Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực: Nghiên cứu giảm phát thải độc hại của xe máy bằng phương pháp sấy nóng bộ xử lý khí thải

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:175

Thêm vào BST

Báo xấu

19
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của Luận án nhằm đưa ra được giải pháp sấy nóng nhanh bộ xúc tác xe máy ở chế độ khởi động lạnh và chạy ấm máy để tăng hiệu quả xử lý khí thải của bộ xúc tác từ đó giảm phát thải độc hại của xe máy. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực: Nghiên cứu giảm phát thải độc hại của xe máy bằng phương pháp sấy nóng bộ xử lý khí thải

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI *** NGUYỄN KIM KỲ NGHIÊN CỨU GIẢM PHÁT THẢI ĐỘC HẠI CỦA XE MÁY BẰNG PHƯƠNG PHÁP SẤY NÓNG BỘ XỬ LÝ KHÍ THẢI Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Hoàng Đình Long UẤN HÀ NỘI – 2021
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác! Hà Nội, 6 tháng 6 năm 2021 Nghiên cứu sinh Nguyễn Kim Kỳ i
LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phòng Đào tạo, Viện Cơ khí Động lực và Bộ môn Động cơ đốt trong đã cho phép tôi thực hiện luận án tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Xin cảm ơn Phòng Đào tạo và Viện Cơ khí Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi làm luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Hoàng Đình Long đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ môn Động cơ đốt trong và Trung tâm nghiên cứu động cơ, nhiên liệu và khí thải - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành luận án này. Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Cao đẳng Công nghiệp và Thương mại, và các thầy trong Khoa Công nghệ ôtô đã hậu thuẫn và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu học tập. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng chấm luận án đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận án này và định hướng nghiên cứu trong tương lai. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và thực hiện công trình này. Nghiên cứu sinh Nguyễn Kim Kỳ ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN............................................................................................................. ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .............................................. vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................. xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ............................................................. xii MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 i. Mục đích nghiên cứu của đề tài ......................................................................... 1 ii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..................................................................... 1 iii. Nội dung nghiên cứu .......................................................................................... 2 iv. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................... 2 v. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn .............................................................. 2 vi. Các nội dung chính của đề tài ............................................................................ 2 CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN ............................................................ 3 1.1 Vấn đề phát thải độc hại của xe máy ................................................................. 3 1.1.1 Các thành phần phát thải độc hại của xe máy ................................................ 3 1.1.2 Đặc điểm phát thải trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy.............. 4 1.1.3 Hàm lượng phát thải của xe máy theo chu trình thử ..................................... 5 1.2 Các phương pháp kiểm soát phát thải của xe máy ............................................... 6 1.2.1 Kiểm soát phát thải từ bên trong động cơ ...................................................... 6 1.2.1.1 Điều chỉnh chính xác tỉ lệ không khí nhiên liệu ...................................... 6 1.2.1.2 Thiết kế hệ thống đánh lửa thích hợp...................................................... 8 1.2.1.3 Tối ưu kết cấu buồng cháy ...................................................................... 8 1.2.1.4 Luân hồi khí thải ..................................................................................... 8 1.2.1.5 Sử dụng nhiên liệu thay thế ..................................................................... 9 1.2.2 Xử lý khí thải sau cửa thải ........................................................................... 10 1.2.2.1 Đốt cháy CO và HC trên đường thải .................................................... 10 1.2.2.2 Trang bị BXT xử lý khí thải ................................................................... 11 1.3 Công nghệ tăng hiệu quả BXT trong quá trình khởi động lạnh ......................... 12 1.3.1 Đốt cháy CO, HC trong ống thải ................................................................. 12 1.3.1.1 Phun khí thứ cấp ................................................................................... 12 1.3.1.2 Đốt cháy khí thải (EGI) ......................................................................... 12 1.3.2 Cải tiến thiết kế BXT ................................................................................... 14 1.3.3 Tăng cường sấy nóng BXT bằng năng lượng khí thải ................................. 15 1.3.3.1 Quản lý nhiệt đường ống thải. .............................................................. 15 1.3.3.2 Điều khiển đánh lửa muộn .................................................................... 16 iii
1.3.4 Sấy nóng BXT bằng nguồn nhiệt bên ngoài ................................................ 16 1.3.4.1 Sử dụng buồng đốt bên ngoài ............................................................... 16 1.3.4.2 Sấy nóng BXT bằng năng lượng điện (EHC) ........................................ 17 1.4 Sấy nóng BXT bằng dòng điện cao tần .............................................................. 20 1.4.1 Cơ sở lý thuyết của việc đốt nóng bằng điện cao tần .................................. 20 1.4.2 Sấy nóng BXT bằng dòng điện cao tần ....................................................... 21 1.5 Hướng tiếp cận và nội dung nghiên cứu của đề tài ............................................ 23 1.6 Kết luận chương 1 .............................................................................................. 24 CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG NHIỆT ĐỘNG HỌC VÀ PHÁT THẢI ĐỘNG CƠ XE MÁY ............................................................................................... 25 2.1 Giới thiệu ............................................................................................................ 25 2.2 Mô tả mô hình .................................................................................................... 27 2.2.1 Mô hình đa vùng mô phỏng diễn biến nhiệt động trong xylanh .................. 27 2.2.1.1 Giới thiệu............................................................................................... 27 2.2.1.2 Phương trình chính ............................................................................... 28 2.2.1.3 Phương trình mô hình hóa tổng thể ...................................................... 32 2.2.1.4 Truyền nhiệt và sấy nóng động cơ ........................................................ 35 2.2.1.5 Lưu lượng và nhiệt độ khí thải .............................................................. 38 2.2.2 Mô hình hóa sự phát thải ôxit nitơ từ động cơ ............................................ 39 2.2.3 Mô hình tính toán phát thải HC của động cơ ............................................... 40 2.2.3.1 Nguồn HC ban đầu ............................................................................... 41 2.2.3.2 Sự ôxy hoá HC phía sau màng lửa........................................................ 44 2.2.4 Mô hình tính toán phát thải CO của động cơ ............................................... 45 2.3 Kết quả mô phỏng .............................................................................................. 45 2.3.1 Hiệu chỉnh mô hình...................................................................................... 46 2.3.2 Áp suất và nhiệt độ khí thể trong xylanh ..................................................... 47 2.3.3 Nhiệt độ, lưu lượng và năng lượng dòng khí thải ........................................ 48 2.3.4 Nồng độ phát thải CO, HC và NO ............................................................... 52 2.4 Kết luận chương 2 .............................................................................................. 54 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG HỆ THỐNG THẢI CÓ TRANG BỊ BXT ĐƯỢC SẤY NÓNG BẰNG DÒNG CAO TẦN ..................................................... 56 3.1 Giới thiệu ............................................................................................................ 56 3.2 Mô hình truyền nhiệt của hệ thống thải .............................................................. 57 3.2.1 Truyền nhiệt trong ống thải ......................................................................... 58 3.2.1.1 Bề mặt truyền nhiệt ướt ......................................................................... 60 3.2.1.2 Bề mặt truyền nhiệt khô ........................................................................ 60 3.2.2 Truyền nhiệt từ bề mặt ống thải tới môi trường .......................................... 61 3.2.2.1 Truyền nhiệt từ bề mặt ống thải tới môi trường do quá trình đối lưu .. 61 iv
3.2.2.2 Truyền nhiệt từ bề mặt ống thải tới môi trường do quá trình bức xạ ... 62 3.3 Tính toán công suất sấy nóng BXT bằng dòng điện cao tần .............................. 62 3.4 Mô hình trung hòa khí thải trong BXT có sấy nóng bằng dòng điện cao tần .... 66 3.4.1 Giới thiệu ..................................................................................................... 66 3.4.2 Mô tả mô hình .............................................................................................. 68 3.4.2.1 Các phản ứng hóa học .......................................................................... 68 3.4.2.2 Biểu thức động học phản ứng ............................................................... 68 3.4.2.3 Cơ sở chuyển đổi xúc tác ...................................................................... 70 3.4.2.4 Hệ số trao đổi nhiệt và trao đổi chất. ................................................... 74 3.4.2.5 Phương pháp giải mô hình .................................................................... 75 3.5 Kết quả mô phỏng .............................................................................................. 76 3.5.1 Nhiệt độ khí thải và BXT ............................................................................. 77 3.5.2 Hàm lượng các chất độc hại phía trước và sau BXT ................................... 85 3.6 Kết luận chương 3. ............................................................................................. 97 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM...................................................... 98 4.1 Mục đích thí nghiệm ........................................................................................... 98 4.2 Trang thiết bị phục vụ thí nghiệm ...................................................................... 98 4.2.1 Băng thử xe máy CD20 (Chassis dynamometer 20’’) ................................. 98 4.2.1.1 Giới thiệu............................................................................................... 98 4.2.1.2 Sơ đồ hệ thống ....................................................................................... 99 4.2.2 Tủ phân tích khí thải CEBII và các bộ phân tích ....................................... 100 4.2.2.1 Nguyên lý làm việc của bộ phân tích CO ............................................ 100 4.2.2.2 Nguyên lý làm việc của bộ phân tích NO và NOx ............................... 100 4.2.2.3 Nguyên lý làm việc của hệ thống đo CnHm.......................................... 102 4.2.3 Thiết bị đo nhiệt độ: ................................................................................... 103 4.2.4 Đo lưu lượng khí thải: ................................................................................ 104 4.3 Đối tượng, nhiên liệu và chế độ thử ................................................................. 104 4.3.1 Đối tượng thử nghiệm: ............................................................................... 104 4.3.2 Nhiên liệu thử nghiệm ............................................................................... 105 4.3.3 Chế độ thử nghiệm ..................................................................................... 106 4.4 Sơ đồ bố trí thí nghiệm ..................................................................................... 106 4.5 Kết quả thực nghiệm ........................................................................................ 109 4.6 Kết luận chương 4 ............................................................................................ 118 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................................. 119 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 120 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ........................... 126 PHỤ LỤC ................................................................................................................... 1 PHỤ LỤC 1 CÁC SỐ LIỆU PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU .......................................... 1 v
Phụ lục 1.1. Thông số cơ bản của động cơ lắp trên xe Honda Lead 110............... 1 Phụ lục 1.2. Thông số cơ bản của đường ống thải trên xe Honda Lead 110 ......... 1 Phụ lục 1.3. Thông số cơ bản của BXT .................................................................. 1 PHỤ LỤC 2 CÁC SỐ LIỆU KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .............................................. 3 Phụ lục 2.1. Kết quả tính toán mô phỏng áp suất và nhiệt độ khí thể trong xylanh ở các chế độ không tải chuẩn 1730 v/p, không tải nhanh 2500 v/p, 10% tải 2500 v/p sau 300” từ lúc khởi động lạnh và toàn tải ổn định ở 7500v/p ......................... 3 Phụ lục 2.2. Kết quả tính toán mô phỏng nhiệt độ khí thải tại cửa thải, lưu lượng khí thải, năng lượng khí thải ở các chế độ khởi động lạnh không tải chuẩn 1730 v/p, không tải nhanh 2500 v/p, 10% tải 2500v/p .................................................... 6 Phụ lục 2.3. Kết quả tính toán mô phỏng hàm lượng phát thải CO, HC, NOx ở các chế độ khởi động lạnh không tải chuẩn 1730 v/p, không tải nhanh 2500 v/p, 10% tải 2500v/p .............................................................................................................. 7 Phụ lục 2.4. Kết quả tính mô phỏng nhiệt độ khí thải dọc ống thải từ cửa thải ở các chế độ ...................................................................................................................... 8 Phụ lục 2.5. Nhiệt độ khí thải tại cửa vào BXT ở các chế độ khởi động lạnh ....... 9 Phụ lục 2.6. Nhiệt độ BXT ở các chế độ khởi động lạnh và sấy khác nhau ......... 11 Phụ lục 2.7. Hiệu quả trung hòa khí thải khi không sấy và sấy 30”, 400W ......... 15 Phụ lục 2.8. Hiệu quả trung hòa HC ở các chế độ khởi động và sấy BXT .......... 23 PHỤ LỤC 3 CÁC SỐ LIỆU KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ..................................... 28 Phụ lục 3.1 Lưu lượng và nhiệt độ khí thải tại cửa thải và tại cửa vào BXT ....... 28 Phụ lục 3.2 Thành phần khí thải của động cơ ở các chế độ khởi động lạnh ........ 29 Phụ lục 3.3 Nhiệt độ lõi BXT và thành phần khí thải sau BXT ở chế độ khởi động lạnh không tải nhanh – không sấy ........................................................................ 30 Phụ lục 3.4 Nhiệt độ lõi BXT và thành phần khí thải sau BXT ở chế độ khởi động lạnh không tải nhanh – sấy 30”, 400W ................................................................. 32 vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Thuật ngữ Diễn giải A Diện tích (m2) C Nồng độ khí theo thể tích (%) Cl Hệ số lọt khí (1/s) Cw Khối lượng nước (kg) cm Tốc độ trung bình của piston (m/s) cgv Hàm lượng hơi của khí thải (kg/m3) csv Hàm lượng hơi bão hòa của khí thải (kg/m3) c, cp Nhiệt dung riêng đẳng áp của chất khí (J/kg/K) Dj Độ khuếch tán của khí j (m2/s) d Đường kính thủy lực của lỗ BXT (m) d1 Đường kính trong của ống thải (m) d2 Đường kính ngoài của ống thải (m) f Hệ số ma sát g Gia tốc trọng trường (9.81 m/s2) H Hằng số Henry h Entanpi của khí (kJ/kg), hệ số truyền nhiệt hfg Nhiệt ẩn hóa hơi (kJ/kg) k Hệ số dẫn nhiệt (W/m/K) kj Hệ số động học phản ứng (mol.K/m2/s) Kj Hằng số cân bằng hấp thụ M Khối lượng phân tử (kg/mol) m Khối lượng (kg), . m Lưu lượng khí thải (kg/s) Nu Chỉ số Nusselt NTU Đơn vị trao đổi ncyl Số xylanh p áp suất (N/m2) Pr Chỉ số Prandtl vii
pw Chu vi ướt (m) Q Nhiệt lượng (kJ) q Mật độ dòng nhiệt (w/m2) R Hằng số chất khí (8314J/kg/K), Tỉ lệ phản ứng Re Chỉ số Reynolds λ Tỉ số giữa bán kính quay trục khuỷu và chiều dài thanh truyền S Diện tích bề mặt hình học trên một đơn vị thể tích BXT (m2/m3) Scat Diện tích bề mặt xúc tác trên một đơn vị thể tích BXT (m2/m3) s entropy của khí (kJ/kg/K) T Nhiệt độ (K) t Thời gian (s) U Hệ số truyền nhiệt tổng thể cho các xéc măng và mép piston u Vận tốc khí theo phương dọc trục (m/s), V, Vc, V1, V2 Thể tích  Thể tích riêng (m3/kg) X f , Phần mol của nhiên liệu trong lớp dầu x Tọa độ theo phương hướng trục của hệ thống thải Yf Phần khối lượng của nhiên liệu trong lớp dầu yf Phần mol của nhiên liệu trong khí  Nhiệt năng tỏa ra (J/mol) Ký tự Diễn giải  Độ dẫn nhiệt (m2/s)  Hệ số giãn nở do nhiệt (1/K)  Độ nhớt động lực học (kg/ms)  Độ nhớt động học (m2/s)  Khối lượng riêng (kg/m3)  Độ ẩm tương đối  Hệ số Stefan-Boltzmann (5.67´10-8 W/m2K4)  chiều dày thành (m), e Tỉ số nén q Góc quay trục khuỷu ( °CA) viii
 Vận tốc góc của trục khuỷu (rad/s) ΔΦ Biến thiên của từ thông Các chỉ số Diễn giải a Môi trường xung quanh b Khí cháy, thời gian đốt cháy bl Xylanh blc Từ xylanh đến nước làm mát conden Ngưng tụ con Thanh truyền cva Đối lưu với môi trường xung quanh cyl Xylanh evo Góc mở sớm xupap thải evc Góc đóng muộn xupap thải g Khí gp Khí tới ống h Nắp máy hdc Từ nắp máy đến nước làm mát ip Bề mặt trong của ống ivc Đóng xupap nạp gp, cv Đối lưu giữa khí thải và bề mặt ống, thành l Lọt khí, ống lót xylanh op Bề mặt ngoài của ống p Bề mặt ống, piston port Cửa thải sat Bão hòa u Khí chưa cháy w Thành BXT Viết tắt Diễn giải CHK Chế hòa khí PXĐT Phun xăng điện tử NLSH Nhiên liệu sinh học LPG Nhiên liệu khí hóa lỏng ix
AIS Hệ thống đốt cháy CO, HC trên đường thải CO Cacbon monoxit ECE Ủy ban Kinh tế Liên hợp quốc về Châu Âu EGI Đánh lửa khí thải CTM Hệ thống quản lý nhiệt độ bộ xúc tác EHC Sấy nóng BXT bằng điện EMS Quản lý nhiệt động cơ HC Hydrocacbon không cháy LEV Phương tiện phát thải thấp NOx Các ôxít nitơ NO Nitơ monoxit SI Động cơ đánh lửa cưỡng bức BXT Bộ xúc tác ULEV Phương tiện phát thải rất thấp x
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tỉ lệ các chất ô nhiễm trong khí thải động cơ xăng [2] ......................................... 4 Bảng 1.2 Hàm lượng phát thải khi khởi động lạnh và khởi động nóng [3] .......................... 5 Bảng 1.3 Giới hạn lớn nhất cho phép của các chất gây ô nhiễm trong khí thải theo TCVN6438:2018 .................................................................................................................... 5 Bảng 1.4 Phát thải độc hại theo chu trình thử ECE khi khởi động lạnh [4] ......................... 6 Bảng 1.5 Hàm lượng phát thải theo chu trình thử [3] .......................................................... 6 Bảng 1.6 Phát thải của xe CHK và xe PXDT theo chu trình thử ECE [4] ............................ 7 Bảng 1.7 So sánh các tính chất của NLSH với nhiên liệu dầu mỏ ........................................ 9 Bảng 2.1 Một số thông số của động cơ 110 lắp trên xe Honda Lead ................................. 26 Bảng 3.1 Các thông số kết cấu của đường ống thải xe Honda Lead 110 ........................... 58 Bảng 3.2 Các thông số của BXT .......................................................................................... 63 Bảng 3.3 Các chiến lược sấy nóng khác nhau..................................................................... 65 Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật của động cơ thử nghiệm ....................................................... 105 Bảng 4.2 Các thông số kỹ thuật của xăng A95 .................................................................. 105 Bảng 4.3 Hàm số tốc độ động cơ ở các chế độ khởi động lạnh xác định từ số liệu thực nghiệm ............................................................................................................................... 110 xi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống luân hồi khí thải .................................................................. 8 Hình 1.2 Phát thải độc hại của động cơ chạy xăng và E10 [9] ................................. 9 Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống xử lý khí thải nhờ cấp khí vào cửa thải. ........................... 10 Hình 1.4 Sơ đồ hệ thống đốt khí thải EGI [19] ........................................................ 13 Hình 1.5 Ảnh hưởng của mật độ lỗ đến hiệu quả xử lý của BXT [26]. .................... 14 Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý sấy nóng bộ xúc tác bằng năng lượng điện sử dụng nhiệt điện trở...................................................................................................................... 17 Hình 1.7 Hiệu quả sấy nóng BXT với các chiến lược sấy nóng khác nhau [45] ..... 19 Hình 1.8 Sơ đồ ống thải lắp BXT.............................................................................. 21 Hình 1.9 Sơ đồ mạch biến tần, biến dòng 1 chiều thành dòng xoay chiều tần số cao .................................................................................................................................. 22 Hình 1.10 Lõi BXT bằng Ceramic trộn hạt kim loại sử dụng sấy nóng bằng dòng cao tần ...................................................................................................................... 23 Hình 2.1 Sơ đồ bố trí động cơ - ống thải – bộ xúc tác ............................................. 25 Hình 2.2 Hệ thống nhiệt động học hở của buồng đốt .............................................. 28 Hình 2.3 Sơ đồ truyền nhiệt trong động cơ .............................................................. 35 Hình 2.4 Sơ đồ các vùng của lớp dầu bôi trơn ............................................................. Hình 2.5 Áp suất và nhiệt độ của khí thể trong xylanh động cơ .............................. 47 Hình 2.6 Nhiệt độ, lưu lượng và năng lượng khí thải tại cửa thải động cơ ở chế độ không tải chuẩn ........................................................................................................ 48 Hình 2.7 Nhiệt độ, lưu lượng và năng lượng khí thải tại cửa thải động cơ ở chế độ không tải nhanh ........................................................................................................ 49 Hình 2.8 Nhiệt độ, lưu lượng và năng lượng khí thải tại cửa thải động cơ ở chế độ 10% tải. ..................................................................................................................... 49 Hình 2.9 Nhiệt độ, lưu lượng và năng lượng khí thải tại cửa thải động cơ ở các chế độ ổn định khác nhau ............................................................................................... 50 Hình 2.10 Hàm lượng phát thải CO, HC, NOx của động cơ ở chế độ không tải chuẩn. ....................................................................................................................... 52 Hình 2.11 Hàm lượng phát thải CO, HC, NOx của động cơ ở chế độ không tải nhanh ........................................................................................................................ 53 Hình 2.12 Hàm lượng phát thải CO, HC, NOx của động cơ ở chế độ 10% tải ....... 53 Hình 2.13 Hàm lượng phát thải CO, HC, NO của động cơ ở các chế độ chạy ổn định ........................................................................................................................... 54 Hình 3.1 Sơ đồ bố trí BXT trên đường thải của xe máy ........................................... 56 Hình 3.2 Sơ đồ truyền nhiệt trên đường ống thải ..................................................... 58 Hình 3.3 Mô hình truyền nhiệt trong lỗ của BXT ......................................................... Hình 3.4 Phân bố nhiệt độ khí thải trên đường thải ở các chế độ làm việc ổn định 77 Hình 3.5 Nhiệt độ khí thải trên đường thải sau khởi động ở các thời điểm khác nhau với chế độ không tải chuẩn ....................................................................................... 79 Hình 3.6 Nhiệt độ khí thải trên đường thải sau khởi động ở các thời điểm khác nhau với chế độ không tải nhanh....................................................................................... 79 Hình 3.7 Nhiệt độ khí thải trên đường thải sau khởi động ở các thời điểm khác nhau với chế độ 10% tải 2500v/p ...................................................................................... 80 xii
Hình 3.8 Nhiệt độ khí thải tại cửa thải và trước BXT ở các chế độ khác nhau từ khi khởi động lạnh .......................................................................................................... 80 Hình 3.9 Nhiệt độ khí thải đầu vào và nhiệt độ BXT trong giai đoạn khởi động lạnh .................................................................................................................................. 81 Hình 3.10 Nhiệt độ BXT ở các chế độ ổn định ......................................................... 82 Hình 3.11 Nhiệt độ lõi BXT ở chế độ không tải chuẩn với chiến lược sấy nóng 400W .................................................................................................................................. 82 Hình 3.12 Nhiệt độ lõi BXT ở chế độ không tải chuẩn với chiến lược sấy nóng 200W .................................................................................................................................. 83 Hình 3.13 Nhiệt độ lõi BXT ở chế độ không tải nhanh với chiến lược sấy nóng 400W .................................................................................................................................. 83 Hình 3.14 Nhiệt độ lõi BXT ở chế độ không tải nhanh với chiến lược sấy nóng 200W .................................................................................................................................. 84 Hình 3.15 Nhiệt độ lõi BXT ở chế độ 10% tải với chiến lược sấy nóng 400W ....... 84 Hình 3.16 Nhiệt độ lõi BXT ở chế độ 10% tải với chiến lược sấy nóng 200W ........ 85 Hình 3.17 Hàm lượng các chất độc hại trong khí thải phía trước và sau BXT ở chế độ không tải chuẩn theo thời gian kể từ khi bắt đầu khởi động lạnh ....................... 86 Hình 3.18 Hàm lượng các chất độc hại trong khí thải phía trước và sau BXT ở chế độ không tải nhanh theo thời gian kể từ khi bắt đầu khởi động lạnh ....................... 86 Hình 3.19 Hàm lượng các chất độc hại trong khí thải phía trước và sau BXT ở chế độ 10% tải theo thời gian kể từ khi bắt đầu khởi động lạnh .................................... 87 Hình 3.20 So sánh hàm lượng phát thải CO trước và sau BXT ở các chế độ ổn định của động cơ............................................................................................................... 87 Hình 3.21 So sánh hàm lượng phát thải HC trước và sau BXT ở các chế độ ổn định của động cơ............................................................................................................... 88 Hình 3.22 So sánh hàm lượng phát thải NOx trước và sau BXT ở các chế độ ổn định của động cơ............................................................................................................... 88 Hình 3.23 Hàm lượng các chất độc hại trong khí thải phía trước và sau BXT ở chế độ không tải chuẩn sấy 400W, 30 giây ..................................................................... 89 Hình 3.24 Hàm lượng các chất độc hại trong khí thải phía trước và sau BXT ở chế độ không tải nhanh sấy 400W, 30 giây..................................................................... 89 Hình 3.25 Hàm lượng các chất độc hại trong khí thải phía trước và sau BXT ở chế độ 10% tải sấy 400W, 30 giây .................................................................................. 90 Hình 3.26 Hiệu quả xử lý của BXT ở chế độ không tải chuẩn khi chưa được sấy nóng bổ sung ...................................................................................................................... 90 Hình 3.27 Hiệu quả xử lý của BXT ở chế độ không tải nhanh khi chưa được sấy nóng bổ sung ...................................................................................................................... 91 Hình 3.28 Hiệu quả xử lý của BXT ở chế độ 10% tải khi chưa được sấy nóng bổ sung .................................................................................................................................. 91 Hình 3.29 Hiệu quả trung hòa khí thải của BXT ở các chế độ ổn định của động cơ .................................................................................................................................. 92 Hình 3.30 Hiệu quả trung hòa khí thải của BXT ở chế độ không tải chuẩn khi sấy 400W, 30 giây ....................................................................................................................... 92 Hình 3.31 Hiệu quả trung hòa khí thải của BXT ở chế độ không tải nhanh khi sấy 400W, 30 giây ....................................................................................................................... 93 xiii
Hình 3.32 Hiệu quả trung hòa khí thải của BXT ở chế độ 10% tải khi sấy 400W, 30 giây .................................................................................................................................. 93 Hình 3.33 Hiệu quả trung hòa HC ở chế độ không tải chuẩn với chiến lược sấy nóng 400W ................................................................................................................ 94 Hình 3.34 Hiệu quả trung hòa HC ở chế độ không tải chuẩn với chiến lược sấy nóng 200W ................................................................................................................ 95 Hình 3.35 Hiệu quả trung hòa HC ở chế độ không tải nhanh với chiến lược sấy nóng 400W ................................................................................................................ 95 Hình 3.36 Hiệu quả trung hòa HC ở chế độ không tải nhanh với chiến lược sấy nóng 200W ................................................................................................................ 96 Hình 3.37 Hiệu quả trung hòa HC ở chế độ 10% tải với chiến lược sấy nóng 400W 96 Hình 3.38 Hiệu quả trung hòa HC ở chế độ 10% tải với chiến lược sấy nóng 200W 97 Hình 4.1. Sơ đồ hệ thống thử nghiệm ....................................................................... 98 Hình 4.2 Sơ đồ tổng quát của băng thử .................................................................... 99 Hình 4.3 Sự ảnh hưởng của H2O tới kết quả đo CO .............................................. 100 Hình 4.4 Sơ đồ cấu tạo của bộ phân tích NO và NOx. ........................................... 101 Hình 4.5 Sơ đồ cấu tạo hệ thống đo CnHm. ............................................................ 102 Hình 4.6 Đồng hồ đo nhiệt độ kiểu tiếp xúc ........................................................... 103 Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý đo mức tiêu hao nhiên liệu ............................................ 104 Hình 4.8 Động cơ 110 lắp trên xe Honda Lead ..................................................... 105 Hình 4.9 Sơ đồ khối bố trí BXT và hệ thống sấy nóng trên đường thải của động cơ thử nghiệm ..................................................................................................................... 106 Hình 4.10 Sơ đồ khối bố trí hệ thống trên xe thử nghiệm ...................................... 107 Hình 4.11 Bố trí BXT trên đường thải .................................................................... 107 Hình 4.12 Sơ đồ cấu tạo BXT có sấy nóng bằng dòng điện cao tần ...................... 108 Hình 4.13 Mạch biến tần sử dụng trong hệ thống .................................................. 109 Hình 4.14 Tốc độ vòng quay động cơ ở các chế độ khởi động lạnh và chạy ấm máy ................................................................................................................................ 109 Hình 4.15 Lưu lượng khí thải giữa thực nghiệm và mô phỏng ở các chế độ khởi động lạnh và chạy ấm máy ..................................................................................... 110 Hình 4.16 So sánh nhiệt độ khí thải ở cửa thải giữa thực nghiệm (tn) và mô phỏng (mp) ở các chế độ khởi động lạnh và chạy ấm máy ............................................... 111 Hình 4.17 Phát thải các chất độc hại giữa thực nghiệm và mô phỏng ở chế độ không tải chuẩn .................................................................................................................. 111 Hình 4.18 Phát thải các chất độc hại giữa thực nghiệm và mô phỏng ở chế độ không tải nhanh....................................................................................................................... 112 Hình 4.19 Nhiệt độ khí thải mô phỏng và thực nghiệm tại cửa thải và cửa vào BXT ở chế độ không tải chuẩn ........................................................................................ 112 Hình 4.20 Nhiệt độ khí thải mô phỏng và thực nghiệm tại cửa thải và cửa vào BXT ở chế độ không tải nhanh ....................................................................................... 113 Hình 4.21 Nhiệt độ lõi BXT mô phỏng và thực nghiệm khi không sấy ở chế độ không tải nhanh....................................................................................................................... 113 Hình 4.22 Hàm lượng CO trước và sau BXT, mô phỏng và thực nghiệm khi không sấy ở chế độ không tải nhanh ................................................................................. 114 Hình 4.23 Hàm lượng HC trước và sau BXT, mô phỏng và thực nghiệm khi không sấy ở chế độ không tải nhanh ................................................................................. 114 xiv
Hình 4.24 Hàm lượng NOx trước và sau BXT, mô phỏng và thực nghiệm khi không sấy ở chế độ không tải nhanh ................................................................................. 115 Hình 4.25 Nhiệt độ lõi BXT mô phỏng và thực nghiệm khi sấy 400W, 30” ở chế độ không tải nhanh ...................................................................................................... 115 Hình 4.26 Hàm lượng CO trước và sau BXT, mô phỏng và thực nghiệm khi sấy 400W, 30” ở chế độ không tải nhanh ..................................................................... 116 Hình 4.27 Hàm lượng HC trước và sau BXT, mô phỏng và thực nghiệm khi khi sấy 400W, 30” ở chế độ không tải nhanh ..................................................................... 116 Hình 4.28 Hàm lượng NOx trước và sau BXT, mô phỏng và thực nghiệm khi khi sấy 400W, 30” ở chế độ không tải nhanh ..................................................................... 117 Hình 4.29 Hàm lượng phát thải độc hại của động cơ thử theo chu trình thử ECE R40, khởi động lạnh có sấy và không sấy BXT ...................................................... 117 xv
MỞ ĐẦU Tình trạng ô nhiễm môi trường ở Việt Nam do khí thải động cơ đốt trong đang đến mức đáng lo ngại do số lượng các phương tiện vận tải ô tô và xe máy đang tăng chóng mặt, đặc biệt là xe máy. Theo các nhà nghiên cứu, xe máy chưa được trang bị bộ xúc tác (BXT) có mức phát thải lớn hơn nhiều ô tô có trang bị bộ xúc tác. Theo vtv.vn, tính đến 2018 Việt Nam có gần 58 triệu chiếc xe máy, hầu hết trong số này chưa được trang bị BXT đang phát thải ra lượng khí thải độc hại rất lớn. Hiện nay, trên thế giới đã áp dụng nhiều biện pháp giảm các thành phần độc hại của phương tiện giao thông như: kiểm soát khí thải từ bên trong động cơ, xử lý khí thải. Trong đó, xử lý khí thải bằng phương pháp trang bị BXT xử lý khí thải là một biện pháp hữu hiệu, mang lại hiệu quả cao trong việc giảm các thành phần độc hại phát thải từ động cơ. Tuy nhiên, biện pháp này chưa được áp dụng nhiều trên các xe máy, và đặc biệt các loại xe máy dung tích nhỏ sản xuất ở Việt Nam. Hiệu quả xử lý của BXT bị ảnh hưởng rất lớn bởi nhiệt độ làm việc của nó. Bộ xúc tác hầu như không làm việc hoặc làm việc với hiệu quả rất thấp khi nhiệt độ của nó thấp hơn khoảng nhiệt độ 250÷300oC. Do đó, trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy, nhiệt độ khí thải còn thấp, BXT chưa được sấy nóng đáng kể nên hiệu quả xử lý khí thải trong giai đoạn này là không đáng kể. Một lượng lớn khí thải độc hại phát thải ra ngoài môi trường từ đó tăng lượng phát thải cho cả chu trình hoạt động của xe. Bên cạnh đó, tại các thành phố lớn của Việt Nam, với mật độ tham gia giao thông đông đúc làm thời gian xe dừng và chạy không tải nhiều cùng với đó là hành trình di chuyển ngắn làm tăng số lần khởi động lạnh. Do đó, lượng phát thải trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy tăng lên, chiếm một tỉ trọng lớn trong toàn bộ quá trình hoạt động của xe. Vì vậy việc giảm phát thải trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy sẽ giúp giảm phát thải chung trong quá trình vận hành của xe. Để cải thiện hiệu quả làm việc của BXT trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy đã có nhiều biện pháp được nghiên cứu và thực hiện, trong đó, sấy nóng nhanh BXT là biện pháp hữu hiệu để rút ngắn thời gian chậm hoạt động của BXT từ đó giảm phát thải ô nhiễm trong giai đoạn này. Chính vì vậy, việc chọn và thực hiện đề tài “Nghiên cứu giảm phát thải độc hại của xe máy bằng phương pháp sấy nóng bộ xử lý khí thải” là rất cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn cao. i. Mục đích nghiên cứu của đề tài Đưa ra được giải pháp sấy nóng nhanh BXT xe máy ở chế độ khởi động lạnh và chạy ấm máy để tăng hiệu quả xử lý khí thải của BXT từ đó giảm phát thải độc hại của xe máy. ii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Động cơ lắp trên xe máy Honda Lead 110 đang lưu hành tại Việt Nam. 1
- Việc nghiên cứu và thực nghiệm được thực hiện tại Trung tâm nghiên cứu động cơ, nhiên liệu và khí thải, Viện Cơ khí động lực, Trường đại học Bách khoa Hà Nội. iii. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về các biện pháp nâng cao hiệu quả xử lý khí thải để giảm phát thải của động cơ trang bị BXT, từ đó chọn giải pháp để nghiên cứu áp dụng; - Nghiên cứu mô phỏng động cơ trong quá trình khởi động lạnh và chạy ấm máy để xác định thành phần, lưu lượng và nhiệt độ khí thải ra khỏi động cơ làm số liệu đầu vào cho việc nghiên cứu hiệu quả của BXT trong giai đoạn này; - Nghiên cứu mô phỏng hệ thống thải để xác định trường nhiệt độ khí thải trên đường thải để xác định vị trí thích hợp lắp BXT nghiên cứu; - Nghiên cứu mô phỏng BXT được sấy nóng bằng dòng điện cao tần để đánh giá ảnh hưởng của các chiến lược sấy nóng đến trạng thái nhiệt và hiệu quả xử lý khí thải của BXT trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy, từ đó đề xuất đưa ra chiến lược sấy phù hợp; - Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm để xác định các thông số đầu vào cho các mô hình mô phỏng, hiệu chỉnh và đánh giá độ tin cậy của các mô hình mô phỏng và đánh giá hiệu quả của giải pháp nghiên cứu đã đề ra. iv. Phương pháp nghiên cứu Kết hợp lý thuyết mô hình hóa với thực nghiệm - Nghiên cứu lý thuyết: Xây dựng mô hình tính toán phát thải của động cơ và xử lý khí thải của BXT, từ đó tìm ra giải pháp nâng cao hiệu quả xử lý khí thải của BXT. - Nghiên cứu thực nghiệm: Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm nhằm đánh giá độ tin cậy của mô hình mô phỏng và hiệu quả của giải pháp đã đưa ra. v. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn Đưa ra giải pháp công nghệ thích hợp để sấy nóng nhanh BXT khí thải xe máy ở chế độ khởi động lạnh và chạy ấm máy để tăng hiệu quả xử lý của BXT, giảm phát thải của xe máy. Góp phần giảm ô nhiễm môi trường ở các thành phố lớn có mật độ xe máy cao. vi. Các nội dung chính của đề tài - Mở đầu - Chương 1. Nghiên cứu tổng quan - Chương 2. Tính toán mô phỏng nhiệt động học và phát thải động cơ xe máy - Chương 3. Tính toán mô phỏng quá trình xúc tác xử lý khí thải của BXT được sấy nóng bằng dòng cao tần - Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm Kết luận và hướng phát triển 2
CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Vấn đề phát thải độc hại của xe máy Hiện nay, Việt Nam có mật độ tham gia giao thông bằng xe máy rất lớn. Tính đến 2018 Việt Nam có khoảng gần 58 triệu chiếc xe máy [1]. Mật độ xe máy tham gia giao thông đặc biệt cao ở các thành phố lớn đang gây phát thải và ô nhiễm môi trường trầm trọng tại các nơi này. 1.1.1 Các thành phần phát thải độc hại của xe máy Động cơ xe máy tiêu thụ nhiên liệu xăng có thành phần chủ yếu là cacbon và hydro. Quá trình cháy của hydrocarbon với không khí trong động cơ diễn ra rất phức tạp với sự không đồng nhất của hỗn hợp cũng như sự hạn chế về thời gian cháy nên trong khí thải động cơ luôn có chứa một hàm lượng đáng kể những chất độc hại như oxit nitơ (NO, NO2, N2O, gọi chung là NOx), carbon monoxit (CO), các hydrocarbon chưa cháy (HC), các hạt rắn và các chất ô nhiễm khác. Nồng độ các chất ô nhiễm trong khí thải phụ thuộc vào loại động cơ và chế độ vận hành. CO: Carbon monoxit là sản phẩm khí không màu, không mùi, không vị, sinh ra do oxy hoá không hoàn toàn carbon trong nhiên liệu ở điều kiện thiếu oxy. CO không gây khó chịu tuy nhiên nó ngăn cản sự vận chuyển O2 của hemoglobin của hồng cầu trong máu làm cho các bộ phận của cơ thể bị thiếu oxy. NOx: NOx là họ các oxit nitơ, trong đó NO chiếm đại bộ phận. NOx được hình thành do N2 tác dụng với O2 ở điều kiện nhiệt độ cao (vượt quá 11000C). Nitơ monoxit (NO) không nguy hiểm mấy, nhưng nó là cơ sở để tạo ra nitơ dioxit (NO2). NO2 là chất khí màu hơi hồng, có mùi, khứu giác có thể phát hiện khi nồng độ của nó trong không khí đạt khoảng 0.12ppm. NO2 là chất khó hòa tan, do đó nó có thể theo đường hô hấp đi sâu vào phổi gây viêm và làm hủy hoại các tế bào của cơ quan hô hấp. Nạn nhân bị mất ngủ, ho, khó thở. Oxit nitơ có thể được hình thành bởi một số phản ứng: N 2 + O2 2NO NO + ½ O2 NO2 Hydocarbon: Hydrocarbon (HC) có mặt trong khí thải do quá trình cháy không hoàn toàn khi hỗn hợp giàu, hoặc do hiện tượng cháy không bình thường, nồng độ HC tăng nhanh theo độ đậm đặc của hỗn hợp. Tuy nhiên, khi hỗn hợp quá nhạt, HC cũng tăng do sự bỏ lửa hay do sự cháy không hoàn toàn diễn ra ở một số chu trình công tác. Sự hình thành HC trong động cơ xăng có thể theo các cơ chế sau đây: - Sự dập tắt màng lửa khi tiếp xúc với thành buồng cháy tạo ra một lớp hỗn hợp không bị bén lửa trên mặt thành buồng cháy. - Hỗn hợp hòa khí bên trong các không gian chết trong buồng cháy không cháy được do màng lửa bị dập tắt. - Hơi nhiên liệu hấp thụ vào lớp dầu bôi trơn trên mặt gương xylanh trong quá trình nén và giải phóng ra hòa trộn với khí đã cháy trong giai đoạn giãn nở. 3
- Sự cháy không hoàn toàn diễn ra ở một số chu trình làm việc của động cơ (cháy cục bộ hay bỏ lửa) do sự không đồng nhất của hỗn hợp không khí nhiên liệu, thay đổi góc đánh lửa sớm hay luân hồi khí thải, đặc biệt khi tăng giảm tốc độ. SO2: Sulfur dioxit (SO2) là sản phẩm sinh ra do trong nhiên liệu có chứa thành phần lưu huỳnh. SO2 là một chất háo nước, vì vậy nó rất dễ hòa tan vào nước mũi, bị oxy hóa thành H2SO4 và muối amonium rồi đi theo đường hô hấp vào sâu trong phổi. Bồ hóng: Bồ hóng là sản phẩm từ hỗn hợp cháy đậm đặc và một phần dầu bôi trơn không cháy tạo nên. Bồ hóng tồn tại dưới dạng những hạt rắn có đường kính trung bình khoảng 0,3mm nên rất dễ xâm nhập sâu vào phổi. Sự nguy hiểm của bồ hóng, ngoài việc gây trở ngại cho cơ quan hô hấp như bất kì một tạp chất cơ học nào khác có mặt trong không khí, nó còn là nguyên nhân gây ra bệnh ung thư do các hydrocarbon thơm mạch vòng. Bảng 1.1 Tỉ lệ các chất ô nhiễm trong khí thải động cơ xăng [2] Các chất ô nhiễm Tỉ lệ Các chất ô nhiễm Tỉ lệ NOx 100-4000 ppm H2 O 10-12% HC 500-5000 ppm CO2 10-13,5% CO 0,1-1,6% SO2 15-60 ppm O2 0,2-2% PM Tỉ lệ các chất ô nhiễm trong khí thải động cơ xe máy được thể trong bảng 1.1. Trong khí thải có chứa các chất ô nhiễm chính là: HC là phần nhiên liệu chưa cháy hoặc bị đốt cháy một phần, CO và các oxit nitơ (NOx), chủ yếu là NO, ngoài ra còn có các hợp chất khác như nước, hydro, nitơ, oxy, SO2 vv. 1.1.2 Đặc điểm phát thải trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy Trong giai đoạn khởi động lạnh (khởi động động cơ ở trạng thái nhiệt độ môi trường) và chạy ấm máy (giai đoạn chuyển tiếp từ ngay sau khởi động lạnh đến khi động cơ đạt nhiệt độ ổn định), nhiệt độ động cơ còn thấp, khả năng bay hơi hòa trộn nhiên liệu với không khí còn hạn chế nên động cơ khó khởi động. Để đảm bảo động cơ dễ dàng khởi động và nhanh chóng đạt tới nhiệt độ làm việc ổn định, hỗn hợp nhiên liệu không khí thường được điều chỉnh đậm. Trong điều kiện hoạt động này, thường xảy ra hiện tượng dập tắt màng lửa dẫn tới một phần nhiên liệu chưa cháy hoặc cháy không hoàn toàn nên hàm lượng phát thải CO và HC trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy lớn hơn nhiều so với khởi động nóng và chạy ổn định. Từ kết quả nghiên cứu của Yung-Chen Yao và các cộng sự [3] được thể hiện trên bảng 1.2 có thể thấy hàm lượng phát thải các chất độc hại trên động cơ xe máy ở chế độ khởi động lạnh cao hơn nhiều so với khởi động nóng, đặc biệt là hàm lượng phát thải HC. 4