Nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ điều khiển phun urea cho bộ xử lý xúc tác SCR lắp trên động cơ diesel

Giải pháp và hệ thống cắt giảm phát thải NOx cho động cơ diesel sau khi hoàn thiện, thử nghiệm đánh giá độ bền và thử nghiệm trên phương tiện có thể đưa vào sử dụng trong phạm vi lớn trê

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN PHUN UREA CHO

BỘ XỬ LÝ XÚC TÁC SCR LẮP TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN PHUN UREA CHO

BỘ XỬ LÝ XÚC TÁC SCR LẮP TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL

Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ khí Động lực

- iii -

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai khác công bố

Hà Nội, tháng 11 năm 2015 Học viên cao học

Nguyễn Tùng Lâm

- iv -

LỜI CẢM ƠN

Trên hết, cho phép tôi được gửi lời cảm ơn đặc biệt tới thầy TS Trần Quang Vinh đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ để tôi vượt qua những khó khăn, trở ngại để bước vào thế giới khoa học của xử lý khí thải, với bước đầu là việc hoàn thành luận văn này

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Bộ môn Động cơ đốt trong, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện hỗ trợ giúp đỡ và động viên tôi trong quá trình học tập cao học và thực hiện luận văn tốt nghiệp

Ngoài ra, luận văn này được hoàn thành nhờ sự cổ vũ, khuyến khích và tạo điều kiện thuận lợi của đồng nghiệp trong Bộ môn Động cơ đốt trong, Trường Đại học Giao thông vận tải nơi tác giả công tác Tác giả xin được gửi tới các đồng nghiệp lời cảm ơn chân thành

Cuối cùng, tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới những người thân yêu trong gia đình, nhờ đó mà tôi có thể tập trung thời gian để hoàn thành chương trình học tập tại trường

- v -

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN iii

LỜI CẢM ƠN iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ x

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xii

MỞ ĐẦU 1

I Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 1

i Mục đích nghiên cứu 1 ii Đối tượng 1 iii Phạm vi nghiên cứu 1 II Phương pháp nghiên cứu 1

III Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 1

IV Các nội dung chính trong đề tài 2

CHƯƠNG 1 KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ DIESEL VÀ CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÝ 3

1.1 Thành phần khí thải động cơ diesel và cơ chế hình thành 3

1.1.1 Thành phần khí thải động cơ diesel 3 1.1.2 Cơ chế hình thành các chất trong khí thải diesel 5 1.1.2.1 Cơ chế hình thành NOx trên động cơ diesel 5 1.1.2.2 Cơ chế hình thành PM 7 1.1.2.3 Cơ chế hình thành CO 9 1.1.2.4 Cơ chế hình thành HC 10 1.1.2.5 Hợp chất chứa lưu huỳnh 10 1.1.3 Yêu cầu về giảm phát thải độc hại 10 1.2 Các biện pháp xử lý khí thải diesel 11

1.2.1 Các biện pháp kết cấu 11 1.2.2 Các biện pháp xử lý sau cửa thải 14 1.2.2.1 Bộ xúc tác ô-xy hóa (DOC) xử lý CO và HC 14 1.2.2.2 Bộ lọc hạt PM kiểu kín (DPF) 15 1.2.2.3 Xử lý thành phần NOx từ khí thải diesel 17 1.3 Kết luận chương 1 21

Chương 2 BỘ XỬ LÝ XÚC TÁC CHỌN LỌC (SCR) 22

2.1 Nhiệm vụ và phân loại 22

- vi -

2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 52

2.3.4 BĐK điều khiển lượng urea phun vào đường thải 56

2.4 Kết luận chương 2 58

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG BỘ XỬ LÝ XÚC TÁC CHỌN LỌC 59

3.1 Cơ sở tính toán mô phỏng 59

3.1.1.2 Phương trình bảo toàn động năng được cho bởi phương trình Steady

3.1.1.4 Phương trình cân bằng năng lượng chất rắn 62

3.2 Mô phỏng bộ xử lý xúc tác bằng phần mềm AVL-BOOST 633.2.1 Mô hình xử lý xúc tác chọn lọc trên AVL-BOOST 63

3.2.2.2 Mô phỏng và đánh giá các nhân tố ảnh hưởng đến hiệu suất khử

3.3 Kết luận chương 3 67

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN PHUN UREA-SCR 68

4.1 Cơ sở tính toán thiết kế hệ thống 684.1.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất bộ xử lý SCR 68

4.1.3 Xây dựng các chế độ hoạt động của hệ thống SCR 71

- vii -

4.2 Tính toán hệ thống phun urea-SCR 73

4.2.1 Tính toán lượng urea cần cung cấp 73 4.2.2 Thiết kế hệ thống điều khiển phun urea-SCR 75 4.2.2.1 Tín hiệu điều khiển vòi phun urea 75 4.2.2.2 Điều khiển lượng phun 76 4.3 Chế tạo và thử nghiệm sơ bộ hệ thống phun urea-SCR 78

4.3.1 Tín hiệu từ các cảm biến 78 4.3.1.1 Sơ đồ khối chức năng 78 4.3.1.2 Cảm biến nhiệt T 79 4.3.1.3 Cảm biến nồng độ NOx 79 4.3.1.4 Cảm biến nồng độ NH3 81 4.3.2 Thuật toán điều khiển phun urea 82 4.3.3 Thiết bị thử nghiệm điều khiển phun urea 83 4.3.4 Kết quả thử nghiệm 85 4.4 Kết luận chương 4 88

KẾT LUẬN CHUNG VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 90

I Kết luận chung 90

II Phương hướng phát triển 90

Các công trình đã công bố 92

Tài liệu tham khảo 93

- viii -

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

PWM Pulse Width Modulation (Điều khiển lƣợng phun dựa trên

thay đổi độ rộng chuỗi xung vuông) -

WO3 Vonfram trioxide (vôn-phờ-ram tri-ô-xít) -

H2SO4 Sulfuric acid (a-xít sun-phu-ríc) - HCNO Fulminic acid (a-xít phu-mi-níc) - Ba(NO3)2 Barium nitrate (Muối Ba-ri ni-tơ-rát) - BaO Barium oxide (Ba-ri Ô-xít) -

NH4(HSO4) Ammonium hydrogen sulfate (Muối a-môn hy-đrô sun-phát) -

- ix -

(NH4)2SO4 Ammonium sulfate (Muối a-môn sun-phát) -

Cu-MOR Zeolite Mordenit sử dụng cation là Cu - Fe-MOR Zeolite Mordenit sử dụng cation là Fe -

NH3-SCR Bộ xử lý xúc tác chọn lọc sử dụng chất khử trực tiếp

Urea-SCR Bộ xử lý xúc tác chọn lọc sử dụng chất khử gián tiếp

HC-SCR Bộ xử lý xúc tác chọn lọc sử dụng chất khử hy-đrô các-bon - EtOH-SCR Bộ xử lý xúc tác chọn lọc sử dụng chất khử ê-ta-non - LNT Lean NOx Trap (Bộ hấp phụ NOx bằng bẫy hỗn hợp nghèo) -

- x -

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Tỷ lệ của các thành phần khí thải trong động cơ diesel [1] 4

Hình 1.2 Đặc tính phát thải theo hệ số dư lượng không khí λ [1] 4

Hình 1.3 Quá trình hình thành PM [6] 9

Hình 1.4 Giới hạn NOx, PM đối với động cơ diesel xe tải [5] 11

Hình 1.5 Sơ đồ luân hồi khí thải [34] 13

Hình 1.6 Kết cấu chung bộ lọc DPF của hãng Johnson Matthey [20] 16

Hình 1.7 Nguyên lý và kết cấu bộ lọc kín chất thải dạng hạt DPF [20] 16

Hình 1.8 Sơ đồ hệ thống LNT [20] 17

Hình 1.9 Quá trình hấp phụ NOx trong hỗn hợp nghèo [20] 18

Hình 1.10 Các phản ứng trong các buồng xử lý [20] 19

Hình 1.11 Quá trình giải phóng N2 trong hỗn hợp giàu nhiên liệu [20] 20

Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống SCR 21

Hình 2.1 Ô-xy hóa NH3 theo nhiệt độ trên hệ xúc tác Zeolite [35] 26

Hình 2.2 Sơ đồ quá trình khử NOx bằng NH3 27

Hình 2.3 Hiệu suất khử theo nhiệt độ ở các mức lưu lượng khí xả khác nhau [3] 28

Hình 2.4 Hiệu suất chuyển đổi NOx phụ thuộc tỷ lệ mol 2 / x NO NO r ở 200 oC [30] 29

Hình 2.5 Hiệu suất chuyển đổi NOx và tạo thành N2O theo nhiệt độ với thành phần NO2 khác nhau trên hệ xúc tác Zeolite [39] 30

Hình 2.6 Nồng độ các muối a-môn theo thành phần SO3 [32] 31

Hình 2.7 Hiệu quả chuyển đổi theo tỷ lệ mol 3 / x NH NO r ở các nhiệt độ khác nhau trên hệ xúc tác Zeolite 32

Hình 2.8 Cơ chế khử NOx bằng ê-ta-non [36] 34

Hình 2.9 Hiệu suất khử NOx theo nhiệt độ trên hệ xúc tác Ag/Al2O3 [19] 35

Hình 2.10 Ảnh hưởng của SO2 và H2O đến hiệu suất khử NOx với Ê-ta-non trên hệ xúc tác Ag/Al2O3 [19] 35

Hình 2.11 Sơ đồ cơ chế khử NOx bằng hy-đrô các-bon 36

Hình 2.12 Hiệu suất khử NOx với các hy-đrô các-bon [13] 37

Hình 2.13 Cơ chế khử NO bằng NH3 trên hệ xúc tác V2O5 [4] 39

Hình 2.14 Sơ đồ lắp đặt SCR trên đường thải 40

Hình 2.15 Ảnh hưởng của thành phần NO2 đến hiệu quả khử NOx [17] 40

Hình 2.16 Suy giảm hiệu suất khử theo thời gian khi thử bền động cơ với nhiên liệu chứa 350 ppm lưu huỳnh ở nhiệt độ thấp [18] 41

Hình 2.17 Suy giảm hiệu suất khử theo thời gian khi thử bền động cơ với nhiên liệu chứa 1620 ppm lưu huỳnh ở nhiệt độ thấp [18] 43

- xi -

Hình 2.18 Hiệu quả khử NOx theo nhiệt độ của 2 hệ xúc tác Zeolite (Cu-Zeolite và

Fe-Zeolite) [38] 43

Hình 2.19 Hấp phụ NH3 với điều kiện hỗn hợp nghèo (10% O2) và giàu (không có O2) với xúc tác Cu-Zeolite [38] 44

Hình 2.20 Hấp phụ NH3 với điều kiện hỗn hợp nghèo (10% O2) và giàu (không có O2) với xúc tác Fe-Zeolite [38] 44

Hình 2.21 Xúc tác Al2O3 hoặc SiO2 với 1% Rh, Pd hoặc Pt [30] 46

Hình 2.22 Cơ chế khử NOx trên xúc tác Pt với chất khử là prô-pen [40] 46

Hình 2.23 Tạo N2 và N2O từ NO trên xúc tác Pt [40] 47

Hình 2.24 a Hấp phụ NO trên nền Al2O3 [40] 48

Hình 2.24 b Hấp phụ NO2 trên nền Al2O3 [40] 48

Hình 2.25 Sơ đồ khối điều khiển vòng hở SCR [31] 49

Hình 2.26 Sơ đồ tổng quát với hệ điều khiển kín 50

Hình 2.27 Sơ đồ điều khiển vòng kín sử dụng tín hiệu phản hồi từ cảm biến NOx [31] 51

Hình 2.28 Sơ đồ điều khiển vòng kín với tín hiệu phản hồi từ cảm biến NH3 [31] 52

Hình 2.29 Sơ đồ và nguyên lý làm việc của bộ SCR 53

Hình 2.30 Bộ xúc tác khử NOx 55

Hình 2.31 Cấu trúc monolith 55

Hình 2.32 Bình chứa urea 55

Hình 2.33 Kết cấu và hoạt động của bơm urea loại con lăn 56

Hình 2.34 Kết cấu vòi phun urea 57

Hình 3.1 Mô hình lò phản ứng (CAT1) với các điều kiện biên (ATB1, ATB2) 63

Hình 3.2 Ảnh hưởng của lưu lượng khí xả đến hiệu suất khử NOx 65

Hình 3.3 Ảnh hưởng của NO2 đến hiệu suất khử NOx 66

Hình 3.4 Ảnh hưởng của NH3 đến hiệu suất khử NOx 67

Hình 4.1 Sự giảm hoạt tính của xúc tác 69

Hình 4.2 Quy trình thiết kế hệ thống SCR 70

Hình 4.3 Xung tín hiệu điều khiển kiểu PWM 76

Hình 4.4 Xung tín hiệu điều khiển và độ nâng kim phun vòi phun 76

Hình 4.5 Xung phun của các chu kỳ khác nhau cho bộ điều khiển xung PWM 77

Hình 4.6 Sơ đồ thuật toán lựa chọn chu kỳ T của PWM 78

Hình 4.7 Sơ đồ khối chức năng của hệ thống 78

Hình 4.8 Hình dáng và đặc tính của cảm biến nhiệt 79

Hình 4.9 Hình dáng và đặc tính của cảm biến NOx [29] 80

Hình 4.10 Ảnh hưởng của NH3 đến cảm biến NOx [29] 80

Hình 4.11 Hình dáng và đặc tính của cảm biến NH3 [37] 82

Hình 4.12 Sơ đồ thuật toán điều khiển phun urea 82

Hình 4.13 Sơ đồ khối thiết bị điều khiển và thử nghiệm phun urea 84

Hình 4.14 Sơ đồ mạch điều khiển 84

- xii -

Hình 4.15 Hình ảnh bộ điều khiển phun urea 85

Hình 4.16 Lƣợng phun urea phụ thuộc vào lƣợng NOx có trong khí thải 86

Hình 4.17 Hiệu suất khử NOx phụ thuộc vào lƣợng NOx có trong khí thải 87

Hình 4.18 Hiệu suất khử NOx phụ thuộc vào giới hạn NH3 dƣ 87

Hình 4.19 Hiệu suất khử NOx phụ thuộc hiệu suất các phản ứng khử 88

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật động cơ 63

Bảng 3.2 Thông số cấu trúc của bộ xúc tác [8] 64

Bảng 4.1 Chu kỳ và các dải lƣợng phun urea 77

Bảng 4.2 Các thông số của cảm biến NH3 [37] 81

ii Đối tượng

Động cơ D243 được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu Đây là động cơ diesel không tăng áp, sử dụng hệ thống cung cấp nhiên liệu truyền thống

Các giải pháp giảm phát thải được áp dụng trong nghiên cứu này tập trung vào giảm phát thải NOx bằng phương pháp xử lý xúc tác chọn lọc sử dụng urea

iii Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của quá trình khử NOx bằng NH3, xác định các quan hệ tỷ lệ giữa urea cung cấp với NOx trong khí thải

- Tính toán thiết kế và thử nghiệm bộ điều khiển phun urea cung cấp cho hệ thống xử lý xúc tác chọn lọc

II Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu là nghiên cứu lý thuyết Nghiên cứu các giải pháp giảm phát thải cho động cơ diesel hiện đang được áp dụng ở các nước tiên tiến trên thế giới Qua đó phân tích, đánh giá và lựa chọn giải pháp kỹ thuật khả thi để giảm phát thải độc hại cho động cơ diesel lắp trên xe tải hạng nhẹ đang lưu hành

Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, tính toán thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển phun urea cho bộ xử lý xúc tác chọn lọc SCR sử dụng urea làm chất khử

III Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- 2 -

Kết quả nghiên cứu đưa ra phương pháp giải quyết vấn đề về ô nhiễm môi trường không khí do phương tiện giao thông sử dụng động cơ diesel gây ra Giải pháp và hệ thống cắt giảm phát thải NOx cho động cơ diesel sau khi hoàn thiện, thử nghiệm đánh giá độ bền và thử nghiệm trên phương tiện có thể đưa vào sử dụng trong phạm vi lớn trên thực tế, góp phần cải thiện chất lượng phát thải của loại động

cơ này và cải thiện chất lượng môi trường không khí nói chung

IV Các nội dung chính trong đề tài

Thuyết minh của đề tài được trình bày gồm các phần như sau:

 Mở đầu

 Chương 1 Khí thải động cơ diesel và các biện pháp xử lý

 Chương 2 Bộ xử lý xúc tác chọn lọc (SCR)

 Chương 3 Mô phỏng bộ xử lý xúc tác chọn lọc

 Chương 4 Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển phun urea-SCR

 Kết luận chung và phương hướng phát triển

- 3 -

CHƯƠNG 1 KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ DIESEL VÀ CÁC BIỆN

PHÁP XỬ LÝ 1.1 Thành phần khí thải động cơ diesel và cơ chế hình thành

1.1.1 Thành phần khí thải động cơ diesel

Quá trình cháy của động cơ diesel thực chất là các phản ứng cháy của nhiên liệu với không khí Trước đây người ta cho rằng phản ứng này xảy ra hoàn toàn, với sản phẩm sinh ra gồm: CO2, H2O và N2 có trong không khí Cùng với tỷ lệ tương ứng của O2 trong không khí thì có thể còn O2 lẫn trong sản phẩm cháy Trong thực

tế quá trình cháy của động cơ là không hoàn toàn Có hai lý do để giải thích việc đó:

Thứ nhất là các phản ứng hoá học không bao giờ diễn ra theo một chiều mà luôn có phản ứng thuận nghịch giữa chất phản ứng và sản phẩm sinh ra Do đó phản ứng không thể xảy ra hoàn toàn vì các chất tham gia phản ứng vẫn còn dư

Thứ hai là các khu vực cháy với điều kiện hoà trộn, nhiệt độ và tốc độ xoáy lốc của không khí, dòng nhiên liệu phun vào không gian buồng cháy khác nhau cũng là một vấn đề Điều đó làm cho ngọn lửa bị tắt không đốt cháy được hết lượng nhiên liệu, các điều kiện phản ứng khác nhau sẽ sinh ra sản phẩm cháy mới như là bụi, phát thải NOx… Do vậy khối lượng, số lượng phát thải của động cơ tăng lên so với trường hợp cháy hoàn toàn Các thành phần của khí thải bao gồm: CO2, H2O,

N2, O2, CO, HC cháy không hết, NOx, bụi, khói và tuỳ thuộc vào chất lượng của nhiên liệu mà sản phẩm cháy có thể có SOx Trong các thành phần khí thải thì NOx, bụi khói, CO và HC cháy không hết được gọi là phát thải độc hại của động cơ đốt

trong Tỷ lệ của các thành phần khí thải trong động cơ được thể hiện trong Hình 1.1

Tuy khối lượng phát thải chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ (khoảng 0,2% trong tổng khối lượng khí thải) nhưng nó rất được quan tâm do gây ô nhiễm không khí Một điều dễ nhận thấy là lượng phát thải này cũng không gây ảnh hưởng nhiều tới hiệu suất nhiệt của động cơ, tuy nhiên hiện nay người ta đang nỗ lực để xử lý, giảm thiểu phát thải của động cơ, vì những nguy hiểm của nó đối với môi trường tự nhiên và

- 4 -

sức khoẻ của con người Thậm chí một phần triệu của phát thải mà giảm được cũng rất quan trọng

Hình 1.1 Tỷ lệ của các thành phần khí thải trong động cơ diesel [1]

Hình 1.2 Đặc tính phát thải theo hệ số dư lượng không khí λ [1]

Như ta đã biết khối lượng của phát thải phụ thuộc vào hiệu suất và các thông

số của động cơ Ví dụ: thời điểm phun của động cơ diesel tác động tới tính kinh tế của nhiên liệu và khối lượng khí thải phát ra Tuy nhiên, ảnh hưởng của thông số động cơ không ảnh hưởng nhiều lắm tới tổng nhiệt của quá trình cháy nhưng thời điểm phun và tốc độ phun có liên quan tới nhiệt nhả ra của chu trình làm việc động

cơ

- 5 -

Nồng độ các phát thải độc hại chính đƣợc cho trên Hình 1.2, thể hiện mối

quan hệ của nồng độ HC, CO, NOx, PM theo hệ số dƣ lƣợng không khí λ

1.1.2 Cơ chế hình thành các chất trong khí thải diesel

Việc tìm hiểu cơ chế hình thành NOx trong động cơ diesel và kiểm soát thành phần khí thải này gặp nhiều khó khăn do quá trình cháy của động cơ diesel xảy ra nhanh và hỗn hợp cháy là không đồng nhất NO và NO2 là hai thành phần chính của

NOx, trong đó NO là khí không mùi, không màu còn NO2 có màu nâu đỏ, mùi gắt

Cả hai loại khí đều rất độc nhƣng NO2 độc gấp 5 lần so với NO, phần lớn NO2 hình thành từ việc ô-xy hoá NO

NO đƣợc hình thành trong quá trình cháy rớt trong xy-lanh tại vùng nhiệt độ cao, cơ chế hình thành NO đƣợc chấp nhận rộng rãi là cơ chế đƣợc đƣa ra bởi Zeldovich [33] Thành phần chính để hình thành NO là khí N2 trong không khí nạp vào động cơ Phản ứng dây chuyền ô-xy hoá khí ni-tơ đƣợc tạo bởi các nguyên tử ô-

xy, hình thành từ việc tách ra khỏi phân tử O2 tại nhiệt độ cao trong quá trình cháy Phản ứng chủ đạo để hình thành NO từ phân tử N2 là:

và ni-tơ phân hủy thành nguyên tử có tính năng hoạt hóa cao, và tại đây nồng độ

ô-xy đủ lớn đảm bảo đủ ô-ô-xy cho phản ứng, do đó NOx đạt cực đại Do đặc điểm của động cơ diesel là hình thành hỗn hợp bên trong nên hệ số dư lượng không khí nằm trong một giới hạn rất rộng, cụ thể là 1,2 đến 10 tương ứng từ toàn tải đến không tải

Ở động cơ diesel, khi  tăng, nhiệt độ cháy giảm nên thành phần NOx giảm

So với động cơ xăng thì động cơ diesel có thành phần NOx thấp hơn Tuy nhiên, thành phần NO2 trong NOx lại cao hơn, chiếm 5-10% trong khi tỷ lệ này ở động cơ xăng là 2-10% [1]

- 7 -

Phương pháp hình thành hỗn hợp có ảnh hưởng lớn 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 ô-xy nên mặc dù nhiệt độ lớn nhưng NOx vẫn nhỏ Khi cháy ở buồng cháy chính, mặc dù  rất lớn, ô-xy nhiều nhưng nhiệt độ quá trình cháy không lớn nên NOx cũng nhỏ Tổng hợp lại, 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 có tính kinh tế không cao do có suất tiêu hao nhiên liệu lớn nên ngày nay không được sử dụng nhiều

1.1.2.2 Cơ chế hình thành PM

Theo định nghĩa của Tổ chức bảo vệ môi trường bang Ca-li-phóc-ni-a thì PM

là những thực thể (trừ nước) của khí thải sau khi được hoà trộn với không khí (làm

Với định nghĩa như vậy, PM gồm các hạt rắn và các chất lỏng bám theo Các hạt rắn gồm: cácbon tự do và tro còn gọi là PM (soot), các chất phụ gia dầu bôi trơn, các hạt và vảy tróc do mài mòn Chất lỏng bám theo gồm có các thành phần trong nhiên liệu và dầu bôi trơn

Các hạt (PM) có kích thước từ 0,01 đến 1 m Phần lớn hạt có kích thước nhỏ hơn 0,3 m nên rất dễ bị hít vào và gây tổn thương cho đường hô hấp và phổi Thành phần của PM phụ thuộc rất nhiều vào chế độ làm việc của động cơ và phương pháp hình thành khí hỗn hợp Thông thường, trong PM chứa:

- 40% dầu bôi trơn,

nm, khối lƣợng riêng trung bình của PM là 2000 kg/m3

PM có thuộc tính xốp nên các phần tử PM đƣợc đặc trƣng bởi tỷ lệ khối lƣợng chia cho diện tích bề mặt, vì vậy chúng rất dễ dính và cô đọng trong phản ứng cộng hy-đrô, thậm chí ngay cả sau khi rời động cơ chúng vẫn có tính chất nhƣ vậy

Cơ chế hình thành PM tổng quan nhất của Fusco [6] đƣợc mô tả theo sơ đồ

cho trên Hình 1.3

- 9 -

Hình 1.3 Quá trình hình thành PM [6]

Theo Fusco [6] thì sự hình thành PM của động cơ tuân theo 8 bước cơ bản như ở trên sơ đồ trên Nhiên liệu bốc hơi trong quá trình cháy dẫn tới sự hình thành

PM, PM được hình thành qua các quá trình sau:

- (1) quá trình chuyển hoá để làm tăng kích thước hạt cơ bản (bán kính hạt lớn dần lên),

- (2) tham gia cộng hợp tạo thành C2H2,

- (3) quá trình ô-xy hoá hình thành các hạt PM ban đầu, các hạt PM này có kích thước hạt lớn dần lên,

- (4) quá trình ô-xy hoá hình thành các hạt PM ban đầu có nguồn gốc là các gốc hy-đrô các-bon (C2H2),

- (5) quá trình hình thành các hạt PM hình cầu (soot particles - P),

- (6) quá trình phát triển bề mặt của các phân tử C2H2 tạo thành các hạt PM hình cầu ,

- (7) quá trình ô-xy hoá PM tạo thành các cụm PM trơ hình cầu thể tích đơn, lúc này khối lượng tăng lên nhưng số lượng lại giảm xuống,

- (8) quá trình hợp dính, ngưng tụ, phát triển bề mặt, liên kết hạt để tạo thành chuỗi PM

Tám phần này sẽ tham gia các phản ứng phá vỡ mạch vòng, ô-xy hoá, tăng kích thước bề mặt… như ở sơ đồ trên

HC lớn hơn so với trường hợp hỗn hợp thể tích Nếu tổ chức xoáy lốc và hoà trộn tốt trong quá trình hình thành hỗn hợp, thành phần HC sẽ giảm

1.1.2.5 Hợp chất chứa lưu huỳnh

Trong khí thải có các hợp chất chứa lưu huỳnh là do trong nhiên liệu còn một lượng tạp chất lưu huỳnh còn lại khi chưng cất dầu mỏ Do nhiên liệu chứa lưu huỳnh nên trong khí thải có SO2, khi kết hợp với hơi nước sẽ tạo thành a-xít Các hợp chất chứa lưu huỳnh trong khí thải là một trong những nguyên nhân gây ra mưa a-xít và tạo ra PM thông qua các muối có gốc sun-phát

1.1.3 Yêu cầu về giảm phát thải độc hại

Đối với phát thải động cơ diesel thì các thành phần phát thải được quan tâm chủ yếu là NOx và PM Về giới hạn theo các tiêu chuẩn khí thải phổ biến (châu Âu,

Mỹ, Nhật) được thể hiện trên Hình 1.4

- 11 -

Trong các tiêu chuẩn khí thải thì tiêu chuẩn của Mỹ là ngặt nghèo nhất Ngay

từ những năm đầu thế kỷ 21, thì tiêu chuẩn Mỹ đã yêu cầu nồng độ NOx trong khí

thải ở mức thấp nhất (2,7 g/kWh), sau đó là đến tiêu chuẩn Nhật (3,5 g/kWh) còn

nồng độ PM thì tiêu chuẩn Mỹ và Nhật đều lớn hơn tiêu chuẩn Châu Âu Sở dĩ vậy

do tiêu chuẩn Châu Âu còn áp dụng chương trình thử tĩnh khi mà tiêu chuẩn Mỹ, Nhật đều đã sử dụng chương trình thử động [1]

Sau đó, các tiêu chuẩn đều sử dụng chương trình thử động riêng, với tiêu chuẩn Mỹ và Nhật đều thấp hơn tiêu chuẩn Châu Âu Riêng với tiêu chuẩn Mỹ thì nghiêm ngặt với phát thải NOx (0,35 g/kWh – US 2010) hơn cả tiêu chuẩn Nhật (1 g/kWh – JP 2008) và Châu Âu (2 g/kWh – EURO V, 2008)

1.2 Các biện pháp xử lý khí thải diesel

1.2.1 Các biện pháp kết cấu

Nhóm các biện pháp kết cấu bao gồm các biện pháp nhằm giảm lượng phát thải các chất độc hại ra khỏi buồng cháy động cơ Có thể điểm qua một số biện pháp

- 12 -

thường được sử dụng như sau

(i) Tối ưu các hệ thống và kết cấu động cơ: hệ thống nhiên liệu, hệ thống

nạp, kết cấu buồng cháy, áp dụng điều khiển điện tử nhằm mục đích điều khiển lượng nhiên liệu chu trình, tăng cường khả năng nạp, tăng cường khả năng hòa trộn nhiên liệu với không khí, đốt cháy triệt để nhiên liệu…

(ii) Luân hồi khí thải (EGR): Đưa một phần khí xả ngược trở về buồng cháy,

do đó làm bẩn hỗn hợp cháy làm quá trình cháy diễn ra ở nhiệt độ thấp hơn, phản ứng giữa ô-xy và ni-tơ giảm, do đó có thể giảm thiểu lượng phát thải NOx từ 50 đến 70%

Có ba cách giải thích cho ảnh hưởng của luân hồi khí thải đến việc giảm NOxlà: kéo dài thời gian cháy, tăng nhiệt dung riêng và làm loãng khí nạp bằng khí trơ (chủ yếu là CO2) Giả thuyết kéo dài thời gian cháy đã được khẳng định bởi luân hồi khí thải gây kéo dài thời gian cháy tương tự như việc giảm góc phun sớm Giả thiết tăng nhiệt lượng cho rằng việc thêm khí trơ vào khí nạp sẽ tăng nhiệt dung riêng của những phần tử phản ứng xuất hiện trong quá trình cháy làm giảm nhiệt độ cháy Theo giả thiết làm loãng khí nạp, ảnh hưởng của luân hồi khí xả lên NOx gây

ra bởi tăng lượng khí trơ không cháy trong hỗn hợp sẽ làm giảm nhiệt độ của quá trình cháy đoạn nhiệt

Hiện tại thì luân hồi khí thải có hai nhóm chính: luân hồi áp suất cao và luân hồi áp suất thấp Trong đó, luân hồi áp suất thấp có kết cấu phức tạp hơn nhưng lại

cho hiệu quả tốt hơn so với luân hồi áp suất cao

- 13 -

Hình 1.5 Sơ đồ luân hồi khí thải [34]

a - Luân hồi áp suất suất thấp; b - Luân hồi áp suất cao

(iii) Tối ưu quá trình cháy: có một số phương pháp đã được áp dụng nhằm

tăng hiệu quả quá trình cháy

Tăng áp suất phun nhiên liệu để xé tơi hơn các hạt nhiên liệu, qua đó tăng

khả năng hòa trộn với không khí, quá trình cháy sẽ diễn ra đồng đều và triệt để hơn

Cháy với hỗn hợp nghèo: khi hỗn hợp có tỉ lệ nhiên liệu/không khí thấp sẽ

hạn chế các vùng thiếu ô-xy, qua đó làm giảm CO, HC và PM

Tạo chuyển động xoáy dòng khí nạp vừa đủ: tăng khả năng hòa trộn nhiên

liệu, đưa không khí tới mọi vùng trong buồng cháy làm giảm thiểu việc thiếu ô-xy cục bộ: giảm phát thải HC, CO, PM

trung bình trong quá trình làm việc của động cơ

Làm giàu ô-xy trong nhiên liệu: giảm thiểu việc thiếu ô-xy cục bộ, tăng khả

- 14 -

năng cháy kiệt, do đó giảm phát thải độc hại

Ngoài các biện pháp đã nêu trên, người ta cũng còn áp dụng các phương pháp công nghệ nhằm giảm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu, lượng chất vô cơ và phốt-pho trong dầu bôi trơn Đây là biện pháp làm giảm thành phần SO2, SO3, các muội gốc vô cơ… và giảm tác động xấu đến các bộ xử lí khí thải

Cuối cùng, sử dụng nhiên liệu thay thế cũng là một biện pháp khả thi Ngoài việc giảm phát thải các thành phần độc hại thì đây còn là sự lựa chọn có tiềm năng

để đối phó với vấn đề cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch

Do các biện pháp về kết cấu động cơ và nhiên liệu chỉ đạt được hiệu quả nhất định trong giảm thiểu khí thải độc hại, mặt khác những biện pháp này lại gặp phải sự đối lập giữa giảm phát thải và tính kinh tế, các thành phần độc hại trong khí thải cũng không thể giảm được đồng thời Chẳng hạn, khi áp dụng luân hồi khí xả

để giảm NOx thì các thành phần PM, CO, HC lại tăng; hay khi tối ưu hóa quá trình cháy để giảm PM thì NOx lại tăng do nhiệt độ cháy tăng Vì vậy, để giảm được đồng thời các thành phần độc hại nhằm đảm bảo yêu cầu ngày càng khắt khe về tiêu chuẩn khí thải, phải sử dụng đến nhóm biện pháp thứ hai là xử lý khí thải sau cửa thải (after-treatment)

1.2.2 Các biện pháp xử lý sau cửa thải

1.2.2.1 Bộ xúc tác ô-xy hóa (DOC) xử lý CO và HC

Bộ xử lý xúc tác ô-xy hóa dùng cho động cơ diesel (Diesel Oxydation Catalyst-DOC) được sử dụng với mục đích để giảm phát thải CO, HC và PM trong khí thải Khí thải từ động cơ diesel được dẫn qua bộ xúc tác ô-xy hóa DOC, với sự

có mặt của các chất xúc tác Platinum và Palladium thì các phản ứng ô-xy hóa diễn

ra dễ dàng ngay cả ở nhiệt độ thấp (làm giảm nhiệt độ phản ứng ô-xy hóa của HC

và CO từ 600 oC xuống 250 oC) Các phản ứng ô-xy hóa gồm:

- 15 -

1 2

Các hy-đrô các-bon trong khí thải động cơ có thể ở dạng hơi hoặc ngưng tụ ở dạng lỏng Trong cả hai trạng thái, các hy-đrô các-bon đều được ô-xy hóa và chuyển thành CO2 và nước Trường hợp không có bộ DOC, thành phần hy-đrô các-bon lỏng sẽ thải ra ngoài dưới dạng PM Do đó, sử dụng bộ DOC không những làm

giảm đáng kể lượng CO, HC mà còn làm giảm lượng phát thải dạng hạt PM

Tuy nhiên, bên cạnh đó, bộ DOC cũng thúc đẩy một số phản ứng ô-xy hóa

và tạo thành các sản phẩm không mong muốn khác:

NO2, đây là chất khí độc hại hơn đối với sức khỏe con người và môi trường so với

NO

1.2.2.2 Bộ lọc hạt PM kiểu kín (DPF)

Bộ lọc chất thải dạng hạt (Diesel Particulate Filter - DPF) là hệ thống được

sử dụng khá phổ biến hiện nay trong các phương tiện giao thông vận tải như để giảm thiểu hàm lượng PM trong khí thải Bộ lọc kín PM là thiết bị giữ lại các chất thải dạng hạt trong khí thải động cơ không cho thải ra ngoài môi trường Các bộ lọc kín có hiệu quả lọc khá cao thường lớn hơn 90% Các loại lọc thường có kết cấu

- 16 -

bên ngoài gần giống nhau (Hình 1.6), chúng khác nhau chủ yếu là phần lõi lọc (Hình 1.7)

Hình 1.6 Kết cấu chung bộ lọc DPF của hãng Johnson Matthey [20]

Kết cấu của bộ DPF thường gồm lõi lọc làm bằng gốm xốp được chế tạo

thành các rãnh bị bịt một đầu và được sắp xếp so le nhau (Hình 1.7)

Hình 1.7 Nguyên lý và kết cấu bộ lọc kín chất thải dạng hạt DPF [20]

Với kết cấu như vậy, toàn bộ khí thải đi vào các rãnh của bộ DPF phải đi qua các vách xốp, các thành phần khí sẽ đi qua các lỗ xốp còn các thành phần dạng hạt

bị giữ lại trên bề mặt vách hoặc trên các lỗ xốp do các hiện tượng khuếch tán, lắng đọng, hút dính,… Sau một thời gian làm việc, các chất thải dạng hạt lắng đọng nhiều làm tắc các lỗ xốp và làm áp suất trên đường ống thải tăng cao ảnh hưởng đến hoạt động và có thể gây hư hỏng động cơ Khi đó cần thực hiện quá trình làm sạch

- 17 -

lọc hay còn gọi là quá trình tái sinh lọc Trong quá trình tái sinh lọc, chất thải dạng hạt lắng đọng trong bộ lọc có thể được đốt cháy bằng nhiều cách khác nhau như nâng cao nhiệt độ khí thải (phun nhiên liệu muộn đi hoặc phun và đốt nhiên liệu trên đường thải) hoặc sử dụng điện

Có hai phương pháp thường được sử dụng rộng rãi hiện nay là bộ bẫy NOxvới hỗn hợp nghèo (LNT - Lean NOx Trap) và bộ xử lý xúc tác chọn lọc (SCR - Selective Catalytic Reduction)

Hình 1.8 Sơ đồ hệ thống LNT [20]

Hệ thống LNT gồm 2 buồng xúc tác: buồng thứ nhất gồm một van khí thải

và một đường ống rỗng (bypass leg) bên trong; buồng thứ hai gọi là buồng xử lý Buồng thứ hai được chia thành các buồng nhỏ hơn gồm buồng chứa chất ô-xy hoá, buồng chuyển hoá, buồng chứa bộ xúc tác LNT Các kim loại quý dùng để làm các chất xúc tác cho các bình lần lượt là: Pt, Pt/Rh, Pd Các kim loại quý này được phủ lên trên bề mặt của kim loại kiềm và kiểm thổ, thường là Kali (K) và Bari (Ba)

Bộ xử lý LNT hoạt động theo một chu trình gồm 2 pha Ban đầu, khí thải từ động cơ được đưa vào hệ thống LNT, lúc này van khí thải trên ống rỗng đóng lại,

- 18 -

toàn bộ khí thải đi vào buồng xử lý Buồng xử lý thực hiện quá trình cắt giảm khí

NOx bằng ô-xy hoá chúng và dùng các ô-xít kim loại kiềm thổ như BaO để hấp phụ chúng trong điều kiện nghèo

Phương trình phản ứng trong điều kiện nghèo:

1 2

1 2

2

Hai phương trình trên là quá trình ô-xy hoá NOx Hình 1.9 cho thấy quá trình

hấp phụ NOx trong hỗn hợp nghèo

Do lượng NOx được hấp phụ ngày càng nhiều hơn, do vậy cần thực hiện quá trình tái tạo lại hệ thống Quá trình tái tạo lại hệ thống được thực hiện 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 xử lý Quá trình tái tạo lại hệ thống được thực hiện bằng cách

phun nhiêu liệu vào trước buồng ô-xy hoá, quá trình được thực hiện như Hình 1.10

- 19 -

Hình 1.10 Các phản ứng trong các buồng xử lý [20]

Nhiên liệu được phun vào là khí mê-tan (CH4) Lúc này buồng chứa chất

ô-xy hoá sẽ thực hiện quá trình ô-ô-xy hoá CH4 để cho ra các sản phẩm như: CO, CO2,

H2O, và H2 Phương trình ô-xy hoá CH4 như sau:

Hình 1.11

1 2

2

- 20 -

1 2

2

1 2

Như vậy một chu trình hấp phụ NOx và giải phóng N2 đã kết thúc Van khí thải trước buồng xử lý lại mở ra và van khí thải trên ống rỗng lại đóng lại quá trình hấp phụ NOx lại bắt đầu

Hệ thống bẫy NOx với hỗn hợp nghèo (LNT) có hiệu suất xử lý rất cao (có thể đạt trên 90%) và chủ yếu được sử dụng trên các phương tiện diesel cỡ nhỏ vì tính kinh tế kém xa hệ thống xử lý xúc tác chọn lọc SCR

b Bộ xử lý xúc tác chọn lọc (SCR)

Phương pháp xử lý xúc tác chọn lọc khử NOx (SCR-Selective Catalytic Reduction) là phương pháp khử liên tục NOx Dưới tác dụng của chất xúc tác, NOx

bị khử thành N2 và H2O, thường dùng chất khử là NH3 Tuy vậy, việc lưu trữ NH3

là rất khó khăn nên người ta tạo ra NH3 một cách gián tiếp từ phản ứng thủy phân urea Tuy nhiên urea ở dạng tinh chất là dạng bột khó có thể đưa vào khí thải với lượng xác định được Và đó là lí do người ta phải sử dụng urea dưới dạng dung dịch Một trong những sản phẩm thương mại được sử dùng nhiều nhất hiện nay là

- 21 -

dung dịch Adblue (32,5% urea)

Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống SCR

Nguyên lý làm việc được trình bày rõ trong phần chương 2

1.3 Kết luận chương 1

Đối với các thành phần phát thải độc hại trên động cơ diesel đều đã được nghiên cứu để giảm thiểu để đạt được các tiêu chuẩn khí thải ngày càng ngặt nghèo hơn Bộ ô-xy hóa DOC xử lý được hai thành phần khí CO và HC, bộ lọc phát thải dạng hạt DPF loại bỏ phần lớn hạt PM Chỉ còn thành phần NOx từ động cơ nói chung, hay xe tải nói riêng thì cần nghiên cứu lựa chọn biện pháp phù hợp để xử lý

SCR là hệ thống hàng đầu trong công nghệ giảm phát thải NOx khi xem xét tổng thể: hiệu suất khử NOx và giá thành sản xuất Bộ xử lý NOx dùng chất khử trực tiếp là NH3 chỉ được dùng trong các trạm động lực tĩnh tại do các thiết bị đi kèm rất cồng kềnh Đối với phương tiện giao thông, SCR thường sử dụng NH3 ở dạng gián tiếp, tức là sử dụng các dẫn xuất để tạo ra NH3 (urea, ) Bộ xử lý khử NOx cho xe tải dùng dung dịch urea (AdBlue) sử dụng cho hệ thống SCR, có thể đạt tiêu chuẩn khí thải mức 4 và mức 5 về NOx

Dựa trên các giải pháp giảm phát thải, tác giả đã lựa chọn “Nghiên cứu thiết

kế, chế tạo bộ điều khiển phun urea cho bộ xử lý xúc tác SCR lắp trên động cơ diesel”

- 22 -

Chương 2 BỘ XỬ LÝ XÚC TÁC CHỌN LỌC (SCR) 2.1 Nhiệm vụ và phân loại

- 23 -

2

298

3608 5

95,914 /2.10 T

3

298

7151 8

- 24 -

*) Phản ứng không mong muốn - tạo đi-ni-tơ ô-xít:

Phản ứng không mong muốn là các phản ứng không đƣợc ƣu tiên chọn lọc,

cụ thể bao gồm:

xử lý trong khí thải, đó là các phản ứng (2-8), (2-9) và (2-10) Các phản ứng này tạo chất khí N2O, là chất độc hại và là chất gây hiệu ứng nhà kính mạnh mẽ

ii) ô-xy hóa chất khử tạo lại chất cần xử lý (khí NO), đó là phản ứng (2-11)

Phản ứng này làm giảm hiệu quả chuyển đổi NOx nên cần hạn chế

iii) ô-xy hóa chất khử, đó là phản ứng (2-12) Phản ứng này làm suy giảm lƣợng chất khử, làm cho việc định lƣợng chất khử của hệ thống cung cấp bị sai sót

( ) 2

xảy ra với nhiệt độ lớn hơn 300 oC và mức độ ô-xy hóa tăng theo nhiệt độ, tối đa chỉ

có 15% ở 550 oC (Hình 2.1 a) Khi NH3 bị ô-xy hóa làm cho việc kiểm soát lƣợng phun urea cung cấp cho hệ thống phức tạp hơn

Cũng trong nghiên cứu này, nhóm tác giả chỉ ra rằng độ chọn lọc trên hệ xúc tác Zeolite ƣu thế tạo N2, còn tạo NO chỉ với 2%, tạo N2O với 1% là cao nhất tại vùng nhiệt độ 550 o

C (Hình 2.1 b) Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc xem

xét việc tổn hao NH3 do ô-xy hóa, đồng thời không hình thành thêm NO làm giảm hiệu suất khử NOx của hệ thống SCR

NH3 trên hệ xúc tác V2O5 được thể hiện trên Hình 2.2

Hệ thống sử dụng trực tiếp NH3 cho hiệu suất khử tốt hơn so với sử dụng gián tiếp NH3 thông qua thủy phân urea Tuy nhiên, khi này gặp phải một số hạn chế cồng kềnh do hệ thống chứa NH3 ở áp suất cao, hệ thống cung cấp NH3… Để

sử dụng trên phương tiện vận tải thì giải pháp đó là sử dụng gián tiếp NH3 chấp nhận việc hiệu suất khử giảm ít nhiều

Quá trình khử NOx thì NO2 luôn là tác nhân hoạt động, NO2 sẽ phản ứng trực tiếp với NH3, trong khi NO sẽ bị oxi hóa một phần thành NO2 và tốc độ của quá

- 28 -

trình đạt cao nhất khi tỉ lệ NO : NO2 : NH3 trong hỗn hợp là 1 : 1 : 2 Trong những kết quả nghiên cứu mới nhất của Nguyễn Lê Phúc và đồng nghiệp [22,23,24] cũng cho thấy NH3 có tốc độ khử NOx rất nhanh

Bên cạnh các phản ứng chính được chọn lọc dưới tác dụng của xúc tác có lợi cho việc khử NOx thì còn có các phản ứng phụ bất lợi cho sự làm việc của bộ xúc tác nói riêng và của hệ thống SCR nói chung

iii Các nhân tố ảnh hưởng

- Nhiệt độ và tốc độ không gian

Hình 2.3 Hiệu suất khử theo nhiệt độ ở các mức lưu lượng khí xả khác nhau [3]

Để đánh giá “lưu lượng khí xả đi qua bộ xúc tác” hay còn gọi là “thời gian lưu trú của khí xả trên bộ xúc tác” thì có thông số vận tốc không gian SV:

x

Q V SV