Tỷ lệ ln hồi cịn đƣợc tính theo nồng độ CO2 do Baert năm 1999 [14]:
%EGR =
CO xanap CO đuongxađuongnap CO CO 2 2 2 2 (1.3)
Tỷ lệ ln hồi cịn đƣợc tính theo nồng độ khối lƣợng khơng khí Wanger.C và Multan [12] đƣa ra:
Khí nạp
Cảm biến lƣu lƣợng
Van EGR
%EGR = ' ' ' IP AC IP AC L L T P T P M M (1.4) Trong đó: ' L
M : Khối lƣợng khơng khí nạp có khí ln hồi.
ML : Khối lƣợng khí nạp khơng ln hồi.
'
AC
P : Áp suất khí nạp có khí ln hồi.
PAC: Áp suất khí nạp khí nạp khơng ln hồi.
T'IP: Nhiệt độ tại cửa nạp có khí ln hồi.
TIP: Nhiệt độ tại cửa nạp không luân hồi.
Biện pháp luân hồi khí thải cắt giảm được nồng độ NOX là do:
- Kéo dài đƣợc thời gian cháy trong xilanh động cơ. - Tăng nhiệt dung riêng.
- Làm lỗng khí nạp b ng khí trơ (chủ yếu là CO2).
Tại chế độ tải cao, không nên thực hiện ln hồi khí thải vì sẽ làm giảm quá trình cháy dẫn đến làm tăng nhanh lƣợng khói và PM.
Tại chế độ tải thấp, thành phần CmHn
chƣa cháy trong khí luân hồi nên sẽ đƣợc đƣa trở lại hịa trộn với khí nạp, do đó sẽ tăng hiệu suất nhiệt. Một phần khí luân hồi trở lại đƣờng nạp sẽ ảnh hƣởng đến quá trình cháy và thành
phần khí thải. Hình 1.11. Ảnh hưởng của luân hồi
khí xả đến lượng phát thải NOX [12]:
Kỹ thuật luân hồi là phƣơng pháp kinh tế để giảm NOX nhƣng lại làm tăng
lƣợng bồ hóng, CO và CmHn trong khí thải. Nhiều nghiên cứu đƣợc thực hiện đều
cho kết quả: với hơn 50% khí ln hồi thì PM tăng một cách nhanh chóng. Sự thay
đổi nồng độ O2 sẽ làm thay đổi cấu trúc của ngọn lửa cháy và thay đổi thời gian
cháy. Nhƣ vậy ta thấy giảm nhiệt độ cháy là yếu tố chính ảnh hƣởng đến sự hình
Trên Hình 1.11 cho thấy sự giảm NOX tại các chế độ khác nhau, ta thấy khi thực hiện ln hồi khí thải trên động cơ diesel thì:
- Tăng lƣợng bồ hóng, tăng lƣợng PM bán vào thành trong xilanh.
- Khi các chi tiết của động cơ tiếp xúc với nhau tại tốc độ cao có thể dẫn đến trầy xƣớc do các phần tử rắn gây ra, thành vách xilanh bị phá hủy do khả năng bôi trơn kém, dầu bị trộn lẫn với các thành phần từ bồ hóng của khí ln hồi.
Yếu tố quan trọng nhất để giảm NOX là làm giảm nhiệt độ lớn nhất của quá
trình cháy trong xilanh. Tại vì:
- Khối lƣợng thành phần ơxy trong khí nạp mới giảm xuống và bị thay thế bởi các loại khí trơ trong khí thải luân hồi cho nên nhiệt độ cháy cục bộ trên màng lửa giảm, các loại khí trơ thay thế ơxy sẽ hấp thụ nhiệt của quá trình cháy nên cũng làm giảm nhiệt độ cháy.
- Khí luân hồi gồm chủ yếu là CO2 và H2O và có nhiệt dung riêng cao hơn
khơng khí nên làm tăng nhiệt dung riêng trung bình của mơi chất nạp, tăng khả năng hấp thu nhiệt của màng lửa và làm giảm nhiệt độ cháy và làm tăng khối lƣợng môi chất nạp vào xilanh. Do đó lƣợng nhiệt hấp thụ của các chất không tham gia phản ứng cháy tăng lên. Mức độ tăng lƣợng nhiệt hấp thụ đƣợc xác định theo công thức: cháy EGR p T T C m Q 0. (1.5) Trong đó: Q : Mức tăng lƣợng nhiệt hấp thụ.
m0 : Mức tăng khối lƣợng môi chất nạp vào trong xilanh.
Cp : Nhiệt dung riêng đẳng áp trung bình của mơi chất trong xilanh.
Tcháy : Nhiệt độ q trình cháy.
EGR
T : Nhiệt độ khí ln hồi.
- Khi làm mát khí ln hồi thì TEGR giảm sẽ làm tăng nhiệt độ chênh lệch nhiệt
độ, tăng khả năng hấp thụ nhiệt và giảm NOX. Các khí có nhiệt dung riêng cao có
Trên Hình 1.12 thể hiện ảnh hƣởng của các loại khí khác nhau pha vào môi chất nạp ảnh hƣởng
tới hiệu quả giảm phát thải NOX.
- Một số chất khí trong khí luân hồi tham gia vào các phản ứng hóa học thu nhiệt trong quá
trình cháy (nhƣ phân ly CO2, H2O)
cũng làm giảm nhiệt độ cháy.
Hình 1.12. Ảnh hưởng của các loại khí
đến hiệu quả giảm NOX [12]:
1.3.2. Luân hồi khí thải trên động cơ diesel tăng áp
Động cơ diesel tăng áp dùng trên xe tải hạng n ng thƣờng luân hồi b ng cách lợi dụng sự chênh lệch áp suất giữa dịng khí vào tuabin và dịng khí tăng áp ra khỏi máy nén trong bộ tuabin tăng áp (thƣờng sử dụng hệ thống luân hồi áp suất cao). Phƣơng pháp này cần áp suất của dịng khí vào trƣớc tuabin (∆Ptuabin) cao hơn áp
suất dịng khí ra khỏi máy nén (∆Pta), tức là:
0 P Ptuabin Pta (1.6)
Động cơ tăng áp của xe tải n ng thì điều kiện ∆P > 0 đƣợc giới hạn ở vùng tải nhỏ, trong xilanh ở vùng tải cao ∆P < 0 và ln hồi khí thải khơng thể thực hiện đƣợc. Một số phƣơng pháp đã thành công trong việc đƣa ∆P > 0 b ng cách đ t van tiết lƣu trên đƣờng thải ho c bộ tăng áp để có thể điều chỉnh kích thƣớc hình học VGT, một số hệ thống khác lại giảm áp suất tăng áp để đạt đƣợc điều kiện ∆P > 0. Thực tế thƣờng áp dụng một số phƣơng án bố trí thiết bị trên hệ thống luân hồi khí thải nhƣ sau:
a. Dùng van tiết lưu trên đường thải
Trên Hình 1.13 cho thấy kết quả của áp suất và tỷ lệ khí luân hồi khi đƣợc
trang bị một van tiết lƣu trên đƣờng thải tại tốc độ trung bình dƣới chế độ tải lớn.
H iệu quả g iả m NO x ( %) Tỷ lệ trong môi chất nạp (%)
Van tiết lƣu đƣợc gắn ở phía đầu ra của tuabin sẽ làm tăng áp suất tại đây. Khi áp suất đầu ra tuabin thấp thì hệ thống luân hồi sẽ không hoạt động đƣợc do áp suất tăng áp vƣợt quá áp suất tuabin.
Do đó, làm hẹp lại độ mở van tiết lƣu sẽ làm tăng áp suất đầu ra của tuabin
nhƣ đồ thị trên Hình 1.13. Khi đó Ptuabin >
Pta và hệ thống luân hồi có thể hoạt động.
Nhƣng có thể làm giảm hệ số dƣ lƣợng khơng khí λ, có thể có khói đen.
Hình 1.13. Áp suất tuabin, tăng áp và tỷ
lệ luân hồi khi tăng áp suất ra tuabin [6]
Do đó, làm hẹp lại độ mở van tiết lƣu sẽ làm tăng áp suất đầu ra của tuabin
nhƣ đồ thị trên Hình 1.13. Khi đó Ptuabin > Pta và hệ thống luân hồi có thể hoạt động.
Nhƣng có thể làm giảm hệ số dƣ lƣợng khơng khí λ, có thể có khói đen.
b. Dùng bộ tăng áp VGT
Bộ tăng áp VGT đƣợc bố trí trên Hình 1.14. Kết quả sau khi dùng bộ VGT thể
hiện trên đồ thị Hình 1.15 và hình 1.16 cho thấy ở các vị trí khác nhau của cánh
hƣớng gió thì lƣu lƣợng khí luân hồi cũng thay đổi. Để tăng tỷ lệ khí ln hồi thì phải tăng độ mở của cánh hƣớng gió. Với bộ tăng áp VGT có thể đạt tỷ lệ luân hồi tối đa 20%.
Cả hai phƣơng pháp trên có thể thực hiện ln hồi khí thải ở chế độ tải lớn, nhƣng chúng làm tăng tổn thất bơm trong kỳ nạp và thải do làm việc trong điều kiện Ptuabin > Pta.
Vì vậy sẽ làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu, do đó chƣa đáp ứng đƣợc yêu cầu hiện nay với điều kiện nhiên liệu ngày càng khan hiếm và giá thành tăng cao.
Hình 1.14. Hệ thống luân hồi dùng bộ tăng áp VGT
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 luân 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 khơng 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 ln 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 ln 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 ln hồi áp suất cao. Chính vì vậy hệ thống luân 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 môi 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