Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực: Nghiên cứu tái sinh bộ lọc muội than và giảm phát thải cho động cơ diesel 1 xilanh lắp trên máy nông nghiệp

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

3
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực "Nghiên cứu tái sinh bộ lọc muội than và giảm phát thải cho động cơ diesel 1 xilanh lắp trên máy nông nghiệp" được nghiên cứu với mục tiêu: 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.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực: Nghiên cứu tái sinh bộ lọc muội than và giảm phát thải cho động cơ diesel 1 xilanh lắp trên máy nông nghiệp

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
MỞ ĐẦU i. Lý do chọn 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. 1
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 lọc 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; 2
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 học 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. 3
Chương 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung 1.1.1 Tổng quan về phát thải động cơ diesel Hình 1.1 Các thành phần có trong khí thải của động cơ diesel 1.1.2 Ảnh hưởng của phát thải của động cơ diesel tới môi trường và con người 1.1.3 Các tiêu chuẩn kiểm soát phát thải cho động cơ diesel - Châu Âu - Tiêu chuẩn khí thải Mỹ - Tiêu chuẩn khí thải Nhật Bản - Tiêu chuẩn khí thải của động cơ máy nông nghiệp trong và ngoài nước 1.1.4 Thực trạng phát thải của các động cơ máy nông nghiệp tại Việt Nam - Thực trạng nhập khẩu máy nông nghiệp ở Việt Nam - Lượng phát thải của các máy nông nghiệp ở VN 1.1.5 Phương pháp giảm phát thải cho động cơ diesel 1.2 Phát thải dạng hạt, tro và các yếu tố ảnh hưởng tới sự hình thành 1.2.1 Phát thải dạng hạt 1.2.2 Các yếu tổ ảnh hưởng tới sự hình hành phát thải dạng hạt 1.2.3 Nguồn và thành phần của tro 1.2.4 Hoạt động xúc tác của tro thành bồ hóng 1.3 Nguyên lý làm việc bộ lọc hạt 1.3.1 Kết cấu Bộ lọc hạt Như đã trình bày ở trên, thành phần phát thải hạt PM gần như không bị ôxy hóa trong các bộ xử lý do nhiệt độ khí thải thấp. Do đó, để giảm thành phần PM thường dùng biện pháp tách PM trong khí thải bằng lọc cơ học. Các lỗ của lõi lọc bề mặt có đường kính nhỏ hơn kích thước hạt PM cần lọc, do đó hạt PM bị giữ trên bề mặt của lõi lọc. - Bộ lọc tường-lọc bề mặt - Bộ lọc hạt CDPF (lọc phủ xúc tác) - Bộ lọc hạt ly tâm (MR-DPF) 1.3.2 Cơ chế thu thập hạt lọc 1.3.3 Vật liệu bộ lọc DPF 1.4 Các nghiên cứu trong và ngoài nước 1.4.1 Các nghiên cứu ngoài nước 4
Hình 1.2 Các phương pháp tái sinh bộ lọc muội than * Tái sinh bị động a) Tái sinh bằng nhiệt do đốt nhiên liệu b) Tái sinh bằng nhiệt do điện tạo ra c) Tái sinh bằng nhiệt do sóng siêu âm tạo ra * Tái sinh bị động a) Tái sinh bằng bộ oxy hóa b) Tái sinh xúc tác * Tái sinh kết hợp * Hạn chế của lọc DPF khi tái sinh. 1.4.2 Các nghiên cứu trong nước 1.5 Kết luận chương 1 Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan các công trình nghiên cứu của các tác giả liên quan trực tiếp đến việc kiểm soát phát thải của động cơ diesel ở Chương 1 này, có thể rút ra được một số kết luận sau: Động cơ diesel có vai trò quan trọng và được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống tuy nhiên đây cũng là một nguồn phát thải độc hại gây ảnh hưởng ô nhiễm môi trường. Các động cơ diesel thế hệ mới khi ra đời đã được trang bị công nghệ để đạt được các chỉ tiêu về phát thải theo tiêu chuẩn của mỗi quốc gia vùng, miền. Tại Việt Nam, động cơ diesel được sử dụng nhiều trong giao thông vật tải... đặc biệt là máy nông nghiệp. Để chủ động được nguồn cung cấp trong nước, các công ty Việt Nam cũng chủ động chế tạo các máy nông nghiệp có thể kể đến như Tổng công ty máy nông nghiệp Việt Nam (Veam)... Các công ty này cũng mong muốn tạo ra các sản phẩm để có thể xuất khẩu sang các nước trong khu vực. Để có thể thực hiện được mục tiêu trên, Veam và Viện Cơ khí động lực – trường Đại học Bách Khoa Hà Nội (nay là Khoa Cơ khí động lực) đã thực hiện một số đề tài nghiên cứu nhằm đánh giá thực trạng phát thải của máy nông nghiệp do Việt Nam sản xuất cũng như xây dựng và đề xuất bộ tiêu chuẩn phát thải cho máy nông nghiệp. Kết quả thí nghiệm cho thấy, các mẫu động cơ vẫn chưa đạt tiêu chuẩn Tier 2. Để có thể đạt được tiêu chuẩn phát thải Tier 2 thì cần phải có biện pháp công nghệ tác động trực tiếp tới quá trình cháy hoặc xử lý khí thải. Động cơ máy nông nghiệp có ưu điểm là nhỏ gọn tiện lợi nên việc cải tạo động cơ cũng như áp dụng các phương pháp cháy hiện đại là không thích hợp. Vì thế việc đưa ra một giải pháp xử lý khí thải là khả thi và phù hợp hơn cả. - Với động cơ diesel thì hai loại phát thải độc hại cần quan tâm là NOx và PM. Có rất nhiều các phương án đã được đề ra để giảm 2 thành phần phát thải này. Tuy nhiên phương án khả thi nhất thì sử dụng DPF để lọc PM, sử dụng EGR để giải quyết NOx. Tuy nhiên bộ lọc DPF vẫn có nhiều nhược điểm: PM hình thành từ nhiên liệu không cháy, tạp chất từ hao mòn động cơ và chất bôi trơn không thể được loại bỏ bằng quá trình tái sinh thông thường, điều này sẽ làm tắc bộ lọc và gây ảnh hưởng tới sđiều kiện làm việc của động cơ như giảm công suất tăng tiêu hao nhiên liệu. 5
Luận án đề xuất giải pháp, trang bị hệ thống EDDr được tạo thành từ sự kết hợp các bộ xử lý khí thải, bao gồm: luân hồi khí thải EGR, bộ xử lý oxy hóa DOC và bộ lọc muội than DPF có chức năng tái sinh chủ động cho động cơ nghiên cứu. Từ đó đánh giá ảnh hưởng của bộ EDDr tới đặc tính phát thải và làm việc của động cơ TV165RL. - Việc sử dụng EDDr là giải pháp tốt để động cơ TV165RL có thể đạt được tiêu chuẩn khí thải Tier 2. Trong khi bộ DPF có thể tự tái sinh để giảm chi phí bảo dưỡng sửa chữa. Bộ lọc DPF được tái sinh chủ động bằng phương pháp đốt nhiên liệu bổ sung được đặt trước bộ DOC. Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG 2.1 Giới thiệu chung Hình 2. 1 Quy trình xác định hệ thống xử lý khí thải cho động cơ TV165RL 2.2 Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ TV 165RL có trang bị hệ thống giảm phát thải EDDr sử dụng AVL Boost 2.2.1 Xây dựng mô hình động cơ nguyên bản 2.2.2 Mô hình chọn lựa kích thước sơ bộ của bộ DPF 2.2.3 Mô hình EDD 2.2.4 Mô hình EDDr 2.2.5 Nhập dữ liệu cho mô hình Dữ liệu động cơ Dữ liệu bộ DOC Dữ liệu bộ DPF Dữ liệu van EGR Dữ liệu đầu vào cho việc tái sinh 2.2.6 Khai báo biến và thực hiện mô phỏng 2.2.7 Hiệu chỉnh mô hình và đánh giá độ tin cậy 2.3 Xây dựng mô hình cụm DOC-DPF sử dụng Ansys Fluent 2.3.1 Mô hình bộ DOC-DPF 6
Hình 2. 2 Kết cấu sơ bộ mô hình bộ DOC và DPF 2.3.2 Mô hình khảo sát ảnh hưởng của kích thước lỗ lọc đến độ tắc lọc của bộ DPF - Xây dựng mô hình khối khí thải - Điều kiện biên và các bước mô phỏng cho mô hình - Các bước mô phỏng 2.3.3 Mô hình chọn lựa vị trí đặt nguồn nhiệt tái sinh 2.3.4 Mô hình tái sinh lọc - Cơ sở thiết kế - Mô phỏng quá trình tái sinh trên Ansys Fluent 2.4 Kết quả mô phỏng và thảo luận 2.4.1 Động cơ nguyên bản tại chế độ toàn tải và chế độ định mức 16 600 12 200 14 Định mức 195 500 10 190 12 Công suất (kW) 400 8 185 ge(g/kWjh) ge (g/kWh) 10 Ne (kW) 180 8 300 6 175 6 170 200 4 165 4 Ne_MP Ne_MP 160 2 Toàn tải ge_MP 100 2 ge_MP 155 0 0 0 150 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 Tốc độ động cơ (v/ph) Tốc độ động cơ (v/p) Hình 2. 3 Công suất lớn nhất và tiêu hao ở chế Hình 2. 4 Công suất và tiêu hao nhiên liệu ở độ toàn tải chế độ định mức Hình 2.36 trình bày diễn biến nhiệt độ khí thải 700 theo tốc độ cơ ở chế độ toàn tải và định mức. Có T1_toàn tải_MP Nhiệt độ khí thải (oC) thể thấy ở chế độ toàn tải lượng nhiên liệu được 650 T1_định mức_MP cung cấp là lớn nhất vì thế nhiệt độ khí thải lớn 600 hơn so với định mức. Đây là một trong những 550 thông số quan trọng quyết định đến vấn đề tái 500 sinh lọc muội than. Nếu chọn lựa chế độ toàn tải để tái sinh thì sẽ được lợi về nhiệt độ tuy nhiên 450 chế độ này động cơ làm việc trong điều kiện 400 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 khắc nghiệt không được nhà sản xuất khuyến Tốc độ động cơ (v/p) cáo sử dụng. Hình 2.5 Diễn biến nhiệt độ trên đường thải 7
2.4.2 Động cơ trang bị bộ DOC-DPF tại chế độ định mức 290 12,0 270 10,0 250 ge(g/kWh) 8,0 230 Công suất (kW) 6,0 210 4,0 190 NB_đm NB_đm 2,0 170 DD DD 150 0,0 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 Tốc độ động cơ (v/p) Tốc độ động cơ (v/p) Hình 2.6Ne khi trang bộ DPF Hình 2.7 ge khi trang bị bộ DPF 12,0 12 10,0 10 Công suất (kW) P_1800 8,0 8 Công suất (kW) NB_đm P_2200 6,0 6 5 kPa 4,0 10 kPa 4 15 kPa 2,0 20 kPa 2 25 kPa 0,0 0 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 10 25 50 75 100 Tốc độ động cơ (v/p) Tải trọng (%) Hình 2.8 Diễn biến công suất khi sử dụng bộ Hình 2.9 Mối quan hệ giữa tải trọng và công DD trong đó DPF có xu hướng bị tắc suất tại hai tốc độ 1800 v/p và 2200 v/p 1400 8,0 NB_1800 1200 7,0 DD_1800 1000 6,0 NB_2200 NOx (ppm) 5,0 DD_2200 800 soot (g/kWh) 4,0 600 NB_1800 3,0 400 DD_1800 2,0 200 NB_2200 DD_2200 1,0 0 0,0 10 50 75 100 10 50 75 100 Tải trọng động cơ (%) Tải trọng động cơ (%) Hình 2.11 Phát thải NOx khi trang bộ PDF tại Hình 2.10 Phát thải soot khi trang bộ DD tại 1800 v/p và 2200 v/p 1800 v/p và 2200 v/p 8
6000 400 352 NB_1800 5000 350 CO DD_1800 CO,HC,NOx (ppm) NB_2200 300 4000 HC 223 CO (ppm) DD_2200 250 3000 NOx 200 2000 150 99,37 1000 100 50 0 10 50 75 100 0 1 Tải trọng động cơ (%) Tốc độ không tải Hình 2.12 Phát thải CO khi trang bộ DD tại 1800 v/p và 2200 v/p Hình 2.43a Phát thải ở chế độ không tải 1000 v/p khi trang bị bộ DD 2.4.3 Động cơ trang bị bộ EGR-DOC-DPF 4,2 3,7 2200 v/p 3,7 1800 v/p NB_2200 3,2 E10DD 3,2 Hệ số Lambda E20DD Hệ số Lambda 2,7 2,7 E30DD 2,2 2,2 NB_1800 E10DD 1,7 1,7 E20DD 1,2 E30DD 10 50 75 100 1,2 Tải trọng động cơ (%) 10 50 75 100 Tải trọng động cơ (%) Hình 2. 14 Ảnh hưởng của tỉ lệ luân hồi tới hệ số lamda tại 2200 v/p Hình 2. 13 Ảnh hưởng của tỉ lệ luân hồi tới hệ số lamda tại 1800 v/p 5,0 8 4,5 NB_1800 NB_2200 2200 v/p 4,0 E10DD 7 E10DD 3,5 E20DD 6 E20DD soot (g/kWh) 3,0 E30DD 5 E30DD soot (g/kWh) 2,5 2,0 4 1,5 3 1,0 1800 v/p 2 0,5 1 0,0 10 50 75 100 0 10 50 75 100 Tải trọng động cơ (%) Tải trọng động cơ (%) Hình 2. 15 Ảnh hưởng của tỉ lệ luân hồi tới phát thải soot tại 1800 v/p Hình 2. 16 Ảnh hưởng của tỉ lệ luân hồi tới phát thải soot tại 2200 v/p 9
1800 NB_1800 6000 1600 2200 v/p NB_2200 1400 E10DD 5000 E10DD 1200 E20DD CO (ppm) 4000 E20DD CO (ppm) 1000 E30DD E30DD 800 3000 600 2000 400 1800 v/p 200 1000 0 10 50 75 100 0 10 50 75 100 Tải trọng động cơ (%) Tải trọng động cơ (%) Hình 2.17 Ảnh hưởng của tỉ lệ luân hồi tới phát thải Hình 2.18 Ảnh hưởng của tỉ lệ luân hồi tới phát CO tại 1800 v/p thải CO tại 2200 v/p 1400 1200 1200 2200 v/p 1000 1000 NOx (ppm) 800 NOx (ppm) 800 600 600 NB_2200 NB_1800 E10DD 400 E10DD 400 1800 v/p E20DD E20DD 200 E30DD 200 E30DD 0 10 50 75 100 0 10 50 75 100 Tải trọng động cơ (%) Tải trọng động cơ (%) Hình 2.19 Ảnh hưởng của tỉ lệ luân hồi tới phát thải Hình 2.20 Ảnh hưởng của tỉ lệ luân hồi tới phát NOx tại 1800 v/p thải NOx tại 2200 v/p 2.4.4 Động cơ trang bị bộ tái sinh lọc DPFr 45 40 10 Độ chênh lệch áp suất 35 kg/m3 30 15 25 kg/m3 (kPa) 20 15 10 5 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Thời gian (s) Hình 2. 21 Ảnh hưởng của mật độ muội than đến độ chênh lệch áp suất 10
30 0,1 m Độ chênh lệch áp suất (kPa) 25 0,12 m 20 0,14 m 15 10 5 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Thời gian (s) Hình 2. 22 Ảnh hưởng của lưu lượng đến độ Hình 2. 23 Ảnh hưởng của chiều dài bộ lọc tới chênh lệch áp suất quá trình tái sinh 25 Độ chênh lệch áp suất (kPa) 20 873 K 973 K 15 1073 K 10 5 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Thời gian (s) Hình 2. 24 Ảnh hưởng của nhiệt độ đầu vào bộ lọc DPF tới quá trình tái sinh 2.4.5 Ảnh hưởng của việc tắc lọc DPF đến phân bố áp suất và nhiệt độ trong cụm ống thải Hình 2.25 Diễn biến áp suất trong cụm ống thải khi kích thước lỗ là 1mm (khi chưa bị tắc) Hình 2.26 Diễn biến áp suất trong cụm ống thải khi bộ lọc bị tắc kích thước lỗ là 0,8mm Hình 2.27 Diễn biến áp suất trong cụm ống thải khi bộ lọc bị tắc kích thước lỗ là 0,7mm 11
Hình 2.28 Diễn biến áp suất trong cụm ống thải khi bộ lọc bị tắc kích thước lỗ là 0,6mm Hình 2.29 Diễn biến áp suất trong cụm ống thải khi bộ lọc bị tắc kích thước lỗ là 0,5mm Hình 2.30 Diễn biến áp suất trong cụm ống thải khi bộ lọc bị tắc kích thước lỗ là 0,4mm 32500 Phân bố áp suất 30000 1mm 27500 Áp suất (N/m2) 25000 0.8m 22500 m 20000 17500 15000 12500 10000 0 35 70 78 120 150 180 Khoảng cách từ đầu bộ DOC đến cuối bộ DPF (mm) Hình 2.31 Đồ thị biểu thị phân bố áp suất tại các trường hợp Bảng 2.65 thể hiện sự khác biệt của áp suất tại các vị trí trong các trường hợp khác 12
Hình 2.32 Kết quả mô phỏng độ sụt áp trong các trường hợp Ảnh hưởng của việc tắc lọc DPF đến phân bố nhiệt độ trong bộ lọc Hình 2.33 Phân bố nhiệt độ dòng khí thải khi kích thước lỗ 1mm (khi chưa bị tắc) Hình 2.34 Phân bố nhiệt độ dòng khí thải khi bộ lọc bị tắc,kích thước lỗ là 0,8mm Hình 2.35 Phân bố nhiệt độ dòng khí thải khi bộ lọc bị tắc,kích thước lỗ là 0,7mm Hình 2.36 Phân bố nhiệt độ dòng khí thải khi bộ lọc bị tắc,kích thước lỗ là 0,6mm 13
Hình 2.37 Phân bố nhiệt độ dòng khí thải khi bộ lọc bị tắc,kích thước lỗ là 0,5mm Hình 2.38 Phân bố nhiệt độ dòng khí thải khi bộ lọc bị tắc,kích thước lỗ là 0,4mm Hình 2.39 Nhiệt độ đầu vào và đầu ra bộ lọc DPF khi chưa tái sinh 2.4.6 Ảnh hưởng của các vị trí nguồn nhiệt tới khí động học trong bộ xúc tác Vị trí α=0o Hình 2.40 Nhiệt độ mặt cắt ngang DPF khi Hình 2.41 Vận tốc mặt cắt ngang DPF khi α=0 độ α=0 độ 14
Hình 2.42 Nhiệt độ mặt cắt dọc ống xả khi Hình 2.43 Vận tốc mặt cắt dọc ống xả α=0 độ α=0 độ Vị trí α=30o Hình 2.44 Nhiệt độ mặt cắt ngang DPF khi Hình 2.45 Vận tốc mặt cắt ngang DPF khi α=30 độ α=30 độ Hình 2.46 Nhiệt độ mặt cắt dọc ống xả khi Hình 2.47 Vận tốc mặt cắt dọc ống xả α=30 độ α=30 độ Vị trí α=45 o 15
Hình 2.48 Nhiệt độ mặt cắt ngang DPF khi Hình 2.49 Vận tốc mặt cắt ngang DPF khi α=45 độ α=45 độ Hình 2.50 Nhiệt độ mặt cắt dọc ống xả khi α=45 độ Hình 2.51 Vận tốc mặt cắt dọc ống xả α=45 độ Vị trí α=60o Hình 2. 52 Nhiệt độ mặt cắt ngang DPF khi Hình 2. 53 Vận tốc mặt cắt ngang DPF khi α=60 độ α=60 độ Hình 2. 54 Nhiệt độ mặt cắt dọc ống xả khi Hình 2. 55 Vận tốc mặt cắt dọc ống xả α=60 độ α=60 độ 16
2.4.7 Ảnh hưởng của vị trí nguồn nhiệt tới vấn đề tái sinh Hình 2.56 Phân bố véc-tơ vận tốc theo hai mặt cắt dọc khối khí thải khi độ tắc là 60% Hình 2.57 Phân bố nhiệt độ theo mặt cắt dọc khối khí thải khi độ tắc là 60% Nhiệt độ đầu vào DPF và đầu ra khi tái sinh 1101 1200 1023 1053 1061 1076 1085 1000 859 868 900 902 913 820 Nhiệt độ (K) 800 600 400 200 0 0.8m 0.7m 0.6m 0.5m 0.4m 1mm m m m m m Đầu vào DPF 1023 1053 1061 1076 1085 1101 Đầu ra DPF 820 859 868 900 902 913 Hình 2.58 Nhiệt độ trung bình đầu vào và đầu ra bộ DPF trong quá trình tái sinh. 2.5 Kết luận chương 2 Chương 3 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG EDDr 3.1 Giới thiệu chung 3.2 Thiết kế chung hệ thống EDDr 3.2.1 Cấu tạo chung 17
Hình 3. 1 Sơ đồ khối hệ thống EDDr 3.2.2 Nguyên lý làm việc Hình 3.2 Sơ đồ bố trí chung hệ thống tái sinh 3.3 Cải tạo đường ống thải Hình 3.3 Thiết kế chung hệ thống xử lý khí thải Hình 3.4 Hình ảnh 3D ống thải 3.4 Thiết kế hệ thống EGR 3.4.1 Cơ sở tính toán và thiết kế van EGR - Van EGR - Điều khiển van EGR - Bộ làm mát khí luân hồi 18