Nghiên cứu giảm phát thải độc hại xe máy bằng phương pháp sấy nóng bộ xử lí khí thải (Full)

Tình trạng ô nhiễm môi trường ở Việt Nam do khí thải động cơ đốt trong đang đến mức đáng lo ngại do số lượng các phương tiện vận tải ô tô và xe máy đang tăng chóng mặt, đặc biệt là xe máy. Theo các nhà nghiên cứu, xe máy chưa được trang bị bộ xúc tác (BXT) có mức phát thải lớn hơn nhiều ô tô có trang bị bộ xúc tác. Theo vtv.vn, tính đến 2018 Việt Nam có gần 58 triệu chiếc xe máy, hầu hết trong số này chưa được trang bị BXT đang phát thải ra lượng khí thải độc hại rất lớn.

Hiện nay, trên thế giới đã áp dụng nhiều biện pháp giảm các thành phần độc hại của phương tiện giao thông như: kiểm soát khí thải từ bên trong động cơ, xử lý khí thải. Trong đó, xử lý khí thải bằng phương pháp trang bị BXT xử lý khí thải là một biện pháp hữu hiệu, mang lại hiệu quả cao trong việc giảm các thành phần độc hại phát thải từ động cơ. Tuy nhiên, biện pháp này chưa được áp dụng nhiều trên các xe máy, và đặc biệt các loại xe máy dung tích nhỏ sản xuất ở Việt Nam.

Hiệu quả xử lý của BXT bị ảnh hưởng rất lớn bởi nhiệt độ làm việc của nó. Bộ xúc tác hầu như không làm việc hoặc làm việc với hiệu quả rất thấp khi nhiệt độ của nó thấp hơn khoảng nhiệt độ 250÷300oC. Do đó, trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy, nhiệt độ khí thải còn thấp, BXT chưa được sấy nóng đáng kể nên hiệu quả xử lý khí thải trong giai đoạn này là không đáng kể. Một lượng lớn khí thải độc hại phát thải ra ngoài môi trường từ đó tăng lượng phát thải cho cả chu trình hoạt động của xe. Bên cạnh đó, tại các thành phố lớn của Việt Nam, với mật độ tham gia giao thông đông đúc làm thời gian xe dừng và chạy không tải nhiều cùng với đó là hành trình di chuyển ngắn làm tăng số lần khởi động lạnh. Do đó, lượng phát thải trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy tăng lên, chiếm một tỉ trọng lớn trong toàn bộ quá trình hoạt động của xe. Vì vậy việc giảm phát thải trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy sẽ giúp giảm phát thải chung trong quá trình vận hành của xe.

Để cải thiện hiệu quả làm việc của BXT trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy đã có nhiều biện pháp được nghiên cứu và thực hiện, trong đó, sấy nóng nhanh BXT là biện pháp hữu hiệu để rút ngắn thời gian chậm hoạt động của BXT từ đó giảm phát thải ô nhiễm trong giai đoạn này.

Chính vì vậy, việc chọn và thực hiện đề tài “Nghiên cứu giảm phát thải độc hại của xe máy bằng phương pháp sấy nóng bộ xử lý khí thải” là rất cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn cao.

i. Mục đích nghiên cứu của đề tài

Đưa ra được giải pháp sấy nóng nhanh BXT xe máy ở chế độ khởi động lạnh và chạy ấm máy để tăng hiệu quả xử lý khí thải của BXT từ đó giảm phát thải độc hại của xe máy.

ii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Động cơ lắp trên xe máy Honda Lead 110 đang lưu hành tại Việt Nam.

- Việc nghiên cứu và thực nghiệm được thực hiện tại Trung tâm nghiên cứu động cơ, nhiên liệu và khí thải, Viện Cơ khí động lực, Trường đại học Bách khoa Hà Nội.

iii. Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về các biện pháp nâng cao hiệu quả xử lý khí thải để giảm phát thải của động cơ trang bị BXT, từ đó chọn giải pháp để nghiên cứu áp dụng;

- Nghiên cứu mô phỏng động cơ trong quá trình khởi động lạnh và chạy ấm máy để xác định thành phần, lưu lượng và nhiệt độ khí thải ra khỏi động cơ làm số liệu đầu vào cho việc nghiên cứu hiệu quả của BXT trong giai đoạn này;

- Nghiên cứu mô phỏng hệ thống thải để xác định trường nhiệt độ khí thải trên đường thải để xác định vị trí thích hợp lắp BXT nghiên cứu;

- Nghiên cứu mô phỏng BXT được sấy nóng bằng dòng điện cao tần để đánh giá ảnh hưởng của các chiến lược sấy nóng đến trạng thái nhiệt và hiệu quả xử lý khí thải của BXT trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy, từ đó đề xuất đưa ra chiến lược sấy phù hợp;

- Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm để xác định các thông số đầu vào cho các mô hình mô phỏng, hiệu chỉnh và đánh giá độ tin cậy của các mô hình mô phỏng và đánh giá hiệu quả của giải pháp nghiên cứu đã đề ra.

iv. Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp lý thuyết mô hình hóa với thực nghiệm

- Nghiên cứu lý thuyết: Xây dựng mô hình tính toán phát thải của động cơ và xử lý khí thải của BXT, từ đó tìm ra giải pháp nâng cao hiệu quả xử lý khí thải của BXT.

- Nghiên cứu thực nghiệm: Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm nhằm đánh giá độ tin cậy của mô hình mô phỏng và hiệu quả của giải pháp đã đưa ra.

v. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

Đưa ra giải pháp công nghệ thích hợp để sấy nóng nhanh BXT khí thải xe máy ở chế độ khởi động lạnh và chạy ấm máy để tăng hiệu quả xử lý của BXT, giảm phát thải của xe máy.

Góp phần giảm ô nhiễm môi trường ở các thành phố lớn có mật độ xe máy cao.

vi. Các nội dung chính của đề tài

- Mở đầu

- Chương 1. Nghiên cứu tổng quan

- Chương 2. Tính toán mô phỏng nhiệt động học và phát thải động cơ xe máy

- Chương 3. Tính toán mô phỏng quá trình xúc tác xử lý khí thải của BXT được sấy nóng bằng dòng cao tần

- Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm

Kết luận và hướng phát triển

NỘI DUNG:

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ xii

MỞ ĐẦU 1

i. Mục đích nghiên cứu của đề tài 1

ii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

iii. Nội dung nghiên cứu 2

iv. Phương pháp nghiên cứu 2

v. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 2

vi. Các nội dung chính của đề tài 2

CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 3

1.1 Vấn đề phát thải độc hại của xe máy 3

1.1.1 Các thành phần phát thải độc hại của xe máy 3

1.1.2 Đặc điểm phát thải trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy 4

1.1.3 Hàm lượng phát thải của xe máy theo chu trình thử 5

1.2 Các phương pháp kiểm soát phát thải của xe máy 6

1.2.1 Kiểm soát phát thải từ bên trong động cơ 6

1.2.1.1 Điều chỉnh chính xác tỉ lệ không khí nhiên liệu 6

1.2.1.2 Thiết kế hệ thống đánh lửa thích hợp 8

1.2.1.3 Tối ưu kết cấu buồng cháy 8

1.2.1.4 Luân hồi khí thải 8

1.2.1.5 Sử dụng nhiên liệu thay thế 9

1.2.2 Xử lý khí thải sau cửa thải 10

1.2.2.1 Đốt cháy CO và HC trên đường thải 10

1.2.2.2 Trang bị BXT xử lý khí thải 11

1.3 Công nghệ tăng hiệu quả BXT trong quá trình khởi động lạnh 12

1.3.1 Đốt cháy CO, HC trong ống thải 12

1.3.1.1 Phun khí thứ cấp 12

1.3.1.2 Đốt cháy khí thải (EGI) 12

1.3.2 Cải tiến thiết kế BXT 14

1.3.3 Tăng cường sấy nóng BXT bằng năng lượng khí thải 15

1.3.3.1 Quản lý nhiệt đường ống thải. 15

1.3.3.2 Điều khiển đánh lửa muộn 16

1.3.4 Sấy nóng BXT bằng nguồn nhiệt bên ngoài 16

1.3.4.1 Sử dụng buồng đốt bên ngoài 16

1.3.4.2 Sấy nóng BXT bằng năng lượng điện (EHC) 17

1.4 Sấy nóng BXT bằng dòng điện cao tần 20

1.4.1 Cơ sở lý thuyết của việc đốt nóng bằng điện cao tần 20

1.4.2 Sấy nóng BXT bằng dòng điện cao tần 21

1.5 Hướng tiếp cận và nội dung nghiên cứu của đề tài 23

1.6 Kết luận chương 1 24

CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG NHIỆT ĐỘNG HỌC VÀ PHÁT THẢI ĐỘNG CƠ XE MÁY 25

2.1 Giới thiệu 25

2.2 Mô tả mô hình 27

2.2.1 Mô hình đa vùng mô phỏng diễn biến nhiệt động trong xylanh 27

2.2.1.1 Giới thiệu 27

2.2.1.2 Phương trình chính 28

2.2.1.3 Phương trình mô hình hóa tổng thể 32

2.2.1.4 Truyền nhiệt và sấy nóng động cơ 35

2.2.1.5 Lưu lượng và nhiệt độ khí thải 38

2.2.2 Mô hình hóa sự phát thải ôxit nitơ từ động cơ 39

2.2.3 Mô hình tính toán phát thải HC của động cơ 40

2.2.3.1 Nguồn HC ban đầu 41

2.2.3.2 Sự ôxy hoá HC phía sau màng lửa 44

2.2.4 Mô hình tính toán phát thải CO của động cơ 45

2.3 Kết quả mô phỏng 45

2.3.1 Hiệu chỉnh mô hình 46

2.3.2 Áp suất và nhiệt độ khí thể trong xylanh 47

2.3.3 Nhiệt độ, lưu lượng và năng lượng dòng khí thải 48

2.3.4 Nồng độ phát thải CO, HC và NO 52

2.4 Kết luận chương 2 54

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG HỆ THỐNG THẢI CÓ TRANG BỊ BXT ĐƯỢC SẤY NÓNG BẰNG DÒNG CAO TẦN 56

3.1 Giới thiệu 56

3.2 Mô hình truyền nhiệt của hệ thống thải 57

3.2.1 Truyền nhiệt trong ống thải 58

3.2.1.1 Bề mặt truyền nhiệt ướt 60

3.2.1.2 Bề mặt truyền nhiệt khô 60

3.2.2 Truyền nhiệt từ bề mặt ống thải tới môi trường 61

3.2.2.1 Truyền nhiệt từ bề mặt ống thải tới môi trường do quá trình đối lưu 61

3.2.2.2 Truyền nhiệt từ bề mặt ống thải tới môi trường do quá trình bức xạ 62

3.3 Tính toán công suất sấy nóng BXT bằng dòng điện cao tần 62

3.4 Mô hình trung hòa khí thải trong BXT có sấy nóng bằng dòng điện cao tần 66

3.4.1 Giới thiệu 66

3.4.2 Mô tả mô hình 68

3.4.2.1 Các phản ứng hóa học 68

3.4.2.2 Biểu thức động học phản ứng 68

3.4.2.3 Cơ sở chuyển đổi xúc tác 70

3.4.2.4 Hệ số trao đổi nhiệt và trao đổi chất. 74

3.4.2.5 Phương pháp giải mô hình 75

3.5 Kết quả mô phỏng 76

3.5.1 Nhiệt độ khí thải và BXT 77

3.5.2 Hàm lượng các chất độc hại phía trước và sau BXT 85

3.6 Kết luận chương 3. 97

CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 98

4.1 Mục đích thí nghiệm 98

4.2 Trang thiết bị phục vụ thí nghiệm 98

4.2.1 Băng thử xe máy CD20 (Chassis dynamometer 20’’) 98

4.2.1.1 Giới thiệu 98

4.2.1.2 Sơ đồ hệ thống 99

4.2.2 Tủ phân tích khí thải CEBII và các bộ phân tích 100

4.2.2.1 Nguyên lý làm việc của bộ phân tích CO 100

4.2.2.2 Nguyên lý làm việc của bộ phân tích NO và NOx 100

4.2.2.3 Nguyên lý làm việc của hệ thống đo CnHm 102

4.2.3 Thiết bị đo nhiệt độ: 103

4.2.4 Đo lưu lượng khí thải: 104

4.3 Đối tượng, nhiên liệu và chế độ thử 104

4.3.1 Đối tượng thử nghiệm: 104

4.3.2 Nhiên liệu thử nghiệm 105

4.3.3 Chế độ thử nghiệm 106

4.4 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 106

4.5 Kết quả thực nghiệm 109

4.6 Kết luận chương 4 118

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 119

TÀI LIỆU THAM KHẢO 120

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 126

PHỤ LỤC 1

PHỤ LỤC 1 CÁC SỐ LIỆU PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU 1

LINK DOWNLOAD