MỤC LỤC

MỤC LỤC................................................................................................................................1

MỞ  ĐẦU.................................................................................................................................2

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ DIESEL.................................................................3

1.1. Giới thiệu về động cơ diesel.............................................................................................3

1.2. Nguyên lý làm việc động cơ diesel...................................................................................3

1.3. Quá trình cháy động cơ diesel..........................................................................................5

1.3.1. Các giai đoạn của quá trình cháy...................................................................................5

1.3.2. Đặc điểm của quá trình cháy..........................................................................................9

1.4. Các yếu tố ảnh hưởng quá trình cháy............................................................................. 13

1.4.1. Giai đoạn chuẩn bị cháy............................................................................................... 13

1.4.1.1. Các yếu tố hóa học................................................................................................... 13

1.4.1.2. Các yếu tố vật lý....................................................................................................... 13

1.4.1.3. Các yếu tố kết cấu.................................................................................................... 14

1.4.2. Các giai đoạn còn lại................................................................................................... 18

Chương 2:  THÀNH PHẦN KHÍ XẢ ĐỘNG CƠ DIESEL..................................................... 19

2.1. Các chất độc hại trong khí thải động cơ diesel............................................................... 19

2.1.1. Monoxide cacbon (CO)................................................................................................ 19

2.1.2. Dioxide cacbon (CO₂).................................................................................................. 20

2.1.3. Hydro cacbon (HC)....................................................................................................... 20

2.1.4. Oxit lưu huỳnh (SO_x).................................................................................................... 20

2.1.5. Ô xit nitơ (NO_x)............................................................................................................. 21

2.1.6. Hợp chất chì................................................................................................................. 21

2.1.7. Chất thải dạng hạt (PM)................................................................................................ 21

2.2. Cơ chế hình thành các chất độc hại................................................................................ 24

2.2.1. Sự hình thành NO_x....................................................................................................... 24

2.2.1.1. Sự hình thành mônôxit nitơ (NO)............................................................................... 26

2.2.1.2 . Sự hình thành điôxit nitơ (NO₂).………………………....................................……….26

2.2.1.3. Sự hình thành Prôtôxit nitơ (N₂O).............................................................................. 28

2.2.2. Sự hình thành HC.......................................................................................................... 28

2.2.3. Sự hình thành bồ hóng.................................................................................................. 31

Chương 3: CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CÁC CHẤT THẢI ĐỘNG CƠ..... 31

3.1. Hệ số dư lượng không khí................................................................................................ 31

3.2. Việc cung cấp nhiên liệu................................................................................................... 32

3.3. Tính chất nhiên liệu.......................................................................................................... 35

3.4. Nhiệt độ khí cháy.............................................................................................................. 36

3.5. Thử nghiệm trên động cơ Vikyno 125-2........................................................................... 38

Chương 4:  CÁC BIỆN PHÁP GIẢM ĐỘC TỐ KHÍ THẢI ..................................................... 43

4.1. Các nguyên tắc cơ bản.....................................................................................................43

4.2. Các phương pháp cụ thể..................................................................................................46

4.2.1. Phương pháp hoàn thiện kết cấu động cơ và điều chỉnh các thông số.........................46

4.2.1.1. Hoàn thiện kết cấu buồng cháy...................................................................................46

4.2.1.2. Thay đổi cường độ cháy và áp suất phun...................................................................48

4.2.1.3. Thay đổi áp suất không khí và hệ số dư lượng không khí.......................................... 48

4.2.2. Phương pháp sử dụng phụ gia cho nhiên lệu, nhiên liệu sạch và hỗn hợp nhiên liệu..50

4.2.2.1. Sử dụng nhũ tương dầu nước....................................................................................50

4.2.2.2. Phun nước trực tiếp vào buồng cháy phụ..................................................................50

4.2.2.3. Làm ẩm không khí nạp............................................................................................... 51

4.2.2.4. Sử dụng nhiên liệu chọn lọc và chất phụ gia..............................................................51

KẾT LUẬN...............................................................................................................................52

TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................................53

LỜI CẢM ƠN

Qua 4 năm học tập và rèn luyện tại trường Trường Sỹ quan Kỹ thuật Quân sự, được sự chỉ bảo và giảng dạy nhiệt tình của quý thầy cô, đặc biệt là các thầy khoa Ô tô đã truyền đạt cho tôi những kiến thức về lý thuyết và thực hành trong suốt thời gian học ở trường. Những kiến thức học tập tại trường là hành trang để công tác sau này. Cùng với sự nổ lực của bản thân, em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình.

Từ những kết quả đạt được này, em xin chân thành cảm ơn

Quý thầy trong Khoa Ô tô, Trường Sỹ quan Kỹ thuật Quân sự đã truyền đạt cho em những kiến thức bổ ích trong thời gian qua. Đặc biệt, là ThS………………. đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp  này.

Thủ trưởng Cơ quan, đơn vị các Phòng, Khoa, Ban đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.

Do kiến thức còn hạn hẹp nên không tránh khỏi những thiếu sót trong cách hiểu, lỗi trình bày. Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý Thầy để đồ án tốt nghiệp  đạt được kết quả tốt hơn.

MỞ ĐẦU

1. Tính thời sự của đề tài

Trên thế giới hiện nay, vấn đề môi trường đang là một trong những vấn đề cấp bách đối với toàn thể nhân loại. Các thiên tai như: thủng tầng ozôn, mưa axit, hiệu ứng nhà kính, các hiện tượng bất thường trong tự nhiên gây lụt lội, hạn hán … phần lớn do con người tạo ra mà chính con người trực tiếp phải gánh chịu hậu quả.

Xuất phát từ thực trạng trên, tất cả các tổ chức trên thế giới trong đó có các cơ quan bảo vệ môi trường đã ban hành và sửa đổi nhiều luật lệ, nghị định, quy định cụ thể nhằm hạn chế sự phát sinh các chất ô nhiễm tới môi trường sống nói chung và bầu khí quyển nói riêng.

Phương án, giải pháp nhằm hạn chế ô nhiễm, bảo vệ môi trường được các quốc gia trên thế giới lựa chọn chính là ngăn chặn, giảm thiểu và từng bước khắc phục hậu quả ô nhiễm.

Tại châu Âu và Mỹ đa phần đã áp dụng tiêu chuẩn khí thải của phương tiện giao thông vì lo ngại khí thải do các phương tiện này gây ra ô nhiễm.

Ở Việt Nam với sự tăng trưởng mạnh mẽ về kinh tế đi kèm là sự gia tăng các phương tiện giao thông vận tải để đáp ứng nhu cầu đi lại, lưu thông hàng hóa; do đó tình trạng ô nhiễm không khí do động cơ đốt trong gây ra ngày càng trầm trọng. Chính phủ Việt Nam đã và đang quan tâm rất lớn đến vấn đề này như: ban hành Quyết định 249/2005/QĐ-TTg ngày 10/10/2005 của Thủ tướng Chính phủ về lộ trình áp dụng việc kiểm tra khí thải bắt buộc đối với các phương tiện cơ giới đường bộ.

Trong tất cả các loại động cơ nhiệt sinh công thì động cơ diesel vẫn được ưa chuộng nhất do nhiều tính năng ưu việt, đặc biệt là tính kinh tế của nó. Các nhà chế tạo và các cơ sở sản xuất đã hiểu quá rõ tác hại của khí thải động cơ đốt trong với môi trường. Vấn đề này không giải quyết một cách triệt để thì trong một tương lai gần nó sẽ phải đứng trước ngưỡng giới hạn của luật môi trường do cơ quan chức năng của các quốc gia trên thế giới ban hành. Điều này đồng nghĩa với việc; hoặc là những loại động cơ này trên toàn thế giới sẽ bị cấm sử dụng hoặc bằng các giải pháp nào đó (kể cả thay đổi nguyên lý cấu tạo hay quy trình khai thác)phải làm giảm bớt hàm lượng độc tố sinh ra từ động cơ.

 Nhằm góp phần vào công việc nghiên cứu làm giảm ảnh hưởng của khí thải động cơ diesel đến môi trường tôi chọn đề tài : “Nghiên cứu ảnh hưởng của góc phun sớm lên đặc tính động cơ diesel”.

2. Mục đích của đề tài

Phân tích ảnh hưởng của góc phun sớm đến công suất động cơ và ảnh hưởng của quá trình cháy đến thành phần khí thải động cơ diesel, từ đó tìm ra các biện pháp tối ưu để giảm thiểu nồng độ chất thải trong khai thác mà vẫn duy trì được các chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật khác của động cơ.

3. Phương pháp nghiên cứu của đề tài

Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý luận thông qua các tài liệu liên quan. Phân tích và đánh giá kết quả, đề xuất một số biện pháp nhằm nâng cao công suất và hạn chế nồng độ độc tố trong khí xả động cơ diesel.

4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Đề tài đã nghiên cứu cơ bản cơ chế hình thành NO_x và các chất độc hại trong khí xả. Thông qua những nghiên cứu lý thuyết đã phân tích và đánh giá được sự ảnh hưởng của các thông số kết cấu và khai thác đến mức độ hình thành NO_x từ đó đề ra một số giải pháp tối ưu nhằm hạn chế nồng độ chất độc hại trong khí xả động cơ diesel.

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ DIESEL

1.1. Giới thiệu về động cơ Diesel

Động cơ Diesel do một kỹ sư người Đức, ông Rudolf Diesel, phát minh ra vào năm 1892. Chu trình làm việc của động cơ cũng được gọi là chu trình Diesel, hay chu trình cấp nhiệt đẳng áp. Do những ưu việt của nó so với động cơ xăng, như hiệu suất động cơ cao hơn hay nhiên liệu diesel rẻ tiền hơn xăng, nên động cơ Diesel được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, đặc biệt trong ngành giao thông vận tải thủy và vận tải bộ.

1.2. Nguyên lý làm việc của động cơ Diesel

Động cơ Diesel là một loại động cơ đốt trong, khác với động cơ xăng (hay động cơ Otto). Sự cháy của nhiên liệu, tức dầu diesel, xảy ra trong buồng đốt khi piston đi tới gần điểm chết trên trong kỳ nén, là sự tự cháy dưới tác động của nhiệt độ và áp suất cao của không khí nén.

* Kỳ hút: Piston đi từ ĐCT xuống ĐCD, không khí được hút vào trong xy-lanh qua xu-páp nạp. Kỳ hút kết thúc khi piston đã qua ĐCD một khoảng ứng với 40-60⁰ góc quay trục khuỷu. Áp suất cuối kỳ hút trong xy-lanh khoảng 0,8 ÷0,95 kG/cm².

* Kỳ nén: Piston đi từ ĐCD lên ĐCT, các xu-páp đều đóng, không khí trong xy-lanh bị nén lại. Áp suất cuối kỳ nén có thể đạt 35-40 kG/cm², nhiệt độ khoảng 550-630⁰ C. Khi piston lên cách ĐCT một khoảng tương ứng 15-30⁰ góc quay trục khuỷu thì nhiên liệu được phun tơi vào trong xy-lanh dưới dạng sương, hòa trộn với không khí nén nóng và bắt cháy. Khi piston đi qua ĐCT thì qua trình cháy xảy ra rất mạnh làm áp suất và nhiệt độ trong xy-lanh tăng lên đột ngột.

* Kỳ xả: Khi piston xuống gần ĐCD (cách khoảng 40÷60⁰ theo góc quay trục khuỷu) thì xu-páp xả mở ra cho khí cháy thoát ra ngoài. Sau đó, trong quá trình di chuyển từ ĐCD lên ĐCT, piston tiếp tục đẩy khí cháy ra ngoài. Ở cuối kỳ xả, vẩn còn sót lại một lượng khí xả nằm trong buồng cháy (áp suất khoảng 1,0÷1,1 kG/cm² và nhiệt độ khoảng 600÷700⁰C).

1.3. Quá trình cháy động cơ diesel

Quá trình cháy trong động cơ diesel thực chất là quá trình ôxy hoá các thành phần hoá học có trong nhiên liệu kèm theo sự toả nhiệt mãnh liệt. Quá trình cháy bao gồm hàng loạt các biến đổi về lý hoá, cái nọ nối tiếp cái kia và kéo dài cho đến cả sau khi hỗn hợp đã bốc cháy.

1.3.1. Các giai đoạn cháy

  Quá trình cháy trong động cơ diesel bao gồm nhiều quá trình trung gian kế tiếp nhau nhưng để cho việc nghiên cứu được dễ dàng, trên cơ sở căn cứ vào bản chất các quá trình xảy ra trong xylanh động cơ người ta chia qúa trình cháy thành 4 giai đoạn:

1.3.1.1. Giai đoạn chuẩn bị cháy

Giai đoạn chuẩn bị cháy được xác định bằng khoảng thời gian từ lúc nhiên liệu bắt đầu phun vào xilanh động cơ (điểm c’) đến khi áp suất trong xylanh động cơ bắt đầu tăng đột ngột, tức là đường cong áp suất biểu thị quá trình cháy tách khỏi đường cong nén (điểm c). Giai đoạn này trong xylanh động cơ diễn ra hàng loạt các quá trình phức tạp: sấy nóng nhiên liệu, bay hơi, phân huỷ các phần tử có liên kết dài thành các phần tử có liên kết ngắn, ôxy hoá. 

1.3.1.2. Giai đoạn tăng áp suất

Giai đoạn này gọi là giai đoạn cháy nổ, được xác định bằng khoảng thời gian từ lúc bắt đầu sự bốc cháy rõ rệt của nhiên liệu (điểm c) đến thời điểm áp suất trong xilanh động cơ đạt giá trị lớn nhất (điểm z’). Ở giai đoạn này tốc độ toả nhiệt của nhiên liệu rất lớn đồng thời áp suất chất khí trong xilanh động cơ cũng tăng lên một cách đáng kể.

1.3.1.4. Giai đoạn cháy rớt

Giai đoạn này tương ứng với thời kỳ cháy rớt của nhiên liệu, được tính từ lúc nhiệt độ chất khí trong xilanh động cơ đạt giá trị cực đại đến khi kết thúc quá trình cháy nhiên liệu (điểm d). Trong giai đoạn này, tốc độ toả nhiệt giảm và tốc độ cháy nhiên liệu diễn ra chậm. Trong tất cả các động cơ diesel hầu như đều tồn tại giai đoạn cháy rớt này. Do tốc độ quay cao, các động cơ cao tốc có quá trình cháy rớt dài sẽ làm tổn thất nhiệt khí xả tăng, tính kinh tế của động cơ giảm xuống, làm xấu đi chế độ nhiệt của các chi tiết, đặc biệt là nhóm piston và cơ cấu phân phối khí. Giảm hệ số dư lượng không khí a (đặc biệt ở chế độ quá tải), giảm góc phun sớm, chất lượng phun nhiên liệu kém, thay đổi loại nhiên liệu sử dụng, tăng số vòng quay và hàng loạt các yếu tố khác thay đổi là nguyên nhân làm cho quá trình cháy rớt phát triển.

1.3.2. Đặc điểm quá trình cháy

Hiện tượng tự bốc cháy nhiên liệu trong động cơ diesel rất phức tạp. Ở đây nhiệt độ của không khí trong buồng cháy không đủ cao để có thể phá huỷ cấu trúc bên trong các phân tử hyđrocacbon như trong trường hợp đốt cháy bằng tia lửa điện. Một số lý thuyết về sự bốc cháy nhiên liệu còn cho rằng hiện tượng tự bốc cháy nhiên liệu trong động cơ diesel là kết quả của hàng loạt quá trình hoá học với sự hình thành những hợp chất trung gian để dẫn đến hình thành những phần tử hoạt tính. 

Nếu thời gian cháy trễ τi dài, lượng nhiên liệu tập trung trong buồng cháy tại thời điểm cuối giai đoạn I sẽ lớn. Kết quả là tốc độ tăng áp suất trong xylanh ở giai đoạn II càng lớn, động cơ làm việc có xuất hiện tiếng gõ, tải trọng động tác động lên cơ cấu truyền lực sẽ lớn.

Tốc độ quay của động cơ càng cao thì hậu quả của hiện tượng cháy trễ và cháy rớt càng nghiêm trọng. Chính vì vậy, với những giải pháp kỹ thuật hiện có, tốc độ quay của động cơ diesel chưa vượt quá 5000 vg/ph (trong khi tốc độ quay của động cơ xăng đã đạt 20.000 vg/ph).

1.4. Các yếu tố ảnh hưởng quá trình cháy

1.4.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến giai đoạn chuẩn bị cháy

Thời gian của giai đoạn chuẩn bị cháy rất ngắn t_i = 0,005 ¸ 0,001 (giây). Thời gian chuẩn bị cháy và quy luật cấp nhiên liệu hay lượng nhiên liệu cấp trong thời gian chuẩn bị cháy có ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ tăng áp suất và độ cứng của động cơ làm việc êm, tránh được các hư hỏng do các ứng suất cơ gây ra.

Các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian chuẩn bị cháy bao gồm các yếu tố hoá học, các yếu tố vật lý, các yếu tố cấu tạo và các yếu tố khai thác.

1.4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến các giai đoạn còn lại của quá trình cháy

Giai đoạn 2 tức là giai đoạn cháy nổ phụ thuộc rất nhiều vào thời gian chuẩn bị cháy. Trong cùng một điều kiện khai thác, khi rút ngắn thời gian chuẩn bị cháy t_i sẽ làm cho tốc độ tăng áp suất  và áp suất cháy lớn nhất p_z giảm xuống, động cơ làm việc êm, nhẹ nhàng hơn.

Giai đoạn cháy thứ 3 là giai đoạn cháy khi piston đã đi từ ĐCT xuống ĐCD. Thời gian của giai đoạn 3 phụ thuộc vào thời gian của giai đoạn 1, giai đoạn 2 và góc cấp nhiên liệu toàn bộ. Thay đổi góc cấp nhiên liệu toàn bộ sẽ làm cho thời gian của giai đoạn 3 thay đổi. Khi góc cấp nhiên liệu toàn bộ không đổi việc kéo dài hay rút ngắn thời gian của giai đoạn 1 sẽ làm thay đổi giai đoạn 3.

Giai đoạn 4 của quá trình cháy là hậu quả của tất cả các giai đoạn trước. Càng rút ngắn được thời gian của giai đoạn 4 thì tính kinh tế của động cơ càng tăng, trạng thái nhiệt của các chi tiết nhóm piston xilanh càng đảm bảo. Giảm tốc độ quay của động cơ, tăng hệ số dư lượng không khí a hoặc cải thiện chất lượng phun sương và tạo hỗn hợp là những biện pháp hữu hiệu nhằm rút ngắn giai đoạn cháy rớt này. Tuy nhiên giai đoạn 4 này vẫn tồn tại trong tất cả các động cơ diesel.

Chương 2

THÀNH PHẦN KHÍ XẢ ĐỘNG CƠ

2.1. Các chất độc hại trong khí thải động cơ đốt trong

2.1.1. Monoxide cacbon (CO)

Monoxide carbon (CO) là chất khí không màu, không mùi, không vị,được hình thành do oxy hoá không hoàn toàn hydrocacbon trong điều kiện thiếu oxy.

Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng: nếu 20% lượng hemoglobin trong máu bị khống chế thì sẽ gây nhức đầu, chóng mặt, buồn nôn ; nếu 50% lượng hemoglobin bị khống chế thì não bắt đầu bị ảnh hưởng; nếu 70% lượng hemoglobin bị khống chế thì có thể gây tử vong. Ảnh hưởng của CO sẽ mạnh lên đối với người có tiền sử về bệnh tim mạch. Nếu hít quá 0,02mg/lít không khí liên tục sau 15 phút sẽ bị chết ngạt. Nồng độ cho phép đối với CO ở khu vực thành thị là khoảng 2 ppm.

2.1.2. Dioxide carbon (CO₂)

Dioxide carbon (CO₂) là chất khí không màu, không vị. CO₂ là một trong những thành phần cơ hữu của khí quyển trái đất. Trong không khí sạch, CO₂ chiếm khoảng 0,03% thể tích, tương đương 598 mg/m³ .

1.3. Hydrocarbon (HC)

Hydrocarbon (HC) hiện diện trong khí thải do quá trình cháy không hoàn toàn hoặc do một số hiện tượng cháy không bình thường khác.

Hydrocarbon thơm (C_nH_2n-6) là nhóm hydrocarbon gây tác hại mạnh nhất đến sức khỏe con người. Từ lâu người ta đã phát hiện được vai trò của hydrocacbon thơm đa vòng (Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques - HAP) trong bệnh ung thư máu khi nồng độ của nó lớn hơn 40 ppm hoặc gây rối loạn hệ thần kinh khi nồng độ lớn hơn 1g/m3. Hydrocarbon thơm còn có thể là nguyên nhân gây ra các bệnh về gan.

2.2. Cơ chế hình thành các chất độc hại trong khí thải của động cơ đốt trong

2.2.1. Sự hình thành NO_x trong động cơ

Hợp chất NO_x là tên gọi chung cho ôxit nitơ, bao gồm hai ôxit: đó chính là ôxit nitơ (NO) và điôxit nitơ (NO₂). Về bản chất, NO_x là chất khí tồn tại trong khí xả có hàm lượng độc tố cao. Tuy có hàm lượng nhỏ trong khí xả nhưng lại là một trong những thành phần chủ yếu gây ô nhiễm bên cạnh những chất như CO₂, SO₂, HCHO, Ch₄ … Vì thế, việc xác định tỷ lệ NO_x trong khí xả là rất cần thiết để có thể biết được mức độ gây ô nhiễm của từng động cơ.

Nhưng thực tế cho thấy, khả năng hoạt hoá của nitơ tăng theo chiều tăng nhiệt độ từ 700 ¸ 1700°C. Tại khoảng nhiệt độ này nitơ tác dụng với ôxy theo hai phản ứng hoàn toàn và không hoàn toàn, hình thành hai ôxit: ôxit nitơ (NO) và điôxit nitơ (NO₂). Phương trình phản ứng ôxy hoá ôxit nitơ được thể hiện như sau:

N₂ + O₂ <=> 2NO

N + O₂ <=> NO + O

Sự hình thành NO₂ cũng được thể hiện qua các phương trình phản ứng sau:

NO + H₂O <=> NO₂ + HO

NO + O₃ <=> NO₂ + O₂

2.2.1.1. Sự hình thành mônôxit nitơ (NO)

Sự hình thành mônôxit nitơ (NO) do ôxy hoá phân tử nitơ trong không khí đã được nghiên cứu qua nhiều mô hình khác nhau từ đơn giản đến phức tạp. Trong điều kiện môi trường của buồng đốt, khi hệ số dư lượng không khí a xấp xỉ bằng 1, những phản ứng chính tạo thành và phân huỷ NO theo hai chiều thuận nghịch:

O + N₂ <=> NO + N – 316 kJ/mol             (1)

N + O₂ <=> NO + O + 136 kJ/mol             (2)

N + OH <=> NO + N                                 (3)

2.2.1.2. Sự hình thành điôxit nitơ (NO₂)

Qua việc tính toán nồng độ của các chất trong sản phẩm cháy theo điều kiện cân bằng nhiệt động cho thấy: trong điều kiện cháy bình thường của hỗn hợp đồng nhất, nồng độ NO₂ so với nồng độ NO là rất nhỏ trong tổng lượng khí thải NO­_x và ta có thể bỏ qua. Điều này phù hợp với động cơ đánh lửa cưỡng bức. Còn đối với động cơ nén tự cháy như động cơ diesel, do quá trình cháy khuếch tán rất mạnh nên người ta thường thấy có đến 10 ¸ 30% NO_x ở dạng NO₂.

Và cũng trong điều kiện nhiệt độ cao tai buồng đốt, NO₂ tạo thành có thể phân giải thành NO khi kết hợp với ôxy, được thể hiện qua phương trình phản ứng:

NO₂ + O => NO + O₂

2.2.2. Cơ chế hình thành HC ở động cơ diesel

Ở động cơ diesel, thời gian dành cho quá trình chuẩn bị hỗn hợp cháy rất ngắn so với ở động cơ phát hỏa bằng tia lửa nên hỗn hợp cháy là không đồng nhất tại thời điểm phát hỏa. Quá trình hóa hơi nhiên liệu, sấy nóng hơi, phát hỏa và phát triển ngọn lửa, hòa trộn giữa hỗn hợp cháy và sản phẩm cháy diễn ra đồng thời đối với một bộ phận nhiên liệu được phun vào buồng đốt. 

2.2.3. Cơ chế hình thành bồ hóng

Trong thành phần của bồ hóng có thể bao gồm : carbon, dầu bôi trơn, nhiên liệuchưa  cháy hoặc cháy không hoàn toàn, những phần tử chất rắn như sunfat, lưu huỳnh, canxi, photpho, v.v.

Thành phần hạt bồ hóng còn phụ thuộc vào tính chất nhiên liệu, hàm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu, đặc điểm của quá trình cháy, tình trạng kỹ thuật của động cơ, v.v.

Quá trình cháy khuếch tán trong động cơ diesel rất thuận lợi cho việc hình thành bồ hóng. Quá trình cháy của hạt nhiên liệu lỏng trong khi chúng dịch chuyển trong buồng đốt cũng như sự tập trung cục bộ hơi nhiên liệu ở những vùng có nhiệt độ cao là nguyên nhân chính sản sinh bồ hóng.

Chương 3

CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CHẤT THẢI ĐỘNG CƠ

3.1. Hệ số dư lượng không khí

Hình 3.1 minh họa ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí đến mức độ phát sinh NO. Nhiệt độ cháy đạt giá trị cực đại tương ứng với hệ số dư lượng không khí khoảng 0,9 nghĩa là khi hỗn hợp hơi giàu. Tuy nhiên trong điều kiện đó nồng độ O₂ thấp nên nồng độ NO không đạt giá trị lớn nhất. Khi hệ số dư lượng không khí tăng, ảnh hưởng của sự gia tăng áp suất riêng O₂ đến nồng độ NO lớn hơn ảnh hưởng của sự giảm nhiệt độ cháy nên NO đạt giá trị cực đại ứng với hệ số dư lượng không khí khoảng 1,1 (hỗn hợp hơi nghèo).

3.2.  Việc cung cấp nhiên liệu

Ngoài đặc tính của các loại nhiên liệu ra, các thông số từ phía động cơ có liên quan đến việc cấp nhiên liệu cũng ảnh hưởng không nhỏ đến nồng độ các chất ô nhiễm như: góc phun sớm, thời gian cấp, tốc độ phun, quy luật phun và chất lượng phun nhiên liệu…

Góc phun sớm gây ảnh hưởng đến nồng độ NO_x thông qua nhiệt độ và áp suất cực đại trong xilanh. Khi tăng góc phun sớm sẽ làm cho thời điểm bắt đầu cháy xuất hiện sớm do đó làm tăng giá trị áp suất cực đại, và do hỗn hợp cháy sớm nên thời gian sản phẩm cháy tồn tại ở nhiệt độ cao sẽ dài. Đó là hai điều kiện thuận lợi thúc đẩy hình thành NO_x nhanh hơn. Vì thế khi tăng góc phun sớm sẽ làm tăng nồng độ NO_x trong khí xả.

3.3. Tính chất nhiên liệu

Ảnh hưởng của nhiên liệu đến nồng độ NO_x trong động cơ diesel có thể biểu diễn qua công thức:

No_x (ppm) = -7,0m + 4,7t +4,5X_a + constante

3.4. Nhiệt độ khí cháy

Nhiệt độ khí cháy là yếu tố lớn nhất và tác động trực tiếp nhất tới tốc độ tạo thành các chất gây ô nhiễm. Bởi vì hầu hết các yếu tố khác ảnh hưởng tới hàm lượng độc tố đều phải thông qua nhiệt độ này.

Khi nhiệt độ khí cháy cực đại tăng cao sẽ tăng sự tạo thành NO_x mặc dù có thể làm giảm HC và bồ hóng. Nhưng nếu giảm nhiệt độ cực đại thì công suất động cơ sẽ giảm, hàm lượng bồ hóng tăng lên mạnh ở chế độ tải thấp, tuy nhiên ở chế độ tải cao thì hàm lượng này ít bị ảnh hưởng.

3.5. Thử nghiệm trên động cơ Vikyno RV 125-2

Động cơ diesel RV 125-2 là động cơ 4 kỳ, 1 xi lanh nằm ngang, sử dụng hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp, buồng cháy thống nhất. Động cơ chủ yếu được sử dụng phổ biến trong nông nghiệp.

Các thông số kỹ thuật:

Đường kính x Hành trình:          mm                       94 x 90

Dung tích làm việc:                    cm³                       624

Công suất định mức:                 HP/ vòng/ phút     10,5/2200

Công suất tối đa:                       HP/ vòng/ phút     12,5/2400

Mô men tối đa:                          kgf.m/ vòng/ phút 4,04/ 1800

Tỉ số nén:                                                               18:1

3.5.1. Sơ đồ thực nghiệm

Sơ đồ thực nghiệm trên động cơ Vikyno Rv 125-2 như hình 3.7.

3.5.2. Thiết bị thực nghiệm

Bao gồm:

- Động cơ diesel Vikyno RV 125-2 với buồng cháy trực tiếp

- Băng thử động cơ được chuyển đổi từ máy phát điện xoay chiều 3 pha

- Mạch vi xử lý điện tử để điều khiển và thu nhập dữ liệu

- Thiết bị đo khí thải AVL SESAM 60iFT

- Thiết bị AVL Dismoke 4000 để đo độ mờ khói động cơ

- Cảm biến  FERET INSTRUMENTS V765-01 để xác định thời điểm phun

- Ngoài ra còn có các cảm biến khác.

Chương 4

CÁC BIỆN PHÁP GIẢM ĐỘC TỐ CHẤT THẢI

4.1. Các nguyên tắc cơ bản để giảm thiểu độc tố khí xả động cơ diesel

Nhận thức rõ tầm quan trọng của vấn đề ô nhiễm khí xả, các nước trên thế giới liên hiệp đưa ra các điều khoản nhằm hạn chế dần mức độ phát thải của các chất độc hại do động cơ diesel sinh ra. Và xu thế của các tiêu chuẩn về ô nhiễm do động cơ diesel thải ra môi trường ngày một giảm, trong tương lai chỉ số này sẽ giảm xuống 3 lần.

Thành phần độc tố hàm lượng cho phép, mg/m³

CO =1500 mg/m³

NOx   =2300 mg/m³

Đối với các động cơ diesel thông thường được lấy theo tiêu chuẩn của hãng sản xuất động cơ.

Ở nước ta hiện nay cũng đang nghiên cứu các biện pháp giảm thiểu ô nhiễm khí thải. Các nghiên cứu cũng đã có những thành quả bước đầu như việc chế tạo xúc tác khí thải ba chức năng chứa đất hiếm, về sự hình thành của các thành phần độc tố trong buồng cháy động cơ đốt trong. Tuy vậy với yêu cầu giảm nhanh phát thải ô nhiễm trong những năm tới thì việc tiếp tục nghiên cứu để tiến tới đáp ứng các chỉ tiêu của khu vực và thế giới là hết sức cần thiết và cấp bách.

* Cải thiện quá trình cháy:

- Tăng khả năng cháy hết bằng cách tăng hệ số dư lượng không khí α. Các công trình nghiên cứu cho thấy khi α 1.15 sẽ làm cho hàm lượng NO_x sinh ra là nhỏ nhất.

- Tảng tốc độ cấp nhiên liệu để hạn chế cháy rớt tại khu vực vòi phun, đóng cáu cặn trong buồng đốt…

- Thay đổi góc phun nhiên liệu.

* Giảm nhiệt độ quá trình cháy:

Phun nước trực tiếp vào buồng đốt.

Tăng số lỗ phun của vòi phun và giảm đường kính lỗ phun, tăng áp suất phun làm nhiên liệu phun tốt hơn kết quả là làm giàm số vùng nhiệt độ cao từ đó giảm hàm lượng khí NOx và suất tiêu hao nhiên liệu.

Dùng chất trơ có tỉ nhiệt lớn để hạn chế nhiệt độ max.

* Sử dụng hóa chất trung hòa:

Sử dụng chủ yếu Urê và NH3 làm chất trung hoà khí thải. Khi đó các chất xúc tác sẽ tác dụng với các thành phần độc tố có trong sản phẩm cháy để tạo ra các chất không gây ô nhiễm.

4.2. Các phương pháp cụ thể giảm thiểu độc tố khí xả

4.2.1. Phương pháp hoàn thiện kết cấu động cơ và điều chỉnh các thông số điều chỉnh

4.2.1.1. Hoàn thiện kết cấu buồng cháy

Khi tăng cường xoáy lốc thì hàm lượng khí NOx cũng tăng do tăng lượng ôxy tham gia phản ứng cháy, tuy nhiên nếu tăng cường độ xoáy lốc quá giới hạn thì hàm lượng NO_x giảm do giảm khả năng khuếch tán ôxy, còn đối với hàm lượng CO và khói thì ngược lại. Vì vậy việc lựa chọn hệ số xoáy lốc hợp lý là rất khó khăn.

Sự ảnh hưởng của hệ số xoáy lốc đến hàm lượng các thành phần độc tố có trong khí xả động cơ diesel biểu diễn ở hình 4.1

4.2.1.2. Thay đổi cường độ cháy và áp suất phun

Việc nâng cao cường độ cháy và phun nhiên liệu ở áp suất cao kết hợp với các kết cấu đặc biệt của vòi phun BCA đang là vấn đề được quan tâm với các động cơ cao tốc. Phương pháp này được các nhà khoa học Mỹ và Anh nghiên cứu và đã áp dụng trên một số động cơ MAN B&W. Để tăng cường độ cháy thì phải tăng số lỗ phun của vòi phun và giảm đường kính lỗ phun để giảm kích thước hạt nhiên liệu trong buồng cháy. 

4.2.2. Phương pháp sử dụng phụ gia cho nhiên liệu, nhiên liệu sạch và hỗn hợp nhiên liệu

4.2.2.1. Sử dụng nhũ tương dầu nước

Các nhà khoa học Nga đã chế tạo ra thiết bị điều chỉnh hàm lượng nhũ tương theo vòng quay và phụ tải động cơ. Hệ thống như vậy đã được thử nghiệm trên động cơ VASA-32. Kết quả thử nghiệm cho thấy khi hệ thống hoạt động ở chế độ tự động, suất tiêu hao nhiên liệu giảm 1 - 2 (g/kWh), hàm lượng khói giảm từ 3 - 4 lần, hàm lượng khí NOx và CO giảm tới 35 - 40%, hiệu suất kinh tế đạt lớn nhất khi hàm lượng nước tối ưu.

4.2.2.2. Phun nước trực tiếp vào buồng đốt phụ

Phương pháp phun trực tiếp nước vào buồng đốt là một trong những biện pháp làm giảm nhiệt độ buồng cháy, tăng khả năng hoà trộn hỗn hợp cháy do vậy làm giảm NO_x. Để tăng khả năng ưu việt của nước phun th. nước được phun vào trong buồng cháy xoáy lốc. Việc phun nước trực tiếp vào buồng cháy xoáy lốc trước khi phun nhiên liệu đã làm giảm đáng kể khí NO_x thải ra. Và hầu như tất cả nước bị bốc hơi ngay trong buồng cháy xoáy lốc nên nhiệt độ ngọn lửa ở tâm buồng cháy giảm xuống đáng kể đồng thời sự ăn mòn, mài mòn sơ mi xilanh và xéc-măng giảm hơn so với động cơ thông thường.

4.2.2.4. Sử dụng nhiên liệu chọn lọc va chất phụ gia

Việc ứng dụng các chất phụ gia cho nhiên liệu và dùng nhiên liệu có hàm lượng S, chỉ số Xê tan thấp đang là mục tiêu của các nhà sản xuất nhiên liệu và cũng đang là vấn đề được các nước rất quan tâm.Quá trình công tác của động cơ diesel sử dụng nhiên liệu sạch có sự phân bố đều nhiên liệu trong buồng đốt, loại bỏ các điểm cháy cục bộ và hỗn hợp không đồng đều về mặt thành phần hoá học là những khu vực sinh ra 60 - 70% NO_x và SO_x.

Chương 4

KẾT LUẬN

Với các phân tích tổng quan, đánh giá nêu trên ta thấy rằng mức độ ô nhiễm môi trường do động cơ đốt trong gây ra là rất lớn và ô nhiễm do độc tố khí xả động cơ diesel chiếm một phần đáng kể. Tác hại do chúng gây ra đối với môi trường và con người là không thể lường hết. Trên cơ sở đó việc nghiên cứu để tìm ra các giải pháp tối ưu không chỉ là chuyện của một quốc gia, một tổ chức hay một hãng động cơ nào mà là vấn đề chung của cả thế giới. Xu hướng giải quyết vấn đề này rất đa dạng, tuy nhiên do giới hạn của đề tài nên em chỉ đề cập một cách tổng quan đến các biện pháp giảm thiểu nồng độ độc tố trong khí xả động cơ diesel.

Qua đó em rút ra một số kết luận sau:

1. Việc hạn chế nồng độ độc tố trong quá trình cháy động cơ diesel cần phải được xem xét đồng thời với việc đảm bảo tính kinh tế nhiên liệu. Hạn chế sử dụng động cơ ở chế độ toàn tải và tăng tải đột ngột vì khi đó vừa tăng nồng độ NO_x và bồ hóng, vừa giảm tính kinh tế nhiên liệu.

2. Trong quá trìnnh khai thác động cơ, cần phải đảm bảo duy trì trạng thái kỹ thuật của các chi tiết trong hệ thống nhiên liệu đặc biệt là chất lượng nhiên liệu và vòi phun để đảm bảo động cơ làm việc tốt không sản sinh ra nhiều khói và muội.

Việc đảm bảo tốt chất lượng hệ thống khí nạp giúp giảm nồng độ NO_x trong khí xả do giảm được nhiệt độ quá trình cháy và nhiệt độ khí xả.

3. Động cơ cũ thường bị giảm tỷ số nén do hiện tượng ăn mòn, mài mòn đỉnh piston làm tăng thể tích buồng đốt, làm kéo dài thời gian cháy trễ dẫn đến tăng tốc độ hình thành NO_x ở giai đoạn đầu của quá trình cháy. Cần có biện pháp điều chỉnh lại thể tích buồng đốt cho phù hợp.

Em rất mong được sự chỉ dẫn đóng góp ý kiến của các thầy, các đồng chí để đề tài của em được hoàn thiện hơn và có thể phát triển đề tài lên một mức cao hơn nữa.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Giáo trình Nguyên lý động cơ đốt trong

Trường Sỹ quan Kỹ thuật Quân sự

[2]. Nguyên lý động cơ đốt trong

Nguyễn Tất Tiến, Nhà xuất bản Giáo dục

[3]. Ô tô và ô nhiễm môi trường

Bùi Văn Ga .

[4]. Ô nhiễm môi trường

Đỗ Quốc Ấm, Trường Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh

"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ TÀI LIỆU"