Luận văn: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển phun Urea cho bộ xử lý SCR

Luận văn trình bày chi tiết quá trình thiết kế, chế tạo bộ điều khiển phun urea cho hệ thống SCR động cơ diesel, giúp xử lý khí thải NOx hiệu quả.

• Tác giả: Nguyễn Tùng Lâm
• Người hướng dẫn: TS. Trần Quang Vinh
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực
• Đề tài: Thiết Kế, Chế Tạo Bộ Điều Khiển Phun Urea Cho Bộ Xử Lý Xúc Tác SCR Lắp Trên Động Cơ Diesel
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hệ thống SCR và Bộ điều khiển Phun Urea

Hệ thống SCR (Selective Catalytic Reduction) là công nghệ tiên tiến được áp dụng trên động cơ diesel để giảm lượng khí thải NOx, đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường ngày càng khắt khe. Bộ điều khiển phun urea đóng vai trò then chốt trong việc kiểm soát lượng urea được phun vào đường thải, đảm bảo hiệu suất xử lý khí thải tối ưu. Công nghệ này kết hợp giữa yêu cầu hiệu suất động cơ và bảo vệ môi trường, tạo nên giải pháp bền vững cho ngành vận tải và công nghiệp. Việc thiết kế bộ điều khiển phun urea đòi hỏi hiểu biết sâu sắc về cơ học động cơ, xử lý tín hiệu và quản lý hệ thống phức tạp.

1.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống SCR

Hệ thống xử lý xúc tác chọn lọc (SCR) sử dụng urea như chất khử để chuyển đổi NOx thành nitrogen và nước. Khi urea được phun vào dòng khí thải nóng, nó phân hủy thành ammonia, tương tác với NOx trên bề mặt xúc tác và khử chúng một cách hiệu quả. Quá trình này yêu cầu kiểm soát chính xác lượng urea phun để tránh thừa hoặc thiếu, ảnh hưởng đến hiệu suất khử NOx.

1.2. Tầm quan trọng của bộ điều khiển trong hệ thống

Bộ điều khiển phun urea là trái tim của hệ thống, quản lý các cảm biến để đo lường thông số động cơ như nhiệt độ, áp suất, và nồng độ NOx. Dựa trên dữ liệu thu thập, bộ điều khiển tính toán lượng urea tối ưu cần phun, đảm bảo tuân thủ tiêu chuẩn khí thải đồng thời duy trì hiệu suất động cơ cao.

II. Cấu trúc và Các Thành phần Chính của Bộ Điều khiển Phun Urea

Bộ điều khiển phun urea bao gồm nhiều thành phần chức năng được kết nối chặt chẽ để hoạt động như một hệ thống tích hợp. Mỗi thành phần có vai trò riêng biệt nhưng liên kết chặt chẽ với nhau để đảm bảo hiệu suất tối ưu của hệ thống SCR. Cấu trúc này được thiết kế dựa trên nguyên tắc điều khiển vòng kín, cho phép hệ thống tự điều chỉnh dựa trên phản hồi từ các cảm biến. Thiết kế này yêu cầu kỹ năng cao trong lập trình điều khiển và hiểu biết về động lực học chất lỏng.

2.1. Bộ xúc tác khử NOx

Bộ xúc tác SCR là thành phần trung tâm, thường được làm từ vật liệu ceramic có độ bề mặt cao. Khi urea phân hủy thành ammonia tương tác với NOx trên bề mặt xúc tác, phản ứng hóa học diễn ra hiệu quả. Hiệu suất khử phụ thuộc vào nhiệt độ, tỷ lệ ammonia/NOx và thiết kế hình học của xúc tác.

2.2. Hệ thống lưu trữ và cấp phát urea

Bình chứa urea được thiết kế chống ăn mòn với dung tích thích hợp cho hành trình dài. Bơm cấp urea có khả năng điều chỉnh lưu lượng dựa trên tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển chính. Các cảm biến mức urea giám sát lượng còn lại, cảnh báo tài xế khi cần bổ sung urea.

2.3. Vòi phun urea và tín hiệu điều khiển

Vòi phun urea được thiết kế để phun tỏa đều vào dòng khí thải. Bộ điều khiển gửi xung điều khiển PWM (Pulse Width Modulation) để điều chỉnh thời gian phun và lưu lượng urea. Độ chính xác của tín hiệu điều khiển quyết định hiệu suất khử NOx và tiêu thụ urea.

III. Quá trình Thiết kế và Tính toán Hệ thống Phun Urea

Thiết kế bộ điều khiển phun urea đòi hỏi quá trình tính toán kỹ thuật phức tạp, bắt đầu từ xác định nhu cầu urea dựa trên tải động cơ, tốc độ vòng quay và nồng độ NOx phát thải. Quá trình thiết kế phải xem xét các chế độ hoạt động khác nhau của động cơ từ khởi động, chuyển tiếp, đến làm việc ổn định. Sử dụng phần mềm mô phỏng như AVL-BOOST, các kỹ sư có thể xác thực và tối ưu hóa thiết kế trước khi chế tạo nguyên mẫu. Phương pháp này giảm thời gian phát triển và chi phí sản xuất đáng kể.

3.1. Xác định lượng urea cần cấp

Lượng urea tối ưu được tính dựa trên phương trình cân bằng khối lượng giữa NOx phát thải và ammonia từ urea. Tỷ lệ phun urea phụ thuộc vào điều kiện động cơ thực tế. Việc hiệu chỉnh chính xác giúp đạt hiệu suất khử cao nhất (trên 90%) mà không lãng phí urea.

3.2. Mô phỏng và xác thực thiết kế

Sử dụng mô phỏng tính toán động lực học chất lỏng (CFD) và phần mềm mô phỏng động cơ, các kỹ sư kiểm tra các kịch bản hoạt động khác nhau. Kết quả mô phỏng cho phép tối ưu hóa thiết kế vòi phun, áp suất, lưu lượng để đạt hiệu suất tối đa với độ bền cao.

3.3. Phát triển thuật toán điều khiển

Thuật toán điều khiển được lập trình dựa trên các tín hiệu cảm biến như nhiệt độ khí thải, nồng độ NOx, tải động cơ. Bộ điều khiển sử dụng logic fuzzy hoặc PID để điều chỉnh thích ứng lượng urea phun, đảm bảo hệ thống hoạt động tối ưu trong mọi điều kiện vận hành.

IV. Chế tạo Thử nghiệm và Ứng dụng Thực tiễn

Sau hoàn thành thiết kế và mô phỏng, giai đoạn chế tạo nguyên mẫu bắt đầu với gia công chi tiết máy và lắp ráp hệ thống điều khiển. Thử nghiệm sơ bộ trên bàn ghế thử nghiệm được tiến hành để xác thực các tín hiệu cảm biến và đáp ứng của bộ điều khiển. Tiếp theo, thử nghiệm trên động cơ thực đánh giá hiệu suất khử NOx, tiêu thụ urea và ổn định hệ thống. Các kết quả thử nghiệm được so sánh với tiêu chuẩn khí thải để xác nhận tính khả thi của thiết kế. Ứng dụng thực tiễn bao gồm xe tải, xe buýt và các máy móc công nghiệp sử dụng động cơ diesel, góp phần giảm ô nhiễm và bảo vệ môi trường.

4.1. Xây dựng và lắp ráp bộ điều khiển

Bộ điều khiển phun urea được lắp ráp từ các linh kiện điện tử chất lượng cao như vi xử lý, cảm biến, rơle điều khiển. Việc bố trí các thành phần phải đảm bảo khả năng chống nhiệt, chống nước và độ an toàn điện. Kiểm tra chất lượng nghiêm ngặt được thực hiện trước khi lắp đặt trên động cơ thực.

4.2. Thử nghiệm trên động cơ và điều chỉnh tham số

Thử nghiệm động cơ đánh giá hiệu suất hệ thống SCR ở các tốc độ và tải khác nhau. Các tham số điều khiển được tinh chỉnh dựa trên kết quả đo lường NOx thực tế. Quá trình này yêu cầu nhiều lần lặp lại để đạt cân bằng tối ưu giữa hiệu suất khử và tiêu thụ urea.

4.3. Ứng dụng và phát triển tương lai

Bộ điều khiển phun urea được triển khai trên các phương tiện để kiểm tra thực tế đường phố. Kết quả cho thấy khả năng giảm NOx lên tới 90% đồng thời duy trì hiệu suất động cơ. Hướng phát triển tương lai bao gồm tích hợp AI, IoT để tối ưu hóa tiêu thụ urea và giám sát từ xa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. KHÍ THÁI ĐỘNG CƠ DIESEL VA CÁC BIEN PHAP XU LY 1.1 Thành phản khí thai déng co diesel va co ché hinh thinh.1 Thành phản khí thải động cơ diesel 3 1.2 Co ché hinh thanh các chất trong khí thải diesel 5 1.21 Co ché hinh thành NÓ, trên động cơ diesel 5 1.2 Co ché hinh thanh PM.3 Cơ chế hình thành CO 9 1.4 Cơ chế bình thành HC 10 1 Hợp chất chứa lưu huỳnh 10 1.3 Yêu câu về giảm phát thải độc hại 10 1.2 Các biện pháp xử lý khi thái diesel.1 Các biện pháp kết cầu 1 1.2 Các biện pháp xử lý sau của thải 14 1.1 Bộ xúc tác ö-xy hóa (2OC) xứ lý CO và LIC 14 Độ lọc hạt PM kiểu kin (DPF) 15 23 Xử lý thành Phin NO, từ khí thai diesel 2.1 Nhiệm vụ và phân loại 3.1 Phân loại theo chất khử 32 3. Phân loại theo hệ xúc tác 38 2. Phan loai theo hé thing diéu khién 40 > CAC HINH VE Hình 1.1 Tỷ lệ của các thành phân khí thải trong động cơ diosel [1].2 Đặc tính phải thải theo hệ số dư lượng không khi 2 [1] Hình 1.3 Quả trình hình thành PM [6].4 Giới hạn NO,„ EM đối với động cơ diesel xe tai [5 'Hình 1.5 Sơ đồ luân hỏi khí thai [34] Tỉnh 1.6 Kết cầu chung bộ lọc DPEF của hãng Jolmsơn Malthey [20] 16 Hình 1.7 Nguyên lý và kết cầu bộ lọc kin chất thái đạng hạt DPE [20.8 Sơ đề hệ thống LNT |201.9 Quả trình hấp phụ NO; trong han hop ughéo [20] Hình 1.10 Các phản ứng trong các buồng xử lý [20] Hình 1.11 Quả trình giải phòng N; trong hồn hợp giàu nhiên liệu [2Ø].12 Sø đỗ nguyên lý hoại động của hệ thắng SƠR.1 Ô-xy hóa NH¿ theo nhiệt độ trên hệ xúc tác Zeolite [35] Tinh2.2 So 6 quá trình khử NO, bằng NI; Hình 2.3 Hiệu suất khử theo nhiệt độ ở các múc lưu lượng khí xã ä khác nhau |3] Hình 3.4 Hiệu suất chuyên đổi NO, phụ thuộc tỷ lệ mol z„„„ „„.5 Hiệu suất chuyên đổi NO, vả tạo thánh N;O theo nhiệt độ với thánh phần.

NÓ: khác nhau trên hệ xúc tác Zeolite |39|.6 Nẵng độ các muỗi a-môn theo thành phần SO; [32].7 Liga qua chuyén déi theo tỷ lệ mới s;„. ,„„ ở các nhiệt độ khác nhau trên hệ xúc tác Zeolite.8 Cơ chế khử NO, bằng ê-ta-non [36] 34 Hình 2.9 Hiệu suất khử NO, theo nhiệt độ trên hệ xúc tác Ag/AbO; N91.10 Ảnh huớng của SO; và H;O đến hiệu suất khử NO, với Ê-la-non trên hệ xtc tie Ag/ALOs [19] linh 2.11 Sơ để cơ chế khứ NO, bằng hy-đrồ các-bon.12 Hiệu suất khử NƠ, với các hy-drô cáo-bon [13].13 Cơ chế khử NƠ bằng NHạ trên hệ xúc tác V20s [4] Tình 2.14 Sơ đỏ lắp đặt SCR trên đường thải Hình2.15 Ảnh hưởng của thành phần NO; đến hiệu quả khứ NO,[U71.16 Suy giảm hiệu suất khử theo thời gian khi thữ bên động cơ với phiên liệu chúa 350 ppm lưu huỳnhở nhiệt độ thâp [18] Al Linh2.17 Suy giém hiệu suất khử theo thời gian khi thử bền động cơ với nhiên liệu chữa 1620 ppm lưu huỳnh ở nhuệt độ tháp [18[,. > CAC HINH VE Hình 1.1 Tỷ lệ của các thành phân khí thải trong động cơ diosel [1].2 Đặc tính phải thải theo hệ số dư lượng không khi 2 [1] Hình 1.3 Quả trình hình thành PM [6].4 Giới hạn NO,„ EM đối với động cơ diesel xe tai [5 'Hình 1.5 Sơ đồ luân hỏi khí thai [34] Tỉnh 1.6 Kết cầu chung bộ lọc DPEF của hãng Jolmsơn Malthey [20] 16 Hình 1.7 Nguyên lý và kết cầu bộ lọc kin chất thái đạng hạt DPE [20.8 Sơ đề hệ thống LNT |201.9 Quả trình hấp phụ NO; trong han hop ughéo [20] Hình 1.10 Các phản ứng trong các buồng xử lý [20] Hình 1.11 Quả trình giải phòng N; trong hồn hợp giàu nhiên liệu [2Ø].12 Sø đỗ nguyên lý hoại động của hệ thắng SƠR.1 Ô-xy hóa NH¿ theo nhiệt độ trên hệ xúc tác Zeolite [35] Tinh2.2 So 6 quá trình khử NO, bằng NI; Hình 2.3 Hiệu suất khử theo nhiệt độ ở các múc lưu lượng khí xã ä khác nhau |3] Hình 3.4 Hiệu suất chuyên đổi NO, phụ thuộc tỷ lệ mol z„„„ „„.5 Hiệu suất chuyên đổi NO, vả tạo thánh N;O theo nhiệt độ với thánh phần. NÓ: khác nhau trên hệ xúc tác Zeolite |39|.6 Nẵng độ các muỗi a-môn theo thành phần SO; [32].7 Liga qua chuyén déi theo tỷ lệ mới s;„.

,„„ ở các nhiệt độ khác nhau trên hệ xúc tác Zeolite.8 Cơ chế khử NO, bằng ê-ta-non [36] 34 Hình 2.9 Hiệu suất khử NO, theo nhiệt độ trên hệ xúc tác Ag/AbO; N91.10 Ảnh huớng của SO; và H;O đến hiệu suất khử NO, với Ê-la-non trên hệ xtc tie Ag/ALOs [19] linh 2.11 Sơ để cơ chế khứ NO, bằng hy-đrồ các-bon.12 Hiệu suất khử NƠ, với các hy-drô cáo-bon [13].13 Cơ chế khử NƠ bằng NHạ trên hệ xúc tác V20s [4] Tình 2.14 Sơ đỏ lắp đặt SCR trên đường thải Hình2.15 Ảnh hưởng của thành phần NO; đến hiệu quả khứ NO,[U71.16 Suy giảm hiệu suất khử theo thời gian khi thữ bên động cơ với phiên liệu chúa 350 ppm lưu huỳnhở nhiệt độ thâp [18] Al Linh2.17 Suy giém hiệu suất khử theo thời gian khi thử bền động cơ với nhiên liệu chữa 1620 ppm lưu huỳnh ở nhuệt độ tháp [18[,. MỤC L1 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ. DANH MUC CAC BANG BIED MO DAU 1. Mục đích nghiên cứa 1 ii Đối tượng 1 iii, Pham vị nghiên cửu 1 TT.

Phương pháp nghiên cửu. Ý nghĩa khoa học và thục tiễn 1V. Các nội đưng chính trong dé tai CHƯƠNG 1. KHÍ THÁI ĐỘNG CƠ DIESEL VA CÁC BIEN PHAP XU LY 1.1 Thành phản khí thai déng co diesel va co ché hinh thinh.1 Thành phản khí thải động cơ diesel 3 1.2 Co ché hinh thanh các chất trong khí thải diesel 5 1.21 Co ché hinh thành NÓ, trên động cơ diesel 5 1.2 Co ché hinh thanh PM.3 Cơ chế hình thành CO 9 1.4 Cơ chế bình thành HC 10 1 Hợp chất chứa lưu huỳnh 10 1.3 Yêu câu về giảm phát thải độc hại 10 1.2 Các biện pháp xử lý khi thái diesel.1 Các biện pháp kết cầu 1 1.2 Các biện pháp xử lý sau của thải 14 1.1 Bộ xúc tác ö-xy hóa (2OC) xứ lý CO và LIC 14 Độ lọc hạt PM kiểu kin (DPF) 15 23 Xử lý thành Phin NO, từ khí thai diesel 2.1 Nhiệm vụ và phân loại 3.1 Phân loại theo chất khử 32 3.

Phân loại theo hệ xúc tác 38 2. Phan loai theo hé thing diéu khién 40 MỤC L1 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ. DANH MUC CAC BANG BIED MO DAU 1. Mục đích nghiên cứa 1 ii Đối tượng 1 iii, Pham vị nghiên cửu 1 TT.

Phương pháp nghiên cửu. Ý nghĩa khoa học và thục tiễn 1V. Các nội đưng chính trong dé tai CHƯƠNG 1. KHÍ THÁI ĐỘNG CƠ DIESEL VA CÁC BIEN PHAP XU LY 1.1 Thành phản khí thai déng co diesel va co ché hinh thinh.1 Thành phản khí thải động cơ diesel 3 1.2 Co ché hinh thanh các chất trong khí thải diesel 5 1.21 Co ché hinh thành NÓ, trên động cơ diesel 5 1.2 Co ché hinh thanh PM.3 Cơ chế hình thành CO 9 1.4 Cơ chế bình thành HC 10 1 Hợp chất chứa lưu huỳnh 10 1.3 Yêu câu về giảm phát thải độc hại 10 1.2 Các biện pháp xử lý khi thái diesel.1 Các biện pháp kết cầu 1 1.2 Các biện pháp xử lý sau của thải 14 1.1 Bộ xúc tác ö-xy hóa (2OC) xứ lý CO và LIC 14 Độ lọc hạt PM kiểu kin (DPF) 15 23 Xử lý thành Phin NO, từ khí thai diesel 2.1 Nhiệm vụ và phân loại 3.1 Phân loại theo chất khử 32 3.

Phân loại theo hệ xúc tác 38 2. Phan loai theo hé thing diéu khién 40 @H)80, Ammonium sulfate (Mu6i a-rnôn sun- phát) MOR Zeolite Mordenit Cu-MOR Zeolite Mordenit si dung cation là Cu. Te-MOR Zeolite Mordenit. sit dung cation 1 Pe Ra 8d Reynolds Tưng, ‘Ty 1é mol etia NH; 50 voi NO, Tot, Tỷ lệ moi của thành phần NO» trong hỗn hợp NO, TW vướ, Tỷ lệ mới của NH; so với SƠ; DOC ‘Diesel Oxidation Catalyst (bộ xúc tác ö-xy hỏa} EGR Jixhaust Gas Recirculation (hé thong Luan hat ki thai) Dpr Diesel Particulate lilter (bd loc hat PM kiéu kin) scR Sclective Catalytic Reduction (bộ xử Tý xúc tác chọn lọc) NIIs-SCR.

Bộ xử lý xúc tác chọn lọc sử đụng chất khử trực tiếp am-mô- ni-Ác Urea-SCR Tiề xửlý xúc tác chọn lạc sử dụng chất khử gián tiép am-mé- ni-ác thông qua trca HC-SCR Bộ xử Ïý xúc tac chon loc str dung chat khử hy-drõ cáo-bon EtOH-SCR. Hộ xử ly xúc tác chọn lọc sử dụng chất khi LNT ‘Lean NO, ‘Trap (86 hap phn NO, bing bay bon hop nghec) a Hệ số dư lượng không khi sv Špaoe velocity (vấn tốc không gian) GHSV Gas hourÌy spacs valocity (vận tốc không gian tính theo giờ) 1ayu lượng khí xá AVL-BOOST Phần mềm mô phỏng cia hang AVL (Aa) ESC Chu trình gốm 13 chế độ có trạng thái ẩn định Chm bith thir gon 1800 chế độ chuyên tiếp điển ra rô nhành ETC theo tùng giây một ATS (Điều kiện biên) CAT (Lò phản từng xúc tác) PTN Phòng thì nghiệm LCD Liguid-crystal display (Man hinh hign thi) SAE Society of Automotive Engineers (Higp héi k¥ su 616) OBD Gn-Board Diagnostic (Hé thong tr chan đoán) TWC ‘Three-way catalytic (Bồ xúc tác 3 đường) -ix- > CAC HINH VE Hình 1.1 Tỷ lệ của các thành phân khí thải trong động cơ diosel [1].2 Đặc tính phải thải theo hệ số dư lượng không khi 2 [1] Hình 1.3 Quả trình hình thành PM [6].4 Giới hạn NO,„ EM đối với động cơ diesel xe tai [5 'Hình 1.5 Sơ đồ luân hỏi khí thai [34] Tỉnh 1.6 Kết cầu chung bộ lọc DPEF của hãng Jolmsơn Malthey [20] 16 Hình 1.7 Nguyên lý và kết cầu bộ lọc kin chất thái đạng hạt DPE [20.8 Sơ đề hệ thống LNT |201.9 Quả trình hấp phụ NO; trong han hop ughéo [20] Hình 1.10 Các phản ứng trong các buồng xử lý [20] Hình 1.11 Quả trình giải phòng N; trong hồn hợp giàu nhiên liệu [2Ø].12 Sø đỗ nguyên lý hoại động của hệ thắng SƠR.1 Ô-xy hóa NH¿ theo nhiệt độ trên hệ xúc tác Zeolite [35] Tinh2.2 So 6 quá trình khử NO, bằng NI; Hình 2.3 Hiệu suất khử theo nhiệt độ ở các múc lưu lượng khí xã ä khác nhau |3] Hình 3.4 Hiệu suất chuyên đổi NO, phụ thuộc tỷ lệ mol z„„„ „„.5 Hiệu suất chuyên đổi NO, vả tạo thánh N;O theo nhiệt độ với thánh phần. NÓ: khác nhau trên hệ xúc tác Zeolite |39|.6 Nẵng độ các muỗi a-môn theo thành phần SO; [32].7 Liga qua chuyén déi theo tỷ lệ mới s;„. ,„„ ở các nhiệt độ khác nhau trên hệ xúc tác Zeolite.8 Cơ chế khử NO, bằng ê-ta-non [36] 34 Hình 2.