Nghiên ứu ảnh hưởng ủa luân hồi áp suất thấp và luân hồi áp suất ao đến giảm phát thải nox ủa động ơ diesel tăng áp

79 Trang 8 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮTKý hiệuDiễn giảiCO Mônôxít cácbon HC Hyđrô cácbonPM Phát thải hạtNOx Ôxít nitơSOx Ôxít lưu huỳnhDOC Diesel Oxidation Catalyst bộ xúc t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRẦN ĐÌNH TUẤN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LUÂN HỒI ÁP SUẤT THẤP

VÀ LUÂN HỒI ÁP SUẤT CAO ĐẾN GIẢM PHÁT THẢI NOX

CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL TĂNG ÁP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Hà Nội Năm 2014 -

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRẦN ĐÌNH TUẤN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LUÂN HỒI ÁP SUẤT THẤP

VÀ LUÂN HỒI ÁP SUẤT CAO ĐẾN GIẢM PHÁT THẢI NOX

CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL TĂNG ÁP

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội Năm 2014 -

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi Các thông tin, số liệu trong luận văn là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng, cụ thể Kết quả nghiên cứu trong luận văn là đúng đắn, trung thực và chưa từng có

ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác

Hà Nội, ngày 20 tháng 3 năm 2014

Học viên thực hiện

Trần Đìn h Tuấn

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn rường Đại học ách khoa Hà Nội, Viện sau đại học, T BViện Cơ khí động lực đã cho phép tôi thực hiện luận văn tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội

, Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giảng viên Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học ách khoa Hà Nội đã trang bị kiến thức chuyên môn để tôi thực Bhiện luận văn

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng chấm luận văn đã đồng ý, đọc, duyệt và cho những ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận văn này và định hướng phát triển trong tương lai Tôi xin chân thành cảm ơn PGS Khổng Vũ Quảng, người đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng iết ơn đến các giáo viên rường Cao đẳng nghề LICOGI, các bạn đồng nghiệp và gia đình đã động viên, khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia học tập và nghiên cứu cho đến khi hoàn thành luận văn này

Hà Nội, ngày 20 tháng 3 năm 2014

Học viên thực hiện

Trần Đình Tuấn

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC BẢNG vii

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ viii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ VÀ CÁC TIÊU CHUẨN PHÁT THẢI 5

1.1 Các thành phần phát thải của động cơ diesel 5

1.1.1 Khí NOX (Nitơ ôxit) 6

1.1.2 Chất thải dạng hạt - PM 10

1.1.3 Mônôxít cácbon - Khí CO 10

1.1.4 Hyđrôcácbon - Khí HC 11

1.2 Tiêu chuẩn quy định phát thải của phương tiện sử dụng động cơ diesel 12

1.2.1.Tiêu chuẩn khí thải của châu âu (Euro) 12

1.2.2 Tiêu chuẩn khí thải của Mỹ 13

1.2.3 Tiêu chuẩn khí thải của Nhật Bản 15

1.2.4 Một số quy định về tiêu chuẩn phát thải của Việt Nam đối với các phương tiện xe cơ giới 16

1.3 Các phương pháp giảm phát thải độc hại cho động cơ diesel 18

1.3.1 Giới thiệu chung 18

1.3.2 Các giải pháp giảm NOXcho động cơ diesel 20

1.4 Thực trạng phát thải các phương tiện sử dụng động cơ diesel tăng áp 18

Kết luận chương 1 30

Chương 2 NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN GIẢM PHÁT THẢI NO X BẰNG PHƯƠNG PHÁP LUÂN HỒI KHÍ THẢI CHO ĐỘNG CƠ DIESEL TĂNG ÁP 31

2.1 Khái quát chung về luân hồi khí thải trên động cơ diesel tăng áp 31

2.1.1 Khái quát chung về luân hồi khí thải trên động cơ diesel 31

2.1.2 Luân hồi khí thải trên động cơ diesel tăng áp 34

2.2 Hệ thống luân hồi áp suất cao 37

2.3 Hệ thống luân hồi áp suất thấp 39

2.4 Các cụm chi tiết chính trong hệ thống luân hồi khí thải 40

2.4.1 Van luân hồi khí thải (van EGR) 40

2.4.2 Két làm mát khí luân hồi 41

2.4.3 Đường ống dẫn khí luân hồi 42

Kết luận chương 2 42

Chương 3 THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN HỆ THỐNG LUÂN HỒI KHÍ XẢ CHO ĐỘNG CƠ D1146TI 43

3.1 Thực trạng phát thải của động cơ D1146TI 43

3.2 Cơ sở thiết kế 43

3.2.1 Quan điểm thiết kế 43

3.2.2 Phương án thực hiện 44

3.3 Tính toán, thiết kế hệ thống luân hồi khí thải ủa động cơ c D1146TI 44

3.3.1 Thiết kế, tính toán hệ thống luân hồi áp suất cao 44

3.3.2 Thiết kế, tính toán hệ thống luân hồi áp suất thấp 45

3.3.3 Nhận xét chung về hệ thống luân hồi áp suất cao và áp suất thấp: 46

3.3.4 Thiết kế tính toán các cụm chi tiết chính của hệ thống 47

3.3.5 Thiết kế ống làm mát khí luân hồi (Bộ trao đổi nhiệt) 55

3.4 Bố trí tổng thể hệ thống luân hồi khí thải trên động cơ D1146TI 60

Kết luận chương 3 61

Chương 4 NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM 63

4.1 Mục đích thử nghiệm 63

4.2 Nội dung thử nghiệm 63

4.3 Thiết bị và đối tượng thử nghiệm 63

4.3.1 Thiết bị thử nghiệm 63

4.3.2 Đối tượng thí nghiệm 70

4.4 Xác định các chế độ trong chu trình thử 72

4.4.1 Chu trình thử nghiệm 72

4.4.2 Các chế độ thử theo chu trình ECE R49 cho động cơ D1146TI 74

4.4.3 Đặc tính mở của van EGR 76

4.5 Thử nghiệm với hệ thống luân hồi áp suất cao và luân hồi áp suất thấp 77

4.6 Đánh giá mức độ giảm phát thải NOxkhi thực hiện luân hồi áp suất cao và luân hồi áp suất thấp 79

4.6.1 Ảnh hưởng của luân hồi áp suất cao đến khả năng giảm phát thải NOX 79 4.6.2 Ảnh hưởng của luân hồi áp suất thấp đến khả năng giảm phát thải NOX 79 4.7 Ảnh hưởng của luân hồi áp suất thấp đến các thành phần phát thải và đặc

tính kinh tế kỹ thuật của động cơ 79

4.7.1 Ảnh hưởng của luân hồi áp suất thấp đến các thành phần phát thải theo chu trình ECE R49 79

4.7.2 Ảnh hưởng của luân hồi áp suất thấp đến đặc tính kinh tế, kỹ thuật của động cơ 80

Kết luận chương 4 83

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 84

1 Kết luận chung 84

2 Hướng phát triển 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO 85

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CO Mônôxít cácbon

HC Hyđrô cácbon

PM Phát thải hạt

NOx Ôxít nitơ

SOx Ôxít lưu huỳnh

DOC Diesel Oxidation Catalyst (bộ xúc tác ôxy hóa)

EGR Exhaust Gas Recirculatio (hệ thống luân hồi khí thải) DPF Diesel Particulate Filter (bộ lọc phát thải hạt, dạng lọc kín) VOCs Volatile Organic Compounds (hàm lượng hỗn hợp các chất

hữu cơ độc hại bay lên trong không khí)

PM10 Phát thải hạt có kích thước nhỏ hơn 10 µm

TSP Tổng lượng bụi lơ lửng trong không khí

TCCP Tiêu chuẩn cho phép

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

CRT Continuous Regeneration Trap (bộ lọc tái sinh liên tục) SCR Selective Catalyst Reduction (bộ xúc tác khử NOx)

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 1 Lượng phát thải của các thành phần trong động cơ diesel 6 Bảng 1 2 Tiêu chuẩn khí thải với xe diesel hạng nặng, chu trình thử tĩnh 13 Bảng 1 3 Tiêu chuẩn khí thải cho động cơ diesel t ừ 1.760 kg đến 3.500

kg (g/km) 13 Bảng 1 4 Tiêu chuẩn bang California cho các mẫu xe từ 1996 đến 2003 14 Bảng 1 5 Giới hạn độc hại của Mỹ đối với động cơ diesel lắp trên xe tải nặng (áp

dụng toàn quốc) 14 Bảng 1 6 Tiêu chuẩn khí thải Nhật Bản cho xe khách sử dụng động cơ diesel

(g/km) 15 Bảng 1.7 Tiêu chuẩn khí thải động cơ diesel cho xe hạng nặng thương mại

GVW>3500 kg (>2500 kg trước năm 2005) 16 Bảng 1.8 Giới hạn tối đa cho phép của các chất khí thải gây ô nhiễm (Theo

Tiêu chuẩn TCVN 6438:2001 17 Bảng 3 1 Kết quả đo các thành phần phát thải của động cơ D1146TI với một số

quy định về tiêu chuẩn phát thải hiện nay 43 Bảng 4 1 Thông số kỹ thuật động cơ D1146T 70 Bảng 4 2 Diễn giải các mode của chu trình thử ECE R49 73 Bảng 4.3 Kết quả đo mô men và công suất động cơ D1146TI sau khi lắp hệ

thống luân hồi khí thải EGR ở 100% tải 74 Bảng 4.4 Phát thải NOx theo chu trình thử ECE R49 khi lắp hệ thống luân hồi áp

suất cao 79 Bảng 4.5 Phát thải NOx theo chu trình thử ECE R49 khi lắp hệ thống luân hồi áp

suất thấp 79 Bảng 4.6 Kết quả các thành phần phát thải khi có EGR và không có EGR

theo chu trình ECE R49 80

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Số lượng và tỷ lệ xe con sử dụng động cơ diesel ở Đức 5

Hình 1.2 Đặc tính các thành phần độc hại của động cơ diesel theo λ 5

Hình 1.3 Tỷ lệ của các thành phần khí thải trong động cơ diesel 5

Hình 1.4 Sự hình thành NO phụ thuộc vào nhiệt độ theo thời gian t(ms) 7

Hình 1.5 Biến thiên tỷ số NO2/NO theo tải của động cơ diesel 8

Hình 1.6 Các giải pháp gi m phát th i NOả ả X và PM nhằm hướng tới các tiêu chu n Châu Âu 19 ẩ Hình 1.7 a) Vòi phun thông thường; b) Vòi phun có thể tích chết nhỏ 20

Hình 1.8 Sơ đồ động cơ sử dụng luân hồi khí thải 22

Hình 1.9 Sơ đồ hệ thống LNT 23

Hình 1.10 Quá trình hấp thụ NOX trong hỗn hợp nghèo 24

Hình 1.11 Các phản ứng trong các buồng xử lý 24

Hình 1.12 Chu trình hấp thụ và tái tạocủa hệ thống LNT 25

Hình 1.13 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống SCR 26

Hình 2.1 Sơ đồ bố trí chung của hệ thống luân hồi khí 31

Hình 2.2 Ảnh hưởng của luân hồi khí xả đến lượng phát thải NOX 32

Hình 2.3 Ảnh hưởng của các loại khí đến hiệu quả giảm NOX 34

Hình 2.4 Áp suất tuabin, tăng áp và tỷ lệ luân hồi khi tăng áp suất ra tuabin 35

Hình 2.5 Hệ thống luân hồi dùng bộ tăng áp VGT 36

Hình 2.6 Đặc tính của bộ tăng áp VGT 36

Hình 2.7 Quan hệ giữa vị trí cánh hướng gió và tỷ lệ luân hồi 36

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống luân hồi khí xả ống venturi đặt trên đường nạp 37

Hình 2.9 Hệ thống luân hồi áp suất cao 38

Hình 2.10 Hệ thống luân hồi áp suất cao với ống venturi 39

Hình 2.11 Hệ thống luân hồi áp suất thấp 39

Hình 2.12 Van luân hồi khí thải được thiết kế cùng với đường nạp 41

Hình 2.13 Két làm mát khí luân hồi 41

Hình 3.1 Hệ thống luân hồi áp suất cao 44

Hình 3.2 Hệ thống luân hồi áp suất cao với ống venturi 45

Hình 3.3 Hệ thống luân hồi áp suất thấp 45

Hình 3.4 Hình dạng kết cấu ống venturi 47

Hình 3.5 Ảnh hưởng của hệ số thu hẹp đến tổn thất áp suất và tỷ lệ luân hồi 47

Hình 3.6 Ảnh hưởng của hình dạng ống venturi tới tổn thất áp suất và tỷ lệ luân hồi 48

Hình 3.7 Ảnh hưởng của dạng ống khuếch tán tới tổn thất áp suất 49

Hình 3.8 Phần ruột của ống venturi 50

Hình 3.9 Các vị trí đặt ống venturi 51

Hình 3.10 Bố trí van EGR điều khiển bằng cơ khí trên động cơ 53

Hình 3.11 Kết cấu van EGR điện từ điều khiển bằng cuộn dây 53

Hình 3.12 Cấu tạo van EGR điện từ điều khiển bằng động cơ điện một chiều có chổi 54

Hình 3.13 Kết cấu van EGR điện từ điều khiển bằng động cơ điện một chiều không chổi than 54

Hình 3.14 Cấu tạo động cơ điện một chiều không chổi than 55

Hình 3.15 Các giai đoạn trao đổi nhiệt của khí luân hồi 57

Hình 3.16 Kết cấu ống làm mát khí luân hồi 58

Hình 3.17 Sơ đồ bố trí van điều khiển lưu lượng nước làm mát khí luân hồi 59

Hình 3.18 Lắp đặt ống làm mát khí luân hồi trên động cơ ở luân hồi áp suất thấp 60

Hình 3.19 Lắp đặt hệ thống luân hồi kh thải trên động cơ D1146TIí 61

Hình 4.1 Sơ đồ bố tríthiết bị thử nghiệm động cơ 64

Hình 4.2 Sơ đồ bố trí phòng thử động lực cao 64

Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý làm việc của phanh điện APA 100 64

Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý thiết bị làm mát dầu bôi trơn AVL 554 65

Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý thiết bị làm mát nước AVL 553 66

Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống 733S 67

Hình 4.7 Bộ điều khiển tay ga THA 100 67

Hình 4.8 Tủ phân tích khí thải CEB-II 68

Hình 4.9 Hệ thống đo phát thải dạng hạt (PM) bằng thiết bị SmartSampler 69

Hình 4.10 Động cơ D1146I được lắp đặt trên băng thử trong PTN 71

Hình 4.11 Sơ đồ thể hiện các mode của chu trình thử ECE R49 72

Hình 4.12 Sơ đồ thể hiện đặc tính ngoài của động cơ D1146TI 75

Hình 4.13 Đặc tính van EGR tại tốc độ 1400 vg/ph 76

Hình 4.14 Đặc tính van EGR tại tốc độ 2000 vg/ph 76

Hình 4.15 Hệ thống luân hồi áp suất cao lắp trên động cơ D1146TI 77

Hình 4.16 Hệ thống luân hồi áp suất thấp lắp trên động cơ D1146TI 78

Hình 4.17 Đặc tính mô men của động cơ ở chế độ 25%, 50%, 75% và 100% tải trong các trường hợp không có và có lắp hệ thống EGR 81

Hình 4.18 Đặc tính công suất của động cơ ở chế độ 25%, 50%, 75% và 100% tải trong các trường hợp không có và có lắp hệ thống EGR 81

Hình 4.19 Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của động cơ ở chế độ 25%, 50%, 75% và 100% tải trong các trường hợp không có và có lắp hệ thống EGR 82

MỞ ĐẦU

I LÝ DO NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Đi cùng với tốc độ phát triển của nền kinh tế hiện nay ngành công nghiệp ôtô

có vai trò rất quan trọng trong nền kinh tế quốc dân, ôtô được sử dụng trong nhiều ngành kinh tế như: Thi công xây dựng, vận tải hành khách, du lịch… Song song với

sự phát triển không ngừng của nền kinh tế, ngành công nghệ ôtô ngày càng khẳng định vai trò quan trọng không thể thiếu trong sự phát triển của một quốc gia

Nhờ sự phát triển tốc độ cao của khoa học kỹ thuật và công nghệ, ngành ôtô đã không ngừng tự làm mới mình để đáp ứng được những yêu cầu bức thiết trong vấn

đề sử dụng Ngành ôtô đã có những bước tiến bộ vượt bậc về thành tựu kỹ thuật mới như: Điều khiển điện, điện tử, điều khiển từ xa… đều được áp dụng trên ôtô Khả năng cải tiến, hoàn thiện và nâng cao để đáp ứng mục tiêu chủ yếu về tăng năng suất, vận tốc, tải trọng hữu ích, giảm chi phí kinh tế, giảm cường độ lao động cho người lái, tính tiện nghi sử dụng cho khách hàng, giảm tối ưu lượng nhiên liệu

và giảm lượng khí thải độc hại

Thực tế hiện nay phương tiện giao thông sử dụng động cơ diesel đang là nguồn phát thải ô nhiễm không khí quan trọng nhất Nhiều giải pháp đã được đưa ra

cả về mặt hoàn thiện kết cấu động cơ lẫn tìm kiếm các nguồn nhiên liệu thay thế xăng dầu truyền thống để giảm mức độ phát thải ô nhiễm

Mức phát thải chất độc hại của các phương tiện giao thông trong đó có phương tiện sử dụng động cơ diesel đang là một vấn đề hết sức quan tâm của xã hội Trong quá trình vận hành, động cơ thải ra các chất ô nhiễm như CO, CO2, NOX, HC, Pb Ngoài việc gây ô nhiễm trực tiếp đến môi trường sống và ảnh hưởng đến sức khỏe con người, các chất thải này khi phát tán vào không khí sẽ bị phân tích hoặc tổng hợp để tạo ra các tác nhân khác gây ảnh hưởng xấu đến biến đổi khí hậu

Để giảm lượng phát thải độc hại phát ra từ động cơ đốt trong mà vẫn có thể duy trì được tốc độ phát triển kinh tế nói chung và nền công nghiệp ô tô nói riêng Trên Thế giới, ở những nước phát triển như: Mỹ, Nhật Bản và một số nước Châu

Âu đã đi đầu trong việc nghiên cứu và đưa ra các biện pháp giảm thiểu lượng phát thải độc hại từ động cơ ra môi trường Các nước này đã đưa ra các tiêu chuẩn về nồng độ các chất độc hại trong khí thải động cơ và bắt buộc các xe được sản xuất trong nước hoặc các xe khi nhập khẩu đều phải tuân thủ các tiêu chuẩn về khí thải.

Ở Việt Nam để ngăn chặn tình trạng ô nhiễm môi trường do phát thải của các phương tiện xe cơ giới gây ra, Nhà nước đã thành lập các trạm đăng kiểm để kiểm tra các quy định về nồng độ khói của động cơ, đặc biệt Chính phủ đã ra chỉ thị áp dụng tiêu chuẩn khí thải Châu Âu (Euro) đối với các phương tiện sản xuất, lắp ráp

và nhập khẩu vào Việt Nam, cụ thể là: tiêu chuẩn Euro 2 được áp dụng từ ngày 01/7/2007, lộ trình áp dụng tiêu chuẩn Euro 4 từ ngày 01/01/2017 và tiêu chuẩn Euro 5 sẽ được áp dụng từ ngày 01/01/2022 đối với tất cả các loại phương tiện vận tải 4 bánh nhập khẩu hoặc sản xuất ở trong nước Xuất phát từ những thực tiễn về ô nhiễm môi trường do phát thải của các loại phương tiện xe cơ giới gây ra nói chung

và các phương tiện sử dụng động cơ diesel nói riêng, đồng thời được sự giúp đỡ hướng dẫn khoa học của PGS Khổng Vũ Quảng Bộ môn ĐCĐT Viện CKĐL - - -

Trường ĐHBK Hà Nội nên em đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của luân hồi áp suất thấp và luân hồi áp suất cao đến giảm phát thải NOX của động

cơ diesel tăng áp” với mong muốn góp phần đưa ra giải pháp hạn chế phát thải độc hại NOX ra môi trường từ các loại phương tiện xe cơ giới sử dụng động cơ diesel nói chung và động cơ diesel tăng áp nói riêng

II MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

2.1 Mục đích

Đề tài nghiên cứu ảnh hưởng của luân hồi áp suất thấp và luân hồi áp suất cao đến giảm phát thải NOx của động cơ diesel tăng áp nhằm lựa chọn được giải pháp luân hồi thích hợp cho động cơ và thiết kế hệ thống luân hồi khí thải cho động cơ diesel tăng áp

2.2 Đối tượng nghiên cứu

Lựa chọn động cơ D1146TI lắp phổ biến trên các xe buýt đang lưu hành ở

nghiệm của đề tài được thực hiện trên động cơ D1146TI lắp trên băng thử tại Phòng thí nghiệm ĐCĐT Viện CKĐL Trường ĐHBK Hà Nội.- -

2.3 Phạm vi nghiên cứu đề tài

Nghiên cứu giảm phát thải NOX cho động cơ D1146TI đây là động cơ diesel

sử dụng phổ biến trên xe buýt

III PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 Đọc và nghiên cứu tài liệu

Phương pháp này được dùng trong suốt quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài,

từ việc xây dựng đề cương nghiên cứu vấn đề, xác định các cơ sở lý luận của hệ thống luân hồi khí thải v.v… Các tài liệu tham khảo là các tài liệu, giáo trình, tạp chí có liên quan đến đề tài

Dựa vào những tài liệu về phương pháp nghiên cứu khoa học, tài liệu chuyên ngành ôtô để có hướng nghiên cứu thích hợp

3.2 Thực nghiệm

Tổng hợp các kết quả nghiên cứu kết hợp với thực nghi m ệ về ảnh hưởng của luân hồi áp suất thấp và luân hồi áp suất cao dến giảm phát thải NOx của động cơ diesel tăng áp

Tiến hành thực nghiệm trên động cơ D1146TI tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong Viện Cơ khí động lực Trường Đại học Bách khoa Hà nội.- -

IV Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

- Phát thải độc hại đáng quan tâm nhất của động cơ diesel là khí thải dạng hạt (PM) và nitơ ôxít (NOx) Phương pháp luân hồi khí thải để giảm phát thải NOX

được coi là giải pháp hiệu quả

- Phân tích đánh giá ảnh hưởng của luân hồi áp suất thấp và luân hồi áp suất cao đến khả năng giảm phát thải NOxcủa động cơ diesel tăng áp

- Kết quả nghiên cứu là cơ sở để lựa chọn giải pháp giảm phát thải NOX cho động cơ diesel tăng áp

V CÁC NỘI DUNG CHÍNH TRONG LUẬN VĂN

Để thực hiện các nội dung của đề tài tác giả sẽ trình bày qua các chương mục sau:

- Mở đầu

- Chương 1: Tổng quan về phát thải của động cơ và các tiêu chuẩn phát thải

- Chương 2: Nghiên cứu lựa chọn giảm phát thải NOX bằng phương pháp luân

hồi khí thải cho động cơ diesel tăng áp

- Chương 3: Thiết kế, tính toán hệ thống luân hồi khí xả cho động cơ D1146TI

- Chương 4 : Nghiên cứu thử nghiệm trên động cơ D1146TI

- Kết luận chung v hướng phát triểnà

- Tài liệu tham khảo

Hình 1.1 Số lượng và tỷ lệ xe con

sử dụng động cơ diesel ở Đức [2]

Số lượng

Tỷ lệ

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ

VÀ CÁC TIÊU CHUẨN PHÁT THẢI 1.1 Các thành phần phát thải của động cơ diesel

Động cơ diesel từ lâu đã được dùng

làm nguồn động lực chủ yếu cho các

phương tiện xe hạng nặng, các động cơ

nông nghiệp, máy công cụ và gần đây được

sử dụng nhiều cho các xe hạng nhẹ bởi vì

động cơ diesel có suất tiêu hao nhiên liệu

thấp và phát thải rất ít thành phần CO, HC

[1] Ở một số nước Châu Âu số lượng xe

con dùng động cơ diesel chiếm tới 50% vào

năm 2009 và dự báo sẽ tiếp tục tăng trong

những năm tiếp theo như thể hiện trên Hình

1.1 Tuy nhiên lượng phát thải NOX và PM từ động cơ diesel còn rất cao như thể hiện trên Hình 1.2 và 1.3, đây chính là nguồn phát thải đáng kể gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng tới sức khỏe con người, nhất là ở các đô thị và vùng đông dân

cư Các thành phần trong phát thải (trong đó thành phần NOX sẽ được phân tích rõ hơn) có cơ chế hình thành và tác hại được tóm tắt như sau:

Hình 1.2 Đặc tính các thành phần độc hại

của động cơ diesel theo λ [3] Hình 1.3 T l c a các thành ph n khí thtrong động cơ diesel ỷ ệ ủ [4] ầ ải

1.1.1 Khí NOX (Nitơ ôxit)

NOX là tên gọi chung của ôxit nitơ gồm các chất NO, NO2 và N2O được hình thành do sự kết hợp giữa ôxy và nitơ ở điều kiện nhiệt độ cao Trong khí thải của động cơ đốt trong NOX tồn tại ở hai dạng chủ yếu là NO (chiếm 90÷98%) và NO2 Trong đó NO là khí không màu không mùi còn NO2 là khí có màu đỏ và mùi gắt, cả hai loại khí rất độc nhưng NO2 độc gấp 5 lần NO

Vì vậy NOx ngày càng được

quan tâm và trong một số trường

hợp nó là chất ô nhiễm chính làm

ảnh hưởng đến tính năng kỹ thuật

của động cơ Do đó NOx là đối

tượng chính của việc xử lý ô

nhiễm và cũng là mục tiêu để đưa

ra các biện pháp hạn chế nó trong

phát thải của động cơ diesel

Bảng 1.1 Lượng phát thải của các

thành phần trong động cơ diesel [5]

Chất ô nhiễm Lượng phát thải

Cho nên việc hiểu biết đầy đủ tác hại và cơ chế hình thành của NOX để tìm ra biện pháp hạn chế nồng độ của nó ngay trong quá trình cháy là rất cần thiết Mức độ phát sinh ô nhiễm trung bình của quá trình cháy nhiên liệu hyđrôcácbua được thể hiện trong Bảng 1 , đây là số liệu mang tính chất trung bình ở điều kiện cháy của 1hỗn hợp có hệ số dư lượng không khí λ =1 Tuy nhiên trong những điều kiện cháy đặc biệt ở áp suất và nhiệt độ cao với hệ số dư lượng không khí lớn thì tỷ lệ thành phần các chất ô nhiễm trong Bảng 1 sẽ thay đổi theo hướng gia tăng NO.1 X [5]

1.1.1.1 Cơ chế hình thành

- Sự hình thành Mônôxit nitơ (NO)

Trong họ NOX thì NO chiếm tỷ lệ lớn nhất (90÷98%) NO được hình thành trong quá trình cháy rớt trong xilanh động cơ do ôxy hóa nitơ trong không khí vàđược tạo ra bởi cơ chế Zendovich [6] Thành phần chính để tạo nên NO là khí nitơ

có trong không khí nạp vào động cơ Phản ứng dây truyền ôxy hóa nitơ được tạo bởi các nguyên tử ôxy và được hình thành từ việc tách ra khỏi phân tử O2 tại nhiệt

độ cao trong quá trình cháy

nhiệt độ theo thời gian t(ms)[5]

Trong động cơ, quá trình cháy diễn ra trong điều kiện áp suất cao, vùng phản ứng rất mỏng (khoảng 0,1mm) và thời gian cháy rất ngắn; thêm vào đó áp suất trong xi lanh tăng trong quá trình cháy, điều này làm nhiệt độ của bộ phận khí cháy trước cao hơn nhiệt độ đạt được ngay sau khi ra khỏi khu vực màng lửa nên chủ yếu

NO được hình thành trong khu vực sau màng lửa và trong sản phẩm cháy phía sau màng lửa Sự hình thành NO phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt độ như thể hiện trên Hình 1.4

Phản ứng tạo NO có tốc độ thấp hơn nhiều so với phản ứng cháy Nồng độ NO cũng phụ thuộc mạnh vào nồng độ ôxy Vì vậy trong điều kiện nhiệt độ cao và nồng

Hình 1.5 Biến thiên tỷ số NO2/NO theo tải của động cơ diesel [5]

có m t c a ôxy ặ ủ

Trên Hình 1.5 là biến thiên của tỷ ệ NO l 2/NOX trên đường xả động cơ diesel theo chế độ ả t i, tỷ ệ l nà ày c ng cao khi tải càng th p NOấ 2 là khí độc nhấ trong họt

NOX, vì vậy việc tổ ứ ch c tốt quá trình ch y sá ẽ ảm đượ gi c nồng độ NO2 tạo thành, tăng tốc độ phân gi i ch t ô nhi m n y và cả ấ ễ à ó ý ngh a r t quan trĩ ấ ọng đối v i môi ớtrường

N2O chủ yếu được hình thành ở vùng ôxy h a có ó nồng độ nguyên t H cao, ử

mà Hydrogene là chấ ạt tr o ra s phân h y mự ủ ạnh Prôtôxit nitơ theo ph n ng: ả ứ

Tóm lại, phát thải NOX của động cơ có buồng cháy ngăn cách chỉ bằng khoảng một nửa so với động cơ có buồng cháy thống nhất Tuy vậy, động cơ sử dụng buồng cháy ngăn cách lại có tính kinh tế thấp và suất tiêu hao nhiên liệu lớn hơn buồng cháy thống nhất nên ngày nay động cơ có buồng cháy thống nhất được sử dụng rộng rãi trên các loại động cơ

1.1.1.2 Tác hại của NOX

- Ảnh hưởng của NOXđến sức khỏe con người

NO2 là chất khó hoà tan trong nước nên nó có thể theo đường hô hấp đi sâu vào phổi gây viêm phổi và làm huỷ hoại các tế bào của phế nang Khi vào được trong phổi, 80 % lượng NO2 bị giữ lại (đối với SO2, chỉ 5% được giữ lại) làm cho bệnh nhân bị mất ngủ, ho, khó thở Một số nghiên cứu còn cho thấy NO2 còn gây tổn thương cho mắt và dạ dày NOX được quan tâm là do những tác động của chúng đến sức khỏe, sự hình thành ôzôn và các chất ôxy quang hoá trong khí quyển [5]

- Ảnh hưởng của NOX đến thực vật

NOX chỉ ảnh hưởng đến thực vật khi nồng độ của nó đủ lớn Người ta thấy ở các vùng đô thị hóa cao thì nồng độ NOX đạt khoảng 3,93ppm, sự quang hợp của thực vật giảm đi 25%

1.1.2 Chất thải dạng hạt - PM

1.1.2.1 Cơ chế hình thành

Theo định nghĩa của tổ chức bảo vệ môi trường bang Carlifornia thì PM là

những thực thể (trừ nước) của khí thải sau khi hòa trộn với không khí (làm loãng đạt nhiệt độ nhỏ hơn 51,7 0C), và được tách bằng một bộ lọc quy định PM bao gồm

các hạt rắn như cácbon tự do và tro hay còn gọi là bồ hóng (soot), các chất phụ gia dầu bôi trơn, các hạt và vẩy tróc do mài mòn và các chất lỏng như nhiên liệu và dầu bôi trơn bám theo [5]

1.1.2.2 Tác hại

Mặc dù PM chỉ chiếm tỷ lệ 0,002% như trên Hình 1.3 đã thể hiện, trong tổng lượng phát thải của động cơ diesel nhưng chúng lại có kích thước hạt và lơ lửng trong không khí nên dễ theo đường hô hấp đi vào trong cơ thể người và bị giữ lại

Do đó gây ra các bệnh về đường hô hấp (hen suyễn, viêm phế quản…) và là tác nhân gây ung thư, gây đột biến gen, có khả năng làm rối loạn hệ hô hấp và tạo điều kiện thuận lợi cho tác động ung thư từ các chất khác PM còn gây tổn thương mắt, gây dị ứng mũi và cũng có khả năng gây ung thư da nếu tiếp xúc liên tục, ngoài ra

PM có thể gây ra tác động xấu đến hoạt động của hệ tim mạch [5]

m Ngoài ra khi PM bá vào lá sẽ cản trở quá trình quang hợp làm cho cây dễ bị héo và chết, gây ăn mòn kim loại và phân huỷ công trình xây dựng [5]

1.1.3 Mônôxít cácbon - Khí CO

1.1.3.1 Cơ chế hình thành

CO là loại khí không màu, không mùi, không vị, là một sản phẩm trung gian của quá trình đốt cháy Các bon có trong nhiên liệu trong điều kiện thiếu ôxy để tạo thành sản phẩm cuối cùng là CO2 và được hình thành từ phản ứng sau:

í - Trong động cơ, ở chế độ tải cao và chế độ khởi động, hỗn hợp không khnhiên liệu thường là hỗn hợp giàu Do đó, quá trình cháy xảy ra không hoàn toàn dẫn đến hàm lượng CO lớn Hàm lượng CO trong khí thải động cơ rất cao ở chế độ không tải Vì vậy, không được để động cơ chạy không tải trong phòng kín hoặc ga

xe khi đang đóng kín cửa

1.1.3.2 Tác hại

Khi hít CO vào trong cơ thể, nó hoà tan vào máu và làm hạn chế khả năng vận chuyển ôxy của máu Hít thở không khí có hàm lượng CO là 0,3% (theo thể tích) trong vòng 30 phút hoặc hít một lượng lớn CO có thể dẫn đến tử vong Mônôxit cácbon rất độc, chỉ với một hàm lượng nhỏ trong không khí có thể gây tử vong cho người Hàm lượng cực đại cho phép [CO] = 33 mg/m3 [5]

Ngoài ra CO còn gây ra cảm giác chếnh choáng, đặc biệt với những người mắc bệnh tim, phụ nữ có thai, bệnh nhân hen xuyễn, có thể gây ra các bệnh về tim mạch, thần kinh, CO ngăn cản việc vận chuyển ôxy từ máy vào các mô làm cho các bộ phận của cơ thể có thể bị thiếu ôxy Nạn nhân có thể bị tử vong khi 70% số hồng cầu bị khống chế (khi nồng độ CO trong không khí >1000 ppm) [5]

1.1.4 Hyđrôcácbon Khí - HC

1.1.4.1 Cơ chế hình thành

HC gồm các loại hyđrôcácbon có trong nhiên liệu hoặc dầu bôi trơn không cháy hết chứa trong khí thải HC còn được hình thành ở hai trường hợp sau:

- Khi nhiệt độ ở khu vực dập lửa thấp, chưa đạt tới nhiệt độ bốc cháy

- Khí nạp thổi qua trong thời gian lặp của xupáp Hỗn hợp không khí - nhiên liệu càng giàu càng sinh ra nhiều HC, hỗn hợp càng nghèo càng sinh ra HC ít Lượng HC sinh ra càng ít khi hỗn hợp không khí nhiên liệu quá nghè- o, vì nó không cháy được [5]

1.1.4.2 Tác hại

Hyđrôcácbon có nhiều loại khác nhau, có loại không độc (như paraffin, naphtalin), có loại rất độc có thể gây ung thư (như các loại hyđrôcácbon thơm) Động cơ diesel có hệ số dư lượng không khí khá lớn nên lượng HC trong khí thải thường là nhỏ

Ngoài ra HC trong khí thải động cơ sẽ góp phần vào sự hình thành các chất quang hoá (làm cho tầm nhìn bị suy giảm) Khi HC thải ra môi trường có ánh nắng mặt trời thì sẽ làm tăng hiện tượng hiệu ứng nhà kính [5]

1.2 Tiêu chuẩn quy định phát thải của phương tiện sử dụng động cơ diesel

1.2.1.Tiêu chuẩn khí thải của châu âu (Euro)

Từ năm 1970 của thế kỷ XX, các nước Châu Âu đã xây dựng chương trình cắt giảm khí thải cho xe hơi, đến năm 1987 dự luật mới hoàn chỉnh quy định giá trị nồng độ giới hạn của các loại khí thải và thường gọi là Euro 0 Từ đó đến nay đã thêm 5 tiêu chuẩn được ban hành là: tiêu chuẩn Euro 1991)1 ( , Euro 2 (1996), Euro

3 (2001), Euro 4 (2005), Euro 5 (2008) và Euro 6 vào năm 2013

Tiêu chuẩn Euro được áp dụng cho tất cả các loại xe trên 4 bánh lắp động cơ đốt trong chạy bằng nhiên liệu xăng, dầu, LPG và chia theo tính năng như: xe du lịch, xe công suất nhỏ, xe công suất lớn và xe buýt

Tiêu chuẩn Euro đặc biệt chú ý đến giới hạn phát thải của động cơ diesel xe tảihạng nặng Các tiêu chuẩn này đòi hỏi những biện pháp chẩn đoán ngay tên xe khi

xe tải có lỗi dẫn đến tăng lượng phát thải của động cơ, hệ thống phải cảnh báo cho người điều khiển xe biết

Các Bảng 1.2 và 1.3 thể hiện thể tiêu chuẩn lượng phát thải độc hại khác nhau

đối với xe tải sử dụng động cơ diesel

Bảng 1.2 Tiêu chuẩn khí thải với xe diesel hạng nặng, chu trình thử tĩnh [5]

Tiêu chuẩn Hàm lượng giới hạn (g/kWh, đơn vị độ khói là m

* Chỉ áp dụng cho các loại xe với động cơ phun trực tiếp

1.2.2 Tiêu chuẩn khí thải của Mỹ

Ngặt nghèo hơn của tiêu chuẩn của Châu Âu, tiêu chuẩn khí thải của Mỹ được chia làm 2 loại: tiêu chuẩn liên bang (49 bang) và tiêu chuẩn riêng bang California (khắt khe hơn tiêu chuẩn liên bang) Trong đó, tiêu chuẩn của bang California quy định phân loại xe theo chất lượng khí thải có tên sau:

- TLEV (Transitional Low Emission Vehicles) có hiệu lực từ 1994: nhằm hạn chế những chất độc hại đối với tầng ôzôn.

- LEV (Low Emission Vehicles) bắt đầu từ 1997 thay cho TLEV, LVE quy định dùng công nghệ xử lý khí thải (hâm nóng trước bộ xúc tác…); dùng nhiên liệu thay thế…

Các Bảng 1.4 và 1.5 thể hiện rất cụ thể các quy định tiêu chuẩn về phát thải các loại xe của Mỹ

Bảng 1.4 Tiêu chuẩn bang California cho các mẫu xe từ 1996 đến 2003[6]

1.2.3 Tiêu chuẩn khí thải của Nhật Bản

So với tiêu chuẩn khí thải của Châu Âu và Mỹ thì tiêu chuẩn khí thải của Nhật Bản đối với các loại xe ô tô rất khắt khe, cụ thể như quy định lượng phát thải của ô

tô sử dụng động cơ diesel trong Bảng 1.6 theo chu trình thử nghiệm từ 10 đến 15 chế độ và JC08 c Chu trình thử nghiệm áp dụng loại động cơ sử dụng nhiên liệu 50

ppmS (theo quy định năm 2005) và một số tiêu chuẩn như trong Bảng 1.6

Bảng 1.6 Tiêu chuẩn khí thải Nhật Bản cho xe khách

sử dụng động cơ diesel (g/km) [6]

Trọng

lượng xe

Ngày áp dụng

Thử nghiệm

* - Tương đương với trọng lượng quán tính (EIW), có tải là 1265 kg

một - Quy định (10/2002) cho xe ô tô sản xuất trong nước, (9/2004) cho xe nhập khẩu

b - Thực hiện đầy đủ vào cuối năm 2005

c - Thực hiện đầy đủ giai đoạ n 2011

d - Không có methane hydrocarbon

e - Áp dụng cho các xe sản xuất trong nước, các xe hiện có và nhập khẩu (10/2009)

Bảng 1.7 Tiêu chuẩn khí thải động cơ diesel cho xe hạng nặng thương mại

GVW>3500 kg (>2500 kg trước năm 2005) [6]

nghiệm

Đơn vị

hàm lượng CO trong khí thải động cơ xăng ở chế độ không tải Tiêu chuẩn này được áp dụng cho tất cả các loại ô tô sử dụng nhiên liệu xăng có khối lượng lớn hơn

400 kg Hàm lượng CO được đo trực tiếp trong ống xả, cách miệng xả 300 mm, ở hai chế độ: nmin và 0,6 ndm (ndm là tốc độ định mức) Hàm lượng CO không được vượt quá 3,5% ở chế độ nmin và 2,0% ở chế độ 0,6 ndm

Năm 1991, Chính phủ đã ban hành tiêu chuẩn TCVN 5418 91 quy định về độ khói trong khí thải động cơ diesel Tiêu chuẩn này được áp dụng cho tất cả các loại ôtô sử dụng động cơ diesel Độ khói của khí thải đo ở chế độ gia tốc tự do không vượt quá 40% HSU đối với động cơ không tăng áp và 50% HSU đối với động cơ tăng áp

-Tiêu chuẩn giới hạn phát thải của Việt Nam cho các loại ô tô, xe máy được thể hiện trên bảng 1.8

Bảng 1.8 Giới hạn tối đa cho phép của các chất khí thải gây ô nhiễm

(Theo Tiêu chuẩn TCVN 6438:2001)[7]

-Chính phủ đã nêu rõ:“xe cơ giới sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới (xe mới) phải

hoàn thành áp dụng mức tiêu chuẩn khí thải Euro 2 (còn gọi là tiêu chuẩn Euro2)

kể từ 1/7/2008” Việc áp dụng tiêu chuẩn Châu Âu Euro 2 đã hạn chế lượng khí thải

gây ô nhiễm môi trường khi đưa xe vào tham gia giao thông

Từ ngày 01/01/2017, các loại xe ô tô sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới phải

áp dụng tiêu chuẩn khí thải Euro 4, còn mô tô hai bánh sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới cũng phải áp dụng tiêu chuẩn khí thải Euro 3

Đến ngày 01/01/2022, các loại xe ô tô nói trên sẽ phải áp dụng tiêu chuẩn khí thải Euro 5

1.3 Các phương pháp giảm phát thải độc hại cho động cơ diesel

1.3.1 Giới thiệu chung

Động cơ diesel từ lâu là nguồn động lực chủ yếu cho các phương tiện xe hạng nặng, các động cơ nông nghiệp và gần đây được sử dụng cho các xe hạng nhẹ nhằm hạn chế tiêu hao nhiên liệu và phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính Ở một số nước Châu Âu, số lượng xe con dùng động cơ diesel chiếm tới 50% vào năm 2009 và vẫn tiếp tục tăng trong các năm tiếp theo Chúng ta đã biết cơ chế hình thành và tác hại của các chất có trong khí thải của động cơ diesel, đặc biệt là phát thải NOX Mặc dù

NOX chỉ chiếm một tỷ lệ rất nhỏ song lại rất độc hại, nó có tác động không nhỏ đến môi trường và sức khỏe con người Nhằm giảm tối đa thành phần phát thải NOXphát ra từ động cơ diesel, các nhà khoa học của các nước có nền công nghiệp ôtô phát triển trên thế giới cũng đã đầu tư khá nhiều thời gian và công sức để tìm ra các giải pháp hữu ích và hiệu quả Hiện nay, một số lượng lớn các động cơ diesel đã được áp dụng các công nghệ giảm phát thải độc hại NOX tùy theo từng điều kiện cụ thể Tuy nhiên vẫn còn có một số lượng lớn các động cơ diesel vẫn chưa được áp dụng các công nghệ này, đặc biệt là động cơ diesel sử dụng trên các phương tiện vận tải ở Việt Nam Do điều kiện kinh tế việt nam còn nhiều khó khăn nên không

đủ tiền để mua những động cơ hiện đại, chính vì vậy lượng phát thải NOX từ các phương tiện tham gia giao thông là nhân tố chính gây ô nhiễm môi trường rất lớn

nhiễm môi trường rất lớn Vì vậy việc tìm ra giải pháp giảm phát thải NOX cho động cơ này là hết sức cần thiết.

Trên Thế giới đã có nhiều biện pháp kỹ thuật giảm phát thải được áp dụng trên động cơ đốt trong nói chung và động cơ diesel nói riêng nhưng chủ yếu được chia thành hai nhóm chính đó là:

Nhóm thứ nhất: gồm các biện pháp liên quan đến kết cấu động cơ, loại nhiên liệu, phương pháp hình thành hỗn hợp, cách điều chỉnh và vận hành động cơ Tuy nhiên các biện pháp này không thể đáp ứng các tiêu chuẩn giới hạn độc hại ngày càng nghiêm ngặt

Hình 1.6 Các gi i pháp gi m phát thả ả ải NOX và PM nhằm hướng t i ớ

các tiêu chu n Châu Âu ẩ [8]

- Nhóm thứ hai: gồm các biện pháp xử lý khí thải nhờ các thiết bị xử lý Các biện pháp này hiện nay được áp dụng phổ biến và đảm bảo được các tiêu chuẩn cho

phép về nồng độ độc hại của khí thải trước khi xả vào môi trường

Trên Hình 1.6 trình b y giới hạn tiêu chuẩn ph t thải của Châu Âu đối với à áthành phần NOX và PM, việc p dụng c c giải ph p cắt giảm ph t thải NOá á á á X sẽ được nghiên cứu trong các nội dung tiếp theo của luận văn

1.3.2 Các giải pháp giảm NOXcho động cơ diesel

1.3.2.1 Giải pháp liên quan đến kết cấu động cơ và nhiên liệu

a Điều chỉnh để hạn chế lượng nhiên liệu chu trình

Khi động cơ làm việc ở chế độ tải cực đại, tức là λ rất nhỏ thì lượng phát thải

NOX rất cao (kể cả CO và PM) Để cho động cơ không làm việc tại các chế độ tải cực đại thì có thể điều chỉnh cơ cấu hạn chế lượng nhiên liệu theo chu trình của bơm cao áp về phía giảm nhiên liệu, do đó có thể giảm được tỷ lệ NOX nhưng biện pháp này lại làm giảm công suất cực đại của động cơ

buồng cháy ngăn cách (phun gián

tiếp) Ở mỗi loại buồng cháy đều

có ưu nhược điểm riêng: Hình 1.7 a) Vòi phun thông thường;

b) Vòi phun có thể tích chết nhỏ

Ở buồng cháy ngăn cách tỷ lệ NOX thấp hơn nhiều so với buồng cháy thống nhất, ngoài ra các yếu tố về áp suất phun, quy luật phun, hướng tia phun, kết cấu của vòi phun thể hiện trên hình 1.7 cũng ảnh hưởng đến lượng phát thải NOX cũng như các thành phần phát thải độc hại khác

c Lựa chọn góc phun sớm thích hợp

Nếu góc phun sớm càng giảm (phun muộn đi) thì nhiệt độ quá trình cháy giảm theo do đó NOX cũng giảm Phương pháp này được áp dụng khá phổ biến để giảm phát thải NOX nhưng nó sẽ làm giảm quá trình cháy và làm giảm cường độ ôxy hóa muội than dẫn đến công suất động cơ giảm, tỷ lệ phát thải PM tăng lên

d Dùng hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử

Hệ thống nhiên liệu điều khiển điện tử được dùng phổ biến trên các động cơ hiện đại So với hệ thống phun nhiên liệu cơ khí thì hệ thống nhiên liệu phun điện tử

có khả năng liên kết và xử lý được nhiều tín hiệu trong miền đặc tính làm việc của động cơ để đạt được các thông số tối ưu Nhờ đó mà hệ thống nhiên liệu điện tử có thể làm giảm được các thành phần độc hại trong khí thải tới mức thấp nhất có thể

e Dùng nhiên liệu thay thế

Sử dụng nhiên liệu thay thế là một phương hướng nghiên cứu và áp dụng quan trọng trong việc giảm ô nhiễm môi trường của phát thải động cơ diesel Hiện nay trên động cơ diesel sử dụng hai loại nhiên liệu thay thế sau:

- Diesel sinh học (Biodiesel) thay cho diesel hoá thạch, như methanol, dầu thực vật, mỡ động vật… Động cơ diesel dùng Methanol có phát thải P M rất thấp.-

- Nhiên liệu kép (Dua Fuel) như diesel gas, nhiên liệu chủ yếu (có thể tới 99%) là khí thiên nhiên đốt bởi nhiên liệu diesel phun mồi (có thể chỉ 1%)

-f Phương hướng phát triển động cơ diesel tiêu thụ ít nhiên liệu, khí thải ít độc hại

Để phát triển động cơ theo hướng này thì khi thiết kế động cơ cần phải:

- Dùng nhiều xu páp, có thể thiết kế vị trí vòi phun cũng như đường nạp thích hợp hơn nhằm cải thiện được quá trình hình thành hỗn hợp

- Hoàn thiện hệ thống phun nhiên liệu, gồm có:

- vòi + Tăng áp suất phun đối với động cơ buồng cháy thống nhất: dùng bơm phun hay hệ thống nhiên liệu Common Rail (CR)

+ Điều chỉnh quy luật phun đối với hệ thống phun điện tử (CR), tổ chức phun làm nhiều giai đoạn như phun mồi (để giảm tốc độ tăng áp suất, động cơ làm việc

êm hơn), phun chính, phun sau

- Làm mát khí luân hồi

- Tối ưu hệ thống tăng áp

- Thiết kế hệ thống nạp điều chỉnh được chế độ xoáy và rối của môi chất.

- Cải thiện chất lượng nhiên liệu như tăng chỉ số Xê tan, giảm hàm lượng hyđrocacbon thơm và đặc biệt là giảm hàm lượng tạp chất lưu huỳnh để giảm PM

-g Luân hồi khí thải (EGR)

Luân hồi khí thải là biện pháp làm giảm đáng kể lượng NOX trong khí thải động cơ nói chung và trên động cơ diesel nói riêng Mặc dù luân hồi khí thải làm giảm NOX nhưng lại làm tăng lượng PM, HC, CO, tăng tiêu hao nhiên liệu cũng như tăng khả năng mài mòn các chi tiết và ảnh hưởng đến độ bền của động cơ Nhưng tỷ lệ luân hồi ở động cơ diesel có thể cao hơn, cụ thể ở buồng cháy thống nhất có thể tới 60% và buồng cháy ngăn cách tới 30%

Nếu khí luân hồi được làm mát thì tỷ lệ NOX có thể giảm hơn nữa Vì vậy hiện nay, luân hồi khí thải được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ trên động cơ diesel.Biện pháp luân hồi khí thải sẽ được nghiên cứu sâu trong các nội dung tiếp theo của luận văn

Hình 1.8 Sơ đồ động cơ sử dụng luân hồi khí thải

1- Động cơ; 2- Bình tiêu âm; 3-Đường thải; 4 Đường luân hồi khí thải;-

5- Bộ điều khiển; 6 Van tiết lưu khí thải; 7 Đường nạp;- - 1.3.2.2 Biện pháp liên quan đến xử lý khí xả

6

7

4

31

nitơrát nhằm làm giảm NOX cũng như cách dùng các kim loại quý để hấp thụ các khí thải từ động cơ.

* Cấu tạo

Hình 1.9 thể hiện sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống LNT [9]

Cấu tạo hệ thống LNT gồm 2 buồng xúc tác:

Buồng thứ nhất: có một van khí thải và một đường ống nối tắt (bypass).

Buồng thứ hai (buồng xử lý): được chia thành các buồng nhỏ gồm có buồng

chứa chất ôxy hoá (1) (dung tích 7 lít), buồng chuyển hoá (2) (dung tích 7 lít) và buồng chứa bộ xúc tác LNT (3) (dung tích 14 lít) Trong các buồng có chứa chất xúc tác

Các chất xúc tác trong các bình được làm từ các kim loại quý có thành phần cho các bình như sau: 50g Pt/305mm3 với buồng chứa chất ôxy hoá, 60g Pt/Rh /305mm3 với buồng có chứa chất chuyển hoá, 50g Pt/305mm3 với buồng có chứa chất xúc tác LNT Các kim loại quý này được phủ lên trên bề mặt của kim loại kiềm

và kiểm thổ, các kim loại kiềm và kiềm thổ dùng chủ yếu là Kali (K) và Bari (Ba)

bằng ôxy hoá chúng và các ôxít kim loại kiềm thổ như BaO hấp thụ chúng trong điều kiện nghèo.

Các phương trình phản ứng trong điều kiện nghèo được thực hiện như sau:

NO + 1/2O2 = NO2

(1.9) BaO + NO-2 + 1/2O2 = Ba(NO3)2

Hai phương trình trên là quá

trình ôxy hoá NOX Quá trình hấp

thụ NOX trong hỗn hợp nghèo được

thể hiện trên hình 1.10 Do lượng

NOX được hấp thụ ngày càng nhiều

hơn dẫn đến hiệu quả hấp thu NOX

giảm do vậy cần phải thực hiện quá

trình tái tạo lại hệ thống

Hình 1.10 Quá trình hấp thụ NOX

trong hỗn hợp nghèo

Quá trình tái tạo lại hệ thống

được thực bằng cách đóng van khí

thải trước buồng xử lý và mở van

khí thải trên ống rỗng để cho khí

thải từ động cơ đi ra Trong quá

trình tái tạo toàn bộ lượng khí thải

từ động cơ đi ra ngoài không được

2CH4 + 2º2 = CO + 3H2 + CO2 + H2O (1.10)

Các khí này tiếp tục đi vào

buồng chuyển hoá để thực hiện tiếp

quá trình chuyển hoá khí CH4

thành khí CO2 và H2 theo phương

trình phản ứng sau:

CH4 + H2O = CO2 + H2 (1.11)

Các khí này lại tiếp tục đi vào

buồng xử lý LNT để thực hiện quá

của hệ thống LNT

Trong điều kiện giàu nhiên liệu quá trình giải phóng N2 xảy ra theo phản ứng:

Ba(NO3)2 = BaO + NO-2 + 3/2O2

(1.12) Ba(NO3)2 = BaO + NO- + 1/2O2

NO + CO = 1/2N2 + CO2

Như vậy một chu trình hấp thụ NOX và giải phóng N2 đã kết thúc Van khí thải trước buồng xử lý lại mở ra và van khí thải trên đường nối tắt lại đóng lại quá trình hấp thụ NOXlại bắt đầu

Một hệ thống LNT thường có thời gian hoạt động cho một chu trình xử lý như sau: Thời gian cho quá trình hấp thụ là 60s, thời gian cho quá trình tái tạo là 17s và thời gian cho quá trình phun nhiên liệu là 10s Từ đồ thị trên Hình 1.12 cho thấy thời gian hấp thụ NOX của hệ thống LNT là tương đối lớn, dẫn đến lượng NOX hấp thụ là tương đối lớn Khi hệ thống LNT thực hiện quá trình tái tạo thì thời gian thực hiện quá trình tái tạo là rất ngắn dẫn đến lượng khí NOX thải ra ngoài môi trường là tương đối thấp Qua đó ta thấy hiệu suất của bộ xử lý LNT rất lớn, đến hơn 90%

b Dùng bộ xử lý xúc tác khử NOx - SCR

Đây là phương pháp khử liên tục NOX, dưới tác dụng của chất xúc tác làm cho

NOx bị khử và hoàn nguyên thành N2 và H2O Chất xúc tác thường dùng là NH3 Do lượng xúc tác cần thiết rất lớn nên bộ xử lý và các thiết bị đi kèm rất cồng kềnh, vìvậy bộ xử lý dùng NH3 thường dùng cho các trạm động lực tĩnh tại

Hiện nay, hãng Simens đã thay thế NH3 bằng Urê ở dạng lỏng trong bộ xử lý xúc tác có tên SINOX dùng trong các thiêt bị động lực cỡ lớn [10]

Hình 1.13 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống SCR

* Đặc điểm cấu tạo

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống SCR thể hiện trên Hình 1.13 [10]

Trên sơ đồ gồm hai phần chính: hệ thống phun Urê và bộ xúc tác chính SCR, trong đó lõi bộ xúc tác chính SCR được chế tạo bằng các vật liệu sau:

Vanadium là chất xúc tác kim loại, thông thường kích thước của chúng tương đối lớn, hiệu suất chuyển đổi thấp bởi hàm lượng của chúng trong bộ xúc tác rất nhỏ Hạn chế của vật liệu này là không thể hoạt động ở nhiệt độ cao

Zeolite là hợp kim xúc tác được bảo vệ bởi một lớp là nền Ceramic, hiệu suất chuyển đổi tương đối cao cho một đơn vị thể tích Thành phần của Zeolite gồm các hợp kim của các kim loại: Cu và Fe chịu được nhiệt độ cao Hợp kim Fe chiếm thành phần lớn trong Zeolite vì chúng làm việc được ở nhiệt độ cao gần 6000C và cho hiệu suất tương đối cao

Hợp kim của Cu rất có hiệu quả cho bộ xử lý khí thải khi hoạt động ở nhiệt độ thấp 4500C Bên cạnh đó bố trí hợp kim Fe đặt trước hợp kim Cu, hợp kim Cu hoạt động có hiệu quả ở nhiệt độ thấp và hợp kim Fe hoạt động ở nhiệt độ cao Chính nhờ vậy bộ xử lý khí thải SCR làm việc trong một dải nhiệt độ rộng bởi vì có sự kết hợp một loạt hệ thống các hợp kim Hơn nữa sự kết hợp các hệ thống cho phép làm giảm bớt khí thải ở nhiệt độ cao.

4NH3 + 4NO + O2 = 4N2 + 6H2O (1.13)

- Phản ứng thứ hai là phản ứng khử nhanh: phản ứng này xảy nhanh hơn phản ứng chuẩn Phản ứng xảy ra bên trong bộ xúc tác nơi có sự cân bằng NO và NO2 phương trình phản ứng như sau:

4NH3 + 2NO +2NO2 = 4N2 + 6H2O (1.14)

- Phản ứng thứ ba là phản ứng khử chậm: phản ứng này xảy ra khi tỷ lệ

NO2/NO>1; trong đó NO2/NO là hệ số của phản ứng hoá học, phụ thuộc vào mỗi phương trình phản ứng Hệ số này ảnh hưởng rất nhiều đến hiệu suất của bộ xử lý, với tỷ lệ NO2/NO>1 thì phản ứng xảy ra tương đối chậm, phương trình phản ứng như sau:

8NH3 + 6NO2 = 7N2 + 12H2O (1.15) Trong quá trình hoạt động của bộ xử lý khí thải SCR cũng có các vùng nhiệt

độ khác nhau, các vùng nhiệt độ này là điều kiện để xảy ra các phản ứng trên Có ba vùng chính là:

- Vùng 1 (200 ÷ 250) 0C: đây là vùng nhiệt độ thấp mà tỷ số NO2/NO là yếu tố chính của phản ứng Phản ứng chính của vùng này là phản ứng (1.15).

- Vùng 2 (250 ÷350)0C: vùng này xảy ra phản ứng (1.13) Khi tỷ số

NO2/NO>1, quyết định đến hiệu suất của bộ xử lý

- Vùng 3 (>3500C): vùng này xảy ra phản ứng (1.14), NO2 phân ly thành NO,

do nhiệt độ cao nên NOXgiảm đáng kể, vì vậy nó được gọi là phản ứng chuẩn

Quá trình cắt giảm NOX phụ thuộc rất nhiều yếu tố, vì chúng thường có áp suất và nhiệt độ rất cao Để khắc phục điều này người ta phun dung dịch Urê vào dòng khí thải trước khi qua bộ xúc tác Urê có nhiều thuận lợi cho quá trình sử dụng như độc tính ít, sử dụng an toàn trong vận chuyển, nồng độ Urê trong dung dịch là 32,5% Trước khi phản ứng với NOX, Urê trải qua 3 quá trình chính:

- Quá trình bay hơi: nước bay hơi để giải phóng Urê

((NH2)2CO)lq => ((NH2)2CO)s + (6.9H2O)g (1.16)

Các chữ cái “lq”; ”s”, và “g” biểu thị theo thứ tự cho nước, chất rắn và khí

- Quá trình nhiệt phân: sau sự bay hơi của khối Urê là sự phân ly thành khí không màu và axits isocyanic