Chương 1. Nghiên cứu tổng quan ; Chương 2. Nghiên cứu mô phỏng động cơ diesel hiện hành sử dụng luân hồi khí thải và bổ sung hydro; Chương 3. Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và lắp đặt hệ thống EHSy cho động cơ diesel R180 Chương 4.
Nghiên cứu thực nghiệm; Kết luận chung và hướng phát triển của đề tài. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN Phát thải của động cơ diesel và phương pháp kiểm soát 1. Đặc điểm phát thải động cơ diesel Động cơ diesel có vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực của cuộc sống nhưng lại sản sinh ra rất nhiều các chất phát thải độc hại gây ảnh hưởng xấu tới sức khỏe con người và môi trường. Các chất thải ô nhiễm chính gồm NOx, HC, CO và PM.
Tùy thuộc vào loại nhiên liệu sử dụng, đặc điểm kết cấu và tình trạng kỹ thuật của động cơ mà nồng độ các thành phần phát thải của các động cơ khác nhau. NOx được sinh ra trong buồng cháy trong quá trình cháy do phản ứng hóa học giữa nguyên tử ô-xy và ni-tơ của không khí. Các phản ứng tạo thành NOx phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. Bởi vậy lượng NOx thải ra từ động cơ thường tăng theo tải của động cơ.
Ở chế độ khởi động lạnh và chạy ấm máy, lượng NOx thải ra tương đối thấp, nhưng ở chế độ tải càng lớn thì lượng phát thải NOx càng lớn do nhiệt độ của quá trình cháy cũng như nhiệt độ của động cơ tăng cao. PM bao gồm các nhân các-bon (bồ hóng) và các hợp chất hữu cơ bám dính trên nó. Hầu hết phát thải hạt là kết quả của quá trình cháy không hoàn toàn HC của nhiên liệu và một phần là do dầu bôi trơn. Thành phần của PM phụ thuộc vào tình trạng của khí thải và hệ thống đường ống thải của động cơ.
Ở nhiệt độ trên 500oC, các hạt riêng biệt là một chuỗi những hạt các-bon hình cầu hoặc tương tự hình cầu (kết hợp với một lượng nhỏ HC) với đường kính của các hạt tương tự hình cầu khoảng 15 đến 30 nm. Khi nhiệt độ giảm xuống dưới 500oC, các hạt này sẽ được phủ bởi các hợp chất hữu cơ bám đọng có trọng lượng khá lớn bao gồm: hy-đrô-các-bon có chứa phân tử ô-xy (ketones, este, a-xít hữu cơ) và hy-đrô-các-bon thơm đa nhân. Các thành phần bám đọng còn có những thành phần không phải hữu cơ như SO2, NO và sun-fu-ríc H2SO4. Thành phần khí thải của động cơ diesel được trình bày trên Hình 1.
1 Các thành phần có trong khí thải của động cơ diesel [1] 1. Các công nghệ giảm phát thải độc hại cho động cơ diesel Để hạn chế phát thải độc hại do động cơ diesel gây ra, các quốc gia trên thế giới và Việt Nam luôn đưa ra các quy định về tiêu chuẩn phát thải ngày càng ngặt nghèo cho các loại phương tiện. Từ đó, các nhà nghiên cứu và chế tạo động cơ luôn phải nghiên cứu tìm giải pháp để giảm phát thải. Việc giảm phát thải độc hại của động cơ diesel có thể theo hướng ngăn chặn sự hình thành chúng trong buồng đốt (bao gồm kỹ thuật thiết kế động cơ và công nghệ nhiên liệu-bôi trơn) hoặc chuyển đổi chúng thành các chất không gây độc hại cho con người và môi trường (bao gồm các công nghệ xử lý khí thải) [2].
Ngoài ra, công nghệ 4 điều khiển dòng công suất từ động cơ đến hệ thống truyền lực đóng vai trò quan trọng trong việc giảm phát thải độc hại và cải thiện hiệu suất của động cơ và xe. Phương pháp này vẫn đang được nghiên cứu cải tiến để có thể tối ưu trong tương lai không xa [3]. Trong các loại chất phát thải độc hại của động cơ diesel thì NOx và PM là hai chất khó xử lý nhất. So với PM thì NOx là chất khó xử lý hơn, đặc biệt là với động cơ diesel có tỷ lệ A/F lớn [4].
Nhìn chung cách thức kiểm soát phát thải NOx và PM có thể được chia thành 4 kiểu như chỉ ra trên Hình 1.2, gồm: - Giảm đồng thời NOx và PM bằng xử lý trước khi đốt; - Giảm NOx bằng xử lý trước khi đốt, PM được xử lý bằng bộ xử lý khí thải; - Giảm PM bằng xử lý trước khi đốt, NOx được xử lý bằng bộ xử lý khí thải; - Giảm đồng thời cả PM và NOx bằng bộ xử lý khí thải. Các phương pháp giảm phát thải NOx và PM Xử lý đồng thời Xử lý NOx bằng Xử lý PM bằng Xử lý đồng thời NOx và PM công nghệ xử lý công nghệ xử lý NOx và PM bằng công nghệ trước khi đốt và trước khi đốt và bằng bộ XLKT xử lý trước khi xử lý PM bằng NOx bằng bộ đốt bộ XLKT XLKT - Kỹ thuật cháy Xử lý NOx Xử lý PM - DOC+DPF với nhiệt độ - Thay đổi - Cải tạo nhiên liệu: - DPF+SCR thấp: chiến lược phun sử dụng nhiên liệu - DPF+LNT + Công nghệ - EGR nguồn gốc sinh học, HCCI; - VGT nhiên liệu thay thế + Công nghệ - Sử dụng nhiên - Tối ưu buồng cháy PCCI; liệu thay thế, - Phun với áp suất - Sử dụng công phụ gia nhiên cao (>2000 bar) nghệ CRDI. - Tối ưu chiến lược Xử lý PM phun nhiên liệu - Sử dụng DPF Xử lý NOx kết hợp DOC - SCR - Sử dụng CRT - LNT Hình 1. 2 Tổng quan về các phương pháp giảm phát thải NOx và PM [5] Các công nghệ giảm phát thải nói chung cũng như giảm NOx và PM nói riêng cũng còn có ảnh hưởng tới các thành phần phát thải khác và suất tiêu hao nhiên liệu có ích.1 trình bày ảnh hưởng của một số biện pháp công nghệ giảm phát thải tới đặc điểm phát thải và suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ diesel.1 Ảnh hưởng của một số biện pháp công nghệ tới phát thải động cơ diesel [6] Có dấu hiệu Các phương pháp giảm Đặc điểm phát thải giảm (CDHG) phát thải Giảm (G) PM NOx CO HC BSFC Không thay EGR T G T T T đổi (KTD) Tăng (T) Làm mát EGR (<30%) G CDHG T T KTD Gia tăng sự xoáy lốc T G T T T Phối khí thông minh G G KTD KTD KTD Tăng số lượng xú páp G G KTD KTD KTD Tăng áp G T G G G Cải tiến động Tăng áp có làm mát khí nạp G G T T G cơ Giảm góc phun sớm T G T T T Tăng đường kính lỗ phun G G KTD KTD T Phun mồi T KTD G G KTD Tăng tỉ số nén T G KTD G G PCCI G G T T T Lọc muội than CDHG KTD KTD KTD T Lọc NOx KTD CDHG T T KTD Xử lý khí thải SCR KTD CDHG KTD KTD KTD DOC KTD KTD G G T Việc sử dụng các công nghệ kiểm soát quá trình hình thành các chất phát thải NOx và PM trong buồng đốt đã là một thách thức lớn, nhưng việc phát triển các công nghệ xử lý các chất phát thải này bằng các bộ xử lý khí thải (BXLKT) còn khó khăn hơn với chi phí chế tạo và sử dụng rất đắt đỏ.
Do đó, công nghệ xử lý triệt để NOx và PM bằng các BXLKT thường chỉ được áp dụng trên các động cơ diesel hiện đại và đắt tiền, đặc biệt là các động cơ diesel hiện đại công suất lớn. Luân hồi khí thải trong động cơ diesel 1. Giới thiệu chung Luân hồi khí thải (EGR) là phương pháp mà một phần khí thải của động cơ được quay trở lại buồng đốt mà lưu lượng có thể thay đổi được. Khí thải luân hồi sẽ thay thế một phần ô-xy trong khí nạp vào bằng chất pha loãng (CO2 và H2O) để ngăn chặn 6 sự hình thành NOx.
Như vậy, EGR là giải pháp giảm mức phát thải NOx ngay tại nguồn phát sinh [7]. Luân hồi khí thải không phải là giải pháp công nghệ mới. Tác dụng làm giảm NOx của EGR được báo cáo từ rất sớm (Berger 1940) [8]. Tuy nhiên, việc tạo ra một hệ thống EGR trên động cơ trên thực tế mãi đến cuối những năm 1950 mới được thực hiện (Kopa 1960) [8].
Ban đầu hệ thống EGR chỉ đơn giản là dạng ống nối trực tiếp từ đường thải sang đường nạp. Hệ thống sẽ đưa khí EGR trở lại đường nạp ở tất cả các chế độ làm việc của động cơ. Với thiết kế này một vấn đề gặp phải đối với hệ thống là ở chế độ khởi động, động cơ rất khó khởi động và tăng lượng tiêu thụ nhiên liệu. Các thí nghiệm đầu tiên về hệ thống EGR được thực hiện vào những năm 1960.
Sự phát triển của hệ thống EGR được đánh dấu từ năm 1973 khi Chrysler cho ra hệ thống EGR có làm mát khí luân hồi và van EGR điều khiển On/Off được điều khiển dựa trên độ chân không trên đường nạp. Một cảm biến nhiệt độ nước làm mát được sử dụng nhằm kích hoạt hệ thống điều khiển của van EGR khi nhiệt độ động cơ ở trạng thái làm việc ổn định. Từ những năm 1972 đến cuối những năm 1980, EGR thường được sử dụng trong việc kiểm soát phát thải NOx trong động cơ sử dụng nhiên liệu xăng trên xe tải hạng nhẹ và xe khách tại Mỹ. Việc nghiên cứu ứng dụng hệ thống EGR cho động cơ diesel mãi đến đầu những năm 1990 mới được ứng dụng và phát triển.
Đến đầu những năm 2000 do yêu cầu cần đáp ứng những tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt dành cho xe tải nên Cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ (EPA) đã phát triển các chương trình nghiên cứu giúp cải thiện phát thải của phương tiện (trong đó có việc phát triển hệ thống EGR có làm mát khí luân hồi). Đến cuối những năm 2000 hệ thống EGR có làm mát khí luân hồi được sử dụng phổ biến trên các động cơ diesel tại Mỹ. Đến sau những năm 2010 hệ thống EGR ứng dụng trên động cơ không chỉ giúp kiểm soát phát thải NOx mà còn thực hiện một số nhiệm vụ khác. Ví dụ, đối với với động cơ xăng việc sử dụng EGR trên những động cơ phun nhiên liệu trực tiếp còn giúp giảm công bơm (tăng hiệu suất nhiệt), tăng khả năng chống kích nổ và giúp động cơ cháy với hỗn hợp nghèo, nhờ đó giảm suất tiêu thụ nhiên liệu; đối với động cơ diesel việc điều khiển hệ thống EGR nhằm làm tăng nhiệt độ khí thải với mục đích tái sinh lọc muội than.
Hiện nay, phương pháp điều khiển hệ thống EGR phù hợp theo từng chế độ vận hành của động cơ hiện vẫn là bí quyết công nghệ của các hãng sản xuất động cơ.
