Nghiên cứu khả năng giảm phát thải PM của động cơ diesel lắp trên xe buýt bằng bộ lọc DPF

Nghiên cứu khả năng giảm phát thải PM của động cơ diesel lắp trên xe buýt bằng bộ lọc DPF Nghiên cứu khả năng giảm phát thải PM của động cơ diesel lắp trên xe buýt bằng bộ lọc DPF Nghiên cứu khả năng giảm phát thải PM của động cơ diesel lắp trên xe buýt bằng bộ lọc DPF luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG GIẢM PHÁT THẢI PM CỦA ĐỘNG CƠ

DIESEL LẮP TRÊN XE BUÝT BẰNG BỘ LỌC DPF

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Hà Nội – Năm 2012

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN MINH CHÂU

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG GIẢM PHÁT THẢI PM CỦA ĐỘNG CƠ

DIESEL LẮP TRÊN XE BUÝT BẰNG BỘ LỌC DPF

Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ khí động lực

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi Các kết quả, số

liệu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các

Em xin gửi lời cảm ơn tới Ban giám hiệu trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên, Ban chủ nhiệm Khoa Cơ khí và các thầy cô trong khoa đã động viên em trong suốt quá trình học tập và làm luận văn

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy cô phản biện, các thầy cô trong hội đồng chấm luận văn, đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu, để

em có thể hoàn chỉnh luận văn này và định hướng nghiên cứu trong tương lai

Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, những người luôn ở bên, động viên khuyến khích em trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn này

Học viên

Nguyễn Minh Châu

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC BẢNG vii

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ viii

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ PHÁT THẢI TỪ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 5

1.1 Các thành phần độc hại trong khí thải động cơ đốt trong 5

1.2 Đặc điểm làm việc và phát thải động cơ xe buýt 6

1.2.1 Khái quát chung 6

1.2.2 Thực trạng phát thải của phương tiện xe buýt Việt Nam 7

1.3 Nghiên cứu ứng dụng giải pháp giảm phát thải cho động cơ diesel 9

1.4 Các biện pháp giảm phát thải 10

1.4.1 Các biện pháp liên quan đến động cơ 11

1.4.2 Các biện pháp xử lí khí thải 12

1.5 Tình hình áp dụng tiêu chuẩn khí thải trên thế giới và ở Việt Nam 21

1.5.1 Tiêu chuẩn kiểm soát phát thải trên thế giới 21

1.5.2 Tiêu chuẩn kiểm soát phát thải ở Việt Nam 23

1.5.3 Lộ trình kiểm soát phát thải ở Việt Nam 23

1.6 Kết luận chương 1 24

CHƯƠNG II CƠ CHẾ HÌNH THÀNH PM VÀ CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÝ 25

2.1 Bản chất của PM 25

2.1.1 Các thành phần trong PM 25

2.1.2 Sự hình thành muội than (soot) 28

2.1.3 Kích thước và số lượng hạt 29

2.1.4 Mối liên quan giữa kích thước hạt và sức khoẻ con người 35

2.2 Cơ sở lý thuyết tính toán hình thành muội than 35

2.2.1 Mô hình 2 bước 35

2.2.2 Mô hình 8 bước Fusco 38

2.3 Sử dụng bộ lọc chất thải dạng hạt để giảm phát thải PM 40

2.3.1 Lọc kín (lọc toàn phần) và lọc hở (lọc một phần) 40

2.3.2 Vật liệu chế tạo lọc 41

2.3.3 Các phương pháp tái sinh lọc 44

2.4 Kết luận chương 2 49

CHƯƠNG III TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ BỘ LỌC PM CHO ĐỘNG CƠ DIESEL TĂNG ÁP 50

3.1 Giới thiệu chung 50

3.2 Mô phỏng bộ lọc chất thải hạt DPF 51

3.2.1 Giới thiệu chung về DPF 51

3.2.2 Các thông số cơ bản của DPF 53

3.2.3 Sự phân bố bồ hóng 54

3.3 Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ D1146TI 56

3.3.1 Đánh giá độ chính xác của mô hình 58

3.3.2 Kết quả mô phỏng khi lắp lọc khói DPF và bộ chuyển đổi xúc tác DOC đến phát thải động cơ D1146TI 59

3.4 Thiết kế lắp lọc phát thải hạt DPF và bộ xúc tác DOC trên đường thải của động cơ 61

3.4.1 Thế kế bộ lọc DPF 61

3.4.2 Thiết kế bộ xúc tác oxy hóa DOC 62

3.4.3 Vị trí lắp đặt bộ xử lý DOC và bộ lọc DPF 63

3.5 Kết luận chương 3 64

CHƯƠNG IV THỬ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA BỘ LỌC PM LẮP TRÊN ĐỘNG CƠ XE BUÝT 66

4.1 Mục tiêu và phạm vi thử nghiệm 66

4.1.1 Mục tiêu thử nghiệm 66

4.1.2 Phạm vi thử nghiệm 66

4.2 Trang thiết bị thử nghiệm 66

4.2.1 Băng thử động lực cao ETB dùng cho động cơ xe tải hạng nặng 66

4.2.2 Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu AVL Fuel Balance 733S 71

4.2.3 Hệ thống đo phát thải khí 72

4.2.4 Thiết bị đo phát thải dạng hạt (Smart Sampler) 75

4.2.5 Thiết bị đo độ khói Smoke Meter AVL 415S 76

4.2.6 Động cơ thử nghiệm 77

4.3 Điều kiện thử nghiệm 77

4.4 Bố trí, phương pháp và chương trình thử nghiệm 77

4.4.1 Bố trí lắp đặt và hiệu chỉnh động cơ trên băng thử 77

4.4.2 Chương trình thử nghiệm 78

4.4.3 Tính toán khối lượng các chất phát thải theo chu trình ECE R49 79

4.5 Phân tích kết quả thử nghiệm 80

4.5.1 Ảnh hưởng của bộ lọc phát thải hạt DPF và DOC tới công suất và suất tiêu thụ nhiên liệu 80

4.5.2 Ảnh hưởng của bộ lọc phát thải hạt DPF và DOC đến phát thải động cơ 81

4.5.3 Ảnh hưởng của bộ lọc phát thải hạt DPF và DOC đến phát thải động cơ D1146TI theo chu trình ECE R49 84

4.6 Đánh giá kết quả mô phỏng và thực nghiệm 84

4.6.1 So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm đối với động cơ nguyên bản theo chu trình ECE R49 84

4.6.2 So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm đối với động cơ có lắp bộ lọc xúc tác oxy hóa DOC và bộ lọc hạt DPF theo chu trình thử ECE R49 86

4.7 Kết luận chương 4 87

KẾT LUẬN CHUNG VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Số lượng hạt rắn phát thải từ 2 động cơ 34

Bảng 3.1 Các thông số kết cấu của động cơ D1146TI 57

Bảng 3.2 Các phần tử của mô hình mô phỏng 58

Bảng 3.3 Các chế độ mô phỏng theo chu trình ECE R49 60

Bảng 3.4 Kích thước cơ bản của bộ lọc DPF cho động cơ diesel D1146TI 62

Bảng 3.5 Kích thước cơ bản của bộ lọc DOC cho động cơ diesel D1146TI 63

Bảng 3.6 Nhiệt độ khí xả của động cơ D1146TI đo tại vị trí cách tuabin 40mm 64

Bảng 4.1 Diễn giải các mode của chu trình thử ECE R49 79

Bảng 4.2 Trọng số 80

Bảng 4.3 Kết quả đo công suất và suất tiêu thụ nhiên liệu khi có và không có DPF và DOC theo 13 mode của chu trình ECE R49 81

Bảng 4.4 Kết quả đo các thành phần phát thải khi có và không lắp bộ lọc chất thải dạng hạt theo13 mode của chu trình thử ECE R49 84

Bảng 4.5 Kết quả so sánh công suất và suất tiêu thụ nhiên liệu giữa mô phỏng và thực nghiệm của động cơ nguyên bản theo chu trình ECE R49 85

Bảng 4.6 Kết quả so sánh phát thải bồ hóng giữa mô phỏng và thực nghiệm theo chu trình thử ECE R49 đối với động cơ nguyên bản 85

Bảng 4.7 Kết quả so sánh công suất và suất tiêu thụ nhiên liệu giữa mô phỏng và thực nghiệm theo chu trình ECE R49 khi đông cơ có lắp bộ DOC và DPF 86

Bảng 4.8 Kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm khi động cơ D1146TI có lắp bộ xúc tác oxy hóa DOC và bộ lọc hạt DPF theo chu trình ECE R49 87

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ luân hồi khí thải 11

Hình 1.2 Hiệu quả giảm phát thải trên động cơ diesel của bộ xúc tác DOC 13

Hình 1.3 Cấu tạo bộ xúc tác DOC 14

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống SCR 16

Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống LNT 19

Hình 1.6 Quá trình hấp thụ NOx trong hỗn hợp nghèo 19

Hình 1.7 Các phản ứng trong các buồng xử lý 19

Hình 1.8 Chu trình hấp thụ và tái tạo của hệ thống LNT 21

Hình 1.9 Tiêu chuẩn khí thải đối với các xe ôtô hạng nhẹ của EU và các nước châu Á (nguồn: VCAP, PCD, 2009) 22

Hình 2.1 Giản đồ về các hạt PM 25

Hình 2.2 Thành phần cấu tạo của PM 27

Hình 2.3 Cấu trúc của các hạt carbon sơ cấp 28

Hình 2.4 Các hạt cacbon tích tụ 29

Hình 2.5 Phân bố kích thước của chất thải dạng hạt 30

Hình 2.6 Các hạt rắn trong khí thải động cơ diesel pha loãng 31

Hình 2.7 Phát thải các hạt nano khi sử dụng nhiên liệu có phụ gia 32

Hình 2.8 Sự phân bố kích thước PM trên 2 động cơ khác nhau 33

Hình 2.9 So sánh số lượng PM phát thải từ các động cơ khác nhau 34

Hình 2.10 Cấu tạo lọc kín 40

Hình 2.11 Lọc hở 41

Hình 2.12 Lọc gốm monolith 42

Hình 2.13 Lõi lọc bằng lưới sợi gốm 42

Hình 2.14 Lọc celmet 43

Hình 2.15 Lõi lọc bằng sợi thép mạ crôm 43

Hình 2.16 Sơ đồ nguyên lý hệ thống CRT 45

Hình 2.17 Đưa thêm glycol vào khí thải 45

Hình 2.18 Tái sinh lọc bằng đốt muội than 47

Hình 2.19 Đốt PM bằng dây điện trở 47

Hình 2.20 Tái sinh lọc bằng cách phun ngược không khí 48

Hình 3.1 Một phần tử của DPF 51

Hình 3.2 Cấu trúc của monolith 52

Hình 3.3 Sự lắng đọng bồ hóng trong các lớp 55

Hình 3.4 Mô hình động cơ D1146TI trên AVL – BOOST 57

Hình 3.5 So sánh công suất suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ D1146TI giữa mô phỏng và thực nghiệm 58

Hình 3.6 Mô hình mô phỏng động cơ D1146TI khi kết hợp DOC và DPF 59

Hình 3.7 Phát thải bồ hóng ở các chế độ mô phỏng theo chu trình ECE R49 60

Hình 3.8 Kích thước cơ bản của bộ lọc DPF 61

Hình 3.9 Kích thước cơ bản của bộ xúc tác oxy hóa DOC 62

Hình 3.10 Kết cấu lắp đặt bộ DOC và DPF 63

Hình 4.1 Sơ đồ phòng thử 66

Hình 4.2 Sơ đồ phòng thử động lực cao động cơ 67

Hình 4.3 Sơ đồ phanh điện APA 100 68

Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý 69

Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý của thiết bị 70

Hình 4.6 Bộ điều khiển tay ga THA 100 70

Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị cân nhiên liệu 733S 71

Hình 4.8 Mô hình tủ CEBII 72

Hình 4.9 Sơ đồ cấu tạo của bộ phân tích CO 73

Hình 4.10 Sơ đồ cấu tạo của bộ phân tích NO và NOx 74

Hình 4.11 Sơ đồ cấu tạo hệ thống đo CnHm 75

Hình 4.12 Cấu hình thiết bị SPC 427 76

Hình 4.13 Thiết bị đo độ khói AVL 415S 76

Hình 4.14 Động cơ D1146TI chạy khảo nghiệm 77

Hình 4.15 Quá trình lắp đặt động cơ D1146TI trên băng thử 78

Hình 4.16 Sơ đồ thể hiện các mode của chu trình thử ECE R49 79

Hình 4.17 Ảnh hưởng giảm phát thải độ khói theo chu trình ECE R49 82

Hình 4.18 Ảnh hưởng giảm phát thải NOx theo chu trình ECE R49 82

Hình 4.19 Ảnh hưởng giảm phát thải CO theo chu trình ECE R49 83

Hình 4.20 Ảnh hưởng giảm phát thải HC theo chu trình ECE R49 83

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, vấn đề môi trường đang nhận được sự quan tâm của cả thế giới, nó trở nên bức xúc với tất cả các quốc gia Liên tục các hội nghị thượng đỉnh được tổ chức để bàn bạc và đưa ra các biện pháp xử lý ô nhiễm môi trường như: Rio De Janeiro (Braxin, 1992), Kyoto (Nhật, 1997) và Johannesburg (Nam Phi, 9/2002), Bali (Indonexia 12/2007) đã nói lên điều đó

Các hội nghị này đã chỉ ra rất nhiều nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường Một trong những nguyên nhân chủ yếu đó là khí thải của động cơ đốt trong Đặc biệt là loại động cơ diesel trang bị trên các phương tiện giao thông đang lưu hành Trong những năm qua cùng với sự phát triển của kinh tế đất nước, nhu cầu đi lại, vận chuyển hàng hóa của người dân tăng nhanh dẫn tới số lượng các phương tiện giao thông đặc biệt là các phương tiện sử dụng nhiên liệu diesel tăng lên rất nhanh như xe buýt, xe khách, xe tải Tuy nhiên, với việc phát triển mạnh mẽ nhưng lại thiếu kiểm soát chặt chẽ những phương tiện này dẫn đến mức độ ô nhiễm do những phương tiện này đã tăng lên rất nhanh và đã ở mức đáng báo động Nhiều hàm lượng các chất độc hại trong không khí mà phần lớn chúng được sinh ra do khí thải của những loại phương tiện này đã vượt quá tiêu chuẩn cho phép như hàm lượng PM, NOx và SOx Những nguyên nhân chính dẫn đến tình trạng ô nhiễm môi trường do những phương tiện này ở nước ta hiện nay là:

- Do đa phần các phương tiện này được lắp ráp trong nước hoặc nhập khẩu từ Trung Quốc và Hàn Quốc, chỉ có một số lượng nhỏ được nhập từ Nhật Bản, Đức

Đa số các xe này đều chưa lắp bộ xúc tác khí thải, rất nhiều xe đã qua sử dụng nên chất lượng động cơ rất thấp hàm lượng phát thải các chất độc hại cao

- Sự gia tăng số lượng phương tiện giao thông quá nhanh dẫn tới tình trạng quá tải của các phương tiện khi tham gia giao thông dẫn tới tốc độ lưu thông của các phương tiện rất thấp dẫn tới làm tăng tổng lượng phát thải của các phương tiện

- Nhiên liệu có chất lượng chưa cao (hàm lượng lưu huỳnh trong dầu diesel 0,05%) cộng với tình trạng lái xe vận hành không theo quy trình Tình trạng xe thường xuyên hoạt động ở chế độ quá tải cộng với chế độ bảo dưỡng không đúng định kỳ cũng là nguyên nhân góp phần làm tăng mức độ ô nhiễm của các loại phương tiện này

- Điều kiện đường sá thiếu đồng bộ, chật hẹp và có nhiều nút giao thông dẫn tới nhiều nơi thường xuyên xảy ra tình trạng tắc nghẽn cục bộ làm cho hàm lượng các chất độc hại ở những vị trí này rất cao Đường sá yếu kém cộng với chế độ vận hành của các phương tiện luôn thay đổi dẫn đến hàm lượng các chất thải độc hại trong khí thải rất cao Hiện tượng này chúng ta thường xuyên bắt gặp khi chứng kiến quá trình tham gia giao thông của rất nhiều xe buýt một phương tiện sử dụng nhiên liệu diesel rất phổ biến ở các đô thị lớn

Do vậy, việc nghiên cứu ứng dụng các giải pháp giảm phát thải cho động cơ diesel nói chung và động cơ diesel lắp trên xe buýt nói riêng đang trở nên cấp thiết trong bối cảnh thực trạng phát thải của loại phương tiện này cũng như vấn đề ô

nhiễm môi trường đang được cả xã hội quan tâm Với đề tài “Nghiên cứu khả năng

giảm phát thải PM của động cơ diesel lắp trên xe buýt bằng bộ lọc DPF’’ tác giả

mong muốn góp phần giải quyết một phần các yêu cầu trên đây của thực tiễn

i Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Mục đích nghiên cứu

Đưa ra giải pháp công nghệ giảm phát thải PM cho động cơ diesel tăng áp Áp dụng giải pháp để giảm được phát thải PM đạt tiêu chuẩn khí thải Việt Nam cho động cơ diesel tăng áp lắp trên xe buýt

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Động cơ D1146TI được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu, đây là động cơ diesel được sử dụng phổ biến trên các xe buýt đang lưu hành tại Hà Nội Các nội dung nghiên cứu của đề tài được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Giải pháp giảm phát thải được áp dụng trong nghiên cứu này tập trung vào giảm phát thải PM bằng bộ lọc DPF kết hợp với bộ chuyển đổi xúc tác DOC

ii Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm được sử dụng xuyên suốt trong nghiên cứu này Nghiên cứu xuất phát từ kinh nghiệm giảm phát thải cho động cơ diesel hiện đang được áp dụng ở các nước tiên tiến trên thế giới Qua đó phân tích, đánh giá và lựa chọn giải pháp kỹ thuật khả thi giảm phát thải PM cho động cơ diesel tăng áp lắp trên xe buýt đang lưu hành

Nghiên cứu đã sử dụng phương pháp mô phỏng một chiều chu trình công tác

và nhiệt động học của động cơ trên phần mềm AVL-Boost để đánh giá về mặt lý thuyết giải pháp giảm phát thải sử dụng bộ lọc DPF kết hợp bộ chuyển đổi xúc tác DOC

Sử dụng phương pháp thực nghiệm trong phòng thí nghiệm để đánh giá khả năng ứng dụng công nghệ giảm phát thải sử dụng bộ lọc DPF kết hợp bộ chuyển đổi xúc tác DOC, cũng như các ảnh hưởng của việc sử dụng giải pháp trên đến tính kinh tế, kỹ thuật của động cơ

iii Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Đề tài đưa ra giải pháp khả thi để giảm phát thải hạt (PM) cho động cơ diesel tăng áp lắp trên xe buýt phù hợp với điều kiện thực tế ở Việt Nam Giải pháp này gồm: bộ lọc hạt (DPF) nhằm giảm phát thải PM và bộ chuyển đổi xúc tác (DOC) được lắp ngay trước bộ DPF nhằm mục đích cắt giảm phát thải hyđrô cacbon (HC), cacbon mônôxít (CO) và đồng thời chuyển đổi thành phần phát thải NO thành NO2làm chất xúc tác giảm nhiệt độ đốt cháy muội than trong bộ lọc hạt, qua đó nâng cao hiệu quả quá trình tái sinh liên tục bộ lọc

Kết quả nghiên cứu góp phần định hướng giải quyết vấn đề bức xúc của thực tiễn về ô nhiễm không khí do phương tiện giao thông sử dụng động cơ diesel, đặc biệt là động cơ diesel lắp trên xe buýt Giải pháp và hệ thống cắt giảm phát thải cho động cơ diesel sau khi hoàn thiện và thử nghiệm đánh giá độ bền và thử nghiệm hiện trường có thể đưa vào sử dụng đại trà trong thực tế

iv Các nội dung chính trong đề tài

Thuyết minh của đề tài được trình bày gồm các phần sau:

- Chương 1 Tổng quan về phát thải từ động cơ đốt trong

- Chương 2 Cơ chế hình thành PM và các biện pháp xử lý

- Chương 3 Tính toán, thiết kế bộ lọc PM cho động cơ diesel tăng áp

- Chương 4 Thử nghiệm đánh giá hiệu quả của bộ lọc PM lắp trên động cơ xe buýt

- Kết luận chung và phương hướng phát triển

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ PHÁT THẢI TỪ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.1 Các thành phần độc hại trong khí thải động cơ đốt trong

Sản phẩm cháy độc hại được thải ra từ động cơ đốt trong gồm ôxit nitơ (NOx), mônôxit cácbon (CO), hyđro cacbon (HC), chất thải hạt (PM) và anđehit, là nguyên nhân chính gây ra ô nhiễm không khí Động cơ đốt trong là nguồn đóng góp xấp xỉ một nửa lượng chất ô nhiễm NOx, CO, và HC trong không khí [8], tỷ lệ này còn cao hơn ở các khu đô thị và thành phố lớn Các chất ô nhiễm này gây nhiều tác hại khác nhau cho sức khỏe và môi trường

Tùy thuộc vào loại nhiên liệu sử dụng, phương pháp hình thành hỗn hợp và cháy, và tình trạng của động cơ mà nồng độ các thành phần phát thải của các động

cơ khác nhau Trong khi động cơ xăng có hàm lượng các thành phần phát thải CO

và HC cao thì động cơ diesel lại được biết đến với các thành phần phát thải NOx và đặc biệt là PM lớn

 HC: Có nguồn gốc từ nhiên liệu hoặc dầu bôi trơn chưa cháy hết trong động

cơ Các hợp chất của HC chưa cháy góp phần vào sự hình thành các chất quang hoá

và ô zôn trong khí quyển, hai chất này vừa liên quan tới sức khoẻ cộng đồng, vừa gây hại do tầm nhìn bị suy giảm Các loại hydrocacbon thơm là nguyên nhân gây các bệnh về gan, ung thư máu và rối loạn thần kinh khi hàm lượng vượt quá giá trị cho phép

 CO: là chất khí sinh ra trong buồng cháy ở những vùng thiếu ôxy CO gây ra cảm giác chếnh choáng, có tác động rất đáng sợ đối với sức khoẻ của con người, đặc biệt đối với những người những người nhạy cảm như bệnh nhân tim mạch, phụ

nữ có thai, bệnh nhân hen xuyễn Hít thở không khí có hàm lượng CO (theo thể tích) 0,3% có thể dẫn tới tử vong trong vòng 30 phút [10]

 NOx: được sinh ra trong buồng cháy trong quá trình cháy do phản ứng hóa học giữa nguyên tử ôxi và nitơ của không khí Các phản ứng tạo thành NOx phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ Bởi vậy lượng NOx thải ra từ động cơ luôn tỷ lệ thuận với tải của động cơ [9] Ở chế độ tải thấp, lượng NOx thải ra là tương đối thấp, trong khi

ở chế độ tải càng tăng thì lượng phát thải NOx càng lớn do nhiệt độ của quá trình cháy cũng như nhiệt độ của động cơ tăng cao Trong họ NOx thì NO2 là độc hại nhất (gấp 5 lần NO), NO2 là chất khó hoà tan nên có thể đi 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% NO2 bị giữ lại làm cho người bệnh bị mất ngủ, ho, khó thở Nồng

độ NO2 trong không khí không được phép vượt quá 0,005mg/lít (không khí), nếu nồng độ NO2 trong môi trường vượt quá 100ppm thì người và động vật có thể bị tử vong sau vài phút tiếp xúc Ngoài ra NO dễ dàng bị biến đổi trong khí quyển thành

NO2 ( theo phản ứng NO + 0,5 O2 → NO2 ), vì vậy cần phải kiểm soát chặt chẽ NO Bên cạnh đó NO2 trong môi trường còn tác dụng với nước tạo thành axit, các axit trên hoà tan trong mưa, khi nồng độ đủ lớn có thể tạo mưa axit làm huỷ hoại thảm thực vật và an mòn các công trình kim loại

 PM: bao gồm các nhân các bon (muội than), bám dính trên nó là các hợp chất hữu cơ Hầu hết phát thải hạt là kết quả của quá trình cháy không hoàn toàn hyđrô cacbon nhiên liệu, một phần là do dầu bôi trơn Thành phần của PM phụ thuộc vào tình trạng của khí thải và hệ thống lấy mẫu Ở nhiệt độ trên 5000C, các hạt riêng biệt là một chuỗi những hạt cácbon hình cầu hoặc tương tự hình cầu (kết hợp với một lượng nhỏ hyđro cacbon) với đường kính của các hạt tương tự hình cầu khoảng 15 đến 30 nm Khi nhiệt độ giảm xuống dưới 5000C, các hạt này sẽ được phủ bởi các hợp chất hữu cơ đọng bám có trọng lượng khá lớn bao gồm: hyđro cacbon, hyđro cacbon có chứa phân tử oxy (ketones, este, ête, axít hữu cơ) và hyđro cacbon thơm đa nhân Các thành phần đọng bám còn có những thành phần không phải hữu cơ như ôxít lưu huỳnh, ôxit nitơ và axit sunfuric [13]

1.2 Đặc điểm làm việc và phát thải động cơ xe buýt

1.2.1 Khái quát chung

Môi trường không khí có ý nghĩa sống còn để duy trì sự sống trên trái đất trong đó có sự sống của con người, một khi môi trường không khí bị ô nhiễm sẽ kéo theo tác hại nghiêm trọng đến sức khỏe cộng đồng, kinh tế xã hội và bản thân môi trường

Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về tác hại của ô nhiễm không khí và đã đưa ra nhiều kết quả có tác động mạnh mẽ đến đời sống kinh tế và nhận được sự quan tâm của cộng đồng Ở Trung Quốc, thiệt hại do ô nhiễm không khí khoảng

300 tỷ nhân dân tệ, chiếm 4% tổng thu nhập quốc dân (GDP) và năm 1997 [21] Ấn

Độ, quốc gia lớn thứ hai ở châu Á, giá trị thiệt hại do ô nhiễm không khí chiếm tới 9% GDP [21]

Cũng như nhiều nước trên thế giới, việc nghiên cứu ảnh hưởng của ô nhiễm không khí ở Việt Nam đang là mối quan tâm đặc biệt Các kết quả cho thấy vấn đề ô nhiễm không khí ở Việt Nam nhất là các thành phố lớn như Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh ngày càng gia tăng và đã ở mức báo động Hàng ngày Hà Nội bị tổn thất khoảng 1 tỷ VNĐ do ô nhiễm không khí [21] Ô nhiễm không khí ở các đô thị chủ yếu là sự gia tăng quá mức của các phương tiện giao thông vận tải và sự yếu kém của cơ sở hạ tầng

Với lượng hành khách đi xe buýt tăng nhanh qua các năm, ước tính năm 2012 đạt 400 triệu lượt khách Vì vậy số lượng xe buýt cũng tăng rất nhanh trong những năm qua Hiện nay số lượng xe buýt đang lưu hành tại các thành phố lớn như Hà Nội khoảng trên 1200 chiếc các loại từ 28 chỗ đến 80 chỗ Trong đó bao gồm các loại xe như Daewoo, Mercedes, Thaco, Huyndai, Transico, các loại này đa phần được lắp ráp mới trong nước nên chưa thực sự tuân thủ theo tiêu chuẩn phát thải Hơn nữa do tình trạng quá tải thường xuyên vào giờ cao điểm có thể lên tới 200%, điều này ảnh hưởng rất xấu đến điều kiện làm việc của động cơ Do vậy các đặc tính kỹ thuật của động cơ giảm và lượng phát thải tăng, và hầu như không đáp ứng được các tiêu chuẩn phát thải hiện hành

Mặc dù xe buýt là loại phương tiện công cộng được sự quan rất lớn của các cơ quan, cũng như mọi người dân nhưng tình trạng thải khói đen vào môi trường của

xe buýt thì vẫn ngày càng tăng

1.2.2 Thực trạng phát thải của phương tiện xe buýt Việt Nam

Lượng phát thải từ động cơ xe buýt phụ thuộc vào nhiều yếu tố như công nghệ động cơ, chất lượng nhiên liệu, chế độ vận hành, công tác kiểm định và bảo dưỡng

a Về công nghệ động cơ

Hầu hết xe buýt tại các thành phố lớn như Hà Nội được lắp động cơ diesel 4

kỳ có từ 4 đến 6 xylanh đã hoạt động nhiều năm và sử dụng công nghệ truyền thống [11] Hệ thống nhiên liệu thường dùng bơm cao áp dãy, vòi phun cơ khí có áp suất phun không cao nên quá trình phun tơi nhiên liệu để hòa trộn với không khí hình thành hỗn hợp cháy chưa tốt Các hệ thống điều khiển động cơ bằng cơ khí, chưa có điều khiển điện tử, chưa tối ưu được các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật khi chế độ làm việc của động cơ thay đổi Các biện pháp giảm phát thải như hệ thống xử lý khí thải chưa được áp dụng nên hàm lượng các chất độc hại trong khí thải khá cao

b Chế độ vận hành

Đặc điểm của động cơ xe buýt hoạt động trong nội thành các thành phố lớn thường xuyên làm việc ở chế độ không ổn định: phải dừng, đỗ để hành khách lên xuống ở những đoạn đường ngắn liên tục, tăng giảm tốc độ nhiều do mật độ giao thông cao, số lượng hành khách đông vào giờ cao điểm nên bị quá tải Chế độ tăng tốc có ảnh hưởng đáng kể tới lượng phát thải nhất là đối với động cơ diesel có tăng

áp bằng tuabin-máy nén Khi tăng tốc, lượng nhiên liệu phun vào trong xylanh tăng nhanh trong khi máy nén chưa kịp cung cấp lượng không khí cần thiết Điều này dẫn đến nhiên liệu cháy không hết nên hàm lượng các chất CO, HC và đặc biệt là chất thải dạng hạt với phần lớn là muội cacbon tăng nhanh

c Chất lƣợng nhiên liệu

Nhiên liệu diesel tại Việt Nam có 2 loại với hàm lượng lưu huỳnh khác nhau: loại có hàm lượng lưu huỳnh tối đa 500ppm (đạt tiêu chuẩn Euro) dùng cho phương tiện giao thông cơ giới đường bộ và loại có hàm lượng lưu huỳnh tối đa 2500ppm không dùng cho phương tiện giao thông cơ giới đường bộ Tuy nhiên việc sử dụng đúng loại nhiên liệu quy định cho phương tiện giao thông đôi khi chưa được thực hiện đúng

d Công tác kiểm định và bảo dƣỡng

Công tác kiểm định và bảo dưỡng xe được thực hiện định kỳ Tuy nhiên, nhiều

xe đã quá cũ, lại phải hoạt động liên tục nên phát thải độc hại lớn Sau khi kiểm định có trường hợp động cơ được điều chỉnh để máy khỏe hơn, nhiên liệu thừa dẫn đến lượng khói phát thải quá mức cho phép

Với các phân tích ở trên, xe buýt tại các thành phố lớn như Hà Nội đã thải vào môi trường một lượng lớn các chất độc hại gây ô nhiễm môi trường Sở Giao thông Vận tải Hà Nội cho biết, trên 70% số xe buýt đang hoạt động nhả khói đen khi tham gia giao thông, gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng đến sức khỏe người dân Vì vậy nghiên cứu giảm phát thải PM cho động cơ diesel lắp trên xe buýt đang lưu hành là cấp thiết

1.3 Nghiên cứu ứng dụng giải pháp giảm phát thải cho động cơ diesel

Do thành phần độc hại của khí thải phụ thuộc rất lớn vào loại nhiên liệu, cho nên mỗi loại động cơ như động cơ xăng, động cơ diesel, động cơ khí có các phương pháp giảm độc hại riêng

Như đã trình bày ở trên, các thành phần phát thải cần phải được ưu tiên cắt giảm hàng đầu đối với động cơ diesel đó là NOx và PM Ngoài ra, để đáp ứng được các tiêu chuẩn khí thải ngày càng ngặt nghèo, thì các thành phần phát thải CO và

HC cũng cần được quan tâm

Các nghiên c ứu cho thấy rằng luân hồi khí thải cùng với bộ lọc DPF có thể kiểm soát được PM, HC và NOx một cách rất hiệu quả Tuy nhiên, luân hồi đối với động diesel lắp trên xe buýt đã hoạt động nhiều năm, làm cho công suất giảm khá lớn 6,49% [11], suất tiêu hao nhiên liệu tăng khá nhiều 6,14% [11] Gần đây có hai

hệ thống tự tái sinh gây được sự chú ý mạnh mẽ đó là bộ lọc tự tái sinh dùng nền xeri hoặc sắt và bộ lọc tái sinh liên tục (CRT- Continuous Regeneration Trap) dùng nhiên liệu bổ sung là diesel không có lưu huỳnh [11]

Nghiên cứu của Guido Lenaers trên 2 xe buýt Euro 2, một xe được lắp đặt thêm hệ thống gồm lọc tái sinh liên tục và bộ xúc tác (CRT + SCR), một xe được

lắp bộ lọc phát thải hạt và bộ xúc tác (hệ thống Filter + SCR) được tiến hành trên băng thử con lăn theo các chu trình thử so sánh khác nhau [14] Kết quả đo khả năng cắt giảm các thành phần phát thải cho thấy hệ thống Filter + SCR chỉ cắt giảm được dưới 20% PM, trong khi mức độ cắt giảm các thành phần phát thải khác khá biến động theo chu trình lái được sử dụng Hệ thống CRT + SCR cho mức cắt giảm phát thải lớn và ổn định, với việc cắt giảm trên 90% PM

Sử dụng bộ lọc phát thải hạt (DPF) là công nghệ cắt giảm PM một cách hiệu quả, tuy nhiên vấn đề tái sinh lọc cần thiết, nhằm đảm bào không xẩy ra hiện tượng tắc bộ lọc Hãng HJS của nước Đức giới thiệu bộ lọc phát thải hạt có trang bị sợi đốt SMF ( Sintered Metal Filter) có khả năng cắt giảm 99% PM và 95% CO và HC của xe buýt [11]

Hãng Notox, Đan Mạch thì giới thiệu bộ lọc PM làm bằng cacbua silic (SiC)

có thể cắt giảm được 99,8% PM [11]

1.4 Các biện pháp giảm phát thải

Do những tác động không tốt đến môi trường và sức khỏe, cho đến nay rất nhiều biện pháp cụ thể đã được sử dụng trong thực tế, và trong tương lai sẽ còn các biện pháp khác được nghiên cứu nhằm giải quyết triệt để hơn vấn đề quan trọng này

Nói chung, các biện pháp giảm thiểu ô nhiễm có thể chia ra thành 2 nhóm

chính [21] Nhóm thứ nhất bao gồm các biện pháp liên quan đến cấu tạo động cơ,

loại nhiên liệu, phương pháp hình thành hỗn hợp, điều chỉnh và vận hành và động

cơ tóm lại là các biện pháp liên quan đến động cơ Nhóm thứ hai bao gồm các

biện pháp xử lý khí thải tới mức bảo đảm nồng độ độc hại của khí thải trước khi xả vào môi trường phải nhỏ hơn giới hạn cho phép

Do thành phần độc hại của khí thải phụ thuộc rất lớn vào loại nhiên liệu, cho nên mỗi loại động cơ như động cơ xăng, động cơ diesel, động cơ khí có các phương pháp giảm độc hại riêng

1.4.1 Các biện pháp liên quan đến động cơ

 Tối ưu hệ thống nhiên liệu, hệ thống nạp, kết cấu buồng cháy, áp dụng điều khiển điện tử Nhằm mục đích điều khiển lượng nhiên liệu chu trình, tăng cường khả năng nạp, tăng cường khả năng hòa trộn nhiên liệu với không khí, đốt cháy triệt

để nhiên liệu…Trong thời gian 1980-1990, việc áp dụng các biện pháp này giảm tới 90% PM, 75% NOx, giảm nhiều HC và CO [10]

 Luân hồi khí thải (EGR): Là biện pháp rất hữu hiệu để giảm phát thải NOx Một phần khí xả được đưa ngược trở về buồng cháy, do đó làm bẩn hỗn hợp cháy làm quá trình cháy diễn ra ở nhiệt độ thấp hơn, phản ứng giữa ôxy và nitơ giảm, do

đó có thể hạn chế lượng phát thải NOx từ 50 đến 70% Hình 1.1 thể hiện sơ đồ luân hồi khí thải trên động cơ

Hình 1.1 Sơ đồ luân hồi khí thải

 Tối ưu quá trình cháy:

- Tăng áp suất phun: nhiên liệu được phun dưới áp suất cao sẽ tơi hơn,

do đó tăng khả năng hòa trộn với không khí, quá trình cháy sẽ diễn ra đồng đều và triệt để hơn

- Cháy với hỗn hợp nghèo: khi hỗn hợp có tỉ lệ nhiên liệu/không khí thấp

sẽ hạn chế các vùng thiếu ô xy, qua đó làm giảm CO,HC và PM

- Tạo chuyển động xoáy dòng khí nạp vừa đủ: tăng khả năng hòa trộn nhiên liệu, đưa không khí tới mọi vùng trong buồng cháy làm giảm thiểu việc thiếu ô xy cục bộ: giảm phát thải HC, CO, PM

- Phun nước kèm nhiên liệu: giảm thành phần NOx

- Làm giàu ôxy trong nhiên liệu: giảm thiểu việc thiếu ô xy cục bộ, tăng khả năng cháy kiệt, do đó giảm phát thải độc hại

 Giảm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu, lượng chất vô cơ và phốtpho trong dầu bôi trơn Đây là biện pháp làm giảm thành phần SO2, SO3, các muội gốc vô cơ… và giảm tác động xấu đến các bộ xử lí khí thải

 Sử dụng nhiên liệu thay thế, ngoài việc giảm phát thải các thành phần độc hại thì đây cũng là sự lựa chọn có tiềm năng để đối phó với vấn đề cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch

Do các biện pháp về kết cấu động cơ và nhiên liệu chỉ đạt được hiệu quả nhất định trong giảm thiểu khí thải độc hại, mặt khác những biện pháp này lại gặp phải

sự đối lập giữa giảm phát thải và tính kinh tế, các thành phần độc hại trong khí thải cũng không thể giảm được đồng thời Ví dụ: khi luân hồi khí xả để giảm NOx thì các thành phần PM, CO, HC lại tăng, khi tối ưu hóa quá trình cháy để giảm PM thì

NOx lại tăng do nhiệt độ cháy tăng Vì vậy để giảm được đồng thời các thành phần độc hại nhằm đảm bảo yêu cầu ngày càng khắt khe về tiêu chuẩn khí thải, phải sử dụng đến nhóm biện pháp thứ hai là xử lý khí thải

Catalyst-6000C xuống 2500C) Các phản ứng ôxy hóa gồm:

Hydrô cácbon dạng khí và lỏng + O2 = CO2 + H2O

CO + 1/2O2 = CO2

Các hydrô cácbon trong khí thải động cơ có thể ở dạng hơi hoặc ngưng tụ ở dạng lỏng Trong cả hai

Tuy nhiên, bên cạnh đó, bộ DOC cũng thúc đẩy một số phản ứng ôxy hóa và tạo thành các sản phẩm không mong muốn khác:

là chất khí độc hại hơn đối với sức khỏe con người và môi trường so với NO

Hình 1.2 Hiệu quả giảm phát thải độc hại trên

động cơ diesel của bộ xúc tác DOC

 Cấu tạo bộ xúc tác DOC

Bộ xúc tác ôxy hóa DOC thường được lắp trên đường thải ở vị trí gần động

cơ Nhiệt giải phóng từ quá trình ôxy hóa CO và HC sẽ làm tăng nhiệt độ khí thải sau khi ra khỏi bộ xúc tác DOC được ứng dụng cho việc tái sinh thiết bị lọc các chất thải dạng hạt PM Thêm vào đó nhiệt này còn đuợc lợi dụng trong việc cải thiện quá trình chuyển hóa NO thành NO2 trong khí thải điều này sẽ nâng cao hiệu suất của

bộ xúc tác NOx Về cấu tạo bộ lọc có thể được chia thành ba phần chính như thể hiện trên hình 1.3

- Phần vỏ thường làm bằng thép hoặc thép không gỉ

- Lớp đệm làm bằng sợi vô cơ hoặc phoi thép để bù trừ giãn nở vì nhiệt

- Phần lõi của bộ DOC thường được làm bằng gốm hoặc kim loại với cấu trúc dạng tổ ong trong đó khí thải đi qua các ống trong thân có đường kính khoảng 1mm

Trên bề mặt của lõi được tráng một lớp vật liệu trung gian là Al2O3 làm tăng diện tích bề mặt tham gia phản ứng Chất xúc tác ôxy hóa được tráng trên lớp trung gian Chất xúc tác ôxy hóa thường được dùng là các kim loại quý như Pt, Pd trong các bộ DOC có nhiệm vụ chính là giảm CO và HC

Chất xúc tác Pt thường cho hiệu suất chuyển đổi CO cao và nhiệt độ làm việc của bộ DOC thấp Khi hàm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu thấp, chất xúc tác có thể dùng đồng thời Pt và Pd Đối với bộ DOC với nhiệm vụ chính là giảm lượng

PM thì chất xúc tác có thể là một số kim loại cơ bản như Ce, Fe, V, Cu… Các chất

Hình 1.3 Cấu tạo bộ xúc tác DOC

xúc tác này có tác dụng thúc đẩy quá trình bẻ gẫy và ôxy hóa một phần các hydro cacbon mạch dài, thành phần có trong PM, qua đó lượng PM giảm Với bộ DOC loại này, để làm tăng hiệu suất chuyển đổi HC và CO, một lượng nhỏ Pt cũng được thêm vào làm chất xúc tác Một số bộ DOC còn sử dụng thêm khoáng chất zeolite trên bề mặt lớp trung gian để làm tăng hiệu suất chuyển đổi HC, nhất là khi nhiệt độ

bộ DOC còn thấp như khi động cơ mới khởi động Zeolite hấp thụ và giữ HC lại trên bề mặt lõi lọc khi nhiệt độ bộ DOC còn thấp dưới khoảng 2500C Khi nhiệt độ

bộ DOC tăng lớn hơn 2500C, zeolite nhả thành phần HC ra, khi này các chất xúc tác

đã đến nhiệt độ làm việc và HC được ôxy hóa

b Bộ xử lý xúc tác khử NO x - SCR (Selective Catalytic Reduction)

 Cấu tạo

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống SCR được thể hiện trên hình 1.4 [10], bao gồm hai phần chính đó là 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 bởi 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 4500

C 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

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống SCR

- Phản ứng mong muốn nhất chính là phản ứng khử nhanh, phản ứng này xảy nhanh hơn phản ứng chuẩn Phản ứng này xảy ra bên trong bộ xúc tác nơi có sự cân bằng NO và NO2:

- Phản ứng thứ ba là phản ứng khử chậm, xảy ra khi tỉ lệ NO2/NO>1,

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

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

độ khác nhau, mà các vùng nhiệt độ này là điều kiện xảy ra các phản ứng trên Có

ba vùng chính là:

- Vùng một (200- 2500C): Đây là vùng nhiệt độ thấp mà tỉ số NO2/NO là yếu

tố chính của phản ứng Phản ứng chính của vùng này là phản ứng (1-2)

- Vùng hai (250- 3500C): Vùng này xảy ra phản ứng (1-3) Khi tỉ số NO2/NO

là lớn hơn 1, quyết định đến hiệu suất của bộ xử lý

- Vùng ba (>3500C): Vùng này xảy ra phản ứng (1-1) NO2 phân ly thành NO,

do nhiệt độ cao nên quá trình làm giảm NOx là 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

là 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

 Các hạn chế trong việc phát triển hệ thống SCR

Hiệu suất chuyển đổi là vấn đề khó khăn chính của bộ xử lý khí thải Hiệu suất của bộ xử lý đạt được từ 55 đến 90% phụ thuộc vào quá trình làm việc của động cơ Một trong những yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển đổi của bộ xử lý là nhiệt độ khí thải Nhiệt độ động cơ trong quá trình khởi động lạnh tương đối thấp

dẫn đến nhiệt độ khí thải thấp, và hiệu quả của quá trình chuyển hoá NOx không cao

Lượng phun urê phụ thuộc vào tỷ lệ ANR (the ammonia ratio), với ANR = 1 tương đương với phản ứng hoàn toàn, theo đó hiệu suất chuyển đổi NOx là 100% Nếu làm việc tốt thì chỉ số này sẽ nằm trong dải 0,85÷1 Một thiết bị quan trọng trong hệ thống xử lý khí thải SCR là hệ thống phun urê, với nhiệm vụ chính là phun urê ở dạng giọt nhỏ và phân phối đều trong các dòng khí thải.Việc phun urê phải thực hiện sao cho profin mặt cắt ngang là đồng nhất

c Bộ xúc tác hấp thụ NO x dùng cho hỗn hợp nghèo LNT (Lean NO x Trap)

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

Phương trình phản ứng trong điều kiện nghèo

NO + 1/2O2 = NO2

BaO + NO2 + 1/2O2 = Ba(NO3)2Hai phương trình trên là quá trình ôxy hoá NOx Hình 1.6 trình bày quá trình hấp thụ NOx trong hỗn hợp nghèo

Hình 1.6 Quá trình hấp thụ NOx trong

hỗn hợp nghèo

Hình 1.7 Các phản ứng trong các

buồng xử lý

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 như hình 1.7

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 Phương trình ôxy hoá CH4 như sau:

2CH4 + 2O2 = CO + 3H2 + CO2 + H2O 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

CH4 + H2O = CO2 + H2Các khí này lại tiếp tục đi vào buồng xử lý LNT để thực hiện quá trình tái tạo lại buồng xử lý LNT Trong điều kiện giàu nhiên liệu quá trình giải phóng N2 xảy ra

theo các phản ứng sau

Ba(NO3)2 = BaO + NO2 + 3/2O2

Ba(NO3)2 = BaO + NO + 1/2O2

NO + CO = 1/2N2 + CO2Như 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

d Bộ lọc chất thải hạt DPF (Diesel Particulate Filter)

DPF làm sạch khí thải bằng cách bắt buộc khí thải chảy qua bộ lọc, các chất khí sẽ được thông qua và giữ lại các hạt rắn Có nhiều kiểu bộ lọc khác nhau đang được sử dụng nhưng tất cả đều phải đáp ứng các yêu cầu sau:

 Hiệu quả lọc cao

 Ít gây cản trở cho sự lưu thông dòng khí xả

 Chi phí thấp

Trong quá trình hoạt động, các hạt muội sẽ dần bít kín phần tử lọc gây cản trở lưu thông dòng khí thải, do đó ảnh hưởng đến hoạt động của động cơ Vì vậy cần có phương pháp loại bỏ chất thải hạt bám trên vách để bộ lọc hoạt động liên tục và hiệu quả Các phương pháp đó gọi chung là ‟‟tái sinh lọc‟‟ Phần này sẽ được đề cập

kỹ ở chương sau

1.5 Tình hình áp dụng tiêu chuẩn khí thải trên thế giới và ở Việt Nam

1.5.1 Tiêu chuẩn kiểm soát phát thải trên thế giới

Châu Âu là cái nôi của ngành công nghiệp ôtô thế giới bởi những phát minh sáng chế đầu tiên về động cơ đốt trong ra đời từ lục địa này Sự phát triển vượt bậc

Hình 1.8 Chu trình hấp thụ và tái tạo của hệ

thống LNT

của thị trường ôtô giai đoạn 1960 ÷ 1970 buộc chính phủ của các nước châu Âu xây dựng một chương trình cắt giảm khí thải xe hơi vào năm 1970 Tuy nhiên, phải đến năm 1987, dự luật hoàn chỉnh quy định giá trị nồng độ giới hạn của các loại khí thải mới được thông qua và thường gọi đó là Euro 0 Trải qua hơn 20 năm, thêm 5 tiêu chuẩn nữa được ban hành bao gồm: Euro I năm 1991, Euro II năm 1996, Euro III năm 2001, Euro IV năm 2005, tiêu chuẩn Euro V năm 2008 và trong tương lai năm

2013 sẽ áp dung tiêu chuẩn E uro VI Các tiêu chuẩn Euro được áp dụng cho tất cả các nước liên minh châu Âu, đồng thời nhiều nước trên thế giới cũng áp dụng hệ thống tiều chuẩn này (hình 1.9)

Trên thế giới, Mỹ cũng là nước có tiêu chuẩn phát thải rất ngặt nghèo, các tiêu chuẩn phát thải khác nhau giữa các bang Cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ EPA (Environmental Protection Agency) đặt nhiều định mức tiêu chuẩn khác nhau dựa trên tiêu chuẩn của cơ quan môi trường California Bang California đứng đầu tiên với yêu cầu tiêu chuẩn động cơ đạt Tier 2 Bin 5

Tại châu Á, một số nước phát triển như Nhật Bản, Trung Quốc, Hàn Quốc đưa

ra tiêu chuẩn phát thải từ rất sớm Một số nước đang phát triển gần đây cũng bắt đầu từng bước đưa ra những quy định phát thải riêng trong đó có Việt Nam bắt đầu áp dụng tiêu chuẩn khí thải Euro 2 từ năm 2007 (hình 1.9)

Hình 1.9 Tiêu chuẩn khí thải đối với các xe ôtô hạng nhẹ của EU và các nước châu

Á (nguồn: VCAP, PCD, 2009)[11]

1.5.2 Tiêu chuẩn kiểm soát phát thải ở Việt Nam

Quyết định số 249/2005/QĐ – TTg của chính phủ về lộ trình áp dụng tiêu chuẩn khí thải đối với phương tiện giao thông vận tải cơ giới đường bộ đã được ban hành ngày 10/10/2005 Theo đó, từ 1/7/2007 tất cả các phương tiện giao thông cơ giới đường bộ mới đều phải đạt tiêu chuẩn khí thải Euro 2 Đối với loại xe cơ giới

mà kiểu loại đã được chứng nhận an toàn kỹ thuật và bảo vệ môi trường ngày 1/7/2007, nhưng chưa sản xuất, lắp ráp thì thời điêm áp dụng tiêu chuẩn khí thải Euro 2 được lùi lại sau 1 năm, từ 1/7/2008 Do nhiều khó khăn đặc biệt về kinh tế cũng như công nghệ nên Việt Nam chưa thể áp dụng ngay những tiêu chuẩn ngặt nghèo cho khí thải như các nước phát triển Việc thử nghiệm khí thải xe cơ giới được thực hiện theo đúng các quy định tại các tiêu chuẩn tương ứng với từng loại xe như sau:

- TCVN 7357:2003 (tương đương với tiêu chuẩn Châu Âu 97/24/EC và 2002/51/EC)

- TCVN 7358:2003 (tương đương với tiêu chuẩn Châu Âu 97/24/EC)

- TCVN 6567:2006 (tương đương với tiêu chuẩn Châu Âu ECE 49-02 hoặc 91/542/EEC)

- TCVN 6785:2006 (tương đương với tiêu chuẩn Châu Âu ECE 83-03, ECE 83-04 hoặc 96/69/EC)

- TCVN 6565:2006 (tương đương với tiêu chuẩn Châu Âu ECE 24-03 hoặc 72/306/EEC)

1.5.3 Lộ trình kiểm soát phát thải ở Việt Nam

Hiện nay trên thế giới, tiêu chuẩn Euro 2 đã dần trở nên lạc hậu và nhiều quốc gia đã áp dụng tiêu chuẩn Euro 3, Euro 4 thậm chí Euro 5,6 Lộ trình liên minh châu

âu đưa ra là không áp dụng một tiêu chuẩn quá 4 năm Một số nước xung quanh Việt Nam cũng đã áp dụng tiêu chuẩn ngặt ngèo hơn cho khí thải từ rất sớm (Thái Lan áp dụng tiêu chuẩn Euro 3 từ 2008, Trung Quốc năm 2005 áp dụng tiêu chuẩn Euro 3)

Ngày 24/9/2010, tại Hà Nội, Cục Đăng kiểm Việt Nam đã tổ chức Hội thảo quốc gia “Đánh giá tình hình áp dụng Tiêu chuẩn khí thải châu Âu Euro 2 và đề xuất lộ trình áp dụng các mức tiêu chuẩn khí thải Euro 3, 4, 5 đối với xe cơ giới” Một trong những trọng tâm và cấp thiết mà Hội thảo tập trung bàn thảo là làm thế nào để xây dựng một lộ trình áp dụng các tiêu chuẩn khí thải châu Âu tiếp theo (Euro 3, 4, 5) hợp lý nhất, phù hợp nhất với tình hình phát triển kinh tế xã hội qua từng giai đoạn thông qua việc đánh giá năng lực quản lý, thử nghiệm, công nghệ sản xuất lắp ráp xe cơ giới và đặc biệt là công nghệ sản xuất, khả năng nhập khẩu nhiên liệu đáp ứng yêu cầu sử dụng của các loại xe cơ giới thỏa mãn các mức Euro 3, 4, 5

để tham mưu cho lãnh đạo Bộ Giao thông vận tải xem xét trình Thủ tướng Chính phủ ban hành

Ngày 01/09/2011, Thủ Tướng Chính phủ đã ban hành quyết định số 49/2011/QĐ-TTg về việc quy định lộ trình áp dụng tiêu chuẩn khí thải đối với xe ôtô, xe môtô hai bánh sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới Các loại xe ôtô sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới phải áp dụng tiêu chuẩn khí thải mức 4 (tương đương Euro 4) từ ngày 01/01/2017, tiêu chuẩn khí thải mức 5 (tương đương Euro 5) từ ngày 01/01/2022 Các loại xe môtô hai bánh sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới phải áp dụng tiêu chuẩn khí thải mức 3 (tương đương Euro 3) từ ngày 01/01/2017

1.6 Kết luận chương 1

Qua phân tích và đánh giá ở trên, có thể thấy rằng, đối với động cơ diesel lắp trên xe buýt đang lưu hành, thành phần phát thải PM rất cao và thường vượt giới hạn cho phép Do vậy, nghiên cứu giảm phát thải đối với động cơ trên xe buýt tập trung chủ yếu vào biện pháp giảm PM

Trên thế giới đã áp dụng nhiều biện pháp nhằm giảm phát thải của các phương tiện giao thông như áp dụng các bộ xử lý khí thải SCR, CRT… Tuy nhiên, các giải pháp hiện đại khó áp dụng trong thực tiễn Việt Nam

Qua nghiên cứu các biện pháp giảm phát thải, thấy rằng sử dụng bộ DOC và DPF là khả thi nhất cho việc giảm PM cho xe buýt đang lưu hành ở Việt Nam

CHƯƠNG II CƠ CHẾ HÌNH THÀNH PM VÀ CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÝ 2.1 Bản chất của PM

Chất thải dạng hạt (PM) là thành phần phức tạp nhất trong khí xả động cơ diesel PM là các hạt thu được trong khí xả động cơ sau khi khí xả được pha loãng

và giảm nhiệt độ xuống dưới 520C Thành phần cơ bản của PM gồm các hạt nhân cacbon, hydro carbon chuyển hóa từ nhiên liệu hoặc dầu bôi trơn, các axit sunfuric

từ thành phần lưu huỳnh trong nhiên liệu PM bao gồm các hạt rất nhỏ có đường kính dưới 0,04 μm và chúng có thể liên kết thành các hạt có đường kính 1μm PM

có hình thái và thành phần rất phức tạp, hình 2.1 Đường kính các hạt cơ bản chủ yếu tập trung trong khoảng 0,1 đến 0,2 µm

- Oxit kim loại

 Phần hữu cơ hòa tan SOF (soluble organic fraction)

- Vật liệu hữu cơ có nguồn gốc từ dầu bôi trơn động cơ

- Vật liệu hữu cơ có nguồn gốc từ nhiên liệu

và ô xy hóa cácbon, một số hạt sẽ bám trên vách ống xả, các thành phần PM khác bao gồm cả hydrocacbon, oxit lưu huỳnh và nước có trong khí xả rất nóng của động

cơ và bị bay hơi

Một thành phần khác trong khí thải động cơ diesel là tro kim loại có nguồn gốc từ phụ gia dầu bôi trơn cũng như từ mài mòn các chi tiết trong động cơ Sự kết tinh của thành phần tro dễ bay hơi xảy ra ở kỳ giãn nở trong xylanh động cơ, sau đó chúng kết tụ tạo thành các mảnh rắn nhỏ Tỷ lệ tương đối của thành phần này thường tăng lên trong các động cơ đời mới do trong khí xả có ít các hạt cacbon hơn

và khối lượng các hạt cacbon nhỏ hơn

Tính chất vật lý và hóa học của PM thay đổi khi đưa khí xả vào đường ống làm loãng trong thiết bị đo PM để trộn lẫn với không khí và làm nguội tới nhiệt độ dưới 52ºC Hydrocacbon nặng có nguồn gốc từ dầu bôi trơn động cơ và nhiên liệu chưa cháy hết sẽ được hấp thu hoặc tích tụ trên bề mặt các hạt carbon để tạo nên thành phần hữu cơ của PM (SOF) Nếu số lượng các hạt carbon không đủ, hydrocacbon sẽ kết tụ thành các hạt dạng lỏng dễ bay hơi

Axit sulfuric trong khí thải động cơ diesel có nguồn gốc từ thành phần lưu huỳnh trong nhiên liệu Trong buồng đốt, lưu huỳnh tồn tại chủ yếu dưới dạng điôxit