Trong bài viết này nhóm tác giả sẽ trình bày những đánh giá về ảnh hưởng của việc bổ sung không khí trên đường thải tới các tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ cũng như hiệu suất chuyển đổi các thành phần phát thải độc hại của BXT.
Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 137 (2019) 44-49 Nghiên cứu giảm phát thải nâng cao hiệu xúc tác khí thải ba thành phần trang bị xe máy sử dụng chế hòa khí phương pháp bổ sung khơng khí đường thải Reseach the Emission Reduction and Improve the Efficiency of Three Way Catalyst Equipped on Motorcycles using Carburetor by Air Injection on the Exhaust Nguyễn Duy Tiến*, Khổng Vũ Quảng, Phạm Hữu Tuyến, Nguyễn Thế Lương Trường Đại học Bách khoa Hà Nội – Số 1, Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội Đến Tòa soạn: 14-01-2019; chấp nhận đăng: 16-9-2019 Tóm tắt Việc bổ sung khơng khí đường thải từ lâu coi giải pháp hiệu nhằm tận dụng nhiệt khí thải để tăng cường phản ứng ơxy hóa đường thải Ngồi việc bổ sung thêm khơng khí khắc phục hạn chế trang bị xử lý khí thải ba thành phần (BXT) động xăng sử dụng hệ thống nhiên liệu chế hòa khí giúp cải thiện mơi trường ơxy hóa BXT từ nâng cao hiệu suất chuyển đổi thành phần phát thải CO, HC Trong báo nhóm tác giả trình bày đánh giá ảnh hưởng việc bổ sung khơng khí đường thải tới tính kinh tế, kỹ thuật phát thải động hiệu suất chuyển đổi thành phần phát thải độc hại BXT Kết cho thấy lượng khơng khí bổ sung điều chỉnh cho hệ số dư lượng khơng khí λ đường thải trì 1, tiêu kinh tế- kỹ thuật động thay đổi (công suất giảm 1,67%, suất tiêu thụ nhiên liệu tăng 2,18%) phát thải hiệu suất BXT cải thiện đáng kể (hiệu suất chuyển đổi thành phần phát thải CO HC tăng mạnh) Từ khóa: Bổ sung khơng khí, BXT ba thành phần, xử lý khí thải Abstract The Addition air into the engine exhaust has long been considered an effective method to utilize heat to enhance the oxidation reaction on the exhaust manifold Moreover, the addition air will overcome the limitations in use the three way catalyst (TWC) for gasoline engine equipped carburetor fuel system because it improves the oxidation environment in the catalyst thereby improving the conversion efficiency of CO and HC In this paper, we will evaluate the effect of the addition air into the exhaust manifold to engine performance parameters, emissions and conversion efficiency of TWC The results show that the performance parameters of the engine, the addition air adjusted so that the equivalence ratio (λ) maintaining around 1, change not much (brake power reduction 1.67%, fuel consumption increasion 2.18%), while emissions and conversion efficiency of the catalyst are significantly improved (conversion efficiency of CO, HC increased sharply) Keywords: Air injection, TWC, Emission treatment Đặt vấn đề1 Ngoài lợi ích nêu trên, theo báo cáo mơi trường quốc gia 2016 xe máy nói riêng phương tiện giao thơng đường nói chung tác nhân gây nhiễm mơi trường khơng khí đặc biệt thành phố lớn Hà Nội thành phố Hồ Chí Minh [2] Ơ nhiễm mơi trường khơng khí ngun nhân chủ yếu gây bệnh hô hấp, tim mạch, suy giảm sức khỏe suất lao động [3] Nhằm kiểm soát phát thải cho phương tiện sản xuất lắp ráp nước phương tiện nhập nước ta áp dụng tiêu chuẩn EURO2 từ năm 2007 áp dụng tiêu chuẩn EURO4 cho ô tô EURO3 cho xe máy (bắt đầu từ năm 2017) Theo thống kê cục đăng kiểm Việt Nam, nước ta có 45 triệu xe máy, phần lớn xe trang bị hệ thống nhiên liệu sử dụng chế hòa khí Hàng năm trung bình có khoảng triệu xe máy đăng ký [1] Theo phân tích nhiều chuyên gia tương lai gần xe máy phương tiện giao thông thiết yếu đa số người dân có ưu điểm giá thành phù hợp với thu nhập, thuận tiện di chuyển đặc biệt đường, ngõ phố chật hẹp Ngoài xe máy phương tiện mưu sinh số lượng lớn người dân lao động (xe ôm, chuyên chở hàng hóa ) * Địa liên hệ: Tel.: (+84) 989787410 Email: tien.nguyenduy@hust.edu.vn 44 Tạp chí Khoa học Công nghệ 137 (2019) 44-49 Để giảm thiểu ô nhiễm môi trường đáp ứng tiêu chuẩn khí thải ngày cao đòi hỏi ngồi cải tiến công nghệ liên quan tới động việc trang bị thêm hệ thống xử lý khí thải gần yêu cầu bắt buộc Khác với động phun xăng điện tử, động sử dụng hệ thống nhiên liệu chế hòa khí việc trang bị hệ thống xử lý khí thải mà cụ thể xúc tác khí thải ba thành phần tương đối khó khăn q trình vận hành hệ số dư lượng khơng khí λ động có biên độ thay đổi lớn động thường làm việc vùng có hệ số dư lượng khơng khí λ nhỏ [4] Chính hiệu BXT khơng cao dẫn tới hàm lượng phát thải độc hại động sau BXT lớn Do đó, từ tiêu chuẩn EURO3 áp dụng gây khơng khó khăn cho dòng xe máy sử dụng hệ thống nhiên liệu chế hòa khí để đáp ứng tiêu chuẩn khí thải chỉnh lưu lượng, lưu lượng thể lưu lượng kế Vòi phun bổ sung đặt sau cổ thải, hỗn hợp khơng khí - khí thải hòa trộn đồng thơng qua bình hòa trộn sau hỗn hợp đưa tới BXT Các thiết bị đo khác cảm biến lamđa (Bosch LSU 4.9), cảm biến nhiệt độ (cảm biến loại K dải đo 0-8000C) bố trí phía trước BXT, hiệu chuyển đổi BXT xác định thông qua thay đổi hàm lượng phát thải từ hai đầu đo đặt phía trước phía sau BXT Tận dụng khí thải có nhiệt độ cao, việc phun bổ sung khơng khí đường thải khơng tăng cường phản ứng ơxy hóa đường thải mà cải thiện mơi trường xy hóa cải thiện hiệu suất chuyển đổi thành phần CO, HC BXT Tuy nhiên bổ sung lượng khơng khí q nhiều ngồi việc làm tăng áp suất đường thải ảnh hưởng tới trình làm việc động làm giảm mơi trường khử BXT ảnh hưởng tới hiệu chuyển đổi thành phần NOx Chính vậy, nội dung báo nhóm tác giả hướng tới việc xác định lượng khơng khí phù hợp bổ sung đường thải theo chế độ làm việc động đánh giá ảnh hưởng việc bổ sung tới tính kinh tế, kỹ thuật hiệu suất chuyển đổi thành phần phát thải độc hại động xe máy sử dụng hệ thống nhiên liệu chế hòa khí Q trình thử nghiệm tiến hành phòng thí nghiệm Động đốt trong, Viện khí Động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Hình Sơ đồ hệ thống thử nghiệm Hình Sơ đồ hệ thống cung cấp khơng khí Trang thiết bị đối tượng thử nghiệm 2.2 Đối tượng phương pháp thử nghiệm 2.1 Trang thiết bị thử nghiệm Đối tượng sử dụng trình thử nghiệm xe máy Zip 100 hãng Piaggio, dòng xe máy sử dụng hệ thống nhiên liệu chế hòa khí trang bị xử lý khí thải ba thành phần đường thải Các thông số kỹ thuật động xe thể bảng [5]: Quá trình thử nghiệm tiến hành phòng thử xe máy CD 20” trang bị thiết bị đại, đồng hệ thống lấy mẫu khí thải với thể tích khơng đổi CVS (Constant Volume Sampler), tủ phân tích khí thải CEB II, thiết bị cân khối lương nhiên liệu AVL fuel balance 733S Băng thử động lực học chassis dynamometer 20” Quá trình vận hành hỗ trợ nhờ hình hỗ trợ người lái, phát thải xe lấy mẫu hai điểm 1, (phía trước sau BXT) Bảng Thơng số kỹ thuật động xe Zip 100 Thông số Kiểu động Dung tích xy lanh Đ.kính x H.trình Tỉ số nén Công suất tối đa Mô-men cực đại Hệ thống nhiên liệu Hệ thống bổ sung khơng khí có sơ đồ hình Trong đó, khơng khí có áp suất cao cấp từ máy nén khí vào bình khí nén sau dẫn qua van điều áp với áp suất giữ ổn định bar, lượng khơng khí bổ sung điều chỉnh phù hợp với chế độ làm việc động thông qua van điều 45 Giá trị xy lanh, kỳ 96 cm3 50 x 49 (mm) 11,1 7,65 kW/8250 v/ph 6,92 Nm/ 5500v/ph Chế hòa khí Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 137 (2019) 44-49 Như biết BXT phát huy hiệu cao ba thành phần phát thải CO, HC, NOx đáp ứng đồng thời hai điều kiện: hòa khí động có hệ số dư lượng khơng khí λ≈1 nhiệt độ khí thải lớn 350°C [6] Do việc bổ sung khơng khí đường thải động phù hợp với chế độ làm việc thỏa mãn hai yêu cầu nêu Để xác định miền làm việc cần phải khảo sát tỷ lệ hòa khí (λ) nhiệt độ khí thải động theo chế độ làm việc Hình thể đặc tính hòa khí chế hòa khí nhiệt độ khí thải theo đường đặc tính tải xe tốc độ 30, 40, 50 60 km/h (% tải đặc trưng % độ mở bướm ga) 2.4 Quy trình thử nghiệm Quá trình thử nghiệm thực theo bước sau: Bước 1: Đánh giá tính khả thi việc bổ sung khơng khí đường thải động Bước 2: Tính tốn xác định lượng khơng khí cần cung cấp Bước 3: Thực nghiệm theo phương pháp đối chứng hai trường hợp có khơng có bổ sung khơng khí đường thải động 2.4.1 Đánh giá tính khả thi việc bổ sung khơng khí đường thải động Đặc tính hòa khí cho thấy độ mở bướm ga từ 20% trở lên tốc độ làm việc động hệ số dư lượng khơng khí λ nhỏ Trong nhiệt độ khí thải tất chế độ làm việc lớn 350°C Như kết hợp hai yếu tố hòa khí λ nhiệt độ khí thải thấy từ 20% tải trở lên hồn tồn bổ sung thêm khơng khí đường thải mà đảm bảo nhiệt độ khí thải đủ lớn để BXT phát huy hiệu xử lý thành phần phát thải 2.4.2 Xác định lượng khơng khí bổ sung Sau xác định vùng làm việc động phù hợp với việc bổ sung thêm khơng khí Tiếp theo cần xác định lượng khơng khí cụ thể cần bổ sung theo chế độ làm việc động Để đảm bảo BXT phát huy hiệu chuyển đổi với ba thành phần CO, HC, NOx lượng khơng khí bổ sung vào đường thải tính tốn, điều chỉnh cho hệ số dư lượng khơng khí λ đường thải trì xấp xỉ Lưu lượng khơng khí bổ sung vào đường thải xác định công thức [7]: G = V0(1-λ) (1) Trong đó: G lưu lượng khí cần thiết bổ sung vào đường thải (lít/phút); λ hệ số dư lượng khơng khí; V0 lưu lượng khơng khí thực tế vào xylanh động (lít/phút) tính theo cơng thức [5]: V0 14, 7.g e N e 60. kk 1000 (2) Trong đó: ge suất tiêu hao nhiên liệu (kg/kW.h); Ne công suất động (kW); ρkk khối lượng riêng khơng khí (1,294 g/lít) Như để xác định lượng khơng khí bổ sung ứng với chế độ làm việc động cần phải biết ba thơng số ge, Ne λ Xét đặc tính làm việc động đặc tính 25%, 50%, 75% độ mở bướm ga, thể qua hình Hình Đường đặc tính hệ số dư lượng khơng khí nhiệt độ khí thải theo chế độ làm việc 46 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 137 (2019) 44-49 - Giai đoạn 2: Thử nghiệm băng thử với xe trang bị thêm hệ thống bổ sung khơng khí đường thải Tại chế độ làm việc, lượng khơng khí bổ sung ban đầu xác định từ bảng sau tiến hành hiệu chỉnh cho hệ số dư lượng không khí λ đo từ cảm biến xấp xỉ 1, chờ hệ thống hoạt động ổn định, đo đạc ghi lại kết giai đoạn Lượng khơng khí bổ sung thực tế (Gtt) sai lệch so với tính tốn lý thuyết thể bảng Bảng Lượng khơng khí bổ sung thực tế Tải (%) 25 50 75 n (km/h) 20 30 40 50 30 40 50 60 70 40 50 Glt (lít/phút) 16 13 18 20 31 27 28 32 35 34 33 Gtt (lít/phút) 15 13,5 19 20 30 26 28 31,5 35 35 34 Sai lệch (lít/ phút) -1 0,5 -1 -1 -0,5 1 Kết đánh giá kết thử nghiệm 3.1 Ảnh hưởng việc bổ sung khơng khí tới tính kinh tế kỹ thuật xe Hình Đặc tính ge, Ne, λ 25, 50 75% tải Dựa vào công thức (1) (2) kết hợp với số liệu từ đồ thị đặc tính ge, Ne, λ hình ta xác định lượng khơng khí cần bổ sung theo lý thuyết theo chế độ làm việc (bảng 2) Bảng Lượng khơng khí cần bổ sung theo lý thuyết Glt (lít/phút) % tải 25 50 75 n (km/h) 20 16 - 30 13 31 - 40 18 27 34 50 21 28 33 60 32 34 70 35 39 2.4.3 Thực nghiệm Quá trình thử nghiệm thực theo phương pháp đối chứng trường hợp có khơng có bổ sung khơng khí đường thải động chia làm giai đoạn: Hình Ne ge có khơng có bổ sung khơng khí Hình thể cơng suất, suất tiêu thụ nhiên liệu 25, 50 75% tải trường hợp nguyên bổ sung thêm khơng khí đường thải Kết cho thấy so với trường hợp nguyên bản, bổ sung thêm khơng khí đường thải cơng suất động có xu hướng giảm suất tiêu hao nhiên liệu có xu hướng tăng lên Nguyên nhân bổ sung thêm khơng khí làm tăng áp suất đường thải dẫn - Giai đoạn 1: Thử nghiệm băng thử với xe nguyên (không bổ sung khơng khí đường thải), giai đoạn đo đạc thông số kinh tế, kỹ thuật phát thải xe làm sở để so sánh với trường hợp có bổ sung khơng khí đường thải 47 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 137 (2019) 44-49 tới tăng công thải động Mặt khác áp suất đường thải tăng làm tăng lượng khí sót, giảm lượng khí nạp xylanh động [7] Xét trung bình ba đường đặc tính, có bổ sung khơng khí đường thải công suất động giảm 1,67%, suất tiêu thụ nhiên liệu tăng 2,18% so với trường hợp nguyên ngun bản, bổ sung khơng khí đường thải hàm lượng CO trước BXT trung bình ba đặc tính giảm 6,69%, nhận thấy hàm lượng CO trước BXT giảm khơng nhiều chất hàm lượng CO giảm không phản ứng ôxy hóa đường thải mà phần ta bổ sung thêm lượng khơng khí làm “lỗng” hàm lượng thành phần phát thải khí thải động Đối với BXT, môi trường ôxy hóa cải thiện nên giúp tăng hiệu suất xử lý phát thải CO Trung bình ba đặc tính hiệu suất chuyển đổi CO tăng từ 17,23% (nguyên bản) lên 56,77% (bổ sung khơng khí) 3.2 Ảnh hưởng việc bổ sung khơng khí đường thải tới phát thải hiệu làm việc BXT ba thành phần 3.2.1 Phát thải CO 3.2.2 Phát thải HC Hình Hiệu suất chuyển đổi hàm lượng phát thải CO Hình Hiệu suất chuyển đổi hàm lượng phát thải HC Hình thể hàm lượng phát thải CO hiệu suất xử lý phát thải CO BXT hai trường hợp nguyên có bổ sung thêm khơng khí đặc tính 25%, 50% 75% tải Có thể nhận thấy việc bổ sung khơng khí giúp tăng mơi trường ơxy hóa kết hợp với điều kiện nhiệt độ khí thải cao dẫn tới làm tăng phản ứng ơxy hóa CO, HC đường thải (trước BXT) Kết từ hình cho thấy so với trường hợp Hình thể hàm lượng phát thải HC hiệu suất xử lý phát thải HC BXT tương tự với phát thải CO, hiệu suất xử lý phát thải HC BXT có xu hướng tăng lên trường hợp có bổ sung khơng khí đường thải Cụ thể, trung bình ba đặc tính so với trường hợp nguyên phát thải HC (trước BXT) có bổ sung thêm khơng khí giảm 22,23%, 48 Tạp chí Khoa học Công nghệ 137 (2019) 44-49 hiệu suất chuyển đổi BXT tăng từ 19,59% (nguyên bản) lên 44,48% (bổ sung khơng khí) giảm hàm lượng CO, HC lưu lượng khí hỗn hợp tăng làm giảm mơi trường khử BXT Trung bình ba đặc tính hiệu suất chuyển đổi NOx giảm từ 46,93% (nguyên bản) xuống 34,1% (bổ sung không khí) 3.2.3 Phát thải NOx Kết luận Từ kết cho thấy việc bổ sung khơng khí đường thải làm giảm khơng đáng kể tính kinh tế, kỹ thuật động (trung bình công suất giảm 1,67%, tiêu thụ nhiên liệu tăng 2,18%), nhiên phát thải hiệu chuyển đổi thành phần phát thải CO, HC BXT cải thiện rõ rệt Kết phát thải xe (sau BXT) trường hợp có bổ sung khơng khí giảm 50,43% thành phần CO; 46,39% thành phần HC phát thải NOx tăng nhẹ 0,2% Từ kết đạt thấy bổ sung khơng khí đường thải phương pháp hoàn toàn khả thi để giảm phát thải tăng hiệu chuyển đổi thành phần độc hại xử lý khí thải ba thành phần Từ kết này, thời gian tới nhóm nghiên cứu tiến hành thiết kế hồn thiện hệ thống tự động bổ sung khơng khí phù hợp với chế độ làm việc động áp dụng giải pháp công nghệ nhằm giảm phát thải NOx Lời cảm ơn Chúng xin chân thành cảm ơn đề tài phân cấp T2017-PC-056 hỗ trợ kinh phí để nhóm tác giả hồn thành nghiên cứu Tài liệu tham khảo [1] https://news.zing.vn/xe-may-van-la-phuong-tienchu-yeu-trong-thap-ky-toi post833104.html [2] Báo cáo trạng môi trường quốc gia 2016, nhà máy in Bản đồ [3] Phạm Minh Tuấn; Khí thải động nhiễm mơi trường, NXB Khoa học kỹ thuật 2013 Hình Hiệu suất chuyển đổi hàm lượng phát thải NOx [4] Phạm Minh Tuấn, Động đốt trong, NXB Khoa học kỹ thuật 2006 Hàm lượng phát thải hiệu suất xử lý phát thải NOx BXT hai trường hợp ngun bổ sung khơng khí thể hình Kết cho thấy phát thải NOx phía trước BXT giảm mạnh 17,34% ngun nhân phần khí thải làm loãng tăng tỷ lệ luân hồi nội trường hợp áp suất đường thải tăng có bổ sung thêm khơng khí Trong đó, hiệu suất xử lý phát thải NOx có xu hướng giảm xuống trường hợp có bổ sung thêm khơng khí Điều lý giải [5] https://www.2banh.vn/threads/thong-so-ki-thuatpiaggio-zip-viet-nam.264/ [6] Z.R Ismagilov, R.A Shkrabina, N.A Koryabkina, D.A Arendarskii, Catalysis and Automotive Pollution Control, vol IV, Elsevier, Amsterdam, 1998, pp 507–511 [7] Phạm Minh Tuấn, Lý thuyết Động đốt trong, NXB Khoa học kỹ thuật 2008 49 ... 50,43% thành phần CO; 46,39% thành phần HC phát thải NOx tăng nhẹ 0,2% Từ kết đạt thấy bổ sung khơng khí đường thải phương pháp hồn tồn khả thi để giảm phát thải tăng hiệu chuyển đổi thành phần. .. nhiên liệu chế hòa khí trang bị xử lý khí thải ba thành phần đường thải Các thông số kỹ thuật động xe thể bảng [5]: Quá trình thử nghiệm tiến hành phòng thử xe máy CD 20” trang bị thiết bị đại,... phát huy hiệu cao ba thành phần phát thải CO, HC, NOx đáp ứng đồng thời hai điều kiện: hòa khí động có hệ số dư lượng khơng khí λ≈1 nhiệt độ khí thải lớn 350°C [6] Do việc bổ sung khơng khí đường