(TIỂU LUẬN) TIỂU LUẬN 2 NĂNG LƯỢNG mới TRÊN ô tô phân tích các phương pháp giảm khí xả trên động cơ diesel

Bảng 1B Tiêu chuẩn khí thải của Nhật Bản đối với ô tô chở khách chạy xăng và LPG, g / km Các thủ tục kiểm tra đã được thay đổi trong một số trường hợp.. 1.2 Tiêu chuẩn cho xe hoạt động t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TIỂU LUẬN 2 NĂNG LƯỢNG MỚI TRÊN Ô TÔ

Lớp: 02CLC Tên: Phạm Trường Quốc Vũ Mssv: 19145338 STT: 30

Giáo viên giảng dạy: PGS TS Lý Vĩnh Đạt

TP.HCM, 10/2021

MỤC LỤC

I Tiêu chuẩn khí xả khu vực Châu Á (Nhật Bản, Việt Nam) ii

1 Tiêu chuẩn khí xả ở Nhật Bản ii

1.1 Tiêu chuẩn cho xe chở khách loại nhỏ ii

1.2 Tiêu chuẩn cho xe hoạt động trong ngành thương mại iv

1.3 Tiêu chuẩn cho xe thương mại hạng nặng vii

1.4 Tiêu chuẩn cho động cơ không lưu thông đường bộ (nonroad) ix

2 Tiêu chuẩn khí xả tại Việt Nam xi

II Quy trình thử nghiệm khí xả ở khu vực Châu Á (Nhật Bản) xi

1 Chu trình thử 10 mode xi

2 Chu trình thử 10 – 15 mode xii

3 Chu trình thử 6 – mode xiii

4 Chu trình thử 13 – mode xiii

III Phân tích các phương pháp giảm khí xả trên động cơ Diesel xv

1 Bộ lọc hạt khí xả động cơ Diesel (DPF) xv

1.1 Cấu trúc của bộ lọc hạt khí xả Diesel xv

1.2 Cách thức hoạt động của bộ lọc hạt khí xả động cơ Diesel xvi

1.3 Làm cách nào để tái tạo bộ lọc hạt khí xả động cơ Diesel (DPF) xvi

2 Hệ thống tuần hoàn khí thải EGR xviii

3 Hệ thống nhiên liệu Common Rail Diesel xxi

3.1 Giới thiệu hệ thống Common Rail Diesel: xxi

3.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống Common Rail Diesel: xxii

3.3 Một hệ thống Common Rail Diesel gồm có 4 thành phần căn bản: xxiii

3.4 Ưu điểm: xxiv

4 Hệ thống xử lý khí thải Deutz – (SCR) Selective Catalytic Reduction xxv

I Tiêu chuẩn khí xả khu vực Châu Á (Nhật Bản, Việt Nam)

1 Tiêu chuẩn khí xả ở Nhật Bản

1.1 Tiêu chuẩn cho xe chở khách loại nhỏ

Hai loại tiêu chuẩn có thể được thiết lập ở Nhật Bản, được ký hiệu là “trung bình” và

“tối đa” (tiêu chuẩn “tối đa” được thể hiện trong ngoặc đơn trong bảng sau) Các tiêu

chuẩn "trung bình" phải được đáp ứng như một giới hạn phê duyệt kiểu và như một mứctrung bình sản xuất Các tiêu chuẩn "tối đa" thường phải được đáp ứng như một giới hạnriêng trong sản xuất hàng loạt và như giới hạn phê duyệt kiểu nếu doanh số bán hàng

dưới 2000 cho mỗi kiểu xe mỗi năm

Tiêu chuẩn khí thải đối với ô tô chạy bằng động cơ diesel mới được liệt kê trong Bảng

1A Ngày thực hiện đề cập đến các mẫu xe mới Một số tiêu chuẩn cho phép độ trễ lên

đến một năm đối với các mô hình sản xuất hiện tại

Trọng

lượng xe Ngày

Thử nghiệm

* - trọng lượng quán tính tương đương (EIW); trọng lượng xe 1265 kg

a - 10/2002 đối với xe sản xuất trong nước, 09/2004 đối với xe nhập khẩu

Tiêu chuẩn áp dụng cho xe khách sử dụng động cơ diesel, sử dụng chu trình thử 10-15

mode để tính toán lượng phát thải của phương tiện

Trong giai đoạn 2005÷2001 quá trình tính toán lượng phát thải trung bình trong khí thải

sẽ được tính toán theo các chu trình thử khác nhau như sau:

- Năm 2005 là 88% chu trình thử 10-15 mode + 12% của chu trình thử 11 mode

- Năm 2008 là 25% của vòng thử khởi động lạnh + 75% của chu trình thử 10- 15 mode

- Năm 2011 là 25 của vòng thử khởi động lạnh + 75% của vòng thử khởi động ấm

- Năm 2005 nhiên liệu được sử dụng chỉ chứa 50 ppm hàm lượng lưu huỳnh

Trung bình Trung bình Trung bình Trung bình

a Từ năm 2009, giá trị PM chỉ áp dụng cho các loại xe có động cơ xăng DI đốt cháy được trang bị chất xúc tác hấp phụ NOx; từ năm 2020, giá trị PM áp dụng cho tất cả các phương tiện sử dụng động cơ xăng DI, bao gồm cả xe DI theo phương pháp phân tích

Bảng 1B Tiêu chuẩn khí thải của Nhật Bản đối với ô tô chở khách chạy xăng và LPG, g / km

Các thủ tục kiểm tra đã được thay đổi trong một số trường hợp Chu trình 10 mode cũ được thay thế bằng chế độ thử nghiệm 10-15 mode có hiệu lực từ năm 11/1991 đối với

ô tô sản xuất trong nước và 04/1993 đối với ô tô nhập khẩu Quy định năm 2005 đã đưa

ra chu trình chế độ JC08 đã được áp dụng hoàn toàn vào năm 2011 (các phương tiện đã được thử nghiệm sử dụng nhiên liệu 50 ppm S theo tiêu chuẩn năm 2005) Từ năm

2018, khí thải được kiểm tra trong chu kỳ kiểm tra WLTP

1.2 Tiêu chuẩn cho xe hoạt động trong ngành thương mại

Tiêu chuẩn khí thải cho các loại xe dùng trong lĩnh vực thương mại sử dụng

động cơ diesel được tóm tắt trong hai bảng sau:

- Bảng 1C: cho xe du lịch loại nhỏ (với băng thử Chassis dynamometer)

- Các xe tải hạng nhẹ và xe bus được thử với chu trình thử 10-15 mode

- Chu trình thử cho động cơ xe tải hạng nặng là 6 mode

Trọng

lượng xe

* nghiệm vị (tối đa) (tối đa) (tối đa) (tối đa)

0,90(1,26)

(2,7)

0,40(0,62)

0,60(0,84)

0,20(0,34)

(2,7)

0,40(0,62)

0,40(0,55)

0,08(0,14)

DI: 380(500)IDI: 260(350)

1,30(1,82)

0,25(0,43)

(2,7)

0,40(0,62)

0,70(0,97)

0,09(0,18)

* - Gross vehicle weight : tải trọng của phương tiện

(trung bình)

(trung bình)

(trung bình)

Bảng 1D Tiêu chuẩn khí thải đối với xe thương mại hạng nhẹ chạy xăng và LPG, g/km GVW ≤ 3500 kg

1.3 Tiêu chuẩn cho xe thương mại hạng nặng

2,90(3,80)

DI: 6,00 (7,80)IDI: 5,00 (6,80)

0,70(0,96)

(9,20)

2,90(3,80)

c - thực hiện đầy đủ đến hết năm 2005

d - các hiđrocacbon không chứa metan

Tiêu chuẩn khí thải đối với động cơ chạy bằng xăng và LPG mới cho xe thương mại hạng nặng được tóm tắt trong Bảng 2 Không có tiêu chuẩn mới nào đối với động cơ chạy bằng xăng và LPG hạng nặng được công bố cho khung thời gian sau năm 2018.

cơ không lưu thông đường bộ

(nonroad)

a Tiêu chuẩn dành cho

phương tiện cơ giới đặc biệt (Bộ

GTVT)

Các tiêu chuẩn của Bộ GTVT bắt

đầu có hiệu lực từ tháng 10 năm

2003 (Bảng 1G) Phát thải được đo

theo chu trình ISO 8178-4 C1

Khói được đo theo JCMAS T-004

Bảng 1G Tiêu chuẩn phát thải cho các phương tiện cơ giới đặc biệt (MOT), g / kWh

b Tiêu chuẩn máy xây dựng (MOC)

Công suất C O HC NOx M P Khói Ngày

Tiêu chuẩn khí thải của Máy xây dựng (MOC) được trình bày trong Bảng 1H Các tiêu chuẩn “Giai đoạn 2” của MOC phù hợp với các tiêu chuẩn của Bộ GTVT (Bảng 1G) Phát thải được đo trên chu kỳ C1 ISO 8178 8 mode

a - áp dụng cho xây dựng đường hầm (1997.4.1 cho 7,5-15 kW)

b - xây dựng chung, 3 máy chính (máy xúc, máy kéo, máy ủi)

c - xây dựng chung, các máy khác

Bảng 1H Tiêu chuẩn phát thải đối với thiết bị xây dựng điêzen (MOC), g / kWh

2 Tiêu chuẩn khí xả tại Việt Nam

Các tiêu chuẩn Việt Nam về khí thải của các phương tiện giao thông được nêu trong bảng 2, các tiêu chuẩn này được áp dụng để kiểm nghiệm nồng độ các chất độc hại trong khí thải của các phương tiện giao thông đang lưu hành

II Quy trình thử nghiệm khí xả ở khu vực Châu Á (Nhật Bản)

1 Chu trình thử 10 mode

Là chu trình thử dùng để kiểm tra chất lượng phát thải của xe con chạy trong

thành phố Nhật Bản

- Phần mở đầu của chu trình thử là quãng đường thử 0,664 km, tốc độ trung

bình là 17,7 km/h, thời gian thử 135 giây và vận tốc cực đại 40 km/h

- Toàn bộ chu trình thử được bắt đầu sau sau 15 phút làm ấm máy ở tốc độ 40

km/h, sau đó là quá trình lặp lại của 6 phần giống nhau thể hiênh trên hình II-1 Lượng phát thải được tính toán ở 5 phần cuối (phần mở đầu không được tính vì vậy toàn bộ lượng phát thải sẽ tính cho một lộ trình 3,32 km trong thời gian 675 s) Đơn vị tính lượng phát thải g/km.

Hình II-1 trình bày chu trình thử 10 mode của Nhật Bản

Hình II-1

2 Chu trình thử 10 – 15 mode

Là chu trình thử cho xe con chạy trong thành phố, lấy từ chu trình thử 10

mode và thêm vào đó là chu trình thử 15 mode ở tốc độ 70 km/h

Toàn bộ chu trình gồm: 15 phút chạy ấm máy ở tốc độ 60km/h, không tải 5

phút làm ấm ở tốc độ 60 km/h và một đoạn 15 mode Sau đó lặp lại 3 lần đoạn 10mode và một lần đoạn 15 mode Lượng phát thải được tính cho cả 4 đoạn cuối

Hinh II-2

3 Chu trình thử 6 – mode

Là chu trình thử cho xe động cơ xe tải nặng Động cơ được thử trên 6 tốc độ

khác nhau của cùng một tải trọng Các mode này được chạy liên tục và thời gian

cho mỗi mode là 3 phút Lượng phát thải được tính cho mỗi mode và tính trung bình trong đó có tính đến hệ số khối lượng Kết quả cuối cùng được đưa ra dưới dạng một thểtích khí tập trung, đơn vị tính [ppm]

Chu trình này được thể hiện cụ thể trên bảng II-3:

Mode T c (%) ố độ Công su t (%) ấ H s kh i l ệ ố ố ượ

Chu trình thử 13-mode là chu trình thử cho động cơ xe tải hạng nặng ở Nhật

Bản Chu trình thử gồm một chuỗi 13 đoạn thử giống nhau Lượng phát thải được

tính trung bình cho toàn bộ chu trình thử và thiết lập một hệ số tỷ lệ về khối lượng,đợn vị tính [g/kW.h] Quá trình thử được thực hiện ở tốc độ thấp và nhiệt độ khí

thải thấp

Chu trình thử cho động cơ xăng và động cơ diesel khác nhau Được thể hiện

trong các bảng sau:

Mode T c (%) ố độ Công su t (%) ấ T l kh i l ng ỷ ệ ố ượ

Bảng II-4.1 Chu trình thử 13 mode cho động cơ diesel

III Phân tích các phương pháp giảm khí xả trên động cơ Diesel

1 Bộ lọc hạt khí xả động cơ Diesel (DPF)

Với những tiêu chuẩn ngày càng khắt khe của các nước trên thế giới về khí thải nhà kính và việc bảo vệ môi trường, những hệ thống trên động cơ đốt trong ngày càng nhiềuhơn nhằm đáp ứng những tiêu chuẩn khắt khe này Do đó bộ lọc hạt khí xả động cơ diesel (DPF) như là một tiêu chuẩn quan trọng trên các dòng xe diesel hiện đại

1.1 Cấu trúc của bộ lọc hạt khí xả Diesel

Bộ lọc hạt khí xả động cơ Diesel (DPF) loại bỏ các hạt từ khí thải động cơ Diesel thông qua quá trình lọc vật lý Có rất nhiều loại bộ lọc, nhưng phổ biến nhất là loại nguyên khối bằng gốm (cordierite hoặc silicon cacbua) với cấu trúc tổ ong Chúng bao gồm các thành phần như:

Thành của lõi lọc (nguyên khối) có cấu tạo gồm các lỗ rỗng kích thước nhỏ, được kiểm soát kỹ lưỡng trong quá trình gia công sản xuất Tổng độ xốp của vật liệu thường từ 45 đến 50% hoặc hơn, trong khi kích thước lỗ trung bình từ 10 đến 20 μm

 Lớp phủ xúc tác: Chức năng chính của lớp phủ xúc tác là cung cấp chất nền cho

các kim loại xúc tác (kim loại quý) Ngoài ra, lớp phủ xúc tác còn có nhiệm vụtách biệt về mặt vật lý và ngăn chặn các phản ứng hoá học không mong muốngiữa các thành phần bên trong bộ xúc tác phức tạp Vật liệu phủ xúc tác bao gồm

các oxit kim loại phi quý vô cơ như alumin, oxit silic, oxit xeri, dioxit titan, oxitzirconi và zeolit

 Kim loại xúc tác: chất xúc tác kim loại quý có thể có trong bùn xúc tác hoặc

chúng được sử dụng trong bước thứ hai được gọi là ngâm tẩm

 Mảng gốm sứ (bảo vệ): nó được bao bọc xung quanh thành lõi lọc Cung cấp

khả năng cách nhiệt, bảo vệ khỏi các chấn động cơ học và rung động của xe

1.2 Cách thức hoạt động của bộ lọc hạt khí xả động cơ Diesel

Bộ lọc hạt tương tự như bộ chuyển đổi xúc tác trên động cơ xăng (mặt cắt – tổ ong) Tuy nhiên, các tấm lọc trong bộ lọc hạt khí xả động cơ diesel có đường kính lớn hơn và thành xốp Ngoài ra, chúng còn được phủ một lớp phủ xúc tác tạo nền tảng cho các hạt kim loại xúc tác và làm nóng

Khí thải đi qua chất xúc tác oxy hóa diesel (DOC), sau đó đi qua bộ lọc hạt khí xả động

cơ diesel, khí thải đi qua bộ lọc như phải chui qua các bức tường xốp và bộ lọc này sẽ giữ lại các hạt bồ hóng Sau đó khí thải thoát ra đường sau bộ lọc với khí thải sạch hơn

Để giảm lượng khí thải từ xe chạy bằng động cơ diesel, bộ lọc hạt khí xả động cơ diesel

sẽ thu giữ và lưu giữ muội than, chúng phải được đốt cháy định kỳ để tái tạo bộ lọc Quá trình tái tạo đốt cháy muội than dư thừa đọng lại trong bộ lọc, giúp ngăn chặn khí thải độc hại và khói đen là một hiện tượng đặc trưng của động cơ diesel khi tăng tốc

1.3 Làm cách nào để tái tạo bộ lọc hạt khí xả động cơ Diesel (DPF)

Chìa khóa để duy trì bộ lọc hạt khí xả động cơ diesel (DPF) là đảm bảo nó có thể tự phục hồi khi chứa đầy muội than (kích hoạt đèn cảnh báo) Hai kiểu tạo bao gồm thụ động và chủ động

a Tái tạo bộ lọc thụ động

Quá trình tái tạo thụ động xảy ra khi nhiệt trong động cơ tăng lên đến mức muội than kết hợp với oxy để tạo ra carbon dioxide Vì carbon dioxide là một chất khí, nó có thể điqua bộ lọc Ví dụ, một chiếc xe tải chở đầy tải di chuyển với tốc độ ổn định sẽ tạo ra đủ nhiệt trong động cơ để xảy ra phản ứng hóa học – đó là sự tái tạo thụ động.

Cần lưu ý rằng tro tàn là sản phẩm phụ của quá trình đốt cháy, vì vậy không một lượng nhiệt nào từ động cơ có thể chuyển hóa nó Theo thời gian, tro sẽ tích tụ đến mức bị tắc

bộ lọc do đó cần phải loại bỏ và làm sạch bộ lọc Bộ lọc này sau đó có thể được cài đặt

lại và sử dụng lại

Tái tạo thụ động xảy ra khi xe được điều khiển bình thường tuy nhiên người lái xe không biết rằng nó có xảy ra hay không Tái tạo bộ lọc thụ động có thể không phải lúc nào cũng giữ cho DPF sạch trong suốt ngày làm việc, do đó, chúng cần có quá trình tái tạo bộ lọc tích cực

b Tái tạo bộ lọc tích cực

Tái tạo thụ động là một phần của hoạt động bình thường của động cơ, tuy nhiên quá trình tái tạo bộ lọc tích cực đòi hỏi động cơ phải thực hiện thông qua điều khiển của ECU.

i

Quá trình tái tạo bộ lọc tích cực diễn ra khi động cơ không tạo ra đủ nhiệt cần thiết Khimức muội than đạt đến một điểm nhất định, động cơ sẽ phun nhiên liệu vào buồng đốt,dòng khí thái thừa nhiên liệu sẽ đi qua chất xúc tác oxy hóa (DOC) giúp oxy hóa nhiênliệu để tạo ra nhiệt Nhiệt tạo ra từ quá trình oxy hóa nhiên liệu sau đó được sử dụng đểchuyển hóa muội than thành carbon dioxide.

c Tái tạo bộ lọc hạt khí xả động cơ diesel trong quá trình bảo dưỡng

Cả quá trình tái tạo chủ động và thụ động đều diễn ra tự động và không cần đầu vào củatrình điều khiển Quá trình tái tạo chủ động có thể tự động xảy ra bất cứ lúc nào xe đang

di chuyển Nhiệt độ khí thải có thể đạt 1500℉F (800 ℉C)

Tuy nhiên trong quá trình bảo dưỡng và sửa chữa, vấn đề tái tạo bộ lọc có thể được canthiệp bằng cách kích hoạt tái tạo bộ lọc bằng các thiết chuyên dụng hoặc các thiết bịchẩn đoán bên ngoài Chúng ta có thể nhận biết quá trình tái tạo bộ lọc có đang diễn rahay không là đèn báo trên bảng đồng hồ, đèn này sẽ bật sáng khi nhiên liệu bắt đầu bơmvào, làm tăng nhiệt độ trong bộ lọc

Bộ lọc hạt khí xả động cơ diesel DPF hiện nay đã là một công nghệ cũ nhưng nó vẫnđược sử dụng một cách rộng rãi nhờ tính tiện lợi, độ ổn định và nhất là hiệu quả của quátrình lọc của nó mang lại nhiều tích cực cho môi trường

2 Hệ thống tuần hoàn khí thải EGR

Động cơ Diesel có xu hướng phát thải khí Nitrogen Oxide (NOx) cao hơn ra môitrường, gây nguy hại cho sức khỏe con người Nguyên nhân dẫn đến việc này là donhiệt độ cao trong xilanh vì động cơ diesel có tỷ số nén cao hơn Để kiểm soát và làmgiảm lượng NOx, các nhà sản xuất sử dụng hệ thống tuần hoàn khí thải EGR – ExhaustGas Recirculation Tái tuần hoàn khí thải là kỹ thuật được sử dụng ở cả động cơ xăngcũng như diesel

Cơ chế hoạt động của hệ thống tuần hoàn khí thải EGR

 Khí thải được hòa trộn vào dòng khí sạch từ môi trường, các sản phẩm cháy làmtăng nhiệt dung riêng của xilanh, điều này giúp làm giảm nhiệt độ ngọn lửa

 Trong động cơ SI (Spark-Ignited), 5 đến 15% lượng khí thải được chuyển trở lạibuồng nạp bởi hệ thống tuần hoàn khí xả EGR Lượng khí thải tuần hoàn quámức trong hệ thống sẽ gây nên mất lửa và đốt cháy không hoàn toàn Mặc dùEGR gây nên sự cháy chậm đáng kể, nhưng điều này phần lớn có thể được bù lạibằng cách tăng thời gian đánh lửa (tăng góc đánh lửa sớm) Hệ thống tuần hoàn

ii

khí thải EGR có ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ, điều này phần lớn phụ thuộcvào thiết kế động cơ – dẫn đến sự cân nhắc lựa chọn giữa hiệu suất và vấn đề tiêuchuẩn khí thải.

Thiết kế và hoạt động của hệ thống tuần hoàn khí thải EGR

 Van EGR được điều khiển dựa vào tín hiệu áp suất chân không, quyết định lượngkhí thải được đưa vào các xilanh Nó bao gồm một lò xo màng chịu lực chânkhông và được liên kết với buồng chân không EGR Áp suất chân không đượcchuyển từ cổng tín hiệu nằm phía trên bướm ga, kết nối với buồng chân khôngEGR thông qua ECU

 Khi không hoạt động, van EGR ở vị trí đóng do lực lò xo thắng áp suất chânkhông Các kỹ sư đã thiết kế cơ cấu như vậy bởi vì nếu khí thải tuần hoàn ở trạngthái không tải, thì nó sẽ gây ra tình trạng không hoạt động hoặc hoạt động không

ổn định

 Khi áp suất chân không lớn, ECU sẽ kích hoạt mở buồng chân không EGR hút lò

xo màng đi lên mở van, một lượng khí thải sẽ theo đường van mở trở lại buồnggóp