Nghiên cứu ảnh hưởng của luân hồi khí xả tới sự phát thải của động cơ diesel

KS. Nguyễn Thìn Quynh  PGS. TS. Lê Hoài ĐỨc Trường Đại học Giao thông vận tải Người phản biện: TS. Nguyễn Thiết Lập TS. Ngô Văn Thanh

Tóm tắt: Luân hồi khí thải (EGR) đang được sử dụng rộng rãi để giảm và kiểm soát các oxit nitơ (NO_x) phát thải từ động cơ diesel. Nội dung bài báo trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của EGR tới sự phát thải của động cơ diesel dựa trên cơ sở mô phỏng động cơ bằng việc sử dụng phần mềm GT-POWER. Kết quả mô phỏng trên mô hình cho thấy, lượng phát thải độc hại NO_x giảm đáng kể khi ta tiến hành luân hồi khí xả, qua đó là cơ sở cho các thiết kế cải tiến động cơ diesel truyền thống nhằm giảm lượng phát thải để thỏa mãn các tiêu chuẩn khí xả hiện hành.

Từ khóa: EGR, NO_x.

Abstract: Exhaust Gas Recirculation (EGR) is being used widely to reduce and control the oxides of nitrogen (NO_x) emission from diesel engines. This paper presents results of the study about the effects of EGR to the emissions of the engine diesel that based on engine simulation by using GT-POWER software. The results of the simulation showed NO_x emissions decreased significantly when be used EGR. It is the basis for a diesel improvements design to reduce emissions in order to achieve the exhaust standards.

Keywords: EGR, NO_x.

1. Đặt vấn đề

Động cơ diesel được sử dụng khá phổ biến cung cấp nguồn động lực cho các phương tiện GTVT, máy nông nghiệp, máy xây dựng… Do giá thành nhiên liệu rẻ, dễ bảo trì và có công suất lớn nên số lượng động cơ diesel được sử dụng ngày càng tăng nhanh. Lượng phát thải của động cơ nói chung và động cơ diesel nói riêng chiếm một tỷ trọng đáng kể trong toàn bộ lượng phát thải ra môi trường. Các chất phát thải từ động cơ diesel bao gồm các thành phần carbon dioxide (CO₂), hơi nước (H₂O), nitơ (N₂) và oxy (O₂); carbon monoxide (CO), hydrocarbon (HC), các oxit nitơ (NO_x) và phát thải dạng hạt (PM). Trong các thành phần này, nhóm 4 chất phát thải đầu tiên chiếm tới 99%; nhóm 4 chất phát thải tiếp theo chỉ chiếm 1% nhưng nó lại có ảnh hưởng rất lớn tới sức khỏe con người cũng như gây ô nhiễm môi trường [2]. Chính vì vậy, vấn đề giảm phát thải của động cơ nói chung và động cơ diesel nói riêng được cả thế giới quan tâm, nghiên cứu nhằm đưa ra các giải pháp để giảm lượng phát thải. Thành phần NO_x trong khí thải động cơ diesel là khá nhỏ. NO_x bao gồm các oxit nitric (NO) và nitrogen dioxide (NO₂). NO₂ độc hại hơn NO, ảnh hưởng trực tiếp tới sức khỏe và là nhân tố khởi nguồn cho sự hình thành ozone cũng như là tác nhân chủ yếu hình thành sương khói [4,5]. Nó được sinh ra trong quá trình cháy do phản ứng hóa học giữa nguyên tử ô-xy và ni-tơ. Các phản ứng tạo thành NO_x phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. Bởi vậy, lượng NO_x thải ra từ động cơ thường tỷ lệ thuận với tải của động cơ [3]. Việc sử dụng luân hồi khí xả là một phương án hữu hiệu nhằm giảm lượng phát thải NO_x.

2. Nội dung

2.1. Cơ chế hình thành NO_x

NO được hình thành trong quá trình cháy rớt trong xy-lanh tại vùng nhiệt độ cao, cơ chế hình thành NO được chấp nhận rộng rãi là cơ chế được đưa ra bởi Zendovich [6]. Thành phần chính để hình thành NO là khí N₂ trong không khí nạp vào động cơ. Phản ứng dây chuyền ô-xy hóa khí nitơ được tạo bởi các nguyên tử ô-xy, được hình thành từ việc tách ra khỏi phân tử O₂ tại nhiệt độ cao trong quá trình cháy. Phản ứng hình thành NO từ phân tử N₂ là:

N₂ + O  NO + N

N + O₂  NO + O

N + OH  NO + H

Sự hình thành NO phụ thuộc vào nhiệt độ và lượng ô-xy cung cấp. Vì vậy, để giảm sự hình thành NO ta cần phải giảm nhiệt độ và nồng độ ô-xy trong buồng đốt. Mặc dù phụ gia làm tăng chỉ số cetan có tác dụng làm giảm khả năng hình thành NO nhưng lượng giảm đó chưa được các nghiên cứu đưa ra chính xác. Hơn nữa, hầu hết các phụ gia để làm tăng trị số cetan là đắt tiền. Ngoài ra, biện pháp phun nhiên liệu chậm để giảm quá trình cháy là một phương pháp hiệu quả được sử dụng trong các động cơ diesel để kiểm soát NO. Tuy nhiên, phương pháp này dẫn đến làm tăng lượng tiêu thụ nhiên liệu, giảm công suất động cơ, tăng lượng phát thải HC và khói. Một phương pháp khác để kiểm soát NO là phun nước, tuy nhiên, phương pháp này làm tăng cường sự ăn mòn các chi tiết quan trọng trong động cơ. Ngoài ra, nó làm tăng thêm trọng lượng của động cơ vì cần có thêm một bể chứa nước, đồng thời, để giữ cho nước ở nhiệt độ mong muốn ở các môi trường khắc nghiệt như trong điều kiện khí hậu lạnh là một vấn đề rất khó khăn.

Đối với động cơ diesel, người ta thấy rằng NO₂ có thể chiếm từ 10% đến 30% trong thành phần NO_x [1]. Điều đó được giải thích là do NO được hình thành trong vùng ngọn lửa và có thể nhanh chóng trở thành NO₂ qua phản ứng:

NO + HO₂  NO₂ + OH

Trong điều kiện nhiệt độ cao, NO₂ có thể phân giải theo phản ứng:

NO₂ + O  NO + O₂

Trong trường hợp NO₂ sinh ra trong ngọn lửa bị làm mát ngay bởi môi chất có nhiệt độ thấp thì phản ứng phân giải NO₂ thành NO bị khống chế, nghĩa là NO₂ tiếp tục tồn tại trong sản vật cháy. Vì vậy, khi động cơ làm việc kéo dài ở chế độ không tải hoặc tải nhỏ thì nồng độ NO₂ trong khí thải sẽ gia tăng bởi sự khống chế của các vùng không khí có nhiệt độ thấp. NO₂ cũng hình thành trên đường thải khi tốc độ thải thấp và có đủ lượng ô-xy. NO₂ là chất khí độc nhất trong họ NO_x, vì vậy việc tổ chức tốt quá trình cháy để giảm tốc độ phản ứng tạo thành và tăng tốc độ phản ứng phân giải chất ô nhiễm này có ý nghĩa quan trọng.

2.2. Luân hồi khí xả (Exhaust Gas Recirculation - EGR)

Luân hồi khí thải là một phương pháp hiệu quả để kiểm soát NO_x. Thành phần khí thải chủ yếu bao gồm carbon dioxide, nitrogen... và nó có nhiệt dung cao hơn so với không khí. Khí luân hồi thay thế một lượng khí mới nạp vào trong buồng đốt động cơ bao gồm chủ yếu là carbon dioxide và hơi nước. Nhờ vậy, lượng ô-xy trong không khí nạp vào động cơ giảm xuống và làm giảm hệ số A/F (không khí/nhiên liệu). Việc giảm tỷ lệ A/F làm giảm đáng kể các thành phần phát thải độc hại trong khí thải động cơ diesel. Thêm vào đó, việc đưa các thành phần khí thải có nhiệt dung riêng cao kết hợp với không khí mới làm giảm nhiệt độ ngọn lửa cháy trong buồng đốt. Như vậy, việc giảm lượng ô-xy cung cấp và giảm nhiệt độ ngọn lửa cháy trong buồng đốt giúp cho việc giảm lượng NO_x hình thành [7,8].

Lượng khí luân hồi được xác định bằng phần trăm khối lượng của khí luân hồi (MEGR) với tổng lượng không khí đi vào buồng cháy (Mi):

 

 

 

Tỷ lệ luân hồi còn có thể xác định dựa trên việc đo lượng [CO₂] vào của nạp và [CO₂]’ trong khí xả [9] khi không xét tới lượng CO₂ có trong môi trường [CO₂]_mt:

EGR = [CO2] - [CO2]mt/ [CO2]’ - [CO2]m

Động cơ sử dụng EGR thải ra lượng khí thải thấp hơn so với động cơ không sử dụng EGR vì một phần khí thải được luân hồi lại [10]. Như vậy, ngay cả khi nồng độ các chất độc hại trong khí thải không thay đổi thì tổng lượng phát thải trong một đơn vị thể tích đã thay đổi. Động cơ diesel ở chế độ tải thấp và có EGR nhiều thì lượng phát thải NO_x tăng. Nguyên nhân là do nồng độ ô-xy trong khí thải còn nhiều, nồng độ carbon dioxide và hơi nước thấp. Tuy nhiên, ở mức độ tải cao hơn, hàm lượng ô-xy giảm mạnh, các thành phần trơ có nhiều trong khí thải và nhiệt độ khí thải tăng cao. Điều đó làm cho động cơ diesel có xu hướng tạo ra nhiều khói hơn [2]. Khi tăng tỷ lệ luân hồi, phát thải dạng hạt PM và lượng NO_x giảm mạnh nhưng tỷ lệ cao quá lại ảnh hưởng đáng kể tới chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của động cơ [11].

EGR được xem như một phương pháp cải thiện hiệu suất và khí thải động cơ [12]. Tuy nhiên, ứng dụng EGR cũng dẫn đến các tác hại cho động cơ sử dụng. Đối với động cơ diesel, tác hại bao gồm: Mức tiêu thụ nhiên liệu và phát thải dạng hạt tăng cao. Lượng NO_x giảm có tỷ lệ với lượng muội hình thành tăng lên [13,14]. Do ngọn lửa cháy bị giảm nhiệt độ nên làm giảm tốc độ ô-xy hóa bồ hóng và cháy lại. Kết quả là, trong hệ thống EGR, muội được hình thành nhiều hơn và nó xuất hiện nhiều trong ống xả [7]. Sự gia tăng bồ hóng ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu suất động cơ theo những cách khác nhau. Tăng lượng bồ hóng là gây gia tăng đáng kể các vị trí tích tụ bồ hóng trong buồng đốt và tăng độ mài mòn của các bộ phận quan trọng của động cơ như ống lót xi-lanh, xéc-măng, các ổ và các xu-pap. Mòn của vật liệu cũng tăng lên do phản ứng hóa học diễn ra trên bền mặt của các chi tiết, do sự mài mòn của vật liệu hoặc do sự phá vỡ lớp chống mài mòn do muội.

Nếu khí xả được làm lạnh trước khi luân hồi đến buồng đốt thì làm tăng mật phân tử khí, làm giảm nhiệt độ tốt hơn trong buồng đốt giảm lượng NO_x phát thải nhưng nó lại làm tăng sự ăn mòn trong buồng đốt do hơi nước bị ngưng tụ [15].

2.3. Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ diesel và kết quả

2.3.1 Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ diesel bằng GT-POWER

Để đánh giá phát thải động cơ trước và sau luân hồi, ta sử dụng phần mềm GT-Power để mô phỏng động cơ có các thông số như ở Bảng 2.1

Bảng 2.1. Các thông số cơ bản của động cơ mô phỏng 

Trong động cơ mô phỏng ban đầu là động cơ truyền thống chưa có hệ thống EGR. Ta lần lượt xây dựng các mô hình nạp, xả, mô hình động cơ với các xy-lanh và mô hình phun nhiên liệu. Ta tiến hành xây dựng thêm mô hình EGR lắp vào để đánh giá các chỉ tiêu của động cơ trước và sau luân hồi. Mô hình xây dựng trên phần mềm GT-POWER được thể hiện như trên Hình 2.2.

Hình 2.2: Mô hình động cơ 490QZL trong phần mềm GT-power có lắp thêm EGR

2.3.2. Kết quả

Cho mô hình chạy với tốc độ 2200 vòng/phút và cho luân hồi với các tỉ lệ luân hồi từ 0% đến 17,7% với các chế độ tải động cơ khác nhau ta thu được các kết quả về kinh tế, kỹ thuật và môi trường của động cơ có luân hồi khí thải như sau:

2.3.2.1. Sự thay đổi của chỉ tiêu kỹ thuật của động cơ

Hình 2.3: Sự thay đổi của mô men động cơ theo tải động cơ và %EGR

Mô men động cơ thay đổi như trên Hình 2.3. Với các chế độ tải từ 40% đến 70%, việc luân hồi khí thải làm thay đổi mô men động cơ nhưng không nhiều. Còn với chế độ tải từ 80% đến 100% thì làm cho mô men động cơ giảm mạnh. Ở chế độ 80% tải, khi ta luân hồi 17% thì mô men giảm 18,35% so với không luân hồi, còn ở 100% tải khi ta luân hồi 17% thì mô men giảm 32,03% so với không luân hồi. Do vậy, với chế độ tải từ 80% đến 100% ta không nên luân hồi khí thải và với chế độ này ta cần phát huy mô men nên việc không luân hồi là hợp lý.

2.3.2.2. Sự thay đổi của suất tiêu hao nhiên liệu

Sự thay đổi của suất tiêu hao nhiên liệu có ích như trên Hình 2.4. Với cùng một chế độ tải, khi ta tăng %EGR thì làm tăng g_e. Khi tăng tải, lượng nhiên liệu cung cấp cho các xy-lanh tăng, lượng ô-xy cho quá trình cháy giảm làm cho tỉ lệ không khí/nhiên liệu thay đổi và làm cho suất tiêu hao nhiên liệu có ích tăng.

 

 2.3.2.3. Sự thay đổi của các chất phát thải

Các kết quả của lượng phát thải NO_x ứng với các chế độ tải và lượng luân hồi khác nhau được thể hiện trên Hình 2.5. Với chế độ tải 40% lượng NO_x thay đổi ít khi ta luân hồi. Ở các chế độ từ 50% tải đến 70% tải động cơ lượng NO_x giảm nhiều. Cụ thể, ở 70% tải, lượng NO_x giảm 27,46% khi luân hồi 17,12% và giảm 26,49% khi luân hồi 14,81%. Ở các chế độ tải 80% đến 100% tải lượng NO_x giảm nhanh khi luân hồi với tỉ lệ tăng. Ở 100% tải, lượng NO_x giảm 52,08% khi luân hồi 17,12% và giảm 46,22% khi luân hồi 14,82%. Việc giảm lượng NO_x khi tiến hành luân hồi với các tỷ lệ khác nhau ứng với các chế độ tải khác nhau là do lượng khí luân hồi đưa vào buồng đốt làm cho lượng khí đưa vào nghèo ô-xy nên kìm hãm quá trình cháy trong động cơ, nhiệt độ trong buồng đốt giảm nên lượng phát thải giảm. Với EGR thấp và ở chế độ tải bé do nồng độ ô-xy trong khí thải còn nhiều, nồng độ carbon dioxide và hơi nước thấp nên lượng NO_x giảm ít và có xu hướng tăng.

Sự thay đổi của lượng phát thải HC, CO theo tải động cơ và lượng luân hồi được thể hiện như trên Hình 2.6 và 2.7. Lượng CO và HC có xu hướng tăng khi ta tăng tỉ lệ luân hồi. Nguyên nhân là do khi ta tăng lượng luân hồi, làm cho lượng không khí đi vào trong xy-lanh giảm, lượng khí trơ nhiều hơn nên làm cho lượng nhiên liệu cháy không hết tăng lên.

3. Kết luận

EGR là một công nghệ hiệu quả cho việc giảm lượng phát thải NO_x. Dựa vào kết quả mô phỏng ta nhận thấy, ở các chế độ tải cao, việc luân hồi khí thải làm giảm lượng phát thải NO_x nhưng lại làm cho chỉ tiêu kỹ thuật của động cơ suy giảm, tăng lượng nhiên liệu tiêu thụ. Với các chế độ tải từ 40% đến 70% ta nên luân hồi 15% để vừa đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và giảm được lượng phát thải của động cơ. Đối với các chế độ tải thấp, luân hồi khí thải với hàm lượng bé không ảnh hưởng nhiều tới các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật nên ta có thể tăng lượng luân hồi khí thải. Việc luân hồi khí thải dẫn tới tăng hàm lượng HC và CO nên ta cần phải sử dụng các phương án xử lý khác như bộ xử lý khí thải kết hợp với luân hồi để đạt được các yêu cầu về khí xả theo tiêu chuẩn.

Tài liệu tham khảo

 [1]. Bùi Văn Ga, Văn Thị Bông, Phạm Xuân Mai, Trần Văn Nam, Trần Thanh Hải Tùng (1997), Ô tô và ô nhiễm môi trường, NXB. Giáo dục.

 [2]. M. Zheng, G.T. Reader, J.G. Hawley (2004), Diesel engine exhaust gas recirculation - a review on advanced and novel concept, Energy Convers. Manage, 883-900.

[3]. Colin R. Ferguson and Allan T. Kirkpatrick (2001), Internal Combustion Engine: Applied Thermoscience, Second edition, John Wiley & Sons, Inc.

[4]. M.J. Pipho, D.B. Kittelson, D.D. Zarling (1991), NO₂ formation in a diesel engine, in: JSAE 910231.

[5]. Y.A. Levendis, I. Pavlatos, R. Abrams (1994), Control of diesel soot, hydrocarbon and NO_x emissions with a particulate trap and EGR, in: SAE 940460.

[6]. J.B. Heywood ( estimation in turbocharged diesel engine from in-cylinder pressure measurement, Exp. Therm, Fluid Sci, 37-47.

[10]. G. Stumpp, W. Banzhaf (1978), An exhaust gas recirculation system for diesel engines, in: SAE 780222.

[11]. R.M. Wagner, J.B. Green Jr., T.Q. Dam, K.D. Edwards, J.M. Storey (2003), Simultaneous low engine-out NO_x and particulate matter with highly diluted diesel combustion, in: SAE 2003-01-0262.

[12]. M.Y.E. Selim (2003), Effect of exhaust gas recirculation on some combustion, characteristics of dual fuel engine, Energy Convers, Manage, 707-721.

[13]. R.W. Wade (1980), Light duty NO_x-HC particulate trade-off, in: SAE No. 800335.

[14]. J.E. Dec (2009), Advanced compression ignition engines-understanding the in-cylinder processes, Proc. Combust. Inst, 2727-2742.

[14]. S.L. Plee, T. Ahmad, J.P. Myers, G.M. Faeth (1982), Diesel NO_x emissions - a simple correlation technique for intake air effects, in: 19th Int. Symp, Combust, the Combustion Institute, pp. 1495-1502.