Luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí động lực nghiên cứu giảm phát thải độc hại của xe máy bằng phương pháp sấy nóng bộ xử lý khí thải

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 9[.]

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 NĨNG BỘ XỬ LÝ KHÍ THẢI Ngành: Kỹ thuật khí động lực Mã số: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Hồng Đình Long UẤN HÀ NỘI – 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu riêng Các số liệu kết nêu luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác! Hà Nội, tháng năm 2021 Nghiên cứu sinh Nguyễn Kim Kỳ i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phịng Đào tạo, Viện Cơ khí Động lực Bộ môn Động đốt cho phép thực luận án Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Xin cảm ơn Phòng Đào tạo Viện Cơ khí Động lực hỗ trợ giúp đỡ suốt q trình tơi làm luận án Tơi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Hồng Đình Long hướng dẫn tơi tận tình chu đáo mặt chun mơn để tơi thực hồn thành luận án Tơi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ môn Động đốt Trung tâm nghiên cứu động cơ, nhiên liệu khí thải - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội giúp đỡ dành cho điều kiện thuận lợi để hoàn thành luận án Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Cao đẳng Công nghiệp Thương mại, thầy Khoa Công nghệ ôtô hậu thuẫn động viên tơi suốt q trình nghiên cứu học tập Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy phản biện, thầy hội đồng chấm luận án đồng ý đọc duyệt góp ý kiến q báu để tơi hồn chỉnh luận án định hướng nghiên cứu tương lai Cuối xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình bạn bè, người động viên khuyến khích tơi suốt thời gian tơi tham gia nghiên cứu thực cơng trình Nghiên cứu sinh Nguyễn Kim Kỳ ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ xii MỞ ĐẦU i Mục đích nghiên cứu đề tài ii Đối tượng phạm vi nghiên cứu iii Nội dung nghiên cứu iv Phương pháp nghiên cứu v Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn vi Các nội dung đề tài CHƯƠNG NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Vấn đề phát thải độc hại xe máy 1.1.1 Các thành phần phát thải độc hại xe máy 1.1.2 Đặc điểm phát thải giai đoạn khởi động lạnh chạy ấm máy 1.1.3 Hàm lượng phát thải xe máy theo chu trình thử 1.2 Các phương pháp kiểm soát phát thải xe máy 1.2.1 Kiểm soát phát thải từ bên động 1.2.1.1 Điều chỉnh xác tỉ lệ khơng khí nhiên liệu 1.2.1.2 Thiết kế hệ thống đánh lửa thích hợp 1.2.1.3 Tối ưu kết cấu buồng cháy 1.2.1.4 Luân hồi khí thải 1.2.1.5 Sử dụng nhiên liệu thay 1.2.2 Xử lý khí thải sau cửa thải 10 1.2.2.1 Đốt cháy CO HC đường thải 10 1.2.2.2 Trang bị BXT xử lý khí thải 11 1.3 Công nghệ tăng hiệu BXT trình khởi động lạnh 12 1.3.1 Đốt cháy CO, HC ống thải 12 1.3.1.1 Phun khí thứ cấp 12 1.3.1.2 Đốt cháy khí thải (EGI) 12 1.3.2 Cải tiến thiết kế BXT 14 1.3.3 Tăng cường sấy nóng BXT lượng khí thải 15 1.3.3.1 Quản lý nhiệt đường ống thải 15 1.3.3.2 Điều khiển đánh lửa muộn 16 iii 1.3.4 Sấy nóng BXT nguồn nhiệt bên 16 1.3.4.1 Sử dụng buồng đốt bên 16 1.3.4.2 Sấy nóng BXT lượng điện (EHC) 17 1.4 Sấy nóng BXT dịng điện cao tần 20 1.4.1 Cơ sở lý thuyết việc đốt nóng điện cao tần 20 1.4.2 Sấy nóng BXT dòng điện cao tần 21 1.5 Hướng tiếp cận nội dung nghiên cứu đề tài 23 1.6 Kết luận chương 24 CHƯƠNG TÍNH TỐN MƠ PHỎNG NHIỆT ĐỘNG HỌC VÀ PHÁT THẢI ĐỘNG CƠ XE MÁY 25 2.1 Giới thiệu 25 2.2 Mô tả mô hình 27 2.2.1 Mơ hình đa vùng mơ diễn biến nhiệt động xylanh 27 2.2.1.1 Giới thiệu 27 2.2.1.2 Phương trình 28 2.2.1.3 Phương trình mơ hình hóa tổng thể 32 2.2.1.4 Truyền nhiệt sấy nóng động 35 2.2.1.5 Lưu lượng nhiệt độ khí thải 38 2.2.2 Mơ hình hóa phát thải ơxit nitơ từ động 39 2.2.3 Mô hình tính tốn phát thải HC động 40 2.2.3.1 Nguồn HC ban đầu 41 2.2.3.2 Sự ơxy hố HC phía sau màng lửa 44 2.2.4 Mơ hình tính tốn phát thải CO động 45 2.3 Kết mô 45 2.3.1 Hiệu chỉnh mơ hình 46 2.3.2 Áp suất nhiệt độ khí thể xylanh 47 2.3.3 Nhiệt độ, lưu lượng lượng dịng khí thải 48 2.3.4 Nồng độ phát thải CO, HC NO 52 2.4 Kết luận chương 54 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN MƠ PHỎNG HỆ THỐNG THẢI CĨ TRANG BỊ BXT ĐƯỢC SẤY NĨNG BẰNG DỊNG CAO TẦN 56 3.1 Giới thiệu 56 3.2 Mơ hình truyền nhiệt hệ thống thải 57 3.2.1 Truyền nhiệt ống thải 58 3.2.1.1 Bề mặt truyền nhiệt ướt 60 3.2.1.2 Bề mặt truyền nhiệt khô 60 3.2.2 Truyền nhiệt từ bề mặt ống thải tới môi trường 61 3.2.2.1 Truyền nhiệt từ bề mặt ống thải tới mơi trường q trình đối lưu 61 iv 3.2.2.2 Truyền nhiệt từ bề mặt ống thải tới môi trường q trình xạ 62 3.3 Tính tốn cơng suất sấy nóng BXT dịng điện cao tần 62 3.4 Mơ hình trung hịa khí thải BXT có sấy nóng dịng điện cao tần 66 3.4.1 Giới thiệu 66 3.4.2 Mơ tả mơ hình 68 3.4.2.1 Các phản ứng hóa học 68 3.4.2.2 Biểu thức động học phản ứng 68 3.4.2.3 Cơ sở chuyển đổi xúc tác 70 3.4.2.4 Hệ số trao đổi nhiệt trao đổi chất 74 3.4.2.5 Phương pháp giải mơ hình 75 3.5 Kết mô 76 3.5.1 Nhiệt độ khí thải BXT 77 3.5.2 Hàm lượng chất độc hại phía trước sau BXT 85 3.6 Kết luận chương 97 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 98 4.1 Mục đích thí nghiệm 98 4.2 Trang thiết bị phục vụ thí nghiệm 98 4.2.1 Băng thử xe máy CD20 (Chassis dynamometer 20’’) 98 4.2.1.1 Giới thiệu 98 4.2.1.2 Sơ đồ hệ thống 99 4.2.2 Tủ phân tích khí thải CEBII phân tích 100 4.2.2.1 Nguyên lý làm việc phân tích CO 100 4.2.2.2 Nguyên lý làm việc phân tích NO NOx 100 4.2.2.3 Nguyên lý làm việc hệ thống đo CnHm 102 4.2.3 Thiết bị đo nhiệt độ: 103 4.2.4 Đo lưu lượng khí thải: 104 4.3 Đối tượng, nhiên liệu chế độ thử 104 4.3.1 Đối tượng thử nghiệm: 104 4.3.2 Nhiên liệu thử nghiệm 105 4.3.3 Chế độ thử nghiệm 106 4.4 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 106 4.5 Kết thực nghiệm 109 4.6 Kết luận chương 118 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 119 TÀI LIỆU THAM KHẢO 120 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 126 PHỤ LỤC PHỤ LỤC CÁC SỐ LIỆU PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU v Phụ lục 1.1 Thông số động lắp xe Honda Lead 110 Phụ lục 1.2 Thông số đường ống thải xe Honda Lead 110 Phụ lục 1.3 Thông số BXT PHỤ LỤC CÁC SỐ LIỆU KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Phụ lục 2.1 Kết tính tốn mơ áp suất nhiệt độ khí thể xylanh chế độ không tải chuẩn 1730 v/p, không tải nhanh 2500 v/p, 10% tải 2500 v/p sau 300” từ lúc khởi động lạnh toàn tải ổn định 7500v/p Phụ lục 2.2 Kết tính tốn mơ nhiệt độ khí thải cửa thải, lưu lượng khí thải, lượng khí thải chế độ khởi động lạnh không tải chuẩn 1730 v/p, không tải nhanh 2500 v/p, 10% tải 2500v/p Phụ lục 2.3 Kết tính tốn mơ hàm lượng phát thải CO, HC, NOx chế độ khởi động lạnh không tải chuẩn 1730 v/p, không tải nhanh 2500 v/p, 10% tải 2500v/p Phụ lục 2.4 Kết tính mơ nhiệt độ khí thải dọc ống thải từ cửa thải chế độ Phụ lục 2.5 Nhiệt độ khí thải cửa vào BXT chế độ khởi động lạnh Phụ lục 2.6 Nhiệt độ BXT chế độ khởi động lạnh sấy khác 11 Phụ lục 2.7 Hiệu trung hòa khí thải khơng sấy sấy 30”, 400W 15 Phụ lục 2.8 Hiệu trung hòa HC chế độ khởi động sấy BXT 23 PHỤ LỤC CÁC SỐ LIỆU KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 28 Phụ lục 3.1 Lưu lượng nhiệt độ khí thải cửa thải cửa vào BXT 28 Phụ lục 3.2 Thành phần khí thải động chế độ khởi động lạnh 29 Phụ lục 3.3 Nhiệt độ lõi BXT thành phần khí thải sau BXT chế độ khởi động lạnh không tải nhanh – không sấy 30 Phụ lục 3.4 Nhiệt độ lõi BXT thành phần khí thải sau BXT chế độ khởi động lạnh không tải nhanh – sấy 30”, 400W 32 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Thuật ngữ Diễn giải A Diện tích (m2) C Nồng độ khí theo thể tích (%) Cl Hệ số lọt khí (1/s) Cw Khối lượng nước (kg) cm Tốc độ trung bình piston (m/s) cgv Hàm lượng khí thải (kg/m3) csv Hàm lượng bão hịa khí thải (kg/m3) c, cp Nhiệt dung riêng đẳng áp chất khí (J/kg/K) Dj Độ khuếch tán khí j (m2/s) d Đường kính thủy lực lỗ BXT (m) d1 Đường kính ống thải (m) d2 Đường kính ngồi ống thải (m) f Hệ số ma sát g Gia tốc trọng trường (9.81 m/s2) H Hằng số Henry h Entanpi khí (kJ/kg), hệ số truyền nhiệt hfg Nhiệt ẩn hóa (kJ/kg) k Hệ số dẫn nhiệt (W/m/K) kj Hệ số động học phản ứng (mol.K/m2/s) Kj Hằng số cân hấp thụ M Khối lượng phân tử (kg/mol) m Khối lượng (kg), m Lưu lượng khí thải (kg/s) Nu Chỉ số Nusselt NTU Đơn vị trao đổi ncyl Số xylanh p áp suất (N/m2) Pr Chỉ số Prandtl vii pw Chu vi ướt (m) Q Nhiệt lượng (kJ) q Mật độ dòng nhiệt (w/m2) R Hằng số chất khí (8314J/kg/K), Tỉ lệ phản ứng Re Chỉ số Reynolds λ Tỉ số bán kính quay trục khuỷu chiều dài truyền S Diện tích bề mặt hình học đơn vị thể tích BXT (m2/m3) Scat Diện tích bề mặt xúc tác đơn vị thể tích BXT (m2/m3) s entropy khí (kJ/kg/K) T Nhiệt độ (K) t Thời gian (s) U Hệ số truyền nhiệt tổng thể cho xéc măng mép piston u Vận tốc khí theo phương dọc trục (m/s), V, Vc, V1, V2 Thể tích  Thể tích riêng (m3/kg) X f , Phần mol nhiên liệu lớp dầu x Tọa độ theo phương hướng trục hệ thống thải Yf Phần khối lượng nhiên liệu lớp dầu yf Phần mol nhiên liệu khí  Nhiệt tỏa (J/mol) Ký tự Diễn giải  Độ dẫn nhiệt (m2/s)  Hệ số giãn nở nhiệt (1/K)  Độ nhớt động lực học (kg/ms)  Độ nhớt động học (m2/s)  Khối lượng riêng (kg/m3)  Độ ẩm tương đối  Hệ số Stefan-Boltzmann (5.67´10-8 W/m2K4)  chiều dày thành (m), e Tỉ số nén q Góc quay trục khuỷu ( °CA) viii  ΔΦ Vận tốc góc trục khuỷu (rad/s) Biến thiên từ thông Các số Diễn giải a Môi trường xung quanh b Khí cháy, thời gian đốt cháy bl Xylanh blc Từ xylanh đến nước làm mát conden Ngưng tụ Thanh truyền cva Đối lưu với môi trường xung quanh cyl Xylanh evo Góc mở sớm xupap thải evc Góc đóng muộn xupap thải g Khí gp Khí tới ống h Nắp máy hdc Từ nắp máy đến nước làm mát ip Bề mặt ống ivc Đóng xupap nạp gp, cv Đối lưu khí thải bề mặt ống, thành l Lọt khí, ống lót xylanh op Bề mặt ống p Bề mặt ống, piston port Cửa thải sat Bão hịa u Khí chưa cháy w Thành BXT Viết tắt Diễn giải CHK Chế hịa khí PXĐT Phun xăng điện tử NLSH Nhiên liệu sinh học LPG Nhiên liệu khí hóa lỏng ix AIS CO Hệ thống đốt cháy CO, HC đường thải Cacbon monoxit ECE Ủy ban Kinh tế Liên hợp quốc Châu Âu EGI Đánh lửa khí thải CTM Hệ thống quản lý nhiệt độ xúc tác EHC Sấy nóng BXT điện EMS Quản lý nhiệt động HC Hydrocacbon không cháy LEV Phương tiện phát thải thấp NOx Các ôxít nitơ NO Nitơ monoxit SI Động đánh lửa cưỡng BXT Bộ xúc tác ULEV Phương tiện phát thải thấp x DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tỉ lệ chất nhiễm khí thải động xăng [2] Bảng 1.2 Hàm lượng phát thải khởi động lạnh khởi động nóng [3] Bảng 1.3 Giới hạn lớn cho phép chất gây nhiễm khí thải theo TCVN6438:2018 Bảng 1.4 Phát thải độc hại theo chu trình thử ECE khởi động lạnh [4] Bảng 1.5 Hàm lượng phát thải theo chu trình thử [3] Bảng 1.6 Phát thải xe CHK xe PXDT theo chu trình thử ECE [4] Bảng 1.7 So sánh tính chất NLSH với nhiên liệu dầu mỏ Bảng 2.1 Một số thông số động 110 lắp xe Honda Lead 26 Bảng 3.1 Các thông số kết cấu đường ống thải xe Honda Lead 110 58 Bảng 3.2 Các thông số BXT 63 Bảng 3.3 Các chiến lược sấy nóng khác 65 Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật động thử nghiệm 105 Bảng 4.2 Các thông số kỹ thuật xăng A95 105 Bảng 4.3 Hàm số tốc độ động chế độ khởi động lạnh xác định từ số liệu thực nghiệm 110 xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống luân hồi khí thải Hình 1.2 Phát thải độc hại động chạy xăng E10 [9] Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống xử lý khí thải nhờ cấp khí vào cửa thải 10 Hình 1.4 Sơ đồ hệ thống đốt khí thải EGI [19] 13 Hình 1.5 Ảnh hưởng mật độ lỗ đến hiệu xử lý BXT [26] 14 Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý sấy nóng xúc tác lượng điện sử dụng nhiệt điện trở 17 Hình 1.7 Hiệu sấy nóng BXT với chiến lược sấy nóng khác [45] 19 Hình 1.8 Sơ đồ ống thải lắp BXT 21 Hình 1.9 Sơ đồ mạch biến tần, biến dòng chiều thành dòng xoay chiều tần số cao 22 Hình 1.10 Lõi BXT Ceramic trộn hạt kim loại sử dụng sấy nóng dịng cao tần 23 Hình 2.1 Sơ đồ bố trí động - ống thải – xúc tác 25 Hình 2.2 Hệ thống nhiệt động học hở buồng đốt 28 Hình 2.3 Sơ đồ truyền nhiệt động 35 Hình 2.4 Sơ đồ vùng lớp dầu bôi trơn Hình 2.5 Áp suất nhiệt độ khí thể xylanh động 47 Hình 2.6 Nhiệt độ, lưu lượng lượng khí thải cửa thải động chế độ không tải chuẩn 48 Hình 2.7 Nhiệt độ, lưu lượng lượng khí thải cửa thải động chế độ không tải nhanh 49 Hình 2.8 Nhiệt độ, lưu lượng lượng khí thải cửa thải động chế độ 10% tải 49 Hình 2.9 Nhiệt độ, lưu lượng lượng khí thải cửa thải động chế độ ổn định khác 50 Hình 2.10 Hàm lượng phát thải CO, HC, NOx động chế độ không tải chuẩn 52 Hình 2.11 Hàm lượng phát thải CO, HC, NOx động chế độ không tải nhanh 53 Hình 2.12 Hàm lượng phát thải CO, HC, NOx động chế độ 10% tải 53 Hình 2.13 Hàm lượng phát thải CO, HC, NO động chế độ chạy ổn định 54 Hình 3.1 Sơ đồ bố trí BXT đường thải xe máy 56 Hình 3.2 Sơ đồ truyền nhiệt đường ống thải 58 Hình 3.3 Mơ hình truyền nhiệt lỗ BXT Hình 3.4 Phân bố nhiệt độ khí thải đường thải chế độ làm việc ổn định 77 Hình 3.5 Nhiệt độ khí thải đường thải sau khởi động thời điểm khác với chế độ không tải chuẩn 79 Hình 3.6 Nhiệt độ khí thải đường thải sau khởi động thời điểm khác với chế độ không tải nhanh 79 Hình 3.7 Nhiệt độ khí thải đường thải sau khởi động thời điểm khác với chế độ 10% tải 2500v/p 80 xii Hình 3.8 Nhiệt độ khí thải cửa thải trước BXT chế độ khác từ khởi động lạnh 80 Hình 3.9 Nhiệt độ khí thải đầu vào nhiệt độ BXT giai đoạn khởi động lạnh 81 Hình 3.10 Nhiệt độ BXT chế độ ổn định 82 Hình 3.11 Nhiệt độ lõi BXT chế độ khơng tải chuẩn với chiến lược sấy nóng 400W 82 Hình 3.12 Nhiệt độ lõi BXT chế độ không tải chuẩn với chiến lược sấy nóng 200W 83 Hình 3.13 Nhiệt độ lõi BXT chế độ khơng tải nhanh với chiến lược sấy nóng 400W 83 Hình 3.14 Nhiệt độ lõi BXT chế độ không tải nhanh với chiến lược sấy nóng 200W 84 Hình 3.15 Nhiệt độ lõi BXT chế độ 10% tải với chiến lược sấy nóng 400W 84 Hình 3.16 Nhiệt độ lõi BXT chế độ 10% tải với chiến lược sấy nóng 200W 85 Hình 3.17 Hàm lượng chất độc hại khí thải phía trước sau BXT chế độ khơng tải chuẩn theo thời gian kể từ bắt đầu khởi động lạnh 86 Hình 3.18 Hàm lượng chất độc hại khí thải phía trước sau BXT chế độ không tải nhanh theo thời gian kể từ bắt đầu khởi động lạnh 86 Hình 3.19 Hàm lượng chất độc hại khí thải phía trước sau BXT chế độ 10% tải theo thời gian kể từ bắt đầu khởi động lạnh 87 Hình 3.20 So sánh hàm lượng phát thải CO trước sau BXT chế độ ổn định động 87 Hình 3.21 So sánh hàm lượng phát thải HC trước sau BXT chế độ ổn định động 88 Hình 3.22 So sánh hàm lượng phát thải NOx trước sau BXT chế độ ổn định động 88 Hình 3.23 Hàm lượng chất độc hại khí thải phía trước sau BXT chế độ không tải chuẩn sấy 400W, 30 giây 89 Hình 3.24 Hàm lượng chất độc hại khí thải phía trước sau BXT chế độ không tải nhanh sấy 400W, 30 giây 89 Hình 3.25 Hàm lượng chất độc hại khí thải phía trước sau BXT chế độ 10% tải sấy 400W, 30 giây 90 Hình 3.26 Hiệu xử lý BXT chế độ khơng tải chuẩn chưa sấy nóng bổ sung 90 Hình 3.27 Hiệu xử lý BXT chế độ không tải nhanh chưa sấy nóng bổ sung 91 Hình 3.28 Hiệu xử lý BXT chế độ 10% tải chưa sấy nóng bổ sung 91 Hình 3.29 Hiệu trung hịa khí thải BXT chế độ ổn định động 92 Hình 3.30 Hiệu trung hịa khí thải BXT chế độ không tải chuẩn sấy 400W, 30 giây 92 Hình 3.31 Hiệu trung hịa khí thải BXT chế độ khơng tải nhanh sấy 400W, 30 giây 93 xiii Hình 3.32 Hiệu trung hịa khí thải BXT chế độ 10% tải sấy 400W, 30 giây 93 Hình 3.33 Hiệu trung hịa HC chế độ khơng tải chuẩn với chiến lược sấy nóng 400W 94 Hình 3.34 Hiệu trung hịa HC chế độ không tải chuẩn với chiến lược sấy nóng 200W 95 Hình 3.35 Hiệu trung hịa HC chế độ khơng tải nhanh với chiến lược sấy nóng 400W 95 Hình 3.36 Hiệu trung hịa HC chế độ khơng tải nhanh với chiến lược sấy nóng 200W 96 Hình 3.37 Hiệu trung hòa HC chế độ 10% tải với chiến lược sấy nóng 400W 96 Hình 3.38 Hiệu trung hịa HC chế độ 10% tải với chiến lược sấy nóng 200W 97 Hình 4.1 Sơ đồ hệ thống thử nghiệm 98 Hình 4.2 Sơ đồ tổng quát băng thử 99 Hình 4.3 Sự ảnh hưởng H2O tới kết đo CO 100 Hình 4.4 Sơ đồ cấu tạo phân tích NO NOx 101 Hình 4.5 Sơ đồ cấu tạo hệ thống đo CnHm 102 Hình 4.6 Đồng hồ đo nhiệt độ kiểu tiếp xúc 103 Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý đo mức tiêu hao nhiên liệu 104 Hình 4.8 Động 110 lắp xe Honda Lead 105 Hình 4.9 Sơ đồ khối bố trí BXT hệ thống sấy nóng đường thải động thử nghiệm 106 Hình 4.10 Sơ đồ khối bố trí hệ thống xe thử nghiệm 107 Hình 4.11 Bố trí BXT đường thải 107 Hình 4.12 Sơ đồ cấu tạo BXT có sấy nóng dịng điện cao tần 108 Hình 4.13 Mạch biến tần sử dụng hệ thống 109 Hình 4.14 Tốc độ vịng quay động chế độ khởi động lạnh chạy ấm máy 109 Hình 4.15 Lưu lượng khí thải thực nghiệm mơ chế độ khởi động lạnh chạy ấm máy 110 Hình 4.16 So sánh nhiệt độ khí thải cửa thải thực nghiệm (tn) mô (mp) chế độ khởi động lạnh chạy ấm máy 111 Hình 4.17 Phát thải chất độc hại thực nghiệm mô chế độ không tải chuẩn 111 Hình 4.18 Phát thải chất độc hại thực nghiệm mô chế độ không tải nhanh 112 Hình 4.19 Nhiệt độ khí thải mơ thực nghiệm cửa thải cửa vào BXT chế độ không tải chuẩn 112 Hình 4.20 Nhiệt độ khí thải mơ thực nghiệm cửa thải cửa vào BXT chế độ không tải nhanh 113 Hình 4.21 Nhiệt độ lõi BXT mơ thực nghiệm không sấy chế độ không tải nhanh 113 Hình 4.22 Hàm lượng CO trước sau BXT, mô thực nghiệm không sấy chế độ không tải nhanh 114 Hình 4.23 Hàm lượng HC trước sau BXT, mô thực nghiệm không sấy chế độ không tải nhanh 114 xiv Hình 4.24 Hàm lượng NOx trước sau BXT, mô thực nghiệm không sấy chế độ không tải nhanh 115 Hình 4.25 Nhiệt độ lõi BXT mô thực nghiệm sấy 400W, 30” chế độ không tải nhanh 115 Hình 4.26 Hàm lượng CO trước sau BXT, mô thực nghiệm sấy 400W, 30” chế độ không tải nhanh 116 Hình 4.27 Hàm lượng HC trước sau BXT, mô thực nghiệm khi sấy 400W, 30” chế độ không tải nhanh 116 Hình 4.28 Hàm lượng NOx trước sau BXT, mô thực nghiệm khi sấy 400W, 30” chế độ không tải nhanh 117 Hình 4.29 Hàm lượng phát thải độc hại động thử theo chu trình thử ECE R40, khởi động lạnh có sấy khơng sấy BXT 117 xv MỞ ĐẦU Tình trạng nhiễm mơi trường Việt Nam khí thải động đốt đến mức đáng lo ngại số lượng phương tiện vận tải tơ xe máy tăng chóng mặt, đặc biệt xe máy Theo nhà nghiên cứu, xe máy chưa trang bị xúc tác (BXT) có mức phát thải lớn nhiều tơ có trang bị xúc tác Theo vtv.vn, tính đến 2018 Việt Nam có gần 58 triệu xe máy, hầu hết số chưa trang bị BXT phát thải lượng khí thải độc hại lớn Hiện nay, giới áp dụng nhiều biện pháp giảm thành phần độc hại phương tiện giao thơng như: kiểm sốt khí thải từ bên động cơ, xử lý khí thải Trong đó, xử lý khí thải phương pháp trang bị BXT xử lý khí thải biện pháp hữu hiệu, mang lại hiệu cao việc giảm thành phần độc hại phát thải từ động Tuy nhiên, biện pháp chưa áp dụng nhiều xe máy, đặc biệt loại xe máy dung tích nhỏ sản xuất Việt Nam Hiệu xử lý BXT bị ảnh hưởng lớn nhiệt độ làm việc Bộ xúc tác khơng làm việc làm việc với hiệu thấp nhiệt độ thấp khoảng nhiệt độ 250÷300oC Do đó, giai đoạn khởi động lạnh chạy ấm máy, nhiệt độ khí thải cịn thấp, BXT chưa sấy nóng đáng kể nên hiệu xử lý khí thải giai đoạn khơng đáng kể Một lượng lớn khí thải độc hại phát thải ngồi mơi trường từ tăng lượng phát thải cho chu trình hoạt động xe Bên cạnh đó, thành phố lớn Việt Nam, với mật độ tham gia giao thông đông đúc làm thời gian xe dừng chạy khơng tải nhiều với hành trình di chuyển ngắn làm tăng số lần khởi động lạnh Do đó, lượng phát thải giai đoạn khởi động lạnh chạy ấm máy tăng lên, chiếm tỉ trọng lớn tồn q trình hoạt động xe Vì việc giảm phát thải giai đoạn khởi động lạnh chạy ấm máy giúp giảm phát thải chung trình vận hành xe Để cải thiện hiệu làm việc BXT giai đoạn khởi động lạnh chạy ấm máy có nhiều biện pháp nghiên cứu thực hiện, đó, sấy nóng nhanh BXT biện pháp hữu hiệu để rút ngắn thời gian chậm hoạt động BXT từ giảm phát thải nhiễm giai đoạn Chính vậy, việc chọn thực đề tài “Nghiên cứu giảm phát thải độc hại xe máy phương pháp sấy nóng xử lý khí thải” cần thiết có ý nghĩa thực tiễn cao Mục đích nghiên cứu đề tài Đưa giải pháp sấy nóng nhanh BXT xe máy chế độ khởi động lạnh chạy ấm máy để tăng hiệu xử lý khí thải BXT từ giảm phát thải độc hại xe máy i ii Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Động lắp xe máy Honda Lead 110 lưu hành Việt Nam - Việc nghiên cứu thực nghiệm thực Trung tâm nghiên cứu động cơ, nhiên liệu khí thải, Viện Cơ khí động lực, Trường đại học Bách khoa Hà Nội iii Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan biện pháp nâng cao hiệu xử lý khí thải để giảm phát thải động trang bị BXT, từ chọn giải pháp để nghiên cứu áp dụng; - Nghiên cứu mơ động q trình khởi động lạnh chạy ấm máy để xác định thành phần, lưu lượng nhiệt độ khí thải khỏi động làm số liệu đầu vào cho việc nghiên cứu hiệu BXT giai đoạn này; - Nghiên cứu mô hệ thống thải để xác định trường nhiệt độ khí thải đường thải để xác định vị trí thích hợp lắp BXT nghiên cứu; - Nghiên cứu mơ BXT sấy nóng dòng điện cao tần để đánh giá ảnh hưởng chiến lược sấy nóng đến trạng thái nhiệt hiệu xử lý khí thải BXT giai đoạn khởi động lạnh chạy ấm máy, từ đề xuất đưa chiến lược sấy phù hợp; - Nghiên cứu thực nghiệm phịng thí nghiệm để xác định thơng số đầu vào cho mơ hình mô phỏng, hiệu chỉnh đánh giá độ tin cậy mơ hình mơ đánh giá hiệu giải pháp nghiên cứu đề iv Phương pháp nghiên cứu Kết hợp lý thuyết mơ hình hóa với thực nghiệm - Nghiên cứu lý thuyết: Xây dựng mơ hình tính tốn phát thải động xử lý khí thải BXT, từ tìm giải pháp nâng cao hiệu xử lý khí thải BXT - Nghiên cứu thực nghiệm: Thử nghiệm phịng thí nghiệm nhằm đánh giá độ tin cậy mơ hình mơ hiệu giải pháp đưa v Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn Đưa giải pháp công nghệ thích hợp để sấy nóng nhanh BXT khí thải xe máy chế độ khởi động lạnh chạy ấm máy để tăng hiệu xử lý BXT, giảm phát thải xe máy Góp phần giảm nhiễm mơi trường thành phố lớn có mật độ xe máy cao vi Các nội dung đề tài - Mở đầu - Chương Nghiên cứu tổng quan - Chương Tính tốn mơ nhiệt động học phát thải động xe máy - Chương Tính tốn mơ q trình xúc tác xử lý khí thải BXT sấy nóng dịng cao tần - Chương Nghiên cứu thực nghiệm Kết luận hướng phát triển CHƯƠNG NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Vấn đề phát thải độc hại xe máy Hiện nay, Việt Nam có mật độ tham gia giao thơng xe máy lớn Tính đến 2018 Việt Nam có khoảng gần 58 triệu xe máy [1] Mật độ xe máy tham gia giao thông đặc biệt cao thành phố lớn gây phát thải ô nhiễm môi trường trầm trọng nơi 1.1.1 Các thành phần phát thải độc hại xe máy Động xe máy tiêu thụ nhiên liệu xăng có thành phần chủ yếu cacbon hydro Q trình cháy hydrocarbon với khơng khí động diễn phức tạp với không đồng hỗn hợp hạn chế thời gian cháy nên khí thải động ln có chứa hàm lượng đáng kể chất độc hại oxit nitơ (NO, NO2, N2O, gọi chung NOx), carbon monoxit (CO), hydrocarbon chưa cháy (HC), hạt rắn chất ô nhiễm khác Nồng độ chất nhiễm khí thải phụ thuộc vào loại động chế độ vận hành CO: Carbon monoxit sản phẩm khí khơng màu, khơng mùi, khơng vị, sinh oxy hố khơng hồn toàn carbon nhiên liệu điều kiện thiếu oxy CO khơng gây khó chịu nhiên ngăn cản vận chuyển O2 hemoglobin hồng cầu máu làm cho phận thể bị thiếu oxy NOx: NOx họ oxit nitơ, NO chiếm đại phận NOx hình thành N2 tác dụng với O2 điều kiện nhiệt độ cao (vượt 11000C) Nitơ monoxit (NO) không nguy hiểm mấy, sở để tạo nitơ dioxit (NO2) NO2 chất khí màu hồng, có mùi, khứu giác phát nồng độ khơng khí đạt khoảng 0.12ppm NO2 chất khó hịa tan, theo đường hô hấp sâu vào phổi gây viêm làm hủy hoại tế bào quan hơ hấp Nạn nhân bị ngủ, ho, khó thở Oxit nitơ hình thành số phản ứng: N + O2 2NO NO + ½ O2 NO2 Hydocarbon: Hydrocarbon (HC) có mặt khí thải q trình cháy khơng hồn tồn hỗn hợp giàu, tượng cháy khơng bình thường, nồng độ HC tăng nhanh theo độ đậm đặc hỗn hợp Tuy nhiên, hỗn hợp nhạt, HC tăng bỏ lửa hay cháy không hồn tồn diễn số chu trình cơng tác Sự hình thành HC động xăng theo chế sau đây: - Sự dập tắt màng lửa tiếp xúc với thành buồng cháy tạo lớp hỗn hợp không bị bén lửa mặt thành buồng cháy - Hỗn hợp hịa khí bên không gian chết buồng cháy không cháy màng lửa bị dập tắt - Hơi nhiên liệu hấp thụ vào lớp dầu bôi trơn mặt gương xylanh q trình nén giải phóng hịa trộn với khí cháy giai đoạn giãn nở - Sự cháy khơng hồn tồn diễn số chu trình làm việc động (cháy cục hay bỏ lửa) không đồng hỗn hợp khơng khí nhiên liệu, thay đổi góc đánh lửa sớm hay ln hồi khí thải, đặc biệt tăng giảm tốc độ SO2: Sulfur dioxit (SO2) sản phẩm sinh nhiên liệu có chứa thành phần lưu huỳnh SO2 chất háo nước, dễ hịa tan vào nước mũi, bị oxy hóa thành H2SO4 muối amonium theo đường hô hấp vào sâu phổi Bồ hóng: Bồ hóng sản phẩm từ hỗn hợp cháy đậm đặc phần dầu bôi trơn không cháy tạo nên Bồ hóng tồn dạng hạt rắn có đường kính trung bình khoảng 0,3mm nên dễ xâm nhập sâu vào phổi Sự nguy hiểm bồ hóng, ngồi việc gây trở ngại cho quan hơ hấp tạp chất học khác có mặt khơng khí, cịn nguyên nhân gây bệnh ung thư hydrocarbon thơm mạch vòng Bảng 1.1 Tỉ lệ chất ô nhiễm khí thải động xăng [2] Các chất ô nhiễm Tỉ lệ Các chất ô nhiễm Tỉ lệ NOx 100-4000 ppm H2 O 10-12% HC 500-5000 ppm CO2 10-13,5% CO 0,1-1,6% SO2 15-60 ppm O2 0,2-2% PM Tỉ lệ chất nhiễm khí thải động xe máy thể bảng 1.1 Trong khí thải có chứa chất nhiễm là: HC phần nhiên liệu chưa cháy bị đốt cháy phần, CO oxit nitơ (NOx), chủ yếu NO, ngồi cịn có hợp chất khác nước, hydro, nitơ, oxy, SO2 vv 1.1.2 Đặc điểm phát thải giai đoạn khởi động lạnh chạy ấm máy Trong giai đoạn khởi động lạnh (khởi động động trạng thái nhiệt độ môi trường) chạy ấm máy (giai đoạn chuyển tiếp từ sau khởi động lạnh đến động đạt nhiệt độ ổn định), nhiệt độ động thấp, khả bay hịa trộn nhiên liệu với khơng khí cịn hạn chế nên động khó khởi động Để đảm bảo động dễ dàng khởi động nhanh chóng đạt tới nhiệt độ làm việc ổn định, hỗn hợp nhiên liệu khơng khí thường điều chỉnh đậm Trong điều kiện hoạt động này, thường xảy tượng dập tắt màng lửa dẫn tới phần nhiên liệu chưa cháy cháy khơng hồn tồn nên hàm lượng phát thải CO HC giai đoạn khởi động lạnh chạy ấm máy lớn nhiều so với khởi động nóng chạy ổn định Từ kết nghiên cứu Yung-Chen Yao cộng [3] thể bảng 1.2 thấy hàm lượng phát thải chất độc hại động xe máy chế độ khởi động lạnh cao nhiều so với khởi động nóng, đặc biệt hàm lượng phát thải HC ... động cơ, xử lý khí thải Trong đó, xử lý khí thải phương pháp trang bị BXT xử lý khí thải biện pháp hữu hiệu, mang lại hiệu cao việc giảm thành phần độc hại phát thải từ động Tuy nhiên, biện pháp. .. đích nghiên cứu đề tài Đưa giải pháp sấy nóng nhanh BXT xe máy chế độ khởi động lạnh chạy ấm máy để tăng hiệu xử lý khí thải BXT từ giảm phát thải độc hại xe máy i ii Đối tượng phạm vi nghiên cứu. .. ngắn thời gian chậm hoạt động BXT từ giảm phát thải nhiễm giai đoạn Chính vậy, việc chọn thực đề tài ? ?Nghiên cứu giảm phát thải độc hại xe máy phương pháp sấy nóng xử lý khí thải? ?? cần thiết có ý