Nghiên cứu giảm khí thải độc hại cho động cơ diesel tăng áp lắp trên xe buýt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI *** ĐINH XUÂN THÀNH NGHIÊN CỨU GIẢM KHÍ THẢI ĐỘC HẠI CHO ĐỘNG CƠ DIESEL TĂNG ÁP LẮP TRÊN XE BUÝT Chuyên ngành: Kỹ thuật động nhiệt Mã số: 62 52 34 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS PHẠM VĂN THỂ PGS.TS LÊ ANH TUẤN HÀ NỘI – NĂM 2012 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu riêng Các số liệu kết nêu luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác! Hà Nội, tháng 05 năm 2012 Nghiên cứu sinh Đinh Xuân Thành -i- LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Sau đại học, Viện Cơ khí Động lực Bộ mơn Động đốt cho phép thực luận án Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học Viện Cơ khí Động lực hỗ trợ giúp đỡ suốt q trình tơi làm luận án Tơi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phạm Văn Thể PGS.TS Lê Anh Tuấn hướng dẫn tơi tận tình chu đáo mặt chun mơn để tơi thực hồn thành luận án Tơi xin chân thành biết ơn Q thầy, Bộ mơn Phịng thí nghiệm Động đốt - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội giúp đỡ dành cho tơi điều kiện thuận lợi để hồn thành luận án Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, Ban chủ nhiệm Khoa Cơng nghệ Ơtơ, Ban chủ nhiệm Khoa Tại chức thầy cô Khoa hậu thuẫn động viên tơi suốt q trình nghiên cứu học tập Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy phản biện, thầy hội đồng chấm luận án đồng ý đọc duyệt góp ý kiến q báu để tơi hoàn chỉnh luận án định hướng nghiên cứu trương lai Cuối 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 Đinh Xuân Thành - ii - MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ix MỞ ĐẦU i Mục đích, đối tƣợng phạm vi nghiên cứu đề tài ii Phƣơng pháp nghiên cứu iii Ý nghĩa khoa học thực tiễn iv Các nội dung đề tài CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Sự phát triển phƣơng tiện giao thông Việt Nam 1.2 Tổng quan ô nhiễm môi trƣờng phát thải phƣơng tiện giao thông 1.2.1 Các thành phần độc hại khí thải động 1.2.2 Tình hình phát thải ô nhiễm phương tiện giao thông Việt Nam 1.2.3 Tiêu chuẩn kiểm soát phát thải từ động diesel 10 1.3 Tình hình nghiên cứu giảm phát thải độc hại cho động diesel 13 1.3.1 Giới thiệu chung 13 1.3.2 Giảm phát thải NOx 15 1.3.3 Giảm phát thải hạt (PM) 21 1.3.4 Nghiên cứu giảm phát thải cho động diesel giới 28 1.3.5 Nghiên cứu giảm phát thải cho động diesel Việt Nam 32 1.4 Kết luận chƣơng 32 CHƢƠNG Ý THU ẾT VỀ HÌNH THÀNH VÀ CƠ Ở T NH TOÁN PHÁT THẢI Đ C H I Đ NG CƠ DIE E 34 2.1 Cơ chế, điều kiện hình thành yếu tố ảnh hƣởng đến phát thải độc hại động diesel 34 2.1.1 Mônôxit cácbon (CO) 35 2.1.2 Hyđrô cácbon (HC) 36 2.1.3 Ôxit nitơ (NOx) 38 2.1.4 Phát thải hạt (PM) 40 2.1.5 Hợp chất chứa lưu huỳnh 42 2.2 Cơ sở lý thuyết mô phần mềm AVL-Boost đánh giá khả giảm phát thải cho động diesel tăng áp 43 2.2.1 Giới thiệu chung 43 2.2.2 Phương trình nhiệt động học thứ 44 2.2.3 Trao đổi nhiệt trao đổi chất 46 2.2.4 Tính toán cụm tuabin máy nén 48 2.2.5 Mô hình cháy AVL-MCC 49 2.2.6 Cơ sở lý thuyết mơ q trình hình thành cắt giảm phát thải NOx phát thải hạt cho động diesel 52 - iii - 2.3 Kết luận chƣơng 59 CHƢƠNG T NH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ T O HỆ THỐNG UÂN HỒI KH THẢI VÀ ẮP LỌC BỤI KHÓI CHO Đ NG CƠ DIE E TĂNG ÁP 61 3.1 Đề xuất phƣơng án luân hồi khí thải (EGR) cho động diesel tăng áp để giảm phát thải NOx 61 3.1.1 Phương án luân hồi áp suất cao 61 3.1.2 Phương án luân hồi áp suất thấp 61 3.2 Đề xuất phƣơng án giảm phát thải hạt (PM) 62 3.3 Xây dựng mơ hình mơ động D1146TI kết hợp với hệ thống luân hồi khí thải 63 3.3.1 Các yêu cầu xây dựng mơ hình mơ 63 3.3.2 Mơ hình mơ động D1146TI 64 3.3.3 Kết mô động sử dụng biện pháp luân hồi khí thải EGR 66 3.3.4 Kết mô động kết hợp biện pháp luân hồi khí thải, lọc phát thải hạt DPF DOC đến phát thải động D1146TI 72 3.4 Các yêu cầu trình thiết kế bố trí hệ thống luân hồi, DOC DPF 74 3.5 Thiết kế chế tạo phận hệ thống luân hồi khí thải 75 3.5.1 Thiết kế lắp đặt van định lượng khí thải EGR hệ thống làm mát khí luân hồi 75 3.5.2 Thiết kế chế tạo ống venturi 76 3.5.3 Bố trí tổng thể hệ thống luân hồi khí thải động 78 3.5.4 Thiết kế hệ thống điện tử điều khiển van định lượng khí thải EGR 79 3.6 Thiết kế lắp lọc phát thải hạt DPF xúc tác DOC đƣờng thải động 82 3.6.1 Thiết kế lắp lọc DPF 82 3.6.2 Thiết kế xúc tác ơxy hóa DOC 83 3.6.3 Vị trí lắp đặt xúc tác DOC lọc DPF 84 3.7 đồ bố trí chung hệ thống giảm phát thải hạt (PM) NOx động diesel tăng áp 85 3.8 Kết luận chƣơng 85 CHƢƠNG TH C NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 87 4.1 Mục tiêu phạm vi thử nghiệm 87 4.2 Thiết bị thử nghiệm 87 4.2.1 Băng thử động lực học cao ETB dùng cho động xe tải hạng nặng 87 4.2.2 Hệ thống đo phát thải khí 91 4.2.3 Thiết bị đo phát thải hạt (Smart Sampler) 94 4.2.4 Thiết bị đo độ khói Smoke Meter AVL415 94 4.2.5 Động thử nghiệm 94 4.3 Điều kiện thử nghiệm 95 4.4 Bố trí, phƣơng pháp chƣơng trình thử nghiệm 95 4.4.1 Bố trí lắp đặt hiệu chỉnh động băng thử 95 4.4.2 Phương pháp chương trình thử nghiệm 96 4.5 Kết thử nghiệm đánh giá 96 4.5.1 Kết đánh giá động thử nghiệm 96 4.5.2 Xây dựng đường đặc tính điều khiển van luân hồi EGR 97 4.5.3 Đánh giá chất lượng phát thải động lắp hệ thống luân hồi khí thải 100 4.5.4 Đánh giá khả phát thải NOx PM lắp hệ thống luân hồi khí thải lọc phát thải hạt 103 - iv - 4.6 Đánh giá kết mô thực nghiệm 106 4.6.1 So sánh kết mô thực nghiệm động nguyên theo chu trình ECE R49 106 4.6.2 So sánh kết mô thực nghiệm động áp dụng giải pháp giảm phát thải theo chu trình ECE R49 107 4.7 Kết luận chƣơng 108 KẾT LUẬN CHUNG VÀ PHƢƠNG HƢỚNG PHÁT TRIỂN 109 Kết luận chung 109 Phƣơng hƣớng phát triển 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO 111 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 114 PHỤ LỤC 115 -v- DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải Đơn vị CO Mônôxit cácbon - HC Hyđrơ cácbon - PM Phát thải hạt - NOx Ơxít nitơ - SOx Ơxít lưu huỳnh - Viện tài ngun giới Mỹ - Diesel Oxidation Catalyst (bộ xúc tác ôxy hóa) - EMBARQ DOC EGR Exhaust Gas Recirculatio (hệ thống luân hồi khí thải) - Diesel Particulate Filter (bộ lọc phát thải hạt, dạng lọc kín) - VOCs Volatile Organic Compounds (hàm lượng hỗn hợp chất hữu độc hại bay lên khơng khí) - PM10 Phát thải hạt có kích thước nhỏ 10 µm - TSP Tổng lượng bụi lơ lửng khơng khí - TCCP Tiêu chuẩn cho phép - TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam - PM-cat Bộ lọc phát thải hạt (dạng lọc hở) - 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 - Hyđrơ cácbon thơm mạch vịng - DPF  HAP SV Space velocity (tốc độ không gian) m/s SCRT Hệ thống xử lý khí thải tổng hợp gồm CRT SCR - AVL-Boost Phần mềm mô chiều hãng AVL (Áo) - AVL-MCC Mơ hình cháy hãng AVL MP Mô - TN Thực nghiệm - LHC Luân hồi áp suất cao - LHT Luân hồi áp suất thấp - Chu trình thử châu Âu chế độ tĩnh động xe tải hạng nặng xe khách - TA Khí tăng áp - MN Máy nén - TB Tuabin - Động đồng khơng chổi than - Cổng giao tiếp máy tính - ECE R49 BLDC USB - vi - COM Cổng giao giao tiếp máy tính dạng nối tiếp - Smoke Độ khói - - vii - DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Số lượng phương tiện hoạt động mạng lưới .7 Bảng 1.2 Các biện pháp giảm phát thải động diesel 14 Bảng 2.1 Các hệ số phương trình trao đổi nhiệt cửa nạp thải 47 Bảng 2.2 Chuỗi phản ứng hình thành NOx 53 Bảng 3.1 Các thông số kết cấu động D1146TI 64 Bảng 3.2 Các phần tử mơ hình mô 65 Bảng 3.3 Tỷ lệ luân hồi khí thải mô luân hồi áp suất cao áp suất thấp theo chu trình ECE R49 67 Bảng 3.4 Kết phát thải NOx theo chu trình ECE R49 mơ luân hồi áp suất cao áp suất thấp động D1146TI 68 Bảng 3.5 Kết thành phần phát thải có EGR khơng có EGR theo chu trình ECE R49 72 Bảng 3.6 Kết mơ thành phần phát thải có khơng có DOC DPF theo chu trình thử ECE R49 73 Bảng 3.7 Kết mô thành phần phát thải có khơng có hệ thống giảm phát thải EGR, DOC DPF theo chu trình thử ECE R49 74 Bảng 3.8 Kích thước lọc DPF cho động diesel D1146TI 82 Bảng 3.9 Kích thước xúc tác ơxy hóa DOC cho động diesel D1146TI 83 Bảng 3.10 Nhiệt độ khí xả động D1146TI đo vị trí cách tuabin 40 mm 84 Bảng 4.1 Diễn giải mode chu trình thử ECE R49 96 Bảng 4.2 Tỷ lệ luân hồi khí thải mơ thực nghiệm theo chu trình ECE R49 100 Bảng 4.3 Kết thành phần phát thải có EGR khơng có EGR theo chu trình ECE R49 103 Bảng 4.4 Kết đo thành phần phát thải có khơng có DOC DPF theo chu trình thử ECE R49 104 Bảng 4.5 Kết đo thành phần phát thải có khơng có hệ thống giảm phát thải EGR, DOC DPF theo chu trình thử ECE R49 105 Bảng 4.6 Kết đo công suất suất tiêu hao nhiên liệu có khơng có hệ thống giảm phát thải EGR, DOC DPF theo13 mode chu trình thử ECE R49 105 Bảng 4.7 Kết so sánh công suất suất tiêu thụ nhiên liệu mô thực nghiệm động nguyên theo chu trình ECE R49 106 Bảng 4.8 Kết so sánh phát thải mô thực nghiệm theo chu trình thử ECE R49 động nguyên 106 Bảng 4.9 Kết so sánh công suất suất tiêu thụ nhiên liệu mô thực nghiệm theo chu trình ECE R49 áp dụng giải pháp giảm phát thải 107 Bảng 4.10 Kết mô thực nghiệm áp dụng giải pháp giảm phát thải theo chu trình ECE R49 107 - viii - DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Số lượng phương tiện theo năm [31 Hình 1.2 Số lượng xe máy 1000 người thành phố lớn năm 2006 [31 Hình 1.3 Số lượng phương tiện đăng ký theo năm Tp.Hồ Chí Minh [31 Hình 1.4 Số lượng phương tiện Hà Nội theo năm [8 Hình 1.5 Số lượng phương tiện đăng ký Hà Nội theo năm [31 Hình 1.6 Lượt vận chuyển khách b ng phương tiện công cộng giai đoạn 1979-2005 .6 Hình 1.7 Diễn biến hàm lượng bụi TSP trung bình số địa điểm Hà Nội từ 20022007 [31] .9 Hình 1.8 Diễn biến hàm lượng PM10 trung bình năm khơng khí Tp.Hồ Chí Minh từ 20032007 [31] 10 Hình 1.9 Diễn biến hàm lượng NO2 trung bình năm khơng khí Tp.Hồ Chí Minh từ 20032007 [31] 10 Hình 1.1 Phát thải độc hại từ loại phương tiện khác Việt Nam [31 10 Hình 1.11 Tiêu chuẩn khí thải xe ôtô hạng nhẹ EU nước châu Á [3 11 Hình 1.12 Các giải pháp giảm phát thải PM NOx nh m hướng tới tiêu chuẩn châu Âu [22 14 Hình 1.13 Sơ đồ hệ thống luân hồi khí thải EGR 15 Hình 1.14 Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống SCR [20] 17 Hình 1.15 Sơ đồ hệ thống LNT [35] 19 Hình 1.16 Quá trình hấp thụ NOx hỗn hợp nghèo [35 20 Hình 1.17 Các phản ứng buồng xử lý [35 20 Hình 1.18 Chu trình hấp thụ tái tạo hệ thống LNT [35] 21 Hình 1.19 Hiệu giảm phát thải độc hại động diesel xúc tác ơxy hóa DOC [20 22 Hình 1.2 Cấu tạo xúc tác ơxy hóa DOC 22 Hình 1.21 Lọc muội than khí thải động diesel [7 23 Hình 1.22 Lõi lọc DPF b ng thép cuộn 23 Hình 1.23 Lọc khối lọc bề mặt 24 Hình 1.24 Chiều chuyển động dịng khí thải qua lọc khối 24 Hình 1.25 Bộ lọc DPF đồng thời tiêu âm 24 Hình 1.26 Cấu tạo hệ thống CRT 26 Hình 1.27 Kết cấu phận lọc PM 26 Hình 1.28 Sơ đồ nguyên lý hệ thống CRT 27 Hình 1.29 Đưa thêm glycol vào khí thải trước cho qua xúc tác 27 Hình 1.3 SCRT 28 Hình 1.31 Ảnh hưởng ln hồi khí thải đến lượng phát thải NOx [11] 28 Hình 1.32 Phát thải HC lưu lượng tích l y phát thải hạt tăng theo tỷ lệ luân hồi ( EGR) 29 Hình 1.33 Tỷ lệ cắt giảm NOx theo chu trình thử khác (giá trị ghi cột mức phát thải theo g km trước sau sử dụng hệ thống giảm phát thải) 30 Hình 1.34 Tỷ lệ cắt giảm CO theo chu trình thử khác (giá trị ghi cột mức phát thải theo g km trước sau sử dụng hệ thống giảm phát thải) 30 - ix - ... cứu Đưa giải pháp cơng nghệ giảm phát thải độc hại cho động diesel tăng áp Áp dụng giải pháp để cắt giảm phát thải thành công cho động diesel tăng áp xe buýt đạt tiêu chuẩn khí thải Việt Nam *)... Đề tài ? ?Nghiên cứu giảm khí thải độc hại cho động diesel tăng áp lắp xe buýt? ?? hướng tới góp phần giải yêu cầu thực tiễn i Mục đích, đối tƣợng phạm vi nghiên cứu đề tài *) Mục đích nghiên cứu Đưa... liệu, loại động động xăng, động diesel, động khí có phương pháp giảm độc hại riêng 1.3.2 Giảm phát thải NOx 1.3.2.1 Luân hồi khí thải EGR Luân hồi khí thải biện pháp hữu hiệu để giảm hình thành