Tổng quan luận án
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Hoạt động của các phương tiện giao thông cơ giới đường bộ là một trong những nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường không khí tại các đô thị lớn ở Việt Nam như Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh, chiếm tỷ lệ khoảng 70% tổng lượng phát thải đô thị. Khí thải từ động cơ diesel là nguồn phát tán chủ yếu các thành phần ô nhiễm độc hại gồm hạt bụi mịn (PM), các oxit nitơ (NOx) và oxit lưu huỳnh (SOx). Theo số liệu quan trắc của Tổng cục Môi trường và Sở Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, chỉ số chất lượng không khí (AQI) thường xuyên dao động ở mức kém (122 đến 178), nồng độ bụi PM10 và bụi mịn PM2.5 vượt quy chuẩn QCVN 05:2013/BTNMT, và hàm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu diesel lưu hành còn ở mức 0,05% S.
Quyết định số 16/2019/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ quy định lộ trình áp dụng tiêu chuẩn khí thải đối với xe ô tô tham gia giao thông và xe ô tô đã qua sử dụng nhập khẩu theo hướng siết chặt kiểm soát phát thải đối với các phương tiện đang lưu hành. Trong nhóm xe chạy diesel, xe tải nhẹ (tải trọng từ 1 đến 3 tấn) chiếm số lượng lớn và tăng trưởng nhanh do tính cơ động trong mạng lưới giao thông đường hẹp tại đô thị. Phần lớn các xe tải nhẹ đang lưu hành tại Việt Nam sử dụng động cơ thế hệ cũ, chất lượng kỹ thuật thấp, chưa được trang bị bộ xử lý khí thải hoặc hệ thống xúc tác nguyên bản đã xuống cấp.
Các giải pháp giảm phát thải can thiệp vào kết cấu cơ khí bên trong động cơ đòi hỏi chi phí lớn và không có tính khả thi đối với xe đang lưu hành. Ngược lại, giải pháp xử lý khí thải sau động cơ (Aftertreatment) bằng các bộ xúc tác và lọc hạt mang lại hiệu quả cao nhưng chưa được nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và thử nghiệm tích hợp đồng bộ cho nhóm xe tải nhẹ đang lưu hành tại Việt Nam.
Mục tiêu nghiên cứu
Luận án xác định 3 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:
- Đưa ra giải pháp công nghệ khả thi giảm đáng kể thành phần độc hại CO, HC, NOx và PM của động cơ.
- Mô phỏng, thiết kế các bộ xúc tác nhằm giảm phát thải CO, HC, NOx, PM cho động cơ.
- Chế tạo và đánh giá hiệu quả khi trang bị các bộ xúc tác giảm phát thải cho động cơ.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Động cơ diesel Hyundai D4BB (loại 4 kỳ, 4 xy lanh thẳng hàng) trang bị trên các dòng xe tải nhẹ đang lưu hành tại Việt Nam. Nhiên liệu sử dụng trong nghiên cứu là dầu diesel thương mại truyền thống (hàm lượng lưu huỳnh 0,05% S).
- Phạm vi nghiên cứu:
- Nghiên cứu mô phỏng chu trình nhiệt động và động học phản ứng phát thải trên phần mềm chuyên dụng.
- Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện trên băng thử động lực học trong phòng thí nghiệm (Bộ môn Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội) ở các chế độ đặc tính ngoài và đặc tính tải tĩnh để thu thập thông số đầu vào cho mô hình và kiểm chứng hiệu quả kinh tế - kỹ thuật, chất lượng phát thải trước và sau khi lắp hệ thống xử lý khí thải.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Các hướng nghiên cứu trước được điểm lại
-
Nghiên cứu về hiện trạng ô nhiễm và phát thải giao thông:
- TS. Nghiêm Trung Dũng (2003) nghiên cứu mức độ phát thải và lan truyền của các hydrocarbon thơm đa vòng (PAH) tại Hà Nội, chỉ ra nồng độ PAH tại Thượng Đình (168,88 ng/m³), Bách Khoa (144,93 ng/m³) và Chương Dương (295,63 ng/m³).
- Nhóm nghiên cứu Kishida H. và cộng sự (2008) xác định nồng độ cực đại của hydrocarbon thơm đa vòng tại chân cầu Long Biên (Hà Nội) trong mẫu bụi là 290 ng/m³ và mẫu khí là 1300 ng/m³.
- Báo cáo tại Hội thảo Chất lượng không khí châu Á lần thứ 5 tại Bangkok (2008) ước tính lượng phát thải NOx do phương tiện giao thông tại Hà Nội là 24.373 tấn/năm (chiếm 89,6% tổng phát thải NOx toàn thành phố).
- GS. Bùi Văn Ga, PGS. Văn Thị Bông, GS. Phạm Xuân Mai, GS. Trần Văn Nam, PGS. Trần Thanh Hải Tùng (1997) công bố chuyên khảo về ô tô và ô nhiễm môi trường.
- TS. Vũ Ngọc Khiêm (2015) đánh giá hiện trạng kỹ thuật của xe tải lắp động cơ diesel đang lưu hành ở Việt Nam.
-
Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay thế và can thiệp quá trình cháy:
- Vũ Thị Thu Hà và cộng sự (2009) thực hiện đề tài cấp nhà nước về công nghệ sản xuất và thử nghiệm nhiên liệu sinh học biodiesel từ mỡ cá.
- Lê Anh Tuấn, Iman K. Reksowardojo, Kanit Wattanavichien (2010) nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học trên động cơ đốt trong.
- Nguyễn Thế Lương, Phạm Hữu Tuyến, Vũ Khắc Thiên, Lương Đức Nghĩa (2013) và Nguyễn Thành Bắc, Phạm Minh Tuấn, Trần Anh Trung (2015, 2016) nghiên cứu thực nghiệm và mô hình hóa quá trình cháy của động cơ diesel sử dụng hỗn hợp lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol.
- Hoàng Đình Long (2010) nghiên cứu tận dụng nhiệt khí thải tạo khí giàu hydro nhằm giảm phát thải cho động cơ diesel.
-
Nghiên cứu giải pháp luân hồi khí thải (EGR) và hệ thống xử lý sau:
- Đinh Xuân Thành, Phạm Minh Hiếu, Khương Thị Hà, Lê Anh Tuấn, Phạm Văn Thể (2009) và Đinh Xuân Thành, Khổng Vũ Quảng, Lê Anh Tuấn (2011) mô phỏng và thử nghiệm luân hồi khí thải EGR kết hợp kết cấu ống venturi trên động cơ diesel tăng áp D1146TI lắp trên xe buýt nhằm giảm phát thải NOx.
- Phạm Hữu Tuyến, Nguyễn Thế Lương, Lê Anh Tuấn, Đỗ Thanh Hải (2013) tính toán lượng urê cung cấp cho bộ xúc tác khử NOx có chọn lọc (SCR) lắp trên động cơ xe buýt.
- TS. Đỗ Thanh Hải (2016) nghiên cứu công nghệ chế tạo bộ xử lý khí thải từ động cơ diesel bằng xúc tác nano (Đề tài mã số 10575, Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia).
- Các nghiên cứu quốc tế nền tảng: Ferguson và Kirkpatrick (2001) về nhiệt động học động cơ đốt trong; Pattas và Häfner (1973) về cơ chế hình thành NOx; Isabella Nova và Enrico Tronconi (2014) về công nghệ Urea-SCR xử lý phát thải NOx động cơ diesel.
Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết
Các công trình trong nước trước đây chủ yếu tập trung vào giải pháp luân hồi khí thải (EGR), sử dụng nhiên liệu thay thế, hoặc khảo sát đơn lẻ một bộ xúc tác SCR/bộ lọc hạt cho động cơ xe buýt. Chưa có công trình nào nghiên cứu tích hợp trọn bộ giải pháp xử lý sau kết hợp 3 thành phần: bộ xúc tác oxy hóa DOC (Diesel Oxidation Catalyst), bộ lọc hạt DPF (Diesel Particulate Filter) và bộ xúc tác khử chọn lọc SCR (Selective Catalytic Reduction) có hệ thống điều khiển phun urê theo thuật toán PWM, áp dụng đặc thù cho động cơ diesel xe tải nhẹ đang lưu hành tại Việt Nam.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết và mô hình tính toán
- Công cụ mô phỏng 1D: Luận án sử dụng phần mềm AVL-Boost (phiên bản v2013.0 của AVL List GmbH, Áo) để mô phỏng chu trình nhiệt động học và động học khí thải.
- Mô hình cháy: Sử dụng mô hình cháy AVL-MCC (AVL Mixing Controlled Combustion) mô tả quá trình hình thành hòa khí và tỏa nhiệt trong buồng cháy động cơ diesel phun trực tiếp.
- Mô hình động học phát thải:
- Mô phỏng hình thành NOx dựa trên chuỗi phản ứng nhiệt Zeldovich mở rộng (theo Pattas và Häfner).
- Mô phỏng phát thải CO dựa trên cân bằng hóa học và động học phản ứng oxy hóa không hoàn toàn.
- Mô phỏng phát thải bồ hóng (soot) dựa trên mô hình cân bằng giữa tốc độ tạo mầm và tốc độ oxy hóa bề mặt hạt.
- Mô hình hóa các bộ xúc tác và lọc khí thải:
- Bộ DOC: Mô hình hóa phản ứng oxy hóa xúc tác chuyển hóa CO thành $\text{CO}_2$ và HC thành $\text{CO}_2$, $\text{H}_2\text{O}$ trên bề mặt kim loại quý dạng tổ ong (monolith).
- Bộ DPF: Mô hình hóa cấu trúc dòng chảy qua thành xốp (wall-flow monolith), tính toán tổn thất áp suất (chênh áp đường thải), hiệu suất giữ hạt soot và phản ứng tái sinh lọc liên tục.
- Bộ SCR: Mô hình hóa quá trình bay hơi, nhiệt phân và thủy phân dung dịch urê tạo $\text{NH}_3$, kết hợp với các phản ứng khử chọn lọc tiêu chuẩn, phản ứng nhanh và phản ứng chậm giữa $\text{NO}/\text{NO}_2$ với $\text{NH}_3$ trên bề mặt xúc tác.
Phương pháp và hệ thống thực nghiệm
Nghiên cứu kết hợp giữa mô phỏng số 1D và thử nghiệm thực nghiệm trên băng thử chuyên dụng. Hệ thống thiết bị thí nghiệm bao gồm:
| Tên thiết bị / Hệ thống |
Thông số kỹ thuật chính |
Chức năng trong nghiên cứu |
| Động cơ Hyundai D4BB |
Động cơ diesel 4 kỳ, 4 xy lanh thẳng hàng, dung tích công tác 2,6 lít |
Đối tượng khảo sát và lắp đặt hệ thống xúc tác |
| Phanh thử điện Alpha 160 |
Công suất max: 160 kW; Mô-men xoắn max: 400 Nm; Tốc độ max: 10.000 vg/ph; Mô-men quán tính: $0,237\text{ kg}\cdot\text{m}^2$; Khối lượng: 500 kg |
Đo công suất, mô-men xoắn và tạo tải cưỡng bức cho động cơ |
| Hệ thống làm mát AVL-553S-200 |
Năng suất làm mát: 200 kW; Dải công suất động cơ: 70 - 250 kW; Lưu lượng: $12\text{ m}^3/\text{h}$ |
Ổn định nhiệt độ nước làm mát động cơ trong khoảng 20 - 85 °C |
| Thiết bị đo nhiên liệu AVL PLU 160 |
Dải đo: 1 - 160 lít/h; Hệ số hiệu chỉnh: 44; Sai số phép đo: 2%; Độ tin cậy: 95% |
Đo suất tiêu thụ nhiên liệu theo chu trình thử |
| Bộ kéo ga tự động THA-100 |
Hành trình: 110 mm; Lực kéo max: 120 N; Tốc độ kéo max: 0,5 m/s; Độ lặp lại: 0,05 mm |
Điều khiển vị trí bướm ga/thanh răng bơm cao áp tự động |
| Thiết bị phân tích khí thải FTIR |
Công nghệ biến đổi Fourier hồng ngoại, đo đồng thời 25 loại khí, tần số lấy mẫu 5 Hz, thời gian đáp ứng $T_{10}-T_{90} = 1\text{ s}$, làm lạnh bằng $\text{N}_2$ lỏng |
Đo nồng độ các thành phần khí thải: $\text{CO}$, $\text{CO}_2$, $\text{NO}$, $\text{NO}_2$, $\text{N}_2\text{O}$, $\text{NH}_3$, $\text{HC}$, $\text{CH}_4$, $\text{SO}_2$, $\text{HNCO}$, $\text{HCN}$ |
| Thiết bị đo độ khói AVL 415S |
Đo độ khói giấy lọc theo chỉ số FSN (Filter Smoke Number) |
Đo lượng phát thải hạt/bồ hóng trong khí xả |
| Hệ thống điều khiển phun urê |
Bơm urê dạng con lăn, vòi phun urê, ECU vi điều khiển điều chế độ rộng xung PWM, giao tiếp máy tính qua cổng COM/USB |
Cung cấp và định lượng chính xác dung dịch urê vào ống thủy phân trước bộ SCR |
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan
Chương 1 hệ thống hóa cơ sở dữ liệu về hiện trạng ô nhiễm không khí đô thị tại Việt Nam, đặc biệt là nồng độ bụi PM10, PM2.5, NOx và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi. Đánh giá sự gia tăng phương tiện giao thông vận tải, phân tích các quy định tại Quyết định 16/2019/QĐ-TTg và lộ trình áp dụng tiêu chuẩn khí thải Euro. Tổng quan các giải pháp kỹ thuật giảm phát thải động cơ diesel trên thế giới và tại Việt Nam: các giải pháp xử lý trong buồng cháy (tối ưu hóa quá trình phun, luân hồi khí thải EGR) và các giải pháp xử lý khí thải sau động cơ gồm bộ xúc tác oxy hóa DOC, bẫy lọc hạt DPF, bộ bẫy NOx (LNT) và bộ khử chọn lọc SCR. Từ đó, xác lập tính cấp thiết của việc nghiên cứu cụm tích hợp DOC - DPF - SCR cho dòng xe tải nhẹ đang lưu hành.
Chương 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
Chương 2 trình bày bản chất hóa học và nhiệt động học của quá trình hình thành các thành phần ô nhiễm:
- Hydrocarbon (HC) và CO: Hình thành do hòa khí không đồng nhất, hiện tượng dập tắt ngọn lửa tại thành vách xy lanh và thiếu oxy cục bộ.
- Phát thải hạt (PM/Soot): Quá trình nhiệt phân nhiên liệu trong điều kiện thiếu oxy ở nhiệt độ cao (1000 - 2800 K) tạo thành các nhân carbon, sau đó ngưng tụ và hấp phụ các hợp chất hữu cơ hòa tan (SOF) và sunfat.
- Oxit nitơ (NOx): Quá trình oxy hóa nitơ không khí ở vùng nhiệt độ cao (trên 1800 K) theo chuỗi phản ứng Zeldovich mở rộng.
Chương này cũng thiết lập hệ thống phương trình vi phân bảo toàn khối lượng, năng lượng, phương trình truyền nhiệt, phương trình nạp thải và động học phản ứng hóa học trong phần mềm AVL-Boost để mô phỏng động cơ D4BB và các bộ xử lý xúc tác DOC, DPF, SCR.
Chương 3: Mô phỏng, thiết kế và chế tạo bộ xúc tác DOC, DPF và SCR trên động cơ diesel xe tải nhẹ
Nội dung chương 3 bao gồm các bước:
- Xây dựng và hiệu chỉnh mô hình mô phỏng động cơ D4BB: Khai báo các thông số kết cấu (đường kính xy lanh, hành trình piston, tỷ số nén, góc phối khí, đặc tính phun) trên AVL-Boost; hiệu chỉnh mô hình để đạt độ sai lệch dưới 5% so với dữ liệu thực nghiệm của động cơ nguyên bản.
- Mô phỏng tối ưu hóa hệ thống DOC - DPF - SCR: Khảo sát ảnh hưởng của kích thước hình học, chiều dài lõi xúc tác, đường kính vỏ và mật độ lỗ (300, 400, 500 CPSI) đến hiệu suất chuyển hóa khí độc và tổn thất áp suất ngược trên đường thải.
- Thiết kế và chế tạo cụm vỏ bọc và lõi xúc tác: Thiết kế vỏ bọc kim loại chứa lõi monolith, ống côn dẫn dòng, bích nối tiêu chuẩn, vị trí lắp đặt cảm biến nhiệt độ và cảm biến đo nồng độ khí.
- Thiết kế và chế tạo hệ thống phun dung dịch urê: Tính toán đường kính và góc phun của vòi phun urê; thiết kế ống hòa trộn và thủy phân urê nối trước bộ SCR; chế tạo mạch điều khiển điện tử ECU điều khiển bơm con lăn và định lượng phun urê theo thuật toán điều chế độ rộng xung PWM dựa trên tín hiệu nồng độ NOx và nhiệt độ khí thải.
Chương 4: Nghiên cứu thử nghiệm bộ xúc tác DOC, DPF và SCR dùng cho động cơ diesel xe tải nhẹ D4BB
Chương 4 tiến hành lắp đặt hệ thống DOC - DPF - SCR hoàn chỉnh lên động cơ D4BB trên băng thử động lực học, thực hiện chuỗi đo đạc thực nghiệm:
- Đo kiểm đặc tính lưu lượng vòi phun urê theo độ rộng xung PWM và áp suất cấp.
- Đo nhiệt độ khí thải tại các vị trí trước bộ DOC ($T_{Be_DOC}$) và trước bộ SCR ($T_{Be_SCR}$) ở các dải tải và tốc độ khác nhau.
- Đánh giá sự suy giảm tính năng kinh tế - kỹ thuật (công suất $N_e$, mô-men xoắn $M_e$, suất tiêu thụ nhiên liệu $g_e$) do tổn thất áp suất dòng khí thải khi đi qua hệ thống xúc tác.
- Đo đạc nồng độ phát thải CO, HC, NOx bằng thiết bị FTIR và độ khói bằng thiết bị Smoke Meter AVL 415S theo hai chế độ: đường đặc tính ngoài (toàn tải, từ 1000 đến 2200 vg/ph) và đường đặc tính tải (tại 1500 vg/ph và 2200 vg/ph).
Bảng số liệu thực nghiệm: Tính năng kinh tế - kỹ thuật theo đường đặc tính ngoài
(So sánh giữa động cơ nguyên bản [NB] và động cơ sau khi lắp hệ thống xử lý khí thải [XLKT])
Tốc độ ($n$)
[vg/ph] |
$N_e$ (NB)
[kW] |
$N_e$ (XLKT)
[kW] |
Thay đổi
[%] |
$M_e$ (NB)
[Nm] |
$M_e$ (XLKT)
[Nm] |
Thay đổi
[%] |
$g_e$ (NB)
[g/kWh] |
$g_e$ (XLKT)
[g/kWh] |
Thay đổi
[%] |
| 1000 |
14,69 |
13,97 |
-4,90 |
140,14 |
133,18 |
-4,97 |
287,27 |
301,48 |
+4,95 |
| 1250 |
18,43 |
17,55 |
-4,77 |
140,60 |
134,25 |
-4,52 |
285,40 |
299,33 |
+4,88 |
| 1500 |
22,62 |
21,57 |
-4,64 |
143,52 |
137,03 |
-4,52 |
278,96 |
291,17 |
+4,38 |
| 1750 |
27,40 |
26,14 |
-4,60 |
149,03 |
141,76 |
-4,88 |
268,61 |
280,60 |
+4,46 |
| 2000 |
32,20 |
31,07 |
-3,51 |
153,58 |
146,22 |
-4,79 |
263,04 |
274,42 |
+4,33 |
| 2200 |
36,37 |
34,70 |
-4,59 |
157,95 |
151,63 |
-4,00 |
255,09 |
266,34 |
+4,41 |
| Trung bình |
- |
- |
-4,50 |
- |
- |
-4,61 |
- |
- |
+4,57 |
Bảng số liệu thực nghiệm: Phát thải khí độc và độ khói theo đường đặc tính ngoài
Tốc độ ($n$)
[vg/ph] |
CO (NB)
[ppm] |
CO (XLKT)
[ppm] |
Giảm CO
[%] |
HC (NB)
[ppm] |
HC (XLKT)
[ppm] |
Giảm HC
[%] |
NOx (NB)
[ppm] |
NOx (XLKT)
[ppm] |
Giảm NOx
[%] |
Smoke (NB)
[FSN] |
Smoke (XLKT)
[FSN] |
Giảm Smoke
[%] |
| 1000 |
3663,68 |
884,18 |
-75,87 |
194,03 |
43,05 |
-77,81 |
1195,42 |
174,20 |
-85,43 |
6,64 |
1,58 |
-76,20 |
| 1250 |
2661,21 |
622,25 |
-76,62 |
146,74 |
32,08 |
-78,14 |
1186,04 |
209,19 |
-82,36 |
4,78 |
1,03 |
-78,45 |
| 1500 |
2180,31 |
493,48 |
-77,37 |
126,50 |
23,72 |
-81,25 |
1156,41 |
221,48 |
-80,85 |
4,05 |
0,77 |
-80,99 |
| 1750 |
1691,86 |
370,06 |
-78,13 |
112,89 |
20,01 |
-82,27 |
1198,85 |
230,11 |
-80,81 |
3,65 |
0,56 |
-84,66 |
| 2000 |
1320,88 |
262,81 |
-80,10 |
107,32 |
17,41 |
-83,78 |
1230,22 |
238,78 |
-80,59 |
2,88 |
0,43 |
-85,07 |
| 2200 |
1155,13 |
189,37 |
-83,61 |
99,56 |
13,78 |
-86,16 |
1352,35 |
244,37 |
-81,93 |
2,33 |
0,22 |
-90,56 |
| Trung bình |
- |
- |
-78,61 |
- |
- |
-81,57 |
- |
- |
-81,99 |
- |
- |
-82,65 |
Bảng số liệu thực nghiệm: Hiệu quả giảm phát thải theo đặc tính tải tại 1500 vg/ph và 2200 vg/ph
Tốc độ
[vg/ph] |
Mô-men ($M_e$)
[Nm] |
Giảm phát thải CO
[%] |
Giảm phát thải HC
[%] |
Giảm phát thải NOx
[%] |
Giảm độ khói Smoke
[%] |
| 1500 |
14,35 |
-50,16 |
-51,64 |
-29,51 |
-83,33 |
|
35,88 |
-57,72 |
-59,73 |
-53,75 |
-55,56 |
|
71,76 |
-67,66 |
-70,46 |
-71,22 |
-70,67 |
|
107,64 |
-70,73 |
-75,81 |
-77,59 |
-72,22 |
|
143,52 |
-77,37 |
-81,44 |
-80,85 |
-80,99 |
| Trung bình (1500) |
- |
-64,73 |
-67,82 |
-62,58 |
-72,55 |
| 2200 |
15,80 |
-52,37 |
-53,64 |
-36,36 |
-75,00 |
|
39,49 |
-61,27 |
-62,75 |
-57,54 |
-70,59 |
|
78,98 |
-68,06 |
-71,22 |
-72,69 |
-65,91 |
|
118,46 |
-72,97 |
-78,93 |
-79,12 |
-83,33 |
|
157,95 |
-83,61 |
-86,57 |
-81,93 |
-90,56 |
| Trung bình (2200) |
- |
-67,65 |
-70,62 |
-65,53 |
-77,08 |
Bảng số liệu thực nghiệm: Nhiệt độ khí thải trước các bộ xúc tác theo đặc tính tải
Chế độ tải
($M_e$ [Nm]) |
Tốc độ 1500 vg/ph: $T_{Be_DOC}$ [°C] |
Tốc độ 1500 vg/ph: $T_{Be_SCR}$ [°C] |
Tốc độ 2200 vg/ph: $T_{Be_DOC}$ [°C] |
Tốc độ 2200 vg/ph: $T_{Be_SCR}$ [°C] |
| Tải 1 (10%) |
216 |
219 |
220 |
224 |
| Tải 2 (25%) |
289 |
294 |
281 |
281 |
| Tải 3 (50%) |
375 |
362 |
377 |
377 |
| Tải 4 (75%) |
431 |
371 |
446 |
415 |
| Tải 5 (100%) |
528 |
484 |
512 |
460 |
Kết quả và những đóng góp mới
Đóng góp mới về lý luận và khoa học
- Xây dựng thành công mô hình toán học và mô hình mô phỏng 1D tích hợp chuỗi xử lý khí thải liên hoàn DOC - DPF - SCR trên phần mềm AVL-Boost cho động cơ diesel xe tải nhẹ, phản ánh chính xác tương quan giữa nhiệt độ dòng khí thải, áp suất ngược và động học các phản ứng chuyển hóa.
- Làm rõ cơ chế và mức độ ảnh hưởng của áp suất cản đường thải khi lắp đặt đồng thời 3 cụm xử lý xúc tác đến các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của động cơ D4BB (công suất giảm trung bình 4,50%, mô-men xoắn giảm 4,61%, suất tiêu thụ nhiên liệu tăng 4,57%).
Đóng góp mới về thực tiễn và giải pháp kỹ thuật
- Thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh kết cấu cơ khí của cụm vỏ bọc, ống chuyển tiếp, bích nối và ống hòa trộn thủy phân urê đáp ứng yêu cầu lắp đặt cho xe tải nhẹ.
- Thiết kế và chế tạo thành công bộ điều khiển phun dung dịch urê (ECU) sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM, kiểm soát chính xác lượng urê phun vào đường thải theo nồng độ NOx đo tức thời và nhiệt độ khí xả.
- Chứng minh tính hiệu quả qua thực nghiệm trên băng thử:
- Ở chế độ đặc tính ngoài, hệ thống giúp cắt giảm trung bình 78,61% phát thải CO, 81,57% phát thải HC, 81,99% phát thải NOx và 82,65% độ khói (Smoke).
- Ở chế độ đặc tính tải, hiệu suất xử lý khí độc tăng dần theo mức tải (ở 100% tải tại 2200 vg/ph, CO giảm 83,61%, HC giảm 86,57%, NOx giảm 81,93% và độ khói giảm 90,56%).
- Cung cấp giải pháp kỹ thuật có tính khả thi cao để cải tạo, xử lý khí thải cho các phương tiện ô tô tải nhẹ đang lưu hành nhằm đáp ứng yêu cầu kiểm soát khí thải theo quy định hiện hành.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của luận án
- Các thử nghiệm thực nghiệm mới chỉ thực hiện trên băng thử tĩnh trong điều kiện phòng thí nghiệm ở các chế độ làm việc ổn định, chưa đánh giá trên chu trình thử động mô phỏng đầy đủ điều kiện giao thông đô thị thực tế (chu trình RDE hoặc các chu trình chuyển tiếp transient cycles).
- Đối tượng thử nghiệm giới hạn trên một loại động cơ diesel D4BB và sử dụng nhiên liệu diesel truyền thống có hàm lượng lưu huỳnh 0,05% S.
- Chưa khảo sát độ bền lâu dài, hiện tượng lão hóa xúc tác và sự tắc nghẽn bồ hóng của bộ lọc DPF qua thời gian làm việc kéo dài hàng nghìn giờ.
Hướng phát triển tiếp theo
- Thử nghiệm lắp đặt toàn bộ hệ thống DOC - DPF - SCR và hệ thống phun urê lên phương tiện xe tải nhẹ hoàn chỉnh để đánh giá phát thải và tính năng vận hành thực tế trên đường giao thông đô thị.
- Tối ưu hóa kích thước không gian và trọng lượng của cụm vỏ xúc tác để phù hợp hơn với không gian gầm xe của nhiều dòng xe tải nhẹ khác nhau.
- Phát triển thuật toán điều khiển phun urê thích nghi (adaptive control) theo các trạng thái tăng tốc, giảm tốc và chuyển tải nhanh của phương tiện.
Giá trị tham khảo
Đối tượng thụ hưởng
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Ô tô, Động cơ đốt trong và Kỹ thuật Môi trường.
- Giảng viên và nhà nghiên cứu chuyên sâu về mô phỏng chu trình nhiệt động động cơ, động học khí thải và công nghệ sau xử lý khí xả (aftertreatment).
- Các cơ quan quản lý nhà nước, cơ quan đăng kiểm trong việc xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật, định mức phát thải và lộ trình áp dụng quy chuẩn kiểm định khí thải xe cơ giới đang lưu hành.
- Các doanh nghiệp sản xuất, lắp ráp, cải tạo ô tô tìm kiếm giải pháp kỹ thuật nâng cấp tiêu chuẩn phát thải cho các dòng xe thương mại.
Nội dung có giá trị tham khảo cao
- Quy trình tích hợp và thiết lập thông số mô hình cháy AVL-MCC, mô hình DOC, DPF, SCR trên phần mềm AVL-Boost.
- Hồ sơ thiết kế kết cấu cơ khí vỏ bọc xúc tác, ống hòa trộn thủy phân urê và mạch phần cứng điều khiển phun urê theo xung PWM.
- Hệ thống số liệu thực nghiệm chi tiết về nhiệt độ khí thải, chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật ($N_e$, $M_e$, $g_e$) và nồng độ 25 chất trong khí thải đo bằng thiết bị quang phổ FTIR và độ khói FSN.
Câu hỏi thường gặp
1. Đối tượng và loại động cơ được sử dụng để nghiên cứu trong luận án là gì?
Luận án nghiên cứu trên động cơ diesel Hyundai D4BB, loại 4 kỳ, 4 xy lanh thẳng hàng, làm mát bằng nước, dung tích công tác 2,6 lít, sử dụng nhiên liệu diesel truyền thống có hàm lượng lưu huỳnh 0,05% S. Động cơ này là dòng động cơ phổ biến được trang bị trên nhiều mẫu xe tải nhẹ có tải trọng từ 1 đến 3 tấn đang lưu hành tại Việt Nam.
2. Cụm hệ thống xử lý khí thải sau động cơ được thiết kế gồm những bộ phận nào?
Hệ thống xử lý khí thải gồm 3 cụm chính bố trí nối tiếp trên đường ống xả:
- Bộ xúc tác oxy hóa DOC (Diesel Oxidation Catalyst): Oxy hóa các chất khử CO, HC và phần hữu cơ hòa tan (SOF) thành $\text{CO}_2$ và $\text{H}_2\text{O}$.
- Bộ lọc hạt DPF (Diesel Particulate Filter): Dạng gốm xốp cấu trúc dòng chảy qua thành (wall-flow monolith) giữ lại các hạt bồ hóng (soot/PM).
- Bộ xúc tác khử chọn lọc SCR (Selective Catalytic Reduction): Kết hợp cụm vòi phun và ống hòa trộn thủy phân dung dịch urê tạo $\text{NH}_3$, thực hiện phản ứng khử chọn lọc NOx thành $\text{N}_2$ và $\text{H}_2\text{O}$.
3. Việc lắp đặt hệ thống xúc tác DOC - DPF - SCR ảnh hưởng như thế nào đến công suất và mức tiêu hao nhiên liệu của động cơ?
Do tạo thêm lực cản áp suất ngược trên đường khí xả, việc lắp đặt hệ thống xúc tác làm suy giảm nhẹ tính năng kinh tế - kỹ thuật của động cơ:
- Ở chế độ đặc tính ngoài (toàn tải, dải tốc độ 1000 - 2200 vg/ph), công suất có ích ($N_e$) giảm trung bình 4,50% (ở 2200 vg/ph giảm từ 36,37 kW xuống 34,70 kW, tương ứng giảm 4,59%).
- Mô-men xoắn ($M_e$) giảm trung bình 4,61% (ở 2200 vg/ph giảm từ 157,95 Nm xuống 151,63 Nm, tương ứng giảm 4,00%).
- Suất tiêu hao nhiên liệu có ích ($g_e$) tăng trung bình 4,57% (ở 2200 vg/ph tăng từ 255,09 g/kWh lên 266,34 g/kWh, tương ứng tăng 4,41%).
4. Hiệu quả cắt giảm phát thải thực tế của hệ thống đạt được ở mức bao nhiêu?
Theo kết quả thử nghiệm trên băng thử ở chế độ đặc tính ngoài:
- Nồng độ CO giảm trung bình 78,61% (ở 2200 vg/ph giảm từ 1155,13 ppm xuống 189,37 ppm, tức giảm 83,61%).
- Nồng độ HC giảm trung bình 81,57% (ở 2200 vg/ph giảm từ 99,56 ppm xuống 13,78 ppm, tức giảm 86,16%).
- Nồng độ NOx giảm trung bình 81,99% (ở 2200 vg/ph giảm từ 1352,35 ppm xuống 244,37 ppm, tức giảm 81,93%).
- Độ khói giấy lọc (Smoke) giảm trung bình 82,65% (ở 2200 vg/ph giảm từ 2,33 FSN xuống 0,22 FSN, tức giảm 90,56%).
5. Hệ thống phun dung dịch urê cho bộ xúc tác SCR được điều khiển theo nguyên lý nào?
Hệ thống sử dụng một bơm urê kiểu con lăn tạo áp lực và vòi phun chuyên dụng đặt trên ống hòa trộn trước bộ xúc tác SCR. Bộ điều khiển điện tử (ECU) tự chế tạo sử dụng vi điều khiển phát xung điều chế độ rộng PWM (Pulse Width Modulation) để điều khiển chu kỳ mở của kim phun. Lượng dung dịch urê phun vào được định lượng chính xác dựa trên hàm nồng độ phát thải NOx tức thời và nhiệt độ khí xả đo được nhằm tối ưu hóa hiệu suất khử NOx và hạn chế hiện tượng rò rỉ khí $\text{NH}_3$ dư thừa ra môi trường.
Kết luận
Luận án đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán giảm phát thải độc hại cho động cơ diesel xe tải nhẹ đang lưu hành tại Việt Nam thông qua việc nghiên cứu mô phỏng, thiết kế, chế tạo và thử nghiệm tích hợp hệ thống xử lý sau gồm DOC, DPF và SCR kết hợp hệ thống phun urê điều khiển PWM. Kết quả thực nghiệm trên động cơ Hyundai D4BB chứng minh hệ thống đạt hiệu suất cắt giảm phát thải vượt trội (CO giảm 78,61%, HC giảm 81,57%, NOx giảm 81,99% và độ khói giảm 82,65% ở đặc tính ngoài) trong khi mức suy giảm công suất chỉ ở mức 4,50% và mức tăng tiêu hao nhiên liệu là 4,57%. Công trình cung cấp luận cứ khoa học tin cậy và giải pháp công nghệ ứng dụng thực tế để nâng cao tiêu chuẩn môi trường cho các phương tiện vận tải cơ giới đang lưu hành.
