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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Mạnh Dũng NGHIÊN CỨU GIẢM PHÁT THẢI ĐỘC HẠI CHO ĐỘNG CƠ DIESEL XE TẢI NHẸ ĐANG LƯU HÀNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Hà Nội – 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Mạnh Dũng NGHIÊN CỨU GIẢM PHÁT THẢI ĐỘC HẠI CHO ĐỘNG CƠ DIESEL XE TẢI NHẸ ĐANG LƯU HÀNH Ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực Mã số : 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS.TS Phạm Minh Tuấn PGS.TS Trần Quang Vinh Hà Nội – 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu riêng Các số liệu kết nêu luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Hà Nội, ngày 19 tháng 11 năm 2020 Tập thể giáo viên hướng dẫn GS.TS Phạm Minh Tuấn Nghiên cứu sinh PGS.TS Trần Quang Vinh i Nguyễn Mạnh Dũng LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phòng Đào tạo, Viện Cơ khí động lực, Bộ mơn Động đốt giúp đỡ thực luận án thời gian học tập, nghiên cứu Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS Phạm Minh Tuấn PGS.TS Trần Quang Vinh hướng dẫn tơi tận tình, chu đáo mặt chun mơn để tơi thực hồn thành luận án Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, Ban chủ nhiệm, thầy Khoa Cơng nghệ Ơtơ tạo điều kiện động viên tơi suốt q trình nghiên cứu học tập Trong thời gian học tập, có giai đoạn bị bệnh phải điều trị thời gian dài, thời gian động viên lớn từ gia đình người thân Qua xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình bạn bè, người động viên khuyến khích tơi suốt thời gian tham gia nghiên cứu thực công trình Nghiên cứu sinh Nguyễn Mạnh Dũng ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ix DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ x LỜI MỞ ĐẦU i Xuất xứ đề tài ii Mục tiêu nghiên cứu iii Phạm vi nghiên cứu iv Phương pháp nghiên cứu v Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài vi Bố cục luận án CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Hiện trạng chất lượng khơng khí 1.1.1 Tiêu chí đánh giá chất lượng mơi trường khơng khí 1.1.2 Hiện trạng chất lượng khơng khí 1.2 Tổng quan phát triển phương tiện giao thông Việt Nam 1.2.1 Sự phát triển phương tiện giao thông Việt Nam 1.2.2 Tiêu chuẩn phát thải từ động diesel 11 1.2 Tình hình nghiên cứu giảm phát thải độc hại cho động diesel giới Việt Nam 15 1.2.1 Giảm phát thải NOx 17 1.2.2 Giảm phát thải hạt CO, HC PM 19 1.2.3 Bộ lọc hạt (DPF) 21 1.3 Tổng hợp nghiên cứu giảm phát thải cho xe tải nhẹ sử dụng động diesel giới Việt Nam 23 1.3.1 Nghiên cứu giảm phát thải cho động diesel giới 23 1.3.2 Nghiên cứu giảm phát thải cho động diesel Việt Nam 28 1.3.3 Tính cấp thiết đề tài 29 1.3.4 Cách tiếp cận vấn đề đề tài 30 1.4 Kết luận chương 31 iii CHƯƠNG 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 32 2.1 Sự hình thành chất độc hại khí thải động 32 2.1.1 Mônôxit cácbon (CO) 32 2.1.2 Hyđrô cácbon (HC) 32 2.1.3 Ôxit nitơ (NOx) 33 2.1.4 Phát thải dạng hạt (PM) 33 2.2 Cơ sở lý thuyết tính tốn chu trình cơng tác động phần mềm AVL - Boost 35 2.2.1 Giới thiệu chung 35 2.2.2 Các phương trình 35 2.2.3 Các mơ hình điều kiện biên 38 2.2.3.1 Mơ hình trao đổi nhiệt 38 2.2.3.2 Mơ hình nạp thải 41 2.2.3.3 Mơ hình cháy AVL-MCC 42 2.3 Cơ sở lý thuyết mơ q trình hình thành phát thải động diesel 46 2.3.1 Mơ q trình hình thành NOx 46 2.3.2 Mơ q trình hình thành CO 47 2.3.3 Mô trình hình thành soot 48 2.4 Cơ sở lý thuyết mô giải pháp xử lý phát thải cho động diesel 49 2.4.1 Mô xử lý xúc tác SCR 49 2.4.2 Mơ xúc tác xy hóa DOC 52 2.4.3 Mô lọc chất thải hạt DPF 54 Kết luận chương 59 CHƯƠNG MÔ PHỎNG, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ XÚC TÁC DOC, DPF VÀ SCR TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL XE TẢI NHẸ 60 3.1 Xây dựng mơ hình mơ động D4BB 60 3.1.1 Thơng số kỹ thuật xây dựng mơ hình mơ AVL - Boost 60 3.1.2 Mơ hình mô động D4BB 61 3.1.3 Đánh giá độ xác mơ hình 62 3.1.4 Xây dựng mơ hình xử lý khí thải DOC-DPF-SCR 65 3.1.5 Kết mô phát thải động sử dụng DOC, DPF SCR 69 3.2 Thiết kế tổng thể xúc tác DOC, DPF SCR động D4BB 76 iv 3.2.1 Sơ đồ bố trí hệ thống xử lý khí thải 76 3.2.2 Xác định vị trí phương pháp lắp đặt hệ thống xử lý khí thải 77 3.3 Thiết kế chế tạo xúc tác DOC, DPF SCR 78 3.3.1 Thiết kế, chế tạo vỏ bọc cho xử lý xúc tác 78 3.3.2 Tính tốn, thiết kế hệ thống phun urê 82 3.4 Kết luận chương 92 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM BỘ XÚC TÁC DOC, DPF VÀ SCR DÙNG CHO ĐỘNG CƠ DIESEL XE TẢI NHẸ D4BB 94 4.1 Mục đích thử nghiệm 94 4.2 Thiết bị thử nghiệm 94 4.2.1 Băng thử động lực học 95 4.2.2 Thiết bị phân tích khí thải FTIR 99 4.2.3 Thiết bị đo độ khói Smoke Meter AVL 451S 100 4.2.4 Động thử nghiệm 101 4.3 Điều kiện thử nghiệm 101 4.4 Bố trí, phương pháp chương trình thử nghiệm 102 4.4.1 Bố trí lắp đặt hiệu chỉnh động băng thử 102 4.4.2 Phương pháp chương trình thử nghiệm 102 4.5 Kết thử nghiệm thảo luận 103 4.5.1 Đặc tính vịi phun urê 103 4.5.2 Đặc tính nhiệt độ khí thải qua xử lý khí thải 104 4.5.3 Ảnh hưởng lượng phun urê đến phát thải NOx 105 4.5.4 Đánh giá tính kinh tế kỹ thuật động trước sau lắp xử lý khí thải 107 4.5.5 Đánh giá chất lượng phát thải động lắp xử lý khí thải 108 4.6 Đánh giá kết mô thực nghiệm áp dụng giải pháp xử lý khí thải 114 4.7 Kết luận chương 114 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 116 Kết luận 116 Hướng phát triển 117 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 118 TÀI LIỆU THAM KHẢO 119 v MỤC LỤC PHỤ LỤC LUẬN ÁN 125 PHỤ LỤC LUẬN ÁN PL1 PL.1 Trích tóm tắt kết mơ tốc độ 2200 vịng/phút, toàn tải PL1 PL.2 Thông số thiết bị thử nghiệm PL6 PL.3 Kết thử nghiệm theo đường đặc tính ngồi PL11 PL.4 Kết thử nghiệm theo đường đặc tính tải PL13 vi DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Ký hiệu Diễn giải Đơn vị AQI Air Quality Index- Chỉ số đánh giá chất lượng khơng khí - CO Mơnơxit cácbon - HC Hyđrơ cácbon - PM Phát thải hạt - NOx Ơxít nitơ - SOx Ơxít lưu huỳnh - EMBARQ Viện tài nguyên giới Mỹ - DOC Diesel Oxidation Catalyst (bộ xúc tác ơxy hóa) - EGR Exhaust Gas Recirculation (hệ thống luân hồi khí thải) - DPF Diesel Particulate Filter (bộ lọc phát thải hạt) - VOCs Volatile Organic Compounds (hàm lượng hỗn hợp chất hữu độc hại bay lên khơng khí) - HSU Hartridge Smoke Unit PM10 Phát thải hạt có kích thước nhỏ 10 µm - TSP Tổng lượng bụi lơ lửng không khí - TCCP Tiêu chuẩn cho phép - TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam - PM-cat Bộ lọc phát thải hạt (dạng lọc bề mặt) - SCR Selective Catalyst Reduction (bộ xúc tác khử NOx) - CRT Continuous Regeneration Trap (bộ lọc tái sinh liên tục) - SMF Sintered Metal Filter (bộ lọc phát thải hạt có trang bị sợi đốt) - LNT Lean NOx Trap (bộ xúc tác hấp thụ NOx) - Soot Bồ hóng -  Hệ số dư lượng khơng khí - HAP Hyđrơ cácbon thơm mạch vịng - SV Space Velocity (tốc độ không gian) SCRT Hệ thống xử lý khí thải tổng hợp gồm CRT SCR - Phần mềm mô chiều hãng AVL (Áo) - AVL-Boost vii m/s AVL-MCC Mơ hình cháy hãng AVL MP Mô - TN Thực nghiệm - NCS Nghiên cứu sinh - CPSI Mật độ lỗ cell/inch2 ECE R49 Chu trình thử châu Âu chế độ tĩnh động xe tải hạng nặng xe khách - PWM Độ rộng xung vuông (Pulse Width Modulation) - ECU Bộ điều khiển phun dung dịch muối urê - FTIR Thiết bị phân tích khí thải - PID Bộ điều khiển vịng lặp kín - USB Cổng giao tiếp máy tính - COM Cổng giao giao tiếp máy tính dạng nối tiếp - Smoke Độ khói - viii MỤC LỤC PHỤ LỤC LUẬN ÁN PL.1 Trích tóm tắt kết mơ tốc độ 2200 vịng/phút, tồn tải .PL1 PL.2 Thông số thiết bị thử nghiệm PL6 PL.3 Kết thử nghiệm theo đường đặc tính ngồi PL11 PL.4 Kết thử nghiệm theo đường đặc tính tải PL13 125 PHỤ LỤC LUẬN ÁN PL.1 Trích tóm tắt kết mơ tốc độ 2200 vịng/phút, tồn tải -AVL - B O O S T Version : v2013.2.0.0.0 Build: Nov 11 2013 16:58:06 System: ia32-unknown-winnt_i11 -LICENSE Boost Main 2013.0@ Permanent license PROJECT Preprocessor Version : 2013.2 Calculation date : 18.03.2020 File : D4BB_diesel1.bst Case Set : Case Set Case : Case Project ID: "" Run ID: "" Model date: "7 Mar 2011 13:33:22" ELEMENTS -Element Name Number PIPE 23 SYSTEMBOUNDARY PLENUM CYLINDER RESTRICTION MEASURINGPOINT AIRCLEANER JUNCTION ENGINE PIPE_END 48 ASSEMBLED ALL_PIPES 24 ALL_PLENUMS ALL_BOUNDARIES RESTRICTIONS ALL_PIDS PL1 PIPE_VAR_WALL_TEMP 24 GLOBAL DATA Engine Speed : 2000.0 rpm Calculationmode: BOOST Single Cycle Duration: 720.00 degrees Max calc period: 14400.00 degrees Cycles calculated: 60 cycles Calc time steps: 0.60779 degrees (max) 0.48636 degrees 0.04053 ms Traces results step: 1.00000 degrees User concentrations: Ref pressure: 100000.00 Pa Ref temperature: 298.000 K Gas properties: Variable Gasproperties File: DIESEL.BGP bgp_build_version: v2013.0.0.0.0 bgp_build_host: boosthost bgp_build_user: boost bgp_build_date: 2012.03.23 bgp_build_time: 08:00:00 Lower calorific: 0.42800E+08 J/kg Stoic A/F-ratio: 14.700 Warnings: 18 Convergence errors: 77 SYSTEMBOUNDARIES Attachments Type Nr Pipe Mass flow Nr [g/cycle] SYSTEMBOUNDARY 1 0.7522 SYSTEMBOUNDARY 0.7082 PLENUMS: Average Values Pl Pressure Temp Mass Wallheat nr [bar] [K] [g] [kJ] PLENUM 1.0250 309.98 3.453 0.000 Attached pipe 4: 0.7519 g/cycle Attached pipe 5: 0.7519 g/cycle PLENUM 1.1359 1260.87 0.935 0.000 PL2 Attached pipe 6: 0.7083 g/cycle Attached pipe 7: 0.7082 g/cycle AIRCLEANER 1.0493 305.89 1.075 0.000 Attached pipe 2: 0.7518 g/cycle Attached pipe 9: 0.7518 g/cycle AIRCLEANER 1.0258 310.29 1.151 0.000 Attached pipe 3: 0.7518 g/cycle Attached pipe 9: 0.7518 g/cycle DOC 1.1196 1230.70 0.157 0.000 Attached pipe 19: 0.7082 g/cycle Attached pipe 124: 0.7082 g/cycle DPF 1.1195 1088.71 0.179 0.000 Attached pipe 24: 0.7082 g/cycle Attached pipe 25: 0.7082 g/cycle SCR 1.1195 1088.71 0.179 0.000 Attached pipe 25: 0.7082 g/cycle Attached pipe 26: 0.7082 g/cycle CYLINDERS: Average Values Total Engine Cyl Cyl Cyl.3 Cyl.4 Firing TDC [deg] 360.00 Bore [mm] 105.00 Stroke [mm] 97.00 Conrodl [mm] 158.00 Piston pin offset [mm] 0.00 Swept Vol [l] 0.8399 0.8399 Compression ratio [-] 18.00 Dyn Comp ratio [-] 16.36 Combustion Data: -Combustion Char Comb.start [deg] Comb.dur.1 [deg] Peak Fir.Pres [bar] at Crankangle [deg] Peak Pres.Rise[bar/deg] at Crankangle [deg] Peak Fir Temp [K] at Crankangle [deg] Peak T_burned [K] at Crankangle [deg] AVL-MCC -10.44 82.75 54.31 54.31 8.77 8.77 1.39 1.39 -13.36 -13.36 2288.35 2288.35 43.88 43.88 2751.91 2751.91 5.01 5.01 PL3 Res Gascompr [bar] at Crankangle [deg] - 1.45 312.20 1.45 312.20 Performance: -IMEP [bar] 8.9316 8.9316 Rel to Ave [-] 1.0000 IMEP Exh [bar] -1.5277 -1.5277 IMEP Int [bar] 0.9127 0.9127 IMEP Gasex [bar] -0.6149 -0.6149 IMEP HP [bar] 9.5465 9.5465 FMEP [bar] 1.3000 1.3000 BMEP [bar] 6.9316 6.9316 AMEP;SMEP [bar] 0.0000 0.0000 ISFC [g/kWh] 247.9462 247.9462 Rel to Ave [-] 1.0000 ISFC (tr.f.) [g/kWh] 247.9462 247.9462 BSFC [g/kWh] 290.1824 290.1824 Indicated Eff [-] 0.3241 0.3241 Iso vol comb Eff [-] 0.7994 0.7994 Polytropic Coeff [-] 1.3596 Gas Exchange: Volumetric Eff [-] 0.7932 0.7932 Rel to Ave [-] 1.0000 Total Mass at SHP[g] 0.7890 0.7890 Mass Delivered [g] 0.75192 0.75192 Mass Delivered [g/s] 12.53197 12.53197 Delivery Ratio [-] 0.7843 0.7843 Rel to Ave [-] 1.0000 Av.Airmass at SHP[g] 0.7604 0.7604 Air Delivered [g] 0.76043 0.76043 Air Delivered [g/s] 12.67384 12.67384 Airdeliveryratio [-] 0.7932 0.7932 Rel to Ave [-] 1.0000 Airmass Trapped [g] 0.76043 0.76043 Airmass Trapped [g/s] 12.67384 12.67384 Trapp Eff Air [-] 1.0000 1.0000 Rel to Ave [-] 1.0000 Airpurity [-] 0.9638 0.9638 Dyn Swirl [-] 0.0000 0.0000 Dyn Tumble [-] 0.0000 - PL4 Wall Heatlosses: -Piston [kJ] -0.1224 -0.1224 Cylinderhead [kJ] -0.08915 -0.08915 Cylinderliner [kJ] -0.10750 -0.10750 Sum of Wallheat [kJ] -0.31907 -0.31907 Wall Heatlosses in High Pressure Phase: Piston HP [kJ] -0.10828 -0.10828 Cylinderhead HP [kJ] -0.07885 -0.07885 Cylinderliner HP [kJ] -0.05951 -0.05951 Sum of Wallheat HP [kJ] -0.24663 -0.24663 Wall Heatlosses Related to Heatinput: Piston [-] -0.0529 -0.0529 Cylinderhead [-] -0.0385 -0.0385 Cylinderliner [-] -0.0464 -0.0464 Sum of Wallheat [-] -0.1378 -0.1378 M Eff HTC [W/m2/K] 270.71 270.71 M Eff Temp [K] 1327.17 1327.17 OVERALL ENGINE PERFORMANCE: =========================== Indicated Torque : 71.32 Nm/l Indicated Power : 15.21 kW/l, 20.61 PS/l Friction Torque : kW Effective Torque : 67.5 Nm/l Effective Power : 14.11 kW/l, 19.15 PS/l 186.06 Nm 39.85 kW, Indicated Specific Torque : 53.30 PS Indicated Specific Power : 10.79 Nm Friction Power 176.27 Nm 37.01 kW, : 2.24 Effective Specific Torque : 50.80 PS Effective Specific Power : PL5 PL.2 Thông số thiết bị thử nghiệm Bảng PL.2.1 Thông số phanh Alpha 160 Tên thông số STT Đơn vị Giá trị Ghi Công suất lớn kW 160 Mô men lớn N.m 400 Tốc độ lớn vịng/ph 10000 Mơ men qn tính kg.m2 0,237 Khối lượng khớp nối lớn vòng quay lớn kg 10 Khối lượng phanh thử kg 500 Chiều dài mm 580 A Chiều rộng mm 550 B Khoảng cách từ tâm phanh đến mặt bích nối trục mm 308 C 10 Chiều cao tâm trục mm 630 D 11 Tổng chiều cao phanh mm 860 E Bảng PL.2.2 Các thống số kỹ thuật hệ thống làm mát AVL-553S-200 Tên thông số STT Đơn vị Giá trị Năng suất làm mát lý thuyết kW 200 Công suất động làm mát kW 70÷250 Kích thước (Dài x Rộng x Cao) mm 750x330x644 Khối lượng kg 95 Lưu lượng vịng ngồi m3/h 12 Nhiệt độ nước vào C 20÷30 Nhiệt độ nước C 20÷85 Lưu lượng nước vòng m3/h 12 Nhiệt độ nước vịng PL6 C 20÷135 Bảng PL.2.3 Thơng số kỹ thuật thiết bị PLU 160 Tên thơng số STT Đơn vị Giá trị Kích thước (dài x rộng x cao) mm 120x104x315 Khối lượng kg 2,2 Dải đo lít/giờ 1÷160 Hệ số hiệu chỉnh - 44 Mức độ không chắn hệ số hiệu chỉnh % 0,3 Mức độ tin cậy % 95 Tín hiệu đầu V 0÷9 Sai số phép đo % Nhiệt độ mơi trường C -20÷60 Bảng PL.2.4 Các thông số kéo ga tự động THA – 100 Tên thông số STT Đơn vị Giá trị Kích thước (dài x rộng x cao) mm 172x350x285 Hành trình kéo mm 110 Lực kéo lớn (ở 40 0C) N 120 Tốc độ kéo lớn m/s 0,5 Vị trí lặp lại mm 0,05 Nhiệt độ vận hành C -30÷50 Độ ẩm mơi trường vận hành % 20÷85 Bảng PL.2.5 Thơng số kỹ thuật thiết bị phân tích khí thải FITR Nhóm thơng số Tên thơng số Chiều rộng Kích thước Chiều dài Chiều cao Ống kết nối Vật liệu PL7 Đơn vị Giá trị mm 600 mm 1180 mm 1345 - Teflon/thép Nhóm thơng số Tên thơng số Đơn vị Giá trị Đường kính ống dẫn khí mẫu mm 8/6 Đường kính ống dẫn khí thải mm 6/4 Đường kính ống khí nén mm 10/8 Áp suất khí hiệu chuẩn Bar 2,5÷4 Bar 5÷6 Lít/phút 110 Tiêu chuẩn áp dụng - PNEUROP 6611/1984 Kích thước hạt lớn Yêu cầu chất lượng Khối lượng riêng hạt lớn khí nén Lượng dầu lớn m mg/m3 mg/m3 0,1 Lưu lượng đo lít/phút 40 Lưu lượng kiểm tra hệ thống lít/phút 90 - N2 loại 5.0 ppm < 10 ppm < 10 ppm