Khương thị hà

bộ giáo dục và đào tạo
trường đại học bách khoa hà nội
---------------------------------------

luận văn thạc sĩ khoa học

Kỹ thuật động cơ nhiệt
2007 - 2009
Hà Nội
2009

ngành : kỹ thuật động cơ nhiệt

Sử dụng mô hình cháy avl mcc trên phần
mềm
Mô phỏng avl boost đánh giá khả năng giảm
Phát thảI của động cơ diesel tăng áp sau khi
được trang bị hệ thống luân hồi khí thảI và
Lọc bụi khói

Khương thị hà

Hà Nội 2009


bộ giáo dục và đào tạo
trường đại học bách khoa hà nội
---------------------------------------

luận văn thạc sĩ khoa học

Sử dụng mô hình cháy avl mcc trên phần mềm
Mô phỏng avl boost đánh giá khả năng giảm
Phát thảI của động cơ diesel tăng áp sau khi
được trang bị hệ thống luân hồi khí thảI và
Lọc bụi khói

ngành : kỹ thuật động cơ nhiệt
mà số:23.04.3898
Khương Thị hà

Người hướng dẫn khoa học: TS. Lª anh tuÊn


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,
kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong các
cơng trình nào khác

Hà nội, tháng 11 năm 2009
Tác giả

Khương Thị Hà


Mục lục
LỜI CAM ĐOAN
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC BẢNG
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
LỜI NÓI ĐẦU
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................... 3
1.1. Giới thiệu chung ....................................................................................... 3
1.1.1. Ảnh hưởng của khí thải đối với sức khoẻ và môi trường sống
của con người ................................................................................................ 3
1.1.2. Tiêu chuẩn khí thải châu âu (EURO) ..................................... 5
1.1.3. Động cơ diesel xe tải nặng ...................................................... 8
1.1.4. Hệ thống ln hồi khí thải và lọc bụi khói trên động cơ diesel
xe tải nặng ..................................................................................................... 9
1.2. Mục đích, nội dung và đối tượng nghiên cứu của đề tài ...................... 9
1.2.1. Mục đích nghiên cứu................................................................ 9
1.2.2. Nội dung của đề tài ................................................................... 9
1.2.3. Đối tượng nghiên cứu của đề tài ........................................... 10
1.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn............................................................... 11
CHƯƠNG 2. HỆ THỐNG LUÂN HỒI KHÍ THẢI VÀ LỌC BỤI KHÓI
TRANG BỊ TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL TĂNG ÁP .................................. 12
2.1. Cơ chế hình thành và cơ sở tính tốn khí thải động cơ diesel ........... 12
2.1.1. Các thành phần của khí thải động cơ diesel ......................... 12
2.1.2. Cơ chế hình thành và cơ sở tính tốn NOx ........................... 14
2.1.3. Cơ chế hình thành và cơ sở tính tốn bồ hóng ..................... 20


2.2. Các biện pháp kiểm soát NOx áp dụng cho động cơ diesel ................ 26
2.2.1. Điều chỉnh để hạn chế lượng nhiên liệu của chu trình ....... 26
2.2.2. Lưạ chọn phương pháp hình thành hỗn hợp thích hợp ...... 27
2.2.3. Lựa chọn góc phun sớm thích hợp ........................................ 27
2.2.4. Dùng hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử.............. 27
2.2.5. Kỹ thuật luân hồi khí thải EGR ............................................. 27

2.3. Phân loại hệ thống luân hồi khí thải..................................................... 31
2.3.1. Phân loại dựa theo phương pháp luân hồi ........................... 31
2.3.2. Phân loại dựa theo nhiệt độ ................................................... 31
2.3.3. Phân loại dựa theo kiểu luân hồi .......................................... 32
2.3.4. Phân loại dựa theo áp suất ..................................................... 32
2.3.5. Phân loại dựa theo phương pháp hoà trộn khí luân hồi ...... 34
2.4. Luân hồi khí thải trên động cơ diesel tăng áp ..................................... 35
2.4.1. Dùng van tiết lưu trên đường thải ......................................... 37
2.4.2. Dùng bộ tăng áp VGT (Variable Geometry Turbocharger) . 38
2.4.3. Van Venturi ............................................................................. 40
2.5. Bộ lọc - DPF và hiệu quả của nó đối với việc giảm bồ hóng trong khí
thải của động cơ diesel .................................................................................. 41
2.5.1. Kỹ thuật lọc bồ hóng ............................................................... 42
2.5.2. Tái sinh lọc .............................................................................. 46
CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH PHÁT THẢI
CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL TRÊN AVL-BOOST........................................ 51
3.1. Giới thiệu chung về phần mềm AVL – BOOST .................................. 51
3.2. Lý thuyết cơ bản ..................................................................................... 52
3.2.1. Phương trình nhiệt động học thứ nhất ................................. 52
3.2.2. Mơ hình cháy AVL - MCC ..................................................... 55
3.2.3. Truyền nhiệt ............................................................................ 58


3.2.4.Tính tốn cụm tuabin máy nén ............................................... 61
3.2.5. Tuabin ..................................................................................... 63
3.2.6. Van xả của cụm tuabin – máy nén (Waste gate) ................... 64
3.2.7. Phần tử cản dòng (Restriction) .............................................. 65
3.3. Mô phỏng động cơ D1146TIS với hệ thống luân hồi khí thải và lọc
bụi trên AVL BOOST ................................................................................... 67
3.3.1. Xây dựng mơ hình .................................................................. 67

Số vịng quay định mức................................................................................. 69
3.3.2. Mơ phỏng hệ thống ln hồi khí thải trên AVL - BOOST ... 70
3.3.3. Mô phỏng động cơ D1146TIS tăng áp có ln hồi khí thải . 70
3.3.4. Lọc bụi - DPF trên AVL - BOOST ........................................ 71
3.3.5. Số lượng phần tử của mơ hình mơ phỏng hệ thống ln hồi
khí thải và lọc bụi khói ............................................................................... 81
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN ............................................................................ 83
4.1. Phân tích kết quả thu được từ chương trình mơ phỏng ..................... 83
4.1.1. Đánh giá độ chính xác của mơ hình ..................................... 83
4.1.2. Đánh giá khả năng luân hồi .................................................. 83
4.1.3. Đánh giá khả năng lọc của DPF ........................................... 86
4.2. Kết luận và hướng phát triển của đề tài .............................................. 87
4.2.1. Kết luận ................................................................................... 87
4.2.2. Hướng phát triển của đề tài ................................................... 88
Tài liệu tham khảo ........................................................................................ 89


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
λ

: Hệ số dư lượng khơng khí

CO

: Mơnơxít cácbon

CmHn và H-C : Hyđơcácbon
NOX

: Các loại ơxítnitơ


C-H-O

: Anđêhít

P-M

: Chất thải dạng hạt

SOx

: Hợp chất chứa lưu huỳnh

CO2

: Cácbonđiơxít

DPF

: Diesel Particulate Filter

CRT

: Continuous Regeneration Trap – bộ lọc tái sinh liên tục

EGR

: Exhaust Gas Recirculation

ESC


: European Sationary Cycle

ELR

: European Load Response

ETC

: European Transient Cycle

VVTi

: Variable Valve Timing intelligent

MiVEC

: Mitsubishi Innovative Valve timing Electronic Control

VGT

: Variable Geometry Turbocharger

A/F

:Air/Fuel


DANH MỤC BẢNG
Bảng

Bảng 1.1. Các tiêu chuẩn EURO giới hạn lượng phát thải cho xe
tải nặng sử dụng động cơ diesel, g/kWh ( với khói là g/kWm-1 )
Bảng 2.1. Các hằng số đặc trưng cho phản ứng hình thành bồ
hóng
B
2

Bảng 3.1. Các hệ số của phương trình trao đổi nhiệt tại cửa nạp
và thải
B
4

Bảng 3.2. Các thông số kết cấu của động cơ D1146TIS
B
6

Bảng 3.3. Số phần tử dùng trong mơ hình
B
8

Trang
7
1B

26
3B

61
5B


69
7B

82
9B


DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình vẽ và đồ thị

Trang

Hình 2.1. Tỷ lệ của các thành phần khí thải trong động cơ diesel

13

Hình 2.2. Sự tạo thành NO trong điều kiện phản ứng thực tế và NO
trong trường hợp cân bằng một phần

18

Hình 2.3. Quá trình hình thành bồ hóng

23

Hình 2.4. Sơ đồ hệ thống ln hồi khí thải

28

Hình 2.5. Ảnh hưởng của luân hồi khí thải tới lượng phác thải NOx


30

Hình 2.6. Hệ thống luân hồi áp suất thấp

33

Hình 2.7. Hệ thống luân hồi áp suất cao

34

Hình 2.8. Hỗn hợp khí nạp - luân hồi phân lớp trong xi lanh

35

Hình 2.9. Mơ hình ln hồi khí thải phân lớp trên phần mềm mơ phỏng
KIVA-3V
Hình 2.10. Mơ hình ln hồi khí thải phân lớp trên phần mềm mơ
phỏng KIVA-3V trên động cơ diesel tăng áp
Hình 2.11. Ảnh hưởng của tỷ lệ luân hồi đến độ chênh áp giữa áp suất
turbine và áp suất tăng áp
Hình 2.12. Áp suất turbine, tăng áp và tỷ lệ luân hồi khi tăng áp suất ra
tuabin
Hình 2.13. Hệ thống ln hồi khí thải dùng bộ tăng áp VG
Hình 2.14. Đặc tính của bộ tăng áp VGT

35
36
37
38

39
39

Hình 2.15. Quan hệ giữa vị trí cánh hướng gió và tỷ lệ ln hồi

39

Hình 2.16. Sơ đồ hệ thống ln hồi khí thải dùng van Venturi

40

Hình 2.17 . Lõi lọc

42

Hình 2.18. Lọc gốm monolith

43

Hình 2.19. Lõi lọc gốm

43

Hình 2.20. Lõi lọc bằng lưới sợi gốm

44

Hình 2.21. Lõi lọc bằng sợi thép mạ crơm

45


Hình 2.22 . Lọc Celmet

46

Hình 2.23. Tái sinh lọc bằng đốt bồ hóng

50


Hình 3.1. Van xả của tuabin

64

Hình 3.2. Đồ thị hàm áp suất

68

Hình 3.3. Mơ hình van EGR trên AVL - BOOST

70

Hình 3.4. Mơ hình động cơ D1146TIS với hệ thống ln hồi khí thải
trên AVL - BOOST

71

Hình 3.5. Mơ hình DPF

72


Hình 3.6. Mơ hình DPF 1D và DPF 3D

72

Hình 3.7. Một phần tử của DPF

73

Hình 3.8. Cấu trúc của monolith

75

Hình 3.9. Sự lắng đọng bồ hóng trong các lớp

77

Hình 3.10. Phân bố bồ hóng

79

Hình 3.11. Phần tử DPF trong phần mềm AVL - BOOST

80

Hình 4.1. Quan hệ giữa máy nén và tuốcbin

83

Hình 4.2. NOx và bồ hóng tại các tỷ lệ ln hồi khác nhau


84

Hình 4.3. Cơng suất và tiêu hao nhiên liệu tại các tỷ lệ luân hồi khác
nhau

84

Hình 4.4. Tỷ lệ luân hồi và NOx tại các chế độ tải khác nhau

85

Hình 4.5. Chiều cao của bồ hóng hình thành ở lớp cake

86

Hình 4.6. Bồ hóng trong q trình tái sinh

86


LỜI NÓI ĐẦU
Với lịch sử phát triển hàng trăm năm, ngành động cơ và đã có những
thành tựu phát triển vượt bậc. Trong những năm gần đây việc thiết kế cũng
như phát triển động cơ đốt trong không chỉ chú trọng đến tính năng vận hành
và kinh tế mà cịn đặc biệt chú ý đến vấn đề môi trường. Động cơ nói chung
vả động cơ diesel nói riêng đang là một trong những nguồn phát thải gây ô
nhiễm nặng nề ở nước ta, nhất là các đô thị. Cùng với sự tăng trưởng của nền
kinh tế, nhu cầu phương tiện giao thông, vận chuyển cũng không ngừng được
phát triển, số lượng xe buýt cũng tăng lên nhiều theo chủ trương sử dụng

phương tiện công cộng nhằm giảm ô nhiễm. Tuy nhiên số lượng xe buýt đạt
tiêu chuẩn phát thải Euro2 theo quy định cịn rất ít. Để hạn chế các thành phần
gây ơ nhiễm này, đã có rất nhiều giải pháp được đưa ra bao gồm các giải pháp
với động cơ và giải pháp xử lý khí thải. Các biện pháp giảm phát thải cho
động cơ diesel lắp trên xe buýt nói riêng và phương tiện nói chung là một
trong những vấn đề hết sức cấp bách.
Với tất các lý do trên, tôi chọn đề Tên đề tài: Sử dụng mơ hình cháy
AVL-MCC trên phần mềm mơ phỏng AVL Boost đánh giá khả năng giảm phát
thải của động cơ diesel tăng áp sau khi được trang bị hệ thống luân hồi khí
thải và lọc bụi khói.
. Nội dung của luận án gồm:
Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu
Chương 2: Hệ thống ln hồi khí thải và lọc bụi khói trang bị
trên động cơ diesel tăng áp
Chương 3: Mô phỏng quá trình hình thành phát thải của động
cơ diesel trên AVL - BOOST

1


Chương 4: Kết luận
Mặc dù đã có nhiều cố gắng, nhưng trong luận án này cịn có rất
nhiều thiếu sót và một số vấn đề chưa đề cấp được hết. Em rất mong sự góp ý
của các thầy cơ trong bộ môn, các chuyên gia và những người quan tâm đến
vấn đề này để nghiên cúu này được hoàn thiện hơn.
Em xin cảm ơn thầy Lê Anh Tuấn đã tận tình hướng dẫn để em
có thể hồn thành luận án này. Em xin bày tỏ lòng biết ơn các thầy cơ giáo
Bộ mơn Động Cơ Đốt Trong, Viện Cơ khí Động lực, trường Đại học Bách
khoa Hà nội, phịng thí nghiệm AVL đã tận tình giúp đỡ em trong thời gian
qua.


2


Chương 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Giới thiệu chung
1.1.1. Ảnh hưởng của khí thải đối với sức khoẻ và môi trường sống
của con người
Sau nhiều năm tập trung vào việc nghiên cứu, chế tạo ra các loại
phương tiện cơ giới đường bộ hoạt động tốt, độ tin cậy cao và an tồn, nền
cơng nghiệp ơ tơ hiện đang phải đối mặt với hai trở ngại chính:
- Phải giảm tiêu thụ nhiên liệu vì nhiên liệu hiện nay chủ yếu là nguồn
gốc hoá thạch và trữ lượng của chúng là có giới hạn.
- Phải giảm thiểu các vấn đề liên quan tới phương tiện cơ giới đường
bộ, đặc biệt là ô nhiễm trực tiếp và ô nhiễm gián tiếp.
Cho đến đầu những năm 1970, mọi cố gắng mang tính tồn cầu của các
nhà sản xuất ơtơ là tăng tốc độ và tăng cơng suất của phương tiện, việc đó
đồng nghĩa với việc cải tiến các tính năng của động cơ. Trong khi đó các vấn
đề khác về năng lượng, bảo vệ môi trường không phải là bị bỏ qua mà là bị
đặt xuống thứ yếu. Tuy nhiên trong các nghiên cứu gần đây cho thấy thành
phần chính trong khí thải động cơ bao gồm: CO, CO2, HC, NOx, PM… Đây là
những chất có ảnh hưởng xấu tới sức khỏe và môi trường sống của con người.
* Ảnh hưởng của CO
CO gây ra cảm giác chuyếnh chống, nó có tác động rất đáng sợ đối
với sức khoẻ của con người, đặc biệt đối với những người những người nhạy
cảm như bệnh nhân tim mạch, phụ nữ có thai, bệnh nhân hen xuyễn. Hít thở
khơng khí có hàm lượng CO ( theo thể tích ) 0,3% có thể dẫn tới tử vong
trong vòng 30 phút.

3



* Ảnh hưởng của HC
Các hợp chất của HC chưa cháy góp phần vào sự hình thành các chất
quang hố và ơ zơn trong khí quyển, hai chất này vừa liên quan tới sức khoẻ
cộng đồng, vừa gây hại do tầm nhìn bị suy giảm. Khi HC thải ra mơi trường
có ánh nắng mặt trời và NOx chúng sẽ làm tăng hiệu ứng nhà kính. Các loại
hydrocacbon thơm là nguyên nhân gây các bệnh về gan, ung thư máu và rối
loạn thần kinh khi hàm lượng vượt quá giá trị cho phép.
*Ảnh hưởng của NOx
Trong họ NOx thì NO2 là độc hại nhất (gấp 5 lần NO), NO2 là chất khó
hồ tan nên nó có thể đi theo đường hơ hấp đi sâu vào phổi, gây viêm phổi và
làm huỷ hoại các tế bào của phế nang. Khi vào được trong phổi, 80% NO2 bị
giữ lại làm cho người bệnh bị mất ngủ, ho, khó thở. Nồng độ NO2 trong
khơng khí khơng được phép vượt q 0,005mg/lít (khơng khí), nếu nồng độ
NO2 trong mơi trường vượt q 100ppm thì người và động vật có thể bị tử
vong sau vài phút tiếp xúc. Ngoài ra NO dễ dàng bị biến đổi trong khí quyển
thành NO2 ( theo phản ứng NO + 0,5 O2 → NO2 ) vậy cần phải kiểm soát chặt
chẽ NO. Bên cạnh đó NO2 trong mơi trường cịn tác dụng với nước tạo thành
axit, các axit trên hoà tan trong mưa, khi nồng độ đủ lớn có thể tạo mưa axit
làm huỷ hoại thảm thực vật và an mịn các cơng trình kim loại.
* Ảnh hưởng của PM
Tổng lượng PM trong khí thải động cơ chỉ vào khoảng miligam/1gam
nhiên liệu tiêu thụ, dù khối lượng này khá nhỏ nhưng vẫn phải quan tâm tới
nó vì các lý do sau:
- Thứ nhất là góp phần vào tổng lượng hạt lơ lửng trong các khu đô thị,
chúng liên đới tới các bệnh về đường hô hấp (hen suyễn, viêm phế quản, khí
thũng, viêm phổi)

4



- Thứ hai là khả năng có thể gây bệnh ung thư và gây đột biến gen của
các hợp chất hữu cơ bị hấp thụ trong PM
Chất thải dạng hạt của ĐCĐT chỉ chiếm một phần nhỏ trong tổng
lượng bụi từ rất nhiều nguồn khác nhau (hoạt động công nghiệp, sự hao mịn
của lốp xe và đường…) có mặt trong khơng khí. Thực tế đã chỉ ra rằng với tất
cả các loại bụi có trong khơng khí thì PM có kích thước hạt dễ bị giữ lại nhất,
với thời gian lâu nhất trong hệ hơ hấp. Các hạt PM có khả năng làm rối loạn
hệ hô hấp và tạo điều kiện thuận lợi cho các tác động ung thư từ các chất
khác. PM còn gây tổn thương mắt, gây dị ứng mũi…và cũng có khả năng gây
ung thư ra khi tiếp xúc liên tục. Ngoài ra, PM bám vào cây xanh sẽ cản trở
quá trình quang hợp làm cây cối dễ bị héo chết, bám vào các cơng trình xây
dựng dễ gây ăn mòn kim loại và phân huỷ bê tơng, đá xây dựng…
1.1.2. Tiêu chuẩn khí thải châu âu (EURO)
Theo quyết định số 249/2005/QĐTTg ngày 10/10/2005 của thủ tướng
chính phủ, ngày 1/7/2007 Việt Nam sẽ chính thức áp dụng tiêu chuẩn khí thải
EURO II. Đồng thời một lộ trình áp dụng các tiêu chuẩn EURO cao hơn nữa
cũng được thảo luận và sẽ được áp dụng trong một tương lai không xa. Với
những tiểu chuẩn EURO cao hơn như EURO III và đặc biệt là EURO IV, V,
những thành phần độc hại như HC, CO, PM, NOx… ngày càng được thắt
chặt. Điều đó địi hỏi cần có những biện pháp xử lý trong động cơ như luân
hồi khí thải hay dùng bộ xúc tác DeNOx để giảm phác thải NOx, trang bị cho
động cơ bộ lọc khí thải hay các biện pháp khác để giảm lượng bồ hóng (PM)
Năm 1987, tại Châu Âu, một dự luật hoàn chỉnh quy định giá trị nồng
độ giới hạn của các loại khí thải mới được thông qua và người ta vẫn thường
gọi đó là EURO 0. Trải qua 18 năm, thêm 4 tiêu chuẩn nữa được ban hành
bao gồm: Euro I năm 1992, EURO II năm 1996, Euro III năm 2000 và EURO

5



IV năm 2005. Với mỗi tiêu chuẩn mới ra đời, nồng độ giới hạn của khí thải lại
thấp hơn tiêu chuẩn trước. Tiêu chuẩn EURO áp dụng cho tất cả các loại xe
trên 4 bánh lắp động cơ đốt trong chạy bằng nhiên liệu xăng, dầu, LPG
(Liquefied Petroleum Gas) và chia theo tính năng như: xe du lịch, xe cơng
suất nhỏ, xe cơng suất lớn và xe bus.
Tiêu chuẩn khí thải Châu Âu rất chú ý giới hạn lượng phát thải của
động cơ diesel xe tải nặng đặc biệt là EURO III, EURO IV. Các tiêu chuẩn
này còn đòi hỏi những biện pháp tự chuẩn đoán ngay trên xe (OBD –
Onboard Diagnostic), khi xe tải có lỗi dẫn đến tăng lượng phát thải của động
cơ, hệ thống phải cảnh báo cho lái xe biết.
Bảng 1.1 dưới đây thể hiện cụ thể lượng phát thải với các thành phần độc hại
khác nhau đối với xe tải nặng sử dụng động cơ diesel. Tất cả các phép đo đều
được tiến hành theo các qui trình thử tiêu chuẩn.

6


Bảng 1.1. Các tiêu chuẩn EURO giới hạn lượng phát thải cho xe tải nặng sử dụng động
cơ diesel, g/kWh ( với khói là g/kWm-1 )

Ngày có

Chu

có hiệu lực

trình thử


CO HC

NOx

PM

1992, <85kW

4.5

1.1

8.0

0.612

1992, >85kW

4.5

1.1

8.0

0.36

10/1996

4.0


1.1

7.0

0.25

10/1998

4.0

1.1

7.0

0.25

Khói

EURO I
ECE R-49
EURO II

EURO

10/1999

ESC&ELR 1.5 0.25

2.0


0.02

0.15

III

10/2000

2.1 0.66

5.0

0.10

0.8

1.5 0.46

3.5

0.02

0.5

1.5 0.46

2.0

0.02


0.5

EURO IV

10/2005

ESC,ETC
&ELR

EURO V

10/2008

Trong đó ECE R-49 là chu trình thử steady-satete 13-mode.
ESC – European Sationary Cycle
ELR – European Load Response
ETC – European Transient Cycle
Với động cơ diesel thông thường chỉ cần qua chu trình thử ESC/ELC.
Với động cơ sử dụng các phương pháp xử lý khí thải (xúc tác NOx và DPF)
cần qua các chu trình ESC/ELC + ETC. Độ mờ của khói đươc đo trên chu
trình thử ELR.

7


1.1.3. Động cơ diesel xe tải nặng
Động cơ diesel không chỉ khác động cơ xăng ở chỗ dùng một loại nhiên
liệu khác. Hầu hết các phương tiện giao thông được dùng động cơ xăng trong
khi các xe tải thường dùng động cơ diesel bởi tính kinh tế của chúng. Điểm
khác nhau giữa động cơ diesel và xăng là :

* Quá trình đốt cháy nhiên liệu: Động cơ xăng hồ trộn hỗn hợp
trong đường nạp và nén trong kỳ nén để đốt cháy bằng tia lửa của bugi. Động
cơ diesel nạp vào động cơ chỉ có khơng khí, nén chúng trong kỳ nén sau đó
phun nhiên liệu vào khơng khí nén đẻ hình thành hỗn hợp. Nhiệt độ và áp suất
cao của khí nén áp suất cao sẽ làm nhiên liệu bốc cháy.
* Tỷ số nén: Động cơ xăng có tỷ số nén chỉ khoảng từ 8 đến 12 trong
khi động cơ diesel có tỷ số nén rất cao, từ 14 đến 25. Do có tỷ số nén cao hơn
nên động cơ diesel có hiệu suất cao hơn động cơ xăng.
* Nạp nhiên liệu: Động cơ xăng nói chung thường dùng bộ chế hồ
khí để tạo hỗn hợp hay vịi phun điện tử để cấp nhiên liệu vào đường nạp (bên
ngoài xilanh). Động cơ diesel được phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng cháy
tại cuối kỳ nén.
* Q trình hồ trộn nhiên liệu: động cơ xăng có q trình hồ trộn
nhiên liệu dài và đồng đều trong khi động cơ diesel có q trình hồ trộn
nhiên liệu ngắn và khơng đồng đều…
Động cơ diesel được dùng phổ biến trên các phương tiện vận tải cả
đường bộ và thuỷ và có vai trò rất quan trọng nền kinh tế quốc dân. Do đó,
nghiên cứu phát triển động cơ diesel là một trong những chiến lược phát triển
kinh tế.

8


1.1.4. Hệ thống luân hồi khí thải và lọc bụi khói trên động cơ diesel
xe tải nặng
Các tiêu chuẩn khí thải ngày càng yêu cầu khắt khe hơn về hàm lượng
NOx, phác thải dạng hạt có trong khí thải động cơ. Để đạt được các tiêu chuẩn
đó ngày nay trên động cơ đang nghiên cứu, áp dụng hệ thống luân hồi khí thải
và lọc bụi khói. Ln hồi khí thải là một kỹ thuật rất hiệu quả trong việc giảm
phát thải NOx, khí thải sau khi ra khỏi động cơ được đưa lại một phần vào

đường nạp để làm loãng khí nạp, nhờ đó có thể giảm được tỷ lệ phát thải NOx.
Nếu chỉ ln hồi khí thải thì chỉ giảm được lượng NOx trong khi đó lượng bồ
hóng trong khí thải lại tăng cao, do đó ta lắp lọc bụi khói để giảm bồ hóng.
Với hệ thống này về cơ bản ta đã giảm được NOx và bồ hóng trong khí thải
động cơ, tuy nhiên sau một thời gian làm việc thì lượng bồ hóng trong lọc
tăng lên dẫn tới khả năng lọc bị tắc, vấn đề này sẽ được giải quyết ở các
chương tiếp theo.
1.2. Mục đích, nội dung và đối tượng nghiên cứu của đề tài
1.2.1. Mục đích nghiên cứu
 Tìm được tỷ lệ ln hồi tối ưu tại các chế độ tải khác nhau thông
qua việc tiến hành thí nghiệm trên mơ hình được mơ phỏng trên
AVL BOOST
 Tính được lượng phác thải NOx và bồ hóng sinh ra sau khi ln
hồi
 Mơ phỏng lọc bụi khói trên AVL BOOST và kết quả thu được
sau khi lắp lọc
1.2.2. Nội dung của đề tài
 Giới thiệu về luân hồi khí thải và những tồn tại của hệ thống này
 Giới thiệu về lọc bụi khói và cơ chế tái sinh lọc

9


 Cơ sở lý thuyết sử dụng trong quá trình tính tốn và mơ phỏng
 Mơ phỏng hệ thống ln hồi khí thải và lọc bụi khói trên phần
mềm BOOST
 Đánh giá khả năng giảm phác thải NOx, bồ hóng trong khí thải
của động cơ sau khi được trang bị hệ thống ln hồi khí thải và lọc
bụi khói.
 Kết luận chung và hướng phát triển

1.2.3. Đối tượng nghiên cứu của đề tài
Động cơ D1146TIS là động cơ tăng áp cao được thiết kế trên cơ sở động cơ
tăng áp thấp D11446TI do tổng công ty máy động lực Việt Nam (VEAM)
cung cấp. Động cơ D1146TIS đã được thử nghiệm tại PTN Động Cơ Đốt
Trong, trường ĐHBK HN, các kết quả thực nghiệm được sử dụng cho quá
trình thiết lập mơ hình và mơ phỏng động cơ này trên phần mềm AVL
BOOST để chọn bộ tuabin máy nén phù hợp. Sau khi chọn được bộ tuabin –
máy nén, động cơ đã được thử nghiệm để đánh giá tính kinh tế cũng như tính
kỹ thuật.
Sau đó, động cơ này được mơ phỏng bằng phần mềm AVL BOOST. Phương
pháp mơ hình hố và mô phỏng đã tạo ra khả năng tái hiện một hình ảnh gần
với thực tế, có thể mổ xẻ các hiện tượng xảy ra bên trong để có thể quan sát
một cách trực quan, hoặc các hiện tượng không thể quan sát được trên mơ
hình thực tế. Mơ phỏng giúp rút ngắn thời gian nghiên cứu, thiết kế, chế tạo
và chạy thử nghiệm… Ngồi ra, mơ hình hố – mơ phỏng cịn cho phép tối ưu
hố các q trình công tác cũng như kết cấu của các hệ thống trong động cơ
để tối ưu hố tính kinh tế, hiệu quả và giảm ơ nhiễm mơi trường.
Theo xu hướng đó AVL đã xây dựng gói phần mềm mơ phỏng cho
động cơ đốt trong bao gồm: BOOST, TYCON, BRICKS… để tính toán và

10


mơ phỏng mọi q trình xảy ra trong động cơ đốt trong. Phần mềm BOOST
mô phỏng rất nhiều loại động cơ khác nhau, 4 kỳ, 2 kỳ, động cơ cháy cưỡng
bức (diesel, ethanol…) hay cháy do đánh lửa (xăng, gas…). Phần mềm có
ứng dụng rộng rãi từ động cơ nhỏ cho xe môtô đến động cơ cỡ lớn dùng trong
công nghiệp hay tàu thuỷ. BOOST cịn có thể mơ phỏng đặc tính của hệ thống
khí động.
1.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Nghiên cứu và phát triển hệ thống luân hồi khí thải và lọc bụi khói vẫn
cịn là một điều mới mẻ tại nước ta hiện nay. Trong khi trên thế giới, hệ thống
luân hồi khí thải và lọc bụi khói đã được nghiên cứu và áp dụng vào trong
động cơ thực tế. Qua nghiên cứu này em muốn giới thiệu một cách tổng quan
về hệ thống luân hồi khí thải và lọc bụi khói cũng như các mơ hình tính tốn
lý thuyết, mơ phỏng, giải pháp để có thể thực hiện được trên động cơ tăng áp
để có thể có những nghiên cứu sâu hơn về hệ thống này.
Để đạt được tiêu chuẩn khí thải, các động cơ cũ (như D1146TIS) cần
có những biện pháp giảm các thành phần độc hại (NOx hay PM) . Trong
nghiên cứu này, một giải pháp sẽ được đưa ra để các động cơ cũ, với một vài
thay đổi để có thể đạt được các tiêu chuẩn khí thải mà động cơ nguyên mẫu
không thể đạt được mà không ảnh hưởng nhiều đến tính năng hoạt động. Qua
đó, những giải pháp như ln hồi khí thải, lọc bụi khói có thể được ứng dụng
trên các động cơ cũ khác để có thể đạt được những tiêu chuẩn khí thải sẽ được
áp dụng trong tương lai (như EURO II).

11


Chương 2. HỆ THỐNG LUÂN HỒI KHÍ THẢI VÀ LỌC BỤI KHÓI
TRANG BỊ TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL TĂNG ÁP
Trong những năm gần đây, những tiêu chuẩn khí thải trên thế giới ngày
càng được thắt chặt với các thành phần độc hại như NOx, khói và PM phát
thải từ động cơ diesel. Động cơ diesel có đặc tính điển hình là suất tiêu hao
nhiên liệu thấp và phát thải rất ít thành phần CO. Tuy nhiên lượng phát thải
NOx và PM từ động cơ diesel còn rất cao.
Động cơ diesel được sự dụng rộng rãi trên máy kéo, xe tải nặng và các
loại xe tải khác. Với tính kinh tế cao do suất tiêu hao nhiên liệu nhỏ, động cơ
diesel ngày càng được sử dụng phổ biến trên cả xe tải nhỏ cũng như các loại
xe khách. Tuy nhiên vấn đề khí thải lại là thách thức chính về phương diện

mơi trường của động cơ diesel.
Để giảm phát thải các thành phần độc hại, đã có nhiều cơng nghệ đang
được sử dụng như: phun nhiên liệu trực tiếp, dùng bộ tăng áp tuabin-máy nén,
làm mát khí nạp, tối ưu hố q trình cháy có và khơng hỗ trợ xốy lốc, sử
dụng nhiều xu páp trên một xi lanh, công nghệ phun nhiên liệu với áp suất
cao… Tuy nhiên những công nghệ như luân hồi khí thải (EGR), bộ lọc chất
thải dạng hạt (DPF), hay xử lý khí thải vẫn rất cần thiết để đạt được nhưng
tiêu chuẩn về môi trường trong tương lai.
2.1. Cơ chế hình thành và cơ sở tính tốn khí thải động cơ diesel
2.1.1. Các thành phần của khí thải động cơ diesel
Q trình cháy của động cơ diesel thực chất là các phản ứng cháy của
nhiên liệu hyđrơcácbon (HC) với khơng khí. Trước đây người ta cho rằng
phản ứng này xảy ra hoàn toàn, với sản phẩm sinh ra gồm: CO2, H2O và N2
có trong khơng khí. Cùng với tỷ lệ tương ứng của O2 trong không khí thì có

12


thể còn O2 lẫn trong sản phẩm cháy. Trong thực tế q trình cháy của động
cơ là khơng hồn tồn. Có hai lý do để giải thích việc đó:
Thứ nhất là các phản ứng hố học khơng bao giờ diễn ra theo 1chiều
mà ln có phản ứng thuận nghịch giữa chất phản ứng và sản phẩm sinh ra.
Do đó phản ứng khơng thể xảy ra hồn tồn vì các chất tham gia phản ứng
vẫn còn dư.
Thứ hai là các khu vực cháy với điều kiện hoà trộn, nhiệt độ và tốc độ
xốy lốc của khơng khí, dịng nhiên liệu phun vào không gian buồng cháy
khác nhau cũng là một vấn đề. Điều đó làm cho ngọn lửa bị tắt khơng đốt
cháy được hết lượng nhiên liệu, các điều kiện phản ứng khác nhau sẽ sinh ra
sản phẩm cháy mới như là bụi, phát thải NOx… Do vậy khối lượng, số lượng
phát thải của động cơ tăng lên so với trường hợp cháy hồn tồn. Các thành

phần của khí thải bao gồm: CO2, H2O, N2, O2, CO, HC cháy không hết, NOx,
bụi, khói và tuỳ thuộc vào chất lượng của nhiên liệu mà sản phẩm cháy có thể
có SOx. Trong các thành phần khí thải thì NOx, bụi khói, CO và HC cháy
không hết được gọi là phát thải của động cơ đốt trong. Tỷ lệ của các thành
phần khí thải trong động cơ được thể hiện trong hình 2.1 như sau:

Hình 2.1 Tỷ lệ của các thành phần khí thải trong động cơ diesel

13


Tuy khối lượng phát thải chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ (khoảng 0,2% trong
tổng khối lượng khí thải) nhưng nó đã làm cho q trình cháy của động cơ
khơng hồn hảo. Một điều dễ nhận thấy là lượng phát thải này cũng không
gây ảnh hưởng nhiều tới hiệu suất nhiệt của động cơ, tuy nhiên hiện nay
người ta đang nỗ lực để xử lý, giảm thiểu phát thải của động cơ, vì những
nguy hiểm của nó đối với mơi trường tự nhiên và sức khoẻ của con người.
Thậm chí một phần triệu của phát thải mà giảm được cũng rất quan trọng.
Như ta đã biết khối lượng của phát thải phụ thuộc vào hiệu suất và các thông
số của động cơ. Ví dụ: Thời điểm phun của động cơ diesel tác động tới tính
kinh tế của nhiên liệu và khối lượng khí thải phát ra. Tuy nhiên, ảnh hưởng
của thơng số động cơ không ảnh hưởng nhiều lắm tới tổng nhiệt của quá trình
cháy nhưng thời điểm phun và tốc độ phun có lien quan tới nhiệt nhả ra của
chu trình làm việc động cơ. Để mơ phỏng được q trình hình thành và cơ sở
tính tốn lượng khí thải của động cơ thì phải tập trung nghiên cứu vào hai
thành phần chính là NOx và bồ hóng. Hiểu được mối quan hệ giữa NOx và bồ
hóng là thách thức lớn cho cả hiện tại và tương lai sau này, đặc biệt là động
cơ diesel.
2.1.2. Cơ chế hình thành và cơ sở tính tốn NOx
2.1.2.1. Cơ chế hình thành NOx

Việc tìm hiểu cơ chế hình thành NOx và điều khiển lượng phát thải của
nó gặp nhiều khó khăn do quá trình cháy của động cơ diesel xảy ra nhanh và
hỗn hợp cháy là không đồng nhất. NO, NO2 là hai thành phần chính của NOx.
Chúng có những điểm khác nhau rất đặc trưng giữa hai thành phần độc hại
này. NO là khí khơng mùi khơng màu trong khi NO2 có màu nâu đỏ và mùi
gắt. Cả hai loại khí đều rất độc nhưng NO2 độc gấp 5 lần so với NO, phần lớn
NO2 hình thành từ việc oxi hố NO.

14


NO được hình thành trong quá trình cháy rớt trong xi lanh tại vùng
nhiệt độ cao, cơ chế hình thành NO được chấp nhận rộng rãi là cơ chế được
đưa ra bởi Zendovich. Thành phần chính để hình thành NO là khí N2 trong
khơng khí nạp vào động cơ. Phản ứng dây chuyền oxi hố khí nitơ được tạo
bởi các nguyên tử oxi, được hình thành từ việc tách ra khỏi phân tử O2 tại
nhiệt độ cao trong quá trình cháy. Phản ứng chủ đạo để hình thành NO từ
phân tử N2 là:
O2 ↔ 2O
N 2 + O → NO + N

(2-1)

N + O2 → NO + O
N + OH → NO + H

Các phương trình cân bằng hố học này chỉ ra rằng khí cháy tại nhiệt
độ cháy bình thường thì tỷ lệ NO2/NO là rất nhỏ. Trong khí đó các thí nghiệm
trên động cơ xăng hay diesel chỉ ra rằng NO2 có thể chiếm từ 10% đến 30%
trong thành phần NOx. Điều đó được giải thích là do NO được hình thành

trong vùng ngọn lửa có thể nhanh chóng trở thành NO2 qua phản ứng:
(2-2)

NO + HO2 → NO2 + OH

Tiếp đó NO2 lại phản ứng và trở thành NO qua phản ứng:
(2-3)

NO2 + O → NO + O2

Nếu khơng sự hình thành NO2 trong vùng ngọn lửa sẽ bị dập tắt khi
tiếp xúc với vùng lạnh. Do đó tỷ lệ NO2/NO sẽ cao nhất tại chế độ tải cao của
động cơ diesel, khi mà những vùng lạnh có thể dập tắt sự hình thành trở lại
NO.

Nồng độ cục bộ của những nguyên tử oxi phụ thuộc vào nồng độ phân

tử oxi cũng như nhiệt độ cục bộ. Sự hình thành NOx tồn tại chủ yếu ở nhiệt độ
trên 2000 oK. Do đó bất kỳ kỹ thuật nào có thể khống chế được nhiệt độ tức
thời trong buồng cháy dưới 2000 oK thì có thể giảm được sự hình thành NOx.

15