Nghiên ứu giảm phát thải bằng bộ xú tá ôxy hóa doc và phát thải dạng dpf trên động ơ diesel

ử ụ ệ ế ộ ỷ ệ đ ểMức phát thải chất độc hại của các phương tiện cơ giới trong đó có phương tiện sử dụng động cơ diesel đang là một vấn đề hết sức quan tâm của xã hội.. Trang 14 01/7/2007

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LÊ KHẢ LAN

NGHIÊN CỨU GIẢM PHÁT THẢI BẰNG BỘ XÚC TÁC ÔXY HÓA DOC VÀ LỌC PHÁT THẢI DẠNG HẠT DPF TRÊN ĐỘNG

CƠ DIESEL

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS KHỔNG VŨ QUẢNG

L ỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên c u c a riêng tôi ứ ủ Các k t qu , s li u trong lu ế ả ố ệ ận văn là trung thực và chưa từng đượ c ai công

b trong các công trình nào khác ố

Hà N ội, tháng 03 năm 2014

H c viên ọ

Lê Kh Lan ả

Em xin bày t lòng biỏ ết ơn đến các Th y cô giáo ph n bi n và trong Hầ ả ệ ội đồng chấm luận văn đã đọc, có nh ng ý kiữ ến quý báu để em có th hoàn ch nh luể ỉ ận văn

một cách tốt nh t và có nhấ ững định hướng nghiên cứu trong trương lai

Cuối cùng là lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, những người đã luôn độ ng viên khuy n khích tôi trong su t th i gian hế ố ờ ọc tập và th c hi n luự ệ ận văn

Xin chân thành cảm ơn!

Hà N ội, tháng 03 năm 2014

H c viên ọ

Lê Kh Lan ả

M C L C Ụ Ụ

LỜI CAM ĐOAN i

L I C Ờ ẢM ƠN ii

iii

M CL C Ụ Ụ DANH M C CÁC KÝ HI U VÀ CH VI T T T Ụ Ệ Ữ Ế Ắ vi

DANH M C B NG Ụ Ả viii

DANH M C HÌNH V Ụ Ẽ VÀ ĐỒ TH Ị ix

M Ở ĐẦ U 1

Chương1 TỔ NG QUAN V HƯ NG NGHIÊN C U 5 Ề Ớ Ứ 1.1 Xu hướng phát tri n cể ủa động cơ 5

1.1.1 S ự phát triể n và vai trò quan tr ng c ọ ủa động cơ đố t trong 5

1.1.2 Tác độ ng c a phát th ủ ải do các phương tiệ n giao thông sử ụng động cơ d đốt trong đến môi trườ ng 7

1.2 Th c tr ng phát th i t ự ạ ả ừ các phương tiện tham gia giao thông s dử ụng động cơ diesel 8

1.2.1 Sự gia tăng các phương tiệ ử ụng động cơ diesel 8 n s d 1.2.2 Thự ạ c tr ng phát th i c ả ủa các phương tiệ n s d ử ụng động cơ diesel 9

1.3 Các gi i pháp gi m phát thả ả ải độc hại cho động cơ diesel 17 1.3.1 Giải pháp liên quan đế ả ế ế ấu động cơ 18 n c i ti n k t c 1.3.2 Gi ải pháp liên quan đế n x ử lý trên đườ ng th i ả 20

K t luế ận chương 1 31

Chương 2 NGHIÊN CỨ U GI M PHÁT TH Ả ẢI PM CHO ĐỘNG CƠ D1146TI 33

2.1 Đối tượng nghiên c u 33 ứ 2.2 Th c tr ng phát th i cự ạ ả ủa động cơ D1146TI 33

2.3 Nghiên c u lứ ựa chọn gi i pháp giả ảm phát thải PM cho động cơ D1146TI 33

2.3.1 Các gi i pháp gi m phát th i PM hi ả ả ả ện nay đang đượ c sử ụ d ng 35

2.3 2 Lự a ch n gi i pháp gi m P ọ ả ả M cho động cơ D1146TI 43

2.4 Tính toán lựa chọn bộ DOC và DPF 45

2.4 1 Giớ i thi u chung v b DOC và b l c DPF ệ ề ộ ộ ọ 45

2.4.2 Tính toán l a ch n b DPF ự ọ ộ 46

2.4.3 Tính toán l a ch n b DOC ự ọ ộ 48

2.5 Thi t k lế ế ắp đặt bộ DOC và DPF trên đường thải cho động cơ D1146TI 50

2.5 1 Quan điể m thi t k l ế ế ắp đặ ệ ố t h th ng DOC và DPF 50

2.5 2 Thiế ế ắp đặ ệ ống DOC và DPF trên động cơ D1146TI t k l t h th 51

K t luế ận chương 2 53

Chương 3: NGHIÊN CỨ U TH NGHI M 54 Ử Ệ 3.1 Mục đích và phạm vi th nghiử ệm 54

3.1.1 Mục đích thử nghi m ệ 54

3.1.2 Phạ m vi th nghi m ử ệ 54

3.2 Các n i dung th nghi m 54 ộ ử ệ 3.3 Đối tượng và thi t b th nghi m 54 ế ị ử ệ 3.3.1 Động cơ thử nghi m ệ 54

3.3.2 Thiế ị ử t b th nghi m ệ 55

3.4 Các bước thử nghi m 61 ệ 3.4.1 Điề u ki n th nghi m ệ ử ệ 61

3.4.2 Bố trí l ắp đặ t và hi u ch ệ ỉnh động cơ trên băng thử 62

3.4.3 Phương pháp và chương trình th nghi m ử ệ 63

3.4.4 Tính toán kh ối lượ ng các ch t phát th i theo chu trình ECE R49 ấ ả 64

3.4.5 Thử nghi ệm đánh giá khả năng giả m phát th i khi l p b DPF ả ắ ộ 65

3.4.6 Thử nghi ệm đánh giá khả năng giả m phát th i khi l p k t h p c hai b ả ắ ế ợ ả ộ DOC và DPF 66

K t luế ận chương 3 67

Chương 4 KẾ T QU VÀ TH O LU N 68 Ả Ả Ậ 4.1 Ảnh hưởng của bộ DPF đến mức độ ả gi m phát thải và đặc tính k thu t cỹ ậ ủa động cơ D1146TI 68

4.1.1 Ảnh hưở ng c a b ủ ộ DPF đế n m ức độ phát th ả i của động cơ D1146TI 68

4.1.2 Ảnh hưở ng c a b ủ ộ DPF đến đặ c tính làm vi ệ c của động cơ D1146TI 69

4.2 Ảnh hưởng của bộ DOC và DPF đến mứ ộc đ gi m phát thả ải và đặc tính k ỹ

thu t cậ ủa động cơ D1146TI 70

4.2.1 Ảnh hưở ng c a b ủ ộ DOC và DPF đế n m ức độ ả gi m phát th i c ả ủa động cơ

D1146TI 71

4.2.2 Ảnh hưở ng c a b ủ ộ DOC và DPF đến đặ c tính làm vi ệ c của động cơ

D1146TI 72

K t luế ận chương 4 75

K T LU Ế ẬN CHUNG VÀ PHƯƠNG HƯỚ NG PHÁT TRI N Ể 76

TÀI LI U THAM KH O Ệ Ả 78

DANH M C CÁC KÝ HI U VÀ CH VI T T T Ụ Ệ Ữ Ế Ắ

CRT Continuous Regeneration Trap - B l c tái sinh liên t c ộ ọ ụ -

COM C ng giao ti p máy tính d ng nổ ế ạ ối tiếp - ECE R49 Chu trình th châu Âu ử ởchế độ tĩnh đối với động cơ xe

LEV Low Emission Vehicles - Phương tiện đi lại phát th i ả

VGT Varaibale Geometry Turbochanger - B ộ tăng áp hình học - VVT-i Varaibale Valve Timing Whith Intelligence - VOCs Volatile Organic Compounds - hàm lượng hỗn hợp các

chấ ữu cơ đột h c hại bay lên trong không khí -

DANH M C B NG Ụ Ả

B ả ng 1 S .1. ự gia tăng các phương tiện cơ giớ ủi c a Vi t Nam 5ệ

Bảng 1 2 Bùng nổ giao thông cơ giới (ước tính) 6

B ả ng 1 S li u d báo m 3 ố ệ ự ức độ tăng trưởng kinh t ế và phương tiện tham gia giao thông ở các đô thị ớ l n Vi t Nam và m t s ệ ộ ố nước trong khu v 6 ực

Bảng 1.4 Lượng phát th i cả ủa các thành phần trong động cơ diesel 14

Bảng 1.5 Các bi n pháp gi m phát thệ ả ải trên động cơ 30

Bảng 2.1 K t qu các thành ph n phát th i khi có EGR và không có EGR ế ả ầ ả

theo chu trình ECE R49 34

Bảng 2.2 Kích thước cơ bản của bộ ọc DPF cho động cơ diesel D1146TI l 48

Bảng 2.3 Kích thước cơ bản của bộ ô xy hóa DOC cho động cơ diesel D1146TI 50

Bảng 2.4 Nhiệt độ khí x cả ủa động cơ D1146TI đo tạ ịi v trí cách tuabin 40mm 52

Bảng 3.1 Các thông s k t c u cố ế ấ ủa động cơ D1146TI 55

Bảng 3.2 Di n gi i các mode c a chu trình th ECE R49 ễ ả ủ ử 64

Bảng 3.3 Trọng số 65

Bảng 4.1 Kết quả đo mức phát thải PM khi có và không lắp bộ lọc DPF trên đường

thải động cơ D1146TIcó lắp đặ ẵt s n b EGR theo chu trình ECE R49ộ . 68

Bảng 4.2 K t qu ế ả đo các thành phần phát th i khi có và không l p b x lý khí th i ả ắ ộ ử ả DOC và DPF trên đường thải động cơ D1146TIcó lắp đặt sẵ ộn b EGR theo13 mode c a chu trình th ủ ửECE R49 71

Bảng 4.3 T ng h p k t qu ổ ợ ế ả đo các thành phần phát th i khi không và có l p b ả ắ ộ DOC và DPF trên đường thải động cơ D1146TIcó lắp đặt sẵ ộn b EGR theo chu trình th ECE R49 72 ử

DANH M C HÌNH V Ụ Ẽ VÀ ĐỒ TH Ị

Hì nh 1.1 S ng ôtô và xe máy ho ố lượ ạt động hàng năm của Việt Nam 6

Hình 1.2 S ng và t l xe con s dố lượ ỷ ệ ử ụng động cơ diesel ở Đứ c 8

Hình 1.3 Thực tế ô nhiễm do phương tiện giao thông 10

Hình 1.4 c tính các thành phĐặ ần độc hại của động cơ diesel theo λ 11

Hình 1.5 T l c a các thành ph n khí thỷ ệ ủ ầ ải trong động cơ diesel 11

Hình 1.6 Tóm t t quá trình hình thành b hóng c a Fusco 13 ắ ồ ủ Hình 1.7 S hình thành NO ph 15 ự ụ Hình 1.8 Bi n thiên t s NOế ỷ ố 2/NO theo t i cả ủa động cơ diesel 16

Hì nh 1.9 Các gi i pháp gi m phát th i NO ả ả ả X và PM nhằm hướng tới các tiêu chu n ẩ Châu Âu 18

Hình 1.10 K t c u vòi phun nhiên li u 19 ế ấ ệ Hìn 11 h 1 Sơ đồ ệ ố h th ng EGR 21

Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lý của hệ ố th ng EGR áp su t dùng ấ ống Venturi 23

Hình 1.13 L c khí thọ ải động cơ diesel 24

Hình 1.14 Các dạng lọc PM 24

Hình 1.15 B lộ ọc DPF đồng th i là b tiêu âm 25 ờ ộ Hình 1.16 C u t o b DOC 26 ấ ạ ộ Hình 1 17 Hiệu quả ả gi m phát thải trên động cơ diesel của bộ DOC 27

Hình 2.1 Khí thải độc hại từ xe bus 33

Hình 2.2 C u t o lấ ạ ọc kín (l c kh i) 35 ọ ố Hình 2.3 C u t o lấ ạ ọc hở ọc bề ặ (l m t) 36

Hình 2.4 Lọc gốm monolith 37

Hình 2.5 Lõi lọc bằng lưới sợi gốm 37

Hình 2.6 Lõi lọc Celmet 38

Hình 2.7 Lõi lọc bằng sợi thép mạ crom 38

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý hệ thống CRT 40

Hình 2.9 Đưa thêm Glycol vào khí thải trước khi cho qua b xú ác 40 ộ c t Hình 2.10 Đốt PM bằng dây điện trở 42

Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ ố th ng SCR 43

Hình 2.12 C u t o b xúc tác DOC 45 ấ ạ ộ Hình 2.13 Cấu tạo bộ lọc chấ ả ạt th i d ng h t DPF 46 ạ Hình 2.14 K t c u lõ cế ấ i lọ DPF hở (l ọc bề ặt) m 47

Hình 2.15 K t c u lõ cế ấ i lọ DPF kín (l ọc khối) 47

Hình 2.16 Kích thước cơ bản c a b l c DPF 47 ủ ộ ọ Hình 2.17 Bộ xử lý khí thải kiểu xúc tác 3 đường 49

Hình 2.18 Các phản ứng chính diễn ra trong bộ xúc tác 2 đường 49

Hình 2.19 Kích thước cơ bản c a b DOC 49 ủ ộ Hình 2.20 K t c u lế ấ ắp đặ ệ ốt h th ng DOC và DPF 51

Hình 2.21 V trí l p b ị ắ ộ DOC và DPF trên đường th i c a quá trình th nghi m 52 ả ủ ử ệ Hình 2.22 V trí l p c m bi n nhiị ắ ả ế ệt độ trên đường th i cả ủa động cơ D1146TI 52

Hình 3.1 Động cơ D1146TI chạy th nghi m 54 ử ệ Hình 3.2 Sơ đồ ố b trí thi t b th nghiế ị ử ệm trên băng thử 56

Hình 3.3 Sơ đồ phòng th ử động cơ 56

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý làm việc của phanh điện APA 100 57

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý thi t b làm mát dế ị ầu bôi trơn AVL 554 58

Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý thi t b ế ị làm mát nước AVL 553 58

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý hoạt động c a h th ng 733S 59 ủ ệ ố Hình 3.8 T phân tích khí th i CEB-II 60 ủ ả Hình 3.9 C u hình thi t b SPC 472 (H thấ ế ị ệ ống đo phát thả ại d ng h t (PM) b ng ạ ằ thi t b SmartSampler) 60 ế ị Hình 3.10 Thiết bị đo độ khói AVL415 61

Hình 3.11 Động cơ D1146 I đượ ắp đặt trên băng thửT c l trong PTN 62

Hình 3.12 Sơ đồ ể ệ th hi n các mode c a chu trình th ủ ửECE R49 63

Hình 4.1 c tính công su t cĐặ ấ ủa động cơ ởcác chế độ 100%, 75%, 50% và 25% t i ả trong các trường hợp không và có l p b ắ ộDPF 69

Hình 4.2 c tính tiêu hao nhiên li u cĐặ ệ ủa động cơ ở 25%, 50%, 75% và chế độ 100% tải trong các trường hợp không và có lắp bộ DPF 69

Hình 4.3 c tính mô men cĐặ ủa động cơ ở 25%, 50%, 75% và 100% t i chế độ ả trong các trường h p không và có l p h thợ ắ ệ ống giảm phát th i EGR, ả DOC và DPF 73

Hình 4.4 c tính công su t cĐặ ấ ủa động cơ ởchế độ 25%, 50%, 75% và 100% t i ả trong các trường h p không và có l p b x lý DOC và DPF 73 ợ ắ ộ ử

Hình 4.5 c tính tiêu hao nhiên li u cĐặ ệ ủa động cơ ở 25%, 50%, 75% và chế độ 100% tải trong các trường hợp không và có lắp hệ ố th ng gi m phát th i ả ả EGR, DOC và DPF 74

MỞ ĐẦU

I Lý do nghiên cứu đề tài

Trong những năm gần đây cùng với sự phát tri n cể ủa nền kinh tế đất nước nhu

cầu đi lại, vận chuyển h ng ho ủa người dân tăng nhanh dẫn tới số lượng c c à á c áphương tiện giao thông đặc bi t là cáệ c phương tiện s d ng nhiên liử ụ ệu diesel tăng lên rất nhanh như xe buýt, xe kh ch, xe tá ải Theo đánh giá của chuyên gia, ô nhiễm không khí cáở c đô thị ớn như l TP Hà Nội, TP ồH Chí Minh do phương tiện giao thông gây ra chi m tế ỷ ệ l khoảng 70% Trong đó hàm lượng phát th i cả ủa các phương tiện s d ng nhiên li u diesel chi m m t t l áng k ử ụ ệ ế ộ ỷ ệ đ ể

Mức phát thải chất độc hại của các phương tiện cơ giới 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

Còn 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 và cũng để đáp ứng được điều kiện thực tế, dung hòa được các yếu tố về kinh tế, kỹ thuật mà không ảnh hưởng đến kết cấu động cơ, đảm bảo việc cắt giảm phát thải các chất gây ô nhiễm ra môi trường, được sự giúp đỡ hướng dẫn khoa học của PGS TS Khổng Vũ Quảng Bộ môn ĐCĐT Viện CKĐL Trường ĐHBK - - -

Hà Nội nên em đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu giảm ph t thải bằng bộ c t c á xú áôxy h a DOC vó à lọc phát th i dả ạng hạt DPF trên động cơ diesel” với mong muốn

góp phần đưa ra giải pháp hạn chế phát thải độc hại, khói muội than ra môi trường

từ các loại phương tiện xe cơ giới sử dụng động cơ diesel n i chung, đặó c bi t là các ệ

loại xe chất lượng thấp nhập khẩu từ Liên Xô cũ, Trung Quốc, lắp r p tại Việá t Nam đang sử dụng phổ biến trên các xe bus, các lo i xe ch khách c lạ ở ỡ ớn ở Việt Nam hiện nay

II Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu đề tài

2.1 Mục đích nghiên cứu

Đề tài nhằm đưa ra giải pháp công nghệ giảm phát thải độc hại, khói b i, mu i ụ ộthan, c th làụ ể : CO, HC v PM cho động cơ diesel ra môi trường, mà không ảnh à hưởng đến kết cấu động cơ, đảm bảo phù hợp với điều kiện kinh tế và thực tế trong nước, cụ thể áp dụng giảm phát thải cho các loại xe bus, xe khách sử dụng động cơ diesel đạt được tiêu chuẩn về khí thải của Việt Nam (tiêu chuẩ Euro 2 đượn c áp

d ng t ngày 01/7/2007 theo ch cụ ừ ỉ thị ủa chính ph ) ủ

2.2 Đối tượng v Phạm vi nghiên cứu à

Động cơ D1146TI đượ ực l a ch n làm đọ ối tượng nghiên cứu Đây l độà ng cơ diesel sử ụ d ng hệ thống cung c p nhiên li u truy n thấ ệ ề ống lắp phổ biến trên các xe bus, xe khách đang lưu hành ở TP Hà Nội và các tỉnh lân c n Gi i ph p gi m phậ ả á ả át

th i ả được p dụng trong nghiên cứu n y tập trung v o giảm ph t thải PM bằá à à á ng phương pháp k t h p gi a b xú áế ợ ữ ộ c t c ôxy h a DOC vó à bộ ọ l c d ng h t DPF Toàn ạ ạ

bộ các nội dung nghiên cứu, các thử nghiệm của đề tài được thực hiện ở động cơ D1146TI lắp trên băng thử tại PTN ĐCĐT Viện CKĐL Trường ĐHBK Hà Nội.- -

Do điều kiện thời gian có hạn nên đề tài chỉ tập trung nghiên cứu giải pháp giảm phát thải PM của động cơ D1146TI có lắp đặ ột b EGR bằng kỹ thuật kế ợt h p

v i b chuyớ ộ ển đổi x c t c ú á ôxy hóa DOC và b lộ ọc dạng hạt DPF

III Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu v tham khảo các tài liệu khoa học trong và ngoài nước, các đề à tài, chuyên đề nghiên cứu, tra cứu thông tin trên các trang Wed của mạng Internet

có các nội dung liên quan đến đề tài

- Sử dụng phương pháp thử nghiệm trong phòng thí nghiệm để đánh giá khả

năng áp dụng công nghệ giảm phát thải độc hại bằng giải pháp k t h p gi a b ế ợ ữ ộDOC và b lộ ọc DPF

IV Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Đề tài đưa ra giải pháp nhằm mục đ ch giảm ph t thải dạng hạt PM và hyđrô í á(HC), monôxit c cbon (CO) vá à là tác nhân giảm nhiệt độ đốt cháy muội than trong

b lộ ọc dạng hạt DPF, giảm khả năng và tuổi thọ cho bộ ọc ph t thải DPF, để đả l á m bảo DPF cắt giảm phát thải PM dạng hạt ra môi trường cho động cơ diesel được liên t c, hi u quụ ệ ả khi lắp trên các xe bus, xe khách, phù hợp với điều kiện thực tiễn kinh tế, kỹ thuật của Việt Nam

- Mặt khác, kết quả nghiên cứu của đề tài góp phần tích cực vào việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường do phát thải của các phương tiện tham gia giao thông gây

ra, đặc biệt là các loại xe bus, xe kh ch sử dụng động cơ diesel, đượá c nh p kh u t ậ ẩ ừLiên Xô c , Trung Qu c, l p ráp tũ ố ắ ại Việt Nam

V Các nội dung chính trong đề tài

Với yêu cầu đặt ra l nghiên cứu cắt giảm ph t thải độc hại cho động cơ diesel à á

D1146TI l p chắ ủ ế y u trên xe bus, là th phủ ạm ch nh gây ra ô nhií ễm môi trường tại

các đô thị ớn như H l à Nội Bằng c c giải ph p xử trên đường thải m không l m á á lý à à

ảnh hưởng đến tính năng kinh tế ỹ k thu t c a đậ ủ ộng cơ, đảm b o c t giả ắ ảm được n ng ồ

độ độ c h i c a khí th i, thạ ủ ả ải ra môi trường, đưa mức ph t thá ả ủi c a động cơ D1146TI

hướng t i đ t tiêu chu n khí th i Euro3 (tiêu chu n khí th i Châu Âu) Tác gi ã ớ ạ ẩ ả ẩ ả ả đ

thực hiện các nghiên cứu được thể hiện cụ thể trong thuyết minh như sau:

- Mở đầu

- Chương 1 Tổng quan về hướng nghiên c u ứ

- Chương 2 Nghiên cứu gi m phát thả ải PM cho động cơ D1146TI

- Chương 3 Nghiên cứu th nghi m ử ệ

- Chương 4 Kết qu và th o lu n ả ả ậ

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HƯỚ NG NGHIÊN C U Ứ 1.1 Xu hướ ng phát tri n c ể ủa động cơ

1.1.1 S phát tri n và vai trò quan trự ể ọng của động cơ đốt trong

Xu hướng ph t triển ch nh củ ộng cơ đốá í a đ t trong l hướng tới tố ộà c đ , tiết kiệm nhiên li u, nhệ ỏ ọn hơn v đặ g à c biệ à giảt l m thi u ô nhiể ễm môi trường, thân thiện hơn với môi trường, phục vụ đời sống con người ngày càng hoàn thiện hơn

Động cơ đốt trong đóng một vai trò quan trọng cho nền kinh tế quốc dân, là nguồn động lực chính của các phương tiện vận tải như: ôtô, tàu thuỷ, tàu hoả, máy bay, hay các máy công tác như: áy phát điện, máy xây dựng, các máy công cụ Mtrong công nghiệp, nông nghiệp…Năng lượng do động cơ đốt trong cung cấp chiếm khoảng 80% tổng năng lượng toàn Trái đất, tới thời điểm hi n t i nh ng c i ti n ệ ạ ữ ả ế

đáng k ể trên động cơ đ ạã t o ra s khác bi t r t l n v t c đ , ti t ki m nhiên li u, ự ệ ấ ớ ề ố ộ ế ệ ệ

nh gỏ ọn hơn… Đặc biệt động cơ diesel hiện nay được sử ụng hầu hết trên c c loại d á

xe t i vả à xe chở khách của tấ ả cá ãt c c h ng xe trên to n thà ế giới, ngoài ra động cơ diesel còn được sử ụ d ng cho các lo i t u th y, máy công táạ ầ ủ c…

Theo thống kê ủc a Cục đăng kiểm Việt Na tại T Hồ Chí Minh năm 2009 có m P trên 400 nghìn xe ô tô, tăng 211% so với cuối năm 2000 còn tại TP Hà Nội, năm

2009 có trên 300 nghìn xe ô tô, tốc độ tăng phương tiện cá nhân từ 12 ÷ 15%/năm.Theo thống kê của Cục đăng kiểm Việt Nam thì số lượng các phương tiện gia tăng hàng năm tăng lên đột biến do nhu cầu sử dụng nhiều và được thể hiện trong bảng 1.1 như sau[2]:

B ng 1.1.ả S ự gia tăng các phương tiện cơ giớ i củ a Vi t Nam ệ [2]

Theo Bộ GTVT, số lượng các phương tiện giao thông cơ giới đường bộ tiếp tục tăng nhanh theo Cục đăng kiểm trong tháng 4/20, 09 số lượng ô tô đăng ký mới

là 10.277 chiếc Tổng số phương tiện cơ giới đăng ký lưu hành tính đến hết tháng 4/2009 là trên 36,6 triệu chiếc Trong đó số lượng ô tô trên 1,9 triệu chiếc [2]

B ng 1.2 ả Bùng n ổ giao thông cơ giới (ướ c tính) [3]

Xe đạ p Ô tô, xe

máy GTCC Xe đạp

Ô tô,xe máy GTCC Xe đạp

Ô tô, xe

B ng 1.3 ả S ố liệ ự u d báo m ức độ tăng trưở ng kinh t ế và phương tiệ n tham gia giao thông

ở các đô thị ớ l n Vi t Nam và m t s ệ ộ ố nướ c trong khu v c ự [6]

20

15

10

5

Triệu xe máy 30

1.000

Qua những số ệu thống kê cụ ể ở trên c li th ó th thể ấy xu hướng ph t triển của áđộng cơ đốt trong, khi mà h u h t cáầ ế c phương tiện nói chung v ô tô nà ói riêng đều

s dử ụng các loại động cơ đốt trong, từ đơn giản đến phức tạp

Các số liệu trong b ảng (1 1; 1 2; 1 3) và hình 1.1 cho thấy tốc độ gia tăng của các phương tiện xe cơ giới đồng nghĩa với lượng phát thải độc hại ra môi trường cũng tăng lên gây ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường và sức khỏe con người.,

1.1.2 Tác động của phát thải từ các phương tiện gia o thông s d ng đ ng cơ đốt ử ụ ộ trong đến môi trường

Sự gia tăng đột biến các phương tiện giao thông đồng nghĩa với lượng phát thải độc hại của ch ng ra môi trường cũng rất lớn Nếu chúng ta không kiểm soát úđược và thực hiện nghiêm túc các tiêu chuẩn khí thải đối với các phương tiện cơ giới thì sẽ gây ra những thiệt hại đáng kể về kinh tế và ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe cộng đồng Các chất có trong phát thải của phương tiện giao thông gây tác hại đối với sức khỏe con người chủ yếu là (PM2,5), SO2, NOX, CO, CO2, O3, Pb và hơi xăng dầu Ước tính nguồn thải bụi do hoạt động GTVT gây ra chiếm khoảng 30% trong tổng lượng bụi thải ra ở đô thị chiếm tới 80% trong tổng lượng bụi có trong không khí Ở các đô thị lớn, lượng thải khí NO2 của ngành GTVT chiếm tới 30%; lượng thải khí CO là 85% và lượng thải khí SO khoảng 5%, lượng thải bụi chì

và hơi hì chiếm tới (80 ÷ 90)% trong tổng số lượng các chất thải gây ô nhiễm ở ckhu vực đô thị [2] Phát thải của các phương tiện giao thông gây ra các bệnh về đường hô hấp (viêm mũi, viêm xoang, viêm họng, viêm phế quản, ho, viêm phổi, bụi phổi, ung thư phổi vv…), các bệnh về da (viêm da, mề đay, dị ứng da vv…), các bệnh về thị giác (đau mắt, viêm mắt…) [7] Theo báo cáo môi trường quốc gia

2012, tỷ lệ người mắc bệnh liên quan đến ô nhiễm không khí ở các thành phố lớn như: TP Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, TP Hải Phòng, TP Đà Nẵng thường cao hơn ở các tỉnh, thành phố khác Các thiệt hại ước tính về kinh tế do ô nhiễm không khí tác động đến sức khoẻ con người tại TP Hà Nội là 2,58 tỷ đồng/ngày (tương đương khoảng 60 triệu USD/năm), tại TP Hồ Chí Minh là 4,93 tỷ đồng/ngày (khoảng 120 triệu USD/năm)

Theo tổ chức y tế Thế giới (WHO), có khoảng (4÷8)% số người trên thế giới

bị tử vong do ô nhiễm không khí Còn ở Việt Nam, các loại bệnh có liên quan đến đường hô hấp tăng nhanh, ở các khu vực T Hà Nội, T Hồ Chí Minh hàng năm P P

có 626 người chết, 1547 người mắc các bệnh về hô hấp (theo số liệu năm 2003) do

ô nhiễm vượt quá TCVN: 5937-1995

Đối với khí hậu: hát thải từ các phương tiện giao thông làm phá hủy tầngPôzôn (tấm áo bảo vệ Trái đất làm giảm tác hại của tia cực tím, tia vũ trụ…) gây ra hiệu ứng nhà kính làm cho nhiệt độ trung bình Trái đất tăng lên 0,7 oC trong vòng

100 năm qua (nhiệt độ trung bình hiện nay là 17 oC thay vì -15 oC) Theo dự báo của các nhà khoa học, với tốc độ tiêu thụ năng lượng hiện nay (tốc độ phát thải CO2

vào tầng bình lưu) thì nhiệt độ trung bình Trái đất sẽ tăng từ (1,5 ÷ 4) oC trong 50 năm tới, làm cho băng ở hai bán cực tan, nước biển dâng gây ngập lụt các thành phố, làng mạc, đồng bằng ven biển, ảnh hưởng cuộc sống hàng trăm triệu người [7]Theo đánh giá của chương trình phát triển Liên Hợp Quốc (UNDP), Việt Nam nằm trong tốp 5 nước bị tổn hại vì biến đổi khí hậu Nếu nước biển tăng 1 mét sẽlàm mất 5% diện tích đất đai, 11% số người bị mất nhà, giảm 7% sản lượng nông nghiệp và 10% GDP Nếu mực nước biển dâng lên là (3÷5) m thì có thể xảy ra thảm họa ở Việt Nam [7]

1.2 Th c tr ự ạng phát thải từ các phương tiện tham gia giao thông sử ụ d ng động

cơ diesel

1.2.1 S ự gia tăng c c phương tiện sử ụng động cơ dieselá d

Động cơ diesel từ lâu là 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 [5] Hình 1.2. S ố lượ ng v ỷ ệ xe con à t l sử

d ng ụ động cơ diesel ở Đứ c [5]

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 hi n ệ

trên hình 1.2 [5]. Trong những năm qua cùng v i sớ ự phát triển của nền kinh tế xã

-hội củ ấa đ t nước nhu cầu đi lại, vận chuyển h ng h a của người dân tăng nhanh dẫà ó n

t i ớ số lượng, mật độ xe cơ giới lưu hành tăng lên rất nhanh các phương tiện giao

thông đặc bi t là cáệ c phương tiện s dử ụng động cơ đốt trong diesel tăng lên rất

nhanh như xe bus, xe khách và hầu hết các loại xe tải từ nhỏ nhất là 0,5tấn đến các

loại xe siêu trường, siêu trọng, tập trung ở những khu đô thị lớn nhất là TP Hà Nội

và TP Hồ Chí Minh, cá nh lân cc tỉ ận và những khu công nghiệp Theo thống kê của Cục đăng kiểm Việt Nam, số lượng xe bus ở TP Hà Nội có

khoảng 1.300 chiếc với tuổi đời từ 5 đến 10 năm Trong đó có trên 30% xe bus xả

khói đen nhiều hơn mức cho phép Còn theo Trung tâm quản lý và điều hành Giao

thông - Đô thị Hà Nội, tại địa bàn thành phố xe bus đang hoạt động trên 120 tuyến

(số liệu năm 2012) tấ ảt c các lo i xe nàạ y đều s dử ụng động cơ diesel [17]

1.2.2 Thực trạng phát thải của các phương tiện sử ụng động cơ diesel d

Theo Cục đăng kiểm Việt Nam cho biết, khi tiến hành kiểm tra ngẫu nhiên tại

các điểm đầu và cuối của các trạm dừng đỗ xe bus ở TP Hà Nội cứ 10 xe kiểm tra

thì có 3 xe không đạt tiêu chuẩn khí thải, chiếm khoảng 33% cụ thể có 12/35 xe b us

và 25/82 xe khách liên tỉnh được kiểm tra không đạt chuẩn khí thải (số liệu kiểm tra

tháng 12-2012) Còn ở TP Hồ Chí Minh có 4/21 xe bus và 5/20 xe khách liên tỉnh

được kiểm tra không đạt chuẩn khí thải (số liệu kiểm tra tháng 7 2012) và chiếm

-khoảng 30%, tấ ảt c cá loc i xe nàạ y đều s dử ụng động cơ diesel [17]

Khí thải xe bus rất độc hại do tình trạng kỹ thuật của động cơ bị xuống cấp,

tuổi đời động cơ cao và chất lượng nhiên liệu diesel không đảm bảo theo tiêu chuẩn

quy định Mặt khác xe bus thường xuyên chở quá tải, quãng đường di chuyển ngắn,

dừng đỗ nhiều, hệ thống đường giao thông chưa đáp ứng được nhu cầu đi lại, tốc độ

chậm nên phải chạy chế độ đậm nhiên liệu do đó khí thải thường đen đậm, công tác

chăm sóc bảo dưỡng không thường xuyên và đồng bộ theo quy định của nhà chế

tạo, là tác nhân chính gây ra tình trạng ô nhiễm môi trường nặng nề.

Ngoài ra công tác quản lý và xử lý của các cơ quan có thẩm quyền đối với các phương tiện cơ giới và các loại xe bus chưa chặt chẽ, thiếu đồng bộ, thực tế cho thấy vào các giờ cao điểm các xe b us thường vượt số người quy định (quá t i) ả Thông qua th c trự ạng đã nêu trên có th th y ở ể ấ lượng phát thải NOx, PM, HC

và CO từ động cơ diesel còn rất cao Theo báo cáo hiện trạng môi trường quốc gia năm 2012, kết qu ảquan trắc môi trường không khí trên toàn qu c cho thố ấy lĩnh vực giao thông ước tính chi m khoế ảng 85% đố ới CO và 95% đố ới v i v i VOCs (các h p ợchấ ữu cơ bay hơi), các hoạ ột h t đ ng công nghi p và sinh ho t ch chi m 10 đ n ệ ạ ỉ ế ế30% Trong đó, khí thải xe cơ giới là ngu n chính gây ô nhi m CO, HC, PM, NOồ ễ x

và các chất ph ụ gia trong xăng như benzene, toluene Do chưa có hệ th ng quan ố

trắc đầy đủ nên không thể ấy được bức tranh tổng thể ề ô nhiễm trong không khí th v trên cả nước mà chỉ hình dung được ph n nào mầ ức độô nhi m không khí tễ ại m t số ộ

trục giao thông chính tại TP Hà Nội và TP Hồ Chí Minh Các số ệu quan trắc cho li

th y các thành ph l n ấ ố ớ ở nước ta đều bị ô nhi m b i, PMễ ụ 10, CO, HC, NOx [9]

Chúng ta cũng bị ô nhiễm bụi PM10 và vẫn có xu hướng tăng lên Mứ ộc đ ô nhiễm không bằng các thành phố ở Trung Quốc và Ấn Độ trước đây nhưng lại cao hơn Hồng Kông và Băng Cốc Ô nhi m PMễ 10 ở nước ta chủ ếu do các loại xe cơ y

giới chạy diesle và một phần do xe mô tô, xe gắn máy, thực trạng như thể ện trên hi

hình 1.3 [4]

Hình 1.3 Thực tế ô nhiễm do phương tiện giao thông [17]

Trên hình 1.4 và 1 5 có th thể ấy r đặc t nh cũng như tỷ ệ c th nh phần khõ í l cá à í thải, 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 có cơ chế hình thành và tác hại được tóm tắt như sau:

2C + O2 = 2CO (1) Trong động cơ, ở chế độ tải cao và chế độ khởi động, hỗn hợp không khí - nhiên 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

b.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 [11]

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 suyễn, có thể gây ra các bệnh về tim mạch, thần kinh, CO ngăn cản việc vận chuyển ôxy từ m u vào các mô làm cho các bộ áphận 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) [11]

1.2.2.2 Khí HC (Hyđrôcácbon)

a 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

- 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 nghèo, vì nó không cháy được [11]

b 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 [11]

1.2.2.3 Chất thải dạng hạt PM

a 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 0 C), 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 [11] Thành ph n b hóng bao g m các hầ ồ ồ ạt (PM) có kích thướ ừc t

0, 01 đến 1µm Ph n lầ ớn hạt có kích thước < 0,3µm nên r t dấ ễ ị b hít vào và gây tổn thương cho đường hô h p và ph i Thành ph n PM bao g m các thành ph n chính ấ ổ ầ ồ ầsau [11]:

- Cácbon: thành ph n này ít nhi u ph thu c vào nhiầ ề ụ ộ ệt độcháy và hệ ố dư lượ s ng không khí trung bình, đặc biệt là khi động cơ hoạt động ch y t i, quá t i ở ế độ đầ ả ả

- Dầu bôi trơn không cháy: Đối với động cơ cũ thành phần này chiếm tỷ ệ ớ l l n Lượng dầu bôi trơn bị tiêu hao và lượng h t b hóng có quan h v i nhau ạ ồ ệ ớ

- Nhiên liệu chưa cháy hoặc cháy không hoàn toàn: Thành phần này phụ thuộc vào nhiệt độ và h s ệ ố dư lượng không khí

- Sun phát: Do lưu huỳnh trong nhiên li u b ôxy hóa và t o thành SOệ ị ạ 2 hoặc SO4

- Các chất khác: Lưu huỳnh, calci, sắt, silicon, chromium, phosphor, các hợp chất calci t dừ ầu bôi trơn, thành

phần hạt bồ hóng còn phụ thuộc

vào tính ch t nhiên liấ ệu, đặc điểm

của quá trình cháy, dạng động cơ

cũng như thời h n s d ng c a ạ ử ụ ủ

động cơ (cũ hay mớ i)

- Cơ chế hình thành bồ hóng

trong buồng cháy động cơ diesel

tổng quan nhất của Fusco được

mô t ả theo sơ đồ trong hình 1.6.

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 [11]

Ngoài ra khi PM bám 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

Cho nên việc hiểu biết đầy đủ tác hại và cơ chế hình thành của PM 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, trước khi thải ra môi trường là

rất cần thiết Mức độ phát sinh ô nhiễm

trung bình của PM được thể hiện trong

bảng 1 4 ,đây là số liệu mang tính chất

trung bình ở điều kiện cháy của hỗn

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 4 sẽ thay đổi theo [11]

1.2.2.4 Khí NO X (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 Các giải pháp kỹ

B ng 1.4 ả Lượ ng phát th i c a các ả ủ thành phần trong động cơ diesel [11]

thuật khác nhằm hạn chế NOx ngay trong quá trình cháy cũng đã được áp dụng trên động cơ hiện đại như luân hồi khí xả, thay đổi thời kỳ trùng điệp của góc độ phối khí…

a 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

Thành phần chính để tạo nên NO là khí nitơ có trong không khí nạp vào động cơ Phản ứng dây chuyền 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 Những phản ứng chính tạo thành NO là:

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 xilanh

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 Hì nh 1.7 S hì ự nh th ành NO ph ụ [11]

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 hình 1.7

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

độ O2lớn thì nồng độ NO trong sản phẩm cháy cũng lớn

- Sự hình thành Điôxit nitơ (NO 2 )

Đố ới phát thải của động cơ diesel c đếi v ó n 30% NOx dưới dạng NO2, nó được hình thành từ NO và các chất trung gian theo ph n ng hóả ứ a học sau:

NO+ H2O < > NO2 + OH (1) Trong điều ki n nhiệ ệt độ cao, NO2 t o thành có th ạ ểphân giải theo ph n ng: ả ứ

NO2 + O < > NO + O2 (2) Trong trường h p NOợ 2 sinh ra trong ngọn lửa bị làm mát ngay b i môi chở ất có nhiệt độ thấp thì ph n ả ứng (1 3) bị ống chế, nghĩa l- kh à NO2 tiếp tục tồn tại trong

sản vật ch y Như vậy khi động cơ diesel l m việ ở chế độ ải thấp thá à c t ì ph n ng ả ứngược biến đổi NO2 thành NO cũng bị ống chể ởi c c v ng không kh kh b á ù í có nhi t ệ

độ ấ th p Ngo i ra NOà 2 còn được h nh th nh trên đườ ống xả khi tố ộì à ng c đ thải thấp

và có s có mự ặt của ôxy

Trên hì nh 1.8 là biến thiên của tỷ ệ l NO2/NOx

trên đường x ả động cơ diesel theo chế độ ả ỷ t i, t

l nà àệ y c ng cao khi tải c ng thấp NOà 2 là khí

độc nh t trong h NOấ ọ x, vì vậy việc tổ ứ ch c tốt

quá trình ch y sẽ ảm được nồng độá gi NO2 t o ạ

thành, tăng tốc độ phân giải chất ô nhiễm này

và có ý nghĩa rất quan trọng đối v i môi ớ

N2O chủ yếu được hình thành vùng ôxy hó có nở a ồng độ nguyên t H cao, mà ửHydro là t t o chấ ạ ra sự phân hủy mạnh Prôtôxitnitơ theo phả ứn ng:

Hình 1.8 Biến thiên tỷ ố NO s 2 /NO theo tải của động cơ diesel [11]

Chính v ậy Nì v 2O chỉ chiếm tỷ ệ ấ l r t th p trong khấ í x (kho ng 3÷8 ppmV) ả ảMặt khác phương pháp hình thành hỗn hợp cũng ảnh hưởng đến sự hình thành NOx

đối với buồng cháy ngăn cách, quá trình cháy diễn ra ở buồng cháy phụ (hạn chế

không khí) rất thiếu ôxy nên mặc dù nhiệt độ cháy lớn nhưng NOx vẫn nhỏ Còn khi

cháy ở buồng cháy chính, tuy λ rất lớn, ôxy nhiều nhưng nhiệt độ quá trình cháy

không lớn nên NOx nhỏ 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 [11]

b Tác hại của NO x đến sức khỏe con người v à th ự c vậ t

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 [11]

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%

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

Như đã trình bày ở trên, chúng ta đã biết được th c tr ng ph t thự ạ á ả ủa động cơ i c

diesel và cơ chế hình thành, tác h i cạ ủa các chất có trong khí th i cả ủa động cơ, đặc

biệt là phát thải NOx và PM Mặc dù NOx và PM chỉ chiếm một tỷ ệ ất nhỏ l r song

lại rấ ột đ c hại, nó có tác động không nhỏ đến môi trường và sức khỏe con người Vì

vậy việc tìm ra giải pháp cắt giảm NOx, PM và mộ ố ất như CO, HC là hết s ch t sức

N2O + H < > NH + NO (3)

N2O + H < > N2 + OH (4)

cần thiế Hiện nay trên thế gới đã có nhiều biện pháp kỹ thuật giảm phát thải được t

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

- 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 hì nh 1.9 nh btrì ày giới hạn tiêu chuẩn ph t thải của Châu Âu đối với áthành phần NOx và PM và các phương án xử lý khí thải, việc p dụng c c giải ph p á á á

c t gi m phát thắ ả ải sẽ được nghiên cứu trong các nội dung tiếp theo của luận văn

1.3.1 Giải pháp liên quan đến cải tiến kết cấu động cơ

1.3.1.1 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

Hì 1.9 nh Cá c giả i phá p giảm ph t thải NO á X và PM ằm hướng tớ nh i cá c tiêu chuẩ n Châu Âu [5]

1.3.1.2 Lựa chọn phương pháp hình thành hỗn hợp thích hợp

Trong động cơ diesel có hai phương pháp hình thành hỗn hợp đó là: Hình thành hỗn hợp trong buồng cháy thống nhất (phun trực tiếp) và hình thành hỗn hợp trong buồng cháy ngăn cách (phun gián tiếp)

Ở mỗi loại buồng cháy đều có ưu,

nhược điểm riêng: 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 Hình 1.10. K ế t cấu v i phun ò nhiên liệu [8]

như thể ệ hi n trên hình 1.10 cũng ảnh hưởng đến lượng phát thải NOx cũng như các thành phần phát thải độc hại khác

1.3.1.3 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

1.3.1.4 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 lệu điều khiển điện tử có thể làm giảm được các thành phần độc hại trong khí thải tới mức thấp nhất có thể

1.3.1.5 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 PM rất thấp

- Nhiên liệu kép 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%)

1.3.1.6 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 xupáp, 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:

+ Tăng áp suất phun đối với động cơ buồng cháy thống nhất: dùng bơm - vòi 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 để nhằm m c đích: ụ

- 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 1.3.2 Giải pháp liên quan đến xử lý trên đường th i ả

-1.3.2.1 Luân hồi khí thải EGR

Luân hồi khí thải là một biện pháp hữu hiệu để ảm sự hình thành NO gi x trong

bu ng cháy Khí th i sau khi ra khồ ả ỏi động cơ được trích m t ph n tr lộ ầ ở ại đường n p, ạkhí luân hồi trước khi đi vào đường nạp được định lượng bởi van định lượng khí luân h i (van EGR) Khí luân h i bao g m chồ ồ ồ ủ ế y u CO2, N2 và hơi nước sẽ được

đưa trở ạ l i xylanh để làm loãng h n h p cháy và gi m nỗ ợ ả ồng độ O2 trong buồng

cháy Hình 1.11 th hiể ện sơ đồ ệ h thống luân hồi khí thải trên động cơ, do nhiệt lượng c a khí luân h i lủ ồ ớn hơn rất nhi u so v i không khí n p nên khí luân h i làm ề ớ ạ ồtăng nhiệt dung riêng c a khí nủ ạp, do đó sẽ làm giảm độ tăng nhiệt độ ớ v i cùng lượng nhi t gi i phóng c a quá trình cháy trong bu ng cháy T l khí luân h i ệ ả ủ ồ ỷ ệ ồđược tính như sau [5]:

EGR = − (1.1)

Hình 1.11.Sơ đồ ệ h thống luân hồi khí thải EGR [5]

Trong đó:

Wtegr: Lưu lượng khí n p khi không có luân h i ạ ồ

Wsegr: Lưu lượng khí n p sau luân h i ạ ồ

Một cách định nghĩa tỷ l ệkhí luân hồi khác là dựa trên nồng độ CO2 do Baert đưa ra năm 1999 [ ]5 :

[CO2]n pạ + [CO2]đườ ng nạp

Van EGR

Khí thải

M 'L: Khối lượng không khí n p có khí luân h i ạ ồ

M L : Khối lượng khí n p không luân h i ạ ồ

P 'AC : Áp su t khí n p có khí luân h i ấ ạ ồ

P AC : Áp suất khí n p không luân h i ạ ồ

T 'IP : Nhiệt độ ạ ử t i c a nạp có khí luân h i ồ

T IP : Nhiệt độ ạ ử t i c a nạp không luân h i ồ

Có ba cách gi i thích cho ả ảnh hưởng c a luân h i khí thủ ồ ải đến vi c giệ ảm NOx

là: Kéo dài thời gian cháy, tăng nhiệt dung riêng và làm loãng khí n p bạ ằng khí trơ (ch y u là COủ ế 2) Gi thuy t kéo dài thả ế ời gian cháy đã được khẳng định b i luân h i ở ồkhí th i gây kéo dài thả ời gian cháy tương tự như việc gi m góc phun sả ớm Giả ế thi t tăng nhiệt lượng cho r ng viằ ệc thêm khí trơ vào khí nạp s ẽ tăng nhiệt dung riêng c a ủ

nh ng ph n t ph n ng xu t hi n trong quá trình cháy làm giữ ầ ử ả ứ ấ ệ ảm nh ệt đội cháy Theo giả thiết làm loãng khí nạ ảnh hưởng của luân hồi khí thải đến NOp, x

gây ra bởi tăng lượng khí trơ không cháy trong hỗn h p sợ ẽ làm gi m nhiả ệt độ ủ c a quá trình cháy đoạn nhiệt Nhi u nghiên c u ề ứ [5, 10, 12] cho th y t i ch t i cao ấ ạ ế độ ả

rất không nên thực hiện luân hồi khí thải do sẽ làm kém đi quá trình cháy dẫn đến

việc tăng một cách nhanh chóng lượng khói và PM

Tại chế độ ải thấp thành phần HC chưa cháy trong khí luân hồi sẽ được đưa t

tr lở ại hòa trộn với khí nạp do đó sẽ làm tăng hiệu suất nhiệt Một phần khí luân hồi

tr lở ại đường nạp sẽ làm tăng nhiệt độ khí nạp theo đó sẽ ảnh hưởng đến quá trình cháy và thành ph n khí th i ầ ả

- Dùng ng enturi ố V

ng VỐ enturi là mộ ốt ng laval, khi dòng khí nạp qua ống thì áp suất tại phần

họng sẽ ỏ hơn áp suất trên đườ ống Tại họng của ống có đường dẫn khí luân nh ng

hồi vào đường nạ ống venturi có thể ảo đảm điều kiện ∆P > 0 bằp, b ng cách gi m áp ả

suất cục bộ trên đường nạp Khi sử ụ ống venturi, áp suất chỉ ảm khi thực hiện d ng giluân hồ nhưng áp suấi, t sẽ tăng trở ạ l i b ng áp suằ ất tăng áp ngay sau đó Do đó về

mặt lý thuyết có thể ở ộng vùng làm việc của hệ ống luân hồi mà không làm m r thtăng tổn th t cấ ủa bơm venturi đặt trên đường n p ạ

Dùng van venturi là một phương pháp hiệu q ả và có tính kinh tế cao do ốu ng venturi có kết cấu đơn giản, nhỏ ọ g n và có thể ử ụ s d ng trên những động cơ bình thường mà không c n thi t k lầ ế ế ại như thể ệ hi n trên hình 1.12

Hình 1.12. S ơ đồ nguyên lý của hệ ố th ng luân h i khí thả ồ i áp su t dùng ng venturi ấ ố [ 12 ]

1.3.2.2 X lý khí th i qua b l ử ả ộ ọ c DPF

a) K t c u chung c a b l c ế ấ ủ ộ ọ

Như đã trình bày ở trên, thành ph n phát th i h t PM gầ ả ạ ần như không bị ô xy hóa nhiở ệt độ thấp Do đó, để giảm thành phần PM thường dùng biện pháp tách

PM trong khí th i b ng lả ằ ọc cơ học Hiện nay, động cơ diesel hiện đại thường dùng

b lộ ọc PM đ ngăn và giữ ạ ởể l i lõi lọc các tạp chất rắn chủ ếu là muội than nên còn y

gọi là bộ ọc DPF Kết cấu chung của bộ ọ l l c được thể hiện trên hình 1.13 ộ ọc có B llõi lọc bằng gốm xốp đặt trong v thép Khí thỏ ải đi qua các lỗ ố x p của lõi lọc, các

phần tử muội than sẽ được giữ ại Lõi lọc gồm các ống thép mỏng đục lỗ được l

qu n quanh b ng s i g m.ấ ằ ợ ố

Hình 1.13. Lọc khí thải động cơ diesel [ 12 ]

1 Lõi lọ ằ c b ng g m x p; 2 Lõi lọc có xương bằ ố ố ng s i thép quấn ợ

Các loại lọc thường có k t c u bên ngoài gế ấ ần giống nhau, chúng khác nhau chủ

yếu là phần lõi lọc và tùy theo kết cấu của lõi lọc, người ta chia lọc PM thành hai

loại là lọc bề ặt và lọc thể tích Các lỗ ủa lõi lọc bề ặt có đườ m c m ng kính nh hơn ỏkích thước h t PM c n l c, trên b mạ ầ ọ ề ặt người ta t o ra các mạ ấu, khi dòng khí đi vào

một phần va vào các mấu sẽ ị ữ ạ Lọc bề ặt có thể ọc được 30 70% PM c ủ b gi l i m l - h

yếu là muội than Tuy nhiên, diện tích bề ặt lõi lọc nhanh chóng bị che phủ ởi m b

PM nên sức cả ủa bộ ọc tăng lên nhanh chóng Trái lại lọc thể tích có đườn c l ng kính các lỗ ỗ r ng c a lõi l c lớn hơn đườủ ọ ng kính PM c n lọầ c nên các hạt PM sẽ chui vào lõi l và bọc ị gi l i các l b bữ ạ ở ỗ ị ịt kín đầu kia, dòng khí b t bu c phắ ộ ải đi qua các vách ngăn của lõi lọc đi ra ngoài vì các lỗ so le còn l i không b b t kín mà thông ra ạ ị ịngoài Rõ ràng là so v i lớ ọc bề ặ m t, l c th tích giọ ể ữ được nhiều PM hơn đến 90% lượng PM c a khí th i và th i gian gi a hai l n bủ ả ờ ữ ầ ảo dưỡng l c s ọ ẽ dài hơn Về ấ c u

tạo các bộ ọc PM thông thườ l ng bao g m các thành ph n chính sau: Ph n lồ ầ ầ ớn các bộ

lọc được thiết kế theo kiểu lọc khối như hình 1.14a ấu trúc lõi lọc thông thườ C ng

bằng gốm xốp đúc hoặc thép cuộn có dạng hình trụ ỗng trong có các rãnh song rsong nhau theo phương dọc tr c T ụ ừ hình 1.14 chúng ta có th d d ng nh n th y ể ễ ạ ậ ấ

hiệu quả ủa phương pháp lọc khối tốt hơn phương pháp lọc bề ặt do thời gian giữ c mkhí th i trong bả ộ ọ l c được dài hơn, khả năng lọc cũng được cải thiện hơn tuy nhiên

c u t o và giá thành ch tấ ạ ế ạo cao hơn phương pháp lọc bề ặ m t

Hình 1.14. Các dạng l ọ c PM

a) Lọc khố b) lọc bề ặ i; m t

Kết cấu của lõi lọc khối có thể ễ dàng phân biệt với lõi lọc bề ặt với kết cấu d mbàn cờ đặc trưng được tạo ra b i các rãnh r ng mở ỗ ột đầu và được bị ở đầu đốt i diện còn lõi lọc bề ặ m t thì có k t c u r ng cế ấ ỗ ả hai đầ như thểu hiện trên hình 1.14a và 1.14b Với mọi vật liệu làm lõi lọc thì lõi lọ ều đượ ặc đ c đ t trong hộp vỏ ọc bằ b ng thép và đượ ắp vào đườc l ng th i c a xe Các b l c DPF có th ả ủ ộ ọ ể được đóng gói như

một bộ ận độc lập giống như một bộ ph chuyển đổi xúc tác nhưng thường có kích thướ ớn hơn Thông thườc l ng b lộ ọc được đặt bên trong ho c li n k v i b tiêu âm ặ ề ề ớ ộTuy nhiên do đặc điểm b lộ ọc DPF cũng có tác dụng tiêu âm nên trên m t s ng ộ ố độ

cơ bộ ọc DPF luôn đóng vai trò là bộ l tiêu âm là m t ví d ộ ụ điển hình được th hi n ể ệtrên hình 1.15

Hình 1.15 B l ộ ọ c DPF đ ồ ng thời là bộ tiêu âm [ 12 ]

b) Cơ chế ọ l c

Các hạt PM được bộ ọ l c thu gi dữ ựa trên phân tách các hạt có trong khí th i và ảđược lưu giữ ạ l i bên trong b l c Vi c tách các hộ ọ ệ ạt này được th c hi n thông qua ự ệviệc dẫn khí thải đi qua các rãnh bên trong lõi lọc Trong phương pháp lọc khối thì đường kính c a các l r ng lủ ỗ ỗ ớn hơn đường kính trung bình c a các h t l c, các h t ủ ạ ọ ạ

lọc được giữ ại thông qua sự ết hợp của kết cấu cơ khí và các trường lực sinh ra l k

do dẫn động dòng khí như lực ly tâm ho c tr ng l c Trong các bặ ọ ự ộ ọ l c bề ặ m t đường kính l l c nh ỗ ọ ỏ hơn so với đường kính h t Ch có nh ng hạ ỉ ữ ạt có kích thước

nh ỏ hơn lỗ ọ l c này mới có thể qua được Dạng lọc khối được sử ụng rộng rãi hơn d

so với lọc bề ặ m t do việc ngăn cản dòng khí thải ít hơn nên tổn th t áp su t qua l c ấ ấ ọ

nh ỏ hơn đồng th i th i gian c n bờ ờ ầ ảo dưỡng lọc sẽ lâu hơn Hiệu qu lả ọc là tỷ ệ ổ l t ng

khối lượng các hạt được giữ ại với tổng khối lượng các hạt được đưa vào bộ ọc l l

L c th tích có hi u su t thọ ể ệ ấ ấp hơn so vớ ọi l c bề ặt, các hạt có kích thướ m c nh trong ỏ

lọc thể tích có thể ị cuốn khỏi lõi lọc trong trường hợp tố ộ b c đ dòng khí thải tăng

nhanh một cách đột ng t Tuy v y, hi n nay l c th tích vộ ậ ệ ọ ể ẫn là phương án được sử

dụng phổ ến do thờ gian tái sinh lọc lâu hơn và tổn thất áp suất thấp hơn so với bi i

lọc bề ặt Khi dùng bộ ọc DPF chúng ta có thể ảm được thành phần hạt cácbon m l gi

và các thành ph n hầ ữu cơ khác như nhiên liệu, dầu bôi trơn tuy nhiên nó lại làm

tăng các ô xít và các hợp ch t chấ ứa lưu huỳnh trong khí thải đặc bi t là khi chúng ta ệ

s d ng nhiên liử ụ ệu có hàm lượng lưu huỳnh cao

1.3.2.3 X lý khí th i qua b DOC ử ả ộ

a) C u t ấ ạ o bộ DOC

V c u t o b lề ấ ạ ộ ọc được chia làm ba phần chính như thể ện trên hình 1.16 hi

- Phần vỏ thường làm ằb ng thép ho c thép không g ặ ỉ

- Lớp đệm làm b ng sằ ợi vô cơ hoặc phoi thép để bù tr giãn n ừ ởvì nhiệt

- Phần lõi của bộ DOC thường được làm bằng gốm hoặc kim loại với cấu trúc

d ng t ạ ổ ong trong đó khí thải đi quacác ống trong thân có đường kính khoảng 1mm

Trên bề ặt lõi đượ m c tráng một lớp vậ ệt li u trung gian là Al2O3 làm tăng diện tích

b m t tham gia ph n ng Chề ặ ả ứ ất xúc tác ô xy hóa được tráng lên trên l p trung gian ớ

Hình 1.16. C ấ u tạ ộ xúc o b tác ô xy hóa DOC [ 12 ]

Chất xúc tác ô xy hóa thường được dùng là các kim loại quý như Pt, Pd trong

các bộ DOC có nhi m v chính là gi m CO và HC Ch t xúc tác Pt thườệ ụ ả ấ ng cho hi u ệ

suất chuyể đổi CO cao và nhiệt độ làm việc của bộ DOC thấp Khi hàm lượng lưu n

hu nh trong nhiên liỳ ệu thấp, ch t xúc tác có th ấ ể dùng đồng thời Pt và Pd

Ngoài ra, bộ xúc tác cũng chứa những chất khác như cérium, lanthane, baryum,

zirconium, sắt, silicium Những chất này có tác dụng tăng cường hoạt tính xúc tác,

tính ổn định và chống lão hóa kim loại quý ộ ố ộM t s b DOC còn s d ng thêm ch t ử ụ ấ

zeolite trên bề ặ m ớp trung gian để làm tăng hiệt l u su t chuyấ ển đổi HC, nh t là khi ấ

nhiệt độ ộ b DOC còn thấp như khi độ g cơ mớn i khởi động Zeolite h p th và gi ấ ụ ữ

lại HC trên bề ặt lõi lọc khi nhiệt độ ộ DOC còn thấp dưới khoảng 250 m b 0C Khi

nhiệt độ ộ DOC tăng lớn hơn 250 b 0C, zeolite nh thành ph n HC ra, khi này các ả ầ

chất xúc tác đã đến nhiệt độ làm việc và HC được ô xy hóa

b) Nguyên lý b DOC ộ

B ộ DOC thường được lắp trên đường thả ở ị trí gần động cơ Nhiệt giải v i

phóng t quá trình ô xy hóa CO và HC sừ ẽ làm tăng nhiệt độkhí th i sau khi ra khả ỏi

b ộ DOC được ứng dụng cho việc tái sinh thiết bị ọc DPF, để ọc các chất thả ạ l l i d ng

hạt PM Thêm vào đó nhiệt này còn được lợi dụng trong việc cải thiện quá trình

chuyển hóa NO thành NO2 trong khí thải, điều này s làm nâng cao hi u suẽ ệ ấ ủt c a bộ

xúc tác NOx Bộ DOC được sử ụ d ng v i mớ ục đích để ả gi m phát th i CO, HC và PM ả

trong khí th i Khí thả ải từ động cơ diesel được dẫn qua bộ DOC Dưới tác d ng cụ ủa

các chất xúc tác Platinum và Pladium làm cho các ph n ng ôxy hóa di n ra d ả ứ ễ ễ

dàng ngay cả ở nhi t đ thệ ộ ấp (làm gi m nhiả ệt độ ph n ứả ng ôxy hóa c a HC và CO ủ

Qua đó có thể ấ th y hiệu quả ảm phát thải củ ộng cơ khi sử gi a đ dụng bộ xúc tác

DOC là rất cao, có thể ả gi m tới 90% hàm lượng CO, 80% hàm lượng HC và 20%

hàm lượng PM như thể ệ hi n trên hình 1.17.

Hình 1.17.Hiệ u qu gi ả ả m phát thải trên động cơ diesel củ ộ a b xúc tác ôxy hóa DOC [ ] 5

Tuy nhiên, bên cạnh đó, bộ DOC cũng thúc đẩy một số ản ứng ô xy hóa và ph

t o thành các s n ph m không mong muạ ả ẩ ốn khác như thể ệ hi n qua các ph n ng sau: ả ứ

2SO2 + O2 = 2SO3

SO3 + H2O = H2SO4

NO + 1/2 O2 = NO2

(3) (4) (5)

S ự hình thành H2SO4 trong b DOC làm gi m hi u quộ ả ệ ả ủ c a các chất xúc tác,

khí thải ra ngoài môi trường sẽ ngưng tụ thành các hạt làm tăng lượng phát th i PM ả

Mức đ tăng PM do hình thành các hạt Hộ 2SO4 có liên quan mật thiế ến hàm lượt đ ng

lưu huỳnh ch a trong nhiên li u Vi c NO chuy n thành NOứ ệ ệ ể 2 khi qua bộ DOC

không làm thay đổ ổng lượi t ng NOx trong khí thải nhưng làm tăng lượng NO2, đây

là chất khí độc hại hơn đố ớ ứi v i s c khỏe con người và môi trường so v i NO Trong ớ

b biộ ến đổi xúc tác có th xể ảy ra các phả ứn ng hóa học cơ bản sau đây:

Hai phản ứng oxy hóa (1) và (2) diễn ra trong hỗn hợp nghèo (khi hệ số dư

lượng không khí λ> 1) Ba phản ứng khử (3), (4) và (5) diễn ra thuận lợi trong hỗn

hợp giàu ( λ ≤ 1)

1.3.2.4 Các gi ả i ph p giả á m phá t thải PM cho động cơ diesel

Như đã trình bày ở những phần trước thì phát thải chính củ ộng cơ diesel là a đ

PM và NOx, công nghệ ệ hi n nay là dùng hệ thống luân hồi EGR để ả gi m NOx tuy

O H

m nCO O

m n H

C

CO O

→+

O H

m nCO N

m n H

C NO

m

n

CO N CO

NO

O H N H

NO

m

2 2

2 2 2

24

2

2

2121

++

+

→+