Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu giảm phát thải độc hại cho động cơ diesel xe tải nhẹ đang lưu hành

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:149

Thêm vào BST

Báo xấu

27
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài nghiên cứu nhằm đưa ra giải pháp công nghệ khả thi giảm đáng kể thành phần độc hại CO, HC, NO2 và PM của động cơ; mô phỏng, thiết kế các bộ xúc tác nhằm giảm phát thải CO, HC, NO2, PM cho động cơ; chế tạo và đánh giá hiệu quả khi trang bị các bộ xúc tác giảm phát thải cho động cơ. Mời các bạn tham khảo nội dung chi tiết đề tài!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu giảm phát thải độc hại cho động cơ diesel xe tải nhẹ đang lưu hành

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, tháng 9 năm 2020 Tập thể giáo viên hướng dẫn Nghiên cứu sinh GS.TS Phạm Minh Tuấn PGS.TS Trần Quang Vinh Nguyễn Mạnh Dũng 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, Bộ môn Động cơ đốt trong giúp đỡ tôi thực hiện luận án trong thời gian học tập, nghiên cứu tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS Phạm Minh Tuấn và PGS.TS Trần Quang Vinh đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình, chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận án. Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, Ban chủ nhiệm, các thầy cô trong Khoa Công nghệ Ôtô đã tạo điều kiện và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu học tập. Trong thời gian học tập, tôi đã có giai đoạn bị bệnh phải đi điều trị mất thời gian khá dài, trong thời gian này tôi đã được sự động viên rất lớn từ gia đình và những người thân. Qua đây 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 Dũng ii
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ ii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ......................................................vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ....................................................................................ix DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .......................................................................... x LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1 i. Xuất xứ đề tài ...................................................................................................................... 1 ii. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................................ 2 iii. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................................ 2 iv. Phương pháp nghiên cứu.................................................................................................... 2 v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ............................................................................. 3 vi. Bố cục của luận án.............................................................................................................. 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ................................................................................... 5 1.1. Hiện trạng chất lượng không khí ...................................................................................... 5 1.1.1. Tiêu chí đánh giá chất lượng môi trường không khí ........................................................................... 5 1.1.2. Hiện trạng chất lượng không khí ......................................................................................................... 6 1.2. Tổng quan sự phát triển các phương tiện giao thông ở Việt Nam ................................... 10 1.2.1. Sự phát triển các phương tiện giao thông ở Việt Nam ..................................................................... 10 1.2.2. Tiêu chuẩn phát thải từ động cơ diesel .............................................................................................. 12 1.2. Tình hình nghiên cứu giảm phát thải độc hại cho động cơ diesel trên thế giới và Việt Nam 16 1.2.1. Giảm phát thải NOx .......................................................................................................................... 18 1.2.2. Giảm phát thải hạt CO, HC và PM .................................................................................................... 20 1.2.3. Bộ lọc hạt (DPF) ............................................................................................................................... 22 1.3. Tổng hợp nghiên cứu giảm phát thải cho xe tải nhẹ sử dụng động cơ diesel trên thế giới và Việt Nam .......................................................................................................................... 24 1.3.1. ghiên cứu giảm phát thải cho động cơ diesel trên thế giới ............................................. 24 1.3.2. ghiên cứu giảm phát thải cho động cơ diesel ở Việt am .............................................. 29 1.3.3. Tính cấp thiết của đề tài .................................................................................................................... 30 1.3.4. Cách tiếp cận vấn đề của đề tài ......................................................................................................... 31 1.4. Kết luận chương 1 .......................................................................................................... 32 iii
CHƯƠNG 2. CƠ CHẾ HÌNH THÀNH CÁC CHẤT ĐỘC HẠI TRONG KHÍ THẢI CỦA ĐỘNG CƠ VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG BỘ XỬ LÝ KHÍ THẢI............................................................................................... 33 2.1. Sự hình thành các chất độc hại trong khí thải động cơ .................................................. 33 2.1.1. Mônôxit cácbon (CO) .................................................................................................................... 33 2.1.2. Hyđrô cácbon (HC) ........................................................................................................................ 33 2.1.3. Ôxit nitơ ( Ox) .............................................................................................................................. 34 2.1.4. Phát thải dạng hạt (PM) .................................................................................................................. 34 2.2. Cơ sở l th ết t nh toán ch tr nh c ng tác của động cơ trên ph n ề AV - Boost . 36 2.2.1. Giới thiệu chung ............................................................................................................................. 36 2.2.2. Các phương trình cơ bản ................................................................................................................ 36 2.2.3. Các mô hình điều kiện biên ............................................................................................................ 39 2.2.3.1. Mô hình trao đổi nhiệt .................................................................................................................... 39 2.2.3.2. Mô hình nạp thải ............................................................................................................................ 42 2.2.3.3. Mô hình cháy AVL-MCC ............................................................................................ 43 2.3. Cơ sở lý thuyết mô phỏng quá trình hình thành phát thải của động cơ diesel ................ 47 2.3.1. Mô phỏng quá trình hình thành NOx ............................................................................................. 47 2.3.2. Mô phỏng quá trình hình thành CO................................................................................................ 48 2.3.3. Mô phỏng quá trình hình thành soot .............................................................................................. 48 2.4. Cơ sở lý thuyết mô phỏng giải pháp xử lý phát thải cho động cơ diesel ......................... 50 2.4.1. Mô phỏng bộ xử lý xúc tác SCR .................................................................................................... 50 2.4.2. Mô phỏng bộ xúc tác ô xy hóa DOC .............................................................................................. 53 2.4.3. Mô phỏng bộ lọc chất thải hạt DPF................................................................................................ 54 Kết luận chương 2 ................................................................................................................. 60 CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ XÚC TÁC DOC, DPF VÀ SCR TRÊN ĐỘNG CƠ DIESE XE TẢI NHẸ ............................................ 61 3.1. Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ D4BB .................................................................. 61 3.1.1. Thông số kỹ thuật cơ bản xây dựng mô hình mô phỏng trên AVL - Boost ...................................... 61 3.1.2. Mô hình mô phỏng động cơ D4BB ................................................................................................... 62 3.1.3. Đánh giá độ chính xác của mô hình .................................................................................................. 63 3.1.4. Xây dựng mô hình xử lý khí thải DOC-DPF-SCR ............................................................................ 66 3.1.5. Kết quả mô phỏng phát thải của động cơ khi sử dụng DOC, DPF và SCR ...................................... 70 3.2. Thiết kế tổng thể bộ xúc tác DOC, DPF và SCR trên động cơ D4BB ............................. 77 3.2.1. Sơ đồ bố trí hệ thống xử lý khí thải ............................................................................... 77 3.2.2. Xác định vị trí và phương pháp lắp đặt hệ thống xử lý khí thải .................... 78 iv
3.3. Thiết kế chế tạo bộ xúc tác DOC, DPF và SCR.............................................................. 79 3.3.1. Thiết kế, chế tạo vỏ bọc cho bộ xử lý xúc tác ................................................................................... 79 3.3.2. Tính toán, thiết kế hệ thống phun urê ................................................................................................ 83 3.4 Kết luận chương 3 ........................................................................................................... 93 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM BỘ XÚC TÁC DOC, DPF VÀ SCR DÙNG CHO ĐỘNG CƠ DIESE XE TẢI NHẸ D4BB ...................................... 95 4.1. Mục đ ch thử nghiệm ...................................................................................................... 95 4.2. Thiết bị thử nghiệm ........................................................................................................ 95 4.2.1. Băng thử động lực học ...................................................................................................................... 96 4.2.2. Thiết bị phân tích khí thải FTIR ...................................................................................................... 100 4.2.3. Thiết bị đo độ khói Smoke Meter AVL 451S ................................................................................. 101 4.2.4. Động cơ thử nghiệm ........................................................................................................................ 102 4.3. Điều kiện thử nghiệm.................................................................................................... 102 4.4. Bố tr , phương pháp và chương tr nh thử nghiệm ........................................................ 103 4.4.1. Bố trí lắp đặt và hiệu chỉnh động cơ trên băng thử ......................................................................... 103 4.4.2. Phương pháp và chương trình thử nghiệm ...................................................................................... 103 4.5. Kết quả thử nghiệm và thảo luận .................................................................................. 104 4.5.1. Đặc tính vòi phun urê ...................................................................................................................... 104 4.5.2. Đặc tính nhiệt độ khí thải khi đi qua các bộ xử lý khí thải .............................................................. 105 4.5.3. Ảnh hưởng lượng phun urê đến phát thải NOx ................................................................................ 106 4.5.4. Đánh giá tính năng kinh tế và kỹ thuật của động cơ trước và sau khi lắp các bộ xử lý khí thải...... 108 4.5.5. Đánh giá chất lượng phát thải của động cơ khi lắp các bộ xử lý khí thải ........................................ 109 4.6. Đánh giá kết quả mô phỏng và thực nghiệm khi áp dụng các giải pháp xử lý khí thải .. 114 4.7. Kết luận chương 4 ........................................................................................................ 115 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .......................................................... 116 Kết luận ............................................................................................................................... 116 Hướng phát triển ................................................................................................................. 116 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ................ 118 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 119 PHỤ LỤC LUẬN ÁN.......................................................................................... PL1 PL.1. Trích bản tóm tắt kết quả mô phỏng tại tốc độ 2200 vòng/phút, toàn tải ....................PL1 PL.2 Thông số của thiết bị thử nghiệm .................................................................................PL6 v
PL.3 Kết quả thử nghiệ theo đường đặc tính ngoài ......................................................... PL11 PL.4 Kết quả thử nghiệ theo đường đặc tính tải .............................................................. PL13 vi
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Ký hiệu Diễn giải Đơn vị Air Quality Index- Chỉ số đánh giá chất lượng không AQI - khí CO Mônôxit cácbon - HC Hyđrô cácbon - PM Phát thải hạt - NOx Ôxít nitơ - SOx Ôxít lưu huỳnh - EMBARQ Viện tài nguyên thế giới Mỹ - DOC Diesel Oxidation Catalyst (bộ xúc tác ôxy hóa) - EGR Exhaust Gas Recirculation (hệ thống luân hồi khí thải) - DPF Diesel Particulate Filter (bộ lọc phát thải hạt) - Volatile Organic Compounds (hàm lượng hỗn hợp các VOCs - chất hữu cơ độc hại bay lên trong không khí) HSU Hartridge Smoke Unit PM10 Phát thải hạt có kích thước nhỏ hơn 10 µm - TSP Tổng lượng bụi lơ lửng trong không khí - TCCP Tiêu chuẩn cho phép - TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam - PM-cat Bộ lọc phát thải hạt (dạng lọc bề mặt) - SCR Selective Catalyst Reduction (bộ xúc tác khử NOx) - CRT Continuous Regeneration Trap (bộ lọc tái sinh liên tục) - Sintered Metal Filter (bộ lọc phát thải hạt có trang bị sợi SMF - đốt) LNT Lean NOx Trap (bộ xúc tác hấp thụ NOx) - Soot Bồ hóng -  Hệ số dư lượng không khí - HAP Hyđrô cácbon thơm mạch vòng - SV Space Velocity (tốc độ không gian) m/s SCRT Hệ thống xử lý khí thải tổng hợp gồm CRT và SCR - vii
AVL-Boost Phần mềm mô phỏng một chiều của hãng AVL (Áo) - AVL-MCC Mô hình cháy của hãng AVL MP Mô phỏng - TN Thực nghiệm - NCS Nghiên cứu sinh - CPSI Mật độ lỗ cell/inch2 Chu trình thử châu Âu ở chế độ tĩnh đối với động cơ xe ECE R49 - tải hạng nặng và xe khách PWM Độ rộng xung vuông (Pulse Width Modulation) - ECU Bộ điều khiển phun dung dịch muối urê - FTIR Thiết bị phân tích khí thải - PID Bộ điều khiển vòng lặp kín - USB Cổng giao tiếp máy tính - COM Cổng giao giao tiếp máy tính dạng nối tiếp - Smoke Độ khói - viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Mức điểm của chỉ số AQI...............................................................................5 Bảng 1.2. Giới hạn các thông số cơ bản trong không khí xung quanh ...........................6 Bảng 1.3. Thống kê số vị trí quan trắc môi trường có nồng độ ô nhiễm vượt QCVN trên địa bàn TP. Hà Nội năm 2014 [3] ............................................................................8 Bảng 1.4. Số liệu quan trắc giao thông trên địa bàn thành phố Hà Nội năm 2017 và 6 tháng đầu năm 2018 (µg/m3) [3] .....................................................................................8 Bảng 1.5. Ước tính phát thải của một số nguồn ô nhiễm chính ở Hà Nội [5].................9 Bảng 1.6. Tiêu chuẩn và phương pháp thử đối với ô tô đang lưu hành tại một số nước ở khu vực Châu Á ..........................................................................................................14 Bảng 1.7. Các biện pháp giảm phát thải trên động cơ diesel ........................................16 Bảng 2.1. Các hệ số của phương trình trao đổi nhiệt tại cửa nạp và thải .....................42 Bảng 2.2. Chuỗi phản ứng hình thành NOx. .................................................................47 Bảng 3.1. Các thông số kết cấu của động cơ D4BB .....................................................62 Bảng 3.3. Thông số mô phỏng bộ xúc tác ôxy hóa DOC cho động cơ diesel D4BB ...68 Bảng 3.4. Thông số mô phỏng bộ lọc DPF cho động cơ diesel D4BB ........................68 Bảng 3.5. Thông số mô phỏng bộ xúc tác SCR cho động cơ diesel D4BB ..................69 Bảng 3.6. Thông số kết cấu cơ bản của các bộ xử lý khí thải .......................................76 Bảng 3.7. So sánh kết quả mô phỏng sự thay đổi các thành phần phát thải .................77 Bảng 3.8. Chu kỳ và các dải lượng phun urê ................................................................ 88 Bảng 4.1. Kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm khi áp dụng các giải pháp giảm phát thải tại chế độ 2200 vg/ph, 100% tải ...........................................................................114 ix
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Biểu đồ so sánh chỉ số PM 2.5 của thành phố Hà Nội ......................................7 Hình 1.2. Hình ảnh ô nhiễm môi trường trên địa bàn thành phố Hà Nội .......................7 Hình 1.3. Số liệu ô tô sử dụng động cơ xăng từ năm 2013 đến 2017........................... 11 Hình 1.4. Số liệu ô tô sử dụng động cơ diesel từ năm 2013 đến 2017 .........................12 Hình 1.5. Tiêu chuẩn khí thải đối với các xe ôtô hạng nhẹ của EU và các nước Châu Á [6]...................................................................................................................................13 H nh 1. . Các giải pháp giảm phát thải PM và Ox nh m hướng tới các tiêu chuẩn Châu Âu [7] ...................................................................................................................17 Hình 1.7. Sơ đồ hệ thống luân hồi khí thải EGR .......................................................... 18 Hình 1.8. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống SCR [9]........................................18 Hình 1.9. Hiệu quả giảm phát thải độc hại trên động cơ diesel của bộ xúc tác ôxy hóa DOC [20] .......................................................................................................................20 Hình 1.10. Cấu tạo bộ xúc tác ôxy hóa DOC ............................................................... 21 Hình 1.11. Lọc khối và lọc bề mặt ................................................................................23 Hình 1.12. Ảnh hưởng của luân hồi khí thải đến lượng phát thải NOx [8]...................25 H nh 1.13. Phát thải HC và lưu lượng tích lũy phát thải hạt tăng theo t lệ luân hồi ( EGR) .............................................................................................................................. 25 Hình 1.14. T lệ cắt giảm NOx theo các chu trình thử khác nhau (giá trị ghi trên các cột là mức phát thải theo g/km trước và sau khi sử dụng hệ thống giảm phát thải) .....26 Hình 1.15. T lệ cắt giảm CO theo các chu trình thử khác nhau (giá trị ghi trên các cột là mức phát thải theo g/km trước và sau khi sử dụng hệ thống giảm phát thải) ...........27 Hình 1.16. Biểu đồ so sánh khả năng cắt giảm phát thải NOx theo các công nghệ khác nhau ............................................................................................................................... 27 H nh 1.1 . Hiệu quả cắt giảm phát thải theo chu trình thử ECE R4 .......................... 28 Hình 2.1. Mô hình cân b ng năng lượng trong xylanh .................................................37 Hình 2.2. Giao diện khai báo thông số cơ bản của bộ SCR..........................................53 Hình 2.3. Giao diện khai báo các thông số bộ DOC.....................................................54 Hình 2.4. Cấu trúc phần tử DPF trong phần mềm AVL-Boost ....................................55 Hình 2.5. Cấu trúc của monolith ...................................................................................56 Hình 2.6. Phân bố bồ hóng ........................................................................................... 58 Hình 2.7. Lựa chọn phản ứng tái sinh lọc của phần tử DPF trong AVL-Boost ...........60 Hình 3.2. Đánh giá độ hội tụ của kết quả mô phỏng ....................................................64 Hình 3.3. So sánh công suất, mô men và suất tiêu hao nhiên liệu ở đặc tính ngoài giữa mô phỏng và thực nghiệm ............................................................................................. 64 Hình 3.4. So sánh thành phần phát thải NOx giữa mô phỏng và thực nghiệm .............64 Hình 3.5. So sánh thành phần phát thải CO giữa mô phỏng và thực nghiệm...............65 Hình 3.6. So sánh thành phần phát thải soot giữa mô phỏng và thực nghiệm .............65 x
Hình 3.7. Quy trình mô phỏng ......................................................................................67 Hình 3.8. Mô hình mô phỏng động cơ D4BB khi kết hợp các biện pháp giảm phát thải DOC - DPF - SCR .........................................................................................................70 Hình 3.9. Sự thay đổi hàm lượng CO theo chiều dài bộ xúc tác tại chế độ Nemax và Memax .............................................................................................................................. 71 Hình 3.10. Sự thay đổi hàm lượng soot theo chiều dài bộ xúc tác tại chế độ Nemax và Memax .............................................................................................................................. 71 Hình 3.11. Sự thay đổi nhiệt độ khí thải qua bộ xúc tác ô xy hóa DOC ......................72 Hình 3.12. Ảnh hưởng của thông số lọc DPF tới tính năng kỹ thuật của động cơ .......72 Hình 3.13. Ảnh hưởng của thông số lọc DPF tới chênh áp đường thải ........................73 Hình 3.14. Ảnh hưởng của thông số lọc DPF hiệu suất lọc soot ..................................73 Hình 3.15. Kết quả mô phỏng sự thay đổi NOx và hiệu suất khử với chiều dài SCR khác nhau, mật độ lỗ 300 CPIS, ở chế độ Nemax và Memax .............................................75 Hình 3.16. Kết quả mô phỏng sự thay đổi NOx và hiệu suất khử với chiều dài SCR khác nhau, mật độ lỗ 400 CPIS, ở chế độ Nemax và Memax .............................................75 Hình 3.17. Kết quả mô phỏng sự thay đổi NOx và hiệu suất khử với chiều dài SCR khác nhau, mật độ lỗ 500 CPIS, ở chế độ Nemax và Memax .............................................76 Hình 3.18. Sơ đồ bố trí bộ xúc tác DOC-DPF-SCR trên động cơ diesel D4BB ..........77 Hình 3.19. Lõi bộ xúc tác DOC-DPF-SCR ..................................................................79 Hình 3.22. Cấu tạo của vỏ lắp bộ xúc tác DOC, DPF và SCR .....................................80 Hình 3.21. Phần vỏ chứa lõi bộ xúc tác ........................................................................81 Hình 3.22. Ống côn nối vỏ bộ xúc tác ..........................................................................81 Hình 3.23. Vị trí bắt cảm biến của bộ xúc tác .............................................................. 82 Hình 3.24. Bích nối các bộ xúc tác và lắp lên động cơ ................................................82 Hình 3.25. Vỏ bộ xúc tác DPF sau khi được chế tạo ....................................................83 Hình 3.26. Ống thủy phân urê.......................................................................................83 Hình 3.27. Ống thủy phân urê lắp với bộ xúc tác SCR sau khi chế tạo .......................83 Hình 3.28. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bộ SCR .....................................................84 Hình 3.29. Phương pháp điều khiển PWM (a) và đặc tính điều khiển vòi phun urê (b) .......................................................................................................................................87 Hình 3.30. Các chu kỳ khác nhau cho bộ điều khiển xung PWM ................................ 88 Hình 3.31. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển lượng phun urê .........................................89 Hình 3.32. Sơ đồ mạch điều khiển ................................................................................89 Hình 3.33. Hình ảnh bộ điều khiển phun urê ................................................................ 90 Hình 3.34. Kết cấu và hoạt động của bơm urê loại con lăn ..........................................90 Hình 3.35. Bơm dung dịch urê......................................................................................91 Hình 3.36. Kết cấu vòi phun urê của hệ thống SCR .....................................................92 Hình 3.37. Hình dạng vòi phun urê ..............................................................................92 xi
Hình 3.38. Lắp hệ thống DOC-DPF-SCR lên động cơ D4BB .....................................93 Hình 4.1. Sơ đồ bố trí trang thiết bị thí nghiệm ............................................................ 96 Hình 4.2. Các kích thước cơ bản của phanh điện Alpha 160 .......................................97 Hình 4.3. Sơ đồ hệ thống làm mát AVL-553S-200 ......................................................98 Hình 4.4. Sơ đồ nguyên đo lượng tiêu thụ nhiên liệu của thiết bị AVL PLU 160 .......99 Hình 4.5. Sơ đồ nguyên lý của bộ kéo ga tự động THA – 100 ....................................99 Hình 4.6. Thiết bị phân tích khí thải FTIR .................................................................100 Hình 4.7. Các bộ phận và nguyên lý đo của thiết bị FTIR .........................................101 Hình 4.8. Thiết bị đo độ khói Smoke Meter AVL 415S.............................................102 Hình 4.9. Động cơ D4BB chạy khảo nghiệm .............................................................102 Hình 4.10. Động cơ D4BB với các bộ xử lý khí thải lắp trên băng thử .....................103 Hình 4.11. Đặc tính vòi phun urê................................................................................104 Hình 4.13. Hiệu suất khử NOx theo thời gian phun urê ứng với chế độ 100% tải tại tốc độ 1500 vg/ph và 2200 vg/ph ......................................................................................107 Hình 4.14. Hiệu suất khử NOx theo thời gian phun urê ứng với chế độ 10% và 50% tải tại tốc độ 2200 vg/ph ...................................................................................................107 Hình 4.15. Đặc tính phun urê theo nồng độ NOx........................................................108 Hình 4.16. Công suất và suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ trước và sau khi lắp bộ xử lý khí thải DOC, DPF và SCR................................................................................109 Hình 4.17. Phát thải Ox theo đường đặc tính ngoài .................................................109 Hình 4.18. Phát thải Ox theo đường đặc tính tải tại tốc độ 1500 vg/ph ..................110 Hình 4.19. Phát thải Ox theo đường đặc tính tải tại tốc độ 2200 vg/ph ..................110 Hình 4.20. Phát thải độ khói theo đường đặc tính ngoài ............................................111 Hình 4.21. Phát thải độ khói theo đường đặc tính tải tại tốc độ 1500 vg/ph ..............111 Hình 4.22. Phát thải độ khói theo đường đặc tính tải tại tốc độ 2200 vg/ph ..............111 Hình 4.23. Phát thải CO theo đường đặc tính ngoài ...................................................112 Hình 4.24. Phát thải HC theo đường đặc tính ngoài ...................................................112 Hình 4.25. Phát thải CO theo đường đặc tính tải tại tốc độ 1500 vg/ph .....................113 Hình 4.26. Phát thải CO theo đường đặc tính tải tại tốc độ 2200 vg/ph .....................113 Hình 4.27. Phát thải HC theo đường đặc tính tải tại tốc độ 1500 vg/ph .....................113 Hình 4.28. Phát thải HC theo đường đặc tính tải tại tốc độ 2200 vg/ph .....................114 xii
LỜI MỞ ĐẦU i. Xuất xứ đề tài Phương tiện giao thông vận tải nói chung và động cơ đốt trong nói riêng đã và đang góp phần quan trọng vào quá trình công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước nhưng mặt trái của nó cũng đang gây ra những tác động xấu đến môi trường, gây nguy hại cho sức khỏe của con người và làm suy giảm chất lượng cuộc sống nhất là cuộc sống ở các đô thị lớn. Khí thải từ các phương tiện tham gia giao thông hiện nay đang là một trong những tác nhân lớn nhất làm ảnh hưởng đến quá trình biến đổi khí hậu. Theo đánh giá của các chuyên gia, ô nhiễm không khí ở các đô thị lớn ở nước ta như Hà Nội, Tp. Hồ Chí Minh do phương tiện giao thông gây ra chiếm tỉ lệ khoảng 70%. Trong đó hàm lượng phát thải của các phương tiện sử dụng nhiên liệu diesel chiếm một t lệ đáng kể. Đối với động cơ sử dụng nhiên liệu xăng là tác nhân chính gây nên ô nhiễm CO và HC trong khi đó động cơ sử dụng nhiên liệu diesel lại là tác nhân chính gây ô nhiễm PM, NOx và SOx. Theo số liệu của Trung tâm quan trắc môi trường (Tổng cục Môi trường), chất lượng không khí Hà Nội ngày càng bị ô nhiễm nghiêm trọng, giá trị PM10 và PM2,5 đều vượt giới hạn cho phép, nhất là PM2,5, thành phần CO ở một số khu vực tại Hà Nội cũng vượt ngưỡng cho phép. Chỉ số chất lượng không khí (AQI) cũng khá cao, dao động trong tuần là từ 122 đến 178, hàm lượng lưu huỳnh trong dầu diesel vẫn ở mức cao (0,05% S). Theo báo cáo của Bộ Giao thông Vận tải, đến thời điểm 15/3/2018, tổng số phương tiện cơ giới đường bộ đã đăng ký trong cả nước là 55.138.589 xe mô tô và 3.769.126 xe ô tô [6]. Sự phát triển của kinh tế đất nước, nhu cầu đi lại, vận chuyển hàng hóa của người dân tăng nhanh dẫn tới số lượng các phương tiện giao thông tăng nhanh, đặc biệt là các phương tiện sử dụng nhiên liệu diesel xe tải hạng nhẹ tăng nhanh nhất trong nhóm các phương tiện sử dụng nhiên liệu diesel [6]. Trong những năm qua, nhận rõ ảnh hưởng của xe buýt đến chất lượng không khí đô thị nên xe buýt đã được đầu tư nâng cấp b ng những xe mới, sử dụng CNG hay nghiên cứu sử dụng những giải pháp công nghệ để giảm phát thải [33-35]. Trong khi đó, do kích thước nhỏ gọn dễ đi lại trong khu vực đô thị có đặc điểm đường nhỏ hẹp, xe tải nhẹ đã dần trở nên phổ biến và là một trong những phương tiện chuyên chở hàng hóa trong các khu đô thị. Các phương tiện xe tải nhẹ nói trên đa phần được lắp ráp trong nước và các loại xe tải ben cỡ nhỏ (1-3 tấn), các dòng xe tải này đều sử dụng công nghệ cũ, đa phần các xe này đều chưa lắp bộ xúc tác khí thải hoặc đã cũ trong khi hàm lượng phát thải độc hại lớn, chất lượng động cơ thấp. Vì vậy nghiên 1
cứu sinh sẽ lựa chọn xe tải nhẹ là đối tượng nghiên cứu. hư đã trình bày ở trên, ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng, phương tiện giao thông là đối tượng chính gây lên tình trạng ô nhiễm môi trường nêu trên, số lượng các phương tiện không ngừng tăng gây lên tình trạng ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng, việc giảm các thành phần ô nhiễm này là yêu cầu quan trọng. Quyết định số 16/201 /QĐ-TTg của thủ tướng quy định mức tiêu chuẩn khí thải của xe ô tô tham gia giao thông và xe ô tô đã qua sử dụng nhập khẩu, theo đó tiêu chuẩn khí thải với các xe đang lưu hành sẽ được thắt chặt hơn. Vì vậy nghiên cứu để giảm các thành phần khí thải độc hại từ khí thải xe ô tô đang lưu hành là yêu cầu cần thiết, các giải pháp liên quan đến thay đổi kết cấu động cơ ô tô mang lại hiệu quả đáng kể, tuy nhiên giải pháp này không phù hợp với xe ô tô đang lưu hành do phải thay đổi kết cấu của động cơ. Giải pháp sử dụng các bộ xúc tác là giải pháp hiệu quả và có tính khả thi cao đã được áp dụng ở nhiều nước trên thế giới, tuy nhiên tại Việt Nam, giải pháp này vẫn chưa được nghiên cứu, vì vậy cứu sinh lựa chọn đề tài “Nghiên cứu giảm phát thải độc hại cho động cơ diesel xe tải nhẹ đang lưu hành” làm luận án tốt nghiệp nh m góp phần giải quyết các yêu cầu về ô nhiễm môi trường nói trên. ii. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu luận án nh m: - Đưa ra giải pháp công nghệ khả thi giảm đáng kể thành phần độc hại CO, HC, NOx và PM của động cơ. - Mô phỏng, thiết kế các bộ xúc tác nh m giảm phát thải CO, HC, NOx, PM cho động cơ. - Chế tạo và đánh giá hiệu quả khi trang bị các bộ xúc tác giảm phát thải cho động cơ. iii. Phạm vi nghiên cứu - Luận án nghiên cứu trên động cơ diesel D4BB lắp trên xe tải nhẹ, nhiên liệu thử nghiệm là diesel truyền thống. - Luận án được thực hiện trong phòng thí nghiệm để xác định các thông số đầu vào cho mô hình và tiến hành đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ trước và sau khi lắp thêm các bộ xúc tác. iv. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm. 2
Phần nghiên cứu lý thuyết gồm nghiên cứu cơ sở lý thuyết của các phương pháp giảm phát thải trên động cơ diesel. Nghiên cứu mô phỏng tính năng kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ D4BB từ đó mô phỏng tính toán kích thước các bộ xúc tác, mô phỏng đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ khi lắp bộ xúc tác. Phương pháp nghiên cứu thử nghiệm khi động cơ được trang bị thêm bộ xúc tác DOC, DPF, SCR. Trong đó, bao gồm các thử nghiệm tiến hành trong phòng thí nghiệm. v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài * Ý nghĩa khoa học Đề tài góp phần làm rõ các phương án giảm phát thải có thể áp dụng trên xe tải nhẹ ở điều kiện Việt Nam, chỉ ra giải pháp tốt nhất xét trên chỉ tiêu giảm phát thải và tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ. Đề tài đánh giá hiệu quả của việc lắp bộ xúc tác xử lý khí thải cho động cơ lắp xe tải nhẹ đang lưu hành, kết quả của luận án góp phần giảm đáng kể thành phần phát thải CO, HC, NOx và PM cho xe tải nhẹ đang lưu hành, góp phần giảm ô nhiễm môi trường. * Ý nghĩa thực tiễn Bộ xúc tác được thiết kế chế tạo và lắp trên động cơ xe tải nhẹ giúp giảm thành phần phát thải CO, HC, CO2, NOx và bồ hóng, kết quả thử nghiệm cho thấy bộ xúc tác làm việc ổn định và an toàn. Kết quả này mở ra cơ hội có thể ứng dụng sản phẩm trong thực tế nh m giảm phát thải cho động cơ diesel nói chung. vi. Bố cục của luận án Luận án gồm phần mở đầu, bốn chương, phần kết luận và hướng phát triển, cụ thể như sau: Mở đầu: Giới thiệu tính cấp thiết, mục tiêu và phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án. Chương 1. Tổng quan Chương 2. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về hình thành khí thải và biện pháp giảm khí thải độc hại b ng bộ xúc tác trên động cơ Chương 3. Mô phỏng thiết kế và chế tạo bộ xúc tác DOC, DPF và SCR trên động cơ diesel xe tải nhẹ 3
Chương 4. Nghiên cứu thử nghiệm bộ xúc tác DOC, DPF và SCR trên động cơ xe tải hạng nhẹ Kết luận và hướng phát triển 4
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Hiện trạng chất lượng không khí 1.1.1. Tiêu chí đánh giá chất lượng môi trường không khí Ô nhiễm môi trường được đánh giá thông qua một số chỉ số, như chỉ số về chất lượng môi trường không khí AQI, chỉ số nồng độ bụi mịn PM 2.5 và một số chỉ số giới hạn các thông số cơ bản trong môi trường không khí. a) Chỉ số AQI Chỉ số AQI (Air Quality Index) là chỉ số được tính toán từ các thông số quan trắc các chất ô nhiễm trong không khí (CO, NO2, SO2, O3 và bụi...), nh m đánh giá tình trạng chất lượng không khí và mức độ ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Hiện tại, chỉ số AQI được chia làm 6 mức độ (Bảng 1.1), các mức độ này được Cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ (EPA) thiết lập và lấy làm chỉ số chung trên toàn thế giới. Giá trị chỉ số AQI càng cao thì mức độ ô nhiễm không khí càng lớn và càng tác động tiêu cực tới sức khỏe của con người. Bảng 1.1. Mức điểm của chỉ số AQI Chỉ số Tác động tới STT Ý nghĩa AQI sức khoẻ Chất lượng không khí tốt, sức khỏe không bị đe 1 0-50 dọa cũng như không có nguy hiểm nào đến tác Mức tốt động môi trường. Chất lượng không khí ở mức chấp nhận được nhưng lại ảnh hưởng sức khỏe đến một nhóm 2 51-100 Mức vừa phải người nhạy cảm. Ví dụ như những người liên quan đến các bệnh hô hấp, về mũi. Đối tượng ảnh hưởng đến sức khỏe nhiều nhất Mức không 3 101-150 trong nhóm này là người già và trẻ nhỏ, những tốt với nhóm người bị bệnh phổi hoặc liên quan đến hô hấp. nhạy cảm Đây là mức cao, không chí chất lượng thấp do ô Mức không 4 151-200 nhiễm môi trường và các tác động xung quanh. tốt Ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người. Đây là mức cảnh báo cao đối với sức khỏe cộng 5 201-300 đồng, môi trường sống bị ô nhiễm nặng và nguy Mức rất hại cơ mắc bệnh rất cao. Cảnh báo sức khoẻ: tất cả mọi người đều có nguy Mức nguy 6 301-500 cơ gặp phải các vấn đề về sức khoẻ nghiêm trọng. hiểm 5
b) Giới hạn các thông số cơ bản trong không khí xung quanh Giá trị giới hạn của các thông số cơ bản trong không khí xung quanh theo QCVN 05: 2013/BTNMT, quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng không khí xung quanh được giới thiệu tại Bảng 1.2. Bảng 1.2. Giới hạn các thông số cơ bản trong không khí xung quanh Trung bình Trung bình Trung bình Trung bình TT Thông số 1 giờ 8 giờ 24 giờ nă 1 SO2 350 - 125 50 2 CO 30.000 10.000 - - 3 NO2 200 - 100 40 4 O3 200 120 - - Tổng bụi lơ 5 300 - 200 100 lửng (TSP) 6 Bụi PM10 - - 150 50 7 Bụi PM2.5 - - 50 25 8 Pb - - 1.5 0.5 Ghi chú: dấu (-) là không quy định; đơn vị đo:µg/m3 1.1.2. Hiện trạng chất lượng không khí 1.1.2.1. Đánh giá chung về môi trường không khí Theo Chi cục Bảo vệ Môi trường (Sở Tài nguyên và Môi trường Hà Nội) [1], vào giờ cao điểm, nồng độ bụi tính trung bình của riêng thành phố Hà Nội gấp 4 lần tiêu chuẩn cho phép, nồng độ khí CO cao hơn 2,5 lần, hơi xăng cao hơn 12,1 - 2000 lần tiêu chuẩn cho phép. 6
Hình 1.1. Biểu đồ so sánh chỉ số PM 2.5 của thành phố Hà Nội Không khí ô nhiễm cũng là vấn đề khiến dư luận nhiều nước, bao gồm cả Việt Nam quan tâm. Mới đây ARIA Technologies - công ty chuyên cung cấp giải pháp phần mềm tính toán, mô phỏng ô nhiễm môi trường không khí và hỗ trợ dự báo khí tượng - cảnh báo r ng thành phố Hà Nội là một trong những đô thị có không khí bẩn nhất ở châu Á với nồng độ bụi cao gấp nhiều lần cho phép (Hình 1.1). Trong 06 nguồn gây ô nhiễm chính gồm: giao thông vận tải; sản xuất công nghiệp; xây dựng và dân sinh; nông nghiệp và làng nghề; chôn lấp và xử lý chất thải thì hoạt động giao thông vận tải được xác định là một trong những nguyên nhân gây ảnh hưởng lớn đến chất lượng môi trường không khí, có ảnh hưởng nguy hại đến sức khỏe của con người và gây ô nhiễm môi trường. Hình 1.2. Hình ảnh ô nhiễm môi trường trên địa bàn thành phố Hà Nội Với số lượng các loại phương tiện giao thông lớn, trong đó nhiều loại phương tiện giao thông có chất lượng kém vẫn đang lưu hành dẫn đến thải lượng ô nhiễm 7
không khí (Hình 1.2) từ hoạt động giao thông vận tải đang có xu thế gia tăng, đặc biệt là sự phát thải các khí CO, NO2, VOC (các thành phần chính trong khí thải động cơ). 1.1.2.2. Đánh giá chất lượng môi trường không khí Trong 3 tháng đầu năm 2017, số ngày chất lượng không khí ở mức “rất có hại cho sức khỏe” [2] gia tăng so với cùng kỳ năm 2016. Theo đó, chỉ số AQI trung bình của thành phố Hà Nội là 123 (AQI từ 101-200 thuộc nhóm kém, những người nhạy cảm cần hạn chế ra ngoài). Có 37 ngày nồng độ PM 2.5 trong 24h cao hơn so với giới hạn quy chuẩn quốc gia và 78 ngày vượt quá giới hạn theo hướng dẫn của Tổ chức Y tế thế giới, trong thời gian gần đây mức độ ô nhiễm ngày càng nghiêm trọng, chỉ số AQI luôn ở mức báo động. - Kết quả quan trắc môi trường Báo cáo tổng thể hiện trạng môi trường thành phố Hà Nội giai đoạn 2011-2015 thống kê các vị trí ô nhiễm không khí trên địa bàn thành phố Hà Nội được thể hiện tại các Bảng 1.3 và Bảng 1.4. Bảng 1.3. Thống kê số vị trí quan trắc môi trường có nồng độ ô nhiễm vượt QCVN trên địa bàn TP. Hà Nội năm 2014 [3] Thông số CO SO2 NO2 Benzen Độ ồn Số vị trí vượt QCVN 1 24 19 30 30 Tổng số vị trí quan trắc 30 30 30 30 30 T lệ 3% 80% 63% 100% 100% Bảng 1.4. Số liệu quan trắc giao thông trên địa bàn thành phố Hà Nội năm 2017 và 6 tháng đầu năm 2018 (µg/m3) [3] PHỐ MINH KHAI Thông số CO NO2 PM10 PM2.5 SO2 NO NOx O3 01/7/2017 - 1729.8 80.87 90.26 43.29 2.46 42.76 125.18 1.74 31/12/2017 01/01/2018 - 1802.9 26.80 112.56 51.11 1.91 21.27 57.99 6.09 30/06/2018 HÀ G ĐẬU CO NO2 PM10 PM2.5 Thông số - - - - (µg/m3) (µg/m3) (µg/m3) (µg/m3) 01/7/2017 - 5130.9 102.65 58.83 28.46 - - - - 8