BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
NGUYỄN MẠNH PHÚ
NGHIÊN CỨU TÁI SINH BỘ LỌC MUỘI THAN VÀ GIẢM
PHÁT THẢI CHO ĐỘNG CƠ DIESEL 1 XILANH LẮP TRÊN
MÁY NÔNG NGHIỆP
Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số: 9520116
TÓM TẮT LUẬN ÁN
TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Hà Nội - 2024
Công trình được hoàn thành tại:
Đại học Bách khoa Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Khổng Vũ Quảng
PGS.TS. Nguyễn Phú Hùng
Phản biện 1: PGS.TS. Đặng Tiến Hòa
Phản biện 2: PGS.TS. Trần Quang Vinh
Phản biện 3: PGS.TS. Nguyễn Tuấn Nghĩa
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Đại học
Bách khoa Hà Nội họp tại Đại học Bách khoa Hà Nội
Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ………
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Đại học Bách khoa Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
1
MỞ ĐẦU
i. L do chn đề tài
Hiệu suất cao, độ tin cậy và độ bền của động cơ diesel là lý do để động cơ này trở thành nguồn động lực
chính của các loại xe hạng trung, hạng nặng, máy xây dựng và máy nông nghiệp. Tuy nhiên, phát thải độc hại
của động cơ diesel lại là một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường trầm trọng. Khí thải của động
cơ diesel chứa chất dạng hạt (PM), carbon dioxide (CO2), carbon monoxide (CO), hydrocarbon (HC) và oxit
nitơ (NOX)... PM từ động cơ diesel có ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe con người, đặc biệt là làm gia
tăng mạnh các bệnh về tim mạch và hô hấp. PM dễ dàng bị hít vào phế quản và phế nang sâu của đường hô
hấp, khiến con người mắc nhiều bệnh về đường hô hấp. Cũng có bằng chứng trong những năm gần đây cho
thấy PM có thể gây tổn hại cho sự phát triển thần kinh của con người và chức năng nhận thức [1]. Trên thực
tế, PM đã được Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) phân loại là chất gây ung thư vào năm 2012 [2]. Để giải quyết
các vấn đề sức khỏe của người dân và các vấn đề môi trường nổi cộm, các chính phủ không ngừng thắt chặt
việc kiểm soát lượng khí thải PM từ phương tiện sử dụng động cơ diesel. Trung Quốc đã ban hành các giới
hạn và phương pháp đo lường mới đối với lượng khí thải từ các phương tiện giao thông hạng nhẹ (Trung Quốc
VI). So với tiêu chuẩn cũ, tiêu chuẩn mới giảm lượng khí thải PM và đưa số lượng hạt vào phạm vi quy định.
Vấn đề tương tự cũng được áp dụng ở châu Âu, Mỹ và hầu hết các nước trên thế giới. Vì vậy, cần phải phát
triển một phương pháp hiệu quả để giảm lượng khí thải PM và tuân thủ các quy định về khí thải ngày càng
nghiêm ngặt [3].
Trong khi đó NOx là một loại khí thải cũng khó xử lý của động cơ diesel. Đây cũng là một trong những khí
thải độc hại đối với môi trường.
Tại Việt Nam vẫn còn tồn tại một lượng lớn động cơ diesel sử dụng công nghệ cũ (các loại động cơ được
lắp đặt trên các xe vận tải với tải trọng trung bình, trên các máy phát điện, máy phục vụ nông nghiệp….),
không được trang bị những công nghệ và hệ thống xử lý khí thải hiện đại, khí thải chỉ được đi qua bình tiêu
âm rồi xả trực tiếp môi trường. Với những dòng động cơ này nếu không được kiểm soát thì sẽ gây ra mối nguy
hiểm rất lớn đối với môi trường.
Tại Việt Nam, nhu cầu sử dụng động cơ đốt trong làm nguồn động lực cho các máy móc thiết bị nông nghiệp,
lâm nghiệp ngày càng nhiều. Nguồn động cơ nhập vào Việt Nam chủ yếu từ các nước như Trung Quốc, Thái
Lan và Nhật Bản…..Các sản phẩm từ Trung Quốc có lợi thế về giá trong khi các sản phẩm của Thái Lan và
Nhật Bản thì tính kỹ thuật cao hơn. Tuy nhiên hiện nay việc đánh giá chất lượng khí thải của các loại máy
nông nghiệp vẫn đang được triển khai. Các nhà quản lý hoạch định chiến lược của quốc gia xây dựng bộ tiêu
chuẩn phát thải riêng cho máy nông nghiệp để hạn chế phát thải độc hại từ loại máy này, ngoài ra còn là công
cụ để kiểm soát chất lượng động cơ sản xuất trong nước và nhập khẩu.
Hiện nay. các doanh nghiệp sản xuất máy nông nghiệp của Việt Nam đang muốn hướng tới xuất khẩu động
cơ do Việt Nam sản xuất sang một số nước như Ấn Độ, các nước Trung Đông…. Tuy nhiên để các thị trường
này chấp nhận, các sản phẩm động cơ do Việt Nam sản xuất phải đạt được các tiêu chuẩn khí thải như Tier 1,
Tier 2 theo yêu cầu của từng vùng lãnh thổ. Vì vậy yêu cầu cải tiến tính năng kinh tế kỹ thuật và giảm phát
thải cũng như giảm giá thành cho động cơ sản xuất tại Việt Nam là cần thiết. Để có cái nhìn tổng thể và đánh
giá đầy đủ về vấn đề này, Bộ công thương đã kết hợp với Tổng công ty máy động lực và máy nông nghiệp
Việt Nam cùng Đại học Bách Khoa đã cũng có các đề tài nghiên cứu đánh giá đánh giá thực trạng tính năng
kinh tế, kỹ thuật và phát thải của các động cơ sản xuất trong nước, kết quả cho thấy các đông cơ này chưa đạt
tiêu chuẩn theo Tier 2 vì hàm lượng phát thải PM và NOx vượt giới hạn.
Kết quả cho thấy, để có thể xuất khẩu các đông cơ sản xuất tại Việt Nam sang thị trường các nước thì tiêu
chí phát thải phải được quan tâm và đặt lên hàng đầu. Hiện nay có rất nhiều phương pháp để kiểm soát phát
thải toàn diện cho động cơ diesel, như sử dụng phụ gia nhiên liệu diesel [4, 5], diesel sinh học [6, 7], cải tiến
kết cấu động cơ [8], sử dụng bộ lọc PM bằng DPF [9]... Để áp dụng các phương pháp cải tiến kết cấu động cơ
là không thể. Tuy nhiên có thể chọn lựa một giải pháp xử lý khí thải để giải quyết các vấn đề nêu trên là khả
thi.
2
Trong đó, phương pháp luân hồi khí thải EGR được xem là một phương pháp hiệu quả để giảm phát thải
NOx của động cơ diesel và đã được sử dụng từ lâu. Tuy nhiên, phương pháp này lại làm giảm hiệu suất động
cơ và tăng hàm lượng CO, HC và PM trong khí thải. Do vậy phương pháp này cần được sử dụng kết hợp với
các biện pháp xử lý khác.
Còn phương pháp lọc DPF được coi là phương án hiệu quả để giảm phát thải PM ra ngoài môi trường tới
70%. Tuy nhiên, nhược điểm lớn của lọc DPF, sau thời gian sử dụng, lọc DPF có xu hướng bị tắc sẽ gây cản
trên đường thải và làm ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ.
Trong luận án này NCS đề xuất trang bị một hệ thống xử lý khí thải động cơ diesel bao gồm: Hệ thống luân
hồi khí thải EGR (xử lý NOx), Bộ oxy hóa DOC (xử lý HC và CO) và bộ lọc DPF (xử lý PM) nhằm mục đích
giảm phát thải toàn diện cho động cơ để đạt Tier 2 được gọi tắt là EDD.
. Tuy nhiên sau thời gian làm việc lọc DPF sẽ bị tắc bởi PM bám và tích tụ trên bề mặt lọc DPF, gây cản trên
đường thải dẫn đến ảnh hưởng tới công suất và tiêu hao nhiên liệu, chi phí chăm sóc bảo dưỡng tăng. Chính
vì vậy, để giải quyết triệt để các vấn đề nêu trên, cũng như nâng cao hiệu quả và tăng thời gian làm việc của
EDD, bộ DPF của hệ thống EDD có thêm chức năng tái sinh chủ động (DPFr).. Như vậy có thể thấy tính vượt
trội của hệ thống EDD có sử dụng DPFr (EDDr) trong việc giảm phát thải NOx, PM của động cơ nhưng vẫn
đảm bảo không gây tắc lọc sau thời gian sử dụng.
. Hiện nay tại Việt Nam, hệ thống này vẫn chưa được nghiên cứu, vì vậy NCS lựa chọn đề tài “Nghiên cứu
tái sinh bộ lc muội than và giảm phát thải cho động cơ diesel 1 xilanh lắp trên máy nông nghiệp” để
đưa ra một giải pháp xử lý PM triệt để hơn, cũng như kiểm soát phát thải toàn diện cho động cơ diesel nhằm
giải quyết các vấn đề thực trạng hiện nay.
ii. Mục đích nghiên cứu của đề tài
Đưa ra giải pháp trang bị bộ lọc DPF có chức năng tái sinh chủ động cho các động cơ diesel máy nông
nghiệp. Bộ lọc sẽ chủ động tái sinh khi lượng muội than bám trên lọc DPF vượt giới hạn cho phép..
Trang bị cho động cơ nghiên cứu hệ thống EDDr để hướng tới tiêu chuẩn Tier2 và thực hiện đánh giá ảnh
hưởng của các hệ thống này đến tính năng kinh tế, kỹ thuật va phát thải của động cơ diesel sản xuất tại Việt
Nam.
iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu sinh lựa chọn động cơ diesel 1 xylanh sử dụng trong nông nghiệp (Động
cơ diesel TV165RL) có trang bị hệ thống EDDr.
- Phạm vi nghiên cứu:
+ Động cơ nguyên bản và động cơ được trang bị hệ thống EDD được thí nghiệm tại chế độ toàn tải và chu
trình thử Tier 2.
+ Nghiên cứu tái sinh chủ động DPF tại chế độ tốc độ 2200 v/p và tải trọng 8,26 kW.
+ Các nghiên cứu được tổ chức ở quy mô trong phòng thí nghiệm và thực hiện tại Trung tâm nghiên cứu các
nguồn động lực và Phương tiện tự hành thuộc trường Cơ khí, Đại học Bách khoa Hà Nội.
iv. Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu tổng quan về các biện pháp giảm phát thải cho động cơ diesel từ đó chọn giải pháp phù hợp cho
động cơ diesel sản xuất tại Việt Nam;
Nghiên cứu mô phỏng động cơ TV 165RL có trang bị EDDr để xác định các thông số cơ bản của hệ thống
nhằm hỗ trợ nghiên cứu thực nghiệm;
Nghiên cứu mô phỏng ảnh hưởng của kết cấu DPF và vị trí cấp nhiệt tái sinh tới phân bố nhiệt độ, vận tốc
dòng khí thải trong đường thải bằng phần mềm Ansys fluent.
Thiết kế, chế tạo và lắp đặt hệ thống EDDr cho động cơ diesel TV 165RL để thực hiện các nghiên cứu thử
nghiệm;
3
Nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số đầu vào cho các mô hình mô phỏng, hiệu chỉnh, đánh giá độ
tin cậy của các mô hình mô phỏng và đánh giá hiệu quả của các giải pháp nghiên cứu.
v. Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm. Trong đó, nghiên cứu lý thuyết gồm nghiên cứu cơ sở lý
thuyết và mô hình hóa động cơ sử dụng hệ thống EDDr. Còn nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện trong
phòng thí nghiệm khi động cơ có và không có hệ thống EDDr.
vi. Ý nghĩa khoa hc và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
Đưa ra giải pháp công nghệ giảm các phát thải độc hại cho động cơ diesel sản xuất tại Việt Nam để hướng
đến tiêu chuẩn Tier 2 bằng sự kết hợp giữa EGR, DOC và DPF, trong đó có thực hiện tái sinh chủ động DPF.
Áp dụng giải pháp trên để thực hiện cho một động cơ diesel sản xuất tại Việt Nam sử dụng trong lĩnh vực nông
lâm nghiệp.
Kết quả nghiên cứu của đề tài luận án sẽ góp phần vào nghiên cứu giảm ô nhiễm môi trường do khí thải
động cơ diesel sản xuất tại Việt Nam. Trên cơ sở đó hướng tới xuất khẩu các động cơ này sang thị trường các
nước đang phát triển.
vii. Các điểm đóng góp mới của luận án
- Đã xây dựng được mô hình mô phỏng động cơ diesel không tăng áp có trang bị hệ thống EDDr trên phần
mềm AVL Boost. Mô hình mô phỏng cho phép xác định được ảnh hưởng của DOC, DPF và tỉ lệ EGR tới tính
năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ.
- Xây dựng được mô hình mô phỏng bộ kết hợp DOC-DPF trên phần mềm Ansys fluent. Mô hình mô phỏng
cho phép đánh giá ảnh hưởng của kích thước lỗ của DPF đến sức cản trên đường thải cũng như xác định vị trí
cung cấp nguồn nhiệt để tái sinh hiệu quả DPF.
- Đã tính toán lựa chọn các thiết bị có trên thị trường để thiết kế chế tạo và lắp đặt thành công hệ thống EDDr
cho động cơ diesel TV 165RL phục vụ nghiên cứu thử nghiệm. Hệ thống có thể thay đổi được tỉ lệ luân hồi,
điều khiển thời điểm phun và lượng nhiên liệu tái sinh…;
- Đã nghiên cứu thực nghiệm và xác định được bộ thông số tỉ lệ luân hồi và kích thước, vật liệu bộ
DOC+PDF. Hệ thống EDD khi lắp đặt lên động cơ không làm giảm công suất quá 10% cũng như tăng tiêu
hao nhiên liệu quá 10%, trong khi vẫn đạt tiêu chuẩn phát thải Tier 2.
- Đã nghiên cứu thử nghiệm thời gian tái sinh, lượng nhiên liệu tái sinh để giảm phát thải cho động cơ nghiên
cứu.
viii. Bố cục của luận án
Luận án gồm các phần:
Mở đầu;
Chương 1. Nghiên cứu tổng quan ;
Chương 2: Cơ sở lý thuyết và nghiên cứu mô phỏng;
Chương 3. Thiết kế, chế tạo và lắp đặt hệ thống EDDr;
Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm;
Kết luận chung và hướng phát triển của đề tài.
