Đồ Án Phân tích ảnh hưởng của quá trình cháy đến thành phần khí thải động cơ diesel

PHẦN 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 ngày nay phần lớn do con người tạo ra như: thủng tầng ozôn, mưa axit, hiệu ứng nhà kính, các hiện tượng bất thường trong tự nhiên gây lụt lội, hạn hán đã và đang tiếp tục xảy ra mà chính con người phải gánh chịu mọi 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, quy định, nghị định cụ thể nhằm hạn chế sự phát sinh các chất ô nhiễm tới môi trường sống và bầu khí quyển nói riêng đó là: các chất khí SOx, NOx, COx, HC thải ra phải được giảm đến mức thấp nhất ở các nước phát triển và hạn chế sự gia tăng ở các nước đang phát triển. Việc thải các chất khí gây hiệu ứng nhà kính cần phải được hạn chế hết sức ở những nước có thu nhập cao và ngăn chặn sự phát sinh nguồn thải mới ở những nước có thu nhập thấp.
Và các nhà chức trách vẫn lớn tiếng cảnh báo rằng: nếu các nhà chế tạo và người sử dụng vẫn tiếp tục để khí thải từ các thiết bị sản xuất làm ô nhiễm môi trường như hiện nay mà không có giải pháp cụ thể nào ngăn chặn thì sẽ bị cấm sử dụng hoàn toàn dù có phải chịu chấp nhận thiệt hại về kinh tế. Nghĩa là không chỉ dừng lại ở mức khuyến khích và đề nghị mà các cơ quan có thẩm quyền đã đến lúc phải dùng các biện pháp cứng rắn hơn để cưỡng chế và bắt buộc thi hành luật định. Điều này khiến cho các cơ sở sản xuất đã và đang sử dụng các loại động cơ đốt trong không thể làm ngơ bởi họ cũng hiểu quá rõ tác hại của khí thải đối với môi trường.
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. Tuy nhiên, nếu những vấn đề liên quan đến mức độ phát sinh ô nhiễm từ khí xả của loại động cơ này không được giải quyết một cách triệt để thì trong một tương lai gần nó sẽ phải đứng trước ngưỡng giới hạn của luật môi trường ban hành từ nhiều cơ quan chức năng của hầu hết các quốc gia trên thế giới. 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) làm giảm bới đi hàm lượng độc tố sinh ra từ động cơ.
Ngày nay bằng nhiều biện pháp công nghệ, người ta đã sản xuất ra loại động cơ mới có các thiết bị chống ô nhiễm hoặc thay thế nhiên liệu ít ô nhiễm hơn. Tuy nhiên, tỉ lệ động cơ mới này là quá ít và việc thay thế nhiên liệu không phải ở đâu hay bất cứ động cơ nào cũng có thể áp dụng được. Bởi vậy, cần phải tìm kiếm các giải pháp có thể áp dụng để làm giảm nồng độ NOx và các chất độc hại ngay trong quá trình cháy của động cơ diesel. Một trong những giải pháp mà các hãng chế tạo động cơ diesel trên thế giới hiện nay đang áp dụng mà có thể rút ngắn được quá trình thí nghiệm kiểm định tính toán, đem lại hiệu quả kinh tế cao là nghiên cứu động cơ trên mô phỏng. Xuất phát từ quan điểm đó, việc thực hiện đề tài này là nhằm tìm ra các giải pháp tối ưu để hạn chế nồng độ các chất độc hại trong khí xả động cơ diesel.
2.Mục đích của đề tài
Phân tích ảnh hưởng của quá trình cháy đến thành phần khí thải động cơ diesel, tính toán nồng độ NOx trên động cơ mẫu, từ đó tìm ra các biện pháp tối ưu để giảm thiểu nồng độ NOx trong khai thác mà vẫn duy trì được các chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật khác của động cơ.
3.Nội dung chính của luận văn
Mở đầu: Tổng quan
Chương I: Phân tích ảnh hưởng của quá trình cháy đến thành phần khí thải trong động cơ diesel.
Chương II: Lựa chọn công thức tính và chương trình tính
Chương III: Phân tích kết quả và đề xuất một số giải pháp nhằm hạn chế nồng độ độc tố trong khí xả động cơ diesel.
4.Phương pháp nghiên cứu của đề tài
Về lý thuyết: Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý luận thông qua các tài liệu liên quan đến quá trình cháy và cơ chế hình thành NOx¬ trong quá trình cháy nhiên liệu.
Về thực nghiệm: Tính toán nồng độ NOx trên động cơ 6чHCл, trên cơ sở phân tích và đánh giá kết quả nhận được sẽ đề xuất một số biện pháp nhằm hạn chế nồng độ độc tố trong khí xả động cơ diesel.
5.Phạm vi nghiên cứu của đề tài
Phạm vi nghiên cứu của đề tài được giới hạn bởi tạo lập một số tình huống tương đương thông qua việc thay đổi một thông số hay một nhóm thông số đầu vào để tính toán mà kết quả sẽ được lấy làm cơ sở để đánh giá sự hình thành NOx trong khí xả động cơ và tình trạng kỹ thuật động cơ.
6.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Đề tài đã thực hiện những nghiên cứu cơ bản cơ chế hình thành NOx và các chất độc hại trong khí xả. Thông qua những kết quả lý thuyết và thực nghiệm thu được đã phân tích và đánh giá được sự ảnh hưởng của các thông số kết cấu và khai thác đến mức độ hình thành NOx từ đó đề ra một số giải pháp tối ưu nhằm hạn chế nồng độ chất độc hại trong khí xả động cơ diesel.

MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU 3
1.Tính thời sự của đề tài 3
2.Mục đích của đề tài 4
3.Nội dung chính của luận văn 4
4.Phương pháp nghiên cứu của đề tài 4
5.Phạm vi nghiên cứu của đề tài 4
6.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 5
PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH CHÁY ĐẾN THÀNH PHẦN KHÍ THẢI TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL 7
1.1.QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL 7
1.1.1.Diễn biến quá trình cháy trong động cơ diesel 7
1.1.1.1.Giai đoạn chuẩn bị cháy 8
1.1.1.2.Giai đoạn tăng áp suất 8
1.1.1.3.Giai đoạn tăng nhiệt độ 9
1.1.1.4.Giai đoạn cháy rớt 9
1.1.2.Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy trong động cơ diesel 10
1.1.2.1.Các yếu tố ảnh hưởng đến giai đoạn chuẩn bị cháy 10
1.1.2.2.Các yếu tố ảnh hưởng đến các giai đoạn còn lại của quá trình cháy 12
1.1.3.Thành phần của khí xả động cơ diesel 13
1.1.4.Sự hình thành NOx trong động cơ 13
1.1.4.1.Sự hình thành mônôxit nitơ (NO) 15
1.1.4.2.Sự hình thành điôxit nitơ (NO2) 15
1.1.4.3.Sự hình thành Prôtôxit nitơ (N2O) 17
1.2.CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN THÀNH PHẦN KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ DIESEL 17
1.2.1.Ảnh hưởng của các yếu tố kết cấu động cơ 17
1.2.1.1.Ảnh hưởng của hình dạng buồng cháy 17
1.2.1.2.Ảnh hưởng của mức độ xoáy lốc 18
1.2.1.3.Ảnh hưởng của hệ thống tăng áp 19
1.2.2.Ảnh hưởng của các yếu tố khai thác động cơ 20
1.2.2.1.Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí 20
1.2.2.2.Ảnh hưởng của hồi lưu khí xả 21
1.2.2.3.Ảnh hưởng của việc cung cấp nhiên liệu 22
1.2.2.4.Ảnh hưởng của tính chất nhiên liệu 24
1.2.2.5.Ảnh hưởng của phụ tải và vòng quay động cơ 25
1.2.2.6.Ảnh hưởng của nhiệt độ khí cháy 26
1.2.2.7.Ảnh hưởng của các chế độ vận hành 26
1.3.CÁC BIỆN PHÁP GIẢM ĐỘC TỐ KHÍ XẢ CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL 27
1.3.1.Các nguyên tắc cơ bản để giảm thiểu độc tố khí xả động cơ diesel tàu thuỷ 27
1.3.2.Các phương pháp giảm thiểu độc tố khí xả 31
1.3.2.1.Phương pháp hoàn thiện kết cấu động cơ và điều chỉnh các thông số điều chỉnh 31
1.3.2.2.Phương pháp sử dụng phụ gia cho nhiên liệu, nhiên liệu sạch và hỗn hợp nhiên liệu 36
1.3.2.3.Phương pháp sử dụng chất trung hoà và hồi lưu khí xả 38
LỰA CHỌN CÔNG THỨC TÍNH VÀ CHƯƠNG TRÌNH TÍNH 44
2.1.CƠ SỞ ĐỂ TÍNH TOÁN NỒNG ĐỘ ĐỘC TỐ 44
2.2.LỰA CHỌN CÔNG THỨC TÍNH 48
2.2.1.Phương pháp tính toán nồng độ NOx theo mô hình cân bằng năng lượng 48
2.2.2.Phương pháp tính toán nồng độ NOx theo động học phản ứng 49
2.2.2.1.Phương pháp tính toán theo mô hình ZELDOVICH 49
2.2.2.2.Phương pháp tính toán theo mô hình ANNAND 49
2.3.THUẬT TOÁN 51
2.4.CHƯƠNG TRÌNH TÍNH 52
2.5.TÍNH TOÁN NOX CHO ĐỘNG CƠ MẪU 52
2.5.1.Giới thiệu động cơ 52
2.5.2.Kết quả tính 53
PHÂN TÍCH KẾT QUẢ VÀ ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP NHẰM HẠN CHẾ NỒNG ĐỘ ĐỘC TỐ TRONG KHÍ XẢ ĐỘNG CƠ DIESEL 56
3.1.PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 56
3.2.ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP HẠN CHẾ NỒNG ĐỘ ĐỘC TỐ TRONG KHÍ XẢ ĐỘNG CƠ DIESEL 57
3.2.1.Phương pháp thay đổi nhiên liệu dùng cho động cơ 57
3.2.2.Phương pháp tác động vào quá trình cháy 57
3.2.3.Phương pháp xử lý thông qua các thiết bị phía sau động cơ 57
Phụ lục 60
Tài liệu tham khảo 79