BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
***
ĐINH XUÂN THÀNH
NGHIÊN CỨU GIẢM KHÍ THẢI ĐỘC HẠI
CHO ĐỘNG CƠ DIESEL TĂNG ÁP
LẮP TRÊN XE BUÝT
Chuyên ngành: Kỹ thuật động cơ nhiệt
Mã số: 62 52 34 01
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS PHẠM VĂN THỂ
2. PGS.TS LÊ ANH TUẤN
HÀ NỘI – NĂM 2012
- i -
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 05 năm 2012
Nghiên cứu sinh
Đinh Xuân Thành
- ii -
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Sau đại học,
Viện Cơ khí Động lực và Bộ môn Động cơ đốt trong đã cho phép tôi thực hiện luận án tại
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học và Viện Cơ khí
Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi làm luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phạm Văn Thể và PGS.TS Lê Anh Tuấn đã
hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và
hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ môn và Phòng thí nghiệm Động cơ đốt
trong - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện
hết sức thuận lợi để hoàn thành luận án này.
Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, Ban chủ nhiệm
Khoa Công nghệ Ôtô, Ban chủ nhiệm Khoa Tại chức và các thầy cô trong 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 phản biện, các thầy trong hội đồng
chấm luận án đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận
án này và định hướng nghiên cứu trong trương 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
Đinh Xuân Thành
- iii -
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................................................ ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................................................ vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................................................ viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .............................................................................................. ix
MỞ ĐẦU .................................................................................................................................................... 1
i. Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài .................................................................. 2
ii. Phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................................................................ 2
iii. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ........................................................................................................ 2
iv. Các nội dung chính trong đề tài ..................................................................................................... 3
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ...................................................................................................................... 4
1.1. Sự phát triển phƣơng tiện giao thông ở Việt Nam ......................................................................... 4
1.2. Tổng quan về ô nhiễm môi trƣờng do phát thải của phƣơng tiện giao thông ................................ 7
1.2.1. Các thành phần độc hại trong khí thải của động cơ .................................................................... 7
1.2.2. Tình hình phát thải ô nhiễm của phương tiện giao thông ở Việt Nam ......................................... 8
1.2.3. Tiêu chuẩn kiểm soát phát thải từ động cơ diesel ..................................................................... 10
1.3. Tình hình nghiên cứu giảm phát thải độc hại cho động cơ diesel ................................................ 13
1.3.1. Giới thiệu chung ..................................................................................................................... 13
1.3.2. Giảm phát thải NOx ................................................................................................................ 15
1.3.3. Giảm phát thải hạt (PM).......................................................................................................... 21
1.3.4. Nghiên cứu giảm phát thải cho động cơ diesel trên thế giới...................................................... 28
1.3.5. Nghiên cứu giảm phát thải cho động cơ diesel ở Việt Nam ...................................................... 32
1.4. Kết luận chƣơng 1 ......................................................................................................................... 32
CHƢƠNG 2. Ý THU ẾT VỀ HÌNH THÀNH VÀ CƠ Ở T NH TOÁN PHÁT THẢI Đ C H I
Đ NG CƠ DIE E ................................................................................................................................. 34
2.1. Cơ chế, điều kiện hình thành và các yếu tố ảnh hƣởng đến phát thải độc hại trong động cơ diesel
....................................................................................................................................................... 34
2.1.1. Mônôxit cácbon (CO) ............................................................................................................. 35
2.1.2. Hyđrô cácbon (HC) ................................................................................................................ 36
2.1.3. Ôxit nitơ (NOx) ....................................................................................................................... 38
2.1.4. Phát thải hạt (PM) ................................................................................................................... 40
2.1.5. Hợp chất chứa lưu huỳnh ........................................................................................................ 42
2.2. Cơ sở lý thuyết mô phỏng trên phần mềm AVL-Boost đánh giá khả năng giảm phát thải cho
động cơ diesel tăng áp .............................................................................................................................. 43
2.2.1. Giới thiệu chung ..................................................................................................................... 43
2.2.2. Phương trình nhiệt động học thứ nhất ...................................................................................... 44
2.2.3. Trao đổi nhiệt và trao đổi chất ................................................................................................. 46
2.2.4. Tính toán cụm tuabin máy nén ................................................................................................ 48
2.2.5. Mô hình cháy AVL-MCC ....................................................................................................... 49
2.2.6. Cơ sở lý thuyết mô phỏng quá trình hình thành và cắt giảm phát thải NOx và phát thải hạt cho
động cơ diesel ...................................................................................................................................... 52
- iv -
2.3. Kết luận chƣơng 2 ......................................................................................................................... 59
CHƢƠNG 3. T NH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ T O HỆ THỐNG UÂN HỒI KH THẢI VÀ ẮP
LỌC BỤI KHÓI CHO Đ NG CƠ DIE E TĂNG ÁP ......................................................................... 61
3.1. Đề xuất phƣơng án luân hồi khí thải (EGR) cho động cơ diesel tăng áp để giảm phát thải NOx 61
3.1.1. Phương án luân hồi áp suất cao ............................................................................................... 61
3.1.2. Phương án luân hồi áp suất thấp .............................................................................................. 61
3.2. Đề xuất phƣơng án giảm phát thải hạt (PM)................................................................................ 62
3.3. Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ D1146TI kết hợp với hệ thống luân hồi khí thải ............. 63
3.3.1. Các yêu cầu cơ bản khi xây dựng mô hình mô phỏng .............................................................. 63
3.3.2. Mô hình mô phỏng động cơ D1146TI ..................................................................................... 64
3.3.3. Kết quả mô phỏng động cơ sử dụng biện pháp luân hồi khí thải EGR ...................................... 66
3.3.4. Kết quả mô phỏng động cơ khi kết hợp biện pháp luân hồi khí thải, lọc phát thải hạt DPF và
DOC đến phát thải của động cơ D1146TI ............................................................................................. 72
3.4. Các yêu cầu trong quá trình thiết kế và bố trí hệ thống luân hồi, bộ DOC và DPF .................... 74
3.5. Thiết kế và chế tạo các bộ phận trong hệ thống luân hồi khí thải ............................................... 75
3.5.1. Thiết kế lắp đặt van định lượng khí thải EGR và hệ thống làm mát khí luân hồi ....................... 75
3.5.2. Thiết kế và chế tạo ống venturi ............................................................................................... 76
3.5.3. Bố trí tổng thể hệ thống luân hồi khí thải trên động cơ ............................................................. 78
3.5.4. Thiết kế hệ thống điện tử điều khiển van định lượng khí thải EGR ........................................... 79
3.6. Thiết kế lắp bộ lọc phát thải hạt DPF và bộ xúc tác DOC trên đƣờng thải của động cơ............. 82
3.6.1. Thiết kế lắp bộ lọc DPF .......................................................................................................... 82
3.6.2. Thiết kế bộ xúc tác ôxy hóa DOC............................................................................................ 83
3.6.3. Vị trí lắp đặt bộ xúc tác DOC và bộ lọc DPF ........................................................................... 84
3.7. ơ đồ bố trí chung hệ thống giảm phát thải hạt (PM) và NOx trên động cơ diesel tăng áp ......... 85
3.8. Kết luận chƣơng 3 ......................................................................................................................... 85
CHƢƠNG 4. TH C NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ .................................................................................... 87
4.1. Mục tiêu và phạm vi thử nghiệm .................................................................................................. 87
4.2. Thiết bị thử nghiệm ...................................................................................................................... 87
4.2.1. Băng thử động lực học cao ETB dùng cho động cơ xe tải hạng nặng ........................................ 87
4.2.2. Hệ thống đo phát thải khí ........................................................................................................ 91
4.2.3. Thiết bị đo phát thải hạt (Smart Sampler) ................................................................................ 94
4.2.4. Thiết bị đo độ khói Smoke Meter AVL415 .............................................................................. 94
4.2.5. Động cơ thử nghiệm ............................................................................................................... 94
4.3. Điều kiện thử nghiệm .................................................................................................................... 95
4.4. Bố trí, phƣơng pháp và chƣơng trình thử nghiệm ....................................................................... 95
4.4.1. Bố trí lắp đặt và hiệu chỉnh động cơ trên băng thử ................................................................... 95
4.4.2. Phương pháp và chương trình thử nghiệm ............................................................................... 96
4.5. Kết quả thử nghiệm và đánh giá .................................................................................................. 96
4.5.1. Kết quả đánh giá động cơ thử nghiệm ..................................................................................... 96
4.5.2. Xây dựng đường đặc tính điều khiển van luân hồi EGR ........................................................... 97
4.5.3. Đánh giá chất lượng phát thải của động cơ khi lắp hệ thống luân hồi khí thải ......................... 100
4.5.4. Đánh giá khả năng phát thải NOx và PM khi lắp hệ thống luân hồi khí thải và lọc phát thải hạt.....
............................................................................................................................................. 103