Nghiên cứu giảm phát thải độc hại cho động cơ diesel xe tải nhẹ đang lưu hành tt

LỜI MỞ ĐẦU i Xuất xứ đề tài Phương tiện giao thơng vận tải nói chung động đốt nói riêng góp phần quan trọng vào q trình cơng nghiệp hóa - đại hóa đất nước mặt trái gây tác động xấu đến môi trường, gây nguy hại cho sức khỏe người làm suy giảm chất lượng sống sống thị lớn Khí thải từ phương tiện tham gia giao thông tác nhân lớn làm ảnh hưởng đến trình biến đổi khí hậu Theo đánh giá chun gia, nhiễm khơng khí thị lớn nước ta Hà Nội, Tp Hồ Chí Minh phương tiện giao thông gây chiếm tỉ lệ khoảng 70% Trong hàm lượng phát thải phương tiện sử dụng nhiên liệu diesel chiếm tỷ lệ đáng kể Đối với động sử dụng nhiên liệu xăng tác nhân gây nên nhiễm CO HC động sử dụng nhiên liệu diesel lại tác nhân gây ô nhiễm PM, NOx SOx Theo số liệu Trung tâm quan trắc môi trường (Tổng cục Môi trường), chất lượng khơng khí Hà Nội ngày bị nhiễm nghiêm trọng, giá trị PM10 PM2,5 vượt giới hạn cho phép, PM2,5, thành phần CO số khu vực Hà Nội vượt ngưỡng cho phép Chỉ số chất lượng khơng khí (AQI) cao, dao động tuần từ 122 đến 178, hàm lượng lưu huỳnh dầu diesel mức cao (0,05% S) Theo báo cáo Bộ Giao thông Vận tải, đến thời điểm 15/3/2018, tổng số phương tiện giới đường đăng ký nước 55.138.589 xe mô tô 3.769.126 xe ô tô [6] Sự phát triển kinh tế đất nước, nhu cầu lại, vận chuyển hàng hóa người dân tăng nhanh dẫn tới số lượng phương tiện giao thông tăng nhanh, đặc biệt phương tiện sử dụng nhiên liệu diesel xe tải hạng nhẹ tăng nhanh nhóm phương tiện sử dụng nhiên liệu diesel [6] Trong năm qua, nhận rõ ảnh hưởng xe bt đến chất lượng khơng khí đô thị nên xe buýt đầu tư nâng cấp xe mới, sử dụng CNG hay nghiên cứu sử dụng giải pháp công nghệ để giảm phát thải [33-35] Trong đó, kích thước nhỏ gọn dễ lại khu vực thị có đặc điểm đường nhỏ hẹp, xe tải nhẹ dần trở nên phổ biến phương tiện chun chở hàng hóa khu thị Các phương tiện xe tải nhẹ nói đa phần lắp ráp nước loại xe tải ben cỡ nhỏ (1-3 tấn), dòng xe tải sử dụng công nghệ cũ, đa phần xe chưa lắp xúc tác khí thải cũ hàm lượng phát thải độc hại lớn, chất lượng động thấp Vì nghiên cứu sinh lựa chọn xe tải nhẹ đối tượng nghiên cứu Như trình bày trên, nhiễm môi trường ngày nghiêm trọng, phương tiện giao thông đối tượng gây lên tình trạng nhiễm môi trường nêu trên, số lượng phương tiện không ngừng tăng gây lên tình trạng nhiễm mơi trường ngày nghiêm trọng, việc giảm thành phần ô nhiễm yêu cầu quan trọng Quyết định số 16/2019/QĐ-TTg thủ tướng quy định mức tiêu chuẩn khí thải xe ô tô tham gia giao thông xe ô tô qua sử dụng nhập khẩu, theo tiêu chuẩn khí thải với xe lưu hành thắt chặt Vì nghiên cứu để giảm thành phần khí thải độc hại từ khí thải xe tơ lưu hành u cầu cần thiết, giải pháp liên quan đến thay đổi kết cấu động ô tô mang lại hiệu đáng kể, nhiên giải pháp không phù hợp với xe ô tô lưu hành phải thay đổi kết cấu động Giải pháp sử dụng xúc tác giải pháp hiệu có tính khả thi cao áp dụng nhiều nước PL1 giới, nhiên Việt Nam, giải pháp chưa nghiên cứu, cứu sinh lựa chọn đề tài “Nghiên cứu giảm phát thải độc hại cho động diesel xe tải nhẹ lưu hành” làm luận án tốt nghiệp nhằm góp phần giải u cầu nhiễm mơi trường nói ii Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu luận án nhằm: - Đưa giải pháp công nghệ khả thi giảm đáng kể thành phần độc hại CO, HC, NOx PM động - Mô phỏng, thiết kế xúc tác nhằm giảm phát thải CO, HC, NOx, PM cho động - Chế tạo đánh giá hiệu trang bị xúc tác giảm phát thải cho động iii Phạm vi nghiên cứu - Luận án nghiên cứu động diesel D4BB lắp xe tải nhẹ, nhiên liệu thử nghiệm diesel truyền thống - Luận án thực phịng thí nghiệm để xác định thơng số đầu vào cho mơ hình tiến hành đánh giá hiệu kinh tế kỹ thuật phát thải động trước sau lắp thêm xúc tác iv Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu luận án kết hợp nghiên cứu lý thuyết nghiên cứu thực nghiệm Phần nghiên cứu lý thuyết gồm nghiên cứu sở lý thuyết phương pháp giảm phát thải động diesel Nghiên cứu mơ tính kinh tế kỹ thuật phát thải động D4BB từ mơ tính tốn kích thước xúc tác, mô đánh giá hiệu kinh tế kỹ thuật phát thải động lắp xúc tác Phương pháp nghiên cứu thử nghiệm động trang bị thêm xúc tác DOC, DPF, SCR Trong đó, bao gồm thử nghiệm tiến hành phịng thí nghiệm v Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài * Ý nghĩa khoa học Đề tài góp phần làm rõ phương án giảm phát thải áp dụng xe tải nhẹ điều kiện Việt Nam, giải pháp tốt xét tiêu giảm phát thải tính kinh tế kỹ thuật động Đề tài đánh giá hiệu việc lắp xúc tác xử lý khí thải cho động lắp xe tải nhẹ lưu hành, kết luận án góp phần giảm đáng kể thành phần phát thải CO, HC, NOx PM cho xe tải nhẹ lưu hành, góp phần giảm nhiễm mơi trường * Ý nghĩa thực tiễn Bộ xúc tác thiết kế chế tạo lắp động xe tải nhẹ giúp giảm thành phần phát thải CO, HC, CO2, NOx bồ hóng , kết thử nghiệm cho thấy xúc tác làm việc ổn định an toàn Kết mở hội ứng dụng sản phẩm thực tế nhằm giảm phát thải cho động diesel nói chung CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Hiện trạng chất lƣợng khơng khí 1.1.1 Tiêu chí đánh giá chất lượng mơi trường khơng khí Ơ nhiễm môi trường đánh giá thông qua số số, số chất lượng môi trường không khí AQI, số nồng độ bụi mịn PM 2.5 số số giới hạn thông số mơi trường khơng khí a) Chỉ số AQI Chỉ số AQI (Air Quality Index) số tính tốn từ thơng số quan trắc chất nhiễm khơng khí (CO, NO2, SO2, O3 bụi ), nhằm đánh giá tình trạng chất lượng khơng khí mức độ ảnh hưởng đến sức khỏe người thể mức điểm b) Giới hạn thơng số khơng khí xung quanh Giá trị giới hạn thông số khơng khí xung quanh theo QCVN 05: 2013/BTNMT, quy chuẩn kỹ thuật quốc gia chất lượng không khí xung quanh giới thiệu Bảng 1.2 1.1.2 Hiện trạng chất lượng khơng khí 1.1.2.1 Đánh giá chung mơi trường khơng khí Theo Chi cục Bảo vệ Môi trường (Sở Tài nguyên Môi trường Hà Nội) [1], vào cao điểm, nồng độ bụi tính trung bình riêng thành phố Hà Nội gấp lần tiêu chuẩn cho phép, nồng độ khí CO cao 2,5 lần, xăng cao 12,1 - 2000 lần tiêu chuẩn cho phép 1.1.2.2 Đánh giá chất lượng môi trường khơng khí Trong tháng đầu năm 2017, số ngày chất lượng khơng khí mức “rất có hại cho sức khỏe” [2] gia tăng so với kỳ năm 2016 Theo đó, số AQI trung bình thành phố Hà Nội 123 (AQI từ 101200 thuộc nhóm kém, người nhạy cảm cần hạn chế ngồi) Có 37 ngày nồng độ PM 2.5 24h cao so với giới hạn quy chuẩn quốc gia 78 ngày vượt giới hạn theo hướng dẫn Tổ chức Y tế giới, thời gian gần mức độ ô nhiễm ngày nghiêm trọng, số AQI mức báo động + Theo nồng độ khí NO2: + Theo nồng độ bụi PM10, bụi PM2.5: Đối chiếu số liệu quan trắc nồng độ bụi PM10, bụi PM2.5 cho thấy so với sáu tháng cuối năm 2017 [4] sáu tháng đầu năm 2018, thông số bụi PM10 PM2.5 vượt mức giới hạn cho phép theo quy chuẩn Việt Nam có xu hướng gia tăng giá trị khu vực ảnh hưởng + Theo nồng độ HC: Hydrocacbon (HC) mơi trường khơng khí ảnh hưởng đến sức khỏe người gây khó thở, ung thư Mặt khác, khí HC thành khí thải phương tiện giao thơng thải Do đó, để kiểm sốt phần nguồn khí HC từ khí thải phương tiện giao thơng, giới tiến hành áp dụng biện pháp kiểm sốt loại khí thơng qua cơng tác kiểm định khí thải phương tiện giới đường 1.2 Tổng quan phát triển phƣơng tiện giao thông Việt Nam 1.2.1 Sự phát triển phương tiện giao thông Việt Nam Hiện nay, tình hình nhiễm mơi trường khơng khí nước nói chung địa bàn Thành phố Hà Nội nói riêng diễn biến phức tạp, nồng độ chất gây nhiễm khơng có xu hướng tăng Ơ nhiễm khơng khí thị nhiều nguồn gây công nghiệp, giao thông thông vận tải, sinh hoạt hoạt động loại xe giới nói chung xe mơ tơ, xe gắn máy nói riêng nguồn phát thải trực tiếp số chất có ảnh hưởng nguy hại đến sức khỏe người Để giảm thiểu tình trạng nhiễm mơi trường, cần thiết ban hành quy định, chế tài quản lý phát thải nói chung các phương tiện giới xe mơ tơ, xe gắn máy nói riêng 1.2.2 Tiêu chuẩn phát thải từ động diesel 1.2.2.1 Tiêu chuẩn kiểm soát phát thải giới Tiêu chuẩn khí thải của các nước được quy đị nh rất khác nhau, nước có kinh tế phát triển tiêu chuẩn khí thải ngặt nghèo Tại Châu Âu, tiêu chuẩn khí thải Euro áp dụng vào năm 1987, trải qua 20 năm, thêm tiêu chuẩn ban hành bao gồm: Euro năm 1991, Euro năm 1996, Euro năm 2001, Euro năm 2005, tiêu chuẩn Euro năm 2008 tiêu chuẩn EURO áp dụng vào năm 2013, áp dụng tiêu chuẩn EURO Các tiêu chuẩn Euro áp dụng cho tất nước Liên minh châu Âu nhiều nước khác thế giới cũng áp dụng hệ thống tiêu ch̉n này (Hình 1.5) 1.1.2.2 Tiêu chuẩn kiểm sốt phát thải Việt Nam Các quy định liên quan đến kiểm tra khí thải:  Quyết định 1397/QĐ-TTg ngày 1/8/1999 ca Thủ tướng Chính phủ quy định loại tô lưu hành phải đáp ứng tiêu chuẩn khí thải theo quy định  Quyết định 249/2005/QĐ-TTg ngày 10/10/2005 ban hành thay cho Quyết định 1397/QĐ-TTg, định quy định lộ trình áp dụng tiêu chuẩn khí thải phương tiện giao thơng giới đường ban hành ngày 10/10/2005  Từ 1/7/2008 tồn tơ lưu hành nước phải đạt tiêu chuẩn khí thải mức  TCVN 6438:2005 giới hạn lớn cho phép khí thải  Năm 2019 Thủ tướng phủ ký định số 16/2019/QĐ-TTg quy định lộ trình áp dụng mức tiêu chuẩn khí thải xe tơ tham gia giao thông xe ô tô qua sử dụng nhập khẩu, theo từ 1/1/2020, loại xe ô tô sản xuất từ năm 2008 trở lại phải đáp ứng mức tiêu chuẩn khí thải mới, cao cấp chứng nhận đăng kiểm để tham gia giao thông  Cụ thể, tới loại xe tơ có tuổi đời có tối đa 3,5% nồng độ CO; cịn xe dùng nhiên liệu diesel động kỳ có giới hạn tối đa chất HC 800ppm thể tích tỷ lệ khói HSU tối đa 60%  Theo lộ trình trên, năm 2020, có 2,4 triệu xe ô tô sản xuất từ sau năm 2008 phải đáp ứng tiêu chuẩn khí thải 1.2 Tình hình nghiên cứu giảm phát thải độc hại cho động diesel giới Việt Nam 1.2.1 Giảm phát thải NOx a, Luân hồi khí thải EGR Luân hồi khí thải biện pháp hữu hiệu để giảm hình thành NOx buồng cháy Khí thải sau khỏi động trích phần trở lại đường nạp, khí luân hồi trước vào đường nạp định lượng van định lượng khí luân hồi (van EGR) Khí luân hồi bao gồm chủ yếu CO2, N2 nước đưa trở lại xylanh để làm loãng hỗn hợp cháy giảm nồng độ O2 buồng cháy Hình 1.7 thể sơ đồ hệ thống luân hồi khí thải động [8] b, Bộ xử lý xúc tác khử NOx - SCR (Selective Catalyst Reduction) - Cấu tạo Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống SCR thể Hình 1.8, bao gồm hai phần là: vịi phun urê xúc tác SCR - Ngun lý hoạt động Q trình xử lý NOx xảy hệ thống SCR bao gồm chuỗi phản ứng hóa học gồm giai đoạn chính: + Phản ứng hệ thống xử lý khí thải SCR gọi „Standard SCR‟, phản ứng làm giảm NO Phản ứng gọi phản ứng chuẩn NO đặc trưng cho phản ứng làm giảm khí thải động diesel 4NH3 +4NO +O2 = 4N2 +6H2O 4NH3 +2NO +2NO2 = 4N2 +6H2O 8NH3 +6NO2 = 7N2 +12H2O 1.2.2 Giảm phát thải hạt CO, HC (PM) a) Nguyên lý xúc tác ơxy hóa DOC CnHm + (n+1/4m)O2 = nCO2 + 1/2mH2O CO + 1/2O2 = CO2 b) Cấu tạo xúc tác DOC 1.2.3 Bộ lọc hạt (DPF) a) Kết cấu chung lọc Hình 1.11 Lọc khối lọc bề mặt b) Cơ chế lọc 1.3 Tổng hợp nghiên cứu giảm phát thải cho xe tải nhẹ sử dụng động diesel giới Việt Nam 1.3.1 Nghiên cứu giảm phát thải cho động diesel thế giới Một giải pháp sử dụng phổ biến động diesel sử dụng biện pháp ln hồi khí thải để giảm NOx động diesel Luân hồi khí thải giải pháp đơn giản mà hiệu cắt giảm phát thải NOx cao Hình 1.12 cho thấy phát thải NO x giảm theo tỷ lệ luân hồi Khi ln hời lớn NO x giảm Tuy nhiên luân hồi khí thải động diesel đồng thời cũng làm tăng phát thải PM , CO và HC Do đó, việc sử dụng EGR kết hợp với bộ lọc phát thải hạt (DPF) cần thiết [8] Kết quả nghiên cứu của Katey E Lenox, et.al [9] cho thấy tác động c việc tăng tỷ lệ luân hồi đến giảm phát thải NOx tăng phát thải PM HC (hình 1.13) Nghiên cứu này cũng cho thấy tỷ lệ luân hời dưới 40% tốc độ tăng phát thải PM HC chưa lớn, tỷ lệ luân hồi 40% tốc độ tăng rõ ràng cần phải đặc biệt quan tâm Các nghiên cứu cho thấy luân hồi khí thải với lọc DPF kiểm sốt PM, HC NOx cách hiệu [9], [10], [11], [12] Đối với động diesel tăng áp, chế độ tải lớn, áp suất tăng áp lớn so với áp suất đường thải việc luân hồi khí thải phía sau máy nén gặp khó khăn cần phải có biện pháp để giảm áp suất cục khí tăng áp sau máy nén sử dụng biện pháp để nâng cao áp suất khí luân hồi SCR hệ thống hàng đầu công nghệ giảm phát thải NOx Tuy nhiên, cần cung cấp urê cho bộ xúc tác nên đòi hỏi thiết bị kèm cồng kềnh Vì vậy, xử lý NOx dùng amôniac (NH3) chủ yếu dùng trạm động lực tĩnh Hãng Purem chế tạo xúc tác khử NOx cho xe tải dùng dung dịch urê có tên AdBlue đạt tiêu chuẩn khí thải Euro 1.3.2 Nghiên cứu giảm phát thải cho động diesel ở V i ệt Nam Ở Việt Nam , tiêu chuẩn kiểm soát phát thải theo mức Euro áp dụng từ năm 2007, áp dụng tiêu chuẩn EURO cho ô tô, điều đòi hỏi phải có nghiên cứu để đáp ứng nhu cầu giảm phát thải để đáp ứng tiêu chuẩn Nghiên cứu của Tổ chức không khí sạch Việt Nam - Thụy Sỹ khuôn khổ Chương trì nh Không khí sạch Việt Nam (VCAP) đã đề cập đế n vấn đề giảm phát thải của động diesel xe tải tại Công ty cổ phần môi trường đô thị Hà Nội Kết quả nghiên cứu cho thấy việc trì quy trình bảo dưỡng định kỳ phương tiện khơng nâng cao tính kinh tế đợng mà còn giúp cải thiện phát thải độc hại mơi trường [28] 1.3.3 Tính cấp thiết đề tài Qua nghiên cứu tổng quan thấy rằng, vấn đề ô nhiễm môi trường ngày nghiêm trọng đặc biệt thành phố lớn Phương tiện giao thông ngun nhân gây lên tình trạng ô nhiễm môi trường, số lượng phương tiện giao thông không ngừng tăng năm gần gây áp lực lớn đến ô nhiễm môi trường, phương tiện giao thơng lưu hành phương tiện động diesel đối tượng gây ô nhiễm mơi trường lớn nhất, hình ảnh xe diesel thải khói đen hình ảnh thường thấy Việt Nam, việc giảm nhiễm phương tiện cần thiết 1.3.4 Cách tiếp cận vấn đề đề tài Trên sở tổng hợp về trạng chất lượng khơng khí tổng hợp nghiên cứu giảm phát thải cho động diesel, kế thừa kết nghiên cứu nư ớc, kết hợp tham khảo ý kiến chuyên gia lĩnh vực động đốt hóa học xúc tác, NCS lựa chọn giải pháp trang bị xúc tác để giảm phát thải cho động diesel xe tải hạng nhẹ lưu hành Cụ thể, lựa chọn xúc tác thực sở tham khảo ý kiến chun gia Phịng thí nghiệm lọc hóa dầu, Viện Hóa học Cơng nghiệp Việt Nam, sở lựa chọn loại vật liệu xúc tác thích hợp Nhằm phục vụ cho nghiên cứu, NCS chọn động D4BB lắp xe tải nhẹ Hyundai, dòng xe phổ biến thị trường có tuổi thọ cao giá thành phù hợp khuôn khổ luận án 1.4 Kết luận chƣơng Giải pháp xử lý khí thải sử dụng luân hồi khí thải, xúc tác DOC, DPF SCR mang lại hiệu xử lý cao động diesel nói chung động diesel xe tải nhẹ nói riêng, cho động cho động lưu hành Việc nghiên cứu áp dụng xúc tác lắp động ô tô diesel hạng nhẹ lưu hành bước phù hợp điều kiện thực tiễn hiện của Việt Nam yếu tố kinh tế, sở hạ tầng và chất lượng nhiên liệu , điều giúp cắt giảm đáng kể thành phần ô nhiễm loại phương tiện CHƢƠNG CƠ CHẾ HÌNH THÀNH CÁC CHẤT ĐỘC HẠI TRONG KHÍ THẢI CỦA ĐỘNG CƠ VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN MƠ PHỎNG BỘ XỬ LÝ KHÍ THẢI Như trình bày phần tổng quan, NCS lựa chọn giải pháp sử dụng xúc tác để lắp cho động diesel xe tải nhẹ lưu hành, để xác định kích thước thơng số xúc tác Trong chương này, NCS tìm hiểu lý thuyết hình thành thành phần độc hại CO, HC, NOx PM động diesel làm sở cho việc phân tích đánh giá xu hướng, diễn biến thành phần phát thải tốn mơ Sự hình thành chất độc hại khí thải động 2.1 Trong mục NCS trình bày cách vắn tắt lý thuyết hình thành chất độc hại động diesel từ làm sở để nghiên cứu cắt giảm thành phần độc hại Quá trình cháy thực chất phản ứng xy hóa nhiên liệu với khơng khí Sản phẩm q trình cháy bao gồm CO2, CO, HC, NOx, bụi, khói tuỳ thuộc vào chất lượng nhiên liệu mà sản phẩm cháy có SOx Hiện thành phần gây nhiễm ảnh hưởng đến sức khỏe người CO, HC, NOx PM Trong Chương luận án, NCS tập trung nghiên cứu thành phần phát thải nêu 2.1.1 Mơnơxit cácbon (CO) Mơnơxit cácbon [28] hình thành từ phản ứng: 2C + O2 = 2CO CO + O2 = CO2 2.1.2 Hyđrơ cácbon (HC) 2.1.3 Ơxit nitơ (NOx) Trong động diesel, chế hình thành NOx diễn nhanh hỗn hợp cháy không đồng Thành phần NOx NO, NO2 Trong đó, NO khí khơng mùi khơng màu cịn NO2 có màu nâu đỏ mùi gắt Cả hai loại khí độc NO2 độc gấp lần so với NO, phần lớn NO2 hình thành từ việc ơxy hoá NO Thành phần NOx phụ thuộc nhiều vào hệ số dư lượng khơng khí  nhiệt độ trình cháy, 2000K Nồng độ NOx đạt giá trị cực đại  = 1,05  1,1 Tại đây, nhiệt độ trình cháy đủ lớn để ơxy nitơ phân hủy thành ngun tử có tính hoạt hóa cao nồng độ ơxy đủ lớn cho phản ứng ơxy hóa, NOx đạt cực đại 2.1.4 Phát thải dạng hạt (PM) Cơ chế hình thành bồ hóng tổng quan mơ tả gồm giai đoạn [44]:  Giai đoạn 1: hình thành hạt bồ hóng  Giai đoạn 2: phát triển hạt bồ hóng  Giai đoạn 3: q trình ơxy hóa hạt bồ hóng 2.2 Cơ sở lý thuyết tí nh toán chu trình cơng tác của động phần mềm AVL - Boost 2.2.1 Giới thiệu chung Trong trình thực đề tài, NCS sử dụng phần mềm AVL-Boost để đánh giá khả làm việc động sử dụng xúc tác chọn lọc SCR để giảm phát thải NOx đánh giá hiệu lọc phát thải hạt DPF xúc tác ơxy hóa DOC đến khả giảm phát thải PM, CO HC Kết mô cho phép đánh giá, lựa chọn phương án giảm phát thải tối ưu cho động diesel Đồng thời kết mô cho phép rút ngắn thời gian chi phí q trình thực nghiệm 2.2.2 Các phương trình Mơ hình cân lượng bên xylanh thể Hình 2.1 Cơ sở tính tốn q trình cháy động đốt dựa phương trình nhiệt động học thứ (2.1) Trong đó, phương trình cân khối lượng áp dụng để tính tốn thay đổi môi chất bên xylanh thể qua phương trình 2.2 [45]: d mc u  dQ dm dV dQF   pc    w  hBB BB d d d d d dmc dmi dme dmBB    d d d d 2.2.3 (2.1) (2.2) Các mơ hình điều kiện biên 2.2.3.1 Mơ hình trao đổi nhiệt a) Truyền nhiệt xylanh Quá trình truyền nhiệt từ buồng cháy qua thành buồng cháy nắp xylanh, piston, lót xylanh tính dựa vào phương trình truyền nhiệt sau [46]: Qwi  Ai  w Tc  Twi    W  130.D 0, p c0,8 Tc0,53 C1 c m  C    p c  p c ,  p c ,1 Vc ,1  VD Tc ,1 (2.5) ,8 (2.6) b) Trao đổi nhiệt thành xylanh Để mô trình trao đổi nhiệt tức thời phương trình cân lượng xác định cho nắp máy, lót xylanh piston Ngồi ra, cịn phải kể tới trao đổi nhiệt đế xupáp Để giải phương trình truyền nhiệt chiều, sử dụng lượng nhiệt trao đổi trung bình chu kỳ làm điều kiện biên thành buồng cháy lượng nhiệt truyền cho mơi chất làm mát bên ngồi Với giả thiết nêu trên, giải phương trình truyền nhiệt 2.7: dT  d t  dt c dx (2.7) c) Trao đổi nhiệt cửa nạp, thải Trong q trình qt khí, việc lưu tâm đến trình trao đổi nhiệt nạp thải quan trọng Quá trình lớn nhiều so với dịng chảy đường ống đơn giản hệ số truyền nhiệt cao nhiệt độ vùng xupáp đế xupáp Trong AVL-Boost mơ hình Zapf [45] sử dụng để tính tốn cho q trình        Aw p    m c p  T  T  T .e   Tw  u w  d    (2.10) 2.2.3.2 Mơ hình nạp thải Lưu lượng dịng mơi chất qua xu páp nạp xu páp thải xác định qua phương trình: (2.13) 2.2.3.3 Mơ hình cháy AVL-MCC a) Lý thuyết chung mơ hình cháy AVL-MCC b) Phương trình đặc trưng mơ hình cháy AVL-MCC Mơ hình cháy có điều khiển hỗn hợp MCC (Mixing control combustion) được dùng để xây dựng đ ặc tính cháy động diesel Mơ hình tính đến ảnh hưởng các quá trì nh cháy h ỗn hợp hòa trộn trước PMC (Premix combustion) cháy khuếch tán - cháy hỗn hợp có kiểm soát MCC [46-47]: 𝑑𝑄𝑡𝑜𝑙𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑄𝑀𝐶𝐶 𝑑𝑄𝑃𝑀𝐶 = 𝑑𝛼 + 𝑑𝛼 𝑑𝛼 - Phương trình bảo toàn động tia phun: 𝑑𝐸𝑘𝑖𝑛 1,5 = 0,5 𝐶𝑡𝑢𝑟𝑏 𝑚𝐹 𝑣𝐹2 − 𝐶𝐷𝑖𝑠𝑠 𝐸𝑘𝑖𝑛 𝑑𝑡 𝑘= (2.14) (2.16) 𝐸𝑘𝑖𝑛 𝑚 𝐹,𝐼 1+𝜆 𝐷𝑖𝑓𝑓 𝑚 𝑠𝑡𝑜𝑖𝑐 ℎ (2.17) 2.3 Cơ sở lý thuyết mô trình hình thành phát thải động diesel 2.3.1 Mơ q trình hình thành NOx Bảng 2.2 Chuỗi phản ứng hình thành NOx Phản ứng thuận Phản ứng TT A B (–) (cm /mol s) N2 + O ↔ NO + N O2 + N ↔ NO + O 1.48 x 10 OH + N ↔ NO + H 4.22 x 1013 N2O + O ↔ NO + NO O2 + N2 ↔ N2O + O OH + N2 ↔ N2O + H 4.93 x 1013 E 4.58 x 10 10 A B (–) (kcal/mol K) (cm /mol s) 0.0472 - 75.59 1.5 13 Phản ứng nghịch - 5.68 0 - 24.1 1.6 x 1013 1.25 x 10 E (kcal/mol K) 1612 - 37.69 6.76 x 1014 - 0.212 - 49.34 0.89 - 58.93 13 - 24.1 - 10.8 7.39 x 10 2.25 x 10 0.825 - 102.5 3.82 x 10 9.14 x 107 1.148 - 71.9 2.95 x 1013 Hệ số tốc độ mơ hình: 𝑘 = 𝐴𝑇 𝐵 exp⁡ (−𝐸/𝑇) 2.3.2 (2.24) Mơ q trình hình thành CO Phát thải CO mô AVL Boost dựa lý thuyết Onorati [49] theo hai phản ứng 2.28 2.29: CO  OH  CO2  H r1  6.76 *1010 * e T ( ) 1102 * cCO * cOH (2.28) CO  O2  CO2  O r2  62.51 *1012 * e 2.3.3 24055 ( ) T * cCO * cO (2.29) Mơ q trình hình thành soot Cơ chế hình thành phát thải soot mơ AVL-Boost mơ hình Schubiger [50] coi trình cháy gồm hai vùng mơ hình Hiroyasu [51] coi trình cháy đa vùng (2.31) (2.32) 2.4 Cơ sở lý thuyết mô giải pháp xử lý phát thải cho động diesel 2.4.1 Mô xử lý xúc tác SCR a) Phương trình liên tục pha khí  g t   g vg (2.35) z b) Phương trình bảo tồn động cho phương trình Steady State Darcy pg z   AD vg (2.36) c) Phương trình cân lượng chất rắn 1   . g   c p ,s Ts  s T  1   g    Ts   s  z  z  atrans kh Ts  Tg   hi r  c , Ts   q rad I (2.40) L k i 2.4.2 Mô xúc tác xy hóa DOC Phản ứng hóa học xảy DOC tốc độ phản ứng thông số động học đưa Koltsakis [54-55] bao gồm: R1: tiếp tục xy sản phẩm q trình xy hóa khơng hồn tồn: CO  O2  CO2 (2.47) R2: xy hóa phần nhiên liệu chưa tham gia trình cháy: C3 H  O2  3CO2  3H 2O (2.48) R3: ô xy hóa xít ni tơ NO thành NO2 theo hai chế: R3  : NO  O2  NO2 (2.49) R3  : NO  0.5O2  NO2 2.4.3 (2.50) Mô lọc chất thải hạt DPF a) Các thông số DPF Cấu trúc thường dùng cho bầu lọc động diesel Độ dày lớp phủ góp phần định độ dày monolith thông qua công thức đây: 𝛿 = 𝛿𝑤 + 2𝛿𝑤𝑐 (2.59) b) Sự phân bố bồ hóng bồ hóng lớp bề mặt lớp sát vách tăng dần lên có xu hướng tăng dần Hình 2.6 Kết luận chƣơng Trong nội dung Chương 2, NCS trình bày tổng quan sở lý thuyết phần mềm AVL-Boost tính tốn chu trình cơng tác, mơ hình điều kiện biên sử bao gồm mơ hình trao đổi chất qua cửa nạp thải, mơ hình truyền nhiệt với hệ số truyền nhiệt xác định theo mô hình Woschi 1978, mơ hình cháy MCC cho động hình thành hỗn hợp bên Làm rõ chế hình thành thành phần phát thải độc hại động diesel bao gồm CO, NOx soot Những chế sử dụng để xây dựng mơ hình tính tốn phát thải độc hại phần mềm AVL-Boost Đối với mơ hình cháy MCC, thành phần phát thải HC bỏ qua CHƢƠNG MÔ PHỎNG, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ XÚC TÁC DOC, DPF VÀ SCR TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL XE TẢI NHẸ 3.1 Xây dựng mơ hình mơ động D4BB 3.1.1 Thông số kỹ thuật xây dựng mô hình mơ AVL - Boost 3.1.2 Mơ hình mô động D4BB C1 – C4: Phần tử xylanh SB1-SB2: Phần tử điều kiện biên CL1: Phần tử lọc khí PL1-PL2: Phần tử bình ổn áp R1-R9: Phần tử cản dòng J1-J3: Phần tử điểm nối MP1-MP8: Phần tử điểm đo E1: Phần tử khai báo chung Hình 3.1 Mơ hình động D4BB phần mềm mơ AVL-Boost 3.1.3 Đánh giá độ xác mơ hình Kết mơ Hình 3.2 thể diễn biến áp suất có ích trung bình BMEP (Brake mean effective pressure) theo số vòng lặp Kết cho thấy, kể từ chu trình thứ 20 trở đi, thay đổi BMEP nhỏ 0,01%, điều chứng tỏ kết mô hội tụ 7.04 7.01 BMEP (bar) 6.98 6.95 6.92 6.89 6.86 6.83 6.80 10 20 Số vịng lặp (-) 30 Hình 3.2 Đánh giá độ hội tụ kết mô 3.1.4 Xây dựng mơ hình xử lý khí thải DOC-DPF-SCR 3.1.4.1 Trình tự mơ 40 Bắt đầu Hiệu chỉnh mơ hình động D4BB: Trang bị thêm DOC, DPF SR Thực mô Thông số kết cấu DOC Thông số kết cấu DPF Thông số kết cấu SCR Chế độ mô phỏng: Nemax 4000 v/ph, toàn tải Memax, 2200 v/ph toàn tải Đánh giá suất xử lý thành phần phát thải Hiệu suất xử lý >80% Không đạt Đạt Mức suy giảm công suất ΔNe