Nghiên cứu cải tiến hệ thống xử lý khí thải của xe ford laser

NGUYỄN VĂN XÂM BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN VĂN XÂM KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN HỆ THỐNG XỬ LÝ KHÍ THẢI CỦA XE FORD LASER LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC KHOÁ 2011A Hà Nội – Năm 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN VĂN XÂM NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN HỆ THỐNG XỬ LÝ KHÍ THẢI CỦA XE FORD LASER Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS HỒNG ĐÌNH LONG Hà Nội – Năm 2013 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu riêng Các số liệu kết nêu luận văn trung thực Hà Nội, ngày tháng năm 2013 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN HỆ THỐNG XỬ LÝ KHÍ THẢI CỦA XE FORD LASER MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu đề tài 2.1 Mục đích .5 2.2 Đối tượng nghiên cứu 2.3 Phạm vi nghiên cứu .5 Phương pháp nghiên cứu Nội dung nghiên cứu CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ KIỂM SỐT KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ XĂNG .6 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Các thành phần phát thải độc hại động xăng 1.2.1 Ơ xít bon (CO) 1.2.2 Hydro bon chưa cháy (HC) 1.2.3 Các loại xít nitơ (NO X ) 1.3 Các biện pháp giảm phát thải 10 1.3.1 Tối ưu hóa kết cấu động 10 1.3.2 Dùng nhiên liệu thay .18 1.3.3 Các phương pháp xử lý khí thải 19 CHƯƠNG II ĐẶC ĐIỂM PHÁT THẢI CỦA XE FORD LASER 1.8 VÀ PHƯƠNG ÁN CẢI TIẾN HỆ THỐNG XỬ LÝ KHÍ THẢI .24 2.1 Giới thiệu chung 24 2.2 Đặc điểm hệ thống xử lý khí thải xe Ford Laser .24 2.2.1 Sơ đồ hệ thống thải xử lý khí thải xe Ford Laser 24 2.2.2 Đặc điểm phát thải xe xe Ford Laser 25 2.3 Các phương án cải tiến hệ thống xử lý khí thải xe Ford Laser có lắp BXT 26 2.3.1 Mục đích cải tiến .26 2.3.2 Các phương án cải tiến 26 2.4 Mục đích nghiên cứu cụ thể 28 CHƯƠNG III TÍNH TỐN THIẾT KẾ CẢI TIẾN HỆ THỐNG XỬ LÝ KHÍ THẢI XE FORD LASER .29 3.1 Giới thiệu chung 29 3.2 Tính tốn nhiệt độ khí thải đường ống thải 31 3.2.1 Mục đích tính tốn 32 3.2.2 Các phương trình truyền nhiệt 32 3.2.3 Kết tính tốn .39 3.3 Tính tốn hiệu trung hịa khí thải hệ thống xử lý khí thải dùng hai xúc tác ba thành phần .40 3.3.1 Giới thiệu chung .40 3.3.2 Các phản ứng xúc tác trung hòa thành phần độc hại BXT .42 3.3.3 Các phương trình trao đổi nhiệt trao đổi chất BXT 42 3.3.4 Kết tính tốn hiệu xử lý khí thải chế độ khởi động lạnh chạy ấm máy .52 3.3.5 Kết tính tốn hiệu xử lý khí thải chế độ tồn tải 53 3.4 Thiết kế hệ thống thải xúc tác .56 3.4.1 Sơ đồ mơ hình tính tốn : 56 3.4.2 Tính tốn trung hồ khí thải 57 3.4.3 Bình tiêu âm 58 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 PHẦN MỞ ĐẦU ĐẶT VẤN ĐỀ Động đốt đóng vai trị quan trọng kinh tế quốc dân Và nguồn động lực phương tiện vận tải như: Ơtơ, tàu thuỷ, tàu hoả, máy bay…hay máy công tác như: máy phát điện, máy xây dựng, máy công cụ công nghiệp, nông nghiệp…năng lượng mà động đốt cung cấp chiếm khoảng 80% tổng lượng toàn trái đất Tuy nhiên động đốt nguồn gốc gây nhiểm nhiễm mơi trường Trong tình hình giới ngày phát triển với tốc độ chóng mặt, sản lượng cơng nghiệp năm ngày tăng nhanh nguồn lượng tiệu thụ giới ngày lớn Động đốt nguồn cung cấp lượng chủ yếu trái đât Chính mà lượng sản phẩm khí thải từ động đốt năm giới ngày tăng, gây ô nhiễm môi trường nặng nề ảnh hưởng trực tiếp biến đổi khí hậu ngày phức tạp, trái đất ngày nóng lên, ảnh hưởng xấu tới sức khoẻ người, gây nạn tuyệt chủng động thực vật toàn giới Để giảm lượng độc hại phát từ sản phẩm khí thải động đốt mà trì tốc độ phát triển công nghiệp giới Một số nước có cơng nghiệp phát triển hàng đầu giới, nước có lượng khí thải phát sinh độc hại gây nhiễm nhiều giới như: Mỹ, Nhật Bản số nước Châu Âu đầu việc nghiên cứu đưa biện pháp giảm thiểu lượng khí thải độc hại mơi trường Bên cạnh nước đưa tiêu chuẩn nồng độ chất độc hại khí thải động bắt buộc xe sản xuất nước xe nhập phải tuẩn thủ tiêu chuẩn khí thải Để đánh giá chất lượng động phương diện khí thải, động phải thử nghiệm điều kiện cụ thể theo chu trình thử nghiệm quy định Hiện giới có nhiều chu trình thử như: Chu trình Mỹ, Nhật Bản, Châu Âu… ứng với chu trình thử tiêu chuẩn khí thải Các hệ thống tiêu chuẩn xây dựng cho loại động khác như: Động xe máy, động tĩnh tải, động xe xe tải nhẹ, động xe tải nặng… Ở Châu Âu áp dụng số chu trình thử như: ECE15, EUDC, NEDC… để thử nghiệm công nhận kiểu cho dòng xe Bắt đầu áp dụng tiêu chuẩn khí thải EURO vào năm 1992, EURO vào năm 1996, EURO vào năm 2000, EURO vào năm 2005 Các tiêu chuẩn ngày đòi hỏi khắt khe nồng độ chất khí thải động Ở Việt Nam trước tình hình kinh tế đất nước bước vào giai đoạn đầu nước có kinh tế phát triển phải tuân theo xu hướng chung giới là: Phát triển bền vững, tức phát triển bảo vệ mơi trường Chính mà nhà nước ta áp dụng chu trình thử tiêu chuẩn Châu Âu để thử nghiệm công nhận kiểu cho dòng xe Đặc biệt nhà nước ta bắt đầu áp dụng tiêu chuẩn EURO từ ngày 01/07/2007 cho tất phương tiện vận tải đất nước ta Trên xe ôtô Ford Laser 1.8, hệ thống thải trang bị xúc tác (BXT) thành phần tiêu chí khí thải kiểm định theo tiêu chuẩn EURO II, nước phát triển, điều kiện khí thải đảm bảo song Việt Nam điều kiện địa hình, sở hạ tầng khơng phù hợp phải dừng đỗ nhiều nên thời gian chạy không tải động lớn phát thải độc hại sinh lớn nên việc giảm phát thải độc hại động cần thiết Chính vậy, đề tài hướng tới “Nghiên cứu cải tiến hệ thống xử lý khí thải” để cắt giảm phát thải độc hại chế độ làm việc xe MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 2.1 MỤC ĐÍCH Nghiên cứu cải tiến hệ thống xử lý khí thải xe Ford Laser hành để tăng hiệu xử lý khí thải giai đoạn chạy ấm máy chạy chậm không tải xe để cắt giảm tổng lượng phát thải độc hại phương tiện giai đoạn 2.2 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Động xe Ford Laser 1.8 2.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU Nghiên cứu tăng hiệu xử lý khí thải giai đoạn chạy ấm máy chạy chậm không tải xe ôtô Ford Laser 1.8 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Dùng phương pháp mô hình hóa, tính tốn lắp đặt thêm xúc tác phụ liền với cụm ống thải phía trước xúc cũ nhà chế tạo đóng vai trị xúc tác NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu trình truyền nhiệt đường ống thải để xác định phân bố nhiệt độ khí thải dọc theo đường ống, qua xác định vị trí lắp thêm xúc tác phụ - Nghiên cứu trình xúc tác, trung hịa khí thải BXT, từ xác định ảnh hưởng nhiệt độ lưu lượng khí thải đến hiệu BXT để thiết kế lắp đặt BXT đường ống thải xe - Thiết kế, cải tiến hệ thống xử lý khí thải nhằm giảm phát thải độc hại chế độ làm việc động CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CƠNG NGHỆ KIỂM SỐT KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ XĂNG 1.1 Giới thiệu chung Các trang thiết bị động lực nói chung trang bị động đốt trong, trái tim động lực loại phương tiện giao thông giới Động đốt động nhiệt mà chất tham gia phản ứng cháy ( môi chất công tác) thực biến đổi nhiệt thành công Năng lượng động đốt cung cấp chiếm khoảng 80% tổng số lượng tiêu thụ trái đất Tuy nhiên bên cạnh động đốt trong thủ phạm nguồn gốc gây ô nhiễm môi trường, mà nguyên nhân q trình phát thải chất khí độc hại q trình cháy chưa hồn hảo Chất chủ yếu tham gia phản ứng cháy gọi nhiên liệu Nhiên liệu cho động đốt thông thường dạng chất lỏng chủ yếu nhiên liệu hoá thạch, chưng cất từ dầu mỏ từ than đá, dầu thực vật, gỗ Ngồi cịn có nhiên liệu động đốt dạng khí khí ga tự nhiên, khí ga sinh học (khí biơ), khí ga từ than đá Như thiên nhiên có nhiều nguồn nhiên liệu, nguồn nhiên liệu sử dụng cho ô tô, cho xe du lịch Việt Nam sản phẩm dầu mỏ 1.2 Các thành phần phát thải độc hại động xăng Hình 1.1 trình bày tỷ lệ trung bình tính theo khối lượng chất độc hại khí thải động xăng theo chương trình thử đặc trưng Châu Âu Như chất độc hại khí thải động xăng là: CO, C m H n NO x Nồng độ thành phần độc hại nói phụ thuộc nhiều vào hệ số dư lượng khơng khí λ (mức độ đậm nhạt hỗn hợp) thể rõ hình 1.2 Sau phân tích tỉ mỉ quan hệ O vµ khÝhiÕm 0,7 % ChÊt r ¾n 0,0008% NO X 0,13 % C m H n 0,09% H 2O 9,2% CO 18,1% C¸ c chất độc hạ i 1,1% CO 0,9 % N 70,9% Hình 1.1 Tỷ lệ khối lượng chất độc hại khí thải động xăng 1.2.1 Ơ xít bon (CO) Mơ nơ xit cacbon hình thành từ phản ứng sau: 2C + O = 2CO Đây phản ứng cháy thiếu ôxy Rõ ràng λ nhỏ nồng độ CO lớn ngược lại 2000 4000 rCO rNO X rC mH n % 1500 3000 ppm Vol % NO x ppm C3H3 1000 2000 Cm H n V H = 1588 cm3 n = 3000 0.8 1000 P S = bar ε = 9,4 ϕ S = tèi - u CO 500 1.0 1.2 1.4 Hình 1.2 Đặc tính thành phần độc hại động xăng theo λ Phương trình (5-2) phương trình tốn học khơng tuyến tính, Rj , hàm Ts,j Csj,i Do điều kiện biên phương trình : C g ,i (0, t ) = C gin, j S cat R j = (C gj,i − C s ,i )[1 − exp(− N TU mj )] mg (3.2) ∆V M áp dụng cho tất loại khí j = đến chứa ẩn Cs,j Đây hệ phương trình đại số khơng tuyến tính nội phụ thuộc nên giải phương pháp Newton Hàm lượng loại khí xác định phương trình : C g ,i +1 = C g ,i + (C g ,i − C s ,i ) exp(− NTUh) điều kiện biên C g ,i (0, t ) = C gin, j Nhiệt độ vách xúc tác xác định từ phương trình : ρ g u.C pg ∂Tg ∂t = h.S (Ts − Tg ) điều kiện biên : Ts ( s,0) = Ta dTs dT ( L, t ) = (0, t ) = dx dx Việc tính toán cgv ;Tg ; Csi ; Cgi trước bước thời gian lặp lại bước trước : C g ,i +1 = C g ,i + (C g ,i − C s ,i ) exp(− NTUh) (3.3) Tg ,i +1 = Ts ,i + (Tg ,i − Ts ,i ) exp( NTUh) Tg ,i +1 1n = Ts n −1 + ∆T ρ s c ps (  Ks  Ts  ∆x n i +1 −2Ts 1n +Ts (3.4) )+ 1S− δ ∑ (∆H )R  n i −1 cat j =1 j j  (3.5) Những phương trình giải máy tính ngơn ngữ lập trình Pascal, Portran tìm thơng số cần tìm theo sơ đồ thuật giải Đây chương trình tính tốn viết cho xử lý thứ với thông số đầu vào nồng độ, nhiệt độ khí thải trực tiếp từ động Các thơng số tính tốn cho xử lý thứ hai nồng độ khí thải giảm thành phần độc hại, nhiệt độ thấp 51 e) Mơ hình tính tốn Chương trình Nhập : ∆t : =0,005 ∆x : =0,0025 Các điều kiện biên j:= j +1 i : = i +1 C Sj Theo (5 − 3) j Tính : C g ,i +1 i Theo (5 − 4) Tg ,i +1 ij Theo (5 − 5) i < 54 j:=j+1 i >=6 j