Xây dựng đặc tính van luân hồi EGR cho hệ thống luân hồi áp suất thấp lắp trên động cơ diesel tăng áp

Các quốc gia trên thế giới đã có lộ trình áp dụng tiêu chuẩn về nồng độ các chất độc hại trong khí thải động cơ và bắt buộc các xe được sản xuất trong nước hoặc các xe khi nhập khẩu

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn là công trình nghiên cứu của riêng cá nhân tôi Các kết quả, số liệu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác

Hà Nội, tháng 3 năm 2014

Học viên thực hiện

Trần Văn Tuấn

Em xin bày tỏ lòng biết ơn đến các Thầy cô giáo phản biện và trong Hội đồng chấm luận văn đã đọc, có những ý kiến quý báu để em có thể hoàn chỉnh luận văn một cách tốt nhất và có những định hướng nghiên cứu trong tương lai

Em xin gửi lời cảm ơn tới Ban giám Hiệu Trường Cao đẳng nghề LICOGI Tổng công ty xây dựng và phát triển hạ tầng, Bộ xây dựng, lãnh đạo khoa cơ giới xây dựng cùng các đồng nghiệp đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập

Cuối cùng là lời cảm ơn tới các đồng nghiệp, gia đình và bạn bè những người

đã luôn động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn

Học viên thực hiện

Trần Văn Tuấn

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ii

Chương 2 CÁC GIẢI PHÁP GIẢM PHÁT THẢI ĐỘC HẠI CHO ĐỘNG CƠ DIESEL 18 2.1 Giới thiệu chung 18

Kết luận chương 3 71

4.1 Mục đích xây dựng đặc tính của van EGR 72

4.4 Trang thiết bị thử nghiệm 73

4.4.1 Sơ đồ bố trí thiết bị thử nghiệm 73

1 Kết luận chung 96

2 Hướng phát triển 96

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

CO Mônôxit cácbon

PM Phát thải hạt (Particulate Matter )

NOx Ôxít nitơ

SOx Ôxít lưu huỳnh

DOC Bộ xúc tác ôxy hóa (Diesel Oxidation Catalyst )

EGR Hệ thống luân hồi khí thải (Exhaust Gas Recirculatio )

DPF Bộ lọc phát thải hạt, dạng lọc kín (Diesel Particulate Filter)

PM10 Phát thải hạt có kích thước nhỏ hơn 10 µm

TSP Tổng lượng bụi lơ lửng trong không khí

TCCP Tiêu chuẩn cho phép

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

SCR Bộ xúc tác khử NOx (Selective Catalyst Reduction)

CRT Bộ lọc tái sinh liên tục (Continuous Regeneration Trap)

USB Cổng giao tiếp máy tính

COM Cổng giao tiếp máy tính dạng nối tiếp

Bảng 1.3 Số liệu dự báo mức độ tăng trưởng kinh tế và phương tiện tham gia giao

thông ở các đô thị lớn Việt Nam và một số nước trong khu vực .5

Bảng 1.4 Lượng phát thải của các thành phần trong động cơ diesel 7

Bảng 1.5 Tiêu chuẩn khí thải với xe diesel hạng nặng, chu trình thử tĩnh 13

Bảng 1.6 Tiêu chuẩn khí thải cho động cơ diesel từ 1.760 kg đến 3.500 kg (g/km) 14

Bảng 1.7 Tiêu chuẩn bang California cho các mẫu xe từ 1996 đến 2003 14

Bảng 1.8 Giới hạn độc hại của Mỹ đối với động cơ diesel lắp trên xe tải nặng (áp

15

Bảng 1.9.Tiêu chuẩn khí thải Nhật Bản cho xe khách sử dụng động cơ diesel (g/km)

15

Bảng 1.10.Tiêu chuẩn khí thải động cơ diesel cho xe hạng nặng thương mại

GVW>3500 kg (>2500 kg trước năm 2005) 16

Bảng 1.11 Giới hạn tối đa cho phép của các chất khí thải gây ô nhiễm (Theo Tiêu

chuẩn TCVN 6438:2001)

17

Bảng 4.1 Các thông số kỹ thuật động cơ D1146TI 73

Bảng 4.2 Diễn giải các mode của chu trình thử ECE R49 83

Bảng 4.3 So sánh NOX với EGR ở 25% tải và 1400 (v/ph) 86

Bảng 4.4 So sánh NOX với EGR ở 50% tải và1400 (v/ph) 86

Bảng 4.5 So sánh NOX với EGR ở 75% tải và 1400 (v/ph) 87

Bảng 4.6 So sánh NOX với EGR ở 25% tải và2000 (v/ph) 88

Bảng 4.7 So sánh NOX với EGR ở 50% tải và 2000 (v/ph) 88

Bảng 4.8 So sánh NOX với EGR ở 75% tải và 2000 (v/ph) 89

Bảng 4.9 Kết quả đo các thành phần phát thải khi có và không có lắp hệ thống EGR

theo13 mode của chu trình thử ECE R49

92

Bảng 4.10 Kết quả các thành phần phát thải khi có EGR và không có EGR theo chu

trình ECE R49

96

Hình 2.1 Các giải pháp giảm phát thải NOX và PM nhằm hướng tới các tiêu chuẩn

Châu Âu

19

Hình 2.2 a) Vòi phun thông thường; b) Vòi phun có thể tích chết nhỏ 20

Hình 2.3 Sơ đồ động cơ sử dụng hệ thống EGR 22

Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống LNT 23

Hình 2.5 Quá trình hấp thụ NOX trong hỗn hợp nghèo 24

Hình 2.6 Các phản ứng trong các buồng xử lý 24

Hình 2.7 Chu trình hấp thụ và tái tạo của hệ thống LNT 25

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống SCR 26

Hình 2.9 Các các chất độc hại được xử lý khi qua bộ DOC 29

Hình 2.10 Cấu tạo bộ xúc tác DOC 30

Hình 2.11 Nguyên lý, kết cấu bộ lọc kín DPF 31

Hình 2.12 Lõi lọc của bộ lọc chất thải dạng hạt DPF 32

Hình 2.13 Hiệu quả lọc PM khi sử dụng DPF 32

Hình 2.14 Cấu tạo hệ thống CRT 34

Hình 2.15 Kết cấu bộ phận lọc PM 35

Hình 2.16 Sơ đồ nguyên lý hệ thống CRT 36

Hình 2.17 Đưa thêm Glycol vào khí thải trước khi cho qua bộ xúc tác 36

Hình 2.18 Sơ đồ bố trí chung của hệ thống luân hồi khí thải 38

Hình 2.19 Ảnh hưởng của luân hồi khí xả đến lượng phát thải NOX 39

Hình 2.20 Ảnh hưởng của các loại khí đến hiệu quả giảm NOX 41

Hình 2.21 Áp suất tuabin, tăng áp và tỷ lệ luân hồi khi tăng áp suất ra tuabin 42

Hình 2.22 Hệ thống luân hồi dùng bộ tăng áp VGT 42

Hình 2.23 Đặc tính của bộ tăng áp VGT 43

Hình 2.24 Quan hệ giữa vị trí cánh hướng gió và tỷ lệ luân hồi 43

Hình 2.25 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống luân hồi khí xả ống venturi đặt trên đường nạp 43

Hình 2.26 Hệ thống luân hồi tức thời 44

Hình 2.27 Hệ thống luân hồi nội tại 44

Hình 2.28 Hệ thống luân hồi lai 45

Hình 2.29 Hệ thống luân hồi áp suất cao 46

Hình 2.30 Hệ thống luân hồi áp suất cao với ống venturi 46

Hình 2.31 Hệ thống luân hồi áp suất thấp 47

Hình 2.32 Van luân hồikhí thải được thiết kế cùng với đường nạp 49

Hình 2.33 Két làm mát khí luân hồi 49

Hình 2.34 Bố trí các đường ống dẫn khí trong hệ thống luân hồi 50

Hình 3.1 Hình dạng kết cấu ống venturi 52

Hình 3.2 Ảnh hưởng của hệ số thu hẹp đến tổn thất áp suất và tỷ lệ luân hồi 52

Hình 3.3 Ảnh hưởng của hình dạng ống venturi tới tổn thất áp suất và tỷ lệ luân hồi.53

Hình 3.4 Ảnh hưởng của dạng ống khuếch tán tới tổn thất áp suất 54

Hình 3.5 Phần ruột của ống venturi 55

Hình 3.6 Các vị trí đặt ống venturi 56

Hình 3.7 Bố trí van EGR điều khiển bằng cơ khí trên động cơ 57

Hình 3.8 Kết cấu van EGR điện từ điều khiển bằng cuộn dây 58

Hình 3.9 Cấu tạo van EGR điện từ điều khiển bằng động cơ điện một chiều có chổi

than

58

Hình 3.10 Kết cấu van EGR điện từ điều khiển bằng động cơ điện một chiều

không chổi than

59

Hình 3.11 Cấu tạo động cơ điện một chiều không chổi than 59

Hình 3.12 Sơ đồ khối vi xử lý chính 60

Hình 3.13 Khối truyền nhận tín hiệu USB TO COM 61

Hình 3.14 Khối hiển thị kết quả điều khiển van luân hồi EGR 61

Hình 3.15 Khối công suất điều khiển động cơ điện một chiều không chổi than 62

Hình 3.16 Sơ đồ thuật toán chương trình điều khiển van EGR 63

Hình 3.17 Giao diện chương trình điều khiển van EGR 64

Hình 3.18 Quá trình thiết kế mạch và lập trình điều khiển van EGR 64

Hình 3.19 Vị trí lắp van điều khiển luân khồi khí thải trên động cơ D1146TI 65

Hình 3.20 Các giai đoạn trao đổi nhiệt của khí luân hồi 67

Hình 3.21 Kết cấu ống làm mát khí luân hồi 69

Hình 3.22 Sơ đồ bố trí van điều khiển lưu lượng nước làm mát khí luân hồi 69

Hình 3.23 Lắp đặt ống làm mát khí luân hồi trên động cơ ở luân hồi áp suất thấp 70

Hình 3.24 Lắp đặt hệ thống luân hồi khí thải trên động cơ D1146TI 71

Hình 4.1 Sơ đồ bố trí thết bị thử nghiệm động cơ 74

Hình 4.2 Sơ đồ bố trí phòng thử động lực cao 74

Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý làm việc của phanh điện APA 100 75

Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý thiết bị làm mát dầu bôi trơn AVL 554 76

Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý thiết bị làm mát nước AVL 553 76

Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống 733S 77

Hình 4.7 Tủ phân tích khí thải CEB.II 78

Hình 4.8 Hệ thống đo phát thải dạng hạt (PM) bằng thiết bị SmartSampler 79

Hình 4.9 Thiết bị đo độ khói AVL415 80

Hình 4.10 Sơ đồ thí nghiệm lắp đặt van EGR trên động cơ D1146TI 81

Hình 4.11 Động cơ D1146TI được lắp đặt trên băng thử trong PTN 82

Hình 4.12 Sơ đồ thể hiện các mode của chu trình thử ECE R49 83

Hình 4.13 Đặc tính van EGR tại tốc độ 1400 (v/ph) 85

Hình 4.14 Đặc tính van EGR tại tốc độ 2000 (v/ph) 85

Hình 4.15 Lượng NOX và độ mờ khói theo % EGR tại 25% tải và 1400 (v/ph) 86

Hình 4.16 Lượng NOX và độ mờ khói theo %EGR tại 50% tải và 1400 (v/ph) 86

Hình 4.17 Lượng NOX và độ mờ khói theo %EGR tại 75% tải và 1400 (v/ph) 87

Hình 4.18 Lượng NOX và độ mờ khói theo %EGR tại 25% tải và 2000 (v/ph) 88

Hình 4.19 Lượng NOX và độ mờ khói theo% EGR tại 50% tải và 2000 (v/ph) 88

Hình 4.20 Lượng NOX và độ mờ khói theo %EGR tại 75% tải và 2000 (v/ph) 89

Hình 4.21 Đặc tính mô men của động cơ ở chế độ 25%, 50%, 75% và 100% tải

trong các trường hợp không có và có lắp hệ thống EGR

90

Hình 4.22 Đặc tính công suất của động cơ ở chế độ 25%, 50%, 75% và 100% tải

trong các trường hợp không có và có lắp hệ thống EGR

90

Hình 4.23 Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của động cơ ở chế độ 25%, 50%, 75% và

100% tải trong các trường hợp không có và có lắp hệ thống EGR

Hình 4.24 Phát thải NOx ở các chế độ thử nghiệm theo chu trình ECE R49 93

Hình 4.25 Phát thải độ khói ở các chế độ thử nghiệm theo chu trình ECE R49 93

Hình 4.26 Phát thải CO ở các chế độ thử nghiệm theo chu trình ECE R49 94

Hình 4.27 Phát thải HC ở các chế độ thử nghiệm theo chu trình ECE R49 94

Hình 4.28 Công suất động cơ ở các chế độ thử nghiệm theo chu trình ECE R49 95

Hình 4.29 Tiêu thụ nhiên liệu ở các chế độ thử nghiệm theo chu trình ECE R49 95

MỞ ĐẦU

I Lý do nghiên cứu đề tài

Hiện nay phương tiện giao thông vận tải sử dụng động cơ đốt trong đã và đang đóng góp một phần quan trọng vào quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước.Tuy nhiên trong quá trình hoạt động nó cũng gây ra không ít các tác hại xấu đến môi trường, ảnh hưởng xấu đến sức khỏe và làm giảm chất lượng cuộc sống của con người nhất là ở các thành phố lớn nơi có nhiều phương tiện giao thông vận tải hoạt động

Trong quá trình vận hành động cơ của các phương tiện giao thông vận tải đã sinh ra một lượng không nhỏ các chất độc hại như CO, CO2, NOX, HC, Pb Các chất thải này ngoài việc gây ô nhiễm trực tiếp đến môi trường sống và ảnh hưởng đến sức khỏe con người, các chất thải này khi phát tán vào không khí sẽ bị phân tích hoặc tổng hợp để tạo ra các tác nhân khác gây ảnh hưởng xấu đến biến đổi khí hậu Đây là một trong các vấn đề đang được xã hội đặc biệt quan tâm

Chất lượng khí thải của xe cơ giới đang lưu hành phụ thuộc lớn vào công nghệ sản xuất, chế tạo xe mới và thiết bị kiểm soát, xử lý ô nhiễm lắp trên xe Do đó, việc nâng cao chất lượng khí thải của phương tiện giao thông vận tải trong sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới sẽ góp phần tăng cường hiệu quả sử dụng nhiên liệu, giảm thiểu lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường khi đưa xe vào lưu thông trên đường Các quốc gia trên thế giới đã có lộ trình áp dụng tiêu chuẩn về nồng độ các chất độc hại trong khí thải động cơ và bắt buộc các xe được sản xuất trong nước hoặc các xe khi nhập khẩu đều phải tuẩn thủ các tiêu chuẩn về khí thải giảm thiểu lượng phát thải độc hại từ động cơ ra môi trường

Ở nước ta hiện để giảm thiểu tình trạng ô nhiễm môi trường do phát thải của các phương tiện xe cơ giới gây ra, Nhà nước đã thành lập các trạm đăng kiểm để kiểm tra việc chấp hành các quy định về nồng độ khói của động cơ, đặc biệt Chính phủ đã ra chỉ thị áp dụng tiêu chuẩn khí thải Châu Âu (Euro) đối với các phương tiện sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu vào Việt Nam, cụ thể là: tiêu chuẩn Euro 2 được

áp dụng từ ngày 01/7/2007, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định số 49/2011/QĐ.TTg ngày 01/09/2011 về việc quy định lộ trình áp dụng tiêu chuẩn khí thải đối với xe ôtô, xe môtô 02 bánh sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới Theo Quyết định này, các loại xe ôtô sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới phải áp dụng tiêu chuẩn khí thải mức 4 từ ngày 01/01/2017 và mức 5 từ ngày 01/01/2022; các loại xe môtô 2 bánh sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới phải áp dụng tiêu chuẩn khí thải mức 3 từ ngày 01/01/2017.

Từ những thực tế về vấn đề ô nhiễm môi trường do động cơ phát thải của các loại phương tiện xe cơ giới gây ra nói chung và các phương tiện sử dụng động cơ diesel nói riêng, và được sự giúp đỡ hướng dẫn khoa học của PGS.TS Khổng Vũ Quảng - Bộ môn ĐCĐT - Viện CKĐL - Trường ĐHBK Hà Nội nên em đã lựa chọn

đề tài: “Xây dựng đặc tính van luân hồi EGR cho hệ thống luân hồi áp suất thấp lắp trên động cơ diesel tăng áp” trước hết là để thêm kiến thức, kỹ năng chuyên

ngành cho bản thân, từ đó có những hiểu biết cơ bản, sâu sắc về các phương pháp giảm phát thải ứng dụng trên động cơ diesel

II Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu đề tài

2.1 Mục đích

Đề tài nhằm xác định đặc tính van luân hồi EGR cho hệ thống luân hồi áp suất thấp được lắp trên động cơ diesel tăng áp từ đó đưa ra giải pháp công nghệ giảm phát thải độc hại cho động cơ diesel tăng áp, cụ thể áp dụng giảm phát thải cho các loại xe sử dụng động cơ diesel tăng áp đạt được tiêu chuẩn về khí thải

của Việt Nam

2.2 Đối tượng nghiên cứu

Tác giả chọn động cơ D1146TI lắp phổ biến trên các xe buýt đang lưu hành ở Tp.Hà Nội làm đối tượng nghiên cứu Toàn bộ các nội dung nghiên cứu, các thử nghiệm của đề tài được thực hiện ở động cơ D1146TI lắp trên băng thử tại Phòng thí nghiệm ĐCĐT - Viện CKĐL - Trường ĐHBK Hà Nội

2.3 Phạm vi nghiên cứu đề tài

Đề tài tập trung nghiên cứu xây dựng đặc tính của van EGR lắp trên hệ thống luân hồi áp suất thấp nhằm giảm phát thải NOX của động cơ D1146TI bằng kỹ thuật luân hồi khí thải

III Phương pháp nghiên cứu

- Sử dụng phương pháp thực nghiệm trong phòng thí nghiệm để xây dựng đặc

tính của van EGR lắp trên hệ thống luân hồi áp suất thấp nhằm giảm phát thải độc hại ra môi trường của động cơ D1146TI

- Ngoài ra còn tham khảo các tài liệu khoa học trong và ngoài nước, các đề tài, chuyên đề nghiên cứu, tra cứu thông tin trên các trang Website của mạng Internet

có các nội dung liên quan đến đề tài

IV Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Đề tài đưa ra giải pháp cắt giảm phát thải cho động cơ diesel tăng áp lắp đặt trên các phương tiện vận tải sao cho phù hợp với thực tiễn nước ta

- Mặt khác, kết quả nghiên cứu của đề tài góp phần tích cực vào việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường do phát thải của các phương tiện giao thông gây ra, đặc biệt là các loại xe sử dụng động cơ diesel tăng áp

V Các nội dung chính trong luận văn

Các nội dung trong luận văn được trình bày qua những phần sau đây:

- Mở đầu

- Chương 1 Tổng quan về phát thải

- Chương 2 Các giải pháp giảm phát thải độc hại cho động cơ diesel

- Chương 3 Tính toán thiết kế hệ thống luân hồi khí thải trên động cơ diesel

tăng áp

- Chương 4 Xây dựng đặc tính van EGR trong hệ thống luân hồi áp suất thấp

lắp trên động cơ D1146TI

- Kết luận chung và hướng phát triển

- Tài liệu tham khảo

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ PHÁT THẢI 1.1.Xu hướng khai thác sử dụng động cơ diesel

Trong những năm gần đây song hành cùng với xu hướng phát triển kinh tế

xã hội ở nước ta thì số lượng các phương tiện xe cơ giới đưa vào vận hành ngày càng tăng nhanh, điều này đã gây ra ảnh hưởng lớn đến môi trường sống của chúng

ta, đặc biệt tập trung ở những thành phố lớn như Tp.Hà Nội và Tp.Hồ Chí Minh (Theo thống kê tại Tp.Hồ Chí Minh năm 2009 có trên 4 triệu xe mô tô và xe gắn máy, tăng 159% so với cuối năm 2000, trên 400 nghìn xe ô tô, tăng 211% so với cuối năm 2000 còn tại Tp.Hà Nội, năm 2009 có trên 300 nghìn xe ô tô, gần 4 triệu

xe mô tô và xe gắn máy, tốc độ tăng phương tiện cá nhân từ 12 ÷ 15%/năm) Hàng năm số lượng xe mô tô, xe gắn máy mới đưa vào lưu hành tăng khoảng 20%, xe ô

tô mới tăng khoảng 15% [1]

Theo thống kê của Cục Đăng kiểm Việt Nam thì số lượng các phương tiện gia tăng hàng năm tăng lên đột biến do nhu cầu sử dụng nhiều và được thể hiện trong

Bảng 1.1

Bảng 1.1 Sự gia tăng các phương tiện cơ giới của Việt Nam [1]

Theo Bộ GTVT, số lượng các phương tiện giao thông cơ giới đường bộ tiếp tục tăng nhanh; theo Cục Đăng kiểm trong tháng 4/2012 số lượng ô tô đăng ký mới

là 10.277 chiếc; mô tô là 197.807 chiếc Tổng số phương tiện cơ giới đăng ký lưu hành tính đến hết tháng 4/2012 là trên 36,6 triệu chiếc Trong đó số lượng ô tô trên 1,9 triệu chiếc, số còn lại là mô tô với trên 34 triệu chiếc [1]

Sự gia tăng đột biến các phương tiện giao thông đồng nghĩa với lượng phát thải độc hại của chúng ra môi trường cũng rất lớn Nếu chúng ta không kiểm soát

được và thực hiện nghiêm túc các tiêu chuẩn khí thải đối với các phương tiện cơ giới thì sẽ gây ra những thiệt hại đáng kể về kinh tế và ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe cộng đồng.

Các số liệu thể hiện trong Bảng 1.1; 1.2; 1.3 và Hình1.1 cho thấy tốc độ gia

tăng của các phương tiện xe cơ giới đồng nghĩa với lượng phát thải độc hại ra môi trường cũng tăng lên nhanh gây ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường và sức khỏe con người

Bảng 1.3 Số liệu dự báo mức độ tăng trưởng kinh tế và phương tiện tham gia giao

thông ở các đô thị lớn Việt Nam và một số nước trong khu vực [3]

Chỉ tiêu JakattaTp. ManilaTp. BangkokTp HCMTp. ChengduTp. Tp Hà Nội

1.2 Các thành phần trong phát thải động cơ diesel

Bảng 1.2 Bùng nổ giao thông cơ giới (ước tính) [2]

Xe đạp Ô tô, xe máy CCGT Xe đạp xe máyÔ tô, CCGT Xe đạp Ô tô, xe máy GTCC

Hình 1.1 Số lượng ôtô và xe máy hoạt động hàng năm của Việt Nam [2]

nông nghiệp, máy công cụ và gần đây

được sử dụng nhiều cho các xe hạng nhẹ

bởi vì động cơ diesel có suất tiêu hao

nhiên liệu thấp và phát thải rất ít thành

phần CO, HC [6] Ở một số nước Châu

Âu số lượng xe con dùng động cơ diesel

chiếm tới 50% vào năm 2009 và dự báo

sẽ tiếp tục tăng trong những năm tiếp

theo như thể hiện trong Hình 1.2. Tuy

nhiên lượng phát thải NOX và PM từ động cơ diesel còn rất cao như thể hiện trong

Hình 1.3 và 1.4 đây chính là nguồn phát thải đáng kể gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng tới sức khỏe con người, nhất là ở các đô thị và vùng đông dân cư Các thành phần trong phát thải có cơ chế hình thành và tác hại được phân tích cụ thể như sau:

Trong đó NO là khí không màu không mùi còn NO2 là khí có màu đỏ và mùi gắt, cả hai loại khí rất độc nhưng NO2 độc gấp 5 lần NO

Vì vậy NOX ngày càng được quan

tâm và trong một số trường hợp nó là chất

ô nhiễm chính làm ảnh hưởng đến tính

năng kỹ thuật của động cơ Do đó NOX là

đối tượng chính của việc xử lý ô nhiễm và

cũng là mục tiêu để đưa ra các biện pháp

hạn chế nó trong phát thải của động cơ

diesel Các giải pháp kỹ thuật khác nhằm

hạn chế NOX ngay trong quá trình cháy cũng đã được áp dụng trên động cơ hiện đại như luân hồi khí xả, thay đổi thời kỳ trùng điệp của góc độ phối khí…

Vì vậy việc tìm hiểu tác hại và cơ chế hình thành của NOX để tìm ra biện pháp hạn chế nồng độ của nó ngay trong quá trình cháy là rất cần thiết Mức độ phát sinh

ô nhiễm trung bình của quá trình cháy nhiên liệu hyđrôcácbua được thể hiện trong

Bảng 1.4 thể hiện các số liệu mang tính chất trung bình ở điều kiện cháy của hỗn

hợp có hệ số dư lượng không khí λ =1 Tuy nhiên trong những điều kiện cháy đặc biệt ở áp suất và nhiệt độ cao với hệ số dư lượng không khí lớn thì tỷ lệ thành phần

các chất ô nhiễm trong Bảng 1.4 sẽ thay đổi theo hướng gia tăng NOX [10]

1.2.1.1 Cơ chế hình thành

a Sự hình thành Mônôxit nitơ (NO)

Trong họ NOX thì NO chiếm tỷ lệ lớn nhất (90÷98%) NO được hình thành trong quá trình cháy rớt trong xilanh động cơ do ôxy hóa nitơ trong không khí và được tạo ra bởi cơ chế Zendovich [11] Thành phần chính để tạo nên NO là khí nitơ

có trong không khí nạp vào động cơ Phản ứng dây truyền ôxy hóa nitơ được tạo bởi các nguyên tử ôxy và được hình thành từ việc tách ra khỏi phân tử O2 tại nhiệt

độ cao trong quá trình cháy Những phản ứng chính tạo thành NO là:

O2 <=> 2O

Bảng 1.4 Lượng phát thải của các

thành phần trong động cơ diesel [10]

Chất ô nhiễm

Lượng phát thải (g/kg nhiên liệu)

N2 + O <=> NO + N (1.1)

N + O2 <=> NO + O

N + OH <=> NO + HTrong động cơ, quá trình cháy diễn

ra trong điều kiện áp suất cao, vùng phản

ứng rất mỏng (khoảng 0,1mm) và thời

gian cháy rất ngắn; thêm vào đó áp suất

trong xilanh tăng trong quá trình cháy,

điều này làm nhiệt độ của bộ phận khí

cháy trước cao hơn nhiệt độ đạt được

ngay sau khi ra khỏi khu vực màng lửa

nên chủ yếu NO được hình thành trong

khu vực sau màng lửa và trong sản phẩm cháy phía sau màng lửa Sự hình thành

NO phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt độ như thể hiện trên Hình 1.5

Phản ứng tạo NO có tốc độ thấp hơn nhiều so với phản ứng cháy Nồng độ NO cũng phụ thuộc mạnh vào nồng độ ôxy Vì vậy trong điều kiện nhiệt độ cao và nồng

độ O2 lớn thì nồng độ NO trong sản phẩm cháy cũng lớn

b Sự hình thành Điôxit nitơ (NO 2 )

Đối với phát thải của động cơ diesel có đến 30% NOX dưới dạng NO2, nó được hình thành từ NO và các chất trung gian theo phản ứng hóa học sau:

NO+ H2O <=> NO2 + OH (1.2)Trong điều kiện nhiệt độ cao, NO2 tạo thành có thể phân giải theo phản ứng:

NO2 + O <=> NO + O2 (1.3)Trong trường hợp NO2 sinh ra trong ngọn lửa bị làm mát ngay bởi môi chất có nhiệt độ thấp thì phản ứng (1.3) bị khống chế, nghĩa là NO2 tiếp tục tồn tại trong sản vật cháy Như vậy khi động cơ diesel làm việc ở chế độ tải thấp thì phản ứng ngược biến đổi NO2 thành NO cũng bị khống chể bởi các vùng không khí có nhiệt độ thấp Ngoài ra NO2 còn được hình thành trên đường ống xả khi tốc độ thải thấp và có sự

có mặt của ôxy

Hình 1.5 Sự hình thành NO phụ thuộc

vào nhiệt độ theo thời gian t (ms )[10]

Trên Hình 1.6 thể hiện sự biến thiên của

tỷ lệ NO2/NO trên đường xả động cơ diesel

theo chế độ tải, tỷ lệ này càng cao khi tải

càng thấp NO2 là khí độc nhất trong họ NOX,

vì vậy việc tổ chức tốt quá trình cháy sẽ giảm

được nồng độ NO2 tạo thành, tăng tốc độ

phân giải chất ô nhiễm này và có ý nghĩa rất

quan trọng đối với môi trường

c Sự hình thành Prôtôxit nitơ (N 2 O)

Prôtôxit nitơ (N2O) chủ yếu được hình

thành từ các chất trung gian NH và NCO khi

chúng tác dụng với NO theo phản ứng:

NH + NO <=> N2O + H (1.4)NCO + NO <=> N2O + CO (1.5)

N2O chủ yếu được hình thành ở vùng ôxy hóa có nồng độ nguyên tử H cao, mà

Hydrogene là chất tạo ra sự phân hủy mạnh Prôtôxit nitơ theo phản ứng:

Tóm lại, phát thải NOX của động cơ có buồng cháy ngăn cách chỉ bằng khoảng một nửa so với động cơ có buồng cháy thống nhất Tuy vậy, động cơ sử dụng buồng

N2O + H <=> NH + NO (1.6)

N2O + H <=> N2 + OH (1.7)

Hình 1.6 Biến thiên tỷ số NO 2 /NO theo tải của động cơ diesel [10]

cháy ngăn cách lại có tính kinh tế thấp và suất tiêu hao nhiên liệu lớn hơn buồng cháy thống nhất nên ngày nay động cơ có buồng cháy thống nhất được sử dụng rộng rãi trên các loại động cơ.

1.2.1.2 Tác hại của NO X

a Ảnh hưởng của NO X đến sức khỏe con người

NO2 là chất khó hoà tan trong nước nên nó có thể theo đường hô hấp đi sâu vào phổi gây viêm phổi và làm huỷ hoại các tế bào của phế nang Khi vào được trong phổi, 80 % lượng NO2 bị giữ lại (đối với SO2, chỉ 5% được giữ lại) làm cho bệnh nhân bị mất ngủ, ho, khó thở Một số nghiên cứu còn cho thấy NO2 còn gây tổn thương cho mắt và dạ dày NOX được quan tâm là do những tác động của chúng đến sức khỏe, sự hình thành ôzôn và các chất ôxy quang hoá trong khí quyển [10]

b Ảnh hưởng của NO X đến thực vật

NOX chỉ ảnh hưởng đến thực vật khi nồng độ của nó đủ lớn Người ta thấy ở các vùng đô thị hóa cao thì nồng độ NOX đạt khoảng 3,93 ppm, sự quang hợp của thực vật giảm đi 25%

1.2.2 Chất thải dạng hạt PM

1.2.2.1 Cơ chế hình thành

Theo định nghĩa của tổ chức bảo vệ môi trường bang Carlifornia thì PM là những thực thể (trừ nước) của khí thải sau khi hòa trộn với không khí (làm loãng đạt nhiệt độ nhỏ hơn 51,7 0 C), và được tách bằng một bộ lọc quy định PM bao gồm

các hạt rắn như cácbon tự do và tro hay còn gọi là bồ hóng (soot), các chất phụ gia dầu bôi trơn, các hạt và vẩy tróc do mài mòn và các chất lỏng như nhiên liệu và dầu bôi trơn bám theo [10]

1.2.2.2 Tác hại

Mặc dù PM chỉ chiếm tỷ lệ 0,002% như thể hiện trong hình Hình 1.4 trong

tổng lượng phát thải của động cơ diesel nhưng chúng lại có kích thước hạt và lơ lửng trong không khí nên dễ theo đường hô hấp đi vào trong cơ thể người và bị giữ

lại Do đó gây ra các bệnh về đường hô hấp (hen suyễn, viêm phế quản…) và là tác nhân gây ung thư, gây đột biến gen, có khả năng làm rối loạn hệ hô hấp và tạo điều kiện thuận lợi cho tác động ung thư từ các chất khác PM còn gây tổn thương mắt, gây dị ứng mũi và cũng có khả năng gây ung thư da nếu tiếp xúc liên tục, ngoài ra

PM có thể gây ra tác động xấu đến hoạt động của hệ tim mạch [10]

Ngoài ra khi PM bám vào lá cây sẽ cản trở quá trình quang hợp làm cho cây dễ

bị héo và chết, gây ăn mòn kim loại và phân huỷ công trình xây dựng [10]

1.2.3 Khí Hyđrôcácbon (HC) và Mô nôxít các bon (CO)

1.2.3.1 Khí Hyđrôcácbon (HC)

a Cơ chế hình thành

HC gồm các loại hyđrôcácbon có trong nhiên liệu hoặc dầu bôi trơn không cháy hết chứa trong khí thải HC còn được hình thành ở hai trường hợp sau:

- Khi nhiệt độ ở khu vực dập lửa thấp, chưa đạt tới nhiệt độ bốc cháy

- Khí nạp thổi qua trong thời gian lặp của xupáp Hỗn hợp không khí nhiên liệu càng giàu càng sinh ra nhiều HC, hỗn hợp càng nghèo càng sinh ra HC ít Lượng HC sinh ra càng ít khi hỗn hợp không khí Nhiên liệu quá nghèo, vì nó không cháy được [10]

b Tác hại

Hyđrôcácbon có nhiều loại khác nhau, có loại không độc (như paraffin, naphtalin), có loại rất độc có thể gây ung thư (như các loại hyđrôcácbon thơm) Động cơ diesel có hệ số dư lượng không khí khá lớn nên lượng HC trong khí thải thường là nhỏ

Ngoài ra HC trong khí thải động cơ sẽ góp phần vào sự hình thành các chất quang hoá (làm cho tầm nhìn bị suy giảm) Khi HC thải ra môi trường có ánh nắng mặt trời thì sẽ làm tăng hiện tượng hiệu ứng nhà kính [10]

1.2.3.2 Khí Mônôxit cácbon (CO)

a Cơ chế hình thành

CO là loại khí không màu, không mùi, không vị, là một sản phẩm trung gian của quá trình đốt cháy Cácbon có trong nhiên liệu trong điều kiện thiếu ôxy để tạo thành sản phẩm cuối cùng là CO2 và được hình thành từ phản ứng sau:

Trong động cơ, ở chế độ tải cao và chế độ khởi động, hỗn hợp không khí nhiên liệu thường là hỗn hợp giàu Do đó, quá trình cháy xảy ra không hoàn toàn dẫn đến hàm lượng CO lớn Hàm lượng CO trong khí thải động cơ rất cao ở chế độ không tải Vì vậy, không được để động cơ chạy không tải trong phòng kín hoặc ga

xe khi đang đóng kín cửa

b Tác hại

Khi hít CO vào trong cơ thể, nó hoà tan vào máu và làm hạn chế khả năng vậnchuyển ôxy của máu Hít thở không khí có hàm lượng CO là 0,3% (theo thể tích) trong vòng 30 phút hoặc hít một lượng lớn CO có thể dẫn đến tử vong Mônôxit cácbon rất độc, chỉ với một hàm lượng nhỏ trong không khí có thể gây tử vong cho người Hàm lượng cực đại cho phép [CO] = 33 mg/m3[10]

Ngoài ra CO còn gây ra cảm giác chếnh choáng, đặc biệt với những người mắc bệnh tim, phụ nữ có thai, bệnh nhân hen xuyễn, có thể gây ra các bệnh về tim mạch, thần kinh, CO ngăn cản việc vận chuyển ôxy từ máy vào các mô làm cho các bộ phận của cơ thể có thể bị thiếu ôxy Nạn nhân có thể bị tử vong khi 70% số hồng cầu bị khống chế (khi nồng độ CO trong không khí >1000 ppm) [10]

1.3 Tiêu chuẩn quy định phát thải của phương tiện sử dụng động cơ diesel

1.3.1 Tiêu chuẩn khí thải của Châu Âu, Nhật và Mỹ

1.3.1.1 Tiêu chuẩn khí thải Châu Âu (Euro)

Từ năm 1970 của thế kỷ XX, các nước Châu Âu đã xây dựng chương trình cắt giảm khí thải cho xe hơi, đến năm 1987 dự luật mới hoàn chỉnh quy định giá trị nồng độ giới hạn của các loại khí thải và thường gọi là Euro 0 Từ đó đến nay đã thêm 5 tiêu chuẩn được ban hành là: tiêu chuẩn Euro 1 (1991), Euro 2 (1996), Euro

3 (2001), Euro 4 (2005), Euro 5 (2008) và trong tương lai sẽ áp dụng tiêu chuẩn Euro 6 vào năm 2015

Tiêu chuẩn Euro được áp dụng cho tất cả các loại xe trên 4 bánh lắp động cơ đốt trong chạy bằng nhiên liệu xăng, dầu, LPG và chia theo tính năng như: xe du

lịch, xe công suất nhỏ, xe công suất lớn và xe buýt

Tiêu chuẩn Euro đặc biệt chú ý đến giới hạn phát thải của động cơ diesel xe tảihạng nặng Các tiêu chuẩn này đòi hỏi những biện pháp chẩn đoán ngay tên xe khi

xe tải có lỗi dẫn đến tăng lượng phát thải của động cơ, hệ thống phải cảnh báo cho người điều khiển xe biết

Các Bảng 1.5 và 1.6 thể hiện thể tiêu chuẩn lượng phát thải độc hại khác nhau

đối với xe tải sử dụng động cơ diesel

Bảng 1.5 Tiêu chuẩn khí thải với xe diesel hạng nặng, chu trình thử tĩnh [10]

Bảng 1.6 Tiêu chuẩn khí thải cho động cơ Diesel từ 1.760 kg đến 3.500 kg (g/km) [10]

Tiêu chuẩn Hàm lượng giới hạn (g/kWh, đơn vị độ khói là m -1 )

1.3.1.2 Tiêu chuẩn khí thải của Mỹ

Ngặt nghèo hơn của tiêu chuẩn của Châu Âu, tiêu chuẩn khí thải của Mỹ được chia làm 2 loại: tiêu chuẩn liên bang (49 bang) và tiêu chuẩn riêng bang California (khắt khe hơn tiêu chuẩn liên bang) Trong đó, tiêu chuẩn của bang California quy định phân loại xe theo chất lượng khí thải có tên sau:

- TLEV (Transitional Low Emission Vehicles) có hiệu lực từ 1994: nhằm hạn chế những chất độc hại đối với tầng ôzôn

- LEV (Low Emission Vehicles) bắt đầu từ 1997 thay cho TLEV, LVE quy định dùng công nghệ xử lý khí thải (hâm nóng trước bộ xúc tác…); dùng nhiên liệu thay thế…

Các Bảng 1.7 và 1.8 thể hiện rất cụ thể các quy định tiêu chuẩn về phát thải

Tiêu chuẩn Ngày áp

1990 15,5 6,0 1,3 0,6 Nghiêm ngặt đối với NO

Nghiêm ngặt đối với

PM

0,1 0,05 (xe buýt)

Nghiêm ngặt đối với

PM

0,1 0,05 (xe buýt)

Nghiêm ngặt đối với

NO X

1.3.1.3 Tiêu chuẩn khí thải của Nhật Bản

So với tiêu chuẩn khí thải của Châu Âu và Mỹ thì tiêu chuẩn khí thải của Nhật Bản đối với các loại xe ô tô rất khắt khe, cụ thể như quy định lượng phát thải của ô

tô sử dụng động cơ diesel trong Bảng 1.9 theo chu trình thử nghiệm từ 10 đến 15

chế độ và JC08 c Chu trình thử nghiệm áp dụng loại động cơ sử dụng nhiên liệu 50 ppmS (theo quy định năm 2005) và một số tiêu chuẩn như trong Bảng 1.10

Bảng 1.9 Tiêu chuẩn khí thải Nhật Bản cho xe khách sử dụng động cơ diesel (g/km) [11]

Trọng

lượng xe

Ngày áp dụng

Thử nghiệm

* - Tương đương với trọng lượng quán tính (EIW), có tải là 1265 kg

một - Quy định (10/2002) cho xe ô tô sản xuất trong nước, (9/2004) cho xe nhập khẩu

b - Thực hiện đầy đủ vào cuối năm 2005

c - Thực hiện đầy đủ giai đoạn 2011

d - Không có methane hydrocarbon

e - Áp dụng cho các xe sản xuất trong nước, các xe hiện có và nhập khẩu (10/2009)

Bảng 1.10 Tiêu chuẩn khí thải động cơ diesel cho xe hạng nặng thương mại

1994 13 chế độ g / kWh 7,40 (9,20) 2,90 (3,80)

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

độ: nmin và 0,6 ndm (ndm là tốc độ định mức) Hàm lượng CO không được vượt quá 3,5% ở chế độ nmin và 2,0% ở chế độ 0,6 ndm

Năm 1991, Chính phủ đã ban hành tiêu chuẩn TCVN 5418-91 quy định về độ khói trong khí thải động cơ diesel Tiêu chuẩn này được áp dụng cho tất cả các loại

ô tô sử dụng động cơ diesel Độ khói của khí thải đo ở chế độ gia tốc tự do không vượt quá 40% HSU đối với động cơ không tăng áp và 50% HSU đối với động cơ tăng áp

Bảng 1.11 dưới đây thể hiện tiêu chuẩn giới hạn phát thải của Việt Nam cho

các loại ô tô, xe máy

Theo QĐ 249/2005/QĐ-TTg ngày 10 tháng 10 năm 2005 của Thủ tướng

Chính phủ đã nêu rõ:“xe cơ giới sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới (xe mới) phải hoàn thành áp dụng mức tiêu chuẩn khí thải Euro 2 (còn gọi là tiêu chuẩn Euro2)

kể từ 1/7/2008” Việc áp dụng tiêu chuẩn Châu Âu Euro 2 đã hạn chế lượng khí thải

gây ô nhiễm môi trường khi đưa xe vào tham gia giao thông

Theo QĐ 49/2011/QĐ-TTg ngày 01 tháng 09 năm 2011của Thủ tướng Chính

phủ đã đưa ra lộ trình áp dụng tiêu chuẩn khí thải: “Các loại xe ôtô sản xuất, lắp

Bảng 1.11 Giới hạn tối đa cho phép của các chất khí thải gây ô nhiễm

(Theo Tiêu chuẩn TCVN 6438:2001) [12]

Mức 1

Mức 2

Mức 3

Mức 4

Mức 1

Mức 2

Mức 1

Mức 2

Mức 3

1200 7800

600 7800

1500 10000

1200 7800

-

-

-

ráp và nhập khẩu mới phải áp dụng tiêu chuẩn khí thải mức 4 từ ngày 01 tháng 01 năm 2017 và mức 5 từ ngày 01 tháng 01 năm 2022 Các loại xe mô tô hai bánh sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới phải áp dụng tiêu chuẩn khí thải mức 3 từ ngày 01 tháng 01 năm 2017”.

Kết luận chương 1

Chương 1 nghiên cứu về xu hướng khai thác sử dụng các phương tiện giao thông vận tải Qua nghiên cứu cho thấy các phương tiện vận tải gia tăng nhanh rất trong những năm gần đây đặc biệt tập trung tại các thành phố lớn Điều đó đồng nghĩa với việc hàng ngày môi trường môi trường phải hứng chịu một lượng không ít khí thải độc hại, nó làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe của con người và môi trường sống trong đó phải kể đến khí NOx và PM

Đồng thời cho thấy sự quan tâm sâu sắc của các nước trên thế giới nói chung

và Việt Nam nói riêng về vấn đề phát thải độc hại từ các phương tiện giao thông ra môi trường sống Việc đó được thể hiện bằng các biện pháp quản lý nhà nước đó là đưa ra các dự luật, quy định, tiêu chuẩn, chỉ thị về giới hạn cho phép các phương tiện vận tải phát thải ra môi trường nhằm giảm thiểu nồng độ các chất độc hại có trong phát thải của động cơ đốt trong nói chung và động cơ diesel nói riêng

Đó chính là cơ sở để nghiên cứu các giải pháp giảm phát thải độc hại cho động

cơ nói chung và lựa chọn các giải pháp giảm phát thải NOx cho động cơ diesel sẽ được nghiên cứu trong chương 2

Chương 2 CÁC GIẢI PHÁP GIẢM PHÁT THẢI ĐỘC HẠI CHO ĐỘNG

CƠ DIESEL 2.1 Giới thiệu chung

Như đã trình bày trong chương 1, chúng ta đã biết được cơ chế hình thành và tác hại của các chất có trong khí thải của động cơ diesel, đặc biệt là phát thải NOX Mặc dù NOX chỉ chiếm một tỷ lệ rất nhỏ song lại rất độc hại, nó có tác động không nhỏ đến môi trường và sức khỏe con người Vì vậy việc tìm ra giải pháp cắt giảm

NOX là hết sức cần thiết

Hiện nay trên Thế gới đã có nhiều biện pháp kỹ thuật giảm phát thải được áp dụng trên động cơ đốt trong nói chung và động cơ diesel nói riêng nhưng chủ yếu được chia thành hai nhóm chính đó là:

- Nhóm thứ nhất: gồm các biện pháp liên quan đến kết cấu động cơ, loại nhiên liệu, phương pháp hình thành hỗn hợp, cách điều chỉnh và vận hành động cơ Tuy nhiên các biện pháp này không thể đáp ứng các tiêu chuẩn giới hạn độc hại ngày càng nghiêm ngặt

- Nhóm thứ hai: gồm các biện pháp xử lý khí thải nhờ các thiết bị xử lý Các biện pháp này hiện nay được áp dụng phổ biến và đảm bảo được các tiêu chuẩn cho phép về nồng độ độc hại của khí thải trước khi xả vào môi trường

Trên Hình 2.1 trình bày giới hạn tiêu chuẩn phát thải của Châu Âu đối với

thành phần NOX và PM, việc áp dụng các giải pháp cắt giảm phát thải NOX sẽ được nghiên cứu trong các nội dung tiếp theo của luận văn

2.2 Các giải pháp giảm NO X cho động cơ diesel

2.2.1 Giải pháp liên quan đến kết cấu động cơ và nhiên liệu

Hình 2.1 Các giải pháp giảm phát thải NO X và PM nhằm hướng tới

các tiêu chuẩn Châu Âu [13]

2.2.1.1 Điều chỉnh để hạn chế lượng nhiên liệu chu trình

Khi động cơ làm việc ở chế độ tải cực đại, tức là λ rất nhỏ thì lượng phát thải

NOX rất cao (kể cả CO và PM) Để cho động cơ không làm việc tại các chế độ tải cực đại thì có thể điều chỉnh cơ cấu hạn chế lượng nhiên liệu theo chu trình của bơm cao áp về phía giảm nhiên liệu, do đó có thể giảm được tỷ lệ NOX nhưng biện pháp này lại làm giảm công suất cực đại của động cơ

2.2.1.2 Lựa chọn phương pháp thình thành hỗn hợp thích hợp

Trong động cơ diesel có hai phương pháp hình thành hỗn hợp đó là: hình thành hỗn hợp trong buồng cháy thống nhất (phun trực tiếp) và hình thành hỗn hợp trong buồng cháy ngăn cách (phun gián tiếp)

Ở mỗi loại buồng cháy đều có ưu nhược điểm riêng: ở buồng cháy ngăn cách

tỷ lệ NOX thấp hơn nhiều so với

buồng cháy thống nhất, ngoài ra các

yếu tố về áp suất phun, quy luật

phun, hướng tia phun, kết cấu của vòi

phun được thể hiện như Hình 2.2…

cũng ảnh hưởng đến lượng phát thải

2.2.1.4 Dùng hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử

Hệ thống nhiên liệu điều khiển điện tử được dùng phổ biến trên các động cơ hiện đại So với hệ thống phun nhiên liệu cơ khí thì hệ thống nhiên liệu phun điện

Hình 2.2 a) Vòi phun thông thường; b) Vòi phun có thể tích chết nhỏ

tử có khả năng liên kết và xử lý được nhiều tín hiệu trong miền đặc tính làm việc của động cơ để đạt được các thông số tối ưu Nhờ đó mà hệ thống nhiên lệu điện tử

có thể làm giảm được các thành phần độc hại trong khí thải tới mức thấp nhất có thể

2.2.1.5 Dùng nhiên liệu thay thế

Sử dụng nhiên liệu thay thế là một phương hướng nghiên cứu và áp dụng quan trọng trong việc giảm ô nhiêm môi trường của phát thải động cơ diesel Hiện nay trên động cơ diesel sử dụng hai loại nhiên liệu thay thế sau:

- Diesel sinh học (Biodiesel) thay cho diesel hoá thạch, như methanol, dầu thực vật, mỡ động vật… Động cơ diesel dùng Methanol có phát thải P.M rất thấp

- Nhiên liệu kép (Dua Fuel) như diesel.gas, nhiên liệu chủ yếu (có thể tới 99%)

là khí thiên nhiên đốt bởi nhiên liệu diesel phun mồi (có thể chỉ 1%)

2.2.1.6 Phương hướng phát triển động cơ diesel tiêu thụ ít nhiên liệu, khí thải ít độc hại

Để phát triển động cơ theo hướng này thì khi thiết kế động cơ cần phải:

- Dùng nhiều xupáp, có thể thiết kế vị trí vòi phun cũng như đường nạp thích hợp hơn nhằm cải thiện được quá trình hình thành hỗn hợp

- Hoàn thiện hệ thống phun nhiên liệu, gồm có:

+ Tăng áp suất phun đối với động cơ buồng cháy thống nhất: dùng bơm vòi phun hay hệ thống nhiên liệu Common Rail (CR)

+ Điều chỉnh quy luật phun đối với hệ thống CR, tổ chức phun làm nhiều giai đoạn như phun mồi (để giảm tốc độ tăng áp suất, động cơ làm việc êm hơn), phun chính, phun sau

- Làm mát khí luân hồi

- Tối ưu hệ thống tăng áp

- Thiết kế hệ thống nạp điều chỉnh được chế độ xoáy và rối của môi chất

- Cải thiện chất lượng nhiên liệu như tăng chỉ số Xê-tan, giảm hàm lượng hyđrocacbon thơm và đặc biệt là giảm hàm lượng tạp chất lưu huỳnh để giảm PM.

2.2.1.7 Luân hồi khí thải (EGR)

Hình 2.3 Sơ đồ động cơ sử dụng hệ thống EGR

1 Động cơ; 2 Bình tiêu âm; 3.Đường thải; 4 Đường luân hồi khí thải;

5 Bộ điều khiển; 6.Van tiết lưu khí thải; 7 Đường nạp;

Luân hồi khí thải là biện pháp làm giảm đáng kể lượng NOX trong khí thải động cơ nói chung và trên động cơ diesel nói riêng Mặc dù luân hồi khí thải làm giảm NOX nhưng lại làm tăng lượng PM, HC, CO, tăng tiêu hao nhiên liệu cũng như tăng khả năng mài mòn các chi tiết và ảnh hưởng đến độ bền của động cơ Nhưng tỷ lệ luân hồi ở động cơ diesel có thể cao hơn, cụ thể ở buồng cháy thống nhất có thể tới 60% và buồng cháy ngăn cách tới 30% Nếu khí luân hồi được làm mát thì tỷ lệ NOX có thể giảm hơn nữa Vì vậy hiện nay, luân hồi khí thải được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ trên động cơ diesel

Biện pháp luân hồi khí thải sẽ được nghiên cứu sâu trong các nội dung tiếp theo của luận văn

2.2.2 Giải pháp liên quan đến xử lý khí thải

2.2.2.1 Dùng bộ xúc tác hấp thụ NO X dùng cho hỗn hợp nghèo LNT

Hệ thống LNT là hệ thống làm giảm khí thải NOX với hiệu suất cao, lớn hơn

3 4

5 6

90% Bằng cách phun nhiên liệu vào hệ thống LNT để giải phóng một số muối nitơrát nhằm làm giảm NOX cũng như cách dùng các kim loại quý để hấp thụ các khí thải từ động cơ.

a Cấu tạo

Hình 2.4 thể hiện sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống LNT

[14] Cấu tạo hệ thống LNT gồm 2 buồng xúc tác:

- Buồng thứ nhất: có một van khí thải và một đường ống nối tắt (bypass)

- Buồng thứ hai (buồng xử lý): được chia thành các buồng nhỏ gồm

có buồng chứa chất ôxy hoá (1) (dung tích 7 lít), buồng chuyển hoá (2) (dung tích 7 lít) và buồng chứa bộ xúc tác LNT (3) (dung tích 14 lít) Trong các buồng có chứa chất xúc tác

Các chất xúc tác trong các bình được làm từ các kim loại quý có thành phần cho các bình như sau: 50g Pt/305mm3 với buồng chứa chất ôxy hoá, 60g Pt/Rh /305mm3 với buồng có chứa chất chuyển hoá, 50g Pt/305mm3 với buồng có chứa chất xúc tác LNT Các kim loại quý này được phủ lên trên bề mặt của kim loại kiềm

và kiểm thổ, các kim loại kiềm và kiềm thổ dùng chủ yếu là Kali (K) và Bari (Ba)

b Nguyên lý hoạt động

Bộ xử lý LNT hoạt động theo chu trình như sau: ban đầu khí thải từ động cơ được đưa vào hệ thống LNT, lúc này van khí thải trên đường nối tắt đóng lại, toàn

bộ khí thải đi vào buồng xử lý Buồng xử lý thực hiện quá trình cắt giảm khí NOX

bằng ôxy hoá chúng và các ôxít kim loại kiềm thổ như BaO hấp thụ chúng trong điều kiện nghèo

Các phương trình phản ứng trong điều kiện nghèo được thực hiện như sau:

NO + 1/2O2 = NO2

BaO + NO2 + 1/2O2 = Ba(NO3)2

Hai phương trình trên là quá trình ôxy hoá NOX Hình 2.5 trình bày quá trình

Do lượng NOX được hấp thụ ngày càng nhiều hơn dẫn đến hiệu quả hấp thu

NOX giảm do vậy cần phải thực hiện quá trình tái tạo lại hệ thống Quá trình tái tạo lại hệ thống được thực bằng cách đóng van khí thải trước buồng xử lý và mở van khí thải trên ống rỗng để cho khí thải từ động cơ đi ra Trong quá trình tái tạo toàn

bộ lượng khí thải từ động cơ đi ra ngoài không được xử lý

Quá trình tái tạo lại hệ thống được thực hiện bằng cách phun nhiêu liệu vào

trước buồng ôxy hoá, quá trình được thực hiện trên Hình 2.6.

Nhiên liệu được phun vào là khí Mêtan (CH4) Lúc này buồng chứa chất ôxy hoá sẽ thực hiện quá trình ôxy hoá CH4 để cho ra các sản phẩm như: CO, CO2, H2O,

và H2 theo phương trình phản ứng sau:

2CH4 + 2O2 = CO + 3H2 + CO2 + H2O (2.2)Các khí này tiếp tục đi vào buồng chuyển hoá để thực hiện tiếp quá trình chuyển hoá khí CH4 thành khí CO2 và H2 theo phương trình phản ứng sau:

NO + CO = 1/2N2 + CO2

Như vậy một chu trình hấp thụ NOX và giải phóng N2 đã kết thúc Van khí thải trước buồng xử lý lại mở ra và van khí thải trên đường nối tắt lại đóng lại quá trình hấp thụ NOX lại bắt đầu

Một hệ thống LNT thường có thời

gian hoạt động cho một chu trình xử lý

như sau: Thời gian cho quá trình hấp thụ

là 60s, thời gian cho quá trình tái tạo là

17s và thời gian cho quá trình phun

nhiên liệu là 10s Từ đồ thị Hình 2.7 cho

thấy thời gian hấp thụ NOX của hệ thống

LNT là tương đối lớn, dẫn đến lượng

NOX hấp thụ là tương đối lớn Khi hệ

thống LNT thực hiện quá trình tái tạo thì thời gian thực hiện quá trình tái tạo là rất ngắn dẫn đến lượng khí NOX thải ra ngoài môi trường là tương đối thấp Qua đó ta thấy hiệu suất của bộ xử lý LNT rất lớn, đến hơn 90%

2.2.2.2 Dùng bộ xử lý xúc tác khử NO x (SCR)

Đây là phương pháp khử liên tục NOX, dưới tác dụng của chất xúc tác làm cho

NOx bị khử và hoàn nguyên thành N2 và H2O Chất xúc tác thường dùng là NH3 Do lượng xúc tác cần thiết rất lớn nên bộ xử lý và các thiết bị đi kèm rất cồng kềnh, vì vậy bộ xử lý dùng NH3 thường dùng cho các trạm động lực tĩnh tại

Hiện nay, hãng Simens đã thay thế NH3 bằng Urê ở dạng lỏng trong bộ xử lý xúc tác có tên SINOX dùng trong các thiêt bị động lực cỡ lớn [15]

Hình 2.7 Chu trình hấp thụ và tái tạo

của hệ thống LNT

a Đặc điểm cấu tạo

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống SCR thể hiện trên Hình 2.8 [15]

Trên sơ đồ gồm hai phần chính: hệ thống phun Urê và bộ xúc tác chính SCR, trong đó lõi bộ xúc tác chính SCR được chế tạo bằng các vật liệu sau:

- Vanadium là chất xúc tác kim loại, thông thường kích thước của chúng tương đối lớn, hiệu suất chuyển đổi thấp bởi hàm lượng của chúng trong bộ xúc tác rất nhỏ Hạn chế của vật liệu này là không thể hoạt động ở nhiệt độ cao

- Zeolite là hợp kim xúc tác được bảo vệ bởi một lớp là nền Ceramic, hiệu suất chuyển đổi tương đối cao cho một đơn vị thể tích Thành phần của Zeolite gồm các hợp kim của các kim loại: Cu và Fe chịu được nhiệt độ cao Hợp kim Fe chiếm thành phần lớn trong Zeolite vì chúng làm việc được ở nhiệt độ cao gần 6000C và cho hiệu suất tương đối cao

- Hợp kim của Cu rất có hiệu quả cho bộ xử lý khí thải khi hoạt động ở nhiệt

độ thấp 4500C Bên cạnh đó bố trí hợp kim Fe đặt trước hợp kim Cu, hợp kim Cu hoạt động có hiệu quả ở nhiệt độ thấp và hợp kim Fe hoạt động ở nhiệt độ cao Chính nhờ vậy bộ xử lý khí thải SCR làm việc trong một dải nhiệt độ rộng bởi vì có

sự kết hợp một loạt hệ thống các hợp kim Hơn nữa sự kết hợp các hệ thống cho phép làm giảm bớt khí thải ở nhiệt độ cao

b Nguyên lý hoạt động

Quá trình xử lý NOX xảy ra trong hệ thống SCR bao gồm một chuỗi các phản ứng hóa học được chia làm 3 phản ứng chính:

Phản ứng thứ nhất gọi là ‘‘Standard SCR’’: phản ứng này làm giảm NO hay

còn gọi là phản ứng chuẩn bởi vì NO là đặc trưng cho phản ứng làm giảm khí thải của động cơ diesel (phản ứng 2.5)

4NH3 + 4NO + O2 = 4N2 + 6H2O (2.5) Phản ứng thứ hai là phản ứng khử nhanh: phản ứng này xảy nhanh hơn phản

ứng chuẩn Phản ứng xảy ra bên trong bộ xúc tác nơi có sự cân bằng NO và NO2

(phản ứng 2.6)

4NH3 + 2NO +2NO2 = 4N2 + 6H2O (2.6)

Phản ứng thứ ba là phản ứng khử chậm: phản ứng này xảy ra khi tỷ lệ

NO2/NO>1; trong đó NO2/NO là hệ số của phản ứng hoá học, phụ thuộc vào mỗi phương trình phản ứng Hệ số này ảnh hưởng rất nhiều đến hiệu suất của bộ xử lý, với tỷ lệ NO2/NO>1 thì phản ứng xảy ra tương đối chậm (phản ứng 2.7)

8NH3 + 6NO2 = 7N2 + 12H2O (2.7)

Trong quá trình hoạt động của bộ xử lý khí thải SCR cũng có các vùng nhiệt

độ khác nhau, các vùng nhiệt độ này là điều kiện để xảy ra các phản ứng trên Có ba vùng chính là:

- Vùng 1 (200 ÷ 250) 0C: đây là vùng nhiệt độ thấp mà tỷ số NO2/NO là yếu tố chính của phản ứng Phản ứng chính của vùng này là phản ứng (2.7)

- Vùng 2 (250 ÷350)0C: vùng này xảy ra phản ứng (2.5) Khi tỷ số NO2/NO>1, quyết định đến hiệu suất của bộ xử lý

- Vùng 3 (>3500C): vùng này xảy ra phản ứng (2.6), NO2 phân ly thành NO, do nhiệt độ cao nên NOX giảm đáng kể, vì vậy nó được gọi là phản ứng chuẩn

Quá trình cắt giảm NOX phụ thuộc rất nhiều yếu tố, vì chúng thường có áp suất

và nhiệt độ rất cao Để khắc phục điều này người ta phun dung dịch Urê vào dòng khí thải trước khi qua bộ xúc tác Urê có nhiều thuận lợi cho quá trình sử dụng như độc tính ít, sử dụng an toàn trong vận chuyển, nồng độ Urê trong dung dịch là 32,5% Trước khi phản ứng với NOX, Urê trải qua 3 quá trình chính:

- Quá trình bay hơi: nước bay hơi để giải phóng Urê

((NH2)2CO)lq => ((NH2)2CO)s + (6.9H2O)g (2.8)Các chữ cái “lq”; ”s”, và “g” biểu thị theo thứ tự cho nước, chất rắn và khí

- Quá trình nhiệt phân: sau sự bay hơi của khối Urê là sự phân ly thành khí