IV. Các nội dung chính trong đề tài
4.2Tính toán hệ thống phun urea-SCR
4.2.1 Tính toán lượng urea cần cung cấp
Trên thực tế thì phát thải của động cơ diesel thì lƣợng NO chiếm 90% nên khử NOx phần lớn đƣợc thực hiện theo phản ứng chuẩn, còn phản ứng chậm với tỷ lệ
2/ 1
NO NO
r thì thƣờng không xảy ra. Với phản ứng nhanh và chuẩn thì ta xác định đƣợc tỷ lệ mol tƣơng ứng: 3/ 1
x NH NO
r , với phản ứng viết ở dạng tổng hợp nhƣ sau:
3 2 2 2
4NH 4NOx (3 2 )x O 4N 6H O (4-1) Trong đó: x thể hiện thành phần NO và NO2 có trong hỗn hợp khí NOx.
- 74 -
Hiệu suất khử NOx của bộ xử lý xúc tác SCR:
, ,
,
.100%
NOx vao NOx ra HSK NOx vao C C r C (4-2)
Trong đó: CNOx vao, : nồng độ NOx trong khí xả đi vào bộ xử lý xúc tác (ppm)
,
NOx ra
C : nồng độ NOx trong khí xả đi ra bộ xử lý xúc tác (ppm)
Lƣợng urea cần cung cấp cho hệ thống: Số mol urea: 3 ur 2 NH ea n n (4-3)
Trong đó: nNH3: số mol NH3 cần cung cấp cho hệ thống. Khối lƣợng urea: 3 ur ur ur ur .60 . .60 2 NH ea ea ea ea n m n M n (4-4)
Trong đó: Murea: Khối lƣợng phân tử của urea,
urea 60
M (g/mol).
Khối lƣợng dung dịch urea (chứa 32,5% urea):
3 ur dd 100. .60 100. 32,5 2.32,5 NH ea urea n m m (4-5)
Thể tích dung dịch chứa 32,5% ure:
3 x 3 x
dd ur ur
dd
ddur ddur ddur (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
NO / N O ddur ddur 100. 100. .60 32,5. 32,5. 100. .60 100. .r .60 2.32,5. 2.32,5. urea ea ea urea ea ea ea NH NH ea ea m m n V n n (4-6)
- 75 -
Trong đó: ddurea: khối lƣợng riêng của dung dịch urea,
ddurea 1, 082
(kg/lít), ở 30 oC,
3/ N Ox
rNH : tỷ số mol của NH3 so với NOx cần cung cấp. Lƣợng NH3 còn dƣ: 3 3 3 , , / , 1 . 1 . . x x NH du HSK NH vao HSK NH NO NO vao n r n r r C (4-7)
4.2.2 Thiết kế hệ thống điều khiển phun urea-SCR
4.2.2.1 Tín hiệu điều khiển vòi phun urea
Lƣợng phun urea cung cấp đƣợc kiểm soát bởi thời gian phun tph là thời gian kim phun mở. Để thực hiện điều khiển thì thởi gian mở của xung điều khiển phun đƣợc tính toán theo công thức:
dkp ph hc s
t t t t (4-8)
Trong đó:
tph: thời gian phun cơ bản (ms). tph đƣợc tính toán trên cơ sở hàm lƣợng khí NOx có trong khí thải.
thc: thời gian hiệu chỉnh theo tình trạng hoạt động (ms). thc là tổng của các nhân tố ảnh hƣởng đến sự làm việc của bộ xử lý xúc tác SCR: nhiệt độ T, độ đồng đều của NH3 với khí thải khi vào bộ SCR…Việc tính toán thc là rất khó khăn nên thực hiện thuật toán làm tăng hoặc giảm thc theo bƣớc nhỏ với mục tiêu thc luôn tăng để tăng hiệu suất khử nhƣng phải đảm bảo nồng độ khí NH3 dƣ dƣới 10 ppm.
ttr: thời gian trễ phụ thuộc vào điện áp cấp (ms). Với loại vòi phun đƣợc chọn thì qua khảo sát ta nhận đƣợc ttr =10 ms.
- 76 -
Hình 4.3 Xung tín hiệu điều khiển kiểu PWM.
Hình 4.4 Xung tín hiệu điều khiển và độ nâng kim phun vòi phun.
Sau khi khảo sát đặc tính phun thực tế của vòi phun urea tại PTN Động cơ đốt trong, Đại học Bách khoa Hà Nội, ta thấy thời gian phun tối thiểu là 20 ms. Nhƣ vậy, thời gian phun thực tế tph tdk ttr sẽ phải thỏa mãn: 20 ms tdk T .
Mặt khác, khoảng thay đổi của nồng độ NOx và lƣu lƣợng khí xả là khác nhau tùy theo động cơ. Trong nghiên cứu này, các phép tính toán phục vụ cho việc thử nghiệm động cơ lắp trên xe tải hạng nhẹ, do đó ta có đƣợc: 300 1500
x NO
C
(ppm) và 2 Qx 14 (kg/ph). Thay thế các giá trị này vào các công thức (4-5, 4-6, 4-7) ta tính đƣợc lƣợng urea cần cung cấp nằm trong dải: 0,89 murea 38, 4
(g/ph).
4.2.2.2 Điều khiển lượng phun
Sau khi có các giá trị trên, ta cần tính toán độ rộng xung phun của vòi phun urea. Với phƣơng pháp điều khiển xung PWM, về lý thuyết thì ta có thể cho to/T chính là xung phun hay lƣợng phun thay đổi từ 0 đến 100%. Tuy nhiên, khi lƣợng
- 77 -
phun thay đổi trong dải lớn thì ta phải đặt chu kỳ T lớn sẽ gây ảnh hƣởng lớn đến độ chính xác của lƣợng phun và làm giảm độ đồng đều của urea khi phun vào bộ xúc tác. Do vậy, ta chia dải phun làm nhiều khoảng nhỏ (Bảng 4.1) và hạn chế sự thay đổi của ti0/Ti (từ 50 100 % ) để tăng độ đồng đều và tăng độ chính xác của lƣợng phun. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bảng 4.1 Chu kỳ và các dải lượng phun urea
Chu kỳ Ti (ms) 30 45 60
Dải ti0/Ti (%) 33,3÷100 60,8÷100 74,7÷100 Dải lƣợng phun (g/ph) 0÷22,5 22,5÷37 37÷49,5
Từ bảng số liệu trên đây có thể đƣa ra các chu kỳ cho bộ điều khiển độ rộng xung PWM nhƣ Hình 4.5.
Hình 4.5 Xung phun của các chu kỳ khác nhau cho bộ điều khiển xung PWM.
Để thực hiện thay đổi xung chu kỳ thì thực hiện theo thuật toán với sơ đồ ở
- 78 -
Hình 4.6 Sơ đồ thuật toán lựa chọn chu kỳ T của PWM.
4.3 Chế tạo và thử nghiệm sơ bộ hệ thống phun urea-SCR
4.3.1 Tín hiệu từ các cảm biến
4.3.1.1 Sơ đồ khối chức năng
Hình 4.7 Sơ đồ khối chức năng của hệ thống.
Các cảm biến đƣợc sử dụng thể hiện qua sơ đồ khối chức năng trên Hình 4.7. Trong đó, các cảm biến CB T, CB NOx dùng để xác định chế độ làm việc của hệ thống.
Tải Tốc
- 79 -
Sau khi xác định chế độ làm việc của hệ thống, BĐK thực hiện tính toán lƣợng phun urea cho chế độ cơ bản.
4.3.1.2 Cảm biến nhiệt T
Cảm biến nhiệt sử dụng vùng nhiệt độ từ 0 đến 600 oC.
Hình 4.8 Hình dáng và đặc tính của cảm biến nhiệt. 4.3.1.3 Cảm biến nồng độ NOx
Trên thực tế, công nghệ cho việc chế tạo cảm biến NOx còn chƣa đạt đến thống nhất ở các hãng sản xuất ô tô. Các nhà nghiên cứu vẫn tiếp tục nghiên cứu phát triển cảm biến NOx.
Vai trò của cảm biến NOx thể hiện ở 2 khía cạnh:
(i) thứ nhất, để đo nồng độ NOx có trong khí xả, cung cấp thông tin phản hồi để hệ thống cung cấp urea điều khiển lƣợng phun urea theo yêu cầu giảm NOx đồng thời giảm sát thành phần phát thải này của động cơ.
(ii) thứ hai, là một phần quan trọng của hệ thống OBD giúp điều khiển vòng kín.
- 80 -
Hình 4.9 Hình dáng và đặc tính của cảm biến NOx [29].
Hiện nay, các cảm biến NOx đƣợc sử dụng đều bị sai lệch tín hiệu đo so với nồng độ NOx thực tế do ảnh hƣởng bởi nồng độ NH3 dƣ có trong khí thải. Sự ảnh hƣởng đƣợc thể hiện trên Hình 4.10. Mức sai lệch nồng độ NOx đo đƣợc tƣơng ứng gần bằng nồng độ NH3 dƣ.
Hình 4.10 Ảnh hưởng của NH3 đến cảm biến NOx [29].
Khi nồng độ NH3 có trong khí thải càng cao thì làm tín hiệu nhận đƣợc từ cảm biến NOx có sai số càng cao. Vì vậy, việc hạn chế NH3 dƣ là hết sức cần thiết để đảm bảo quá trình điều khiển cho sai số nhỏ.
- 81 -
4.3.1.4 Cảm biến nồng độ NH3 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Cảm biến NH3 cho phép điều khiển các hệ thống OBD của hệ thống SCR lắp trên động cơ diesel. Cảm biến NH3 đƣợc phát triển bởi công ty Delphi, đƣợc giới thiệu lần đầu tại hội nghị quốc tế SAE năm 2010 mà công nghệ cảm biến này mang lại là giúp tối ƣu hóa lƣợng khí thải NOx cho động cơ diesel để giúp các nhà sản xuất đáp ứng yêu cầu về khí thải động cơ diesel với tiêu chuẩn mức EURO V, VI.
Đặc điểm của cảm biến NH3: có hiện tƣợng nhiễu điện từ khi độ ẩm bên ngoài và hơi nƣớc bên trong ống xả. Vì vậy, trong khi lắp đặt cần lắp nghiêng 10o
so với chiều ngang để hạn chế đọng nƣớc trên bề mặt đầu cảm biến.
Bảng 4.2 Các thông số của cảm biến NH3 [37].
STT Thông số 1 Dải đo 0 – 100 ppm NH3 Sai số 5ppm tại 10 ppm NH3 Chấp nhận khí mà không cần điều chỉnh NO, HC, CO, N2O Chấp nhận khí, có sự sai lệch O2, H2O 2 Vùng nhiệt độ làm việc 200 đến 450 oC 3 Thời gian sử dụng 5.000 h / 250.000 km 4 Nhiệt độ môi trƣờng - 40 đến 105 oC 5 Hệ thống điện 12 V hoặc 24 V
- 82 -
Hình 4.11 Hình dáng và đặc tính của cảm biến NH3 [37].
4.3.2 Thuật toán điều khiển phun urea
Hình 4.12 Sơ đồ thuật toán điều khiển phun urea.
Nguyên lý điều khiển hệ thống phun urea thực hiện theo sơ đồ thuật toán cho trên Hình 4.12. Các tín hiệu vào là tín hiệu đã biến đổi thành tín hiệu số đƣợc vi xử lý so sánh với tín hiệu lƣợng urea dƣ theo tính toán với tín hiệu từ cảm biến NH3 dƣ phía sau bộ xúc tác. Trong quá trình đó, nếu tín hiệu nhiệt độ khí xả vƣợt khỏi dải làm việc tốt của bộ xúc tác SCR thì vi xử lý ƣu tiên chế độ dừng phun urea hoặc giảm dần lƣợng phun urea. Data 1 là tín hiệu số khi qui đổi lƣợng NH3 dƣ theo tính
- 83 -
toán, còn data 2 là tín hiệu số của cảm biến NH3 dƣ sau khi đã chuyển đổi từ tín hiệu tƣơng tự.
Trong nghiên cứu này, việc điều khiển lƣợng phun dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông PWM (Pulse Width Modulation) (Hình 4.3). Trong khoảng thời gian 0-to, điều khiển mở vòi phun bằng cách cấp nguồn điều khiển, còn trong khoảng thời gian từ to-T, điều khiển đóng vòi phun bằng việc ngắt nguồn điều khiển. Để tạo ra PWM thì sử dụng phƣơng pháp lập trình cho chíp, có độ chính xác và biên độ điều khiển đƣợc rộng hơn phƣơng pháp sử dụng phần cứng là các IC dao động.
Các kết quả khảo sát cho biết, với điện áp 12V là có thể nâng đƣợc kim phun. Tuy nhiên, khi có tín hiệu điều khiển thì kim phun phải mất thời gian trễ mới nâng lên đƣợc. Thời gian trễ này ảnh hƣởng nhỏ đến chất lƣợng phun urea cho bộ SCR, xem Hình 4.4.
4.3.3 Thiết bị thử nghiệm điều khiển phun urea
Sau khi nghiên cứu lý thuyết về hoạt động điều khiển phun urea cho hệ thống SCR, cấu tạo và dạng xung các tín hiệu đầu vào nhận từ các cảm biến, các tác giả cũng đã tiến hành thực nghiệm xác định các dạng xung tín hiệu từ các cảm biến: cảm biến NOx, cảm biến nhiệt độ, cảm biến NH3. Từ các kết quả thu đƣợc, sơ đồ khối hệ thống điều khiển lƣợng phun urea cấp cho bộ xử lý xúc tác urea-SCR đƣợc xây dựng nhƣ trên Hình 4.13.
Bộ điều khiển ngoài nhiệm vụ chính là đƣa ra tín hiệu điều khiển để điều khiển vòi phun urea cho bộ xử lý xúc tác SCR thì còn phục vụ quá trình thử nghiệm bộ điều khiển khi chƣa gắn lên băng thử động cơ. Do đó, bộ điều khiển đã đƣợc xây dựng để có thể phát đƣợc áp giả tín hiệu nồng độ NOx, nồng độ NH3 dƣ và nhiệt độ khí thải T. Sau khi tiếp nhận các áp tín hiệu giả, bộ điều khiển thực hiện tính toán và đƣa ra tín hiệu điều khiển, và cho hiển thị trên LCD. Nhƣ thế, việc kiểm soát và đánh giá quá trình thiết kế bộ điều khiển có nhiều thuận lợi.
- 84 -
Hình 4.13 Sơ đồ khối thiết bị điều khiển và thử nghiệm phun urea.
Hình 4.14 Sơ đồ mạch điều khiển.
Sơ đồ mạch điện điều khiển cho trên Hình 4.14. Các linh kiện dùng để chế tạo mạch đều sẵn có trên thị trƣờng nội địa.
- 85 -
Bộ điều khiển sử dụng nguồn điện 12V DC do ắc quy cấp, đồng thời các mạch xử lý và mạch hiển thị phải sử dụng điện áp chuẩn là 5V, do đó cần có mạch ổn áp. Để lựa chọn các chế độ làm việc của bộ điều khiển, thay đổi áp của tiết chế cần bố trí các phím chức năng trong mạch. Các linh kiện trong mạch cấp nguồn và điều khiển gồm có: LM 7805 - vi mạch ổn áp, cung cấp nguồn cho toàn mạch; R1, C1 - mạch tự động reset cho vi điều khiển khi mới bật nguồn; PIC16F887 - vi mạch xử lý chính (nhận xung vào, quét phím, lƣu dữ liệu và đƣợc LCD hiển thị); 5 đƣờng port 1 để lập 4 phím SW1, SW2, SW3, SW4 là bàn phím dạng ma trận; diode D7 để bảo vệ mạch trong trƣờng hợp đấu sai cực cấp nguồn từ ắc quy.
Mạch hiển thị có nhiệm vụ hiển thị các chế độ đặt của nồng độ NOx, nhiệt độ khí xả T, nồng độ NH3 dƣ và kết quả lƣợng phun urea vào bộ xúc tác SCR. Hình ảnh thực của bộ điều khiển phun urea sau khi chế tạo cho trên Hình 4.15.
Hình 4.15 Hình ảnh bộ điều khiển phun urea.
4.3.4 Kết quả thử nghiệm
Sau khi tính toán thiết kế và chế tạo, bộ điều khiển cần đƣợc xác nhận độ chính xác thông qua các tín hiệu giả lập đƣợc xây dựng nhƣ đã trình bày ở trên. Một số kết quả thử nghiệm chính với các tín hiệu giả lập đó đƣợc trình bày dƣới đây.
Cho nồng độ NOx thay đổi (từ 500÷1500 ppm), giữ nhiệt độ khí xả T = 350
- 86 -
3 9000 / (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
x
Q l ph, Qx4 12000 /l ph, hiệu suất phản ứng của NH3 với NOx k=97 %.
Lƣợng phun urea phụ thuộc vào lƣợng NOx có trong khí thải đi vào bộ xử lý xúc tác urea-SCR đƣợc thể hiện trên Hình 4.15. Có thể thấy rằng ban đầu khi nồng độ NOx tăng lên thì lƣợng phun urea cũng cần tăng tƣơng ứng để bảo đảm hiệu suất xử lý của bộ xúc tác. Trong giai đoạn này, lƣu lƣợng khí thải càng cao thì tốc độ tăng lƣợng phun urea càng nhanh (đồ thị có độ dốc càng lớn). Tuy nhiên, khi nồng độ NOx cao hơn khoảng 650 ppm thì lƣợng phun urea vào bộ xúc tác không đổi khi tăng nồng độ NOx.
Hình 4.16 Lượng phun urea phụ thuộc vào lượng NOx có trong khí thải.
Kết quả khảo sát hiệu suất khử NOx phụ thuộc lƣợng NOx có trong khí thải đƣa vào bộ xúc tác urea-SCR cho trên Hình 4.17. Hiệu suất khử NOx cao nhất có thể đạt đến vào khoảng 97%, trong khi lƣợng NOx cao nhất có thể xử lý với hiệu suất trên 40% là 1400 ppm. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 400 600 800 1000 1200 1400 Qx=3000 l/ph Qx=6000 l/ph Qx=9000 l/ph Qx=12000 l/ph Nồng độ NOx Lư ợ ng ph un urea (g /ph )
- 87 -
Hình 4.17 Hiệu suất khử NOx phụ thuộc vào lượng NOx có trong khí thải.
Hiệu suất khử NOx ban đầu cao bằng với hiệu suất phản ứng vì nồng độ NOx thấp với tỷ lệ mol
3/ 1
x
NH NO
r , sau đó hiệu suất khử NOx giảm khi nồng độ NOx
tăng do phải đảm bảo giới hạn nồng độ NH3 dƣ dƣới 10 ppm.
Hình 4.18 Hiệu suất khử NOx phụ thuộc vào giới hạn NH3 dư.
Kết quả khảo sát hiệu suất khử NOx phụ thuộc vào giới hạn lƣợng NH3 dƣ thể hiện trên Hình 4.18. Giới hạn lƣợng NH3 dƣ đƣợc chọn ở hai mức: 10 ppm và 15 ppm, trong khi nồng độ NOx trong khí thải nằm trong dải từ 400-1500 ppm.
40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 400 600 800 1000 1200 1400 Nồng độ NOx (ppm) H iệu suấ t k hử N O x (%)
- 88 -
Khi ta tác động đến tín hiệu NH3 dƣ tức là thay đổi giới hạn lƣợng NH3 dƣ. Kết quả cho thấy, nếu tăng giới hạn NH3 dƣ thì lƣợng phun urea tăng, đồng thời