ lệ xoáy lốc khác nhau ..........................................................................
76

5.5

Sự phân bố nhiên liệu trong xy lanh ứng với tỷ lệ xoáy lốc khác
nhau tại 10 deg ATDC ...........................................................................................
78

5.6

Phân bố oxi trong xy lanh tại vị trí 10 deg ATDC ứng với tỷ lệ

xoáy lốc khác nhau .................................................................................................
78

5.7

Lượng bồ hóng hình thành, bồ hóng bị Ôxi hóa và lượng bồ hóng
phát thải khi tỷ lệ xoáy lốc 1.0 ..............................................................................
79

5.8

Lượng bồ hóng hình thành ứng với góc quay trục khuỷu .................................
80

5.9

Lượng bồ hóng bị Ôxi hóa ứng với góc quay trục khuỷu .................................
80

5.10 Lượng bồ hóng phát thải ứng với góc quay trục khuỷu ....................................
81
5.11 Lượng bồ hóng phát thải ứng với tỷ lệ xoáy lốc khác nhau ..............................
82
5.12 Khối lượng NOx hình thành trong buồng đốt .....................................................
84
5.13 Đồ thị nhiệt độ cực đại trong xy lanh theo góc quay trục khuỷu .....................
84
5.14 Phân bố nhiệt độ lớn nhất trong xy lanh tương ứng tỷ lệ xoáy lốc ..................
85
5.15 Khối lượng NOx ứng với các tỷ lệ xoáy lốc khác nhau ....................................

85

-vii-


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Số hiệu bảng biểu

Trang

1.1

Thành phần điển hình của khí thải động cơ Diesel ....................................... 3

2.1

Hằng số mô hình KH-RT................................................................................
43

2.2

Các tốc độ phản ứng sử dụng trong mô hình bồ hóng “8 bước”
của Foster .......................................................................................................
50

3.1

Thông số động cơ 1 xy lanh AVL .................................................................53

3.2

Trường hợp mô phỏng ....................................................................................56

3.3

Thông số quá trình mô phỏng .........................................................................57

4.1

Các thông số mô phỏng ..................................................................................58

4.2

Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu ứng với các trường hợp phun..............60

5.1

Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu ứng với các tỷ lệ xoáy lốc ...................73

5.2

Áp suất cực đại và nhiệt độ trung bình cực đại trong xy lanh .......................75

5.3

Áp suất cực đại và nhiệt độ trung bình cực đại trong xy lanh .......................77

5.4

Lượng NOx phát thải ứng với tỷ lệ xoáy lốc khác nhau ...............................82

-viii-


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Từ gốc

Nghĩa của từ

0

C

degree of Celsius

Độ Celsius

0

F

degree of Fahrenheit

Độ Fahrenheit

0

K

degree of Kelvin

Độ Kelvin

ATDC

After Top Dead Center

Sau điểm chết trên

BTDC

Before Top Dead Center

Trước điểm chết trên

CO

Carbon monoxide

Cạc-bon Mô-nô-xít

CO2

Carbon Dioxide

Cạc-bon Đi-ô-xít

deg.

degree

Độ (quay trục khuỷu)

Deg ATDC

degree After Top Dead
Center

Độ quay trục khuỷu sau điểm chết
trên

Deg BTDC

degree Before Top Dead
Center

Độ quay trục khuỷu trước điểm
chết trên

DOHC

Double OverHead
Camshaft

Trục cam đôi

EGR

Exhaust Gas Recirculation

Hồi lưu khí thải

EVO

Exhaust Valve Open

Thời điểm xú páp xả mở ra

HC

Hydro Carbon

Hi-đrô Cạc-bon

IVC

Intake Valve Close

Thời điểm xú páp nạp đóng

KH-RT

Kelvin-Helmholtz and
Rayleigh-Taylor model

Mô hình KH-RT

NOx

Oxides of Nitrogen

Ô xít Nitơ

PR

Precursor

Hạt cơ sở

RNG k-e

Renormalized Group k-e
model

Mô hình dòng chảy rối “RNG k-e”

rpm

Revolution per Minute

Vòng/phút

ppm

Parts per million

Phần triệu

SOx

Oxides of Sulfur

Ô xít lưu huỳnh

TDC

Top Dead Center

Điểm chết trên

-x-


-xi-


LVThS – Đánh giá ảnh hưởng của xoáy lốc và phun nhiên liệu nhiều lần đến công suất và khí
thải của động cơ Diesel bằng mô phỏng

CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan chung
Như chúng ta đã biết, quá trình xoáy lốc và phun nhiên liệu trên động cơ
Diesel đóng vai trò quan trọng trong việc phát thải ra các chất gây ô nhiễm và tác
động lớn đến suất tiêu hao nhiên liệu cũng như công suất của động cơ. Tùy thuộc vào
tỷ lệ xoáy lốc, phương thức và thời điểm mà nhiên liệu phun vào buồng đốt có thể làm
cho ô nhiễm trong khí xả và tiêu hao nhiên liệu khác nhau. Có rất nhiều công trình
nghiên cứu về quá trình xoáy lốc và phun nhiên liệu trên động cơ Diesel ngày nay để
giảm thiểu đáng kể các chất độc hại trong khí xả. Mehta và Tamma (1998) và Fuchs

và Rutland (1998) kết luận rằng tăng xoáy lốc chỉ mang lại lợi ích một mức độ nhất
định. Fuchs và Rutland sử dụng Kiva-II và Kiva-3 chỉ ra rằng tỷ lệ xoáy lốc quá cao
có thể ảnh hưởng xấu đến hòa trộn, muội than có thể giảm khi xoáy lốc tăng trong khi
NO tăng khi xoáy lốc tăng, một mô hình đa chiều (Magi, 1987) được sử dụng để
nghiên cứu này, Weaver và nhóm tác giả đã chỉ ra rằng khi giảm góc phun sớm sẽ
làm cho lượng NOx trong khí xả giảm. Nhưng vấn đề xảy ra khi nồng độ NOx giảm
thì lượng bồ hóng lại tăng (Weaver và nhóm tác giả,1994). Điều này cũng đã được
chứng minh qua rất nhiều công trình nghiên cứu khác, chẳng hạn như nghiên cứu về
tác động của áp suất phun kết hợp phun tách (Okude và nhóm tác giả, 2007), ảnh
hưởng của thời điểm phun và tuần hoàn khí xả (Miyamoto và nhóm tác giả 1999) hoặc
nghiên cứu ảnh hưởng của xoáy lốc dòng khí nạp trên động cơ Diesel phun trực tiếp…
cũng nhằm mục đích giảm ô nhiễm khí xả và nâng cao công suất động cơ. Hệ thống
nhiên liệu “Common Rail” ra đời để tối ưu hóa quá trình phun nhiên liệu với áp suất
phun tạo ra cao sẽ làm cho nồng độ bồ hóng giảm vì điều này giúp cải thiện cho quá
trình phân rã hạt nhân, bay hơi và hòa trộn với không khí của tia nhiên liệu (Flaig và
nhóm tác giả, 1999). Tuy nhiên, như đã trình bày ở trên, áp suất phun tăng lại làm cho
nồng độ NOx tăng theo, nguyên nhân do nhiệt độ cháy cao và các vùng không khí

HVTH: Nguyễn Minh Thích

1

CBHD: TS. Nguyễn Lê Duy Khải


LVThS – Đánh giá ảnh hưởng của xoáy lốc và phun nhiên liệu nhiều lần đến công suất và khí
thải của động cơ Diesel bằng mô phỏng

giàu ôxi xung quanh điểm lửa gây ra (Gunabalan và nhóm tác giả, 2010). Việc kết hợp
của hệ thống tuần hoàn khí xả (EGR) và hiệu chỉnh góc phun sớm trên động cơ Diesel

có thể giảm được NOx nhưng lại làm tăng lượng bồ hóng phát thải (Han và nhóm tác
giả, 1996). Hoặc kết hợp giữa kỹ thuật phun tách và EGR (Mingfa và nhóm tác giả,
2009) hay kết hợp ưu điểm của hệ thống “Common rail” với EGR (Millo và nhóm tác
giả, 2009) có thể cải thiện công suất động cơ và giảm ô nhiễm nhưng NOx và bồ hóng
luôn luôn có sự xuất hiện trái ngược nhau trong khí xả động cơ Diesel.
1.2 .

Lý do chọn đề tài
Do hiệu suất nhiệt của động cơ Diesel cao hơn những dòng động cơ khác nên

chúng được ứng dụng rộng rãi trên các phương tiện vận tải, đặc biệt là vận tải hàng
hóa, chẳng hạn như: ôtô khách, ôtô tải, xe lửa, tàu thủy… Chính vì lý do này, thị
trường động cơ Diesel ngày càng phát triển, không chỉ ở riêng Việt Nam mà cả những
thị trường khó tính trên thế giới. Với một nền công nghiệp phát triển, chắc hẳn không
thể thiếu việc vận chuyển sản phẩm, hàng hóa từ nơi này sang nơi khác. Từ đó, dòng
động cơ Diesel cũng phát triển theo. Nhưng kèm theo đó vấn đề ô nhiễm môi trường
mà động cơ đem lại tác động mạnh đến môi trường con người.
Động cơ Diesel chuyển đổi năng lượng hóa học thành năng lượng cơ học.
Gasoil là hỗn hợp của các hydrocarbure mà trong quá trình cháy lý tưởng, nó chỉ sinh
ra CO2 và H2O. Trong thực tế người ta quan sát thấy một vài sản phẩm khí và rắn khác.
Điều này liên quan một phần đến sự có mặt của các tạp chất chứa trong các HC (như
các hợp chất chứa lưu huỳnh), và mặt khác liên quan đến sự phức tạp của các phản ứng
hóa học xảy ra trong quá trình cháy.

HVTH: Nguyễn Minh Thích

2

CBHD: TS. Nguyễn Lê Duy Khải

LVThS – Đánh giá ảnh hưởng của xoáy lốc và phun nhiên liệu nhiều lần đến công suất và khí
thải của động cơ Diesel bằng mô phỏng

Bảng 1.1: Thành phần điển hình của khí thải động cơ Diesel
Thành phần khí thải
CO2
H2 O
O2
NOX
HC
CO
SO2
N2 O

Các thông số
2 – 12%
2- 12%
3-17%
50- 1000 ppm
20 – 300 ppm
10- 500 ppm
10-30 ppm
≈3 ppm

Quá trình cháy lý tưởng của hỗn hợp hydrocarbure với không khí chỉ sinh ra CO2,
H2O và N2. Tuy nhiên, do sự không đồng nhất của hỗn hợp một cách lí tưởng cũng như
do tính chất phức tạp của các hiện tượng lí hóa diễn ra trong quá trình cháy nên trong
khí xả động cơ đốt trong luôn có một hàm lượng đáng kể những chất độc hại như oxit
nitơ (NO, NO2, N2O, gọi chung là NOx), monoxit carbon (CO), các hydrocarbure chưa

cháy (HC) và các hạt rắn, đặc biệt là bồ hóng. Nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả
phụ thuộc vào loại động cơ và chế độ vận hành. Ở động cơ diesel, nồng độ CO rất bé,
chiếm tỉ lệ không đáng kể, nồng độ HC chỉ bằng khoảng 20% nồng độ HC của động cơ
xăng còn nồng độ NOx của hai động cơ có giá trị tương đương nhau. Trái lại, bồ hóng
là chất ô nhiễm quan trọng trong khí xả động cơ diesel, nhưng hàm lượng của nó không
đáng kể trong khí xả động cơ xăng.
Những tạp chất, đặt biệt là lưu huỳnh, và các chất phụ gia trong nhiên liệu cũng có
ảnh hưởng đến thành phần các chất ô nhiễm trong sản phẩm cháy. Thành phần lưu
huỳnh có thể lên đến 0,5% đối với dầu diesel. Trong quá trình cháy, lưu huỳnh bị oxy
hoá thành SO2, sau đó một bộ phận SO2 bị oxy hoá tiếp thành SO3, chất có thể kết hợp
với nước để tạo ra H2SO4.
Nhiệt độ cực đại của quá trình cháy cũng là một nhân tố quan trọng ảnh hưởng
đến thành phần các chất ô nhiễm vì nó ảnh hưởng mạnh đến động học phản ứng, đặt
biệt là các phản ứng tạo NOx và bồ hóng.

HVTH: Nguyễn Minh Thích

3

CBHD: TS. Nguyễn Lê Duy Khải


LVThS – Đánh giá ảnh hưởng của xoáy lốc và phun nhiên liệu nhiều lần đến công suất và khí
thải của động cơ Diesel bằng mô phỏng

Nói chung tất cả thông số kết cấu hay vận hành nào của động cơ có tác động đến
thành phần hỗn hợp và nhiệt độ cháy đều gây ảnh hưởng trực tiếp hay gián tiếp đến sự
hình thành các chất ô nhiễm trong khí xả.
1.2.1. Tác hại của các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong
1.2.1.1. Tác hại sức khỏe con ngƣời.

CO: Monoxit carbon là sản phẩm khí không màu, không mùi, không vị, sinh ra do
oxy hóa không hoàn toàn carbon trong nhiên liệu trong điều kiện thiếu oxi. CO ngăn cản
sự dịch chuyển của hồng cầu trong máu làm cho các bộ phận của cơ thể bị thiếu oxi. Nạn
nhân bị tử vong khi 70% số hồng cầu bị khống chế (khi nồng độ CO trong không khí lớn
hơn 1000 ppm). Ở nồng độ thấp hơn, CO cũng có thể gây nguy hiểm lâu dài đối với con
người: khi 20% hồng cầu bị khống chế, nạn nhân bị nhức đầu, chóng mặt, buồn nôn và
khi tỷ số này lên đến 50%, não bộ con người bắt đầu bị ảnh hưởng mạnh.
NOx: NOx là họ các oxit nitơ, trong đó NO chiếm đại bộ phận. NOx được hình
thành do N2 tác dụng với O2 ở điều kiện nhiệt độ cao (vượt quá 1100oC). Monoxit nitơ
(x=1) không nguy hiểm mấy, nhưng nó là cơ sở để tạo ra dioxit nitơ (x=2). NO2 là chất
khí màu hơi hồng, có mùi, khứu giác có thể phát hiện khi nồng độ của nó trong không
khí đạt khoảng 0,12 ppm. NO2 là chất khó hòa tan, do đó nó có thể theo đường hô hấp đi
sâu vào phổi gây viêm và làm hủy hoại các tế bào của cơ quan hô hấp. Nạn nhân bị mất
ngủ, ho, khó thở. Protoxit nitơ N2O là chất cơ sở tạo ra ozone ở hạ tầng khí quyển.
Hydocarbure: Hydocarbure (HC) có mặt trong khí thải do quá trình cháy không hoàn
toàn khi hỗn hợp giàu, hoặc do hiện tượng cháy không bình thường. Chúng gây tác hại
đến sức khỏe con người chủ yếu là do các hydrocarbure thơm. Từ lâu người ta đã xác
định được vai trò của benzen trong căn bệnh ung thư máu (leucemie) khi nồng độ của nó
lớn hơn 40 ppm hoặc gây rối loạn hệ thần kinh khi nồng độ lớn hơn 1 g/m3, đôi khi nó là
nguyên nhân gây các bệnh về gan.
SO2: Oxit lưu huỳnh là một chất háu nước, vì vậy nó rất dể hòa tan vào nước mũi, bị
oxy hóa thành H2SO4 và muối amonium rồi đi theo đường hô hấp vào sâu trong phổi.

HVTH: Nguyễn Minh Thích

4

CBHD: TS. Nguyễn Lê Duy Khải

LVThS – Đánh giá ảnh hưởng của xoáy lốc và phun nhiên liệu nhiều lần đến công suất và khí
thải của động cơ Diesel bằng mô phỏng

Mặt khác, SO2 làm giảm khả năng đề kháng của cơ thể và làm tăng cường độ tác hại của
các chất ô nhiễm khác đối với nạn nhân.
Bồ hóng: Bồ hóng là chất ô nhiễm đặc biệt quan trọng trong khí xả động cơ diesel.
Nó tồn tại dưới dạng những hạt rắn có đường kính trung bình khoảng 0,3  m nên rất dễ
xâm nhập sâu vào phổi. Sự nguy hiểm của bồ hóng, ngoài việc gây trở ngại cho cơ quan
hô hấp như bất kỳ một tạp chất cơ học nào khác có mặt trong không khí, nó còn là
nguyên nhân gây ra bệnh ung thư do các hydrocarbure thơm mạch vòng (HAP) hấp thụ
trên bề mặt của chúng trong quá trình hình thành.
Chì: Chì có mặt trong khí xả do Thetraetyl chì Pb(C2H5)4 được pha vào xăng để tăng
tính chống kích nổ của nhiên liệu. Sự pha trộn chất phụ gia này vào xăng hiện nay vẫn
còn là đề tài bàn cãi của giới khoa học. Chì trong khí xả động cơ tồn tại dưới dạng những
hạt có đường kính cực bé nên rất dễ xâm nhập vào cơ thể qua da hoặc theo đường hô
hấp. Khi đã vào được trong cơ thể, khoảng từ 30% đến 40% lượng chì này đi vào máu.
Sự hiện diện của chì gây xáo trộn sự trao đổi ion ở não, gây trở ngại cho sự tổng hợp
enzyme để hình thành hồng cầu, và đặc biệt hơn nữa, nó tác động lên hệ thần kinh làm
trẻ em chậm phát triển trí tuệ. Chì bắt đầu gây nguy hiểm đối với con người khi nồng độ
của nó trong máu vượt quá 200 đến 250g/lít.
1.2.1.2.

Tác hại môi trƣờng.

Ảnh hƣởng nhiệt độ khí quyển.
Trong số những chất khí gây hiệu ứng nhà kính, người ta quan tâm đến khí carbonic
CO2 vì nó là thành phần chính trong sản phẩm cháy của nhiên liệu có chứa thành phần
carbon. Việc tăng nhiệt độ bầu khí quyển do sự có mặt của các chất khí gây hiệu ứng nhà
kính có thể được giải thích:
Trái đất nhận năng lượng từ mặt trời và bức xạ lại ra không gian một phần nhiệt

lượng mà nó nhận được. Bức xạ mặt trời đạt cực đại trong vùng ánh sáng thấy được (có
bước sóng trong khoảng 0,4-0,73m) còn bức xạ cực đại của vỏ trái đất nằm trong vùng
hồng ngoại (7-15m).

HVTH: Nguyễn Minh Thích

5

CBHD: TS. Nguyễn Lê Duy Khải


LVThS – Đánh giá ảnh hưởng của xoáy lốc và phun nhiên liệu nhiều lần đến công suất và khí
thải của động cơ Diesel bằng mô phỏng

Hình 1.1: Phổ bức xạ nhiệt của mặt trời và vỏ trái đất
Những chất khí khác nhau có dải hấp thụ bức xạ khác nhau. Do đó, thành phần các
chất khí có mặt trong khí quyển có ảnh hưởng đến sự trao đổi nhiệt giữa mặt trời, quả đất
và không gian. CO2 là chất khí có dải hấp thụ bức xạ cực đại ứng với bước sóng 15m, vì
vậy được xem như trong suốt đối với bức xạ mặt trời nhưng là chất hấp thụ quan trọng
đối với tia bức xạ hồng ngoại từ mặt đất. Một phần nhiệt lượng do lớp khí CO2 giữ lại sẽ
bức xạ ngược lại về trái đất (hình vẽ 1.2 ) làm nóng thêm bầu khí quyển theo hiệu ứng
nhà kính .
Với tốc độ gia tăng nồng độ khí carbonic trong bầu khí quyển hiện nay, người ta dự
đoán vào khoảng giữa thế kỷ XXII, nồng độ khí carbonic có thể tăng lên gấp đôi. Khi đó,
theo dự tính của các nhà khoa học, sẽ xảy ra sự thay đổi quan trọng đối với sự cân bằng
nhiệt trên quả đất:
+ Nhiệt độ bầu khí quyển sẽ tăng lên từ 2 đến 3oC.
+ Một phần băng ở vùng Bắc cực và Nam cực sẽ tan làm tăng chiều cao mực nước
biển.
+ Làm thay đổi chế độ mưa gió và sa mạc hóa thêm bề mặt trái đất.

HVTH: Nguyễn Minh Thích

6

CBHD: TS. Nguyễn Lê Duy Khải


LVThS – Đánh giá ảnh hưởng của xoáy lốc và phun nhiên liệu nhiều lần đến công suất và khí
thải của động cơ Diesel bằng mô phỏng

Hình 1.2: Hiện tượng hiện ứng nhà kính
Ảnh hƣởng đến sinh thái.
Việc tăng của NOx nguy cơ làm gia tăng sự huỷ hoại tầng ozone ở thượng tầng
khí quyển, lớp khí cần thiết để lọc tia cực tím phát xạ từ mặt trời. Tia cực tím gây ung
thư da và gây đột biến sinh học.
Mặt khác, các chất khí có tính axit như SO2, NO2, bị oxy hoá thành axit sulfuric,
axit nitric hòa tan trong mưa, trong tuyết, trong sương mù . . . làm hủy hoại thảm thực
vật trên mặt đất và gây ăn mòn các công trình kim loại.
Để giảm ô nhiễm trong khí thải động cơ diesel có rất nhiều cách, hiện nay có rất
nhiều nghiên cứu của các chuyên gia trên thế giới về vấn đề này. Các phương pháp xử
lí ô nhiễm hiện nay có thể phân chia thành 3 nhóm:.




Biện pháp xử lí bên trong động cơ:
-

Cải thiện quá trình cháy của động cơ.

-

Cải thiện quá trình phun nhiên liệu.

-

Cải thiện hình dáng buồng đốt...

Biện pháp xử lí ngoài động cơ:
-

Sử dụng bộ lọc “catalyst”

-

Sử dụng bộ lọc bồ hóng (particulate traps)

HVTH: Nguyễn Minh Thích

7

CBHD: TS. Nguyễn Lê Duy Khải


LVThS – Đánh giá ảnh hưởng của xoáy lốc và phun nhiên liệu nhiều lần đến công suất và khí
thải của động cơ Diesel bằng mô phỏng



Sử dụng hệ thống hồi lưu khí thải.

Thay đổi thành phần nhiên liệu:
-

Giảm nồng độ lưu huỳnh có trong nhiên liệu dầu diesel.

-

Thêm phụ gia vào nhiên liệu

-

Sử dụng biodiesel.

Trong nghiên cứu của mình, học viên chọn đề tài “Đánh giá ảnh hưởng của
xoáy lốc và phun nhiên liệu nhiều lần đến công suất và khí thải của động cơ diesel
bằng phương pháp mô phỏng” để làm đề tài cho luận văn, nhằm đánh giá tác động
của xoáy lốc và phun nhiên liệu nhiều lần đến công suất và lượng khí thải phát ra từ
động cơ diesel. Từ đó làm quen và đi đến thành thạo việc ứng dụng phần mềm mô
phỏng để tính toán lượng khí thải phát ra từ ô tô, khi mà điều kiện trang thiết bị thí
nghiệm ở các trường đại học của nước ta còn thiếu thốn.
1.3. Tính cấp thiết và ý nghĩa khoa học
1.3.1. Tính cấp thiết của đề tài
Tính cấp bách trong tìm kiếm các biện pháp góp phần cắt giảm ô nhiễm không
khí từ động cơ đốt trong và ô tô cũng như nâng cao công suất động cơ. Việc nghiên
cứu bằng phương pháp mô phỏng là việc tạo ra một mô hình đơn giản cho vật thể hoạt
động dựa trên những quy luật mô phỏng theo điều kiện thực tế, trên mô hình này ta có
thể xác định những thông số tác động và các đặc tính làm việc của vật thể đó .
1.3.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Thông qua quá trình mô phỏng chúng ta sẽ :
 Tiết kiệm thời gian và chi phí do không phải chế tạo nhiều vật mẫu để thử
nghiệm.
 Có thể xem xét gần như không hạn chế mức độ chi tiết của các kết quả mô
phỏng.

HVTH: Nguyễn Minh Thích

8

CBHD: TS. Nguyễn Lê Duy Khải


LVThS – Đánh giá ảnh hưởng của xoáy lốc và phun nhiên liệu nhiều lần đến công suất và khí
thải của động cơ Diesel bằng mô phỏng

 Có thể áp đặt các điều kiện ban đầu rất khắc nghiệt mà phương pháp thực
nghiệm khó tạo ra.
 Tránh việc chế tạo các vật mẫu nghiên cứu không cần thiết.
 Khắc phục trước các sai sót có thể khi chế tạo vật mẫu.
 Loại bỏ tính ước lượng, đoán chừng trong thiết kế vật nghiên cứu
1.4. Mục tiêu đề tài, đối tƣợng nghiên cứu, đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên
cứu
1.4.1. Mục tiêu đề tài
 Giảm ô nhiễm môi trường.
 Tăng công suất động cơ bằng cách thay đổi một số thông số của quá
trình xoáy lốc và phun nhiên liệu trong động cơ Diesel.
1.4.2. Đối tƣợng nghiên cứu
 Nghiên cứu mô phỏng quá trình xoáy lốc và phun nhiên liệu trên động
cơ common rail AVL 5402, một xy lanh, công suất tối đa 8kW

 Phần mềm mô phỏng Kiva-3v
1.4.3. Giới hạn đề tài:
Mô phỏng quá trình xoáy lốc và phun nhiên liệu nhiều lần trên động cơ
thí nghiệm common rail AVL 5402, một xy lanh, công suất tối đa 8kW.
Trong đề tài này học viên thực hiện mô phỏng phun 2 lần với các tỷ lệ
thay đổi: 25-3-75, 50-3-50, 75-3-25, 90-3-10, phun 1 lần và các trường hợp xoáy
lốc với tỷ lệ thay đổi: 1.0, 1.5, 3.0, 5.0

HVTH: Nguyễn Minh Thích

9

CBHD: TS. Nguyễn Lê Duy Khải