Luận án tiến sĩ giảm phát thải động cơ diesel xe tải nhẹ - Đại học Bách khoa Hà Nội

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác. Hà Nội, tháng 9 năm 2020 Tập thể giáo viên hướng dẫn Nghiên cứu sinh GS.TS Phạm Minh Tuấn PGS.TS Trần Quang Vinh Nguyễn Mạnh Dũng i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phòng Đào tạo, Viện Cơ khí động lực, Bộ môn Động cơ đốt trong giúp đỡ tôi thực hiện luận án trong thời gian học tập, nghiên cứu tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS Phạm Minh Tuấn và PGS.TS Trần Quang Vinh đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình, chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận án.

Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, Ban chủ nhiệm, các thầy cô trong Khoa Công nghệ Ôtô đã tạo điều kiện và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu học tập. Trong thời gian học tập, tôi đã có giai đoạn bị bệnh phải đi điều trị mất thời gian khá dài, trong thời gian này tôi đã được sự động viên rất lớn từ gia đình và những người thân. Qua đây tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và thực hiện công trình này. Nghiên cứu sinh Nguyễn Mạnh Dũng ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN.

ii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU. vii DANH MỤC BẢNG BIỂU. ix DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ. x LỜI MỞ ĐẦU.

Xuất xứ đề tài. Mục tiêu nghiên cứu. Phạm vi nghiên cứu. Phƣơng pháp nghiên cứu.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. Bố cục của luận án. 3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN. Hiện trạng chất lƣợng không khí.

Tiêu chí đánh giá chất lượng môi trường không khí. Hiện trạng chất lượng không khí. Tổng quan sự phát triển các phƣơng tiện giao thông ở Việt Nam. Sự phát triển các phương tiện giao thông ở Việt Nam.

Tiêu chuẩn phát thải từ động cơ diesel. Tình hình nghiên cứu giảm phát thải độc hại cho động cơ diesel trên thế giới và Việt Nam 16 1. Giảm phát thải NOx. Giảm phát thải hạt CO, HC và PM.

Bộ lọc hạt (DPF). Tổng hợp nghiên cứu giảm phát thải cho xe tải nhẹ sử dụng động cơ diesel trên thế giới và Việt Nam. Nghiên cứu giảm phát thải cho động cơ diesel trên thế giới. Nghiên cứu giảm phát thải cho động cơ diesel ở Việt Nam.

Tính cấp thiết của đề tài. Cách tiếp cận vấn đề của đề tài. Kết luận chƣơng 1. 32 iii CHƢƠNG 2.

CƠ CHẾ HÌNH THÀNH CÁC CHẤT ĐỘC HẠI TRONG KHÍ THẢI CỦA ĐỘNG CƠ VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG BỘ XỬ LÝ KHÍ THẢI. Sự hình thành các chất độc hại trong khí thải động cơ. Hyđrô cácbon (HC). Phát thải dạng hạt (PM).

Cơ sở l thu ết t nh toán chu tr nh c ng tác của động cơ trên phần mềm AV - Boost. Giới thiệu chung. Các phương trình cơ bản. Các mô hình điều kiện biên.

Mô hình trao đổi nhiệt. Mô hình nạp thải. Mô hình cháy AVL-MCC. Cơ sở lý thuyết mô phỏng quá trình hình thành phát thải của động cơ diesel.

Mô phỏng quá trình hình thành NOx. Mô phỏng quá trình hình thành CO. Mô phỏng quá trình hình thành soot. Cơ sở lý thuyết mô phỏng giải pháp xử lý phát thải cho động cơ diesel.

Mô phỏng bộ xử lý xúc tác SCR. Mô phỏng bộ xúc tác ô xy hóa DOC. Mô phỏng bộ lọc chất thải hạt DPF. 54 Kết luận chƣơng 2.

MÔ PHỎNG, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ XÚC TÁC DOC, DPF VÀ SCR TRÊN ĐỘNG CƠ DIESE XE TẢI NHẸ. Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ D4BB. Thông số kỹ thuật cơ bản xây dựng mô hình mô phỏng trên AVL - Boost. Mô hình mô phỏng động cơ D4BB.

Đánh giá độ chính xác của mô hình. Xây dựng mô hình xử lý khí thải DOC-DPF-SCR. Kết quả mô phỏng phát thải của động cơ khi sử dụng DOC, DPF và SCR. Thiết kế tổng thể bộ xúc tác DOC, DPF và SCR trên động cơ D4BB.

Sơ đồ bố trí hệ thống xử lý khí thải. Xác định vị trí và phương pháp lắp đặt hệ thống xử lý khí thải. Thiết kế chế tạo bộ xúc tác DOC, DPF và SCR. Thiết kế, chế tạo vỏ bọc cho bộ xử lý xúc tác.

Tính toán, thiết kế hệ thống phun urê.4 Kết luận chƣơng 3. NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM BỘ XÚC TÁC DOC, DPF VÀ SCR DÙNG CHO ĐỘNG CƠ DIESE XE TẢI NHẸ D4BB. Mục đ ch thử nghiệm. Thiết bị thử nghiệm.

Băng thử động lực học. Thiết bị phân tích khí thải FTIR. Thiết bị đo độ khói Smoke Meter AVL 451S. Động cơ thử nghiệm.

Điều kiện thử nghiệm. Bố tr , phƣơng pháp và chƣơng tr nh thử nghiệm. Bố trí lắp đặt và hiệu chỉnh động cơ trên băng thử. Phương pháp và chương trình thử nghiệm.

Kết quả thử nghiệm và thảo luận. Đặc tính vòi phun urê. Đặc tính nhiệt độ khí thải khi đi qua các bộ xử lý khí thải. Ảnh hưởng lượng phun urê đến phát thải NOx.

Đánh giá tính năng kinh tế và kỹ thuật của động cơ trước và sau khi lắp các bộ xử lý khí thải. Đánh giá chất lượng phát thải của động cơ khi lắp các bộ xử lý khí thải. Đánh giá kết quả mô phỏng và thực nghiệm khi áp dụng các giải pháp xử lý khí thải. Kết luận chƣơng 4.

115 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN. 116 Hướng phát triển. 116 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN.118 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 119 PHỤ LỤC LUẬN ÁN.

Trích bản tóm tắt kết quả mô phỏng tại tốc độ 2200 vòng/phút, toàn tải.2 Thông số của thiết bị thử nghiệm.3 Kết quả thử nghiệm theo đƣờng đặc tính ngoài .4 Kết quả thử nghiệm theo đƣờng đặc tính tải. PL13 vi DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Ký hiệu Diễn giải Đơn vị Air Quality Index- Chỉ số đánh giá chất lượng không AQI - khí CO Mônôxit cácbon - HC Hyđrô cácbon - PM Phát thải hạt - NOx Ôxít nitơ - SOx Ôxít lưu huỳnh - EMBARQ Viện tài nguyên thế giới Mỹ - DOC Diesel Oxidation Catalyst (bộ xúc tác ôxy hóa) - EGR Exhaust Gas Recirculation (hệ thống luân hồi khí thải) - DPF Diesel Particulate Filter (bộ lọc phát thải hạt) - Volatile Organic Compounds (hàm lượng hỗn hợp các VOCs - chất hữu cơ độc hại bay lên trong không khí) HSU Hartridge Smoke Unit 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 - PM-cat Bộ lọc phát thải hạt (dạng lọc bề mặt) - SCR Selective Catalyst Reduction (bộ xúc tác khử NOx) - CRT Continuous Regeneration Trap (bộ lọc tái sinh liên tục) - Sintered Metal Filter (bộ lọc phát thải hạt có trang bị sợi SMF - đốt) LNT Lean NOx Trap (bộ xúc tác hấp thụ NOx) - Soot Bồ hóng -  Hệ số dư lượng không khí - HAP Hyđrô cácbon thơm mạch vòng - SV Space Velocity (tốc độ không gian) m/s SCRT Hệ thống xử lý khí thải tổng hợp gồm CRT và SCR - vii AVL-Boost Phần mềm mô phỏng một chiều của hãng AVL (Áo) - AVL-MCC Mô hình cháy của hãng AVL MP Mô phỏng - TN Thực nghiệm - NCS Nghiên cứu sinh - CPSI Mật độ lỗ 2 cell/inch Chu trình thử châu Âu ở chế độ tĩnh đối với động cơ xe ECE R49 - tải hạng nặng và xe khách PWM Độ rộng xung vuông (Pulse Width Modulation) - ECU Bộ điều khiển phun dung dịch muối urê - FTIR Thiết bị phân tích khí thải - PID Bộ điều khiển vòng lặp kín - USB Cổng giao tiếp máy tính - COM Cổng giao giao tiếp máy tính dạng nối tiếp - Smoke Độ khói - viii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. Mức điểm của chỉ số AQI. Giới hạn các thông số cơ bản trong không khí xung quanh.

Thống kê số vị trí quan trắc môi trường có nồng độ ô nhiễm vượt QCVN trên địa bàn TP. Số liệu quan trắc giao thông trên địa bàn thành phố Hà Nội năm 2017 và 6 3 tháng đầu năm 2018 (µg/m ) [3]. Ước tính phát thải của một số nguồn ô nhiễm chính ở Hà Nội [5]. Tiêu chuẩn và phương pháp thử đối với ô tô đang lưu hành tại một số nước ở khu vực Châu Á.

Các biện pháp giảm phát thải trên động cơ diesel. Các hệ số của phương trình trao đổi nhiệt tại cửa nạp và thải. Chuỗi phản ứng hình thành NOx. Các thông số kết cấu của động cơ D4BB.

Thông số mô phỏng bộ xúc tác ôxy hóa DOC cho động cơ diesel D4BB. Thông số mô phỏng bộ lọc DPF cho động cơ diesel D4BB. Thông số mô phỏng bộ xúc tác SCR cho động cơ diesel D4BB. Thông số kết cấu cơ bản của các bộ xử lý khí thải.

So sánh kết quả mô phỏng sự thay đổi các thành phần phát thải. Chu kỳ và các dải lượng phun urê. Kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm khi áp dụng các giải pháp giảm phát thải tại chế độ 2200 vg/ph, 100% tải. 114 ix DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.

Biểu đồ so sánh chỉ số PM 2.5 của thành phố Hà Nội. Hình ảnh ô nhiễm môi trường trên địa bàn thành phố Hà Nội. Số liệu ô tô sử dụng động cơ xăng từ năm 2013 đến 2017. Số liệu ô tô sử dụng động cơ diesel từ năm 2013 đến 2017.

Tiêu chuẩn khí thải đối với các xe ôtô hạng nhẹ của EU và các nước Châu Á [6]. Các giải pháp giảm phát thải PM và NOx nh m hướng tới các tiêu chuẩn Châu Âu [7]. Sơ đồ hệ thống luân hồi khí thải EGR. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống SCR [9].

Hiệu quả giảm phát thải độc hại trên động cơ diesel của bộ xúc tác ôxy hóa DOC [20]. Cấu tạo bộ xúc tác ôxy hóa DOC. Lọc khối và lọc bề mặt. Ảnh hưởng của luân hồi khí thải đến lượng phát thải NOx [8].

Phát thải HC và lưu lượng tích lũy phát thải hạt tăng theo t lệ luân hồi ( EGR). T lệ cắt giảm NOx theo các chu trình thử khác nhau (giá trị ghi trên các cột là mức phát thải theo g/km trước và sau khi sử dụng hệ thống giảm phát thải) .