Nghiên cứu giảm phát thải độc hại của xe máy bằng phương pháp sấy nóng bộ xử lý khí thải

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu giảm phát thải độc hại của xe máy bằng phương pháp sấy nóng bộ xử lý khí thải

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN KIM KỲ NGHIÊN CỨU GIẢM PHÁT THẢI ĐỘC HẠI CỦA XE MÁY BẰNG PHƯƠNG PHÁP SẤY NÓNG BỘ XỬ LÝ KHÍ THẢI Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 9520116 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Hà Nội – 2021
2. Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Hoàng Đình Long Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi giờ, ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
3. MỞ ĐẦU Hiện nay, trên thế giới đã áp dụng nhiều biện pháp giảm các thành phần độc hại của phương tiện giao thông như. Tuy nhiên, biện pháp này chưa được áp dụng nhiều trên các xe máy sản xuất ở Việt Nam do hiệu quả giảm phát thải chưa cao. Hiệu quả xử lý của BXT bị ảnh hưởng rất lớn bởi nhiệt độ làm việc của BXT. Bộ xúc tác hầu như không làm việc hoặc làm việc với hiệu quả rất thấp khi nhiệt độ của nó thấp hơn khoảng nhiệt độ 250÷300oC. Do đó, trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy, nhiệt độ khí thải còn thấp, BXT chưa được sấy nóng đáng kể nên hiệu quả xử lý khí thải trong giai đoạn này là không đáng kể. Vì vậy việc giảm phát thải trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy sẽ giúp giảm phát thải chung trong quá trình vận hành của xe Sấy nóng nhanh BXT là biện pháp hữu hiệu để rút ngắn thời gian chậm hoạt động của BXT trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy từ đó giảm phát thải ô nhiễm trong giai đoạn này. Chính vì vậy, việc chọn và thực hiện đề tài “Nghiên cứu giảm phát thải độc hại của xe máy bằng phương pháp sấy nóng bộ xử lý khí thải” là rất cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn cao. i. Mục đích nghiên cứu của đề tài Đưa ra được giải pháp sấy nóng nhanh BXT xe máy ở chế độ khởi động lạnh và chạy ấm máy để tăng hiệu quả xử lý khí thải của BXT để giảm phát thải độc hại của xe máy. ii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Động cơ lắp trên xe máy Honda Lead 110. - Việc nghiên cứu và thực nghiệm được thực hiện tại Trung tâm nghiên cứu đốt trong, Viện Cơ khí động lực, Trường đại học Bách khoa Hà Nội. iii. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu đặc điểm hình thành phát thải độc hại của động cơ xe máy trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy. - Nghiên cứu đặc điểm phân bố nhiệt độ khí thải trên đường ống thải. - Nghiên cứu đặc điểm quá trình phản ứng xúc tác trung hòa khí thải của BXT. 1
4. - Nghiên cứu đặc điểm làm việc của mạch nung cao tần. - Đánh giá hiệu quả xử lý các thành phần độc hại của xe máy có trang bị BXT được sấy nóng bằng dòng điện cao tần ở chế độ khởi động lạnh và chạy ấm máy với các chiến lược sấy nóng khác nhau. iv. Phương pháp nghiên cứu Kết hợp lý thuyết mô hình hóa với thực nghiệm - Nghiên cứu lý thuyết: Xây dựng mô hình tính toán phát thải và xử lý khí thải từ đó tìm ra giải pháp nâng cao hiệu quả xử lý khí thải - Nghiên cứu thực nghiệm: Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm nhằm đánh giá độ tin cậy của mô hình mô phỏng và hiệu quả của giải pháp đã đưa ra. v. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn Đưa ra giải pháp công nghệ thích hợp để sấy nóng nhanh BXT khí thải xe máy ở chế độ khởi động lạnh và chạy ấm máy để tăng hiệu quả xử lý của BXT, giảm phát thải của xe máy. Góp phần giảm ô nhiễm môi trường ở các thành phố lớn có mật độ xe máy cao. vi. Các nội dung chính của đề tài - Mở đầu - Chương 1. Nghiên cứu tổng quan - Chương 2. Tính toán mô phỏng nhiệt động học và phát thải động cơ xe máy - Chương 3. Tính toán mô phỏng hệ thống thải có trang bị BXT được sấy nóng bằng dòng cao tần - Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm Kết luận và hướng phát triển 2
5. CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Vấn đề phát thải độc hại của xe máy 1.1.1 Các thành phần phát thải độc hại của xe máy Khí thải động cơ đốt trong luôn có chứa một hàm lượng đáng kể những chất độc hại như oxit nitơ (NO, NO2, N2O, gọi chung là NOx), carbon monoxit (CO), các hydrocarbon chưa cháy (HC) 1.1.2 Đặc điểm phát thải trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy Hàm lượng phát thải CO và HC trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy, lớn hơn rất nhiều so với khởi động nóng và chạy ổn định. 1.1.3 Hàm lượng phát thải của xe máy theo chu trình thử Nghiên cứu của Yung-Chen Yao và các cộng sự [3] nghiên cứu phát thải theo chu trình thử với 2 trường hợp khải động lạnh và khởi động nóng. Nghiên cứu cho thấy phát thải CO và HC của động cơ theo chu trình thử khởi động lạnh là lớn hơn nhiều khi khởi động nóng. 1.2 Các phương pháp kiểm soát phát thải của xe máy 1.2.1 Kiểm soát phát thải từ bên trong động cơ 1.2.2 Xử lý khí thải 1.2.2.1 Đốt cháy CO và HC trên đường thải Một số mẫu xe mới của hãng Yamaha có trang bị hệ thống cấp khí vào cửa xả để lợi dụng nhiệt độ cao của cửa thải ô xy hóa phần CO và HC chưa cháy hết trong khí thải. 1.2.2.2 Trang bị BXT xử lý khí thải Ahmed Hassaneen và Ibrahim Lotfy [11] đã chỉ ra rằng với điều kiện nhiệt độ BXT đạt trên 300 oC và tỉ lệ không khí nhiên liệu từ 14, 6-14, 8 thì BXT 2 thành phần có hiệu quả cao trong việc xử lý CO và HC tuy nhiên còn thành phần NOx vẫn chưa được xử lý. BXT 3 thành phần có thể chuyển hóa 95% lượng khí thải CO, o HC và NOx khi chúng được làm ấm hoàn toàn (nhiệt độ trên 350 C). BXT thường sử dụng platin và rhodi (Pt-Rh) làm vật liệu xúc tác hoạt tính và ceria (CeO2) để cung cấp khả năng lưu trữ oxy. Việc loại bỏ CO và HC đòi hỏi một môi trường oxy hóa, trong khi loại bỏ NOx cần một môi trường khử [12]. 3
6. 1.3 Công nghệ tăng hiệu quả BXT trong quá trình khởi động lạnh 1.3.1 Đốt cháy CO, HC trong ống thải Việc đốt cháy khí thải CO và HC trong hệ thống xả để vừa giảm trực tiếp lượng khí thải khởi động lạnh đồng thời quá trình đốt cháy CO và HC sinh ra nhiệt năng, đẩy nhanh quá trình gia nhiệt BXT để BXT nhanh đạt tới nhiệt độ làm việc. 1.3.1.1 Phun khí thứ cấp Tận dụng lợi thế của nhiệt độ cao tại cửa xả, người ta thúc đẩy quá trình oxy hóa HC hơn nữa bằng cách cung cấp một lượng không khí thứ cấp vào ống xả. Nhiệt lượng tỏa ra từ quá trình đốt cháy CO và HC sẽ giúp thúc đẩy nhanh chóng sấy nóng BXT đạt tới nhiệt độ làm việc [17] [18]. 1.3.1.2 Đánh lửa khí thải (EGI) Trong 6 giây đầu tiên kể từ khi bắt đầu khởi động, việc phun nhiên liệu vào động cơ được hiệu chỉnh để tạo ra hỗn hợp đậm với tỉ lệ không khí nhiên liệu vào khoảng 9:1. Không khí thứ cấp được thêm vào thông qua máy bơm không khí thứ cấp. Đây là một hỗn hợp dễ cháy được đánh lửa bằng bugi trong buồng đốt. Sự tỏa nhiệt từ quá trình đốt cháy này làm tăng nhiệt độ vài mm phía trước của BXT và sấy nóng mạnh mẽ phía sau của BXT. 1.3.2 Cải tiến thiết kế BXT Giảm độ dày của lớp đệm và sử dụng gốm nhẹ làm lớp đệm [22] [23], không chỉ có thể rút ngắn quá trình làm ấm mà còn tăng diện tích mặt trước và diện tích bề mặt hình học trên một đơn vị thể tích. Việc sử dụng Pd cùng với các vật liệu xúc tác truyền thống Pt, Rh có thể mang lại hiệu quả trong việc giảm nhiệt độ làm việc của BXT từ đó rút ngắn thời gian BXT không hoạt động. 1.3.3 Tăng cường sấy nóng BXT bằng năng lượng khí thải 1.3.3.1 Quản lý nhiệt đường ống thải. Sử dụng ống thải với vật liệu có hệ số truyền nhiệt thấp [31], sử dụng ống thải với cấu tạo hai lớp, giữa 2 lớp có khe hở không khí hoặc lớp cách nhiệt [32- 36]. Lắp đặt BXT gần với cửa thải cũng là phương án tốt để tận dụng năng lượng khí thải cao sấy nóng BXT nhanh đạt tới nhiệt độ làm việc [32,37÷40]. 4
7. 1.3.3.2 Điều khiển đánh lửa muộn Theo Nghiên cứu của Chan và cộng sự [42], với các chiến lược điều khiển đánh lửa muộn thích hợp, thời gian không hoạt động của BXT được rút ngắn xuống còn 30 giây từ 280 giây. 1.3.4 Sấy nóng BXT bằng nguồn nhiệt bên ngoài 1.3.4.1 Sử dụng buồng đốt bên ngoài 1.3.4.2 Sấy nóng BXT bằng năng lượng điện (EHC) Sấy nóng BXT bằng năng lượng điện sử dụng nhiệt điện trở Khi động cơ khởi động lạnh có dòng điện từ ắc quy chạy qua các trở nhiệt. Tại đây, năng lượng điện năng được chuyển thành năng lượng nhiệt năng đốt nóng các trở nhiệt, sấy nóng dòng khí thải chảy qua nó. BXT sẽ được sấy nóng nhờ khí thả có nhiệt độ cao. Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý sấy nóng bộ xúc bằng năng lượng điện sử dụng nhiệt điện trở 1.4 Sấy nóng BXT bằng dòng điện cao tần 1.4.1. Cơ sở lý thuyết của lò nung kim loại bằng điện (lò điện) Lò điện dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ. Khi đặt một khối kim loại có từ tính vào trong một từ trường biến thiên thì trong khối kim loại sẽ xuất hiện (cảm ứng) các dòng điện xoáy (dòng Foucault). Nhiệt năng của dòng điện xoáy sẽ đốt nóng khối kim loại. 5
8. 1.4.2 Sấy nóng BXT bằng dòng điện cao tần Hình 1.2 Sơ đồ ống thải lắp BXT 1- Acquy 12V; 2- Mạch biến tần; 3- Các vòng dây cảm ứng; 4- BXT; 5- Ống thải Hình 1.9 thể hiện sơ đồ bố trí BXT trên ống thải xe máy và hệ thống sấy nóng bằng năng lượng điện cao tần. Dòng điện 1 chiều từ acquy 1 được biến đổi thành dòng điện xoay chiều tần số cao nhờ mạch biến tần 2 rồi đi qua các vòng dây quấn quanh lõi BXT có kết cấu kiểu lá thép phủ chất xúc tác. Từ trường cao tần sẽ tạo trên các lá thép dòng điện cảm ứng nhờ tác dụng của từ thông biến thiên. Dòng điện này sẽ đốt nóng trực tiếp các lá thép nên quá trình đốt nóng rất nhanh do nhiệt sinh ra trực tiếp trên các lá thép. 1.5 Kết luận chương 1 Hiệu quả xử lý của BXT bị ảnh hưởng rất lớn bởi nhiệt độ làm việc của nó. Trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy của động cơ, BXT chưa được sấy đến nhiệt độ làm việc hiệu quả nên hàm lượng phát thải ở giai đoạn này là rất lớn. Sấy nóng nhanh BXT trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy là biện pháp hữu hiệu để tăng hiệu quả của BXT để giảm phát thải trong giai đoạn này. Phương pháp đốt nóng trực tiếp BXT xe máy bằng dòng điện cao tần có tiềm năng lớn trong việc giảm phát thải trong giai đoạn khởi động lạnh, góp phần giảm phát thải chung của xe. Do đó, luận án sẽ nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp sấy nóng này đến hiệu quả chuyển đổi của BXT trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy để đưa ra chiến lược sấy nóng phù hợp. 6
9. CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG NHIỆT ĐỘNG HỌC VÀ PHÁT THẢI ĐỘNG CƠ XE MÁY 2.1 Giới thiệu Hình 2.1: Sơ đồ bố trí động cơ - ống xả - hệ thống xúc tác Động cơ mô phỏng là động cơ eSP 110 lắp trên xe Honda Lead. Quá trình mô phỏng được thực hiện với 4 chế độ hoạt động của động cơ bao gồm: - Chế độ không tải chuẩn 1730 v/p. - Chế độ không tải nhanh 2500 v/p. - Chế độ 10% tải 2500 v/p. - Chế độ toàn tải. 2.2. Mô tả mô hình Mô hình được phát triển dựa trên mô hình hai vùng của Ferguson [52] và được mở rộng để tính đến nhiều vùng khí đốt. Qout Nắp máy Van hằng nhiệt Qhead Qex h Qout Qliner Qfriction Qout Qpiston Pisto xylanh Qrings n Két làm Qskirt mát Qoil Qco n Bơm Bình chứa dầu, trục Qout nước Bơm khuỷu và thanh truyền dầu Hình 2.2 Sơ đồ truyền nhiệt trong động cơ 7
10. 2.2.2 Mô hình hóa sự phát thải ôxit nitơ từ động cơ Tốc độ hình thành [NO] được tính từ công thức: d[NO] 1 [NO]2 (K[O ][N ]) 2k [O][N ] 2 2 dt 1 2 1 k [NO] (k [O ] k [OH ]) 1 2 2 3 (2.73) 2.2.3 Mô hình tính toán phát thải HC của động cơ 2.2.3.1 Nguồn HC ban đầu a. Nguồn HC từ hỗn hợp không khí - nhiên liệu: Lượng HC không cháy có thể được tính theo công thức sau: P V M PV M cre cre gas cre gas Vcre (2.74) mgas crevice RTcre QTw vgas (P,Tw ) b. Nguồn HC từ nhiên liệu: 2.2.3.2 Sự ôxy hoá HC phía sau màng lửa Tốc độ ôxy hoá HC được thực hiện theo phương trình sau: d HC a b E (2.85) CR AHC O2  exp dt RT 2.2.4 Mô hình tính toán phát thải CO của động cơ Tốc độ phản ứng oxy được tính theo công thức: d[CO] k[CO][OH] (2.87) dt 2.3 Kết quả mô phỏng 2.3.1. Áp suất và nhiệt độ khí thể trong xylanh. 2.3.2. Nhiệt độ, lưu lượng và năng lượng dòng khí thải b a Hình 2.2 Nhiệt độ, lưu lượng và năng lượng khí thải tại cửa thải động cơ. a. Chế độ không tải chuẩn b. Chế độ không tải nhanh c. Chế độ 10% tải 2500v/p c 8
11. Nhiệt độ, lưu lượng và năng lượng khí thải tăng nhanh ở chế độ khởi động sau đó tăng dần đến lưu lượng ổn định khi động cơ đạt trạng thái ổn định. a b c Hình 2.3 Nhiệt độ, lưu lượng và năng lượng khí thải tại cửa thải động cơ ở chế độ khác nhau a. Nhiệt độ khí thải; b. Lưu lượng khí thải; c.Năng lượng khí thải Ở chế độ không tải và tải nhỏ, năng lượng dòng khí thải là rất nhỏ, không đủ để sấy nóng nhanh BXT đến nhiệt độ làm việc trong giai đoạn khởi động lạnh. 2.3.4 Nồng độ phát thải CO, HC và NO a b Hình 2.4 Hàm lượng phát thải CO, HC, NOx của động cơ. a. Chế độ không tải chuẩn b. Chế độ không tải nhanh c. Chế độ 10% tải 2500v/p c 9
12. Trong 50 giây đầu tiên từ khi bắt đầu khởi động lạnh, hàm lượng phát thải các chất độc hại là rất lớn. Cần có biện pháp nhằm xử lý các thành phần này trước khi thải ra ngoài môi trường. a b c Hình 2.5 Hàm lượng phát thải CO, HC, NO của động cơ ở các chế độ ổn định a. Phát thải CO; b. Phát thải HC; c. Phát thải NO Ở chế độ không tải, hỗn hợp thường được điều chỉnh đậm do đó phát thải CO, HC thường cao, nhiệt độ khí cháy thấp nên hàm lượng NO nhỏ. Ở chế độ toàn tải do hỗn hợp được điều khiển đậm để phát huy hết công suất nên phát thải CO lớn. Lúc này nhiệt độ khí thể cao, thuận lọi cho phản ứng hình thành NO do đó hàm lượng NO lớn. 2.4 Kết luận Mô hình nhiệt động học đa vùng được phát triển dựa trên mô hình không chiều hai vùng của Ferguson [54] với những nghiên cứu chi tiết về truyền nhiệt và phát thải, v.v Mô hình mô phỏng đã tính toán được được năng lượng và nồng độ các thành phần phát thải của khí thải tại cửa thải ở chế độ khởi động lạnh. Nhiệt độ và năng lượng nhiệt của khí thải ở các chế độ không tải và 10% tải là khá nhỏ dẫn tới hiệu quả sấy nóng BXT bằng năng lượng nhiệt khí thải là không cao trong quá trình khởi động lạnh. Trong 50 giây đầu tiên của quá trình khởi động lạnh và chạy ấm máy, phát thải là rất lớn, cần có biện pháp nhằm nâng cao hiệu quả xử lý ở giai đoạn này nhằm giảm phát thải ở chế độ khởi động lạnh từ đó giảm phát thải chung cho động cơ 10
13. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG HỆ THỐNG THẢI CÓ TRANG BỊ BXT ĐƯỢC SẤY NÓNG BẰNG DÒNG CAO TẦN 3.1 Giới thiệu Hình 3.1 Sơ đồ bố trí BXT trên đường thải của xe máy 3.2 Mô hình truyền nhiệt của hệ thống thải 3.2.1 Truyền nhiệt trong ống thải Hình 3.2 Sơ đồ truyền nhiệt trên đường ống thải Phương trình năng lượng cho dòng khí thải có dạng sau: T T q g u g gp (3.1) t x g cgpV1 3.2.2 Truyền nhiệt từ bề mặt ống thải tới môi trường 3.2.2.1 Truyền nhiệt từ bề mặt ống thải tới môi trường do quá trình đối lưu qcva hcva. .d2. x.(Tp Ta ) (3.15) 3.2.2.2 Truyền nhiệt từ bề mặt ống thải tới môi trường do quá trình bức xạ q  . .d (T 4 T 4 ). x rda r 2 p a (3.20) 3.3 Tính toán sấy nóng BXT bằng dòng điện cao tần Công suất tối thiểu của mạch sấy nóng cao tần là: 11
14. 푄푠ấ 9243 푠ấ = = = 385 푤 푡.ɳ 30.0,8 Qua quá trình thực nghiệm thấy rằng, sử dụng mạch sấy nóng với công suất 400 w vẫn đảm bảo khả năng làm việc của ắc quy. 3.4 Mô hình trung hòa khí thải trong BXT có sấy nóng bằng dòng điện cao tần 3.4.1 Giới thiệu 3.4.2 Mô tả mô hình 3.4.2.1 Các phản ứng hóa học 3.4.2.2 Biểu thức động học phản ứng Các biểu thức động học phản ứng được lấy từ nghiên cứu của Voltz [76] và Sabramanlam [79]. 3.4.2.3 Cơ sở chuyển đổi xúc tác Qs Qcond ấy Q’cond Qg-in Dòng Qcv Qg-out khí Qcond x Q reac en x Hình 3.3 Mô hình truyền nhiệt trong lỗ tổ ong Q-dòng nhiệt, x- phân tố chiều dài lõi BXT 3.4.2.4 Tương quan giữa trao đổi nhiệt và trao đổi chất. 3.4.2.5 Phương pháp giải mô hình Hệ phương trình được mô tả ở trên bao gồm 6 phương trình và 6 điều kiện biên để giải cho 6 ẩn số là c gv , Cw , T g, T s, C gj và C sj (j=1, 6). Phương pháp sai phân hữu hạn được áp dụng để giải các phương trình này. 3.5 Kết quả mô phỏng Việc tính toán các thông số như nhiệt độ khí thải, bộ xúc tác và hàm lượng các chất phát thải cũng như hiệu quả xử lý của BXT theo các mô hình toán mô tả ở trên được thực hiện bằng phương pháp phần tử hữu hạn và được giải trên ngôn ngữ lập trình FORTRAN 12
15. 3.5.1 Nhiệt độ khí thải và BXT Hình 3.4 Phân bố nhiệt độ khí thải trên đường thải ở các chế độ làm việc ổn định Từ hình 3.4 ta có thể thấy, lựa chọn vị trí lắp BXT cách cửa thải 400 mm. Vị trí này vừa đảm bảo năng lượng khí thải ở chế độ không tải và tải nhỏ không quá nhỏ có thể sấy nóng BXT, vừa đảm bảo nhiệt độ khí thải ở chế độ toàn tải không quá lớn (923K). a b c d Hình 3.5 Nhiệt độ khí thải đầu vào và nhiệt độ BXT trong giai đoạn khởi động lạnh Qua đồ thị hình 3.5 ta cũng nhận thấy rằng 5 phút sau khởi động lạnh, ở chế độ 10% tải nhiệt độ BXT đạt tới nhiệt độ làm việc 13
16. hiệu quả (3500C) còn ở chế độ không tải BXT không đạt đươc nhiệt độ làm việc hiệu quả này. a b Hình 3.6 Nhiệt độ lõi BXT ở chế độ không tải chuẩn với các chiến lược sấy nóng khác nhau a b Hình 3.7 Nhiệt độ lõi BXT ở chế độ không tải nhanh với các chiến lược sấy nóng khác nhau a b Hình 3.8 Nhiệt độ lõi BXT ở chế độ 10% tải với các chiến lược sấy nóng khác nhau Với chiến lược sấy 400W sấy 30 giây mặc dù nhiệt độ lõi BXT chưa đạt được nhiệt độ làm việc hiệu quả ở các chế độ không tải, tuy nhiên ở chế độ 10% tải nhiệt độ lõi BXT đạt được nhiệt độ làm việc hiệu quả sau 25 giây khởi động lạnh. 3.5.2 Hàm lượng các chất độc hại phía trước và sau BXT 14
17. Hình 3.12 Hàm lượng các chất Hình 3.14 Hàm lượng các chất độc hại trong khí thải phía độc hại trong khí thải phía trước và sau BXT ở chế độ trước và sau BXT ở chế độ không tải chuẩn không tải chuẩn b a Hình 3.9 So sánh hàm lượng phát thải CO, HC và NOx ở chế độ làm việc ổn định a. Phát thải CO ở chế độ ổn định b. Phát thải HC ở chế độ ổn định c. Phát thải NO ở chế độ ổn định c Hàm lượng phát thải độc hại trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy không tải là khá lớn. Hình 3.10 Hàm lượng các chất Hình 3.11 Hàm lượng các chất độc hại trong khí thải phía trước độc hại trong khí thải phía trước và sau BXT ở chế độ không tải và sau BXT ở chế độ 10% tải chuẩn sấy 400W, 30 giây sấy 400W, 30 giây 15
18. 3.5.2 Hiệu quả xử lý của BXT a b Hình 3.12 Hiệu quả xử lý của BXT khi chưa được sấy nóng bổ sung a. Chế độ không tải chuẩn b. Chế độ không tải nhanh c. Chế độ 10% tải c Hình 3.13 Hiệu quả trung hòa khí thải ở chế độ ổn định Hiệu quả xử lý của BXT là khá cao ở các chế độ ổn định. Tuy nhiên, ở 50 giây đầu tiên của quá trình khởi động lạnh nhiệt độ BXT quá thấp, bộ xúc tác hầu như không làm việc. Do đó, cần có biện pháp sấy nóng BXT trong giai đoạn này nhằm tăng hiệu quả xử lý trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy. 16
19. a b Hình 3.14 Hiệu quả trung hòa HC ở chế độ không tải chuẩn với các chiến lược sấy nóng khác nhau a b Hình 3.15 Hiệu quả trung hòa HC ở chế độ không tải nhanh với các chiến lược sấy nóng khác nhau a b Hình 3.16 Hiệu quả trung hòa HC ở chế độ 10% tải với các chiến lược sấy nóng khác nhau Hiệu quả trung hòa khí thải với chiến lược sấy 400W, 30 giây là cao nhất. Ở chế độ không tải chuẩn, việc sấy nóng không mang lại hiệu quả trong quá trình khởi động lạnh. Ở chế độ không tải nhanh, sấy nóng BXT giúp nó hoạt động sau 115 giây kể từ khi khởi động lạnh. Ở chế độ 10% tải, sấy nóng BXT giúp nó hoạt động sau 25 giây kể từ khi khởi động lạnh. 17
20. 3.6 Kết luận chương 3. Đã xây dựng và phát triển thành công mô hình mô phỏng hệ thống thải xe máy Honda Lead trang bị BXT được sấy nóng bằng dòng điện cao tần để nghiên cứu hiệu quả BXT ở các chế độ làm việc với các kết luận như sau: - Đã xác định được vị trí hợp lý lắp BXT là cách cửa thải 400 mm, đảm bảo tận dụng năng lượng dòng khí thải ở các chế độ không tải và tải nhỏ, đồng thời không bị quá tải nhiệt ở chế độ toàn tải; - Nhiệt độ BXT trong giai đoạn khởi động lạnh khá thấp, đặc biệt là chế độ không tải chuẩn. Ở tất cả các chế độ, sau 50 giây từ khi khởi động lạnh, nhiệt độ BXT vẫn còn thấp, chưa đạt tới nhiệt độ làm việc; - Khi chưa sấy, ở chế độ không tải chuẩn sau 300 giây BXT chưa làm việc, chế độ không tải nhanh BXT làm việc sau 270 giây, còn ở chế độ 10% tải BXT làm việc sau 165 giây. - Khi sấy nóng với công suất 400W, 30 giây ở chế độ không tải chuẩn sau 300 giây BXT vẫn chưa làm việc hiệu quả, ở chế độ không tải nhanh BXT làm việc hiệu quả sau 115 giây, ở chế độ 10% tải BXT làm việc hiệu quả sau 25 giây. 18
21. CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1 Mục đích thí nghiệm - Đo tốc độ động cơ ở chế độ khởi động lạnh và chạy ấm máy để làm số liệu xây dựng hàm tốc độ ở chế độ chuyển tiếp cung cấp cho mô hình động cơ. - Đo nhiệt độ và hàm lượng các chất độc hại tại cửa thải, trước và sau BXT ở các chế độ khác nhau với các chiến lược khác nhau làm cơ sở để đánh giá mức độ chính xác của các mô hình mô phỏng. Đồng thời các thông số này cũng được sử dụng để hiệu chỉnh các mô hình mô phỏng. - Đo hàm làm lượng phát thải các chất độc hại theo chu trình nhằm đánh giá hiệu quả của phương án sấy nóng BXT bằng dòng điện cao tần đến phát thải của động cơ. 4.2 Trang thiết bị phục vụ thí nghiệm 4.3 Đối tượng, nhiên liệu và chế độ thử 4.3.1 Đối tượng thử nghiệm Đối tượng thử nghiệm là động cơ lắp trên xe máy Honda Lead 110 của hãng Honda. Hình 4.1 Động cơ 110 lắp trên xe Honda Lead 4.3.2 Nhiên liệu thử nghiệm Nhiên liệu xăng sử dụng cho các thí nghiệm là xăng A95. 4.3.3 Chế độ thử nghiệm ❖ Thử nghiệm với chế độ khởi động lạnh và chạy ấm máy với 2 trường hợp có sấy nóng và không sấy nóng ❖ Chạy theo chu trình thử ECE R40 với 2 trường hợp có sấy và không sấy. 19
22. 4.4 Sơ đồ bố trí thí nghiệm Hình 4.2 Sơ đồ khối bố trí bộ xúc và hệ thống sấy nóng trên đường thải của động cơ thử nghiệm Hình 4.3 Sơ đồ cấu tạo BXT có sấy nóng bằng dòng điện cao tần 1. lõi BXT, 2. cảm biến nhiệt độ, 3 cuộn dây, 4: lớp cách điện, cách nhiệt bằng amiang, 5: lớp cách nhiệt bằng sợi thủy tinh, 6: vỏ BXT 4.5 Kết quả thực nghiệm Hình 4.4 Tốc độ vòng quay động cơ ở các chế độ khởi động lạnh và chạy ấm máy Tốc độ vòng quay của động cơ được sử dụng làm thông số vào cho mô hình nhiệt động học và phát thải của động cơ. Để thuận lợi 20
23. cho việc nhập dữ liệu trong mô hình tính toán, số liệu tốc độ được lập thành hàm số theo thời gian như chỉ ra trong bảng 4.1 dưới đây. Miền xác định 0-20 giây 21-200 giây Chế >200 độ chạy giây ấm máy 3 2 2 Không tải chuẩn n = 0.3853t - 15.247t n = -0.0032t + 0.9216t 1730 1730v/p + 193.75t + 842.77 + 1660.1 3 2 2 Không tải nhanh n = 0.6172t - 24.307t n = -0.0037t + 1.6686t 2500 2500 v/p + 304.41t + 1080.7 + 2338.1 3 2 2 10% tải, 2500 v/p n = 0.5159t - 20.333t n = -0.009t + 3.8034t 2500 + 256.73t + 1064.2 + 2080.7 Hình 4.5 Lưu lượng khí thải Hình 4.6 Phát thải các chất độc hại giữa thực nghiệm và mô phỏng giữa thực nghiệm và mô phỏng ở ở chế độ không tải chế độ không tải chuẩn Các kết quả so sánh mô phỏng và thực nghiệm về nhiệt độ và hàm lượng chất phát thải với các sai lệch đều không quá 7%, có thể khẳng định rằng mô hình nhiệt động và phát thải của động cơ ở chế độ khởi động lạnh đủ tin cậy. Hình 4.7 Nhiệt độ khí thải mô phỏng và thực nghiệm tại cửa thải và cửa vào BXT ở chế độ không tải nhanh 21
24. Các kết quả so sánh mô phỏng và thực nghiệm nhiệt độ khí thải tại cửa thải và cửa vào BXT với các sai lệch không quá 6%, có thể khẳng định rằng mô hình truyền nhiệt đủ tin cậy để sử dụng. Hình 4.8 Nhiệt độ lõi BXT mô Hình 4.9 Hàm lượng HC trước phỏng và thực nghiệm khi không và sau BXT, mô phỏng và thực sấy ở chế độ không tải nhanh nghiệm khi không sấy ở chế độ không tải nhanh Kết quả so sánh mô phỏng và thực nghiệm về nhiệt độ và hàm lượng HC trước và sau BXT với các sai lệch không quá 7%, có thể khẳng định rằng mô hình mô phỏng xúc tác của BXT ở chế độ khởi động lạnh đủ tin cậy để sử dụng. Hình 4.10 Nhiệt độ lõi BXT mô Hình 4.4 Hàm lượng HC trước phỏng và thực nghiệm khi sấy và sau BXT, mô phỏng và thực 400W, 30s ở chế độ không tải nghiệm khi khi sấy 400W, 30s ở nhanh chế độ không tải nhanh Các kết quả so sánh mô phỏng và thực nghiệm về nhiệt độ và hàm lượng HC trước và sau BXT khi có sấy 400W, 30 giây với các sai lệch đều không quá 7%, có thể khẳng định rằng mô hình mô phỏng xúc tác của BXT được sấy nóng ở chế độ khởi động lạnh đủ tin cậy. 22
25. Hình 4.5 Hàm lượng phát thải độc hại của động cơ thử theo chu trình thử ECE R40, khởi động lạnh có sấy và không sấy BXT Thử nghiệm theo chu trình ECE R40 khi có sấy và không sấy, hàm lượng CO giảm 22.7%; hàm lượng HC giảm 26.1%; hàm lượng NOx giảm 4.2%. 4.6. Kết luận chương 4 - Đã chế tạo và đánh giá được hệ thống sấy nóng bộ xúc tác ba thành phần bằng dòng cao tần lắp trên động cơ xe máy giúp rút ngắn thời gian làm nóng lõi xúc tác, nâng cao hiệu suất chuyển đổi, giảm phát thải xe máy trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy - Sấy nóng BXT với công suất sấy 400W trong 30 giây là biện pháp hiệu quả để tăng hiệu quả BXT ở chế độ không tải nhanh trở đi; - Hiệu quả giảm CO và HC là đáng kể cho cả chu trình thử, hàm lượng CO giảm 22.7%; hàm lượng HC giảm 26.1%. - Sấy nóng BXT có hiệu quả giảm phát thải không đáng kể ở chế độ không tải chuẩn. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận - Đề tài đã xây dựng và phát triển thành công mô hình nhiệt động và hình thành phát thải của động cơ, mô hình truyền nhiệt trên đường thải và mô hình bộ xúc tác ba thành phần trên động cơ xe máy được sấy nóng nhanh tại chế độ khởi động lạnh và chạy ấm máy. Các mô hình đều được hiệu chỉnh với số liệu thực nghiệm đảm bảo độ tin cậy để tính toán. - Đã tính toán mô phỏng được năng lượng nhiệt khí thải và hàm lượng phát thải các chất độc hại trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy. Hàm lượng các chất độc hại trong giai đoạn này 23
26. khá lớn, đặc biệt là trong 50 giây đầu kể từ lúc khởi động lạnh trong khi nhiệt độ và lưu lượng khí thải tại cửa thải khá thấp, không đủ để sấy nóng nhanh BXT tới nhiệt độ làm việc. - Đã tính toán được sự phân bố nhiệt độ khí thải dọc theo đường thải và quá trình trao đổi nhiệt và phản ứng xúc tác của BXT ở các trường hợp không sấy và có sấy nóng BXT. Theo đó, đã tính toán được hàm lượng các chất độc hại phía sau BXT cũng như hiệu quả xử lý của BXT. Trong 50 giây đầu tiên của quá trình khởi động lạnh và chạy ấm máy, hiệu quả xử lý của BXT khi không được sấy nóng gần như bằng không, hàm lượng các chất độc hại gần như không thay đổi trong thời gian này. - Đã đưa ra được phương pháp và chiến lược sấy nóng BXT hợp lý bằng dòng điện cao tần để nâng cao hiệu quả xử lý của BXT. Theo đó, BXT được sấy nóng bằng dòng cao tần với công suất sấy nóng 400W thời gian sấy nóng 30 giây ngay sau khi khởi động động cơ. Hiệu quả phương án này khá lớn với chế độ không tải nhanh và 10% tải. Ở chế độ 10% tải, tốc độ 2500 v/p có sấy nóng, BXT làm việc hiệu quả ngay từ giây thứ 25 của quá trình chạy ấm máy so với giây thứ 160 khi không sấy nóng, làm hàm lượng CO, HC và NO x đều giảm mạnh. - Đã chế tạo và đánh giá được hệ thống sấy nóng bộ xúc tác ba thành phần bằng dòng cao tần lắp trên động cơ xe máy giúp rút ngắn thời gian làm nóng lõi xúc tác, nâng cao hiệu suất chuyển đổi, giảm phát thải xe máy trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy. Hiệu quả giảm CO và HC là đáng kể cho cả chu trình thử, hàm lượng CO giảm 22.7%; hàm lượng HC giảm 26.1%. - Bản luận án đã đạt được mục tiêu đặt ra; hiệu quả của phương án sấy nóng bộ xúc tác trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy mở ra những hướng nghiên cứu mới nhằm giảm phát thải độc hại từ xe máy sản xuất tại Việt Nam. Hướng phát triển: Nghiên cứu ứng dụng sấy nóng BXT bằng dòng điện cao tần trang bị cho xe máy sản xuất tại Việt Nam, nhằm giảm phát thải độc hại từ xe máy 24
27. DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 1. Hoàng Đình Long, Nguyễn Kim Kỳ, (2015), Nghiên cứu hiệu quả bộ xúc tác xe máy trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy, Tạp chí khoa học công nghệ số 27/2015, Tr 46÷50 2. Nguyễn Kim Kỳ, Hoàng Đình Long, (2015), Nghiên cứu trường nhiệt độ khí thải trên đường ống thải của động cơ xe máy cỡ nhỏ ở chế độ không tải và toàn tải, tạp chí cơ khí việt nam số đặc biệt tháng 9/2016 Tr 108÷111 3. Nguyễn Kim Kỳ, Hoàng Đình Long, (2020), Nghiên cứu việc ảnh hưởng của việc sấy nóng bộ xúc tác khí thải xe máy đến hiệu quả xử lý khí thải trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy, Tạp chí cơ khí Việt Nam số đặc biệt tháng 10/ 2020, T284÷290 4. Hoàng Đình Long, Nguyễn Kim Kỳ, (2021), Nghiên cứu thực nghiệm sấy nóng bộ xúc tác khí thải xe máy bằng dòng điện cao tần để giảm phát thải độc hại trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số 5/2021, ISSN 2615-9910. 5. Hoàng Đình Long, Nguyễn Kim Kỳ, Đinh Xuân Thành, (2021), Ảnh hưởng của chiến lược sấy nóng đến nhiệt độ làm việc hiệu quả của bộ xúc tác chuyển đổi khí thải trên xe máy, Tạp chí KH&CN Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, số 3, Tập 57, tháng 6/2021, ISSN 1859-3585.