Tóm tắt nghiên cứu tái sinh bộ lọc muội than và giảm phát thải cho động cơ diesel 1 xilanh lắp trên máy nông nghiệp

Các nhà quản lý hoạch định chiến lược của quốc gia xâydựng bộ tiêu chuẩn phát thải riêng cho máy nông nghiệp để hạn chế phát thải độc hại từ loại máy này, ngoài ra còn là công cụ để kiểm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Hà Nội - 2024

Công trình được hoàn thành tại:

Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Khổng Vũ Quảng

PGS.TS Nguyễn Phú Hùng

Phản biện 1: PGS.TS Đặng Tiến Hòa

Phản biện 2: PGS.TS Trần Quang Vinh

Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Tuấn Nghĩa

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Đại học Bách khoa Hà Nội họp tại Đại học Bách khoa Hà Nội

Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ………

MỞ ĐẦU

i Lý do chọn đề tài

Hiệu suất cao, độ tin cậy và độ bền của động cơ diesel là lý do để động cơ này trở thành nguồn động lựcchính của các loại xe hạng trung, hạng nặng, máy xây dựng và máy nông nghiệp Tuy nhiên, phát thải độchại của động cơ diesel lại là một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường trầm trọng Khí thải của

làm gia tăng mạnh các bệnh về tim mạch và hô hấp PM dễ dàng bị hít vào phế quản và phế nang sâu củađường hô hấp, khiến con người mắc nhiều bệnh về đường hô hấp Cũng có bằng chứng trong những năm gầnđây cho thấy PM có thể gây tổn hại cho sự phát triển thần kinh của con người và chức năng nhận thức [1].Trên thực tế, PM đã được Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) phân loại là chất gây ung thư vào năm 2012 [2] Đểgiải quyết các vấn đề sức khỏe của người dân và các vấn đề môi trường nổi cộm, các chính phủ không ngừngthắt chặt việc kiểm soát lượng khí thải PM từ phương tiện sử dụng động cơ diesel Trung Quốc đã ban hànhcác giới hạn và phương pháp đo lường mới đối với lượng khí thải từ các phương tiện giao thông hạng nhẹ(Trung Quốc VI) So với tiêu chuẩn cũ, tiêu chuẩn mới giảm lượng khí thải PM và đưa số lượng hạt vàophạm vi quy định Vấn đề tương tự cũng được áp dụng ở châu Âu, Mỹ và hầu hết các nước trên thế giới Vìvậy, cần phải phát triển một phương pháp hiệu quả để giảm lượng khí thải PM và tuân thủ các quy định vềkhí thải ngày càng nghiêm ngặt [3]

thải độc hại đối với môi trường

Tại Việt Nam vẫn còn tồn tại một lượng lớn động cơ diesel sử dụng công nghệ cũ (các loại động cơ đượclắp đặt trên các xe vận tải với tải trọng trung bình, trên các máy phát điện, máy phục vụ nông nghiệp… ),không được trang bị những công nghệ và hệ thống xử lý khí thải hiện đại, khí thải chỉ được đi qua bình tiêu

âm rồi xả trực tiếp môi trường Với những dòng động cơ này nếu không được kiểm soát thì sẽ gây ra mốinguy hiểm rất lớn đối với môi trường

Tại Việt Nam, nhu cầu sử dụng động cơ đốt trong làm nguồn động lực cho các máy móc thiết bị nôngnghiệp, lâm nghiệp ngày càng nhiều Nguồn động cơ nhập vào Việt Nam chủ yếu từ các nước như TrungQuốc, Thái Lan và Nhật Bản… Các sản phẩm từ Trung Quốc có lợi thế về giá trong khi các sản phẩm củaThái Lan và Nhật Bản thì tính kỹ thuật cao hơn Tuy nhiên hiện nay việc đánh giá chất lượng khí thải của cácloại máy nông nghiệp vẫn đang được triển khai Các nhà quản lý hoạch định chiến lược của quốc gia xâydựng bộ tiêu chuẩn phát thải riêng cho máy nông nghiệp để hạn chế phát thải độc hại từ loại máy này, ngoài

ra còn là công cụ để kiểm soát chất lượng động cơ sản xuất trong nước và nhập khẩu

Hiện nay các doanh nghiệp sản xuất máy nông nghiệp của Việt Nam đang muốn hướng tới xuất khẩu động

cơ do Việt Nam sản xuất sang một số nước như Ấn Độ, các nước Trung Đông… Tuy nhiên để các thịtrường này chấp nhận, các sản phẩm động cơ do Việt Nam sản xuất phải đạt được các tiêu chuẩn khí thải nhưTier 1, Tier 2 theo yêu cầu của từng vùng lãnh thổ Vì vậy yêu cầu cải tiến tính năng kinh tế kỹ thuật và giảmphát thải cũng như giảm giá thành cho động cơ sản xuất tại Việt Nam là cần thiết Để có cái nhìn tổng thể vàđánh giá đầy đủ về vấn đề này, Bộ công thương đã kết hợp với Tổng công ty máy động lực và máy nôngnghiệp Việt Nam cùng Đại học Bách Khoa đã cũng có các đề tài nghiên cứu đánh giá đánh giá thực trạngtính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của các động cơ sản xuất trong nước, kết quả cho thấy các đông cơ

Kết quả cho thấy, để có thể xuất khẩu các đông cơ sản xuất tại Việt Nam sang thị trường các nước thì tiêuchí phát thải phải được quan tâm và đặt lên hàng đầu Hiện nay có rất nhiều phương pháp để kiểm soát phátthải toàn diện cho động cơ diesel, như sử dụng phụ gia nhiên liệu diesel [4, 5], diesel sinh học [6, 7], cải tiếnkết cấu động cơ [8], sử dụng bộ lọc PM bằng DPF [9] Để áp dụng các phương pháp cải tiến kết cấu động

cơ là không thể Tuy nhiên có thể chọn lựa một giải pháp xử lý khí thải để giải quyết các vấn đề nêu trên làkhả thi

Trong đó, phương pháp luân hồi khí thải EGR được xem là một phương pháp hiệu quả để giảm phát thải

cơ và tăng hàm lượng CO, HC và PM trong khí thải Do vậy phương pháp này cần được sử dụng kết hợp vớicác biện pháp xử lý khác

Còn phương pháp lọc DPF được coi là phương án hiệu quả để giảm phát thải PM ra ngoài môi trường tới70% Tuy nhiên, nhược điểm lớn của lọc DPF, sau thời gian sử dụng, lọc DPF có xu hướng bị tắc sẽ gây cảntrên đường thải và làm ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ

Trong luận án này NCS đề xuất trang bị một hệ thống xử lý khí thải động cơ diesel bao gồm: Hệ thống

đích giảm phát thải toàn diện cho động cơ để đạt Tier 2 được gọi tắt là EDD

Tuy nhiên sau thời gian làm việc lọc DPF sẽ bị tắc bởi PM bám và tích tụ trên bề mặt lọc DPF, gây cảntrên đường thải dẫn đến ảnh hưởng tới công suất và tiêu hao nhiên liệu, chi phí chăm sóc bảo dưỡng tăng.Chính vì vậy, để giải quyết triệt để các vấn đề nêu trên, cũng như nâng cao hiệu quả và tăng thời gian làmviệc của EDD, bộ DPF của hệ thống EDD có thêm chức năng tái sinh chủ động (DPFr) Như vậy có thể thấytính vượt trội của hệ thống EDD có sử dụng DPFr (EDDr) trong việc giảm phát thải NOx, PM của động cơnhưng vẫn đảm bảo không gây tắc lọc sau thời gian sử dụng

Hiện nay tại Việt Nam, hệ thống này vẫn chưa được nghiên cứu, vì vậy NCS lựa chọn đề tài “Nghiên cứu

tái sinh bộ lọc muội than và giảm phát thải cho động cơ diesel 1 xilanh lắp trên máy nông nghiệp” để

đưa ra một giải pháp xử lý PM triệt để hơn, cũng như kiểm soát phát thải toàn diện cho động cơ diesel nhằmgiải quyết các vấn đề thực trạng hiện nay

ii Mục đích nghiên cứu của đề tài

Đưa ra giải pháp trang bị bộ lọc DPF có chức năng tái sinh chủ động cho các động cơ diesel máy nôngnghiệp Bộ lọc sẽ chủ động tái sinh khi lượng muội than bám trên lọc DPF vượt giới hạn cho phép

Trang bị cho động cơ nghiên cứu hệ thống EDDr để hướng tới tiêu chuẩn Tier2 và thực hiện đánh giá ảnhhưởng của các hệ thống này đến tính năng kinh tế, kỹ thuật va phát thải của động cơ diesel sản xuất tại ViệtNam

iii Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu sinh lựa chọn động cơ diesel 1 xylanh sử dụng trong nông nghiệp(Động cơ diesel TV165RL) có trang bị hệ thống EDDr

- Phạm vi nghiên cứu:

+ Động cơ nguyên bản và động cơ được trang bị hệ thống EDD được thí nghiệm tại chế độ toàn tải và chutrình thử Tier 2

+ Nghiên cứu tái sinh chủ động DPF tại chế độ tốc độ 2200 v/p và tải trọng 8,26 kW

+ Các nghiên cứu được tổ chức ở quy mô trong phòng thí nghiệm và thực hiện tại Trung tâm nghiên cứucác nguồn động lực và Phương tiện tự hành thuộc trường Cơ khí, Đại học Bách khoa Hà Nội

iv Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu tổng quan về các biện pháp giảm phát thải cho động cơ diesel từ đó chọn giải pháp phù hợpcho động cơ diesel sản xuất tại Việt Nam;

Nghiên cứu mô phỏng động cơ TV 165RL có trang bị EDDr để xác định các thông số cơ bản của hệ thốngnhằm hỗ trợ nghiên cứu thực nghiệm;

Nghiên cứu mô phỏng ảnh hưởng của kết cấu DPF và vị trí cấp nhiệt tái sinh tới phân bố nhiệt độ, vận tốc

v Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm Trong đó, nghiên cứu lý thuyết gồm nghiên cứu cơ sở

lý thuyết và mô hình hóa động cơ sử dụng hệ thống EDDr Còn nghiên cứu thực nghiệm được thực hiệntrong phòng thí nghiệm khi động cơ có và không có hệ thống EDDr

vi Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu

Đưa ra giải pháp công nghệ giảm các phát thải độc hại cho động cơ diesel sản xuất tại Việt Nam để hướngđến tiêu chuẩn Tier 2 bằng sự kết hợp giữa EGR, DOC và DPF, trong đó có thực hiện tái sinh chủ động DPF

Áp dụng giải pháp trên để thực hiện cho một động cơ diesel sản xuất tại Việt Nam sử dụng trong lĩnh vựcnông lâm nghiệp

Kết quả nghiên cứu của đề tài luận án sẽ góp phần vào nghiên cứu giảm ô nhiễm môi trường do khí thảiđộng cơ diesel sản xuất tại Việt Nam Trên cơ sở đó hướng tới xuất khẩu các động cơ này sang thị trường cácnước đang phát triển

vii Các điểm đóng góp mới của luận án

- Đã xây dựng được mô hình mô phỏng động cơ diesel không tăng áp có trang bị hệ thống EDDr trên phầnmềm AVL Boost Mô hình mô phỏng cho phép xác định được ảnh hưởng của DOC, DPF và tỉ lệ EGR tớitính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ

- Xây dựng được mô hình mô phỏng bộ kết hợp DOC-DPF trên phần mềm Ansys fluent Mô hình mô phỏngcho phép đánh giá ảnh hưởng của kích thước lỗ của DPF đến sức cản trên đường thải cũng như xác định vịtrí cung cấp nguồn nhiệt để tái sinh hiệu quả DPF

- Đã tính toán lựa chọn các thiết bị có trên thị trường để thiết kế chế tạo và lắp đặt thành công hệ thốngEDDr cho động cơ diesel TV 165RL phục vụ nghiên cứu thử nghiệm Hệ thống có thể thay đổi được tỉ lệluân hồi, điều khiển thời điểm phun và lượng nhiên liệu tái sinh…;

- Đã nghiên cứu thực nghiệm và xác định được bộ thông số tỉ lệ luân hồi và kích thước, vật liệu bộDOC+PDF Hệ thống EDD khi lắp đặt lên động cơ không làm giảm công suất quá 10% cũng như tăng tiêuhao nhiên liệu quá 10%, trong khi vẫn đạt tiêu chuẩn phát thải Tier 2

- Đã nghiên cứu thử nghiệm thời gian tái sinh, lượng nhiên liệu tái sinh để giảm phát thải cho động cơnghiên cứu

viii Bố cục của luận án

Luận án gồm các phần:

Mở đầu;

Chương 1 Nghiên cứu tổng quan ;

Chương 2: Cơ sở lý thuyết và nghiên cứu mô phỏng;

Chương 3 Thiết kế, chế tạo và lắp đặt hệ thống EDDr;

Chương 4 Nghiên cứu thực nghiệm;

Kết luận chung và hướng phát triển của đề tài

Chương 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu chung

1.1.1 Tổng quan về phát thải động cơ diesel

Hình 1.1 Các thành phần có trong khí thải của động cơ diesel

1.1.2 Ảnh hưởng của phát thải của động cơ diesel tới môi trường và con người

1.1.3 Các tiêu chuẩn kiểm soát phát thải cho động cơ diesel

- Châu Âu

- Tiêu chuẩn khí thải Mỹ

- Tiêu chuẩn khí thải Nhật Bản

- Tiêu chuẩn khí thải của động cơ máy nông nghiệp trong và ngoài nước

1.1.4 Thực trạng phát thải của các động cơ máy nông nghiệp tại Việt Nam

- Thực trạng nhập khẩu máy nông nghiệp ở Việt Nam

- Lượng phát thải của các máy nông nghiệp ở VN

1.1.5 Phương pháp giảm phát thải cho động cơ diesel

1.2 Phát thải dạng hạt, tro và các yếu tố ảnh hưởng tới sự hình thành

1.2.1 Phát thải dạng hạt

1.2.2 Các yếu tổ ảnh hưởng tới sự hình hành phát thải dạng hạt

1.2.3 Nguồn và thành phần của tro

1.2.4 Hoạt động xúc tác của tro thành bồ hóng

1.3 Nguyên lý làm việc bộ lọc hạt

1.3.1 Kết cấu Bộ lọc hạt

Như đã trình bày ở trên, thành phần phát thải hạt PM gần như không bị ôxy hóa trong các bộ xử lý do nhiệt

độ khí thải thấp Do đó, để giảm thành phần PM thường dùng biện pháp tách PM trong khí thải bằng lọc cơhọc Các lỗ của lõi lọc bề mặt có đường kính nhỏ hơn kích thước hạt PM cần lọc, do đó hạt PM bị giữ trên bềmặt của lõi lọc

1.4 Các nghiên cứu trong và ngoài nước

1.4.1 Các nghiên cứu ngoài nước

Hình 1.2 Các phương pháp tái sinh bộ lọc muội than

* Tái sinh bị động

a) Tái sinh bằng nhiệt do đốt nhiên liệu

b) Tái sinh bằng nhiệt do điện tạo ra

c) Tái sinh bằng nhiệt do sóng siêu âm tạo ra

* Tái sinh bị động

a) Tái sinh bằng bộ oxy hóa

b) Tái sinh xúc tác

* Tái sinh kết hợp

* Hạn chế của lọc DPF khi tái sinh

1.4.2 Các nghiên cứu trong nước

Để chủ động được nguồn cung cấp trong nước, các công ty Việt Nam cũng chủ động chế tạo các máy nôngnghiệp có thể kể đến như Tổng công ty máy nông nghiệp Việt Nam (Veam) Các công ty này cũng mongmuốn tạo ra các sản phẩm để có thể xuất khẩu sang các nước trong khu vực Để có thể thực hiện được mụctiêu trên, Veam và Viện Cơ khí động lực – trường Đại học Bách Khoa Hà Nội (nay là Khoa Cơ khí động lực)

đã thực hiện một số đề tài nghiên cứu nhằm đánh giá thực trạng phát thải của máy nông nghiệp do Việt Namsản xuất cũng như xây dựng và đề xuất bộ tiêu chuẩn phát thải cho máy nông nghiệp Kết quả thí nghiệm chothấy, các mẫu động cơ vẫn chưa đạt tiêu chuẩn Tier 2

Để có thể đạt được tiêu chuẩn phát thải Tier 2 thì cần phải có biện pháp công nghệ tác động trực tiếp tớiquá trình cháy hoặc xử lý khí thải Động cơ máy nông nghiệp có ưu điểm là nhỏ gọn tiện lợi nên việc cải tạođộng cơ cũng như áp dụng các phương pháp cháy hiện đại là không thích hợp Vì thế việc đưa ra một giảipháp xử lý khí thải là khả thi và phù hợp hơn cả

đã được đề ra để giảm 2 thành phần phát thải này Tuy nhiên phương án khả thi nhất thì sử dụng DPF để lọc

nhiên liệu không cháy, tạp chất từ hao mòn động cơ và chất bôi trơn không thể được loại bỏ bằng quá trìnhtái sinh thông thường, điều này sẽ làm tắc bộ lọc và gây ảnh hưởng tới sđiều kiện làm việc của động cơ nhưgiảm công suất tăng tiêu hao nhiên liệu

Luận án đề xuất giải pháp, trang bị hệ thống EDDr được tạo thành từ sự kết hợp các bộ xử lý khí thải, baogồm: luân hồi khí thải EGR, bộ xử lý oxy hóa DOC và bộ lọc muội than DPF có chức năng tái sinh chủ động

cho động cơ nghiên cứu Từ đó đánh giá ảnh hưởng của bộ EDDr tới đặc tính phát thải và làm việc của động

cơ TV165RL

- Việc sử dụng EDDr là giải pháp tốt để động cơ TV165RL có thể đạt được tiêu chuẩn khí thải Tier 2.Trong khi bộ DPF có thể tự tái sinh để giảm chi phí bảo dưỡng sửa chữa Bộ lọc DPF được tái sinh chủ độngbằng phương pháp đốt nhiên liệu bổ sung được đặt trước bộ DOC

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG 2.1 Giới thiệu chung

Hình 2 1 Quy trình xác định hệ thống xử lý khí thải cho động cơ TV165RL

2.2 Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ TV 165RL có trang bị hệ thống giảm phát thải EDDr sử dụng AVL Boost

2.2.1 Xây dựng mô hình động cơ nguyên bản

2.2.2 Mô hình chọn lựa kích thước sơ bộ của bộ DPF

Dữ liệu van EGR

Dữ liệu đầu vào cho việc tái sinh

2.2.6 Khai báo biến và thực hiện mô phỏng

2.2.7 Hiệu chỉnh mô hình và đánh giá độ tin cậy

2.3 Xây dựng mô hình cụm DOC-DPF sử dụng Ansys Fluent

2.3.1 Mô hình bộ DOC-DPF

Hình 2 2 Kết cấu sơ bộ mô hình bộ DOC và DPF

2.3.2 Mô hình khảo sát ảnh hưởng của kích thước lỗ lọc đến độ tắc lọc của bộ DPF

- Xây dựng mô hình khối khí thải

- Điều kiện biên và các bước mô phỏng cho mô hình

- Các bước mô phỏng

2.3.3 Mô hình chọn lựa vị trí đặt nguồn nhiệt tái sinh

2.3.4 Mô hình tái sinh lọc

- Cơ sở thiết kế

- Mô phỏng quá trình tái sinh trên Ansys Fluent

2.4 Kết quả mô phỏng và thảo luận

2.4.1 Động cơ nguyên bản tại chế độ toàn tải và chế độ định mức

150 155 160 165 170 175 180 185 190 195 200 Định mức

Hình 2.36 trình bày diễn biến nhiệt độ khí

thải theo tốc độ cơ ở chế độ toàn tải và định

mức Có thể thấy ở chế độ toàn tải lượng

nhiên liệu được cung cấp là lớn nhất vì thế

nhiệt độ khí thải lớn hơn so với định mức Đây

là một trong những thông số quan trọng quyết

định đến vấn đề tái sinh lọc muội than Nếu

chọn lựa chế độ toàn tải để tái sinh thì sẽ

được lợi về nhiệt độ tuy nhiên chế độ này

động cơ làm việc trong điều kiện khắc nghiệt

không được nhà sản xuất khuyến cáo sử dụng

1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200

400 450 500 550 600 650 700

2.4.2 Động cơ trang bị bộ DOC-DPF tại chế độ định mức

NB_1800 DD_1800 NB_2200 DD_2200

2200 v/p

NB_2200 E10DD E20DD E30DD

Hình 2 16 Ảnh hưởng của tỉ lệ luân hồi tới phát

thải soot tại 2200 v/p

NB_2200 E10DD E20DD E30DD

2200 v/p

NB_2200 E10DD E20DD E30DD

Tải trọng động cơ (%)

Hình 2.20 Ảnh hưởng của tỉ lệ luân hồi tới phát

thải NOx tại 2200 v/p

2.4.4 Động cơ trang bị bộ tái sinh lọc DPFr

0 100 200 300 400 500 600 700 800 0

5 10 15 20 25 30 35 40 45

Hình 2 22 Ảnh hưởng của lưu lượng đến độ

chênh lệch áp suất

0 100 200 300 400 500 600 700 800

0 5 10 15 20

Hình 2 23 Ảnh hưởng của chiều dài bộ lọc tới

quá trình tái sinh

0 5 10 15 20 25

Hình 2 24 Ảnh hưởng của nhiệt độ đầu vào bộ lọc DPF tới quá trình tái sinh

2.4.5 Ảnh hưởng của việc tắc lọc DPF đến phân bố áp suất và nhiệt độ trong cụm ống thải

Hình 2.25 Diễn biến áp suất trong cụm ống thải khi kích thước lỗ là 1mm (khi chưa bị tắc)

Hình 2.26 Diễn biến áp suất trong cụm ống thải khi bộ lọc bị tắc kích thước lỗ là 0,8mm

Hình 2.27 Diễn biến áp suất trong cụm ống thải khi bộ lọc bị tắc kích thước lỗ là 0,7mm

Hình 2.28 Diễn biến áp suất trong cụm ống thải khi bộ lọc bị tắc kích thước lỗ là 0,6mm

Hình 2.29 Diễn biến áp suất trong cụm ống thải khi bộ lọc bị tắc kích thước lỗ là 0,5mm

Hình 2.30 Diễn biến áp suất trong cụm ống thải khi bộ lọc bị tắc kích thước lỗ là 0,4mm

0 35 70 78 120 150 180 10000

Khoảng cách từ đầu bộ DOC đến cuối bộ DPF (mm)

Hình 2.31 Đồ thị biểu thị phân bố áp suất tại các trường hợp

Bảng 2.65 thể hiện sự khác biệt của áp suất tại các vị trí trong các trường hợp khác