Hình 1.15. Đặc tính của bộ tăng ápVGT [6] Hình 1.16. Quan hệ giữa vị trí
cánh hướng gió và tỷ lệ luân hồi [6]
c. Dùng ống venturi
Ống venturi là một ống Laval, khi dịng khí nạp qua ống thì áp suất tại phần họng sẽ nhỏ hơn áp suất trên trên đƣờng ống. Tại họng của ống có đƣờng dẫn khí ln hồi vào đƣờng nạp, ống venturi có thể bảo đảm điều kiện ∆P > 0 b ng cách giảm áp suất cục bộ trên đƣờng nạp.
Hình 1.17. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống luân hồi khí xả
ống venturi đặt trên đường nạp [17]
L ƣu lƣợng Độ mở cánh hƣớng gió của tuabin VGT Tuabin thƣờng %E G R V trí cánh hƣớng gió
Khi sử dụng ống venturi, áp suất chỉ giảm khi thực hiện luân hồi nhƣng áp suất sẽ tăng trở lại b ng áp suất tăng áp ngay sau đó. Do đó về m t lý thuyết có thể mở rộng vùng làm việc của hệ thống luân hồi mà không làm tăng tổn thất của bơm.
Sơ đồ nguyên lý của hệ thống luân hồi khí thải áp suất dùng ống venturi đ t trên đƣờng nạp đƣợc thể hiện trên Hình 1.17. Dùng van venturi là một phƣơng pháp hiệu quả và có tính kinh tế cao do ống venturi có kết câu đơn giản, nhỏ gọn và có thể sử dụng trên những động cơ bình thƣờng mà không cần thiết kế lại.
1.3.3. Hệ thống luân hồi áp suất cao
Trong hệ thống luân hồi áp suất cao thể hiện trên Hình 1.18, áp suất đƣờng
ống thải cần phải cao hơn đƣờng ống nạp để khí thải từ đƣờng thải quay về đƣờng nạp.
Van luân hồi điều khiển điện tử đƣợc lắp phía sau bộ làm mát khí luân hồi sẽ quyết định lƣợng khí luân hồi. Hệ thống này đƣợc gọi là hệ thống luân hồi áp suất cao.
Hình 1.18. Hệ thống luân hồi áp suất cao[17]
Để tăng lƣợng khí ln hồi thì cần phải tăng mức độ chênh lệch áp suất giữa đƣờng thải và đƣờng nạp b ng cách thay đổi van tiết lƣu đƣờng nạp ho c tăng cản trên đƣờng thải. Phƣơng án sử dụng ống venturi trên đƣờng nạp cũng thƣờng đƣợc áp dụng cho động cơ xe hạng n ng nhƣ thể hiện trên Hình 1.19.
Hình 1.19. Hệ thống luân hồi áp suất cao với ống venturi [17]
1.3.4. Hệ thống luân hồi áp suất thấp
Hệ thống luân hồi áp suất thấp trình bày trên Hình 1.20 thƣờng đƣợc dùng kết hợp với bộ lọc chất thải dạng hạt (DPF). Thay vì lấy khí ln hồi phía trƣớc tuabin nhƣ trƣờng hợp luân hồi áp suất cao, hệ thống này lấy khí thải sau khi đã đi qua bộ lọc DPF để quay trở lại đƣờng nạp ở vị trí phía trƣớc máy nén. Mức độ chênh lệch áp suất ở phía sau bộ lọc DPF và phía trƣớc máy nén đủ để khí thải luân hồi.
Nh n xét:
Hệ thống luân hồi áp suất thấp so với hệ thống luân hồi áp suất cao có những ƣu nhƣợc điểm sau:
Ưu điểm:
- Tiêu hao nhiên liệu thấp hơn vì đ c tính làm việc của cụm tuabin - máy nén tốt hơn do tuabin không bị mất mát một phần năng lƣợng theo khí luân hồi.
Hình 1.20. Hệ thống ln hồi áp suất thấp[17]
Khí nạp Khí thải Két làm mát khí nạp Két làm mát khí luân hồi Van EGR Máy nén Tuabin Bộ lọc PM Đƣ ờng nạ p Đƣ ờng thải Ống ve ntur i
- Trong trƣờng hợp có sử dụng bộ lọc DPF, khí thải đƣợc lọc sạch PM rồi mới quay lại đƣờng nạp nên tuổi thọ động cơ cao hơn.
- Khí ln hồi có nhiệt độ thấp hơn vì lấy ở vị trí phía sau bộ lọc DPF nên khả
năng hấp thụ nhiệt cao hơn, tăng khả năng giảm NOX.
- Yêu cầu về làm mát ít hơn giúp giảm kích thƣớc bộ làm mát khí luân hồi cũng nhƣ giảm lƣợng nhiệt tỏa ra cho nƣớc làm mát động cơ.
- Giảm hiện tƣợng ăn mòn các bộ phận làm mát, van EGR, ống luân hồi... - Khí luân hồi và khơng khí mới đƣợc hịa trộn tốt hơn vì khí ln hồi đƣợc đƣa vào phía trƣớc máy nén.
Nhược điểm:
- M c dù khí luân hồi đã đƣợc lọc qua bộ lọc DPF nhƣng vẫn cịn có một số hạt cácbon do hiệu suất lọc không phải là 100%. Cánh máy nén quay với tốc độ rất cao nên sẽ bị các hạt này xói mịn.
- Các hạt b n khi vào két làm mát khí tăng áp sẽ làm giảm lƣợng khí nạp ho c có thể gây tắc két, đ c biệt trong trƣờng hợp làm mát khí tăng áp b ng khơng khí.
- Nhiệt độ khí luân hồi thấp nên việc hình thành axít trong hệ thống nhiều hơn Với những ƣu nhƣợc điểm nhƣ đã nêu, ta thấy hệ thống luân hồi áp suất thấp đƣợc sử dụng phổ biến hơn so với hệ thống luân hồi áp suất cao. Chính vì vậy hệ thống ln hồi áp suất thấp là đối tƣợng đƣợc nghiên cứu kỹ ở các chƣơng tiếp theo
trong luận văn để từ đó áp dụng cho việc giảm phát thải NOX đối với động cơ
Kết luận chƣơng 1
Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu nhƣ đã trình bày ở trên có thể đƣa ra các kết luận sau:
Các phƣơng tiện vận tải gia tăng rất nhanh trong những năm gần đây đ c biệt tập trung tại các thành phố lớn. Điều đó đồng ngh a với việc hàng ngày môi trƣờng môi trƣờng phải hứng chịu một lƣợng khơng ít khí thải độc hại, nó làm ảnh hƣởng nghiêm trọng đến sức khỏe của con ngƣời và mơi trƣờng sống trong đó phải kể đến khí NOx và PM.
Đồng thời cho thấy sự quan tâm sâu sắc của các nƣớc trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng về vấn đề phát thải độc hại từ các phƣơng tiện giao thơng ra mơi trƣờng sống. Việc đó đƣợc thể hiện b ng các biện pháp quản lý nhà nƣớc đó là đƣa ra các dự luật, quy định, tiêu chu n, chỉ thị về giới hạn cho phép các phƣơng tiện vận tải phát thải ra môi trƣờng nh m giảm thiểu nồng độ các chất độc hại có trong phát thải của động cơ đốt trong nói chung và động cơ diesel nói riêng.
Trên cơ sở đó đã nghiên cứu các giải pháp giảm phát thải NOX cho động
Chƣơng 2. LỰA CHỌN GIẢI PHÁP GIẢM PHÁT THẢI NOX 2.1. Đối tƣợng nghiên cứu
Động cơ D1146TI đƣợc lựa chọn làm đối tƣợng nghiên cứu bởi vì đây là động cơ diesel tăng áp b ng tuabin - máy nén có làm mát khí trung gian, sử dụng hệ thống cung cấp nhiên liệu truyền thống, đây cũng là loại động cơ diesel lắp phổ biến trên các xe bus, xe khách đang lƣu hành ở TP. Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh và các tỉnh lân cận, là một trong những thủ phạm chính gây ra tình trạng ơ nhiễm mơi trƣờng tại các đô thị một cách nghiêm trọng.
2.2. Thực trạng phát thải của động cơ D1146TI
Song song với q trình phát triển cơng nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nƣớc là q trình đơ thị hóa và cơ giới hóa các phƣơng tiện giao thơng vận tải. Số lƣợng phƣơng tiện cơ giới tăng nhanh đ c biệt là ở các thành phố lớn đã dẫn đến nguy cơ ơ nhiễm khơng khí ngày một n ng nề.
Vấn đề ơ nhiễm khơng khí tại các trục giao thông và khu vực dân cƣ xung quanh đƣờng giao thông chủ yếu là do khí thải các loại xe cơ giới, đ c biệt các xe bus lƣu hành ở Việt Nam đang bị xuống cấp nghiêm trọng về tình trạng kỹ thuật do đó lƣợng phát thải độc hại ngày càng lớn, gây tác động trực tiếp đến môi trƣờng và sức khỏe con ngƣời. Bên cạnh đó thì cơng tác quản lý và chế tài xử phạt đối với các xe vi phạm về nồng độ khí thải hạn chế. Do vậy, ô nhiễm môi trƣờng từ phát thải của các phƣơng tiện xe cơ giới đang là một bài tốn khó đối với các chuyên gia và các nhà chức trách.
M t khác yêu cầu về phát thải của các loại ô tô sử dụng động cơ diesel ra môi trƣờng ngày càng khắt khe, hơn nữa trên cơ sở tham khảo kết quả nghiên cứu của các cơng trình nghiên cứu trƣớc về động cơ lắp trên xe bus lƣu hành ở các thành phố lớn của Việt Nam thì việc đƣa ra các biện pháp giảm phát thải độc hại cho động cơ xe bus rất là một vấn đề hết sức cần thiết. Trong nội dung của luận văn, tác giả
chỉ tập trung nghiên cứu giải pháp giảm phát thải NOX có trong khí thải của động cơ
M c dù đã đƣợc cải tiến nâng cấp rất nhiều, tuy nhiên lƣợng phát thải NOx, PM, HC và CO từ động cơ diesel nói chung và động cơ D1146TI lắp trên xe bus nói riêng rất độc hại và ngày một n ng nề hơn. Điều này đƣợc thể hiện b ng kết quả đo mức phát thải của động cơ nguyên bản nói trên khi chƣa có hệ thống EGR nhƣ quan sát thấy trên Hình 2.1
Hình 2.1. Khí thải độc hại từ xe bus
2.3. Lựa chọn giải pháp giảm phát thải cho động cơ D1146TI 2.3.1. Các phƣơng pháp luân hồi khí thải 2.3.1. Các phƣơng pháp luân hồi khí thải
2.3.1.1. Luân hồi tức thời
Luân hồi tức thời nhƣ thể hiện
trên Hình 2.2 là biện pháp cho khí
luân hồi đƣợc trở lại ngay trƣớc xupáp nạp. Bộ trao đổi nhiệt có nhiệm vụ làm và dự trữ khí luân hồi đƣợc đ t phía trƣớc van luân hồi. Khí ln hồi có thể đƣợc lấy ở vị trí trƣớc tuabin nhƣ ở trƣờng hợp hệ thống luân hồi áp suất cao.
Trƣờng hợp khí luân hồi lấy ở vị trí
sau tuabin nhƣ ở hệ thống luân hồi áp suất thấp thì phải sử dụng thêm máy nén để tăng áp suất cao hơn trên đƣờng nạp.
Khí đến từ van EGR Đƣờng nạp Các cực điện Van điện tử
Hình 2.2. Hệ thống luân hồi tức thời [12]
XP nạp Lò xo
Bộ trao đổi nhiệt
2.3.1.2. Luân hồi nội tại (Luân hồi xung)
Luân hồi nội tại nhƣ thể hiện trên Hình 2.3 là phƣơng pháp sử dụng cách thay đổi hành trình đóng mở xupáp để thay đổi góc trùng điệp của xupáp. Trong giai đoạn trùng điệp, do chênh lệch áp suất nên một lƣợng sản vật cháy trong xilanh sẽ đi vào đƣờng nạp, sau đó trong q trình nạp trở lại xilanh. Hiện tại phƣơng pháp này đƣợc áp dụng trong các hệ thống Valvetronic của BMW, VVT.i của Toyota hay Mi.VEC của Mitshubishi. Tuy nhiên, do góc trùng điệp của xupáp không thể mở
rộng quá lớn nên phƣơng pháp này có rất nhiều hạn chế trong việc giảm NOX và
giảm CmHn
2.3.1.3. Hệ thống luân hồi lai
Hệ thống luân hồi lai nhƣ thể hiện trên Hình 2.4 đƣợc sử dụng ở các động cơ tăng áp b ng tuabin.máy nén có sử dụng van xả trên tuabin để giảm bớt năng lƣợng trong khí xả ở những điều kiện tải lớn. Trong hệ thống này, khí luân hồi đƣợc lấy ở phía trƣớc
Khí nạp Khí thải Làm mát khí nạp Làm mát khí luân hồi Van EGR Máy nén Tuabin Bộ lọc PM Đƣ ờng nạ p Đƣ ờng thải
Hình 2.4. Hệ thống luân hồi lai [13]
Đƣờng thải Bộ trao đổi nhiệt Cam thải Vấu cam phụ cho van EGR Xupáp thải XP nạp Đƣờng nạp Khí nạp Khí thải
tuabin nhƣ trong hệ thống luân hồi áp suất cao và đƣa về phía trƣớc máy nén nhƣ ở hệ thống luân hồi áp suất thấp.
M c dù hệ thống này có những nhƣợc điểm của hệ thống luân hồi áp suất thấp nhƣng tạo ra độ chênh lệch áp suất giữa đƣờng thải và đƣờng nạp lớn mà không cần phải lắp thêm bơm hay các thiết bị tăng áp suất đƣờng thải. Do đó tỷ lệ luân hồi có
thể lớn làm tăng hiệu quả giảm NOX.
2.3.2. Các cụm chi tiết chính trong hệ thống luân hồi khí thải
Hệ thống luân hồi khí thải gồm các cụm chi tiết chính sau: van luân hồi (van EGR), két làm mát khí luân hồi, các đƣờng ống dẫn khí ln hồi. Ngồi ra, một số hệ thống luân hồi có sử dụng ống venturi ho c bơm khí luân hồi.
2.3.2.1. Van luân hồi khí thải (van EGR)
Dựa vào cấu tạo, van luân hồi chia làm 2 loại: van chân không và van điện. - Van luân hồi điều khiển b ng chân
khơng, tín hiệu điện từ bộ phận điều khiển EC đƣợc chuyển thành tín hiệu chân khơng nhờ bộ chuyển đổi điện khí. Trong mơi trƣờng chân khơng đƣợc tạo ra bởi bơm chân khơng, van đƣợc điều khiển đến vị trí cần thiết. Nhƣợc điểm của van chân khơng là có độ trễ trong khi đóng mở van.
- Van điều khiển b ng điện hoạt động
nhờ cuộn từ ho c động cơ bƣớc. Tín hiệu từ bộ phận điều khiển ECM đƣợc gửi đến bộ phận điều khiển b ng điện của van luân hồi. Bộ phận ECM thu nhận các tín hiệu nhƣ tốc độ, chế độ tải, vị trí bƣớm ga, nhiệt độ khí nạp... để gửi tín hiệu để điều khiển van luân hồi. Một số trƣờng hợp sử dụng tín hiệu từ cảm biến đo lƣu lƣợng khí nạp để kiểm tra vị trí của van luân hồi có phù hợp khơng. Thơng thƣờng hệ thống luân hồi không cần thêm cảm biến mà sử dụng các tín hiệu từ cảm biến sẵn có trên động cơ.
Hình 2.5. Van ln hồi khí thải
Van luân hồi thƣờng là chi tiết riêng rẽ nhƣng cũng có thể đƣợc thiết kế cùng với các chi tiết khác của động cơ nhƣ đƣờng ống nạp đƣợc thể hiện trên Hình 2.5.
2.3.2.2. Két làm mát khí luân hồi
Két làm mát khí luân hồi nhƣ thể hiện trên Hình 2.6 giúp tăng khả năng hấp thụ nhiệt trong quá trình cháy nên tăng đƣợc hiệu quả giảm
NOX vì lƣợng nhiệt này tỷ lệ với
lƣợng khí luân hồi, nhiệt dung riêng và chênh lệch giữa nhiệt độ q
trình cháy và khí ln hồi. Khí ln hồi đƣợc làm mát chiếm thể tích nhỏ hơn trong mơi chất nạp, nhờ đó lƣợng ơxy nhiều hơn đảm bảo hiệu suất của quá trình cháy cao hơn. Két làm mát thƣờng gồm các ống và vỏ két trong đó khí ln hồi chảy trong ống và chất làm mát bao quanh ống.
Két làm mát cũng có nhiều kết cấu khác nhau với mục tiêu tạo diện tích trao đổi nhiệt lớn nhất với thể tích nhỏ nhất của két.
2.3.2.3. Đường ống dẫn khí luân hồi
Các đƣờng ống trong hệ thống luân hồi có nhiệm vụ dẫn khí ln hồi và nƣớc làm mát trong hệ thống luân hồi khí thải, đảm bảo tổn thất khí luân hồi ít nhất.
Các đƣờng ống của hệ thống đƣợc bố trí nhƣ trên Hình 2.7
Hình 2.7. Bố trí các đường ống dẫn khí trong hệ thống luân hồi
V ỏ lắp b ộ lọc D O C +D P F Hình 2.6. Két làm mát khí luân hồi
2.4. Lựa chọn van EGR 2.4.1. Đ c điểm của van EGR 2.4.1. Đ c điểm của van EGR
Van EGR luôn làm việc trong điều kiện nhiệt nhiệt độ cao do phải thƣờng xuyên phải tiếp xúc với dịng khí thải từ động cơ ra, m t khác động cơ D1146TI lắp trên xe buýt có phạm vi làm việc khá rộng cả về tốc độ và tải. Chính vì vậy việc điều khiển van EGR địi hỏi phải phù hợp với từng chế độ làm việc của động cơ nhƣng đồng thời vẫn phải đảm bảo đƣợc lƣu lƣợng khí luân hồi qua hệ thống, giảm đƣợc nồng độ NOX có trong phát thải động cơ ra môi trƣờng.
2.4.2. Phân loại van EGR
Van luân hồi EGR đƣợc sử dụng trong hệ thống luân hồi thƣờng là van điều khiển b ng cơ khí, điều khiển b ng tín hiệu chân khơng ho c có van điều khiển b ng điện từ... Dựa vào đ c điểm cấu tạo và cách điều khiển, van EGR gồm 2 loại sau:
2.4.2.1. Van EGR điều khiển cơ khí
Loại van EGR điểu khiển cơ khí nhƣ trên Hình 2.8 có kết cấu đơn giản, có thể điều chỉnh lƣợng khí thải luân hồi về đƣờng nạp một cách dễ dàng. Nhƣng việc thay