Đề tài nghiên cứu thiết kế mô hình 3d thiết bị lọc khí thải động cơ đốt trong trên xe ô tô động cơ đốt trong honda

Nội dung tiểu luận gồm 4 phần chính: CHƯƠNG 1: Tổng Quan Hệ Thống Xử Lý Khí Thải Trên Ô Tô CHƯƠNG 2: Cơ Sở Lý Thuyết Của Phương Pháp Nghiên Cứu CHƯƠNG 3: Thiết Kế Mô Hình 3d Thiết Bị Lọc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

TIỂU LUẬN

KẾT THÚC HỌC PHẦN

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÔ HÌNH 3D THIẾT BỊ LỌC KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG TRÊN XE Ô TÔ

ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG HONDA

HỌC VIÊN : HOÀNG KHẢI HƯNG LỚP : CAO HỌC CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC KHÓA : 13

MÃ HV : 2023700069 HỌC PHẦN : KHÍ THẢI Ô TÔ VÀ VẤN ĐỀ KIỂM SOÁT GIẢNG VIÊN : TS LÊ VĂN ANH

Hà Nội, tháng 11-2023

ii

I Yêu cầu chung

- Thời gian thực hiện: Từ 26/10/2023 đến 14/11/2023

trong Honda

1 Đánh giá được các thành phần,

hệ thống của vấn đề đặt ra liên quan đến ngành kỹ thuật cơ khí động lực (3 điểm)

2 Trình bày được các báo cáo về các vấn đề chung hoặc các vấn đề chuyên môn (4 điểm )

3 Đánh giá được tác động của vấn đề nghiên cứu với các cá nhân, tổ chức và xã hội (3 điểm)

Xác nhận Khoa chuyên môn

(Ký ghi rõ họ và tên)

Giảng viên

(Ký ghi rõ họ và tên)

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

TRUNG TÂM ĐT SAU ĐẠI HỌC PHIẾU GIAO NỘI DUNG TIỂU LUẬN

KẾT THÚC HỌC Học phần: Khí thải ô tô và vấn đề kiểm soát

Lớp: KTCKĐL – K13 Trình độ đào tạo: Thạc sĩ

iii

MỤC LỤC

MỤC LỤC iii

LỜI NÓI ĐẦU vii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG XỬ LÝ KHÍ THẢI TRÊN Ô TÔ 1

1.1 Vấn đề xử lý khí thải xe ô tô 1

1.2 Vấn đề tiêu thụ nhiên liệu 2

1.3 Vấn đề ô nhiễm môi trường 3

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 8

2.1 Cấu tạo chung hệ thống khí thải ô tô 8

2.2 Nguyên lý hoạt động của bộ chuyển đổi xúc tác khí thải ô tô 11

2.3 Cấu trúc tổ ong 13

iv

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH 3D THIẾT BỊ LỌC KHÍ THẢI ĐỘNG

CƠ ĐỐT TRONG TRÊN XE Ô TÔ 15

3.1 Xây dựng mô hình 15

3.2 Cấu tạo và mô hình thiết bị 16

CHƯƠNG 4 TỔNG KẾT 22

4.1 Dữ liệu xây dựng mô hình 22

4.2 Ứng dụng và giá trị sử dụng 22

v

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: Dự báo nhu cầu xử lý khí thải ô tô 2023-2028 1

Hình 2: Hàm lượng các chất trong khí xả động 4

Hình 3: Sơ đồ hệ thống khí thải trên xe ô tô 8

Hình 4: Cổ góp 8

Hình 5: Turbocharger 9

Hình 6: Bộ xúc tác 10

Hình 7: Bộ giảm âm 10

Hình 8: Nguyên lý hoạt động của bộ chuyển đổi xúc tác khí thải ô tô 11

Hình 9: Cấu tạo bộ xúc tác 12

Hình 10: Mặt chiếu đường vào dòng khí 18

Hình 11: Mặt cắt A-A của thiết bị 19

Hình 12: Mặt cắt B-B của thiết bị 20

vi

vii

LỜI NÓI ĐẦU

Sản xuất ô tô trên thế giới ngày càng tăng vượt bậc, ô tô trở thành phương tiện vận chuyển quan trọng trong các ngành kinh tế, đồng thời trở thành phương tiện giao thông tư nhân quan trọng Ở nước ta, cùng với sự tăng trưởng về nền kinh tế thì mật độ lưu thông ô tô trên đường ngày càng cao Sự phát triển của ngành sản xuất ô tô gắn liền với sự phát triển của tất cả các ngành khoa học - kỹ thuật có liên quan Đi kèm với việc gia tăng không ngừng số lượng xe ô tô hoạt động thì lượng khí thải ô tô cũng lớn hơn Điều đó đặt ra thách thức cho các nhà nghiên cứ và sản xuất ô tô có những thiết bị và giải pháp tối ưu hơn

Chính vì vậy, tiểu luận tôi đã chọn đề tài “Nghiên Cứu Thiết Kế Mô Hình 3d Thiết Bị Lọc Khí Thải Động Cơ Đốt Trong Trên Xe Ô Tô Động Cơ Đốt Trong Honda” để nghiên cứu Qua quá trình nghiên cứu và thực hiện có được những hiểu biết sâu và kỹ hơn về thiết bị xử lý khỉ thải ô tô

Nội dung tiểu luận gồm 4 phần chính:

CHƯƠNG 1: Tổng Quan Hệ Thống Xử Lý Khí Thải Trên Ô Tô

CHƯƠNG 2: Cơ Sở Lý Thuyết Của Phương Pháp Nghiên Cứu

CHƯƠNG 3: Thiết Kế Mô Hình 3d Thiết Bị Lọc Khí Thải Động

Cơ Đốt Trong Trên Xe Ô Tố

CHƯƠNG 4: Tổng Kết

1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG XỬ LÝ KHÍ

THẢI TRÊN Ô TÔ 1.1 Vấn đề xử lý khí thải xe ô tô

Ngày nay, số lượng các phương tiện giao thông đang tăng rất nhanh kéo theo

sự gia tăng ô nhiễm môi trường đặc biệt là ô nhiễm môi trường không khí Để giảm lượng khí thải từ động cơ của các phương tiện giao thông vận tải cần có sự phối hợp đồng bộ giữa cơ quan quản lý, các nhà sản xuất và người sử dụng phương tiện Trong đó, các nhà sản xuất luôn phải đầu tư nghiên cứu, cải tiến công nghệ nhằm chế tạo các động cơ có mức phát thải độc hại thấp, đáp ứng các tiêu chuẩn cũng như lộ trình kiểm soát phát thải do cơ quan quản lý đã đề ra Các nhà quản lý nghiên cứu đưa ra các chính sách, tiêu chuẩn kiểm soát hợp lý Lộ trình áp dụng phù hợp với điều kiện kinh tế và trình độ phát triển công nghệ trong tương lai Trong khi đó, đối với người sử dụng cần phải tuân thủ quy trình vận hành, bảo trì bảo dưỡng của nhà sản xuất và chấp hành các quy định về kiểm soát phát thải của cơ quan quản lý

Vì thế, tiêu chuẩn khí thải xe ô tô là một trong những tiêu chí quan trọng quyết định việc xe có đủ điều kiện lưu thông trên đường hay không Điều này đặt

ra thử thách lớn cho các nhà nghiên cứu và sản xuất phương tiện cần đáp ứng

Hình 1: Dự báo nhu cầu xử lý khí thải ô tô 2023-2028

2

1.2 Vấn đề tiêu thụ nhiên liệu

Nhiên liệu hóa thạch cạn kiệt và mức phát thải từ các phương tiện giao thông chiếm tỷ trọng lớn đòi hỏi động cơ đốt trong hiện đại cần có hiệu suất nhiệt cao hơn và cháy sạch hơn Lượng phát thải các chất gây ô nhiễm không khí từ các phương tiện giao thông như nitrogen oxides (NOx), hạt bồ hóng (PM), carbon monoxide (CO), hydrocacbon (HC), carbon dioxide (CO2)… chiếm khoảng 45- 55% tổng lượng phát thải toàn cầu Hàng năm, toàn thế giới thải ra trên dưới 37

tỉ tấn CO2, đóng góp một phần đáng kể vào khí thải nhà kính, gây một mối lo ngại lớn về biến đổi khí hậu toàn cầu Vấn đề ô nhiễm không khí ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường sống, sức khỏe con người và sinh vật trên Trái Đất Do đó, hầu hết các quốc gia trên thế giới đều có những biện pháp giới hạn nghiêm ngặt

về mức phát thải của các phương tiện giao thông

Mặt khác, tính chung mỗi ngày trên thế giới tiêu thụ khoảng 86 triệu thùng dầu thô, trong đó 70% dùng cho động cơ đốt trong Với xu hướng trên, các nghiên cứu phát triển động cơ ngày nay, bao gồm cả động cơ xăng và động cơ diesel có một ý nghĩa hết sức quan trọng, bởi lẽ chỉ cần một cải thiện hiệu suất nhỏ nhưng với số lượng động cơ lớn cũng mang lại một tác động rất lớn tới kinh tế và môi trường

Mặc dù có một số điểm hạn chế về hiệu suất sử dụng năng lượng và phát thải nhưng động cơ sử dụng nhiên liệu hóa thạch vẫn còn khá phổ biến Đã có nhiều đề xuất thay thế động cơ đốt trong bằng các nguồn động lực có hiệu suất

sử dụng năng

lượng cao hơn như động cơ Stirling, động cơ Wankel, động cơ dùng năng lượng mặt trời, động cơ hydrogen…nhưng do phức tạp, chi phí cao, khó áp dụng vào thực tế nên hiện chỉ dừng ở mức độ tiềm năng, cần được nghiên cứu và hoàn thiện thêm Các loại xe hybrid hoặc xe điện có ưu điểm khi áp dụng cho các phương tiện nhỏ nhưng rất bất lợi khi áp dụng trên các phương tiện có tải trọng lớn đòi hỏi tính bền bỉ và khoảng cách di chuyển dài Mặt khác, hiệu suất của các máy phát điện thường thấp hơn 50% chưa kể đến các thất thoát khác trong quá

3

trình sản xuất điện Hơn nữa, mất mát trong quá trình lưu trữ điện năng cũng đáng

kể mặc dù hiệu suất sử dụng của động cơ điện cũng có thể đạt đến 90% Đó là những hạn chế rất lớn khi áp dụng xe điện vào thực tế

Xét chung lại, với chi phí hợp lý, bền bỉ, tiện lợi cùng với việc sử dụng nhiên liệu phổ biến, dễ dàng tìm thấy hầu như ở mọi nơi thì động cơ đốt trong vẫn là ưu tiên hàng đầu, chưa thể thay thế hoàn toàn trong tương lai gần Tuy nhiên, việc cải thiện hiệu suất động cơ cũng như phát triển các mẫu động cơ mới

sử dụng các loại nhiên liệu thay thế, giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch

là rất cần thiết

Những nghiên cứu trên động cơ đốt trong ngày nay thường tập trung vào quá trình cháy của nhiên liệu, thành phần hóa học của nhiên liệu, nâng cao chất lượng hòa trộn của hỗn hợp cháy để cải thiện hiệu suất của động cơ Nhiều mô hình cháy với hiệu suất cao và phát thải ô nhiễm thấp đã ra đời như động cơ cháy

ở nhiệt độ thấp (LTC–Low Temperature Combustion) Việc cháy ở nhiệt độ thấp mang lại hiệu suất cao hơn động cơ diesel thông thường (có thể đạt tới 60%), đồng thời nhiệt độ buồng cháy thấp nên sẽ giảm đáng kể lượng phát thải NOx và các thành phần độc hại

1.3 Vấn đề ô nhiễm môi trường

Cùng với sự tăng trưởng về số lượng ô tô, một mâu thuẫn nảy sinh trong

sự phát triển của xã hội là vấn đề ô nhiễm môi trường do khí thải độc hại từ động

cơ ô tô, xe máy thải ra vào không khí quanh ta Nguồn ô nhiễm này trở thành mối

đe dọa chính cho cuộc sống của con người, đặc biệt là ở các thành phố có mật độ

xe cơ giới cao, mối nguy hiểm này càng lớn Đa phần những chất do động cơ thải

ra là những chất gây ô nhiễm

4

Ngày nay, hơn 30% lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường đến từ các phương tiện giao thông Ngay sau khi xe khởi động động cơ, tức thì, hệ thống ống xả của xe sẽ bắt đầu thải khí Đa phần, khi nhắc đến khí thải ôtô mọi người thường nghĩ ngay đến CO2 nhưng sự thật không chỉ có vậy, đây cũng chưa phải thành phần có tác hại hất đến sức khỏe con người Hình dưới là đồ thị thể hiện hàm lượng các chất khí của khí xả động cơ đốt trong

Hầu hết các dòng xe sử dụng động cơ hiện đại thì sạch hơn những xe sử dụng các loại động cơ cũ Do các hãng xe đều có những thay đổi nhất định nhằm làm giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính và khí thải gây ô nhiễm môi trường, có thể kể đến biện pháp downsizing tức là sử dụng những động cơ cỡ bé kết hợp với bộ tăng áp cho ra công suất tương tự động cơ cỡ lớn, hay trang bị bộ

xử lý xúc tác khí thải trên đường thải Các thành phần chính có trong khí thải động cơ có thể được mô tả vắn tắt như dưới đây

Carbon dioxide (CO 2 )

Là chất khí chiếm tỷ lệ cao nhất trong tổng lượng khí thải thoát ra từ ống

xả của ô tô sau khi động cơ xe khởi động Lượng khí này tan vào bầu khí quyển, kết hợp với một số loại khí khác gây nên hiện tượng hiệu ứng nhà kính khiến trái đất nóng dần lên Hậu quả của việc này là khí hậu trái đất diễn biến thất thường theo chiều hướng tiêu cực và làm tăng tốc độ tan chảy những dòng sông băng ở Bắc Cực khiến nước biển dâng cao

Hình 2: Hàm lượng các chất trong khí xả động

5

Tuy các nhà sản xuất đã ứng dụng nhiều công nghệ tiên tiến nhằm giảm thiểu tối đa lượng khí CO2 thoát ra khỏi ống xả ô tô nhưng đến nay, thậm chí, những chiếc xe được xem là sạch nhất cũng thải ra gần 100g/km Những chiếc xe động cơ xăng, dầu mạnh hơn còn có thể thải ra một lượng CO2 cao gấp 5 lần hàm lượng nói trên

Carbon monoxide (CO)

Carbon monoxide (CO) là khí thải độc hại thoát ra đường thải động cơ có hàm lượng chỉ đứng sau CO2 là (hình 9.1) CO là kết quả của quá trình đốt cháy nhiên liệu trong điều kiện thiếu ôxi, thường xảy ra khi khởi động lạnh

CO làm giảm khả năng lưu thông oxy trong máu khiến cho cơ thể người yếu đi Chỉ cần một lượng rất nhỏ khí CO cũng có thể làm cho tim đập nhanh hơn

và tăng nguy cơ mắc bệnh tim

Ngoài ra, khí CO còn có thể kết hợp với một số chất khí khác để tạo ra khí ozone nồng độ cao gây ảnh hưởng không tốt đến sức khỏe con người Khí ozone khi nằm trên tầng khí quyển cách mặt đất hơn 30km có tác dụng bảo vệ con người khỏi tia cực tím từ ánh nắng mặt trời, giảm nguy cơ gây bệnh ung thư da và làm đục nhân mắt Nhưng khi loại khí này tồn tại bên cạnh chúng ta thì lại rất độc hại bởi khi hít phải khí ozone, chức năng hoạt động của phổi sẽ giảm và đó chính là điều kiện lý tưởng để các bệnh liên quan đến đường hô hấp phát triển

Tuy nhiên, hàm lượng khí CO thải ra từ ống xả đã giảm đến 90% do các nhà sản xuất đã trang bị bộ xử lý xúc tác trên đường thải giúp chuyển hóa phần lớn khí CO thành CO2 trước khi thải ra ngoài không khí

Nitrogen oxides (NO x )

Là hỗn hợp khí bao gồm NO, nitrous oxide (N2O) và nitrogen dioxide (NO2), tạo thành từ các phản ứng giữa oxy và nitơ có trong không khí trong môi trường nhiệt độ cao bên trong buồng cháy động cơ

Đây là những loại khí làm tăng hiệu ứng nhà kính và cực kỳ có hại đối với sức khỏe của con người, đặc biệt, nó có khả năng làm tăng các bệnh về đường hô

6

hấp, mắt, mũi… Hàm lượng khí NOx thải ra từ ống xả của xe tuy không nhiều bằng hàm lượng khí CO2 nhưng độc tính thì cao gấp hàng trăm lần Tương tự như CO, khí NOx có khả năng phản ứng với một số chất khác trong không khí tạo ra khí ozone ở hạ tầng khí quyển gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe của con người, đồng thời, góp phần tạo ra mưa axit gây hại cho sự phát triển của cây cối Khí NOx tồn tại nhiều ở các vùng đô thị có nhiều phương tiện hoạt động Tại Anh, xe ô tô được xem là thủ phạm chính tạo ra hơn nửa lượng khí NOx sản sinh ra do quá trình hoạt động của con người Trong đó, các loại xe sử dụng động

cơ diesel có hàm lượng khí NOx thải ra nhiều gấp năm lần so với xe động cơ xăng tương đương

Các bộ xúc tác 3 thành phần chỉ làm việc hiệu quả với động cơ xăng thông thường có tỷ lệ hòa khí ở vùng 1 và không hiệu quả trong việc giảm lượng khí NOx thải ra với động cơ diesel hay phun xăng trực tiếp Do đó, những động cơ này còn được trang bị thêm bộ xử lý xúc tác chọn lọc (SCR - Selective Catalytic

Reduction) với động cơ diesel hoặc bộ tích trữ NOx (NOx accumulation) với

động cơ phun xăng trực tiếp Trong đó, bộ chuyển đổi SCR sử dụng các phản ứng hóa học nhằm chuyển hóa NOx độc hại thành N2 trung tính; bộ tích trữ NOx sẽ lưu giữ lại NOx khi động cơ xăng làm việc ở vùng hỗn hợp nghèo và xả ra khi hỗn hợp động cơ làm việc vùng 1 để bộ xúc tác 3 thành phần xử lý

Chất thải dạng hạt (PM - Particulate matter)

Những tạp chất dạng hạt nhỏ li ti, bao gồm các phân tử cácbon, HC và hỗn hợp rắn của lưu huỳnh và một số chất khác, chủ yếu có trong thành phần khí thải động cơ diesel Động cơ xăng cũng phát thải PM nhưng với hàm lượng thấp

PM có thể coi như những hạt bụi siêu nhỏ nên có khả năng xâm nhập vào phổi dễ dàng hơn Đặc biệt, những hạt PM2.5 (đường kính hạt bé hơn 2,5 m) đã

bị Tổ chức Y tế thế giới (WHO) xếp vào một trong các tác nhân gây ung thư Chúng có khả năng di chuyển hàm trăm km và tồn tại trong không khí hàng tuần liền

7

Từ tháng 9/2009, chính phủ các nước châu Âu đã áp dụng tiêu chuẩn khí thải Euro V Theo đó, tất cả những chiếc xe mới phải có mức phát thải PM dưới 0,05g/km Để đáp ứng tiêu chuẩn này, các nhà sản xuất đã trang bị cho xe một bộ lọc hạt (PM filter), giúp giữ lại phần lớn PM thải ra từ động cơ

Hydrocarbons (HC)

Ngoài CO2, CO, NOx và chất thải dạng hạt (PM), động cơ còn thải ra hỗn hợp khí hydrocarbon, bao gồm benzene và isoctane, rất độc hại Xe động cơ xăng thải ra nhiều khí hydrocarbon hơn những động cơ diesel tương đương

Benzene là một loại độc tố cản trở quá trình sản xuất máu của cơ thể và gây ra bệnh thiếu máu Mới đây, cơ quan nghiên cứu ung thư quốc tế (IARC) cũng xác định, benzene còn là một tác nhân gây ung thư, làm nhiễm độc xương

và có thể gây bệnh bạch cầu Hydrocarbon có thể giảm bằng cách rút ngắn thời gian sấy nóng máy và sấy nóng bộ xúc tác ba thành phần, hoặc tạo điều kiện xúc tác tốt bằng cách phun thêm khí sạch vào đường thải thông qua hệ thống phun khí thứ cấp

Một số loại chất thải khác

Ngoài các thành phần chất thải nêu trên còn có một số loại khí thải khác thoát ra từ đường thải động cơ, bao gồm sulphur dioxide (SO2), mêtan (CH4), ozone (O3) SO2 gây ra mưa axit, khiến bệnh hen suyễn nặng thêm và có nguy

cơ gây tổn thương đường hô hấp CH4 không có tác hại đến sức khỏe của con người nhưng lại ảnh hưởng đến hiệu ứng nhà kính O3 lại rất độc hại cho hệ thống

hô hấp của con người

8

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG

PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Cấu tạo chung hệ thống khí thải ô tô

Hệ thống khí thải ô tô thường được sản xuất với dạng ống tròn và gồm nhiều đoạn nối với nhau Hệ thống khí thải nằm ở gầm xe, kéo dài từ động cơ đến đuôi xe Vai trò của hệ thống khí thải là dẫn đường cho khí thải động cơ và kiểm soát áp suất thải của động cơ

Hình 3: Sơ đồ hệ thống khí thải trên xe ô tô

Cổ góp

Hình 4: Cổ góp

Đây là bộ phận dẫn, gom khí thải (nếu là trên động cơ nhiều xi lanh), nhằm đưa toàn bộ khí thải về một đường ống duy nhất Bộ phận này có thể bao gồm