ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐIỀU CHỈNH
ĐẾN HÀM LƯỢNG NOX 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 NOx 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
NOx 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 (NO2) và Protoxit Ntitơ (N2O). Thực chất sự
hình NOx là sự kết hợp giữa N2 và O2 có mặt trong hỗn hợp ở nhiệt độ cháy (trên 11000C).
Hầu hết các tác giả nghiên cứu về sự tạo thành NOx 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 NOx). Các thành phần còn lại NO2 và N2O 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
K2
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:
avx12 = (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 0K)
[]
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 xi theo a, b:
2
2
aeae
2)1b(4
)1b(ax8)KbK()KbK(
x⎟
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎜
⎝
⎛
+
+++++−
= (29)
x1=bx2 (30) 2e3 xbKx = (31)
2a4 xKx = (32)
2
2
cgcg
54
az8)KbK()KbK(
x⎟
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎜
⎝
⎛++++−
= (33)
5g6 xbKx = (34) 5c7 xKx = (35)
r
8Kb
abw
x+
= (36)
b
xK
x8f
9= (37)
(38)
2
d10 bKx =d11 Kbx = (39)
(40) v.ax12 =
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 + N2 ↔ NO + N (41)
N + O2 ↔ NO + O (42)
N + OH ↔ NO + H (43)
Các hằng số phản ứng có giá trị như sau:
Phương trình (41): T
38000
14
fe10.36,1K
−
=
Phương trình (42): T
3150
9
fe.T.10.4,6K
−
=
Phương trình (43):
13
f10.1,4K =
Xét phương trình phản ứng tổng quát
vaA + vbB → vcC + vdD (44)
Tốc độ tạo ra một chất ở vế phải, thí dụ chất C được tính như sau:
[
][] [] [] []
vdvc
b
vbva
fDCkBAk
dt
Cd −= (45)
Với giả thiết nồng độ các chất O, O2, H, OH, N2 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 (θR1 + R2 + R3) + R1 + θ ( R2 + R3)=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, [cm3]
+ n – số vòng quay trục khuỷu, [vg/ph]
+ ϕ - góc quay trục khuỷu, [độ]