Nghiên cứu tiêu chuẩn khí thải Euro 4 trong động cơ diesel

Chia sẻ: Mộ Dung Vân Thư | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

Thêm vào BST

Báo xấu

7
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài "Nghiên cứu tiêu chuẩn khí thải Euro 4 trong động cơ diesel" nhằm nghiên cứu về các tiêu chuẩn khí thải trong tiêu chuẩn Euro 4 áp dụng trên các động cơ Diesel, với mục tiêu cải tiến một số tiêu chuẩn nhằm cải thiện lượng phát thải trên động cơ Diesel. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu tiêu chuẩn khí thải Euro 4 trong động cơ diesel

NGHIÊN CỨU TIÊU CHUẨN KHÍ THẢI EURO 4 TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL Phan Phước Hoà, Phan Văn Châu, Cao Hoài Lộc Viện Kỹ thuật, Trường Đại học Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh GVHD: ThS. Đỗ Nhật Trường TÓM TẮT Kể từ khi động cơ đốt trong được phát minh ra để phục vụ mục đích thương mại trong những năm 1986, động cơ Diesel đã trở nên phổ biến hơn vì đã giải quyết đôi phần những lo ngại về tiết kiệm nhiên liệu và giảm lưu lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường mà động cơ xăng ít được trang bị. Sự phát triển của động cơ Diesel về phát thải và thu hồi năng lượng đã chuyển sang các thiết bị ngoài bộ tăng áp để tăng cường khả năng thu hồi năng lượng... Mặt khác, chúng là nguồn phát thải vật chất hạt (PM) và NOx chính ở các khu vực đô thị, để từ đó các nhà nghiên cứu đã áp dụng các công nghệ kiểm soát khí thải và đưa ra các tiêu chuẩn về lượng phát thải của động cơ để giới hạn về những loại khí tạo ra do quá trình hoạt động bao gồm: carbon monoxide (CO), nitrogen oxide (NOx), hydrocarbons (HC) và các hạt vật chất kích thước vi mô (PM), phổ biến nhất phải kể đến tiêu chuẩn khí thải Euro 4 đã được áp dụng tại nước ta. Với mong muốn tìm hiểu và nghiên cứu kỹ hơn, nhóm đã thực hiện nghiên cứu với tên đề tài: “NGHIÊN CỨU TIÊU CHUẨN KHÍ THẢI EURO 4 TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL” với sự hướng dẫn của ThS. Đỗ Nhật Trường. Trong bài nghiên cứu này, đối tượng mà nhóm muốn nhắm đến là nghiên cứu về các tiêu chuẩn khí thải trong tiêu chuẩn Euro 4 áp dụng trên các động cơ Diesel, với mục tiêu cải tiến một số tiêu chuẩn nhằm cải thiện lượng phát thải trên động cơ Diesel. Từ khóa: Hệ thống, giảm phát thải NOx, khí thải động cơ Diesel, phát thải, công nghệ xử lý khí thải. 1. TỔNG QUAN Trong những năm gần đây, động cơ Diesel đã trở nên phổ biến vì hiệu suất tốt, mức tiêu thụ nhiên liệu, và khả năng vận chuyển hàng hóa nặng tốt. Tuy nhiên, chúng là nguồn phát thải vật chất hạt (PM), NOx... Với sự phát triển của động cơ Diesel về lượng phát thải và nhu cầu về thu hồi năng lượng khí thải, sự hiện diện của động cơ Diesel hiện nay đã phản ánh rằng tương lai động cơ Diesel sẽ giải quyết được bài toán là nhu cầu kép về lượng khí thải thấp và ngày càng tăng tính kinh tế cho nền kinh tế nhiên liệu. Với Tiêu chuẩn Euro 4 là phiên bản thứ 4, được đưa ra vào tháng 1/2005 và áp dụng cho tất cả các loại xe lưu hành tại Châu Âu kể từ tháng 1/2006. Mục đích là tập trung vào việc giảm khí phát thải ra từ xe cộ, bao gồm cả xe sử dụng động cơ xăng và xe sử dụng động cơ Diesel. Theo quy định về tiêu chuẩn khí thải ô tô ở Việt Nam, tiêu chuẩn về phép thử và các giới hạn khí thải áp dụng đối với phương tiện sản xuất, lắp ráp, nhập khẩu mới được thể hiện trong quyết định 49/2011 của Thủ tướng. Theo đó, tiêu chuẩn Euro 4 áp dụng đối với xe mô tô và ô tô có hiệu lực từ 1/1/2017. 237
Trong tiêu chuẩn Euro 4, giới hạn về vật chất dạng hạt vi mô (OM) và nitrogen oxide (NOx) được thắt chặt nhằm loại trừ xe gây quá nhiều sự ô nhiễm cho môi trường. Như vậy, để đáp ứng được tiêu chuẩn Euro 4, các xe động cơ Diesel phải được trang bị thêm bộ lọc hạt mới. Với đề tài “Automotive Exhaust Emissions and Energy Recovery” tạm dịch “Khí Thải Ôtô và Phục Hồi Năng Lượng” của tác giả Apostolos Pesiridis đã đề cập đến các công nghệ xử lý khí thải và việc tối ưu chúng trên động cơ xe. Dựa vào đấy, nhóm có thể tham khảo và nghiên cứu về đề tài “NGHIÊN CỨU TIÊU CHUẨN KHÍ THẢI EURO 4 TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL”. Để tìm hiểu sâu về nó và áp dụng nó vào công việc sửa chữa sau này. 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đề tài sử dụng các phương pháp nghiên cứu lý thuyết. Dựa trên các cơ sở lý thuyết trước đó từ các luận văn Nghiên cứu Khoa học, Kỹ thuật và Công nghệ môi trường. Việc nghiên cứu Tiêu chuẩn khí thải EURO 4 trong động cơ Diesel theo hướng lý thuyết hóa. Các kết quả thu được từ các kết luận của các luận văn nghiên cứu qua từng giai đoạn. 3. TIÊU CHUẨN KHÍ THẢI EURO 4 VÀ CÁC CÔNG NGHỆ ÁP DỤNG 3.1. Tiêu chuẩn EURO 4 Có hiệu lực từ ngày 01/01/2017 4 đối với xe ô tô, Tiêu chuẩn bao gồm những định mức về nồng độ của các loại khí sinh ra trong quá trình xe hoạt động như nitrogen oxide (NOx), particulate matter (PM) được các nước thành viên EU thông qua và áp dụng. Các định mức khí thải này cũng khác nhau khi áp dụng cho các loại xe khác nhau (xe tải, xe hơi; xe hơi chạy xăng cũng khác xe hơi chạy dầu). Mục tiêu của các tiêu chuẩn này là để loại trừ những chiếc xe tạo ra quá nhiều ô nhiễm (do hỏng hóc hay cũ…) và cũng vì mục đích bảo vệ môi trường, các nhà sản xuất xe cũng vì Hình 1. Lượng phát thải đối với các tiêu chuẩn thế mà có động lực (hay áp lực) nhằm tạo ra EURO những chiếc xe xanh hơn, sạch hơn, phù hợp với những tiêu chuẩn Euro cao hơn. 238
Bảng 1. Yêu cầu nồng động khí thải đối với các động cơ Yêu cầu về nồng độ các chất có Loại động cơ Thông tin bổ sung trong khí thải C0: 0.50 g/km Các xe áp dụng tiêu chuẩn Euro 4 được PM: 0.025 g/km yêu cầu lắp thêm các bộ lọc hạt làm Dầu Diesel NOX: 0.25 g/km giảm thiểu các hạt vật chất (PM) và oxit Nitơ (NOx) HC+NOX: 0.3 g/km Chú thích: Các oxit của Nitơ (NOx), chất dạng hạt (PM), số hạt (PN), hydrocacbon (HC) và cacbon monoxit (CO). Với những giới hạn về khí thải mà Euro 4 quy định, các nhà sản xuất xe cần phải tìm cách cải tiến công nghệ, nâng cao chất lượng của động cơ để tạo ra những phương tiện thân thiện hơn với môi trường. Nhờ vậy, lượng khí thải ra sẽ được giảm bớt, đảm bảo chất lượng không khí tốt hơn cho sức khỏe con người. 3.2. Các công nghệ áp dụng ❖ Van EGR trên tiêu chuẩn khí thải Euro 4 Van EGR (Exhaust Gas Recirculation) là van tuần hoàn khí xả trên động cơ Diesel Euro 4. Van EGR có chức năng hút một phần khí thải quay trở lại đường nạp, hòa trộn cùng hỗn hợp hòa khí mới và tiếp tục đốt cháy trong xi-lanh. Mục đích của van EGR là giảm lượng khí NOx độc hại ra môi trường bằng cách giảm nhiệt độ và lượng oxy trong buồng đốt. Van EGR được điều khiển bởi chân không hoặc bộ Hình 2. Van EGR phận điều khiển ECU. Van EGR cần được vệ sinh và bảo dưỡng thường xuyên để tránh mất công suất động cơ. Việc sử dụng hệ thống EGR giúp chuyển 5% đến 15% lượng khí thải trở lại đường nạp, cho phép giảm tới 60% lượng NOx có trong khí thải của động cơ. Ngoài ra nó còn giúp cho động cơ Diesel giảm tiếng ồn. ❖ DPF (Bộ lọc hạt) 239
DPF (Bộ lọc hạt Diesel) là thiết bị thu giữ vật lý các hạt Diesel để ngăn chúng thải ra khí quyển. DPF có chức năng giảm lượng khí NOx, CO, HC và PM ra môi trường¹. DPF là một trong các công nghệ giúp động cơ Diesel đạt tiêu chuẩn khí thải Euro 4. DPF hoạt động bằng cách lọc và đốt cháy muội than tích tụ trong bộ lọc. Quá trình đốt cháy muội than được gọi là tái tạo DPF. Có hai loại tái tạo: thụ động và chủ động. Hình 3. Bộ lọc hạt Tái tạo thụ động xảy ra khi nhiệt độ khí thải đủ cao để tự động đốt cháy muội than. Tái tạo chủ động xảy ra khi nhiệt độ khí thải không đủ cao và cần có sự can thiệp của hệ thống điều khiển để tăng nhiệt độ khí thải bằng cách phun nhiên liệu, sưởi điện, sưởi vi sóng hoặc sưởi hồng ngoại². Nếu DPF bị tắc do muội than quá nhiều, xe sẽ hiển thị lỗi đèn báo DPF và cần được mang đến thợ sửa chữa để làm sạch hoặc thay thế DPF. ❖ DEF – Diesel Exhaust Fluid DEF (Diesel Exhaust Fluid) là dung dịch nước urê được làm bằng urea và 32,5% nước khử ion. DEF được sử dụng làm vật liệu tiêu hao để giảm nồng độ chất xúc tác (SCR) để giảm nồng độ NOx trong phát thải khí thải của động cơ Diesel. DEF được phun vào hệ thống dòng khí thải của động cơ Diesel nhằm chuyển khí NOx thành khí nitơ và nước trước khi thải ra ngoài môi trường. Hình 4. Sơ đồ dung dịch xử lý khí thải DEF Việc sử dụng DEF là rất quan trọng khi các loại ô tô phải đáp ứng tiêu chuẩn Euro 4. DEF không phải là một phụ gia nhiên liệu, cần tránh đổ lẫn DEF vào bình nhiên liệu Diesel. DEF không độc hại và nguy hiểm nhưng có thể gây ăn mòn cho một số loại vật liệu như thép cacbon, đồng, kẽm, nhôm.... DEF cần được bảo quản ở nhiệt độ thấp và tránh tiếp xúc với ánh sáng mặt trời hoặc nhiệt độ quá cao. ❖ THREE WAY CATALYST (TWC) 240
THREE WAYCATALYST (TWC) là một loại bộ chuyển hóa xúc tác được sử dụng trong hệ thống xử lý khí thải của động cơ xăng để giảm lượng khí CO, HC và NOx thải ra môi trường. TWC hoạt động bằng cách sử dụng các kim loại quý như bạch kim, paladi và rodi làm chất xúc tác để chuyển đổi các khí độc hại thành các khí ít độc hại hơn như CO2, N2 và H2O. TWC có ba giai đoạn hoạt động: giai đoạn khởi động, giai đoạn ổn định và giai đoạn tái tạo. Giai đoạn khởi động là khi nhiệt độ của TWC còn thấp và hiệu suất xúc tác còn kém. Giai đoạn ổn định là khi nhiệt độ của TWC đã đạt mức tối ưu và hiệu suất xúc tác cao nhất. Hình 5. Bộ chuyển đổi xúc tác Giai đoạn tái tạo là khi TWC bị tích tụ các chất cặn bẩn như lưu huỳnh, chì và phốt pho và cần được làm sạch bằng cách tăng nhiệt độ hoặc thay đổi tỉ lệ nhiên liệu-không khí. Đối với động cơ Diesel, TWC không phù hợp vì nồng độ oxy trong khí thải quá cao và lượng muội than quá nhiều. Thay vào đó, các loại bộ chuyển hóa xúc tác khác như DOC (Diesel Oxidation Catalyst), DPF (Diesel Particulate Filter) và SCR (Selective Catalytic Reduction) được sử dụng để giảm lượng khí CO, HC, NOx và PM thải ra môi trường. Để đáp ứng tiêu chuẩn khí thải Euro 4, các xe Diesel phải được trang bị ít nhất một trong các loại bộ chuyển hóa xúc tác trên. ❖ SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION (SCR) Hình 6. Sơ đồ bố trí dung dịch xử lý khí thải DEF SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION (SCR) là một công nghệ xử lý khí thải động cơ Diesel bằng cách sử dụng một chất xúc tác đặc biệt và một dung dịch nước urê (DEF) để chuyển đổi khí NOx thành khí nitơ và nước. SCR là một trong những công nghệ tiết kiệm chi phí và tiết kiệm nhiên liệu nhất có thể giúp giảm phát thải động cơ Diesel. SCR có thể làm giảm lượng phát thải NOx lên đến 90%, phát thải HC và CO 50-90% và phát thải PM từ 30-50%. SCR hiện là phương pháp ưa chuộng để đáp ứng tiêu chuẩn khí thải Euro 4, Euro 5 và Euro 6 cho xe tải nặng, xe ô tô và xe thương mại nhẹ. Kết quả là, 241
lượng phát thải NOx, hạt bụi và hydrocacbon đã được giảm tới 95% so với các động cơ trước khi áp dụng tiêu chuẩn khí thải. SCR có một số ưu điểm so với các công nghệ xử lý khí thải khác như sau: - SCR có thể giảm lượng phát thải NOx lên đến 90%, cao hơn so với các công nghệ như EGR (Exhaust Gas Recirculation) hay DOC (Diesel Oxidation Catalyst) chỉ có thể giảm khoảng 40-50%. - SCR không làm giảm hiệu suất và tiêu hao nhiên liệu của động cơ Diesel, thậm chí có thể cải thiện do giảm áp suất xả và nhiệt độ xả. - SCR không cần thiết bị phụ trợ như bộ lọc hạt (DPF) hay bộ tái tạo hạt (DPF Regeneration) để loại bỏ các hạt bụi trong khí thải. - SCR có độ bền cao và ít cần bảo dưỡng do không bị tích tụ các chất cặn bẩn trong chất xúc tác. ❖ Hệ thống xử lý khí thải động cơ Diesel Hình 7. Hệ thống xử lý khí thải Nhu cầu chung của hệ thống xử lý khí thải động cơ Diesel là sự tích hợp của các bộ phận cụ thể tạo nên hệ thống xử lý khí thải động cơ Diesel chẳng hạn như: xúc tác oxy hóa dầu Diesel (DOC), DPF và giải pháp khử NOx với các điều khiển động cơ thích hợp, được quản lý bởi bộ điều khiển điện tử động cơ (ECU). Các thông số kỹ thuật tích hợp thành phần được thiết kế để đáp ứng các mục tiêu phát thải theo tiêu chí quy định (không có khí thải thứ cấp) của hydrocacbon (HC), carbon monoxide (CO), NOx, (nitơ monoxit (NO) và nitơ đioxit (NO2)) và PM, cũng như duy trì hiệu suất động cơ tối đa: công suất, mô-men xoắn và giảm thiểu tiêu hao nhiên liệu. Vị trí hệ thống DOC ở phía trước DPF đảm bảo rằng nhiệt độ bắt lửa tự động đầu vào của lõi carbon (khoảng 550°C; giảm trong thực tế do sự có mặt của hyydrocacbon và NO2) được duy trì bằng cách tận dụng nhiệt phản ứng của NO thành NO2 và quá trình oxy hóa nhiên liệu Diesel. Vị trí của DPF phía trước dung dịch khử NOx giúp hạn chế ô nhiễm PM ở mức tối thiểu. NO2 tham gia vào quá trình oxy hóa carbon lõi PM, tăng cường quá trình oxy hóa carbon lõi bằng cách giảm nhiệt độ 242
đánh lửa tự động trong khoảng 250 - 400°C (phụ thuộc vào hydrocacbon) và vì lý do này, hầu hết các DPF được xúc tác để tận dụng oxy hóa PM và để giảm thiểu NO2. 4. KẾT LUẬN Thông qua bài nghiên cứu này sẽ có cái nhìn tổng quan về các tiêu chuẩn khí thải, cụ thể là tiêu chuẩn khí thải Euro 4 trên động cơ Diesel. Hiểu hơn về các giá trị giới hạn đối với sự phát thải và phân tích thực nghiệm tiềm năng của EGR để kiểm soát lượng khí thả Nox và PM mà không cần gốc xúc tác mà chỉ cần kiểm soát tốc độ EGR thông qua bộ tăng áp. Đồng thời tiến hành nghiên cứu các công nghệ nhằm giảm đi sự phát thải từ động cơ tác động lên môi trường sống để áp dụng trên động cơ Diesel để có thể tạo đề ra các hỗn hợp Diesel sinh học phù hợp cho quá trình chuyển tiếp công nghệ. Ngoài ra, từ các tiêu chí mà EURO 4 đề ra càng thấy được nhìn nhận các ảnh hưởng của động cơ tác động lên môi trường sống của con người hiện nay và chuyển hướng đến các động cơ nhiên liệu sạch thân thiện với môi trường. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Quyết định số 49/2011/QĐ-TTg. 2. Apostolos Pesiridis, 2014. Automotive Exhaust Emissions and Energy Recovery 3. Thierry Seguelong, Nicolas Weinstein, 2004. Review of SCR Technologies for Diesel Emission Control. European Experience and Worldwide Perspectives, Aaqius & Aaqius. 4. https://khuongdungauto.com/tim-hieu-ve-van-hoi-khi-xa-van-egr-tren-dong-co-commonrail. 5. https://www.xecov.com/articles/dpf-bo-loc-hat-Diesel-tat-ca-nhung-gi-ban-can-biet. 6. http://xetaibenhowo.vn/dung-dich-su-ly-khi-thai-dong-co-Diesel-dung-cho-xe-may-dien-Euro- 4-va-Euro-5-la-gi.html. 7. https://vinfastauto.com/vn_vi/quy-dinh-ve-tieu-chuan-khi-thai-Euro-4-va-lo-trinh-ap-dung-tai- viet-nam. 8. https://Dieselforum.org/selective-catalytic-reduction-scr. 243