Nghiên cứu giảm phát thải độc hại cho động cơ diesel xe tải nhẹ đang lưu hànhNgành: Kỹ thuật Cơ khí động lực

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu giảm phát thải độc hại cho động cơ diesel xe tải nhẹ đang lưu hànhNgành: Kỹ thuật Cơ khí động lực

1. LỜI MỞ ĐẦU i. Xuất xứ đề tài Phương tiện giao thông vận tải nói chung và động cơ đốt trong nói riêng đã và đang góp phần quan trọng vào quá trình công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước nhưng mặt trái của nó cũng đang gây ra những tác động xấu đến môi trường, gây nguy hại cho sức khỏe của con người và làm suy giảm chất lượng cuộc sống nhất là cuộc sống ở các đô thị lớn. Khí thải từ các phương tiện tham gia giao thông hiện nay đang là một trong những tác nhân lớn nhất làm ảnh hưởng đến quá trình biến đổi khí hậu. Theo đánh giá của các chuyên gia, ô nhiễm không khí ở các đô thị lớn ở nước ta như Hà Nội, Tp. Hồ Chí Minh do phương tiện giao thông gây ra chiếm tỉ lệ khoảng 70%. Trong đó hàm lượng phát thải của các phương tiện sử dụng nhiên liệu diesel chiếm một tỷ lệ đáng kể. Đối với động cơ sử dụng nhiên liệu xăng là tác nhân chính gây nên ô nhiễm CO và HC trong khi đó động cơ sử dụng nhiên liệu diesel lại là tác nhân chính gây ô nhiễm PM, NOx và SOx. Theo số liệu của Trung tâm quan trắc môi trường (Tổng cục Môi trường), chất lượng không khí Hà Nội ngày càng bị ô nhiễm nghiêm trọng, giá trị PM10 và PM2,5 đều vượt giới hạn cho phép, nhất là PM2,5, thành phần CO ở một số khu vực tại Hà Nội cũng vượt ngưỡng cho phép. Chỉ số chất lượng không khí (AQI) cũng khá cao, dao động trong tuần là từ 122 đến 178, hàm lượng lưu huỳnh trong dầu diesel vẫn ở mức cao (0,05% S). Theo báo cáo của Bộ Giao thông Vận tải, đến thời điểm 15/3/2018, tổng số phương tiện cơ giới đường bộ đã đăng ký trong cả nước là 55.138.589 xe mô tô và 3.769.126 xe ô tô [6]. Sự phát triển của kinh tế đất nước, nhu cầu đi lại, vận chuyển hàng hóa của người dân tăng nhanh dẫn tới số lượng các phương tiện giao thông tăng nhanh, đặc biệt là các phương tiện sử dụng nhiên liệu diesel xe tải hạng nhẹ tăng nhanh nhất trong nhóm các phương tiện sử dụng nhiên liệu diesel [6]. Trong những năm qua, nhận rõ ảnh hưởng của xe buýt đến chất lượng không khí đô thị nên xe buýt đã được đầu tư nâng cấp bằng những xe mới, sử dụng CNG hay nghiên cứu sử dụng những giải pháp công nghệ để giảm phát thải [33-35]. Trong khi đó, do kích thước nhỏ gọn dễ đi lại trong khu vực đô thị có đặc điểm đường nhỏ hẹp, xe tải nhẹ đã dần trở nên phổ biến và là một trong những phương tiện chuyên chở hàng hóa trong các khu đô thị. Các phương tiện xe tải nhẹ nói trên đa phần được lắp ráp trong nước và các loại xe tải ben cỡ nhỏ (1-3 tấn), các dòng xe tải này đều sử dụng công nghệ cũ, đa phần các xe này đều chưa lắp bộ xúc tác khí thải hoặc đã cũ trong khi hàm lượng phát thải độc hại lớn, chất lượng động cơ thấp. Vì vậy nghiên cứu sinh sẽ lựa chọn xe tải nhẹ là đối tượng nghiên cứu. Như đã trình bày ở trên, ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng, phương tiện giao thông là đối tượng chính gây lên tình trạng ô nhiễm môi trường nêu trên, số lượng các phương tiện không ngừng tăng gây lên tình trạng ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng, việc giảm các thành phần ô nhiễm này là yêu cầu quan trọng. Quyết định số 16/2019/QĐ-TTg của thủ tướng quy định mức tiêu chuẩn khí thải của xe ô tô tham gia giao thông và xe ô tô đã qua sử dụng nhập khẩu, theo đó tiêu chuẩn khí thải với các xe đang lưu hành sẽ được thắt chặt hơn. Vì vậy nghiên cứu để giảm các thành phần khí thải độc hại từ khí thải xe ô tô đang lưu hành là yêu cầu cần thiết, các giải pháp liên quan đến thay đổi kết cấu động cơ ô tô mang lại hiệu quả đáng kể, tuy nhiên giải pháp này không phù hợp với xe ô tô đang lưu hành do phải thay đổi kết cấu của động cơ. Giải pháp sử dụng các bộ xúc tác là giải pháp hiệu quả và có tính khả thi cao đã được áp dụng ở nhiều nước PL1
2. trên thế giới, tuy nhiên tại Việt Nam, giải pháp này vẫn chưa được nghiên cứu, vì vậy cứu sinh lựa chọn đề tài “Nghiên cứu giảm phát thải độc hại cho động cơ diesel xe tải nhẹ đang lưu hành” làm luận án tốt nghiệp nhằm góp phần giải quyết các yêu cầu về ô nhiễm môi trường nói trên. ii. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu luận án nhằm: - Đưa ra giải pháp công nghệ khả thi giảm đáng kể thành phần độc hại CO, HC, NOx và PM của động cơ. - Mô phỏng, thiết kế các bộ xúc tác nhằm giảm phát thải CO, HC, NOx, PM cho động cơ. - Chế tạo và đánh giá hiệu quả khi trang bị các bộ xúc tác giảm phát thải cho động cơ. iii. Phạm vi nghiên cứu - Luận án nghiên cứu trên động cơ diesel D4BB lắp trên xe tải nhẹ, nhiên liệu thử nghiệm là diesel truyền thống. - Luận án được thực hiện trong phòng thí nghiệm để xác định các thông số đầu vào cho mô hình và tiến hành đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ trước và sau khi lắp thêm các bộ xúc tác. iv. Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm. Phần nghiên cứu lý thuyết gồm nghiên cứu cơ sở lý thuyết của các phương pháp giảm phát thải trên động cơ diesel. Nghiên cứu mô phỏng tính năng kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ D4BB từ đó mô phỏng tính toán kích thước các bộ xúc tác, mô phỏng đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ khi lắp bộ xúc tác. Phương pháp nghiên cứu thử nghiệm khi động cơ được trang bị thêm bộ xúc tác DOC, DPF, SCR. Trong đó, bao gồm các thử nghiệm tiến hành trong phòng thí nghiệm. v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài * Ý nghĩa khoa học Đề tài góp phần làm rõ các phương án giảm phát thải có thể áp dụng trên xe tải nhẹ ở điều kiện Việt Nam, chỉ ra giải pháp tốt nhất xét trên chỉ tiêu giảm phát thải và tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ. Đề tài đánh giá hiệu quả của việc lắp bộ xúc tác xử lý khí thải cho động cơ lắp xe tải nhẹ đang lưu hành, kết quả của luận án góp phần giảm đáng kể thành phần phát thải CO, HC, NOx và PM cho xe tải nhẹ đang lưu hành, góp phần giảm ô nhiễm môi trường. * Ý nghĩa thực tiễn Bộ xúc tác được thiết kế chế tạo và lắp trên động cơ xe tải nhẹ giúp giảm thành phần phát thải CO, HC, CO2, NOx và bồ hóng , kết quả thử nghiệm cho thấy bộ xúc tác làm việc ổn định và an toàn. Kết quả này mở ra cơ hội có thể ứng dụng sản phẩm trong thực tế nhằm giảm phát thải cho động cơ diesel nói chung.
3. CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Hiện trạng chất lƣợng không khí 1.1.1. Tiêu chí đánh giá chất lượng môi trường không khí Ô nhiễm môi trường được đánh giá thông qua một số chỉ số, như chỉ số về chất lượng môi trường không khí AQI, chỉ số nồng độ bụi mịn PM 2.5 và một số chỉ số giới hạn các thông số cơ bản trong môi trường không khí. a) Chỉ số AQI Chỉ số AQI (Air Quality Index) là chỉ số được tính toán từ các thông số quan trắc các chất ô nhiễm trong không khí (CO, NO2, SO2, O3 và bụi ), nhằm đánh giá tình trạng chất lượng không khí và mức độ ảnh hưởng đến sức khỏe con người được thể hiện bằng mức điểm. b) Giới hạn các thông số cơ bản trong không khí xung quanh Giá trị giới hạn của các thông số cơ bản trong không khí xung quanh theo QCVN 05: 2013/BTNMT, quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng không khí xung quanh được giới thiệu tại Bảng 1.2. 1.1.2. Hiện trạng chất lượng không khí 1.1.2.1. Đánh giá chung về môi trường không khí Theo Chi cục Bảo vệ Môi trường (Sở Tài nguyên và Môi trường Hà Nội) [1], vào giờ cao điểm, nồng độ bụi tính trung bình của riêng thành phố Hà Nội gấp 4 lần tiêu chuẩn cho phép, nồng độ khí CO cao hơn 2,5 lần, hơi xăng cao hơn 12,1 - 2000 lần tiêu chuẩn cho phép. 1.1.2.2. Đánh giá chất lượng môi trường không khí Trong 3 tháng đầu năm 2017, số ngày chất lượng không khí ở mức “rất có hại cho sức khỏe” [2] gia tăng so với cùng kỳ năm 2016. Theo đó, chỉ số AQI trung bình của thành phố Hà Nội là 123 (AQI từ 101- 200 thuộc nhóm kém, những người nhạy cảm cần hạn chế ra ngoài). Có 37 ngày nồng độ PM 2.5 trong 24h cao hơn so với giới hạn quy chuẩn quốc gia và 78 ngày vượt quá giới hạn theo hướng dẫn của Tổ chức Y tế thế giới, trong thời gian gần đây mức độ ô nhiễm ngày càng nghiêm trọng, chỉ số AQI luôn ở mức báo động. + Theo nồng độ khí NO2: + Theo nồng độ bụi PM10, bụi PM2.5: Đối chiếu số liệu quan trắc về nồng độ bụi PM10, bụi PM2.5 cho thấy so với sáu tháng cuối năm 2017 [4] thì sáu tháng đầu năm 2018, các thông số về bụi PM10 và PM2.5 không những vượt mức giới hạn cho phép theo quy chuẩn Việt Nam và có xu hướng càng gia tăng cả về giá trị và khu vực ảnh hưởng. + Theo nồng độ HC: Hydrocacbon (HC) trong môi trường không khí ảnh hưởng đến sức khỏe của con người như gây khó thở, ung thư. Mặt khác, khí HC là một trong những thành của khí thải do phương tiện giao thông thải ra. Do đó, để kiểm soát một phần nguồn khí HC từ khí thải phương tiện giao thông, hiện trên thế giới đã tiến hành áp dụng biện pháp kiểm soát loại khí này thông qua công tác kiểm định khí thải đối với phương tiện cơ giới đường bộ. 1.2. Tổng quan sự phát triển các phƣơng tiện giao thông ở Việt Nam 1.2.1. Sự phát triển các phương tiện giao thông ở Việt Nam Hiện nay, tình hình ô nhiễm môi trường không khí trong cả nước nói chung và trên địa bàn Thành phố Hà Nội nói riêng diễn biến phức tạp, nồng độ các chất gây ô nhiễm không khi có xu hướng tăng. Ô nhiễm
4. không khí trong đô thị do nhiều nguồn gây ra như công nghiệp, giao thông thông vận tải, sinh hoạt trong đó hoạt động của các loại xe cơ giới nói chung và xe mô tô, xe gắn máy nói riêng là một trong những nguồn phát thải trực tiếp một số chất có ảnh hưởng nguy hại đến sức khỏe của con người. Để giảm thiểu tình trạng ô nhiễm môi trường, cần thiết ban hành quy định, chế tài quản lý về phát thải nói chung và đối với các các phương tiện cơ giới cũng như xe mô tô, xe gắn máy nói riêng. 1.2.2. Tiêu chuẩn phát thải từ động cơ diesel 1.2.2.1. Tiêu chuẩn kiểm soát phát thải trên thế giới Tiêu chuẩ n khí thả i củ a cá c nướ c đượ c quy đị nh rấ t khá c nhau, các nước có nền kinh tế càng phát triển thì tiêu chuẩ n khí thả i càng ngặ t nghè o hơn. Tại Châu Âu, tiêu chuẩn khí thải Euro 0 được áp dụng vào năm 1987, trải qua hơn 20 năm, thêm 5 tiêu chuẩn nữa được ban hành bao gồm: Euro 1 năm 1991, Euro 2 năm 1996, Euro 3 năm 2001, Euro 4 năm 2005, tiêu chuẩ n Euro 5 năm 2008 và tiêu chuẩn EURO 6 được áp dụng vào năm 2013, sẽ áp dụng tiêu chuẩ n EURO 6. Các tiêu chuẩn Euro được áp dụng cho tất cả các nước Liên minh châu Âu và nhiề u nướ c khá c trên thế giớ i cũ ng á p dụ ng hệ thố ng tiêu chuẩ n nà y (Hình 1.5). 1.1.2.2. Tiêu chuẩn kiểm soát phát thải ở Việt Nam Các quy định liên quan đến kiểm tra khí thải:  Quyết định 1397/QĐ-TTg ngày 1/8/1999 ca Thủ tướng Chính phủ quy định các loại ô tô đang lưu hành phải đáp ứng được tiêu chuẩn khí thải theo quy định.  Quyết định 249/2005/QĐ-TTg ngày 10/10/2005 được ban hành thay cho Quyết định 1397/QĐ-TTg, quyết định quy định về lộ trình áp dụng tiêu chuẩn khí thải đối với phương tiện giao thông cơ giới đường bộ đã được ban hành ngày 10/10/2005.  Từ 1/7/2008 toàn bộ ô tô đang lưu hành trên cả nước phải đạt tiêu chuẩn khí thải mức 1.  TCVN 6438:2005 giới hạn lớn nhất cho phép của khí thải.  Năm 2019 Thủ tướng chính phủ đã ký quyết định số 16/2019/QĐ-TTg quy định lộ trình áp dụng các mức tiêu chuẩn khí thải của xe ô tô tham gia giao thông và xe ô tô đã qua sử dụng nhập khẩu, theo đó từ 1/1/2020, các loại xe ô tô sản xuất từ năm 2008 trở lại đây phải đáp ứng mức tiêu chuẩn khí thải mới, cao hơn hiện nay mới được cấp chứng nhận đăng kiểm để tham gia giao thông.  Cụ thể, tới đây loại xe ô tô có tuổi đời như trên chỉ được có tối đa 3,5% nồng độ CO; còn xe dùng nhiên liệu diesel động cơ 4 kỳ có giới hạn tối đa chất HC là 800ppm thể tích và tỷ lệ khói HSU tối đa là 60%.  Theo lộ trình trên, trong năm 2020, có hơn 2,4 triệu xe ô tô được sản xuất từ sau năm 2008 phải đáp ứng tiêu chuẩn khí thải mới. 1.2. Tình hình nghiên cứu giảm phát thải độc hại cho động cơ diesel trên thế giới và Việt Nam 1.2.1. Giảm phát thải NOx a, Luân hồi khí thải EGR Luân hồi khí thải là một biện pháp hữu hiệu để giảm sự hình thành NOx trong buồng cháy. Khí thải sau khi ra khỏi động cơ được trích một phần trở lại đường nạp, khí luân hồi trước khi đi vào đường nạp được định lượng bởi van định lượng khí luân hồi (van EGR). Khí luân hồi bao gồm chủ yếu CO2, N2 và hơi nước sẽ được đưa trở lại xylanh để làm loãng hỗn hợp cháy và giảm nồng độ O2 trong buồng cháy. Hình 1.7 thể hiện sơ đồ hệ thống luân hồi khí thải trên động cơ [8]. b, Bộ xử lý xúc tác khử NOx - SCR (Selective Catalyst Reduction)
5. - Cấu tạo Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống SCR được thể hiện trên Hình 1.8, bao gồm hai phần chính đó là: vòi phun urê và bộ xúc tác chính SCR. - Nguyên lý hoạt động Quá trình xử lý NOx xảy ra trong hệ thống SCR bao gồm 1 chuỗi các phản ứng hóa học gồm 3 giai đoạn chính: + Phản ứng đầu tiên trong hệ thống xử lý khí thải SCR gọi là „Standard SCR‟, phản ứng này làm giảm NO. Phản ứng này được gọi là phản ứng chuẩn bởi vì NO là đặc trưng cho phản ứng làm giảm khí thải của động cơ diesel. 4NH3 +4NO +O2 = 4N2 +6H2O 4NH3 +2NO +2NO2 = 4N2 +6H2O 8NH3 +6NO2 = 7N2 +12H2O 1.2.2. Giảm phát thải hạt CO, HC và (PM) a) Nguyên lý bộ xúc tác ôxy hóa DOC CnHm + (n+1/4m)O2 = nCO2 + 1/2mH2O CO + 1/2O2 = CO2 b) Cấu tạo bộ xúc tác DOC 1.2.3. Bộ lọc hạt (DPF) a) Kết cấu chung của bộ lọc Hình 1.11. Lọc khối và lọc bề mặt b) Cơ chế lọc 1.3. Tổng hợp nghiên cứu giảm phát thải cho xe tải nhẹ sử dụng động cơ diesel trên thế giới và Việt Nam 1.3.1. Nghiên cứ u giả m phá t thả i cho độ ng cơ diesel trên thế giớ i Một trong những giải pháp được sử dụng phổ biến hiện nay trên động cơ diesel là sử dụng biện pháp luôn hồi khí thải để giảm NOx trên động cơ diesel. Luân hồi khí thải là một giải pháp đơn giản mà hiệu quả cắt giảm phát thải NOx khá cao. Hình 1.12 cho thấy phá t thả i NOx giảm theo tỷ lệ luân hồi. Khi luân hồ i lớ n thì NOx càng giảm. Tuy nhiên luân hồi khí thải trên động cơ diesel đồ ng thờ i cũ ng là m tăng phá t thả i PM , CO và HC. Do đó , việ c sử dụ ng EGR kế t hợ p vớ i bộ lọ c phá t thả i hạ t (DPF) là cần thiết [8]. Kế t quả nghiên cứ u củ a Katey E . Lenox, et.al [9] cũng cho thấy tác động c ủa việ c tăng tỷ lệ luân hồ i đến giảm phát thải NOx và tăng phát thải PM và HC (hình 1.13). Nghiên cứ u nà y cũ ng cho thấy khi tỷ lệ luân hồ i dướ i 40% thì tốc độ tăng phát thải PM và HC chưa lớn, nhưng khi tỷ lệ luân hồ i trên 40% thì tốc độ tăng này rất rõ ràng và cần phải đặc biệt quan tâm. Các nghiên cứu cho thấy rằng luân hồi khí thải cùng với bộ lọc DPF có thể kiểm soát được PM, HC và
6. NOx một cách rất hiệu quả [9], [10], [11], [12]. Đối với động cơ diesel tăng áp, do ở các chế độ tải lớn, áp suất tăng áp có thể lớn hơn so với áp suất trên đường thải vì thế việc luân hồi khí thải về phía sau máy nén có thể sẽ gặp khó khăn và cần phải có biện pháp để giảm áp suất cục bộ của khí tăng áp sau máy nén hoặc sử dụng các biện pháp để nâng cao áp suất khí luân hồi. SCR là hệ thống hàng đầu trong công nghệ giảm phát thải NOx. Tuy nhiên, do cầ n cung cấ p urê cho bộ xúc tác nên đòi hỏi các thiết bị đi kèm rất cồng kềnh. Vì vậy, bộ xử lý NOx dùng amôniac (NH3) cho đến nay chủ yếu được dùng trong các trạm động lực tĩnh tại. Hãng Purem đã chế tạo bộ xúc tác khử NOx cho xe tải dùng dung dịch urê có tên là AdBlue đạt tiêu chuẩn khí thải Euro 4 và 5. 1.3.2. Nghiên cứ u giả m phá t thả i cho độ ng cơ diesel ở Vi ệ t Nam Ở Việt Nam , tiêu chuẩ n kiể m soá t phá t thả i theo mứ c Euro 2 được áp dụng từ năm 2007, hiện nay đang áp dụng tiêu chuẩn EURO 4 cho ô tô, điều này đòi hỏi phải có các nghiên cứu để đáp ứng nhu cầu giảm phát thải để đáp ứng các tiêu chuẩn trên. Nghiên cứ u củ a Tổ chứ c không khí sạ ch Việ t Nam - Thụy Sỹ trong khuôn khổ Chương trì nh Không khí sạ ch Việ t Nam (VCAP) đã đề cậ p đế n vấ n đề giả m phá t thả i củ a độ ng cơ diesel xe tả i tạ i Công ty cổ phầ n môi trườ ng đô thị Hà Nộ i . Kế t quả nghiên cứ u cho thấ y việ c duy trì quy trình bảo dưỡng định kỳ đối với phương tiện không những nâng cao tính kinh tế của độ ng cơ mà cò n giú p cả i thiệ n phá t thả i độ c hạ i ra môi trườ ng [28]. 1.3.3. Tính cấp thiết của đề tài Qua nghiên cứu tổng quan thấy rằng, vấn đề ô nhiễm môi trường đang ngày càng nghiêm trọng đặc biệt tại các thành phố lớn. Phương tiện giao thông là một trong những nguyên nhân chính gây lên tình trạng ô nhiễm môi trường, số lượng các phương tiện giao thông không ngừng tăng trong những năm gần đây gây áp lực lớn đến ô nhiễm môi trường, trong các phương tiện giao thông đang lưu hành thì phương tiện động cơ diesel là đối tượng gây ra ô nhiễm môi trường lớn nhất, hình ảnh những xe diesel thải khói đen là hình ảnh thường thấy tại Việt Nam, vì vậy việc giảm ô nhiễm của các phương tiện này là cần thiết. 1.3.4. Cách tiếp cận vấn đề của đề tài Trên cơ sở tổ ng hợ p về hiện trạng chất lượng không khí và tổng hợp các nghiên cứu về giảm phát thải cho động cơ diesel, kế thừa các kết quả nghiên cứ u trong và ngoài nư ớc, kết hợp tham khảo ý kiến của các chuyên gia trong lĩnh vực động cơ đốt trong và hóa học xúc tác, NCS đã lựa chọn giải pháp trang bị các bộ xúc tác để giảm phát thải cho động cơ diesel xe tải hạng nhẹ đang lưu hành. Cụ thể, lựa chọn các bộ xúc tác được thực hiện trên cơ sở tham khảo ý kiến của các chuyên gia của Phòng thí nghiệm lọc hóa dầu, Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam, trên cơ sở đó đã lựa chọn được các loại vật liệu xúc tác thích hợp. Nhằm phục vụ cho nghiên cứu, NCS đã chọn động cơ D4BB lắp trên xe tải nhẹ của Hyundai, đây là dòng xe khá phổ biến trên thị trường do có tuổi thọ cao và giá thành phù hợp trong khuôn khổ của luận án. 1.4. Kết luận chƣơng 1 Giải pháp xử lý khí thải như sử dụng luân hồi khí thải, bộ xúc tác DOC, DPF và SCR mang lại hiệu quả xử lý cao trên động cơ diesel nói chung và động cơ diesel xe tải nhẹ nói riêng, cho động cơ mới cũng như cho động cơ đang lưu hành. Việc nghiên cứu áp dụng các bộ xúc tác này lắp trên động cơ ô tô diesel hạng nhẹ đang lưu hành là bước đi phù hợp trong điều kiện thự c tiễ n hiệ n nay củ a Việ t Nam do yế u tố kinh tế , cơ sở hạ tầ ng và chấ t lượ ng nhiên liệ u , điều này giúp cắt giảm đáng kể thành phần ô nhiễm của loại phương tiện này.
7. CHƢƠNG 2. CƠ CHẾ HÌNH THÀNH CÁC CHẤT ĐỘC HẠI TRONG KHÍ THẢI CỦA ĐỘNG CƠ VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG BỘ XỬ LÝ KHÍ THẢI Như đã trình bày trong phần tổng quan, NCS đã lựa chọn giải pháp sử dụng các bộ xúc tác để lắp cho động cơ diesel xe tải nhẹ đang lưu hành, để xác định được kích thước cũng như các thông số cơ bản của bộ xúc tác. Trong chương này, NCS sẽ đi tìm hiểu lý thuyết về sự hình thành các thành phần độc hại CO, HC, NOx và PM trên động cơ diesel làm cơ sở cho việc phân tích đánh giá xu hướng, diễn biến các thành phần phát thải trong bài toán mô phỏng. 2.1. Sự hình thành các chất độc hại trong khí thải động cơ Trong mục này NCS sẽ trình bày một cách vắn tắt lý thuyết về sự hình thành các chất độc hại trong động cơ diesel từ đó làm cơ sở để nghiên cứu cắt giảm các thành phần độc hại này. Quá trình cháy thực chất là các phản ứng ô xy hóa nhiên liệu với không khí. Sản phẩm của quá trình cháy bao gồm CO2, CO, HC, NOx, bụi, khói và tuỳ thuộc vào chất lượng của nhiên liệu mà sản phẩm cháy có thể có SOx. Hiện nay các thành phần chính gây ô nhiễm và ảnh hưởng đến sức khỏe con người là CO, HC, NOx và PM. Trong Chương 2 của luận án, NCS sẽ tập trung nghiên cứu về các thành phần phát thải nêu trên. 2.1.1. Mônôxit cácbon (CO) Mônôxit cácbon [28] được hình thành từ phản ứng: 2C + O2 = 2CO CO + O2 = CO2 2.1.2. Hyđrô cácbon (HC) 2.1.3. Ôxit nitơ (NOx) Trong động cơ diesel, cơ chế hình thành NOx diễn ra nhanh do hỗn hợp cháy không đồng nhất. Thành phần chính của NOx là NO, NO2. Trong đó, NO là khí không mùi không màu còn 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 ôxy hoá NO. Thành phần NOx phụ thuộc rất nhiều vào hệ số dư lượng không khí  và nhiệt độ của quá trình cháy, trên 2000K. Nồng độ NOx đạt giá trị cực đại tại  = 1,05  1,1. Tại đây, nhiệt độ của quá trình cháy đủ lớn để ôxy và nitơ phân hủy thành nguyên tử có tính năng hoạt hóa cao và nồng độ ôxy đủ lớn cho phản ứng ôxy hóa, do đó NOx đạt cực đại. 2.1.4. Phát thải dạng hạt (PM) Cơ chế hình thành bồ hóng tổng quan nhất được mô tả gồm 3 giai đoạn [44]:  Giai đoạn 1: hình thành hạt bồ hóng  Giai đoạn 2: phát triển hạt bồ hóng  Giai đoạn 3: quá trình ôxy hóa hạt bồ hóng 2.2. Cơ sở lý thuyế t tí nh toá n chu trình công tác củ a động cơ trên phầ n mề m AVL - Boost 2.2.1. Giớ i thiệ u chung Trong quá trình thực hiện đề tài, NCS sẽ sử dụng phần mềm AVL-Boost để đánh giá khả năng làm việc của động cơ khi sử dụng bộ xúc tác chọn lọc SCR để giảm phát thải NOx và đánh giá hiệu quả của bộ lọc phát thải hạt DPF và bộ xúc tác ôxy hóa DOC đến khả năng giảm phát thải PM, CO và HC. Kết quả mô phỏng cho phép đánh giá, lựa chọn được phương án giảm phát thải tối ưu cho động cơ diesel. Đồng thời kết quả mô phỏng cho phép rút ngắn thời gian và chi phí của quá trình thực nghiệm. 2.2.2. Các phương trình cơ bản
8. Mô hình cân bằng năng lượng bên trong xylanh được thể hiện trên Hình 2.1. Cơ sở tính toán quá trình cháy trong động cơ đốt trong được dựa trên phương trình nhiệt động học thứ nhất (2.1). Trong khi đó, phương trình cân bằng khối lượng được áp dụng để tính toán sự thay đổi môi chất bên trong xylanh như thể hiện qua phương trình 2.2 [45]: d mc .u dV dQF dQw dmBB (2.1) pc .  hBB. d d d d d dm dm dm dm c i e BB (2.2) d  d  d d 2.2.3. Các mô hình điều kiện biên 2.2.3.1. Mô hình trao đổi nhiệt a) Truyền nhiệt trong xylanh Quá trình truyền nhiệt từ trong buồng cháy qua thành buồng cháy như nắp xylanh, piston, và lót xylanh được tính dựa vào phương trình truyền nhiệt sau [46]: Qwi Ai . w . Tc Twi (2.5) 0,8 0,2 0,8 0,53 VD .Tc,1 W 130.D .pc .Tc . C1.cm C2 . . pc pc,0 (2.6) p .V c,1 c,1 b) Trao đổi nhiệt trên thành xylanh Để mô phỏng được quá trình trao đổi nhiệt tức thời thì phương trình cân bằng năng lượng có thể được xác định cho nắp máy, lót xylanh và piston. Ngoài ra, còn phải kể tới trao đổi nhiệt ở đế xupáp. Để giải phương trình truyền nhiệt 1 chiều, sử dụng lượng nhiệt trao đổi trung bình trong 1 chu kỳ làm điều kiện biên ở thành buồng cháy và là lượng nhiệt truyền cho môi chất làm mát ở bên ngoài. Với những giả thiết nêu trên, có thể giải được phương trình truyền nhiệt 2.7: dT  d 2t (2.7) dt c dx 2 c) Trao đổi nhiệt tại cửa nạp, thải Trong quá trình quét khí, việc lưu tâm đến quá trình trao đổi nhiệt tại của nạp và thải là hết sức quan trọng. Quá trình này có thể lớn hơn rất nhiều so với dòng chảy trong đường ống đơn giản do hệ số truyền nhiệt cao và nhiệt độ trong vùng giữa xupáp và đế xupáp. Trong AVL-Boost mô hình Zapf [45] được sử dụng để tính toán cho quá trình này. A p w  T T T .e m.cp T (2.10) d u w w 2.2.3.2. Mô hình nạp thải Lưu lượng dòng môi chất qua xu páp nạp và xu páp thải được xác định qua phương trình: (2.13) 2.2.3.3. Mô hình cháy AVL-MCC a) Lý thuyết chung về mô hình cháy AVL-MCC b) Phương trình đặc trưng của mô hình cháy AVL-MCC
9. Mô hình cháy có điều khiển hỗn hợp MCC (Mixing control combustion) đượ c dù ng để xây dự ng đ ặc tính cháy trong động cơ diesel. Mô hình tính đến ảnh hưởng của cá c quá trì nh cháy h ỗn hợp hò a trộ n trướ c PMC (Premix combustion) và cháy khuếch tán - cháy hỗn hợp có kiểm soá t MCC [46-47]: 푄 푄 푄 푡표푙푡 푙 = + 푃 (2.14) 훼 훼 훼 - Phương trình bảo toàn động năng của tia phun: 𝑖푛 = 0,5. . . 푣2 − . 1,5 (2.16) 푡 푡 퐹 퐹 𝑖푠푠 𝑖푛 = 𝑖푛 (2.17) 퐹, 1+휆 𝑖 . 푠푡표𝑖 ℎ 2.3. Cơ sở lý thuyết mô phỏng quá trình hình thành phát thải của động cơ diesel 2.3.1. Mô phỏng quá trình hình thành NOx Bảng 2.2. Chuỗi phản ứng hình thành NOx. Phản ứng thuận Phản ứng nghịch TT Phản ứng A E A E B (–) B (–) (cm3/mol s) (kcal/mol K) (cm3/mol s) (kcal/mol K) 13 13 1 N2 + O ↔ NO + N 4.93 x 10 0.0472 - 75.59 1.6 x 10 0 0 8 7 2 O2 + N ↔ NO + O 1.48 x 10 1.5 - 5.68 1.25 x 10 1612 - 37.69 3 OH + N ↔ NO + H 4.22 x 1013 0 0 6.76 x 1014 - 0.212 - 49.34 13 8 4 N2O + O ↔ NO + NO 4.58 x 10 0 - 24.1 7.39 x 10 0.89 - 58.93 10 13 5 O2 + N2 ↔ N2O + O 2.25 x 10 0.825 - 102.5 3.82 x 10 0 - 24.1 7 13 6 OH + N2 ↔ N2O + H 9.14 x 10 1.148 - 71.9 2.95 x 10 0 - 10.8 Hệ số tốc độ của mô hình: = exp⁡(− / ) (2.24) 2.3.2. Mô phỏng quá trình hình thành CO Phát thải CO được mô phỏng trong AVL Boost dựa trên lý thuyết của Onorati [49] theo hai phản ứng 2.28 và 2.29: CO OH CO2 H T ( ) 10 1102 r1 6.76*10 *e *cCO *cOH (2.28) CO O2 CO2 O 24055 ( ) r 62.51*1012 *e T *c *c 2 CO O2 (2.29) 2.3.3. Mô phỏng quá trình hình thành soot Cơ chế hình thành phát thải soot trong mô phỏng AVL-Boost mô hình của Schubiger [50] nếu coi quá trình cháy gồm hai vùng hoặc mô hình của Hiroyasu [51] nếu coi quá trình cháy đa vùng. (2.31) (2.32)
10. 2.4. Cơ sở lý thuyết mô phỏng giải pháp xử lý phát thải cho động cơ diesel 2.4.1. Mô phỏng bộ xử lý xúc tác SCR a) Phương trình liên tục của pha khí  g g.v g (2.35) tz b) Phương trình bảo toàn động năng được cho bởi phương trình Steady State Darcy pg Av. (2.36) z Dg c) Phương trình cân bằng năng lượng chất rắn  cT. p, s s  Ts 1 g . s . 1  g .  s . T  z  z (2.40) I L atrans , k h T s T g  h i r c k T s qrad i 2.4.2. Mô phỏng bộ xúc tác ô xy hóa DOC Phản ứng hóa học xảy ra trong bộ DOC cũng như tốc độ phản ứng và các thông số động học được đưa ra bởi Koltsakis [54-55] bao gồm: R1: tiếp tục ô xy sản phẩm của quá trình ô xy hóa không hoàn toàn: CO 1 O CO 2 2 2 (2.47) R2: ô xy hóa phần nhiên liệu chưa tham gia quá trình cháy: 9 C3H6 O2 3CO2 3H2O 2 (2.48) R3: ô xy hóa ô xít ni tơ NO thành NO2 theo hai cơ chế: R3 1: 2NO O 2NO 2 2 (2.49) R3 1: NO 0.5O NO 2 2 (2.50) 2.4.3. Mô phỏng bộ lọc chất thải hạt DPF a) Các thông số cơ bản của DPF Cấu trúc này thường dùng cho bầu lọc của động cơ diesel. Độ dày của lớp phủ góp phần quyết định độ dày của monolith thông qua công thức dưới đây: 훿 = 훿푤 + 2훿푤 (2.59) b) Sự phân bố bồ hóng bồ hóng trong các lớp bề mặt và lớp sát vách tăng dần lên và có xu hướng tăng dần như Hình 2.6. Kết luận chƣơng 2 Trong nội dung Chương 2, NCS trình bày tổng quan cơ sở lý thuyết của phần mềm AVL-Boost như tính toán được chu trình công tác, các mô hình điều kiện biên sử bao gồm mô hình trao đổi chất qua cửa nạp và thải, mô hình truyền nhiệt với hệ số truyền nhiệt được xác định theo mô hình Woschi 1978, mô hình cháy MCC cho động cơ hình thành hỗn hợp bên trong. Làm rõ cơ chế hình thành các thành phần phát thải độc hại trên động cơ diesel bao gồm CO, NOx và soot. Những cơ chế này đã được sử dụng để xây dựng các mô hình tính toán phát thải độc hại trong phần mềm AVL-Boost. Đối với mô hình cháy MCC, thành phần phát thải HC được bỏ qua.
11. CHƢƠNG 3. MÔ PHỎNG, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ XÚC TÁC DOC, DPF VÀ SCR TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL XE TẢI NHẸ 3.1. Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ D4BB 3.1.1. Thông số kỹ thuật cơ bản xây dựng mô hình mô phỏng trên AVL - Boost 3.1.2. Mô hình mô phỏng động cơ D4BB C1 – C4: Phần tử xylanh SB1-SB2: Phần tử điều kiện biên CL1: Phần tử lọc khí PL1-PL2: Phần tử bình ổn áp R1-R9: Phần tử cản dòng J1-J3: Phần tử điểm nối MP1-MP8: Phần tử điểm đo E1: Phần tử khai báo chung Hình 3.1. Mô hình động cơ D4BB trên phần mềm mô phỏng AVL-Boost 3.1.3. Đánh giá độ chính xác của mô hình Kết quả mô phỏng trên Hình 3.2 thể hiện diễn biến áp suất có ích trung bình BMEP (Brake mean effective pressure) theo số vòng lặp. Kết quả cho thấy, kể từ chu trình thứ 20 trở đi, sự thay đổi của BMEP nhỏ hơn 0,01%, điều này chứng tỏ kết quả mô phỏng đã hội tụ. 7.04 7.01 6.98 6.95 6.92 6.89 BMEP (bar) BMEP 6.86 6.83 6.80 0 10 20 30 40 Số vòng lặp (-) Hình 3.2. Đánh giá độ hội tụ của kết quả mô phỏng 3.1.4. Xây dựng mô hình xử lý khí thải DOC-DPF-SCR 3.1.4.1. Trình tự mô phỏng
12. Bắt đầu Thông số kết cấu của DOC Hiệu chỉnh mô hình động cơ D4BB: Thông số kết cấu của DPF Trang bị thêm bộ DOC, DPF và SR Thông số kết cấu của SCR Chế độ mô phỏng: Thực hiện mô phỏng Nemax 4000 v/ph, toàn tải Memax, 2200 v/ph toàn tải Đánh giá suất xử lý các thành phần phát thải Không đạt Hiệu suất xử lý >80% Đạt Mức suy giảm công suất Không đạt ΔNe <5% Đạt Thiết kế, chế tạo vỏ và đặt hàng lõi xúc tác Hình 3.7. Quy trình mô phỏng 3.1.4.2. Lựa chọn các thông số mô hình DOC, DPF và SCR Hình 3.8. Mô hình mô phỏng động cơ D4BB khi kết hợp các biện pháp giảm phát thải DOC - DPF - SCR
13. 3.1.5. Kết quả mô phỏng phát thải của động cơ khi sử dụng DOC, DPF và SCR 3.1.5.1. Kết quả mô phỏng sự thay đổi của thành phần phát thải CO Kết quả mô phỏng đánh giá hiệu quả giảm thiểu các thành phần phát thải CO và soot của động cơ sau khi lắp hệ thống xử lý khí thải ở chế độ Nemax và Memax được thể hiện trên Hình 3.9 và 3.10. 1200 100% 1400 100% Hàm lượng CO Hiệu suất Hàm lượng CO Hiệu suất 1000 1200 80% 80% 1000 800 60% 800 60% 600 600 40% 40% 400 (%) Hiệu suất 400 (%) Hiệu suất Hàm lƣợng CO (ppm) Hàm Hàm lƣợng CO (ppm) Hàm 20% 20% 200 200 0 0% 0 0% NB160 200 240 280 320 160NB 200 240 280 320 Chiều dài lõi xúc tác (mm) Chiều dài lõi xúc tác (mm) Hình 3.9. Sự thay đổi hàm lượng CO theo chiều dài bộ xúc tác tại chế độ Nemax và Memax 0.30 40% Hàm lượng soot Hiệu suất 0.3 40% Hàm lượng soot Hiệu suất 0.27 30% 0.27 30% 0.24 0.24 Ne max, 20% Me max, 20% 4000 v/ph, 0.21 2200 v/ph, toàn tải 0.21 Hiệu suất (%) Hiệu suất toàn tải (%) Hiệu suất 10% 10% 0.18 0.18 Hàm lƣợng soot (g/kWh)Hàm Hàm lƣợng soot (g/kWh)Hàm 0.15 0% 0.15 0% 160 200 240 280 320 NB 160NB 200 240 280 320 Chiều dài lõi xúc tác (mm) Chiều dài lõi xúc tác (mm) Hình 3.10. Sự thay đổi hàm lượng soot theo chiều dài bộ xúc tác tại chế độ Nemax và Memax 3.1.5.2. Kết quả mô phỏng sự thay đổi của thành phần phát thải khói đen Kết cấu lõi lọc DPF sẽ được thay đổi theo các phương án khác nhau như thể hiện trong Bảng 3.4 để đánh giá khả năng loại bỏ khói đen. Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của bộ lọc chất thải dạng hạt DPF tới các thông số làm việc của động cơ ở hai chế độ công suất lớn nhất và mô men lớn nhất được thể hiện trên Hình 3.12 và 3.13. Kết quả mô phỏng này ứng với trường hợp bộ DOC được lựa chọn có chiều dài 240 mm và đường kính 150 mm. 2500 2500 4000 v/ph, toàn tải 2200 v/ph, toàn tải 2000 2000 1500 1500 (Pa) p p (Pa) p Δ Δ 1000 1000 Chênh áp Chênh Chênh áp Chênh 500 500 0 0 220 240 260 220 240 260 Chiều dài lõi lọc (mm) Chiều dài lõi lọc (mm) Hình 3.13. Ảnh hưởng của thông số lọc DPF tới chênh áp đường thải
14. Sự thay đổi sức cản trên đường thải tỷ lệ thuận với khả năng giữ lại các chất thải dạng hạt khi dòng khí thải lưu thông qua bộ lọc. Kết quả mô phỏng so sánh phát thải độc hại soot của động cơ sau khi lắp bộ xúc tác ô xy hóa DOC và bộ lọc DPF được thể hiện trên Hình 3.14. 0.30 100% 0.30 100% Hàm lượng soot Hiệu suất Hàm lượng soot Hiệu suất 0.25 0.25 80% 80% 0.20 0.20 60% 60% 0.15 0.15 4000 v/ph, toàn tải 40% 2200 v/ph, toàn tải 40% 0.10 (%) Hiệu suất 0.10 (%) Hiệu suất 20% 20% lƣợng soot (g/kWh)Hàm 0.05 0.05 Hàm lƣợng soot (g/kWh)Hàm 0.00 0% 0.00 0% 200 220 240 260 200 220 240 260 NB NB Chiều dài lõi lọc (mm) Chiều dài lõi lọc (mm) Hình 3.14. Ảnh hưởng của thông số lọc DPF hiệu suất lọc soot 3.1.5.3. Kết quả mô phỏng sựu thay đổi của thành phần phát thải NOx Kết quả mô phỏng sự thay đổi hàm lượng NOx với các thông số lõi xúc tác khác nhau được thể hiện từ Hình 3.15 đến Hình 3.17. 2000 100% 1600 100% Hàm lượng NOx Hiệu suất Hàm lượng NOx Hiệu suất 1600 80% 80% 1200 1200 60% 60% 4000 v/ph, toàn tải, 800 2200 v/ph, toàn tải, 800 300 CPIS 40% 300 CPIS 40% Hiệu suất (%) Hiệu suất Hiệu suất (%) Hiệu suất 400 Hàm lƣợng NOx (ppm) Hàm Hàm lƣợng NOx (ppm) Hàm 400 20% 20% 0 0% 0 0% 200NB 220 240 260 200NB 220 240 260 Chiều dài lõi xúc tác (mm) Chiều dài lõi xúc tác (mm) Hình 3.15. Kết quả mô phỏng sự thay đổi NOx và hiệu suất khử với chiều dài SCR khác nhau, mật độ lỗ 300 CPIS, ở chế độ Nemax và Memax 2000 100% 1600 100% Hàm lượng NOx Hiệu suất Hàm lượng NOx Hiệu suất 1600 80% 80% 1200 4000 v/ph, toàn tải, 60% 1200 60% 2200 v/ph, toàn tải, 400 CPIS 800 400 CPIS 800 40% 40% Hiệu suất (%) Hiệu suất Hiệu suất (%) Hiệu suất 400 Hàm lƣợng NOx (ppm) Hàm 20% Hàm lƣợng NOx (ppm) Hàm 400 20% 0 0% 0 0% 200NB 220 240 260 NB200 220 240 260 Chiều dài lõi xúc tác (mm) Chiều dài lõi xúc tác (mm) Hình 3.16. Kết quả mô phỏng sự thay đổi NOx và hiệu suất khử với chiều dài SCR khác nhau, mật độ lỗ 400 CPIS, ở chế độ Nemax và Memax
15. 2000 100% 1600 100% Hàm lượng NOx Hiệu suất Hàm lượng NOx Hiệu suất 1600 80% 80% 1200 4000 v/ph, toàn tải, 60% 1200 60% 2200 v/ph, toàn tải, 500 CPIS 800 500 CPIS 800 40% 40% Hiệu suất (%) Hiệu suất Hiệu suất (%) Hiệu suất 400 Hàm lƣợng NOx (ppm) Hàm 20% Hàm lƣợng NOx (ppm) Hàm 400 20% 0 0% 0 0% 200NB 220 240 260 200NB 220 240 260 Chiều dài lõi xúc tác (mm) Chiều dài lõi xúc tác (mm) Hình 3.17. Kết quả mô phỏng sự thay đổi NOx và hiệu suất khử với chiều dài SCR khác nhau, mật độ lỗ 500 CPIS, ở chế độ Nemax và Memax Bảng 3.6. Thông số kết cấu cơ bản của các bộ xử lý khí thải Bộ xử lý TT Diễn giải Ký hiệu Đơn vị DOC DPF SCR 1 Chiều dài lõi lọc L 240 240 240 mm 2 Đường kính lõi lọc D 150 150 150 mm 3 Thể tích lọc V 4,4 3,6 4,4 lít 2 5 Số phần tử lọc trên - 400 400 400 1/in 6 Lượng kim loại xúc tác - Pt: Pd=3:1, - Zeolite:V=5:1, 2,1 gam 280 gram Bảng 3.7. So sánh kết quả mô phỏng sự thay đổi các thành phần phát thải NOx (ppm) CO (ppm) Soot (g/kWh) Tốc độ TT Giảm Giảm Giảm (v/ph) Trƣớc Sau Trƣớc Sau Trƣớc Sau (%) (%) (%) 1 4000 1609 327 81,5 1303 230 83.64 0,260 0.035 86,54 2 2200 1412 250 84.4 1101 180 82.31 0.264 0,023 91,29 3.2. Thiết kế tổng thể bộ xúc tác DOC, DPF và SCR trên động cơ D4BB 3.2.1. Sơ đồ bố trí hệ thống xử lý khí thải 250 650 150 Vßi phun Urea DOC 550 250 300 250 45° 60 150 150 150 DPF SCR 1800
16. Hình 3.18. Sơ đồ bố trí bộ xúc tác DOC-DPF-SCR trên động cơ diesel D4BB 3.2.2. Xác định vị trí và phương pháp lắp đặt hệ thống xử lý khí thải 3.3. Thiết kế chế tạo bộ xúc tác DOC, DPF và SCR Như đã trình bày ở trên, để thuận tiện cho việc chế tạo bộ xúc tác DOC, DPF và SCR, lõi bộ xúc tác DOC, DPF và SCR được làm kích thước giống nhau, hình 3.19 chỉ ra kích thước lõi của bộ xúc tác DOC, DPF và SCR được đặt mua từ Trung Quốc. Sau đây sẽ trình bày quá trình chế tạo vỏ cho bộ xúc tác DOC, DPF và SCR. 3.3.1. Thiết kế, chế tạo vỏ bọc cho bộ xử lý xúc tác 3.3.1.1. Vật liệu đệm lõi xúc tác 3.3.1.2. Thiết kế, chế tạo vỏ bộ xúc tác DOC, DPF và SCR a, Lựa chọn vật liệu vỏ Vỏ của bộ xúc tác phải đảm bảo chịu được nhiệt độ cao và chịu được ăn mòn cũng như ôxy hoa do phải thường xuyên tiếp xúc với khí xả, nhiệt độ của vỏ bộ xúc tác thường dao động trong khoảng từ 200oC đến 600oC, ngoài ra vỏ của bộ xúc tác con chịu rung động mạnh, vì vậy cần vật liệu chịu được nhiệt độ cao, tính đàn hồi tốt. Từ đó thép cacbon là được lựa chọn để chế tạo vỏ của bộ xúc tác, qua tham khảo một số loại thép có trên thị trường [5], NCS đã lựa chọn thép cacbon C45 là thép thông dụng, dễ kiếm, giá thành tương đối rẻ so với các loại thép khác (như thép hợp kim), khi sử dụng vẫn đảm bảo được các chỉ tiêu yêu cầu, để đảm bảo cho thép không bị rỉ thép cacbon C45 được trộn thêm niken cao từ 8% đến 10,5% và crôm ở khoảng 18% đến 20% tính theo trọng lượng. b, Thiết kế vỏ bộ xúc tác DOC, DPF và SCR 3.3.2. Tính toán, thiết kế hệ thống phun urê 3.3.2.1. Thiết kế ống thủy phun muối urê cho bộ xúc tác SCR 3.3.2.2. Tính lượng urê phun theo chế độ làm việc của động cơ 3.3.2.4. Lựa chọn bơm cấp và vòi phun dung dịch muối urê 3.4 Kết luận chƣơng 3 Trong Chương 3 NCS đã tiến hành nghiên cứu mô phỏng tính toán kích sơ bộ kích thuớc bộ xúc tác trên động cơ xe tải nhẹ D4BB. Kết quả tính toán mô phỏng đã lựa chọn ra được kích thước cơ bản của 3 bộ xúc tác DOC, DPF và SCR giống nhau, đường kính 150mm, chiều dài 240mm, mật độ lỗ 400 cell/inch2. Quá trình mô phỏng cho thấy, lượng kim loại quý Pt, Pd được sử dụng trong bộ DOC là 2,1 gam, lượng Zeolite (Fex/n.Al2O3.xSiO2.yH2O, n-hoá trị của kim loại) và V của bộ xúc tác SCR là 280 gam, bộ lọc DPF có khả năng lọc tái sinh với vật liệu sử dụng như bộ DOC. Kết quả mô phỏng cho thấy, phát thải NOx giảm 81,5% và 84,4% ở chế độ định mức và mô men lớn nhất. Trong khi đó, thành phần CO và soot đã được xử lý hiệu quả nhờ bộ xúc tác DOC và PDF. Phát thải CO giảm tương ứng là 83,64 và 82,31%; soot giảm 86,54 và 91,29%. Bộ lọc phát thải dạng hạt có ảnh hưởng tới tính năng kỹ thuật của động cơ, công suất có xu hướng giảm khoảng 4,5% và 3,6% ở chế độ công suất và mô men lớn nhất khi trang bị hệ thống xử lý khí thải.
17. CHƢƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM BỘ XÚC TÁC DOC, DPF VÀ SCR DÙNG CHO ĐỘNG CƠ DIESEL XE TẢI NHẸ D4BB 4.1. Mục đích thử nghiệm Quá trình thử nghiệm động cơ D4BB nhằm các mục đích sau: - Xây dựng được đặc tính vòi phun urê theo áp suất và thời gian mở vòi phun. - Xác định lượng urê tối ưu với các chế độ làm việc của động cơ khi thử nghiệm trên băng thử. - Đánh giá tính kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ nguyên bản và động cơ khi lắp thêm bộ xử lý khí thải DOC, DPF, SCR. - Đánh giá khả năng làm việc ổn định của hệ thống cung cấp urê, đánh giá hiệu quả của các bộ lọc bụi DPF, bộ xúc tác ôxy hóa DOC và bộ xử lý xúc tác SCR. 4.2. Thiết bị thử nghiệm Thử nghiệm được tiến hành trên băng thử động lực học tại Phòng thí nghiệm Động cơ, Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải. Đây là băng thử được cung cấp bởi hãng AVL của Áo. Băng thử có thể thực hiện thử nghiệm cho các động cơ có công suất tới 160 kW, mômen cực đại 400 N.m và tốc độ cực đại 10000 vòng/phút. Với hệ thống điều khiển, hiển thị kết quả và xử lý số liệu tự động hiện đại đảm bảo kết quả thử nghiệm có độ chính xác cao, giao diện điều khiển dễ thao tác vận hành. Thiết bị phân tích khí thải FTIR ngoài việc phân tích các chất thải truyền thống có trong khí xả của động cơ như: NOx, CO, CO2, HC còn có thể phân tích được 22 chất thải phi truyền thống khác như: fomandehit, axetandehit, hydroxyanua, COS, NMH Các thiết bị sử dụng trong quá trình thử nghiệm gồm: Phanh điện Alpha 160, Hệ thống kiểm soát nhiệt độ nước làm mát AVL-553S-200, Thiết bị đo lượng tiêu thụ nhiên liệu AVL PLU 160, Bộ kéo ga tự động THA-100, Thiết bị phân tích khí thải FTIR, Thiết bị đo độ khói AVL 415S. 4.2.4. Động cơ thử nghiệm Động cơ disel D4BB như đã được giới thiệu ở Chương 2 là động cơ 4 xylanh, không tăng áp. Đây là động cơ đã qua sử dụng và hiện đang được lắp trên xe tải của hãng Hyundai đang lưu hành.
18. 4.3. Điều kiện thử nghiệm 4.4. Bố trí, phƣơng pháp và chƣơng trình thử nghiệm 4.4.1. Bố trí lắp đặt và hiệu chỉnh động cơ trên băng thử Động cơ D4BB được lắp đặt trên băng thử với hệ thống nhiên liệu của động cơ cũng như các hệ thống khác được hiệu chỉnh theo các thông số kỹ thuật của nhà sản xuất. Trong đó bơm nhiên liệu và các vòi phun được kiểm tra và cân chỉnh theo đúng các thông số làm việc bình thường của động cơ. Sau khi hoàn thành các công việc lắp đặt và hiệu chỉnh, động cơ được chạy rà nguội ở tốc độ 1000vg/ph, chạy rà nóng ở các chế độ không tải, 50% tải ở tốc độ 1500vg/ph và 75% tải ở tốc độ 1800vg/ph. Thời gian chạy ở mỗi chế độ là 30 phút. Sau khi kết thúc thời gian chạy rà, thực hiện đo đặc tính và mức phát thải của động cơ. Hình 4.10. Động cơ D4BB với các bộ xử lý khí thải lắp trên băng thử 4.4.2. Phương pháp và chương trình thử nghiệm Để đánh giá hiệu quả của bộ xử lý khí thải đối với động cơ diesel, NCS sử dụng phương pháp thử nghiệm đối chứng: Ban đầu thử nghiệm động cơ nguyên bản, sau đó thử nghiệm động cơ khi lắp bộ xử lý DOC+DPF+SCR. Kết quả thử nghiệm về các thông số kinh tế, kỹ thuật và thành phần phát thải sẽ được so sánh giữa các trường hợp với nhau. 4.5. Kết quả thử nghiệm và thảo luận 4.5.1. Xây dựng đặc tính vòi phun urê 4.5.2. Đặc tính nhiệt độ khí thải khi đi qua các bộ xử lý khí thải 4.5.3. Ảnh hưởng lượng phun urê đến phát thải NOx Kết quả thử nghiệm cho thấy, với giá trị NOx nằm trong giới hạn từ NOx nhỏ nhất đến NOx lớn nhất theo đường đặc tính ngoài từ tốc độ 1000 vg/ph đến 2200 vg/ph thì hiệu xuất khử NOx lớn nhất khi thời gian phun urê từ 1300 đến 1400 s. 100% 80% 60% 40% 2200vg/ph_100% tải 20% Hiệu suất khử NOx (%)suất Hiệu 1500vg/ph_100% tải 0% 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 Thời gian phun Urê, t_urê (훍s) Hình 4.13. Hiệu suất khử NOx theo thời gian phun urê ứng với chế độ 100% tải tại tốc độ 1500 vg/ph và 2200 vg/ph
19. 100% 2200vg/ph_50% tải 80% 2200vg/ph_10% tải 60% 40% 20% Hiệu suất khử NOx (%)suất Hiệu 0% 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 Thời gian phun Urê, t_urê (훍s) Hình 4.14. Hiệu suất khử NOx theo thời gian phun urê ứng với chế độ 10% và 50% tải tại tốc độ 2200 vg/ph Tương tự, kết quả thử nghiệm tại tốc độ 2200 vg/ph ứng với 10% và 50% tải được thể hiện trên Hình 4.14 cho thấy lưu lượng phun urê tối ưu lần lượt là 21.88 g/h (thời gian phun 700s) và 73.80 g/h (thời gian phun 1100s). Như vậy, dựa vào kết quả thử nghiệm trên Hình 4.13 và Hình 4.14, NCS đã xây dựng đường đặc tính lượng phun urê (thời gian phun urê) theo nồng độ NOx như trên Hình 4.15. Với đường đặc tính trên Hình 4.15 cho phép NCS có thể nội suy giá trị thời gian phun urê theo nồng độ NOx tại các chế độ khác nhau khi thử nghiệm động cơ. Do điều kiện thí nghiệm và thời gian thí nghiệm hạn chế nên NCS chỉ dựa trên kết quả đặc tính vòi phun tại một số điểm làm cơ sở để xác định lượng urê khi thử nghiệm theo đường đặc tính tải tại và đặc tính tốc độ của động cơ D4BB. 120 1500 ) s 100 1300 훍 80 1100 60 900 40 700 G_urê t_urê 20 500 Lƣợngphunurê, G_urê (g/h) Thời gianThời phun urê, t_urê ( 0 300 200 400 600 800 1000 1200 1400 Nồng độ NOx (ppm) Hình 4.15. Đặc tính phun urê theo nồng độ NOx 4.5.4. Đánh giá tính năng kinh tế và kỹ thuật của động cơ trước và sau khi lắp các bộ xử lý khí thải Kết quả trên Hình 4.16 và kết quả trong Bảng PL.3.1 của Phụ lục 3 thể hiện sự thay đổi giá trị công suất và suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ trước và sau khi lắp bộ xử lý tại 100% tải. Kết quả cho thấy công suất của động cơ trung bình trên toàn dải tốc độ thử nghiệm của động cơ lắp bộ xử lý khí thải giảm so với động cơ nguyên bản. Trong đó công suất trung bình trên toàn dải tốc độ giảm 4.50% khi động cơ lắp bộ xử
20. lý khí thải DOC+DPF+SCR. Đồng thời kết quả trên Hình 4.16 cũng thể hiện, suất tiêu thụ nhiên liệu trung bình trên toàn dải tốc độ của động cơ tăng 4.57% khi lắp các bộ xử lý khí thải. 40 310 35 300 30 290 25 280 20 270 (g/kWW.h) 15 260 Công suất, Ne (kW) suất, Ne Công 10 Ne_NB Ne_XLKT 250 liệu, nhiên ge thụtiêu Suất ge_NB ge_XLKT 5 240 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 Tốc độ, n (vg/ph) Hình 4.16. Công suất và suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ trước và sau khi lắp bộ xử lý khí thải DOC, DPF và SCR 4.5.5. Đánh giá chất lượng phát thải của động cơ khi lắp các bộ xử lý khí thải 4.5.5.1. Ảnh hưởng của bộ xử lý đến phát thải NOx 1400 1200 1000 800 NOx_NB 600 NOx_XLKT 400 Phát thải NOx (ppm) NOx thải Phát 200 0 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 Tốc độ n (vg/ph) Hình 4.17. Phát thải NOx theo đường đặc tính ngoài Kết quả trên Hình 4.17 đến Hình 4.19 và kết quả trong Bảng PL.3.3 của Phụ lục 3, Bảng PL.4.3 và Bảng PL.4.4 của Phụ lục 4 thể hiện phát thải NOx giảm đáng kể khi động cơ lắp thêm bộ DOC, DPF và SCR. Giá trị NOx trung bình theo đường đặc tính ngoài và các đường đặc tính tải giảm lần lượt là 81.99%, 62.58% (1500 vg/ph) và 65.53% (2200 vg/ph) so với động cơ nguyên bản. Điều này chứng tỏ hiệu suất chuyển đổi của bộ SCR tương đối tốt ở các chế độ làm việc khác nhau của động cơ.
21. 1200 1400 NOx_NB NOx_NB 1000 1200 NOx_XL NOx_XLK 800 KT 1000 T 800 600 600 400 400 Phát thải NOx (ppm) Phát 200 (ppm) NOx thải Phát 200 0 0 10 30 50 70 90 110 130 150 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Mômen Me (Nm) Mômen Me (Nm) Hình 4.18. Phát thải NOx theo đường đặc tính tải tại tốc độ 1500 và 2200 vg/ph 4.5.5.2. Ảnh hưởng của bộ xử lý đến phát thải độ khói Kết quả trên Hình 4.20 đến Hình 4.22 và kết quả trong Bảng PL.3.3 của Phụ lục 3, Bảng PL.4.3 và Bảng PL.4.4 của Phụ lục 4 thể hiện phát thải độ khói của động cơ. Khi động cơ lắp bộ DOC, DPF và SCR thì độ khói trung bình theo đường đặc tính ngoài và theo hai đường đặc tính tải giảm lần lượt là 82.65%, 72.55% (1500 vg/ph) và 77.08% (2200vg/ph) so với động cơ nguyên bản. Điều này chứng tỏ khả năng lọc muội than của bộ DPF tương đối tốt khi thử nghiệm ở các chế độ làm việc khác nhau của động cơ Như vậy khi kết hợp bộ xử lý xúc tác SCR, bộ xúc tác ôxy hóa DOC và bộ lọc DPF thì nồng độ phát thải NOx và phát thải độ khói giảm một lượng đáng kể so với động cơ nguyên bản. 7 6 Smoke_NB 5 Smoke_XLKT 4 3 2 Phát thải Smoke (FSN) Smoke thải Phát 1 0 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 Tốc độ n (vg/ph) Hình 4.20. Phát thải độ khói theo đường đặc tính ngoài
22. 4.5 2.5 4.0 Smoke_N Smoke_NB B 2.0 3.5 Smoke_XL Smoke_XL 3.0 KT KT 2.5 1.5 2.0 1.0 1.5 1.0 0.5 Phát thải Smoke thải Smoke (FSN) Phát 0.5 thải Smoke (FSN) Phát 0.0 0.0 10 30 50 70 90 110 130 150 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Mômen Me (Nm) Mômen Me (Nm) Hình 4.21. Phát thải độ khói theo đường đặc tính tải tại tốc độ 1500 và 220 vg/ph 4.5.5.3. Ảnh hưởng của bộ xử lý đến phát thải CO và HC Dưới tác dụng của bộ xúc tác ôxy hóa DOC và ảnh hưởng từ bộ DPF và SCR đã làm giảm đáng kể phát thải CO và HC so với động cơ nguyên bản trên toàn bộ các chế độ thử nghiệm. Giá trị CO, HC trung bình theo đường đặc tính ngoài giảm tương ứng là 78.61% và 81.57% so với động cơ nguyên bản. Kết quả thử nghiệm được thể hiện trên Hình 4.23, Hình 4.24 và kết quả trong Bảng PL.3.2 của Phụ lục 3. 4000 200 HC_NB 3500 CO_NB 160 3000 CO_XLK HC_XL T KT 2500 120 2000 1500 80 1000 Phát thảiPhát HC (ppm) Phát thải CO (ppm) Phát 40 500 0 0 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 Tốc độ n (vg/ph) Tốc độ n (vg/ph) Hình 4.23. Phát thải CO và HC theo đường đặc tính ngoài Kết quả thử nghiệm trên các Hình 4.25 đến 4.28 và kết quả trong Bảng PL.4.1 và PL.4.2 trong Phụ lục 4 thể hiện kết quả thử nghiệm theo đường đặc tính tải tại tốc độ 1500 vg/ph và 2200 vg/ph. Trong đó phát thải CO trung bình khi động cơ sử dụng bộ DOC+DPF+SCR giảm lần lượt là 64.73% và 67.65%, phát thải HC giảm lần lượt là 67.82% và 70.62% so với động cơ nguyên bản.
23. 2400 1200 CO_NB 2000 1000 CO_NB CO_XL CO_XLKT 1600 KT 800 1200 600 800 400 Phát thải CO (ppm) Phát 400 thải CO (ppm) Phát 200 0 0 10 30 50 70 90 110 130 150 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Mômen Me (Nm) Mômen Me (Nm) Hình 4.25. Phát thải CO theo đường đặc tính tải tại tốc độ 1500 và 2200 vg/ph 140 120 120 100 100 HC_NB 80 80 HC_XL 60 HC_NB 60 KT HC_XLKT 40 40 Phát thải HC (ppm) Phát 20 thải HC (ppm) Phát 20 0 0 10 30 50 70 90 110 130 150 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Mômen Me (Nm) Mômen Me (Nm) Hình 4.27. Phát thải HC theo đường đặc tính tải tại tốc độ 1500 và 2200 vg/ph 4.6. Đánh giá kết quả mô phỏng và thực nghiệm khi áp dụng các giải pháp xử lý khí thải Khi kết hợp bộ xúc tác ôxy hóa DOC, bộ lọc DPF và bộ xúc tác SCR trên động cơ D4BB khi mô phỏng trên phầm mềm AVL-Boost và thực nghiệm cho kết quả sai lệch nhau không nhiều về công suất và suất tiêu thụ nhiên liệu. Theo kết quả trong bảng 4.1 khi so sánh ở chế độ tốc độ 2200 vg/ph, 100% tải cho thấy công suất của động cơ sai lệch 4,61%, suất tiêu thụ nhiên liệu sai lệch 4.24%, phát thải NOx sai lệch 2.30%, phát thải CO sai lệch 4.95%, phát thải Soot (bồ hóng) sai lệch 4.76%. Kết luận chƣơng 4 Quá trình nghiên cứu thực nghiệm đã xây dựng được đặc tính lưu lượng phun urê theo nồng độ NOx của động cơ D4BB với mục tiêu là hiệu suất khử NOx là lớn nhất. Khi sử dụng kết hợp các biện pháp giảm phát thải DOC + DPF + SCR thì các thành phần độc hại chính giảm đáng kể: phát thải NOx tính theo đường đặc tính ngoài giảm tới 81.99% so với động cơ nguyên bản; phát thải độ khói cũng giảm tới 82.65%; phát thải CO và HC lần lượt giảm 78.61% và 81.57%. Đồng thời, công suất và suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ khi lắp các bộ xử lý khí thải thay đổi không đáng kể so với động cơ nguyên bản, công suất trung bình theo đường đặc tính ngoài giảm 4.50% và suất tiêu thụ nhiên liệu trung bình tăng 4.57%.
24. Kết quả thử nghiệm theo đường đặc tính tải tại tốc độ 1500 vg/ph cho thấy, phát thải NOx giảm 62.58%, phát thải độ khói giảm 72.55%, phát thải CO giảm 64.73% và phát thải HC giảm 67.82% khi sử dụng các biện pháp giảm phát thải DOC + DPF + SCR so với động cơ nguyên bản. Tương tự, kết quả thử nghiệm theo đường đặc tính tải tại tốc độ 2200 vg/ph khi sử dụng bộ xử lý khí thải cho thấy, phát thải NOx giảm 65.53%, phát thải độ khói giảm 77.08%, phát thải CO giảm 67.65% và phát thải HC giảm 70.62% so với động cơ nguyên bản. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận Luận án đã đánh giá hiện trạng ô nhiễm không khí tại Việt Nam trong những năm gần đây, đánh giá ảnh hưởng của phát thải của các phương tiện đến chất lượng không khí, đưa ra các giải pháp để cắt giảm các thành phần độc hại của động cơ diesel nói chung và động cơ diesel xe tải nhẹ nói riêng. Nghiên cứu đã mô phỏng tính được kích thuớc sơ bộ của các bộ xúc tác trên động cơ xe tải nhẹ D4BB. Kết quả tính toán mô phỏng đã lựa chọn ra được kích thước cơ bản của 3 bộ xúc tác DOC, DPF và SCR lần lượt là đường kính 150mm, chiều dài 240mm và mật độ lỗ 400 cell/inch2, lượng kim loại quý Pt, Pd được sử dụng trong bộ DOC là 2,1 gam, lượng Zeolite và V của bộ xúc tác SCR là 280 gam. Luận án cũng đã thiết kế và chế tạo thành công vỏ bộ xúc tác, lắp đặt thành công các bộ xúc tác DOC, DPF và SCR trên động cơ, tính toán, thiết kế và chế tạo mạch điều khiển phun urê được lượng urê cung cấp cho động cơ phụ thuộc lưu lượng và nồng độ NOx có trong khí thải. Kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng, phát thải NOx tính theo đường đặc tính ngoài giảm tới 81.99% so với động cơ nguyên bản; phát thải độ khói cũng giảm tới 82.65%; phát thải CO và HC lần lượt giảm 78.61% và 81.57%. Đồng thời, công suất và suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ khi lắp các bộ xử lý khí thải thay đổi không đáng kể so với động cơ nguyên bản, công suất trung bình theo đường đặc tính ngoài giảm 4.50% và suất tiêu thụ nhiên liệu trung bình tăng 4.57%. Kết quả thử nghiệm theo đường đặc tính tải tại tốc độ 1500 vg/ph cho thấy, phát thải NOx giảm 62.58%, phát thải độ khói giảm 72.55%, phát thải CO giảm 64.73% và phát thải HC giảm 67.82% khi sử dụng các biện pháp giảm phát thải DOC + DPF + SCR so với động cơ nguyên bản. Tương tự, kết quả thử nghiệm theo đường đặc tính tải tại tốc độ 2200 vg/ph khi sử dụng bộ xử lý khí thải cho thấy, phát thải NOx giảm 65.53%, phát thải độ khói giảm 77.08%, phát thải CO giảm 67.65% và phát thải HC giảm 70.62% so với động cơ nguyên bản. Hướng phát triển Trên cơ sở những vấn đề đã giải quyết được trong nội dung của đề tài, NCS đưa ra một số hướng phát triển của đề tài như sau: - Trang bị cảm biến NOx, xây dựng dữ liệu phun urê cho ECU của động cơ xe diesel xe tải nhẹ, tối ứu hóa phun urê (phát thải NH3). - Nghiên cứu chế tạo lõi xúc tác để làm chủ hoàn toàn công nghệ xử lý khí thải trên động cơ diesel. - Lắp động cơ lên xe tải nhẹ thực hiện chạy trên hiện trường và chạy bền bộ xúc tác. - Nghiên cứu phát triển và chuyển giao hệ thống xử lý khí thải lên động cơ diesel xe tải nhẹ cho các doanh nghiệp sản xuất và lắp ráp động cơ ở Việt Nam.