Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu cải thiện quá trình cháy của động cơ diesel ở nhiệt độ thấp nhằm giảm phát thải ô nhiễm NOX và PM

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:100

Thêm vào BST

Báo xấu

17
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn "Nghiên cứu cải thiện quá trình cháy của động cơ diesel ở nhiệt độ thấp nhằm giảm phát thải ô nhiễm NOX và PM" được hoàn thành với mục tiêu nhằm nghiên cứu tổng quan về phát thải từ động cơ diesel và các giải pháp cải thiện quá trình cháy của động cơ diesel nhằm giảm phát thải NOx và PM; Xây dựng giải pháp chuyển đổi động cơ diesel truyền thống sang động cơ có điều khiển quá trình cháy nhiệt độ thấp để giảm thiểu phát thải NOx và PM trên động cơ diesel.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu cải thiện quá trình cháy của động cơ diesel ở nhiệt độ thấp nhằm giảm phát thải ô nhiễm NOX và PM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM --------- oOo -------- BÙI ĐỨC THẢO NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL Ở NHIỆT ĐỘ THẤP NHẰM GIẢM PHÁT THẢI Ô NHIỄM NOX VÀ PM LUẬN ÁN THẠC SỸ KỸ THUẬT Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM --------- oOo -------- BÙI ĐỨC THẢO NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL Ở NHIỆT ĐỘ THẤP NHẰM GIẢM PHÁT THẢI Ô NHIỄM NOX VÀ PM CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Mã số: 8520116 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS HOÀNG ANH TUẤN TP.HCM – 8/2020
LUẬN VĂN ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS HOÀNG ANH TUẤN Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS.TS Lê Hữu Sơn Cán bộ chấm nhận xét 2 : PGS.TS Phan Văn Quân Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Giao thông vận tải Tp. HCM ngày 28 tháng 8 năm 2020 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1. TS Lê Văn Vang Chủ tịch Hội đồng; 2. PGS.TS Lê Hữu Sơn Ủy viên, phản biện; 3. PGS.TS Phan Văn Quân Ủy viên, phản biện; 4. PGS.TSKH Đỗ Đức Lưu Ủy viên. 5. PGS.TS Đặng Xuân Kiên Ủy viên, thư ký; Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa. CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG VIỆN HÀNG HẢI TS Lê Văn Vang TS. Lê Văn Vang
MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ................................................................ IV DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................. VI TÓM TẮT LUẬN VĂN..................................................................................... VII 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI .................................................................... VII 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI ....................................................VIII 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU .................................................VIII 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....................................................................VIII 5. CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỂN CỦA LUẬN VĂN ............IX CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .................................................................................. 1 1.1. TỔNG QUAN VỀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL TRUYỀN THỐNG ....................................................................................................................... 1 1.1.1. Phát thải SOx ......................................................................................... 2 1.1.2. Phát thải CO2......................................................................................... 2 1.1.3. Phát thải CO .......................................................................................... 2 1.1.4. Phát thải HC .......................................................................................... 4 1.1.5. Phát thải NOx ........................................................................................ 5 1.1.6. Các hạt rắn ............................................................................................ 6 1.2. TỔNG QUAN VỀ CÁC GIẢI PHÁP GIẢM PHÁT THẢI NOX VÀ PM CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL TRUYỀN THỐNG ........................................................ 6 1.2.1 Những phương hướng để giảm ô nhiễm do khí thải động cơ đốt trong ............................................................................................................... 6 1.2.2. Các biện pháp kết cấu làm giảm khí thải ô nhiễm ............................. 8 1.3. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM VỀ QUÁ TRÌNH CHÁY NHIỆT ĐỘ THẤP ................................... 13 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................... 19 2.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH PHÁT THẢI NOX VÀ PM ....................................................................................................................... 19 i
2.1.1. Phát thải NOx ...................................................................................... 19 2.2.2. Phát thải PM ........................................................................................ 22 2.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH CHÁY NHIỆT ĐỘ THẤP VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ ĐẾN ĐẶC TÍNH CHÁY VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL ..................................................................................................................... 33 2.2.1 Mô hình đốt cháy khái niệm ................................................................. 33 2.2.2 Đặc tính cháy và tỏa nhiệt trong diesel PPCI ........................................ 41 2.2.3 Quá trình cháy trong PPCI .................................................................... 46 2.2.4 Sự phân tầng nhiệt và nhiên liệu trong PPCI ......................................... 49 2.3. ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH CHÁY NHIỆT ĐỘ THẤP ĐỐI VỚI ĐỘNG CƠ DIESEL .................................................................... 57 2.3.1. Phun mồi ............................................................................................. 60 2.3.2. Phun bổ sung ....................................................................................... 62 2.3.3. Phun muộn .......................................................................................... 63 2.3.4. Phun chính nhiều giai đoạn.................................................................. 64 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ................................................ 67 3.1. ĐẶT VẤN ĐỀ .................................................................................................... 67 3.1.1. Mục tiêu thử nghiệm ........................................................................... 67 3.1.2. Đối tượng và phạm vi thử nghiệm ....................................................... 67 3.1.3. Điều kiện thử nghiệm .......................................................................... 67 3.2. TRANG THIẾT BỊ THỬ NGHIỆM ............................................................... 68 3.2.1. Động cơ và thiết bị đo ......................................................................... 68 3.2.2. Thiết bị đo và nhiên liệu ...................................................................... 70 3.2.3. Tiến trình thử nghiệm .......................................................................... 71 3.3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN ................................................... 71 3.3.1. Đánh giá đặc tính công suất và suất tiêu hao nhiên liệu ....................... 71 ii
3.3.2. Đánh giá đặc tính cháy của động cơ ở chế độ cháy nhiệt độ thấp ......... 73 3.3.3. Đánh giá phát thải của động cơ ở chế độ cháy nhiệt độ thấp ................ 78 KẾT LUẬN- KIẾN NGHỊ .................................................................................. 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 83 iii
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Sơ đồ kết cấu hồi lưu khí xả ...................................................................... 8 Hình 1. 2. Sơ đồ nguyên lí của hệ thống hồi lưu khí xả động cơ Diesel[15] ............. 9 Hình 1. 3. Xử lý khí thải bằng phương pháp nhiệt [18] .......................................... 10 Hình 1. 4. Sơ đồ nguyên lý của SNCR[20] ............................................................ 11 Hình 1. 5. Xử lý khí thải bằng vật liệu nano[22] .................................................... 13 Hình 1. 6 Sự hình thành muội than và NOx trong mặt phẳng Φ -T với các vùng quan tâm được đơn giản hóa [13] .......................................................................... 16 Hình 1. 7 Đồ thị Φ-T chỉ ra các khu vực đơn giản hóa nơi xảy ra quá trình đốt cháy diesel và PCCI thông thường [14]. ......................................................................... 17 Hình 1. 8 Nhiệt độ được ghi lại của các điều kiện Φ và T đối với các trường hợp khói cao và thấp đối với khối lượng nhiên liệu được đốt cháy từ 20% (trên cùng) đến 80% (dưới cùng)[13]. ...................................................................................... 19 Hình 2. 1 (a) Minh họa về quá trình hình thành NOx và bồ hóng trong quá trình đốt diesel trong động cơ CI [21,27]; (b) Vùng vận hành LTC trên bản đồ φ-T [28, 29, 30, 31]. .................................................................................................................. 36 Hình 2. 2 Mô hình khái niệm về quá trình đốt cháy diesel DI trong phần đầu tiên của quá trình cháy có kiểm soát hoà trộn [38] [39]). (a) Sơ đồ trình tự thời gian trong giai đoạn đầu của quá trình cháy có kiểm soát hòa trộn. (b) quá trình cháy gần như ổn định của tia phun trong quá trình cháy kiểm soát hòa trộn.......................... 40 Hình 2. 3 Mô hình khái niệm cho quá trình đốt cháy nhiệt độ thấp (PCCI) có phun sớm [40] ................................................................................................................ 41 Hình 2. 4 Sự thay đổi của HRR cho PPCI phun trực tiếp sớm và muộn so với diesel thông thường ......................................................................................................... 42 Hình 2. 5 Trạng thái đánh lửa của n-heptane pha khí (a) phun sớm (ban đầu ......... 45 Hình 2. 6 Mô hình khái niệm cho quá trình đốt cháy diesel thông thường và LTC (EGR pha loãng) cho động cơ hạng nặng [34] ....................................................... 47 Hình 2. 7 Sự biến đổi của khí thải NOx và bồ hóng với EGR ở 8 bar IMEP cho (a) CR = 12.4 và (b) CR = 17.1 [43] ........................................................................... 48 iv
Hình 2. 8 Phương pháp LTC trong động cơ CI tiên tiến sử dụng xăng và dầu diesel dựa trên mức độ phân tầng trong xi lanh [44] ........................................................ 51 Hình 2. 9 Phương pháp phun nhiên liệu GDCI [47]. (b) Sự biến đổi của pha đốt cháy, COV của IMEP và ISNOx là chức năng của thời điểm phun cuối cùng ở mức EGR trung bình [46] .............................................................................................. 52 Hình 2. 10 Tối đa PRR, CA10 và CA50 so với thời gian DI trong động cơ PPCI [48]........................................................................................................................ 55 Hình 2. 11 Tốc độ giải phóng nhiệt cho phun đơn, đôi và ba trong đốt cháy PPC [50]........................................................................................................................ 56 Hình 2. 12 Tên gọi quy ước của các giai đoạn phun ............................................... 59 Hình 2. 13 Tác dụng của các giai đoạn phun [1] .................................................... 59 Hình 2. 14 Ảnh hưởng của phun mồi đến thời gian cháy trễ và tốc độ tăng áp suất của động cơ [5] ...................................................................................................... 61 Hình 2. 15. Ảnh hưởng của phun bổ sung đến hiệu suất và mức phát thải [6] ........ 62 Hình 2. 16. Quy luật phun chính một giai đoạn và phun chính 2 giai đoạn [4] ....... 65 Hình 2. 17. So sánh áp suất cháy và tốc độ tỏa nhiệt giữa phun chính 1 giai đoạn và PCNGĐ [4] ........................................................................................................... 66 Hình 3. 1 Sơ đồ bố trí động cơ thử nghiệm ............................................................ 68 Hình 3. 2 Ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu đến diễn biến áp suất và tốc độ tỏa nhiệt trong xylanh .................................................................................................. 75 Hình 3. 3 Diễn biến tốc độ tăng áp suất trung bình trong xylanh (MPRR) ............. 77 Hình 3. 4 Hiệu suất nhiệt chỉ thị ............................................................................ 78 Hình 3. 5. Phát thải NOx với các tỷ lệ sử dụng xăng khác nhau ............................. 79 Hình 3. 6 Phát thải PM với các tỉ lệ dùng xăng khác nhau ..................................... 80 v
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3. 1 Điều kiện hoạt động............................................................................... 68 Bảng 3. 2 Thông số kỹ thuật của động cơ .............................................................. 69 Bảng 3. 3 Thông số kim phun xăng điện tử ............................................................ 69 Bảng 3. 4 Thông số vòi phun diesel common rail .................................................. 70 Bảng 3. 5. Công suất động cơ ở đặc tính ngoài trên động cơ diesel chuyển đổi sang PCCI ở chế độ E-HPCC và L-HPCC với các mức độ sử dụng EGR khác nhau ở 100% tải ................................................................................................................ 71 Bảng 3. 6 Suất tiêu hao nhiên liệu động cơ ở đặc tính ngoài trên động cơ diesel chuyển đổi sang PCCI ở chế độ E-HPCC và L-HPCC với các mức độ sử dụng EGR khác nhau ở 100% tải ............................................................................................ 73 vi
TÓM TẮT LUẬN VĂN 1. Tính cấp thiết của đề tài Nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả phụ thuộc vào đặc điểm động cơ cũng như các thông số vận hành. Mặc dù, động cơ diesel có hiệu suất cao hơn động cơ đánh lửa cưỡng bức nhưng do quá trình cháy khuếch tán và làm việc với hệ số dư lượng không khí cao, trong sản phẩm cháy có chứa PM, PM và NOx, những chất ô nhiễm như CO, HC mà việc xử lí nó trên đường xả ngày nay vẫn còn nhiều vướng mắc về mặt kĩ thuật. Vấn đề cải tiến kết cấu nhằm hạn chế sự hòa trộn giữa khí cháy và khí chưa cháy, đặc biệt đối với động cơ dùng bộ chế hòa khí, nhưng vẫn không tránh khỏi sự thất thoát một bộ phận khí mới làm tăng sự phát sinh HC, CO và làm giảm tính năng kinh tế kĩ thuật của động cơ hai kì. Thêm vào đó, khi làm việc ở tải cục bộ, dạng động cơ này dễ làm tăng HC và CO. Một trong các giải pháp làm giảm tổn thất nhiên liệu trong quá trình quét khí là làm thay đổi sự phân bố độ đậm đặc của hỗn hợp nhiên liệu không khí trong xy lanh. Một giải pháp khác có hiệu quả hơn là phun nhiên liệu vào buồng cháy một khi cửa thải đã đóng, hoặc một giải pháp tiết kiệm hơn là phun nhiên liệu bằng không khí ở áp suất cao trích ra trong giai đoạn nén. Hiện nay, loại động cơ đang được phát triển đều nhằm mục đích tăng công suất, giảm phát thải và suất tiêu hao nhiên liệu. Để khắc phục được những hạn chế đồng thời vẫn giữ các ưu thế của động cơ hiện nay, nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới đang quan tâm đến một giải pháp tổng thể là phát triển động cơ hình thành hỗn hợp hai giai đoạn, cháy do nén và điều khiển quá trình cháy nhiệt độ thấp. Động cơ cháy do nén và hình thành hỗn hợp hai giai đoạn, trong đó một phần nhiên liệu được phun trên đường nạp và phần còn lại phun trực tiếp trong xi lanh, mang các ưu điểm của cả động cơ xăng (nhiên liệu hòa trộn tốt với không khí) và động cơ diesel (cháy do nén). Đồng thời có thể điều khiển được thời điểm cháy của hỗn hợp và động cơ làm việc được ổn định, liên tục nhờ phun nhiên liệu lần thứ hai trực tiếp trong buồng cháy. Phương pháp hình thành hỗn hợp và khái niệm cháy mới này vii
trong động cơ có thể giải quyết được cả vấn đề hiệu suất quá trình cháy và phát thải độc hại trên động cơ đốt trong cũng như an ninh năng lượng do sử dụng được các loại nhiên liệu tái tạo. Do đó, việc nghiên cứu để điều khiển quá trình cháy nhiệt độ thấp trong động cơ diesel được có tính cấp thiết và mang nhiều ý nghĩa khoa học. Vì vậy, học viên đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu cải thiện quá trình cháy của động cơ diesel ở nhiệt độ thấp nhằm giảm phát thải ô nhiễm NOX và PM”. 2. Mục đích nghiên cứu của đề tài - Nghiên cứu tổng quan về phát thải từ động cơ diesel và các giải pháp cải thiện quá trình cháy của động cơ diesel nhằm giảm phát thải NOx và PM; - Xây dựng giải pháp chuyển đổi động cơ diesel truyền thống sang động cơ có điều khiển quá trình cháy nhiệt độ thấp để giảm thiểu phát thải NOx và PM trên động cơ diesel; - Đánh giá các đặc công suất và phát thải của động cơ diesel khi hoạt động ở chế độ cháy nhiệt độ thấp. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Động cơ diesel tàu thủy 4 kỳ cơ nhỏ, khi hoạt động sau khi chuyển đổi phải đảm bảo tiêu chuẩn và tính chất đáp ứng được các tiêu chuẩn hiện hành. - Phạm vi nghiên cứu là nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ có công suất từ 50 đến 150 mã lực trên băng thử động lực khi tích hợp hệ thống hòa trộn hỗn hợp một phần trên đường nạp và điều khiển quá trình cháy nhiệt độ thấp nhằm so sánh và đánh giá đặc tính công suất và phát thải của động cơ chuyển đổi so với động cơ mẫu. 4. Phương pháp nghiên cứu - Dựa trên các yêu cầu, tiêu chuẩn và quy phạm đối với thiết kế, chế tạo thiết bị cũng như những yêu cầu về hệ thống nạp-thải sử dụng cho động cơ diesel; - Nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ nhằm điều chỉnh các tham số đầu vào và lựa chọn xử lý dữ liệu đầu ra; viii
- Phân tích và so sánh các dữ liệu đầu ra nhằm đánh giá đặc tính công suất và phát thải của động cơ trong trường hợp được nghiên cứu. 5. Cơ sở khoa học và ý nghĩa thực tiển của luận văn - Bước đầu xây dựng cơ sở khoa học minh chứng cho tiềm năng ứng dụng các giải pháp về điều khiển quá trình cháy nhiệt độ thấp cho động cơ diesel; - Kết quả nghiên cứu là giải pháp hữu hiệu trong việc nâng cao hiệu quả đốt cháy nhiên liệu và giảm phát thải NOx và PM vào môi trường. ix
Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về phát thải của động cơ diesel truyền thống Các parafin hydro-cácbon thường bị phản ứng cháy qua một quá trình bao gồm các olefin làm trung gian, thông thường là ethylen, tiếp sau là aldehyt hoặc các gốc tạo ô xy, và các ô xít các bon (CO), thường chuyển đổi sang CO2 thông qua các gốc OH [1]. Đối với các hydro-các bon thơm (aromatic), sự hình thành của CO tương đối sớm trong sơ đồ phản ứng hóa học ngược lại so với các parafin, mà thông thường chỉ hình thành ở giai đoạn cuối. Gốc butadien được biết như là một nhân tố tham gia quan trọng trong quá trình ô xy hóa các hydro-các bon thơm. Quá trình xảy ra với một số lượng lớn các phản ứng hóa học để tạo các thành phần như: vinyl acetylen, butadien và acetylen. Các thành phần này là các chất trung gian quan trọng để tạo muội. Do đó, có thể nhận thấy rằng, thành phần hydro-các bon thơm càng cao trong nhiên liệu diesel, khi cháy sẽ tạo ra nhiều hơn các phát thải độc hại trong khí thải [2]. Đối với động cơ Diesel thuỷ: hỗn hợp cháy nhiên liệu - không khí được hình thành nhờ phun nhiên liệu vào điều kiện nhiệt độ và áp suất không khí cao trong buồng đốt động cơ. Như chúng ta đã biết, nhiên liệu bao gồm các hydro-các bon sau khi cháy thì các sản phẩm cháy sẽ là nước và CO2. Tuy nhiên, do nhiên liệu không chỉ đơn thuần là các-bon và hydro, mà còn một số các chất khác nữa như lưu huỳnh, vanadi... và không phải lúc nào nhiên liệu cũng cháy hoàn toàn, nên thành phần khí thải sẽ bao gồm cả NOx, SOx, HC, CO. Chính những thành phần ngoài nước và đi ô xít các bon như nêu trên thải ra môi trường sẽ là nguyên nhân gây hiệu ứng nhà kính, mưa a xít, hay nói cách khác là làm ô nhiễm môi trường không khí của trái đất [3]. Tuy nhiên, bảo vệ môi trường và tăng trưởng kinh tế luôn là hai mục tiêu đối lập nhau, vậy nên vẫn phải thực hiện nhiệm vụ phát triển kinh tế song song với bảo vệ môi trường. Để có thể làm được như vậy, nhất thiết phải hiểu được cơ chế hình thành phát thải khi nhiên liệu cháy trong động cơ diesel một cách chi tiết. 1
1.1.1. Phát thải SOx Khí SOx tạo ra sau quá trình cháy có nguồn gốc chủ yếu từ lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu, hàm lượng phụ thuộc vào đặc tính của mỏ dầu và các phương pháp chưng cất [4]. Khí SOx bao gồm 06 hợp chất khác nhau bao gồm: SO (lưu huỳnh monoxit), SO2 (lưu huỳnh đioxit), SO3 (lưu huỳnh trioxit), S2O3 (lưu huỳnh seskioxit), S2O7 (lưu huỳnh heptoxic), tuy nhiên, SO2, SO3 là 02 khí chiếm tỷ lệ nhiều hơn cả với các thông số đặc trưng và thường được chọn đại diện cho họ Sox [2]. Khí SO2 có ảnh hưởng rất xấu tới quá trình hô hấp và hệ tuần hoàn máu trong cơ thể người. Khí SO2 còn gây mờ mắt và giảm thị lực. Quá trình cháy nhiên liệu trong động cơ Diesel, dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, lưu huỳnh tác dụng với oxy tạo thành SOx theo các phản ứng. S+ O2 ↔ SO2 (1) 2S + 3O2 ↔ 2SO3 (2) 1.1.2. Phát thải CO2 Khí CO2 có trong không khí một cách tự nhiên và cũng được hình thành khi đốt cháy nhiên liệu. Theo lý thuyết, nhiên liệu bị đốt cháy sẽ tạo thành khí CO 2 và hơi nước. Đối với nhiên liệu thông thường, tỷ lệ tương đối giữa các bon và hydro là 1:1,75 [5]. Khí CO2 phát thải từ đốt cháy nhiên liệu cùng với hơi nước (H2O) cho phép nhiệt mặt trời đến được trái đất, tuy nhiên, nó cũng hấp thụ bức xạ nhiệt và truyền lại trái đất. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng nhà kính. Hiệu ứng nhà kính làm trái đất nóng dần lên. Nếu lượng CO2 quá lớn sẽ gây ra biến đổi khí hậu và gây hậu quả xấu cho con người. Để làm giảm sự phát thải CO2 có thể thực hiện được thông qua việc giảm hàm lượng các bon trên một đơn vị năng lượng, hay nói cách khác là phải làm tăng hiệu suất nhiên liệu cháy trong động cơ. 1.1.3. Phát thải CO Khí CO là một loại khí độc hại, khí này được hình thành khi nhiên liệu cháy không hoàn toàn. Hàm lượng khí CO trong khí thải phụ thuộc vào tỷ số tương đối giữa lượng không khí - nhiên liệu thực tế và lượng không khí - nhiên liệu lý thuyết. 2
Trên thực tế, lượng CO trong khí thải động cơ diesel không nhiều và có thể giải quyết vấn đề này thông qua tăng lượng không khí vào động cơ [6]. Cacbon monoxit, công thức hóa học là CO, là một chất khí không màu, không mùi, bắt cháy và có độc tính cao. Nó là sản phẩm chính trong sự cháy không hoàn toàn của cacbon và các hợp chất chứa cacbon. Khí thải của động cơ đốt trong sau khi đốt các nhiên liệu gốc cacbon (gần như là bất kỳ nguồn nhiên liệu nào, ngoại trừ hydro nguyên chất) đều có chứa CO, đặc biệt với nồng độ cao khi nhiệt độ cháy quá thấp để có thể thực hiện việc ôxi hóa trọn vẹn các hydrocacbon trong nhiên liệu thành nước (dạng hơi) và cacbon dioxit, hoặc thời gian tồn tại trong buồng đốt quá ngắn và không đủ lượng oxy cần thiết [7]. Cơ chế hình thành CO trong quá trình cháy của động cơ diesel được chỉ ra như sau: (3) Thông thường, việc thiết kế và vận hành buồng đốt sao cho có thể giảm lượng CO là khó khăn hơn rất nhiều so với việc thiết kế để làm giảm lượng hydrocacbon chưa cháy hết. Tuy nhiên, CO lại có thể chuyển hóa khá dễ thành CO 2 khi phản ứng với Oxy trong khí xả: 2CO + O2 → 2CO2 (4) Khi ra khỏi động cơ, thông qua các quá trình tự nhiên trong khí quyển, CO cũng sẽ bị ôxi hóa thành cacbon dioxit. Nồng độ cacbon monoxit bị biến đổi trong không gian cũng như là tồn tại rất ngắn hạn trong khí quyển theo phản ứng: 5CO + O3 → 4CO2 + C (5) Khí CO là một loại khí độc hại, khí này được hình thành khi nhiên liệu cháy không sạch (thiếu ô xy). Vậy nên, hàm lượng khí CO trong khí thải phụ thuộc vào tỷ số tương đối giữa lượng không khí-nhiên liệu thực tế và lượng không khí - nhiên liệu lý thuyết. Trên thực tế, lượng CO trong khí thải động cơ diesel không nhiều và có thể giải quyết vấn đề này thông qua tăng lượng không khí vào động cơ [8]. 3
1.1.4. Phát thải HC Phát thải hydro - các bon (HC) bao gồm nhiên liệu không cháy hoặc chỉ cháy một phần. Thành phần của các hydro-các bon không cháy hết có thể ở dạng khí hoặc ở dạng rắn tồn tại dưới các hạt trong khí thải. Cơ chế hình thành các hydro - các bon không cháy ở động cơ diesel khác so với ở động cơ đánh lửa cưỡng bức [9]. Với động cơ đánh lửa cưỡng bức, sự hòa trộn nhiên liệu với không khí được thực hiện gần như đồng nhất và hydro - các bon không cháy được do chúng bị giấu kín ở nơi nào đó mà ngọn lửa không tiếp cận được. Những nơi này, trên thực tế thường là hốc giữa thành piston, thành vách xilanh và xéc măng thứ nhất của động cơ; trong khi ở động cơ diesel, nơi này chỉ có không khí nén mà thôi. Cơ chế hình thành các hydro - các bon không cháy như sau: Thứ nhất: Hỗn hợp nhiên liệu - không khí có thể quá giàu hoặc quá nghèo nhiên liệu được hình thành trước khi tự cháy xảy ra. Do hỗn hợp nhiên liệu - không khí có thể quá giàu (over-mixed) hoặc quá nghèo (over - lean) nhiên liệu được hình thành trước khi tự cháy xảy ra. Ở động cơ diesel, nhiên liệu được phun vào không khí nóng được nén dưới áp suất cao khi piston chuyển động đến gần điểm chết trên. Sau thời gian cháy trễ (tại thời điểm này, xảy ra hòa trộn giữa nhiên liệu và không khí và nhiên liệu được hâm nóng bởi không khí nóng), các phản ứng hóa học cháy xảy ra và chỉ những vùng có hỗn hợp không khí - nhiên liệu nằm trong giới hạn cháy là có thể cháy được; nhiên liệu mới được phun vào thuộc loại hỗn hợp cháy quá giàu, nên phải đợi đến khi tạo được hỗn hợp cháy hợp lý sẽ tiếp tục cháy [10]. Trong khi đó, một số nhiên liệu được phun vào động cơ trước khi sự cháy xảy ra (ignition) đã trộn với lượng không khí rất lớn và trở nên hỗn hợp quá nghèo để có thể cháy được; hỗn hợp này tiếp tục thực hiện trộn nữa cũng không đảo ngược được điều kiện này. Tiếp theo, các phản ứng hóa học nhiệt thấp có thể xảy ra, nhưng xảy ra rất chậm nên không thể đốt cháy hết lượng nhiên liệu này trong thời gian cho phép [11]. Nhiên liệu được phun vào sau thời điểm cháy sẽ không xảy ra hiện tượng trộn với quá nhiều không khí (over-mixed), bởi nó chỉ tạo được hỗn hợp cháy trong giới hạn cho phép và sau đó cháy luôn. Như vậy, lượng nhiên liệu phun vào buồng 4
đốt động cơ trong giai đoạn cháy trễ sẽ tạo hỗn hợp cháy quá giàu hoặc quá nghèo đã không tham gia quá trình cháy chủ yếu và là nguồn tạo nên các hydro - các bon không cháy trong buồng đốt động cơ diesel [12]. Thứ hai: Tạo các hydro - các bon không cháy. Nhiên liệu phun vào động cơ ở giai đoạn gần cuối quá trình cháy. Khi nhiên liệu được phun vào động cơ, tốc độ hòa trộn với không khí phụ thuộc vào tốc độ chuyển động tương đối của chúng. Sau khi phun kết thúc, phun nhiên liệu lần hai có thể xảy ra hoặc một lượng nhỏ nhiên liệu tồn tại do phun rớt vào buồng đốt. Nhiên liệu phun rớt này sẽ bốc hơi chậm và bằng cách nào đi nữa, thì nhiên liệu được phun vào buồng đốt ở giai đoạn này với tốc độ thấp, trong khi nhiệt độ trong buồng đốt giảm rất nhanh. Như vậy nhiên liệu sẽ không hòa trộn hiệu quả với không khí và hậu quả là nhiên liệu này sẽ không cháy hoặc chỉ cháy một phần. Đây chính là nguyên nhân tạo nên các hydro-các bon không cháy hết trong khí xả động cơ diesel. Một nguồn nữa cũng là nguyên nhân tạo HC không cháy hết, đó chính là hiện tượng vách xilanh bị nguội và không xảy ra tự cháy (misfire). Tuy nhiên hiện tượng không tự cháy ít khi xảy ra đối với động cơ diesel. Thường xuyên xảy ra hơn đó là nhiên liệu phun chạm vào vách xilanh, khi đó sự hòa trộn giữa nhiên liệu và không khí rất kém và hỗn hợp cháy bị chậm do vậy một lượng HC sẽ không cháy hết 1.1.5. Phát thải NOx Các hợp chất NOx được sinh ra từ quá trình cháy của hỗn hợp không khí và nhiên liệu trong buồng đốt động cơ diesel. Ở các động cơ diesel do có hệ số dư lượng không khí lớn nên lượng oxi dư và khí ni-tơ sau phản ứng cháy còn nhiều. Phần lớn khí ni-tơ không tham gia vào quá trình cháy được thoát ra khỏi xilanh động cơ theo khí xả, tuy nhiên có một lượng nhỏ ni-tơ bị oxi hoá tạo thành nhiều dạng oxyde ni-tơ và được gọi chung là khí NO x. Hàm lượng các chất NOx phụ thuộc vào nhiệt độ quá trình cháy, lượng ni-tơ trong nhiên liệu, lượng oxi và ni-tơ của không khí nạp dư thừa trong buồng đốt ở điều kiện nhiệt độ cao của quá trình cháy [13]. Khi nhiệt độ buồng đốt càng cao, khả năng hoạt hoá của ni-tơ càng mạnh và do đó lượng NOx hình thành càng nhiều. Như vậy tất cả các yếu tố làm tăng nhiệt 5
độ quá trình cháy trong xilanh động cơ đều làm tăng mức độ hình thành NO x trong khí xả. NOx trong buồng đốt động cơ được sinh ra từ hai nguồn và được phân biệt bởi NOx nhiệt và NOx nhiên liệu. NOx nhiệt được sinh ra do sự oxi hoá các phân tử ni- tơ có trong không khí nạp ở điều kiện nhiệt độ cao của quá trình cháy, còn NO x nhiên liệu được hình thành do sự oxi hoá ni-tơ có sẵn trong nhiên liệu, tuy nhiên lượng NOx nhiên liệu rất nhỏ do hàm lượng ni-tơ có trong nhiên liệu là không đáng kể. 1.1.6. Các hạt rắn Hạt rắn cùng với NOx thuộc dạng phát thải đang được thế giới quan tâm đặc biệt. Hạt rắn bao gồm muội, các hydro-các bon dễ hòa tan, các loại tro. Nồng độ các hạt rắn được đo bằng phương pháp áp dụng phin lọc ở 520C và tính bằng phương pháp cân phin lọc này [13]. Các hạt rắn được hình thành như các hạt nửa hình cầu và tạo thành các chuỗi. Muội thường được hình thành bên trong xilanh từ các hydro-các bon nặng trong pha khí với trạng thải khá đậm đặc ở nơi yếm khí tại lõi của tia phun nhiên liệu. Muội hình thành thông qua các phản ứng nhiệt phân: cần hỗn hợp giàu nhiên liệu và ở nhiệt độ cao. Để giảm thiểu được muội trong khí thải, cần thiết phải tăng tốc độ hòa trộn, có nghĩa là cần cải thiện hơn nữa hệ thống cấp nhiên liệu và tối ưu hóa không gian buồng đốt của động cơ. 1.2. Tổng quan về các giải pháp giảm phát thải NOx và PM của động cơ diesel truyền thống 1.2.1 Những phương hướng để giảm ô nhiễm do khí thải động cơ đốt trong Trước những yêu cầu bức thiết phải giảm sự ô nhiễm do khi xả động cơ diesel, người ta đã nghiên cứu để tìm ra các biện pháp để giảm lượng độc tố trong khi xả động cơ diesel. Hầu như tất cả các biện pháp đều nhằm vào việc cải thiện chất lượng quá trình cháy trong động cơ để giảm lượng độc tố tạo ra do sự cháy không tốt. Các biện pháp ngày nay được sử dụng nhiều là: 6
- Hoàn thiện kết cấu của động cơ: Cải thiện buồng đốt; cải thiện hệ thống nạp, xả; cải thiện hệ thống nhiên liệu; cải thiện quá trình cháy. - Biện pháp trong quá trình khai thác: Điều chỉnh các thông số hợp lý (điều chỉnh góc cấp, thời điểm cấp, thay đổi cường độ cháy, điều chỉnh áp suất phun hợp lý, điều chỉnh áp suất khí tăng áp và lượng không khí thừa )[9]. - Xử lý khí thải: + Biện pháp kết cấu + Hồi lưu khí xả (EGR) + Xử lý khí thải bằng phương pháp nhiệt; + Sử dụng chất xúc tác trung hoà khí xả (SCR); - Biện pháp thay đổi tính chất nhiên liệu: + Sử dụng chất phụ gia cho nhiên liệu; + Sử dụng nhiên liệu: nhiên liệu sạch, nhiên liệu sinh học, chất nhũ tương dầu nước. Nhìn chung, tất cả các biện pháp đang được sử dụng hiện nay đều có những khó khăn riêng của nó như: Đối với phương pháp hoàn thiện kết cấu động cơ hay điều chỉnh các thông số, khi giảm được lượng CO, S, khói trong khí xả thì lại làm tăng lượng NOx và ngược lại. Phương pháp sử dụng chất trung hoà khí xả hay hồi lưu khí xả thì không cải thiện được công suất động cơ, gây tốn kém khi khai thác. Sử dụng nhiên liệu sạch thì đắt. Trong điều kiện phải sử dụng lại những động cơ đã cũ như trong hoàn cảnh nước ta hiện nay thì cần phải sử dụng phương pháp giảm ô nhiễm khí xả mà vẫn đảm bảo tính kinh tế cho động cơ, nghĩa là đảm bảo được suất tiêu hao nhiên liệu, công suất động cơ mà không tăng thêm nhiều chi phí khi khai thác [10]. Hơn nữa lại hạn chế tác động đến kết cấu động cơ. Sử dụng chất nhũ tương dầu nước làm nhiên liệu có hạn chế là hỗn hợp nhũ tương dầu nước không bền, dễ bị phân tách.... Sử dụng chất xúc tác trung hoà khí xả về mặt kết cấu thay đổi không đáng kể nhưng hiệu quả giảm ô nhiễm môi trường rất hiệu quả, đây chính là hướng nghiên cứu của đề tài [11]. 7
Bảo vệ môi trường không phải chỉ là yêu cầu của từng nước, từng khu vực mà nó có ý nghĩa trên phạm vi toàn cầu. Tùy theo điều kiện của mỗi quốc gia, luật lệ cũng như tiêu chuẩn về ô nhiễm môi trường được áp dụng ở những thời điểm và với mức độ khắt khe khác nhau. Ô nhiễm môi trường do động cơ phát ra được các nhà khoa học quan tâm từ đầu thế kỉ 20 và nó bắt đầu thành luật ở một số nước vào những năm 50. Ở nước ta, luật bảo vệ môi trường có hiệu lực từ ngày 10-1-1994 và Chính phủ đã ban hành Nghị định số 175/CP ngày 18-10-1994 để hướng dẫn việc thi hành Luật bảo vệ môi trường. 1.2.2. Các biện pháp kết cấu làm giảm khí thải ô nhiễm Xe hơi là phương tiện hữu dụng nhưng cũng là một trong những nguồn gây ô nhiễm chủ yếu. Giảm nồng độ khí thải gây ô nhiễm là nhiệm vụ cơ bản của bất cứ nhà sản xuất ôtô nào. Ngay từ những năm 70 của thế kỷ trước, nhiều hãng ôtô đã nghiên cứu và chế tạo nhiều bộ phận để làm giảm lượng khí thải ra a. Hồi lưu khí xả (EGR): Hệ thống EGR được phát minh để kiểm soát mức độ ô nhiễm môi trường của xe hơi vào đầu những năm 1970, sớm hơn khoảng 2 năm so với hệ thống trung hòa khí thải bằng xúc tác. Hệ thống EGR làm giảm nồng độ NOx bằng cách tuần hoàn khí thải trở lại hệ thống nạp động cơ trong điều kiện có tải [12]. Hình 1.1 Sơ đồ kết cấu hồi lưu khí xả Tác dụng của hệ thống này là làm giảm nhiệt độ cháy đoạn nhiệt hay làm giảm nồng độ oxy trong động cơ diesel. Ngoài ra, khí thải tuần hoàn còn làm tăng nhiệt 8