Nghiên cứu sử dụng phần mềm AVL BOOTS để đánh giá hiệu quả bộ xúc tác 4 thành phần

MỞ ĐẦU Tổng quan - Môi trường sống người ngày bị ô nhiễm nặng chất thải từ hoạt động người gây ra, nguồn chất thải khí thải phương tiện giao thông giới Trong trình hoạt động phương tiện giao thông phát thải vào không khí khối lượng lớn loại khói, khí độc CO, CO2, hyđrôcacbon (HC), NOx, SO2, khói đen, chì chất thải dạng hạt khác Các thành phần chất thải gây tác hại trực tiếp cho sức khỏe người mà phá hủy trái đất - Tùy theo loại động loại nhiên liệu sử dụng mà khối lượng thành phần chất thải độc hại chiếm tỷ lệ khác Theo số liệu thống kê Mỹ, chất ô nhiễm phát thải từ phương tiện chiếm 4050% tổng hàm lượng HC, 50% tổng hàm lượng NOX 8090% tổng hàm lượng CO khu vực thành phố Ở nước phát triển khác Châu âu Nhật Bản xảy vấn đề tương tự - Để giảm thiểu thành phần độc hại trên, nước giới đưa tiêu chuẩn khí thải, theo phương tiện phép lưu hành đạt tiêu chuẩn khí thải nói Hiện có ba tiêu chuẩn phổ biến mà nước áp dụng tiêu chuẩn Mỹ (TIER), Nhật (JP) Châu Âu (EURO) Để đáp ứng tiêu chuẩn khí thải nói trên, giải pháp hiệu sử dụng xúc tác xử lý khí thải Mục tiêu nghiên cứu - Đề tài phân tích đánh giá biện pháp giảm thải ô nhiễm môi trường khí thải động - Mô trình hoạt động xúc tác thành phần - Đánh giá hiệu xúc tác thành phần, đưa giải pháp tối ưu để tính toán thiết kế xúc tác Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu xúc tác thành phần lắp đặt xe Liberty 125 cm3 - Nghiên cứu lý thuyết vật liệu xúc tác chế phản ứng xúc tác - Nghiên cứu hiệu chuyển đổi xúc tác thành phần Phương pháp nghiên cứu i - Nghiên cứu tổng quan nghiên cứu gần liên quan đến chuyển đổi xíc tác thành phần giới nhằm làm sở cho việc đưa định hướng nội dung chi tiết nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết tính toán mẫu xúc tác - Nghiên cứu mô phần mền AVL để đánh giá hiệu chuyển đổi xúc tác thành phần Ý nghĩa khoa học thực tiễn - Đề tài góp phần làm sáng tỏ chế phản ứng chuyển đổi xúc tác thành phần làm sở cho việc hướng tới thiết kế chế tạo nước - Đánh giá hiệu xúc tác thành phần có ý nghĩa nhà sản xuất ô tô, xe máy việc lựa chọn xúc tác phù hợp có ý nghĩa nhà nước việc đưa lộ trình nâng cao chất lượng nhiên liệu kết hợp với nâng cao chất lượng khí thải phương tiện sử dụng động xăng ii CHƯƠNG I TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Hiện trạng ô nhiễm môi trường từ phương tiện giao thông 1.1.1 Đặc điểm phát thải động đốt Các thành phần độc hại phát từ động từ nguồn: _ Khí thải đường ống xả: kể đến khí phát sinh trình cháy nhiên liệu động thải đường ống xả Khí thải bao gồm thành phần Nitơ (N2) nước chiếm khoảng 83%, khí lại oxit cacbon (CO), cacbonic (CO2), cacbuahydro (HC), loại oxit nito (NOx) Chì kể đến, thành phần phụ thuộc vào loại nhiên liệu xăng sử dụng _ Các khí rò lọt: bao gồm khí rò lọt qua khe hở pit tông xi lanh, chủ yếu N2 O2 chiếm tới 90% phần lại CO2, HC, nước hàm lượng nhỏ CO NOx _ Các khí bay hơi: Hơi xăng HC bay từ thùng nhiên liệu chế hòa khí Trong thành phần khí thải ô tô nói trên, CO, HC, NOx muội than chất nguy hại Sự hình thành chất độc hại liên quan đến trình cháy đặc điểm nhiên liệu sử dụng trình cháy động đốt trình oxi hóa nhiên liệu, giải phóng nhiệt trình diễn buồng cháy động theo chế phức tạp chịu ảnh hưởng nhiều thông số thành phần không khí nhiên liệu, điều kiện cháy v.v… điều kiện lý tưởng, đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu hydrocacbon với oxy không khí sinh sản phẩm cháy không độc hại CO2, H2O thể phương trình cháy đây: CnH2n+2 + O2 nCO2 + (n+1)H2O + Nhiệt (Q) (1-1) Tuy nhiên, động trạng thái cân bằng hóa học lý tưởng cháy hoàn toàn nói khó xảy ra, thời gian cho trình oxi hóa bị giới hạn Thêm vào thiếu đồng trạng thái nhiên liệu không khí thay đổi nhiệt độ nhanh trình cháy không hoàn toàn nhiên liệu sinh chất độc hại CO, HC, NOx khí thải với sản phẩm thông thường trình cháy hoàn toàn Nồng độ thành phần khí thải thay đổi tùy thuộc vào kiểu loại động đặc điểm phụ thuộc vào điều kiện vận hành động Sự tạo thành CO đốt cháy không hoàn toàn nhiên liệu xylanh thiếu không khí Hàm lượng CO tăng hệ số dư lượng không khí giảm có khu vực cháy xilanh thiếu không khí, dẫn đến tạo thành CO Chất thải hydrocacbon chưa cháy HC cháy không hoàn toàn nhiên liệu xylanh động gây Nguồn khí thải HC nhiên liệu thoát khỏi cháy buồng cháy động trình chuyển tiếp nhiên liệu nạp, khe hở, nén hỗn hợp chưa cháy vào khe đầu pít tông xilanh trình nén áp suất cao giải phóng hỗn hợp vào hỗn hợp cháy xilanh thời kỳ giãn nở áp suất giảm Màng dầu bôi trơn nguyên nhân gây HC khí thải, màng dầu hấp thụ HC trình nén giải phóng HC vào khí cháy trình giãn nở.Một phần Hydrocacbon oxi hóa trộn với khí cháy trình giãn nở trình xả, phần lại thải với khí thải nên gây phát thải HC Mức độ oxi hóa HC phụ thuộc vào điều kiện chế độ vận hành động tỷ số nhiên liệu không khí, tốc độ động cơ, tải, góc đánh lửa…Sự đánh lửa muộn thích hợp để oxi hóa HC sau trình cháy Nguồn phát sinh khác HC cháy không hoàn toàn phần chu kỳ vận hành động (hoặc đốt cháy phần tượng bỏ lửa hoàn toàn) xảy chất lượng đốt cháy Hàm lượng HC chưa cháy khí thải chủ yếu phụ thuộc vào tỷ lệ không khí nhiên liệu Nồng độ chúng tăng hỗn hợp đậm hơn, đặc biệt < Đối với hỗn hợp nghèo khí xả HC tăng đốt cháy không hoàn toàn tượng bỏ lửa phần chu kỳ vận hành động Các chất oxit nitơ NO, dioxit nitơ NO2 gọi chung tên gọi NOx NO chiếm đa phần, tới 90 98% Khí thải NOx hình thành nhiệt độ cháy cao Trong buồng cháy động cơ, áp suất cao, bề dày màng lửa không đáng kể tồn thời gian ngắn, đại phận NOx hình thành phía sau màng lửa, tức sau hỗn hợp bị đốt cháy Nhân tố ảnh hưởng tới hình thành NOx nhiệt độ, oxy thời gian Nhiệt độ cao, oxy nhiều thời gian dài NOx cao, tức động chạy toàn tải, tốc độ thấp = 1.05 1.1 NOx lớn 1.1.2 Tình hình ô nhiễm môi trường khí thải động giới Việt Nam Môi trường sống nhân loại ngày bị ô nhiễm nặng chất thải từ hoạt động người gây ra, mà nguồn chất thải khí thải phương tiện giao thông giới Trong trình hoạt động phương tiện giao thông phát thải vào không khí khối lượng lớn loại khói, khí độc CO, CO2, hydrocacbon (HC), NOx, SO2, khói đen, chì chất thải dạng hạt khác Các thành phần chất thải gây tác hại trực tiếp cho sức khỏe người mà lâu dài phá hoại giới sinh vật phá hoại giới sinh vật nuôi sống người Tùy theo loại động loại nhiên liệu sử dụng mà khối lượng thành phần chất thải độc hại chiếm tỷ lệ khác Theo số liệu thống kê Mỹ, chất ô nhiễm phát thải từ phương tiện chiếm 40 50% tổng hàm lượng HC, 50% tổng hàm lượng NOx 80 90% tổng hàm lượng CO khu vực thành phố [1] Ở nước phát triển khác Châu âu Nhật Bản xảy vấn đề tương tự Trong năm gần với phát triển kinh tế tình hình ô nhiễm môi trường ngày trầm trọng số lượng động sử dụng ngày nhiều Trung bình hàng năm giới sản xuất them 40 triệu động cơ, mức độ phát triển ô tô, xe máy ngày mạnh, đặc biệt khu đô thị Châu Á Không kiểm soát khí thải, loại phương tiện thải môi trường lượng đáng kể chất hydroxit cacbon (HC), oxit cacbon (CO) khói bụi Các chất góp phần quan trọng gây ô nhiễm không khí nhiều nước Châu Á Các nước Châu Á tâm đến vấn đề ô nhiễm phương tiện gây Tại Việt Nam, tình trạng ô nhiễm môi trường khí thải động đến mức đáng lo ngại Theo số liệu cập nhật năm 2013, số lượng phương tiện giao thông, tính phương tiện giao thông giới đường Việt Nam 39.000.000 xe gắn máy, 2.500.000 xe ô tô loại số lượng phương tiện giao thông gia tăng cách nhanh chóng, đặc biệt hai đô thị lớn Hà Nội thành phố Hồ Chí Minh [2] Nếu tính bình quân ô tô có dung tích 2.5 lít, xe máy 0.1 lít 25 xe máy tương đương ô tô Như 39 triệu xe máy thải lượng khí thải bằng 1.6 triệu ô tô Chưa kể đô thị, xe máy có thời gian lăn bánh nhiều phương tiện động người dân Hình ảnh xe máy cũ nát, xả khói đen sì, mù mịt cảnh khó gặp đô thị Trong đó, lượng khí thải chưa kiểm soát, điều dẫn tới chất lượng không khí ngày giảm Các biện pháp giảm ô nhiễm khí thải động đốt Các biện pháp giảm ô nhiễm khí thải Nhìn chung biện pháp kiểm soát lượng khí thải độc hại chia thành ba nhóm chính: _ Nhóm thứ bao gồm biện pháp giảm tối thiểu nồng độ độc hại bằng cách tối ưu hóa chất lượng đốt cháy thông qua việc tối ưu hóa kết cấu động _ Nhóm thứ hai bao gồm biện phpas xử lý khí thải để chuyển đổi khí thải thành khí trơ trước thải môi trường bằng cách sử dụng phương pháp xử lý xúc tác _ Nhóm thứ ba bao gồm biện pháp liên quan đến cách thức sử dụng nhiên liệu truyền thống sử dụng nhiên liệu thay 1.2 Các biện pháp giảm ô nhiễm từ khí thải động xăng 1.2.1 Giảm thành phần độc hại khí thải nhờ tối ưu hóa thiết kế động a) Kiểm soát xác tỷ lệ không khí nhiên liệu động Tỷ lệ không khí nhiên liệu có ảnh hưởng lớn khí xả động xăng, hỗn hợp đậm (hệ số dư lượng không khí < 1) gây lên nồng độ CO HC cao Ngày nay, động phun xăng sử dụng hệ thống điều khiển điện tử, tỷ lệ không khí nhiên liệu điều khiển gần với chế độ lý tưởng điều kiện vận hành ổn định nên nồng độ độc hại khí thải tính động tốt động dung chế hòa khí thông thường Tuy nhiên, mức độ điều khiển xác hệ số dư lượng không khí thường gặp khó khăn chênh lệch tỷ lệ hòa trộn không khí nhiên liệu xilanh, đặc biệt giai đoạn vận hành chuyển tiếp Để khắc phục vấn đề này, số động cơ, tỷ lệ không khí nhiên liệu điều khiển hoàn toàn độc lập xilanh động cơ, thay hệ thống phun xăng đa điểm cho phun xăng đơn điểm để có đồng xilanh bằng kỹ thuật điều khiển thích ứng tức thời theo thời gian Các động sử dụng hỗn hợp nghèo đạt yêu cầu nồng độ độc hại thấp suất tiêu hao nhiên liệu thấp Tuy nhiên, giới hạn cháy xăng với không khí hẹp nên để mở rộng phạm vi này, người ta thiết kế động sử dụng đường nạp theo kiểu tạo xoáy lốc, buồng cháy có hình dạng đặc biệt để tạo xoáy lốc xi lanh động cơ, cải thiện tốc độ cháy tăng giới hạn cháy nghèo Các nghiên cứu cho thấy đốt cháy hỗn hợp phân lớp cho phép cải thiện nồng độ khí xả độc hại xuất tiêu hao nhiên liệu tăng giới hạn đốt cháy nghèo Tuy nhiên, sử dụng hỗn hợp nghèo khả ổn định cháy thấp hiệu chung xúc tác ba chức không cao Hỗn hợp không đồng gây nên lượng khí thải CO, HC cao gây sai lệch cục xilanh tỷ lệ không khí nhiên liệu thời điểm đốt cháy Việc giảm bớt nhiên liệu dạng hạt vào xilanh động bằng cách phân tử hóa nhiên liệu tăng bay nhiên liệu cửa nạp động để đạt mức độ đồng cao hơn, làm giảm đáng kể lượng CO, HC Ở giai đoạn khởi động, việc sấy nóng nhanh buồng đốt nhờ sấy nóng nước làm mát làm giảm nồng độ khí thải độc hại Nhìn chung, việc kiểm soát hỗn hợp để đạt hỗn hợp điều kiện lý tưởng, hỗn hợp nghèo hỗn hợp đồng nhân tố định để giảm lượng khí thải độc hại từ bên động cơ.Tuy nhiên, điều đạt áp dụng điều kiện vận hành ổn định Trong giai đoạn khởi động giai đoạn chuyển tiếp tăng tải tăng tốc phải cung cấp hỗn hợp giàu nhiên liệu để bù vào phần nhiên liệu ngưng tụ thành xilanh động để trì khả làm việc động theo yêu cầu, điều làm tăng lượng khí thải CO HC mà tránh khỏi b) Điều khiển đánh lửa muộn động Phương pháp dựa lý thuyết động đốt việc phân tích chu trình nhiệt động động Trong động đốt trong, thời điểm đánh lửa tốt động xăng thời điểm đánh lửa phun nhiên liệu mà động phát công suất cao suất tiêu hao nhiên liệu thấp, làm việc ổn định Đánh lửa muộn dẫn tới công suất động giảm, suất tiêu hao nhiên liệu tăng nhiệt cho khí xả tăng Đánh lửa muộn làm chậm trình đốt cháy xi lanh, làm trình cháy kéo dài sang hành trình giãn nở Do vậy, nhiệt chuyển hóa thành nhiệt thải khí xả nhiều lên Nguyên lý áp dụng để tăng lượng khí xả, rút ngắn thời gian chạy ấm máy khởi động xử lý xúc tác giai đoạn khởi động lạnh chạy ấm máy để giảm CO, HC, NOx bằng cách điều khiển mức độ thời gian đánh lửa muộn giai đoạn Phương pháp nghiên cứu động phun xăng điều khiển điện tử [3, 4] cho thấy HC, CO, NOx trước xúc tác giảm đáng kể thời gian khởi động xúc tác giảm đáng kể.Kết lượng khí thải độc hại khỏi ống thải động giảm rõ rệt c) Luân hồi khí xả Thực chất phương pháp đưa phần sản vật cháy quay trở lại buồng đốt với tỷ lệ từ 20% so với hỗn hợp nạp Do hòa trộn với lượng khí cháy có nhiệt độ cao nên nhiệt độ môi chất trình nén tăng, đảm bảo hỗn hợp cháy dễ dàng Mặt khác nồng độ oxy giảm nhiệt độ trình cháy nhỏ nên tạo thành khí NOx giảm rõ rệt.Trong động xăng thường áp dụng với dạng đốt cháy hỗn hợp phân lớp không cải thiện mức độ khí xả độc hại mà cải thiện tính kinh tế nhiên liệu.Người ta chia phương pháp luân hồi khí xả thành hai loại luân hồi nội luân hồi bên Luân hồi nội dựa sở góc trùng điệp xupap nạp xupap thải.Trong giai đoạn trùng điệp, chênh lệch áp suất, phần sản vật cháy vào đường nạp sau trình nạp quay trở lại xilanh Biện pháp giảm NOx mà giảm HC sản vật luân hồi chiếm vị trí sát vách trước tiên, giảm lượng khí nạp sát vách Luân hồi bên phương pháp trích phần khí thải từ đường thải quay trở lại đường nạp vào động điều chỉnh lượng khí thải luân hồi bằng van tiết lưu có cấu điều khiển d) Xử lý xúc tác xi lanh Một phương pháp khác làm giảm hàm lượng khí xả độc hại phủ lớp xúc tác lên bề mặt buồng cháy nhằm mục đích tăng nhiệt độ thành buồng cháy đặc biệt nhiệt độ thành khe hẹp để giảm tượng dập tắt màng lửa cải thiện mức độ oxy hóa HC khe hẹp Tuy nhiên, với phương pháp lượng khí thải độc hại giảm không nhiều, với vật liệu quý làm chất xúc tác (23 gam với tỷ lệ 9:1 Pt-Rh) giảm 20% lượng HC [3] Tóm lại, ngày với công nghiệp tiên tiến ứng dụng ngành công nghiệp chế tạo ô tô, nhiều tiến khoa học đưa vào ứng dụng động cơ, đặc biệt với việc tối ưu hóa buồng cháy, điều khiển xác thời điểm đánh lửa tỷ lệ không khí nhiên liệu sử dụng hệ thống điều khiển điện tử giảm đáng kể thành phần độc hại Công nghệ chế tạo động đạt tới đỉnh cao, nhiên, nồng độ khí thải độc hại không giảm đến mức quy định Do cần phải sử dụng biện pháp xử lý khí thải để giảm hàm lượng độc hại chúng 1.2.2 Giảm thành phần độc hại biện pháp xử lý khí thải a) Xử lý xử lý xúc tác ba thành phần Mục đích chuyển khí thải CO, HC, NOx thành khí không độc hại bằng cách oxy hóa CO, HC, khử khí NOx hệ thống xử lý dung chất xúc tác.Trong CO, HC oxy hóa nhiệt độ tương đối cao với thời gian đủ để phản ứng oxi hóa diễn hoàn toàn.Người ta đưa them lượng không khí vào để oxy hóa triệt để CO, HC sau khử NOx Trong hệ thống thải thông thường, nhiệt độ khí xả không đủ cao để chuyển đổi phần lớn CO, HC, NOx.Để thực chuyển đổi này, hệ thống thải trang bị thiết bị đặc biệt gọi xử lý xúc tác có tác dụng tăng cường trình oxy hóa khử thành phần độc hại [3] b) Hỗ trợ phản ứng đường thải Phương pháp đốt cháy trực tiếp khí xả CO HC hệ thống thải bằng cách để giảm trực tiếp lượng khí xả độc hại đốt nóng nhanh xử lý xúc tác nhờ nhiệt phát sinh trình oxy hóa HC CO để xúc tác nhanh đạt tới nhiệt độ làm việc hiệu Một số kỹ thuật để thực phương pháp sau: Phun không khí phụ trợ Lượng CO HC hình thành từ trình cháy tiếp tục oxy hóa hệ thống thải nhiệt độ cao có oxy dư thừa.Tại cửa xả nơi mà nhiệt độ khí xả cao (>800oC) tới 40% HC khỏi xi lanh động oxy hóa, nhiệt độ khí xả cao oxy hóa HC lớn có oxy.Phương pháp không giảm thành phần NOx Tại giai đoạn khởi động lạnh, động cung cấp hỗn hợp giàu để cải thiện chế độ vận hành, đó, nồng độ HC CO khí xả cao nồng độ oxy tương đối thấp Tận dụng nhiệt độ cao cửa xả, oxy hóa HC xúc tiến bằng cách cung cấp thêm lượng không khí vào.Điều làm giảm CO HC, tiếp sinh nhiệt để rút ngắn thời gian sấy nóng xử lý xúc tác Phương pháp giảm đáng kể CO HC giai đoạn khởi động rút ngắn thời gian sấy nóng xử lý xúc tác, hiệu giảm lượng khí xả độc hại không lớn, phát nhiệt từ trình oxy hóa CO HC không cao Nếu lượng không khí phun vào lớn dẫn tới giảm nhiệt độ khí xả gây phản tác dụng Để điều chỉnh xác lượng khí bổ sung, yêu cầu thiết bị điều khiển phức tạp việc áp dụng xe gặp nhiều khó khan Đốt cháy cưỡng khí thải Mục đích phương pháp sinh nhiệt để tăng nhiệt cho xúc tác bằng cách cho động khởi động chạy ấm máy với hỗn hợp giàu, sau đốt tiếp khí thải với hàm lượng khí bổ sung thêm vào phía trước xử lý xúc tác Hệ thống đốt khí thải thiết lập bao gồm buồng cháy bố trí trước xử lý xúc tác với thiết bị đánh lửa.Hệ thống hoạt động lien quan đến khởi động động với hỗn hợp giàu (