Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực: Nghiên cứu tái sinh bộ lọc muội than và giảm phát thải cho động cơ diesel 1 xilanh lắp trên máy nông nghiệp

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:158

Thêm vào BST

Báo xấu

2
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực "Nghiên cứu tái sinh bộ lọc muội than và giảm phát thải cho động cơ diesel 1 xilanh lắp trên máy nông nghiệp" trình bày các nội dung chính sau: Nghiên cứu tổng quan; Cơ sở lý thuyết và nghiên cứu mô phỏng; Thiết kế, chế tạo và lắp đặt hệ thống EDDr; Nghiên cứu thực nghiệm.

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 tái sinh bộ lọc muội than và giảm phát thải cho động cơ diesel 1 xilanh lắp trên máy nông nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN MẠNH PHÚ NGHIÊN CỨU TÁI SINH BỘ LỌC MUỘI THAN VÀ GIẢM PHÁT THẢI CHO ĐỘNG CƠ DIESEL 1 XILANH LẮP TRÊN MÁY NÔNG NGHIỆP LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC HÀ NỘI - 2024
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN MẠNH PHÚ NGHIÊN CỨU TÁI SINH BỘ LỌC MUỘI THAN VÀ GIẢM PHÁT THẢI CHO ĐỘNG CƠ DIESEL 1 XILANH LẮP TRÊN MÁY NÔNG NGHIỆP 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 KHỔNG VŨ QUẢNG PGS.TS NGUYỄN PHÚ HÙNG HÀ NỘI - 2024
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 công bố trong bất kỳ đề tài nghiên cứu nào khác. Hà Nội, tháng 08 năm 2024 Tập thể giáo viên hướng dẫn Nghiên cứu sinh HD1:PGS.TS.Khổng Vũ Quảng Nguyễn Mạnh Phú HD2: PGS.TS. Nguyễn Phú Hùng i
LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Đại học Bách khoa Hà Nội, Ban Đào tạo, Trường Cơ khí đã cho phép tôi thực hiện luận án tại Đại học Bách khoa Hà Nội. Xin cảm ơn Ban Đào tạo và Trường Cơ khí về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi làm luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Khổng Vũ Quảng và PGS.TS Nguyễn Phú Hùng 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 Nhóm chuyên môn Hệ thống động lực ôtô – Khoa Cơ khí động lực, Trung tâm nghiên cứu các nguồn động lực và phương tiện tự hành của Trường Cơ khí, 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 nghề Bách khoa 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 cô phản biện, các Thầy cô 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 Mạnh Phú ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ..........................................................................................................i LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. ii MỤC LỤC .................................................................................................................. iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ...........................................................ix DANH MỤC BẢNG BIỂU .........................................................................................xi DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................................. xii MỞ ĐẦU ......................................................................................................................1 Chương 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN ....................................................................5 1.1 Giới thiệu chung ..................................................................................................5 1.1.1 Tổng quan về phát thải động cơ diesel..........................................................5 1.1.2 Ảnh hưởng của phát thải của động cơ diesel tới môi trường và con người ..5 1.1.3 Các tiêu chuẩn kiểm soát phát thải cho động cơ diesel ................................ 6 1.1.3.1 Châu Âu ..................................................................................................7 1.1.3.2 Tiêu chuẩn khí thải Mỹ ...........................................................................8 1.1.3.3 Tiêu chuẩn khí thải Trung Quốc ........................................................... 10 1.1.3.4 Tiêu chuẩn khí thải Nhật Bản ............................................................... 11 1.1.3.5 Tiêu chuẩn khí thải của động cơ máy nông nghiệp trong và ngoài nước ............................................................................................................................. 11 1.1.4 Thực trạng phát thải của các động cơ máy nông nghiệp tại Việt Nam .......11 1.1.4.1 Thực trạng nhập khẩu máy nông nghiệp ở Việt Nam ..........................11 1.1.4.2 Lượng phát thải của các máy nông nghiệp ở VN .................................12 1.1.5 Phương pháp giảm phát thải cho động cơ diesel ........................................13 1.2 Phát thải dạng hạt, tro và các yếu tố ảnh hưởng tới sự hình thành....................14 1.2.1 Phát thải dạng hạt ........................................................................................14 1.2.2 Các yếu tổ ảnh hưởng tới sự hình hành phát thải dạng hạt .........................15 1.2.3 Nguồn và thành phần của tro ......................................................................15 1.2.4 Hoạt động xúc tác của tro thành bồ hóng....................................................16 1.3 Nguyên lý làm việc bộ lọc hạt ...........................................................................16 1.3.1 Kết cấu Bộ lọc hạt .......................................................................................16 1.3.1.1 Bộ lọc tường-lọc bề mặt .......................................................................16 1.3.1.2 Bộ lọc hạt CDPF (lọc phủ xúc tác) .......................................................17 1.3.1.3 Bộ lọc hạt ly tâm (MR-DPF) ................................................................ 18 iii
1.3.2 Cơ chế thu thập hạt lọc................................................................................18 1.3.3 Vật liệu bộ lọc DPF .....................................................................................19 1.4 Các nghiên cứu trong và ngoài nước .................................................................20 1.4.1 Các nghiên cứu ngoài nước .........................................................................20 1.4.1.1 Tái sinh chủ động..................................................................................21 1.4.1.2 Tái sinh bị động ....................................................................................25 1.4.1.3 Tái sinh kết hợp ....................................................................................26 1.4.1.4 Hạn chế của lọc DPF khi tái sinh .........................................................27 1.4.2 Các nghiên cứu trong nước .........................................................................29 1.5 Kết luận chương 1 ............................................................................................. 29 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ........................31 2.1 Giới thiệu chung ................................................................................................ 31 2.1.1 Mục đích nghiên cứu mô phỏng..................................................................32 2.1.2 Lựa chọn phần mềm mô phỏng ...................................................................32 2.2 Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ TV 165RL có trang bị hệ thống giảm phát thải EDDr sử dụng AVL Boost ..................................................................................32 2.2.1 Xây dựng mô hình động cơ nguyên bản .....................................................33 2.2.2 Mô hình chọn lựa kích thước sơ bộ của bộ DPF ........................................33 2.2.3 Mô hình EDD .............................................................................................. 34 2.2.4 Mô hình EDDr............................................................................................. 35 2.2.5 Nhập dữ liệu cho mô hình ...........................................................................36 2.2.5.1 Dữ liệu động cơ ....................................................................................36 2.2.5.2 Dữ liệu bộ DOC ....................................................................................36 2.2.5.3 Dữ liệu bộ DPF .....................................................................................37 2.2.5.4 Dữ liệu van EGR ..................................................................................37 2.2.5.5 Dữ liệu đầu vào cho việc tái sinh..........................................................38 2.2.6 Khai báo biến và thực hiện mô phỏng ........................................................38 2.2.7 Hiệu chỉnh mô hình và đánh giá độ tin cậy.................................................38 2.3 Xây dựng mô hình cụm DOC-DPF sử dụng Ansys Fluent ............................... 39 2.3.1 Mô hình bộ DOC-DPF ................................................................................39 2.3.2 Mô hình khảo sát ảnh hưởng của kích thước lỗ lọc đến độ tắc lọc của bộ DPF ................................................................................................................................ 40 2.3.2.1 Xây dựng mô hình khối khí thải ........................................................... 40 iv
2.3.2.2 Điều kiện biên và các bước mô phỏng cho mô hình ............................ 40 2.3.2.3 Các bước mô phỏng ..............................................................................41 2.3.3 Mô hình chọn lựa vị trí đặt nguồn nhiệt tái sinh .........................................42 2.3.4 Mô hình tái sinh lọc.....................................................................................47 2.3.4.1 Cơ sở thiết kế ........................................................................................47 2.3.4.2 Mô phỏng quá trình tái sinh trên Ansys Fluent ....................................49 2.4 Kết quả mô phỏng và thảo luận .........................................................................51 2.4.1 Động cơ nguyên bản tại chế độ toàn tải và chế độ định mức .....................51 2.4.1.1 Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu ...................................................51 2.4.1.2 Diễn biến nhiệt độ trên đường thải .......................................................51 2.4.2 Động cơ trang bị bộ DOC-DPF tại chế độ định mức ..................................52 2.4.3 Mô phỏng diễn biến phát thải theo Tier 2 ...................................................53 2.4.3.1 Mối quan hệ giữa khái niệm công suất (kW) và chế độ tải (%) ..........53 2.4.3.2 Diễn biến phát thải ................................................................................53 2.4.4 Động cơ trang bị bộ EGR-DOC-DPF .........................................................55 2.4.4.1 Hệ số lamda ..........................................................................................55 2.4.4.2 Phát thải soot.........................................................................................55 2.4.4.3 Phát thải CO ..........................................................................................56 2.4.4.4 Phát thải NOx .......................................................................................57 2.4.5 Động cơ trang bị bộ tái sinh lọc DPFr ........................................................58 2.4.5.1 Ảnh hưởng của mật độ soot tới độ chênh lệch áp suất .........................59 2.4.5.2 Ảnh hưởng của lưu lượng khí thải và chiều dài bộ lọc tới độ chênh lệch áp suất trong quá trình tái sinh ............................................................................60 2.4.5.3 Ảnh hưởng nhiệt độ tái sinh đầu vào bộ lọc DPF tới hiệu quả tái sinh 61 2.4.6 Ảnh hưởng của việc tắc lọc DPF đến phân bố áp suất và nhiệt độ trong cụm ống thải ...................................................................................................................61 2.4.6.1 Ảnh hưởng của việc tắc lọc DPF đến phân bố áp suất trong bộ lọc .....61 2.4.6.2 Ảnh hưởng của việc tắc lọc DPF đến phân bố nhiệt độ trong bộ lọc ...64 2.4.7 Ảnh hưởng của các vị trí nguồn nhiệt tới khí động học trong bộ xúc tác ...67 2.4.7.1 Vị trí α=0o ............................................................................................. 67 2.4.7.2 Vị trí α=30o ........................................................................................... 68 2.4.7.3 Vị trí α=45 o ..........................................................................................69 2.4.7.4 Vị trí α=60o ........................................................................................... 69 v
2.4.8 Ảnh hưởng của vị trí nguồn nhiệt tới vấn đề tái sinh ..................................70 2.5 Kết luận chương 2 ............................................................................................. 72 Chương 3 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG EDDr ..............................................74 3.1 Giới thiệu chung ................................................................................................ 74 3.2 Thiết kế chung hệ thống EDDr..........................................................................74 3.2.1 Cấu tạo chung .............................................................................................. 74 3.2.2 Nguyên lý làm việc .....................................................................................75 3.3 Cải tạo đường ống thải ......................................................................................75 3.4 Thiết kế hệ thống EGR ......................................................................................76 3.4.1 Cơ sở tính toán và thiết kế van EGR ........................................................... 76 3.4.1.1 Van EGR ............................................................................................... 76 3.4.1.2 Điều khiển van EGR .............................................................................77 3.4.1.3 Bộ làm mát khí luân hồi........................................................................78 3.4.1.4 Bơm nước làm mát khí luân hồi ........................................................... 78 3.4.2 Lắp đặt hệ thống EGR .................................................................................78 3.5 Thiết kế và lắp đặt bộ DOC - DPF ....................................................................79 3.5.1 Mô hình tổng quan ......................................................................................79 3.5.2 Chọn lựa lõi bộ xúc tác ...............................................................................79 3.6 Thiết kế, chế tạo vỏ bộ xúc tác DOC-DPF ........................................................80 3.7 Tính toán, thiết kế hệ thống cấp nhiệt tái sinh...................................................80 3.7.1 Chọn lựa hệ thống tạo nhiệt tái sinh ........................................................... 80 3.7.1.1 Cấu tạo chung hệ thống ........................................................................81 3.7.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ đốt tái sinh ............................. 81 3.7.1.3 Nguyên lý điện điều khiển ....................................................................82 3.7.2 Cải tạo và lắp đặt hệ thống cung cấp nhiệt tái sinh .....................................83 3.8 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển hệ thống EDDr ....................85 3.8.1 Sơ đồ tổng quát ........................................................................................... 85 3.8.2 Các cảm biến và cơ cấu chấp hành ............................................................. 86 3.8.2.1 Cảm biến chênh lệch áp suất ................................................................ 86 3.8.2.2 Động cơ servo điều khiển van EGR .....................................................86 3.8.2.3 Cảm biến nhiệt độ .................................................................................87 3.8.3 Thiết kế ECU điều khiển .............................................................................87 3.8.3.1 Phần cứng ............................................................................................. 87 vi
3.8.3.2 Phần mềm ............................................................................................. 88 3.8.4 Giao diện và chương trình điều khiển .........................................................88 3.9 Kết luận chương 3 ............................................................................................. 90 Chương 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ............................................................. 91 4.1 Mục đích thử nghiệm.........................................................................................91 4.2 Đối tượng và phạm vi thử nghiệm.....................................................................91 4.2.1 Đối tượng thử nghiệm .................................................................................91 4.2.2 Phạm vi thử nghiệm ....................................................................................91 4.3 Sơ đồ bố trí trang thiết bị và quy trình thử nghiệm ...........................................92 4.3.1 Sơ đồ bố trí ..................................................................................................92 4.3.2 Thử nghiệm .................................................................................................93 4.3.2.1 Các nội dung thử nghiệm ......................................................................93 4.3.2.2 Chu trình thử nghiệm đo khí thải ..........................................................93 4.4 Kết quả thí nghiệm và thảo luận ........................................................................95 4.4.1 Động cơ nguyên bản ...................................................................................95 4.4.1.1 Nhiệt độ khí thải tại chế độ toàn tải ......................................................95 4.4.1.2 Suất tiêu hao nhiên liệu tại tốc độ 1800 v/p và 2200 v/p .....................96 4.4.1.3 Phát thải khói tại tốc độ 1800 v/p và 2200 v/p .....................................96 4.4.1.4 Phát thải NOx tại tốc độ 1800 v/p và 2200 v/p ....................................96 4.4.1.5 Phát thải CO tại tốc độ 1800 v/p và 2200 v/p .......................................97 4.4.1.6 Phát thải HC tại tốc độ 1800 v/p và 2200 v/p .......................................97 4.4.2 Động cơ trang bị EDD tại 1800 v/p ............................................................ 98 4.4.2.1 Diễn biến phát thải khói ........................................................................98 4.4.2.2 Diễn biến phát thải NOx ........................................................................98 4.4.2.3 Diễn biến phát thải CO .........................................................................98 4.4.2.4 Diễn biến phát thải HC .........................................................................99 4.4.2.5 Suất tiêu hao nhiên liệu.........................................................................99 4.4.3 Động cơ trang bị EDD tại 2200 v/p ............................................................ 99 4.4.3.1 Diễn biến phát thải khói ........................................................................99 4.4.3.2 Diễn biến phát thải NOx ......................................................................100 4.4.3.3 Diễn biến phát thải CO .......................................................................100 4.4.3.4 Diễn biến phát thải HC .......................................................................100 4.4.3.5 Suất tiêu hao nhiên liệu.......................................................................101 vii
4.4.4 Động cơ trang bị EDD tại không tải .........................................................101 4.4.5 Động cơ trang bị bộ lọc tái sinh. ...............................................................102 4.4.5.1 Diễn biến độ chênh lệch áp suất của bộ lọc DPF trong quá trình làm việc ...........................................................................................................................103 4.4.5.2 Diễn biến áp suất cản và nhiệt độ bộ lọc DPF khi thực hiện tái sinh .103 4.4.5.3 Phát thải khói trước và sau tái sinh .....................................................105 4.4.5.4 Phát thải NOx trước và sau tái sinh ....................................................105 4.4.5.5 Phát thải CO trước và sau tái sinh ......................................................105 4.4.5.6 Phát thải HC trước và sau tái sinh ......................................................106 4.5 Kết luận chương 4 ...........................................................................................106 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ........................107 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................108 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ................................................117 CỦA LUẬN ÁN .......................................................................................................117 DANH MỤC CÁC PHỤ LỤC..................................................................................118 PHỤ LỤC 4.................................................................................................................135 viii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Ký hiệu Diễn giải Đơn vị AVL- Phần mềm mô phỏng một chiều của hãng AVL (Áo) - Boost AVL- Mô hình cháy của hãng AVL MCC CO Mônôxit cácbon - COM Cổng giao giao tiếp máy tính dạng nối tiếp - CPSI Mật độ lỗ cell/inch2 Continuous Regeneration Trap (bộ lọc tái sinh liên CRT - tục) DD Hệ thống xử lý khí thải bao gồm bộ DOC và DPF DOC Diesel Oxidation Catalyst (bộ xúc tác ôxy hóa) - DPF Diesel Particulate Filter (bộ lọc phát thải hạt) - DPFr Bộ tái sinh lọc muội than DPF có chức năng tái sinh ECU Bộ điều khiển phun dung dịch muối urê - Hệ thống xử lý khí thải bao gồm: luân hồi khí thải EDD EGR, bộ oxy hóa DOC, bộ lọc muội than DPF Hệ thống xử lý khí thải EDD trong đó bộ DPF có EDDr chức năng tái sinh Exhaust Gas Recirculation (hệ thống luân hồi khí EGR - thải) HC Hyđrô cácbon - HSU Hartridge Smoke Unit LNT Lean NOx Trap (bộ xúc tác hấp thụ NOx) - MP Mô phỏng - NCS Nghiên cứu sinh - NOx Ôxít nitơ - ix
NB Động cơ nguyên bản PM Phát thải hạt - PM10 Phát thải hạt có kích thước nhỏ hơn 10 µm - SCR Selective Catalyst Reduction (bộ xúc tác khử NOx) - Smoke Độ khói - Soot Bồ hóng - SOx Ôxít lưu huỳnh - TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam - TN Thực nghiệm - USB Cổng giao tiếp máy tính -  Hệ số dư lượng không khí - x
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. 1 Bảng giới hạn tiêu chuẩn khí thải Euro [17] ......................................................... 7 Bảng 1. 2 Tiêu chuẩn khí thải EPA Loại 1[18] ..................................................................... 9 Bảng 1. 3 Tiêu chuẩn khí thải EPA loại 2[18]....................................................................... 9 Bảng 1. 4 Tiêu chuẩn Tier 2 [18]......................................................................................... 10 Bảng 1. 5 Ảnh hưởng của một số biện pháp công nghệ tới phát thải động cơ diesel [27] .. 14 Bảng 1. 6 Bảng hằng số điện môi và hệ số tổn hao điện môi của một số vật liệu ............. 24 Bảng 2. 1 Thông số cơ bản của động cơ TV 165RL ........................................................... 33 Bảng 2.2 Thông số kết cấu bộ lọc DOC và DPF ................................................................. 40 Bảng 2.3 Thông số chạy ở chế độ 75% tải và 2200 v/p sau khi ra khỏi động cơ ................ 41 Bảng 2. 4 Thông số cơ bản của đường cấp nhiệt bổ sung ................................................... 49 Bảng 2. 5 Thông số nhập cho mô hình mô phỏng quá trình tái sinh tại vị trí hòa trộn ....... 51 Bảng 2. 6 Thông số hình học và nhiệt độ ban đầu của bộ DPF........................................... 59 Bảng 2. 7 Kết quả mô phỏng áp suất dư trung bình tại các mặt cắt ngang bộ lọc ở các vị trí tính từ đầu DOC .......................................................................................................................... 63 Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của động cơ Servo .................................................................. 77 Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của bộ DOC và bộ DPF.......................................................... 79 Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật của bộ đốt AT 2000 D ............................................................ 81 Bảng 4. 1 Thông số kỹ thuật của động cơ TV165RL .......................................................... 91 Bảng 4.2 Chế độ thử và hệ số trọng lượng theo chu trình thử ISO 8178 loại C1 ............... 94 Bảng 4.3 Bảng giá trị phát thải động cơ NB theo tiêu chuẩn Tier 2 ................................... 97 Bảng 4.4 Bảng giá trị phát thải của động cơ TV165RL khi trang bị EDD theo chu trình thử Tier 2 ......................................................................................................................................... 101 Bảng 4.5 Bảng nhiệt độ đo được tại đầu vào và đầu ra bộ lọc DPF .................................. 104 xi
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Các thành phần có trong khí thải của động cơ diesel [10]...................................... 5 Hình 1. 2 Lượng phát thải của ngành nông nghiệp Việt Nam ............................................. 13 Hình 1. 3 Thành phần cụ thể của soot [32].......................................................................... 15 Hình 1. 4 Lọc khối và lọc bề mặt ....................................................................................... 17 Hình 1.5 Cấu tạo bộ CDPF .................................................................................................. 17 Hình 1. 6 Sơ đồ cấu tạo lọc ly tâm ...................................................................................... 18 Hình 1.7 Các phương pháp tái sinh bộ lọc muội than ......................................................... 20 Hình 1.8 Sơ đồ tái sinh bộ lọc muội than bằng phương pháp đốt ....................................... 22 Hình 1.9 Tái sinh bộ lọc muội than bằng nhiệt do điện tạo ra............................................. 23 Hình 1.10 Tái sinh bộ lọc muội than bằng nhiệt do sóng siêu âm tạo ra............................. 24 Hình 1. 11 Bộ lọc muội bị phá hủy do tái sinh bằng vi sóng .............................................. 25 Hình 1. 12 Các yếu tố ảnh hưởng tới áp suất cản của bộ lọc DPF [99] ............................. 27 Hình 2. 1 Quy trình xác định hệ thống xử lý khí thải cho động cơ TV165RL .................... 31 Hình 2.2 Mô hình động cơ nguyên bản ............................................................................... 33 Hình 2.3 Mô hình xác định kích thước cơ bản của bộ lọc DPF .......................................... 34 Hình 2.4 Chọn lựa kích thước bộ lọc theo kinh nghiệm ..................................................... 34 Hình 2.5 Mô hình phát thải EDD ........................................................................................ 34 Hình 2.6 Mô hình tỉ lệ thể tích giữa DOC và DPF[113] ..................................................... 35 Hình 2.7 Mô hình hệ thống EDDr ....................................................................................... 35 Hình 2.8 Mô hình hệ thống DDr ......................................................................................... 36 Hình 2.9 Nhập dữ liệu cho động cơ ..................................................................................... 36 Hình 2. 10 Dữ liệu bộ DOC ................................................................................................. 36 Hình 2. 11 Thông số cơ bản DPF ........................................................................................ 37 Hình 2. 12. Định nghĩa van EGR......................................................................................... 37 Hình 2.13 Diễn biến nhiệt độ và lưu theo thời gian thực cấp cho bộ tái sinh ..................... 38 Hình 2.14 Đồ thị đánh giá tính chính xác của mô hình ....................................................... 39 Hình 2. 15 Kết cấu sơ bộ mô hình bộ DOC và DPF ........................................................... 39 Hình 2.16 Hình cắt ¼ mô hình khối khí thải 3D trong NX ................................................ 40 Hình 2.17 Mô hình chia lưới của khối khí thải trong Solve Meshing ................................ 40 Hình 2.18 Đồ thị xác định sự hội tụ (chính xác) của kết quả mô phỏng. ........................... 42 Hình 2.19 Sơ đồ vị trí đặt nguồn nhiệt ................................................................................ 42 Hình 2.20 Hình cắt lõi ống xả dạng 3D .............................................................................. 43 xii
Hình 2.21Mô hình ống xả dạng 3D trong Ansys fluent ...................................................... 43 Hình 2. 22 Hình ảnh chia lưới của mô hình trong Ansys fluent ......................................... 44 Hình 2.23 Thông tin mô hình sau khi chia lưới ................................................................... 44 Hình 2.24 Đặt tên cho ống xả ............................................................................................. 45 Hình 2.25 Chọn mô hình dòng chảy trong thiết bị trao đổi nhiệt ........................................ 45 Hình 2.26 Nhập thông số khí thải ........................................................................................ 46 Hình 2.27 Nhập điều kiện biên phù hợp cho thiết bị .......................................................... 46 Hình 2.28 Chọn số bước chạy ............................................................................................ 47 Hình 2.29 Kết quả chạy ....................................................................................................... 47 Hình 2.30 Lưu đồ thực hiện thử nghiệm và so sánh các phương án tái sinh...................... 48 Hình 2. 31 Thiết kế 2D của mô hình khí thải có đường cấp nhiệt tái sinh .......................... 48 Hình 2.32 Mặt cắt dọc mô hình 3D khối khí thải và đường cấp nhiệt ............................... 50 Hình 2.33 Kết quả chia lưới cho mô hình khối khí thải và đường cấp nhiệt ...................... 50 Hình 2. 34 Công suất lớn nhất và tiêu hao ở chế độ toàn tải ............................................... 51 Hình 2. 35 Công suất và tiêu hao nhiên liệu ở chế độ định mức ......................................... 51 Hình 2.36 Diễn biến nhiệt độ trên ....................................................................................... 51 Hình 2.37Ne khi trang bộ DPF ............................................................................................ 52 Hình 2.38 ge khi trang bị bộ DPF ........................................................................................ 52 Hình 2.39 Diễn biến công suất khi sử dụng bộ DD trong đó DPF có xu hướng bị tắc ....... 53 Hình 2.40 Mối quan hệ giữa chế độ tải và công suất tại tốc độ 1800 v/p và 2200 v/p ....... 53 Hình 2.41 Phát thải soot khi trang bộ DD tại 1800 v/p và 2200 v/p ................................... 53 Hình 2.42 Phát thải NOx khi trang bộ PDF tại 1800 v/p và 2200 v/p................................. 54 Hình 2.43 Phát thải CO khi trang bộ DD tại 1800 v/p và 2200 v/p .................................... 54 Hình 2. 44 Ảnh hưởng của tỉ lệ luân hồi tới hệ số lamda tại 1800 v/p ................................ 55 Hình 2. 45 Ảnh hưởng của tỉ lệ luân hồi tới hệ số lamda tại 2200 v/p ................................ 55 Hình 2. 46 Ảnh hưởng của tỉ lệ luân hồi tới phát thải soot tại 1800 v/p ............................. 56 Hình 2. 47 Ảnh hưởng của tỉ lệ luân hồi tới phát thải soot tại 2200 v/p ............................. 56 Hình 2.48 Ảnh hưởng của tỉ lệ luân hồi tới phát thải CO tại 1800 v/p ............................... 56 Hình 2.49 Ảnh hưởng của tỉ lệ luân hồi tới phát thải CO tại 2200 v/p ............................... 56 Hình 2.50 Ảnh hưởng của tỉ lệ luân hồi tới phát thải NOx tại 1800 v/p ............................. 57 Hình 2.51 Ảnh hưởng của tỉ lệ luân hồi tới phát thải NOx tại 2200 v/p ............................. 57 Hình 2.52 Nhiệt độ đầu vào cho tái sinh ............................................................................. 58 Hình 2.53 Lưu lượng đầu vào cho tái sinh .......................................................................... 58 Hình 2.54 Mối quan hệ của mật độ soot và độ chênh lệch áp suất...................................... 59 Hình 2. 55 Ảnh hưởng của mật độ muội than đến độ chênh lệch áp suất ........................... 60 xiii
Hình 2. 56 Ảnh hưởng của lưu lượng đến độ chênh lệch áp suất........................................ 60 Hình 2. 57 Ảnh hưởng của chiều dài bộ lọc tới quá trình tái sinh ....................................... 60 Hình 2. 58 Ảnh hưởng của nhiệt độ đầu vào bộ lọc DPF tới quá trình tái sinh .................. 61 Hình 2.59 Diễn biến áp suất trong cụm ống thải khi kích thước lỗ là 1mm (khi chưa bị tắc)62 Hình 2.60 Diễn biến áp suất trong cụm ống thải khi bộ lọc bị tắc kích thước lỗ là 0,8mm 62 Hình 2.61 Diễn biến áp suất trong cụm ống thải khi bộ lọc bị tắc kích thước lỗ là 0,7mm 62 Hình 2.62 Diễn biến áp suất trong cụm ống thải khi bộ lọc bị tắc kích thước lỗ là 0,6mm 62 Hình 2.63 Diễn biến áp suất trong cụm ống thải khi bộ lọc bị tắc kích thước lỗ là 0,5mm 63 Hình 2.64 Diễn biến áp suất trong cụm ống thải khi bộ lọc bị tắc kích thước lỗ là 0,4mm 63 Hình 2.65 Đồ thị biểu thị phân bố áp suất tại các trường hợp ............................................ 64 Hình 2.66 Kết quả mô phỏng độ sụt áp trong các trường hợp ........................................... 64 Hình 2.67 Phân bố nhiệt độ dòng khí thải khi kích thước lỗ 1mm (khi chưa bị tắc) ........ 65 Hình 2.68 Phân bố nhiệt độ dòng khí thải khi bộ lọc bị tắc,kích thước lỗ là 0,8mm ........ 65 Hình 2.69 Phân bố nhiệt độ dòng khí thải khi bộ lọc bị tắc,kích thước lỗ là 0,7mm ........ 65 Hình 2.70 Phân bố nhiệt độ dòng khí thải khi bộ lọc bị tắc,kích thước lỗ là 0,6mm ....... 65 Hình 2.71 Phân bố nhiệt độ dòng khí thải khi bộ lọc bị tắc,kích thước lỗ là 0,5mm ......... 66 Hình 2.72 Phân bố nhiệt độ dòng khí thải khi bộ lọc bị tắc,kích thước lỗ là 0,4mm ........ 66 Hình 2.73 Nhiệt độ đầu vào và đầu ra bộ lọc DPF khi chưa tái sinh ................................. 66 Hình 2.74 Nhiệt độ mặt cắt ngang DPF khi α=0 độ ........................................................... 67 Hình 2.75 Vận tốc mặt cắt ngang DPF ............................................................................... 67 Hình 2.76 Nhiệt độ mặt cắt dọc ống xả .............................................................................. 68 Hình 2.77 Vận tốc mặt cắt dọc ống xả ............................................................................... 68 Hình 2.78 Nhiệt độ mặt cắt ngang DPF khi α=30 độ ......................................................... 68 Hình 2.79 Vận tốc mặt cắt ngang DPF khi α=30 độ .......................................................... 68 Hình 2.80 Nhiệt độ mặt cắt dọc ống xả khi α=30 độ.......................................................... 68 Hình 2.81 Vận tốc mặt cắt dọc ống xả ............................................................................... 68 Hình 2.82 Nhiệt độ mặt cắt ngang DPF khi α=45 độ ......................................................... 69 Hình 2.83 Vận tốc mặt cắt ngang DPF khi α=45 độ .......................................................... 69 Hình 2.84 Nhiệt độ mặt cắt dọc ống xả khi α=45 độ.......................................................... 69 Hình 2.85 Vận tốc mặt cắt dọc ống xả ............................................................................... 69 Hình 2. 86 Nhiệt độ mặt cắt ngang DPF khi α=60 độ ........................................................ 70 Hình 2. 87 Vận tốc mặt cắt ngang DPF khi α=60 độ ......................................................... 70 Hình 2. 88 Nhiệt độ mặt cắt dọc ống xả khi α=60 độ......................................................... 70 Hình 2. 89 Vận tốc mặt cắt dọc ống xả .............................................................................. 70 Hình 2.90 Phân bố véc-tơ vận tốc theo hai mặt cắt dọc khối khí thải khi độ tắc là 60% .. 71 xiv
Hình 2.91 Phân bố nhiệt độ theo mặt cắt dọc khối khí thải khi độ tắc là 60%................... 71 Hình 2.92 Nhiệt độ trung bình đầu vào và đầu ra bộ DPF trong quá trình tái sinh. .......... 72 Hình 3. 1 Sơ đồ khối động cơ có lắp hệ thống EDDr .......................................................... 74 Hình 3.2 Sơ đồ bố trí chung hệ thống tái sinh ..................................................................... 75 Hình 3.3 Thiết kế chung hệ thống xử lý khí thải ................................................................. 76 Hình 3.4 Hình ảnh 3D ống thải ........................................................................................... 76 Hình 3.5 Đặc tính của động cơ servo .................................................................................. 77 Hình 3.6 Động cơ servo và van EGR .................................................................................. 77 Hình 3.7 Bơm nước làm mát khí luân hồi ........................................................................... 78 Hình 3.8 Mô hình bộ DOC và DPFr tính toán thiết kế........................................................ 79 Hình 3.9 Các mẫu DOC và DPF phục vụ thí nghiệm ......................................................... 80 Hình 3.10 Vỏ bộ xúc tác DOC-DPF sau khi chế tạo ........................................................... 80 Hình 3.11 Mô hình hệ thống Air Top 2000 ......................................................................... 81 Hình 3.12 Sơ đồ cấu tạo của cụm cấp nhiệt tái sinh ............................................................ 82 Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý điều khiển ................................................................................ 82 Hình 3.14 Bộ cấp nhiệt cho tái sinh .................................................................................... 83 Hình 3.15 Cấu tạo cụm đốt nhiên liệu ................................................................................. 83 Hình 3.16 Hình ảnh thực tế của ống khuếch tán nhiên liệu................................................. 83 Hình 3.17 Ống khuếch tán và ống đốt ................................................................................. 83 Hình 3.18 Cảm biến ngọn lửa .............................................................................................. 84 Hình 3.19 Bugi đốt .............................................................................................................. 84 Hình 3.20 Vòi phun diesel ................................................................................................... 84 Hình 3.21 Vị trí lắp đặt các bộ phận đốt nhiên liệu ............................................................. 84 Hình 3.22 Sơ đồ bố trí vị trí tương đối giữa bình nhiên liệu và bộ dốt ............................... 85 Hình 3.23 Sơ đồ điều khiển hệ thống .................................................................................. 85 Hình 3.24 Sơ đồ bố trí thực tế ............................................................................................. 86 Hình 3.25 Cảm biến và đặc tính cảm biến sai áp ................................................................ 86 Hình 3.26 Mô tơ servo điều khiển van EGR ....................................................................... 87 Hình 3.27 Cảm biến nhiệt độ và thông số ........................................................................... 87 Hình 3.28 Sơ đồ mô tả các tín hiệu của card USB 9090 ..................................................... 88 Hình 3.29 ECU điều khiển hệ thống EDD .......................................................................... 88 Hình 3.30 Giao diện điều khiển ........................................................................................... 89 Hình 3.31 Lập trình điều khiển EDDr trên Labview ........................................................... 89 Hình 3.32 Sơ đồ mạch điện điều khiển nguồn tái sinh ........................................................ 90 xv
Hình 4.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm ......................................................................................... 92 Hình 4.2 Sơ đồ thể hiện các mode của chu trình thử ISO 8178-4 C1 ................................. 94 Hình 4.3 Nhiệt độ khí thải tại toàn tải ................................................................................. 95 Hình 4.4 Nhiệt độ khí thải ................................................................................................... 95 Hình 4.5 Suất tiêu hao nhiên liệu ........................................................................................ 96 Hình 4.6 Phát thải khói ........................................................................................................ 96 Hình 4.7 Phát thải NOx ....................................................................................................... 96 Hình 4.8 Phát thải CO ......................................................................................................... 97 Hình 4.9 Phát thải HC ......................................................................................................... 97 Hình 4. 10 Phát thải khói khi trang bị EDD ........................................................................ 98 Hình 4.11 Phát thải NOx khi trang bị EDD......................................................................... 98 Hình 4.12 Phát thải CO khi trang bị EDD ........................................................................... 98 Hình 4.13 Phát thải HC khi trang bị EDD ........................................................................... 99 Hình 4.14 ge khi trang bị EDD ............................................................................................ 99 Hình 4.15 Phát thải khói khi trang bị EDD ......................................................................... 99 Hình 4.16 Phát thải NOx khi trang bị EDD....................................................................... 100 Hình 4.17 Phát thải CO khi trang bị EDD ......................................................................... 100 Hình 4.18 Phát thải HC khi trang bị EDD ......................................................................... 100 Hình 4.19 ge khi trang bị EDD .......................................................................................... 101 Hình 4.20 Phát thải tại không tải khi trang bị EDD .......................................................... 101 Hình 4.21 So sánh lượng phát thải khi động cơ trang bị EDD .......................................... 102 Hình 4.22 Diễn biến chênh lệch áp suất trên đường thải theo thời gian ........................... 103 Hình 4.23 Áp suất trên đường thải sau khi tái sinh ........................................................... 103 Hình 4.24 Độ mờ khói trước và sau tái sinh ..................................................................... 105 Hình 4.25 Phát thải NOx trước và sau tái sinh .................................................................. 105 Hình 4.26 Phát thải CO trước và sau tái sinh .................................................................... 105 Hình 4.27 Phát thải HC trước và sau tái sinh .................................................................... 106 xvi
MỞ ĐẦU Hiệu suất cao, độ tin cậy và độ bền của động cơ diesel là lý do để động cơ này trở thành nguồn động lực chính của các loại xe hạng trung, hạng nặng, máy xây dựng và máy nông nghiệp. Tuy nhiên, phát thải độc hại của động cơ diesel lại là một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường trầm trọng. Khí thải của động cơ diesel chứa chất dạng hạt (PM), carbon dioxide (CO2), carbon monoxide (CO), hydrocarbon (HC) và oxit nitơ (NOX)... PM từ động cơ diesel có ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe con người, đặc biệt là làm gia tăng mạnh các bệnh về tim mạch và hô hấp. PM dễ dàng bị hít vào phế quản và phế nang sâu của đường hô hấp, khiến con người mắc nhiều bệnh về đường hô hấp. Cũng có bằng chứng trong những năm gần đây cho thấy PM có thể gây tổn hại cho sự phát triển thần kinh của con người và chức năng nhận thức [1]. Trên thực tế, PM đã được Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) phân loại là chất gây ung thư vào năm 2012 [2]. Để giải quyết các vấn đề sức khỏe của người dân và các vấn đề môi trường nổi cộm, các chính phủ không ngừng thắt chặt việc kiểm soát lượng khí thải PM từ phương tiện sử dụng động cơ diesel. Trung Quốc đã ban hành các giới hạn và phương pháp đo lường mới đối với lượng khí thải từ các phương tiện giao thông hạng nhẹ (Trung Quốc VI). So với tiêu chuẩn cũ, tiêu chuẩn mới giảm lượng khí thải PM và đưa số lượng hạt vào phạm vi quy định. Vấn đề tương tự cũng được áp dụng ở châu Âu, Mỹ và hầu hết các nước trên thế giới. Vì vậy, cần phải phát triển một phương pháp hiệu quả để giảm lượng khí thải PM và tuân thủ các quy định về khí thải ngày càng nghiêm ngặt [3]. Trong khi đó NOx là một loại khí thải cũng khó xử lý của động cơ diesel. Đây cũng là một trong những khí thải độc hại đối với môi trường. Tại Việt Nam vẫn còn tồn tại một lượng lớn động cơ diesel sử dụng công nghệ cũ (các loại động cơ được lắp đặt trên các xe vận tải với tải trung bình, trên các máy phát điện, máy phục vụ nông nghiệp….), không được trang bị những công nghệ và hệ thống xử lý khí thải hiện đại, khí thải chỉ được đi qua bình tiêu âm rồi xả trực tiếp môi trường. Với những dòng động cơ này nếu không được kiểm soát thì sẽ gây ra mối nguy hiểm rất lớn đối với môi trường. Trong khi đó, nhu cầu sử dụng động cơ đốt trong làm nguồn động lực cho các máy móc thiết bị nông nghiệp, lâm nghiệp ngày càng nhiều. Nguồn động cơ nhập vào Việt Nam chủ yếu từ các nước như Trung Quốc, Thái Lan và Nhật Bản…..Các sản phẩm từ Trung Quốc có lợi thế về giá trong khi các sản phẩm của Thái Lan và Nhật Bản thì tính kỹ thuật cao hơn. Tuy nhiên hiện nay việc đánh giá chất lượng khí thải của các loại máy nông nghiệp vẫn đang được triển khai. Các nhà quản lý hoạch định chiến lược của quốc gia xây dựng bộ tiêu chuẩn phát thải riêng cho máy nông nghiệp để hạn chế phát thải độc hại từ loại máy này, ngoài ra còn là công cụ để kiểm soát chất lượng động cơ sản xuất trong nước và nhập khẩu. Hiện nay. các doanh nghiệp sản xuất máy nông nghiệp của Việt Nam đang muốn hướng tới xuất khẩu động cơ do Việt Nam sản xuất sang một số nước như Ấn Độ, các nước Trung Đông…. Tuy nhiên để các thị trường này chấp nhận, các sản phẩm động cơ do Việt Nam sản xuất phải đạt được các tiêu chuẩn khí thải như Tier 1, Tier 2 theo yêu cầu của từng vùng lãnh thổ. Vì vậy yêu cầu cải tiến tính năng kinh tế kỹ thuật và giảm phát thải cũng như giảm giá thành cho động cơ sản xuất tại Việt Nam 1
là cần thiết. Để có cái nhìn tổng thể và đánh giá đầy đủ về vấn đề này, Bộ công thương đã kết hợp với Tổng công ty máy động lực và máy nông nghiệp Việt Nam cùng Đại học Bách Khoa đã cũng có các đề tài nghiên cứu đánh giá đánh giá thực trạng tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của các động cơ sản xuất trong nước, kết quả cho thấy các đông cơ này chưa đạt tiêu chuẩn theo Tier 2 vì hàm lượng phát thải PM và NOx vượt giới hạn. Kết quả cho thấy, để có thể xuất khẩu các đông cơ sản xuất tại Việt Nam sang thị trường các nước thì tiêu chí phát thải phải được quan tâm và đặt lên hàng đầu. Hiện nay có rất nhiều phương pháp để kiểm soát phát thải toàn diện cho động cơ diesel, như sử dụng phụ gia nhiên liệu diesel [4, 5], diesel sinh học [6, 7], cải tiến kết cấu động cơ [8], sử dụng bộ lọc PM bằng DPF [9]... Để áp dụng các phương pháp cải tiến kết cấu động cơ là không thể. Tuy nhiên có thể chọn lựa một giải pháp xử lý khí thải để giải quyết các vấn đề nêu trên là khả thi. Trong đó, phương pháp luân hồi khí thải EGR được xem là một phương pháp hiệu quả để giảm phát thải NOx của động cơ diesel và đã được sử dụng từ lâu. Tuy nhiên, phương pháp này lại làm giảm hiệu suất động cơ và tăng hàm lượng CO, HC và PM trong khí thải. Do vậy phương pháp này cần được sử dụng kết hợp với các biện pháp xử lý khác. Còn phương pháp lọc DPF được coi là phương án hiệu quả để giảm phát thải PM ra ngoài môi trường tới 70%. Tuy nhiên, nhược điểm lớn của lọc DPF, sau thời gian sử dụng, lọc DPF có xu hướng bị tắc sẽ gây cản trên đường thải và làm ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ. Trong luận án này NCS đề xuất trang bị một hệ thống xử lý khí thải động cơ diesel bao gồm: Hệ thống luân hồi khí thải EGR (xử lý NOx), Bộ oxy hóa DOC (xử lý HC và CO) và bộ lọc DPF (xử lý PM) nhằm mục đích giảm phát thải toàn diện cho động cơ để đạt Tier 2 được gọi tắt là EDD. Tuy nhiên sau thời gian làm việc lọc DPF sẽ bị tắc bởi PM bám và tích tụ trên bề mặt lọc DPF, gây cản trên đường thải dẫn đến ảnh hưởng tới công suất và tiêu hao nhiên liệu, chi phí chăm sóc bảo dưỡng tăng. Chính vì vậy, để giải quyết triệt để các vấn đề nêu trên, cũng như nâng cao hiệu quả và tăng thời gian làm việc của EDD, bộ DPF của hệ thống EDD có thêm chức năng tái sinh chủ động (DPFr).. Như vậy có thể thấy tính vượt trội của hệ thống EDD có sử dụng DPFr (EDDr) trong việc giảm phát thải NOx, PM của động cơ nhưng vẫn đảm bảo không gây tắc lọc sau thời gian sử dụng. . Hiện nay tại Việt Nam, hệ thống này vẫn chưa được nghiên cứu, vì vậy NCS lựa chọn đề tài “Nghiên cứu tái sinh bộ lọc muội than và giảm phát thải cho động cơ diesel 1 xilanh lắp trên máy nông nghiệp” để đưa ra một giải pháp xử lý PM triệt để hơn, cũng như kiểm soát phát thải toàn diện cho động cơ diesel nhằm giải quyết các vấn đề thực trạng hiện nay. i. Mục đích nghiên cứu của đề tài Đưa ra giải pháp trang bị bộ lọc DPF có chức năng tái sinh chủ động cho các động cơ diesel máy nông nghiệp. Bộ lọc sẽ có khả năng tái sinh khi lượng muội than bám trên lọc DPF vượt giới hạn cho phép. 2