TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 333
NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG XÁC ĐỊNH GÓC ĐẶT VÒI PHUN UREA
TRONG HỆ THỐNG XỬ LÝ KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ DIESEL
ĐÁP ỨNG TIÊU CHUẨN EURO 4
SIMULATION STUDY TO DETERMINE UREA NOZZLE PLACEMENT ANGLE
IN DIESEL ENGINE EXHAUST GAS TREATMENT SYSTEM
THAT MEETS EURO 4 STANDARDS
Phạm Văn Sáng1,*, Nguyễn Duy Anh2,
Hoàng Văn Hiếu2, Nguyễn Thế Vinh2, Nguyễn Huy Chiến3
1Lớp KTOT 01 - K15, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
2Lớp KTOT Tiếng Anh 01 - K17, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
3Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
*Email: sang47899@gmail.com
TÓM TẮT
Hệ thống xử lý xúc tác khử NOx với chọn lọc SCR (Selective Catalytic Reduction) được sử dụng để giảm phát thải
NOx trong khí xả động cơ diesel. Hiệu suất khử NOx của hệ thống SCR phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm nhiệt độ
dòng khí xả, quá trình phun và thủy phân dung dịch urê, lưu lượng dòng khí xả và dòng urea. Bài báo này nghiên cứu ảnh
hưởng của góc đặt vòi phun dung dịch urea β đến khả năng chạm thành của tia phun urea, nhiệt độ dòng khí và mức độ
đồng đều của hỗn hợp khí tại đầu ra của ống xả trước khi vào bộ xúc tác. Nghiên cứu được thực hiện bằng phần mềm mô
phỏng CFD Simcenter STAR-CCM+ với các góc β = 15o, 30°, 45°, 60o, 75o, 90°, 105o, 120° và 135o. Kết quả nghiên cứu
cho thấy: Với góc đặt vòi phun β = 45°, dung dịch urea phun vào ống xả không va chạm với thành đường ống. Nhiệt độ
tại đầu ra của ống xả cao nhất. Hỗn hợp khí được hòa trộn đồng đều nhất tại đầu ra của ống..
Từ khóa: Góc phun urea, hệ thống xử lý khí thải, động cơ diesel, EURO 4.
ABSTRACT
The selective NOx reduction catalytic treatment system with SCR (Selective Catalytic Reduction) is used to reduce
NOx emissions in diesel engine exhaust. The NOx removal performance of the SCR system depends on many factors,
including exhaust gas temperature, urea solution injection and hydrolysis process, exhaust gas flow rate and urea flow.
This article studies the influence of urea solution nozzle placement angle β on the ability of the urea spray to hit the wall,
the gas flow temperature and the uniformity of the gas mixture at the exhaust pipe outlet before entering the excavator.
work. The study was performed using Simcenter STAR-CCM+ CFD simulation software with angles β = 15o, 30°, 45°,
60o, 75o, 90°, 105o, 120° and 135o. Research results show that: With the nozzle angle β = 45°, the urea solution sprayed
into the exhaust pipe does not collide with the pipe wall. The temperature at the exhaust outlet is highest. The gas mixture
is mixed most evenly at the exit of the tube.
Keywords: Urea injection angle, exhaust gas treatment system, diesel engine, EURO 4.
1. GIỚI THIỆU
Với sự gia tăng đáng kể số lượng ô tô, một vấn đề
nghiêm trọng đã xuất hiện trong xã hội là ô nhiễm môi
trường do khí thải độc hại từ động cơ xe ô tô, xe máy. Để
giải quyết vấn đề này, nhiều quốc gia đã đưa ra yêu cầu
kiểm tra tiêu chuẩn môi trường, đặc biệt đối với động cơ
diesel. Trên thế giới, các nghiên cứu cho thấy vị trí và hình
dạng của vòi phun urea ảnh hưởng đến hiệu quả của hệ
thống SCR khử NOx. Thông số như áp suất phun urea, góc
phun urea và vị trí phun urea đóng vai trò quan trọng trong
quá trình thủy phân urea và phân phối NH3. Để tối ưu hóa
thiết kế, vị trí cài đặt vòi phun urea hợp lý và góc phun urea
được lựa chọn để cải thiện quá trình phun và thủy phân urea.
2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
2.1. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng sử dụng trong quá trình nghiên cứu là hệ
thống xử lý khí thải động cơ diesel.
2.2. Xác định phương thức nghiên cứu
Nghiên cứu mô phỏng đánh giá góc phun urea trên phần
mềm STAR-CCM+.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 334• Xây dựng, đoạn ống xả gắn kim phun urea trên phần
mềm Solidworks.
• Đưa mô hình ống xả 3D sang phần mềm STAR-CCM+
để mô phỏng.
• Đặt các thông số đầu vào cho phần mềm và xuất kết
quả để đánh giá.
2.3. Mục tiêu
Mô phỏng xác định được góc đặt vòi phun urea trong hệ
thống xử lý khí thải động cơ diesel, làm cơ sở lý thuyết thiết
kế, chế tạo đoạn ống lắp đặt vòi phun dung dịch urea trong
hệ thống SCR cho động cơ diesel.
2.4. Xây dựng mô hình mô phỏng
Hệ thống SCR của động cơ được chia thành 5 giai đoạn,
bao gồm phun urea, phản ứng hóa học, tích tụ sản phẩm,
phân tán sản phẩm và tăng tải động cơ. Hệ thống phun urea
bao gồm các bộ phận sau: thùng chứa dung dịch urea, bơm
dung dịch urea và vòi phun urea được lắp trên ống xả động
cơ.
Hình 1. Sơ đồ cấu tạo của hệ thống sử lý xúc tác khử NOx [1]
Hình 2. Kết cấu đoạn ống xả có lắp vòi phun urea
Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng chiều dài hợp
lý của ống xả, tính từ vị trí lắp vòi phun urea đến mặt bích
lắp với vỏ bộ xúc tác SCR, nên nằm trong khoảng từ 450
mm đến 600 mm[2]. Do đó, nghiên cứu này lựa chọn chiều
dài đoạn ống là 560 mm với đường kính 80 mm.
Vòi phun urea được sử dụng trong mô phỏng có một lỗ
và đường kính lỗ phun là 0,12 mm. Trong quá trình mô
phỏng, vị trí của vòi phun urea được cố định, còn góc phun
β so với đường tâm ống xả được thay đổi theo chín trường
hợp: 15o(TH1), 30o(TH2), 45o(TH3), 60o(TH4), 75o(TH5),
90o(TH6), 105o(TH7), 120o(TH8), 135o(TH9).
2.5. Các thông số điều kiện biên
Các thông số điều kiện biên dược thu thập từ các thử
nghiệm trên động cơ D4BB ở chế độ tải 100%, tốc độ động
cơ 2200 v/ph [3]. Các thông số khác, như khối lượng riêng,
hệ số dẫn nhiệt, lưu lượng dòng dung dịch urea [4] và dòng
khí xả [5], được trình bày trong bảng 1.
Bảng 1. Các thông số điều kiện biên
Thông số Giá trị Đơn vị
Nhiệt độ khí thải đầu vào ống xả 785 K
Nhiệt độ dung dịch Urea 297 K
Vận tốc khí thải đầu vào ống xả 20,5 m/s
Vận tốc phun Urea 53 m/s
Áp suất tại đầu vào ống xả 0,13 MPa
Áp suất phun Urea 0,75 MPa
Áp suất tại đầu ra ống xả 0,1 MPa
Khối lượng riêng (Dung dịch Urea)
1183,25 kg/m3
Khối lượng riêng (Khí xả) 0,367 kg/m3
Hệ số dẫn nhiệt (Dung dịch Urea) 0,0242 W/m.K
Hệ số dẫn nhiệt (Khí xả) 0,0626 W/m.K
Lưu lượng (Dung dịch Urea) 50.10-6 m3/s
Lưu lượng (Khí xả) 0,10328 m3/s
2.6. Chia lưới mô hình
.
a) b)
c)
Hình 3. Chia lưới mô hình 3D
a) Bản vẽ mô hình; b) Chia lưới mô hình;
c) So sánh hệ số Nuselt với số phần tử lưới khác nhau
Các mô hình 3D và mô hình lưới được thể hiện trên.
Nghiên cứu này sử dụng kiểu lưới đa diện Polyhedral,
thường được sử dụng cho các bài toán truyền nhiệt, dòng
chảy xoáy và dòng chảy phức tạp. Kích thước phần tử lưới
của bề mặt mô hình được thiết lập trong khoảng 2-8 mm ở
từng vị trí khác nhau trong toàn bộ đoạn ống xả. Năm kích
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 335thước lưới khác nhau 42168, 94980, 120356, 165403 và
371596 phần tử được khảo sát để tìm ra ảnh hưởng của số
lượng phần tử lưới đến hệ số Nusselt. Hệ số này được tính
toán ở gần cuối đường ống xả 460 mm tính từ vị trí bố trí
vòi phun urea.
Kết quả cho thấy không có sự thay đổi đáng kể nào của
hệ số Nusselt khi số lượng phần tử lưới từ 165.000 trở đi .
Dựa trên kết quả phân tích này, số lượng phần tử lưới được
lựa chọn cho mô hình mô phỏng là 165403 phần tử.
3. KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ
3.1. Phân bố nhiệt độ đầu ra của ống xả
Khí thải sinh ra có nhiệt độ cao, khi vào bộ xúc tác SCR
sẽ làm cho bộ xúc tác nóng lên. Nghiên cứu cho thấy nhiệt
độ hỗn hợp khí thải và urea tại đầu ra của đoạn ống thải dao
động từ 477 đến 510oC, phù hợp với phạm vi hoạt động hiệu
quả của bộ SCR. Góc phun urea 15o cho nhiệt độ cao nhất
là 510oC. Tuy nhiên, góc phun urea 45ocho nhiệt độ thấp
hơn (477oC) nhưng phản ứng urea hiệu quả hơn.
a) Góc 15o b) Góc 30o
c) Góc 45o d) Góc 60o
e) Góc75o f) Góc 90o
g) Góc105o h) Góc 120o
i) Góc 135o
Hình 4. Ảnh hưởng của góc phun urea đến nhiệt độ của hỗn hợp
khí tại đầu ra của ống xả
3.2. Ảnh hưởng của góc phun urea tới va chạm của tia
phun urea với thành đối diện trong ống xả
a) Góc 15o b) Góc 30o
c) Góc 45o d) Góc 60o
e) Góc75o f) Góc 90o
g) Góc105o h) Góc 120o
i) Góc 135o
Hình 5. Ảnh hưởng của góc phun urea tới va chạm của tia phun
urea với thành đối diện trong ống xả.
Để đánh giá khả năng xử lý nitơ oxit trong khí thải,
người ta đã tính toán mô hình đoạn ống xả với các góc phun
khác nhau. Kết quả cho thấy:
Khi góc phun là 90°, 105°, 120° và 135°, dung dịch phun
va chạm trực tiếp vào thành đối diện của đoạn ống xả, dẫn
đến sự tích tụ muối urea trên thành ống và sự suy giảm hiệu
suất khử NOx.
Khi góc phun là 15°, 30°, 45°, 60° và 75°, lượng dung
dịch phun va chạm vào thành ống xả giảm, dẫn đến việc
phân bố dung dịch phun và khí thải hiệu quả hơn.
3.3. Ảnh hưởng của góc phun đến sự phân bố NH3 trong
hỗn hợp
Dung dịch urea được phun vào dòng khí thải để tạo
thành amoniac (NH3). Amoniac này được đưa vào hệ thống
SCR (Selective Catalytic Reduction) để chuyển đổi nitric
oxide thành nitrogen và nước. Hỗn hợp khí được phân bố
bởi màu sắc của phần màu đỏ và vàng. Dòng urea chảy hòa
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 336trộn với dòng khí thải làm tăng lượng NH3 trong vùng màu
vàng. Điều này dẫn đến hiệu suất khử NOx được cải thiện.
Góc nghiêng 45° cho phép NH3 được phân bố đều đặn, thể
hiện bởi màu vàng đồng đều. Giá trị tốc độ dòng chảy trung
bình cao (0,868 g/s) cho thấy dòng chảy đều và thuận lợi
cho phản ứng khử NOx.
a) Góc 15o b) Góc 30o
c) Góc 45o d) Góc 60o
e) Góc75o f) Góc 90o
g) Góc105o h) Góc 120o
i) Góc 135o
Hình 6. Ảnh hưởng của góc phun đến sự phân bố NH3 trong hỗn
hợp
4. KẾT LUẬN
Phần mềm Simcenter STAR-CCM+ được sử dụng để
mô phỏng góc lắp vòi phun dung dịch urea. Nghiên cứu cho
thấy:
Với góc phun 15o, 30o và 45o thì lượng dung dịch phun
va chạm và bám dính vào thành ống xả giảm đi, dẫn đến
giảm lượng muối bám dính và phân hủy trên bề mặt thành
ống.
Với góc phun 45o, sự phân bố NH3 tại phần cuối của ống
xả đồng đều hơn so với ba trường hợp khác. Điều này giúp
nâng cao sự đồng nhất trong hỗn hợp NH3 và dòng khí xả
khi vào bộ xúc tác. Kết quả là hiệu quả khử NOx của bộ xúc
tác được cải thiện.
Nhiệt độ của hỗn hợp khí tại đầu ra của đoạn ống xả
trong tất cả các trường hợp đều nằm trong khoảng 750 ÷
783K (477 ÷ 510°C), đây là khoảng nhiệt độ hiệu quả cho
bộ xúc tác SCR.
Các kết quả tính toán cho thấy góc phun dung dịch urea
15o, 30° và 45° là khả năng tối ưu để giảm bám dính và phân
hủy muối trên thành ống xả. Việc giảm bám dính và phân
hủy muối sẽ góp phần nâng cao hiệu suất của hệ thống SCR.
Kết quả tính toán cung cấp cơ sở khoa học cho thiết kế
và chế tạo đoạn ống xả có đặt vòi phun dung dịch urea, cũng
như hệ thống SCR chung của động cơ diesel đang lưu hành.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Tronconi, I.N.a.E., 2014. Urea-SCR Technology for deNOx After Treatment of Diesel Exhausts, Fundamental and
Applied Catalysis.
[2]. Nguyễn Mạnh Dũng, 2000. Nghiên cứu giảm phát thải độc hại cho động cơ diesel xe tải nhẹ đang lưu hành. Luận
án tiến sĩ, Đại học Bách khoa Hà Nội.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 337[3]. Kapilan N, N.N.S., Hindasageri V P and Sadashiva S, 2017. An Experimental and Numerical Study on Effects of
Exhaust Gas TemperatUrea and Flow Rate on Deposit Formation in UreaSelective Catalytic Reduction (SCR) System of
Modern Automobiles. Applied Thermal Engineering 111, 1211–1231.
[4]. KAZUO HAWAHARA, C.T., 1966. Viscosity and density of aqueous solutions of Urea and guanidine
hydrochloride, The journal of biological chemistry, 241(july 10): p. 3228 -3232.
[5]. Nguyễn Duy Tiến, Khổng Vũ Quảng, Lê Mạnh Tới, Đinh Xuân Thành, Nguyễn Huy Chiến, Nguyễn Phi Trường,
2022. Nghiên cứu xác định góc phun không khí phù hợp trong hệ thống bổ sung không khí trên đường thải động cơ xe máy
sử dụng hệ thống nhiên liệu bộ chế hòa khí, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, Tập
58, số 5(10/2022): p. 78-82.