Nghiên cứu giảm khí thải độc hại cho động cơ diesel tăng áp lắp trên xe buýt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐINH XUÂN THÀNH

NGHIÊN CỨU GIẢM KHÍ THẢI ĐỘC HẠI
CHO ĐỘNG CƠ DIESEL TĂNG ÁP
LẮP TRÊN XE BUÝT

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – NĂM 2012


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

***

ĐINH XUÂN THÀNH

NGHIÊN CỨU GIẢM KHÍ THẢI ĐỘC HẠI
CHO ĐỘNG CƠ DIESEL TĂNG ÁP
LẮP TRÊN XE BUÝT
Chuyên ngành: Kỹ thuật động cơ nhiệt
Mã số: 62 52 34 01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS PHẠM VĂN THỂ

2. PGS.TS LÊ ANH TUẤN

HÀ NỘI – NĂM 2012


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 05 năm 2012
Nghiên cứu sinh

Đinh Xuân Thành

-i-


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Sau đại học,
Viện Cơ khí Động lực và Bộ môn Động cơ đốt trong đã cho phép tôi thực hiện luận án tại
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học và Viện Cơ khí
Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi làm luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phạm Văn Thể và PGS.TS Lê Anh Tuấn đã
hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và
hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ môn và Phòng thí nghiệm Động cơ đốt
trong - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện
hết sức thuận lợi để hoàn thành luận án này.
Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, Ban chủ nhiệm
Khoa Công nghệ Ôtô, Ban chủ nhiệm Khoa Tại chức và các thầy cô trong Khoa đã hậu

thuẫn và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu học tập.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng
chấm luận án đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận
án này và định hướng nghiên cứu trong trương lai.
Cuối cùng 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

Đinh Xuân Thành

- ii -


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................................................. ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................................................... vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ................................................................................................................. viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .................................................................................................. ix
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................................................... 1
i.

Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài .................................................................... 2

ii.

Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................................................... 2

iii. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ............................................................................................................. 2

iv. Các nội dung chính trong đề tài .......................................................................................................... 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ........................................................................................................................... 4
1.1. Sự phát triển phương tiện giao thông ở Việt Nam ............................................................................ 4
1.2. Tổng quan về ô nhiễm môi trường do phát thải của phương tiện giao thông ................................. 7
1.2.1. Các thành phần độc hại trong khí thải của động cơ ....................................................................... 7
1.2.2. Tình hình phát thải ô nhiễm của phương tiện giao thông ở Việt Nam ........................................... 8
1.2.3. Tiêu chuẩn kiểm soát phát thải từ động cơ diesel ........................................................................ 10
1.3. Tình hình nghiên cứu giảm phát thải độc hại cho động cơ diesel .................................................. 13
1.3.1. Giới thiệu chung .......................................................................................................................... 13
1.3.2. Giảm phát thải NOx ..................................................................................................................... 15
1.3.3. Giảm phát thải hạt (PM) .............................................................................................................. 21
1.3.4. Nghiên cứu giảm phát thải cho động cơ diesel trên thế giới ........................................................ 28
1.3.5. Nghiên cứu giảm phát thải cho động cơ diesel ở Việt Nam ........................................................ 32
1.4. Kết luận chương 1 .............................................................................................................................. 32
CHƯƠNG 2. LÝ THUYẾT VỀ SỰ HÌNH THÀNH VÀ CƠ SỞ TÍNH TOÁN PHÁT THẢI ĐỘC HẠI
ĐỘNG CƠ DIESEL ...................................................................................................................................... 34
2.1. Cơ chế, điều kiện hình thành và các yếu tố ảnh hưởng đến phát thải độc hại trong động cơ diesel
............................................................................................................................................................. 34
2.1.1. Mônôxit cácbon (CO) .................................................................................................................. 35
2.1.2. Hyđrô cácbon (HC)...................................................................................................................... 36
2.1.3. Ôxit nitơ (NOx) ............................................................................................................................ 38
2.1.4. Phát thải hạt (PM) ........................................................................................................................ 40
2.1.5. Hợp chất chứa lưu huỳnh ............................................................................................................. 42
2.2. Cơ sở lý thuyết mô phỏng trên phần mềm AVL-Boost đánh giá khả năng giảm phát thải cho
động cơ diesel tăng áp ................................................................................................................................... 43
2.2.1. Giới thiệu chung .......................................................................................................................... 43
2.2.2. Phương trình nhiệt động học thứ nhất.......................................................................................... 44
2.2.3. Trao đổi nhiệt và trao đổi chất ..................................................................................................... 46
2.2.4. Tính toán cụm tuabin máy nén .................................................................................................... 48
2.2.5. Mô hình cháy AVL-MCC ............................................................................................................ 49

2.2.6. Cơ sở lý thuyết mô phỏng quá trình hình thành và cắt giảm phát thải NOx và phát thải hạt cho
động cơ diesel ............................................................................................................................................ 52

- iii -


2.3. Kết luận chương 2 .............................................................................................................................. 59
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG LUÂN HỒI KHÍ THẢI VÀ LẮP
LỌC BỤI KHÓI CHO ĐỘNG CƠ DIESEL TĂNG ÁP ............................................................................ 61
3.1. Đề xuất phương án luân hồi khí thải (EGR) cho động cơ diesel tăng áp để giảm phát thải NOx 61
3.1.1. Phương án luân hồi áp suất cao ................................................................................................... 61
3.1.2. Phương án luân hồi áp suất thấp .................................................................................................. 61
3.2. Đề xuất phương án giảm phát thải hạt (PM) ................................................................................... 62
3.3. Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ D1146TI kết hợp với hệ thống luân hồi khí thải ............. 63
3.3.1. Các yêu cầu cơ bản khi xây dựng mô hình mô phỏng ................................................................. 63
3.3.2. Mô hình mô phỏng động cơ D1146TI ......................................................................................... 64
3.3.3. Kết quả mô phỏng động cơ sử dụng biện pháp luân hồi khí thải EGR ........................................ 66
3.3.4. Kết quả mô phỏng động cơ khi kết hợp biện pháp luân hồi khí thải, lọc phát thải hạt DPF và
DOC đến phát thải của động cơ D1146TI ................................................................................................. 72
3.4. Các yêu cầu trong quá trình thiết kế và bố trí hệ thống luân hồi, bộ DOC và DPF ..................... 74
3.5. Thiết kế và chế tạo các bộ phận trong hệ thống luân hồi khí thải ................................................. 75
3.5.1. Thiết kế lắp đặt van định lượng khí thải EGR và hệ thống làm mát khí luân hồi ........................ 75
3.5.2. Thiết kế và chế tạo ống venturi .................................................................................................... 76
3.5.3. Bố trí tổng thể hệ thống luân hồi khí thải trên động cơ ............................................................... 78
3.5.4. Thiết kế hệ thống điện tử điều khiển van định lượng khí thải EGR ............................................ 79
3.6. Thiết kế lắp bộ lọc phát thải hạt DPF và bộ xúc tác DOC trên đường thải của động cơ ............. 82
3.6.1. Thiết kế lắp bộ lọc DPF ............................................................................................................... 82
3.6.2. Thiết kế bộ xúc tác ôxy hóa DOC................................................................................................ 83
3.6.3. Vị trí lắp đặt bộ xúc tác DOC và bộ lọc DPF .............................................................................. 84
3.7. Sơ đồ bố trí chung hệ thống giảm phát thải hạt (PM) và NOx trên động cơ diesel tăng áp ......... 85

3.8. Kết luận chương 3 .............................................................................................................................. 85
CHƯƠNG 4. THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ........................................................................................ 87
4.1. Mục tiêu và phạm vi thử nghiệm ...................................................................................................... 87
4.2. Thiết bị thử nghiệm ............................................................................................................................ 87
4.2.1. Băng thử động lực học cao ETB dùng cho động cơ xe tải hạng nặng ......................................... 87
4.2.2. Hệ thống đo phát thải khí............................................................................................................. 91
4.2.3. Thiết bị đo phát thải hạt (Smart Sampler) .................................................................................... 94
4.2.4. Thiết bị đo độ khói Smoke Meter AVL415 ................................................................................. 94
4.2.5. Động cơ thử nghiệm .................................................................................................................... 94
4.3. Điều kiện thử nghiệm ......................................................................................................................... 95
4.4. Bố trí, phương pháp và chương trình thử nghiệm .......................................................................... 95
4.4.1. Bố trí lắp đặt và hiệu chỉnh động cơ trên băng thử ...................................................................... 95
4.4.2. Phương pháp và chương trình thử nghiệm................................................................................... 96
4.5. Kết quả thử nghiệm và đánh giá ....................................................................................................... 96
4.5.1. Kết quả đánh giá động cơ thử nghiệm ......................................................................................... 96
4.5.2. Xây dựng đường đặc tính điều khiển van luân hồi EGR ............................................................. 97
4.5.3. Đánh giá chất lượng phát thải của động cơ khi lắp hệ thống luân hồi khí thải .......................... 100
4.5.4. Đánh giá khả năng phát thải NOx và PM khi lắp hệ thống luân hồi khí thải và lọc phát thải hạt ....
................................................................................................................................................... 103

- iv -


4.6. Đánh giá kết quả mô phỏng và thực nghiệm ................................................................................. 106
4.6.1. So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm đối với động cơ nguyên bản theo chu trình ECE R49 .
................................................................................................................................................... 106
4.6.2. So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm đối với động cơ khi áp dụng các giải pháp giảm phát
thải theo chu trình ECE R49 .................................................................................................................... 107
4.7. Kết luận chương 4 ............................................................................................................................ 108
KẾT LUẬN CHUNG VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................................... 109

Kết luận chung ......................................................................................................................................... 109
Phương hướng phát triển ........................................................................................................................ 109
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................................................... 111
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ..................................................... 114
PHỤ LỤC ..................................................................................................................................................... 115

-v-


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Diễn giải

Đơn vị

CO

Mônôxit cácbon

-

HC

Hyđrô cácbon

-

PM

Phát thải hạt

-

NOx

Ôxít nitơ

-

SOx

Ôxít lưu huỳnh

-

Viện tài nguyên thế giới Mỹ

-

DOC

Diesel Oxidation Catalyst (bộ xúc tác ôxy hóa)

-

EGR

Exhaust Gas Recirculatio (hệ thống luân hồi khí thải)

-

DPF

Diesel Particulate Filter (bộ lọc phát thải hạt, dạng lọc kín)

-

VOCs

Volatile Organic Compounds (hàm lượng hỗn hợp các chất hữu cơ
độc hại bay lên trong không khí)

-

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 hở)

-

SCR

Selective Catalyst Reduction (bộ xúc tác khử NOx)

-

CRT

Continuous Regeneration Trap (bộ lọc tái sinh liên tục)

-

SMF

Sintered Metal Filter (bộ lọc phát thải hạt có trang bị sợi đốt)

-

LNT

Lean NOx Trap (bộ xúc tác hấp thụ NOx)

-

Soot

Bồ hóng

-

Hệ số dư lượng không khí

-

Hyđrô cácbon thơm mạch vòng

-

EMBARQ

λ
HAP
SV

Space velocity (tốc độ không gian)

m/s

SCRT

Hệ thống xử lý khí thải tổng hợp gồm CRT và SCR

-

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

-

LHC

Luân hồi áp suất cao

-

LHT

Luân hồi áp suất thấp

-

Chu trình thử châu Âu ở chế độ tĩnh đối với động cơ xe tải hạng
nặng và xe khách

-

TA

Khí tăng áp

-

MN

Máy nén

-

TB

Tuabin

-

Động cơ đồng bộ không chổi than

-

Cổng giao tiếp máy tính

-

ECE R49

BLDC
USB

- vi -


COM

Cổng giao giao tiếp máy tính dạng nối tiếp

-

Smoke

Độ khói

-

- vii -


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Số lượng phương tiện hoạt động trên mạng lưới ............................................................... 7
Bảng 1.2. Các biện pháp giảm phát thải trên động cơ diesel ........................................................... 14
Bảng 2.1. Các hệ số của phương trình trao đổi nhiệt tại cửa nạp và thải ......................................... 47
Bảng 2.2. Chuỗi phản ứng hình thành NOx. .................................................................................... 53
Bảng 3.1. Các thông số kết cấu của động cơ D1146TI .................................................................... 64
Bảng 3.2. Các phần tử của mô hình mô phỏng ................................................................................ 65
Bảng 3.3. Tỷ lệ luân hồi khí thải khi mô phỏng luân hồi áp suất cao và áp suất thấp theo chu trình
ECE R49........................................................................................................................................... 67
Bảng 3.4. Kết quả phát thải NOx theo chu trình ECE R49 khi mô phỏng luân hồi áp suất cao và áp
suất thấp trên động cơ D1146TI ....................................................................................................... 68
Bảng 3.5. Kết quả các thành phần phát thải khi có EGR và không có EGR theo chu trình ECE R49
.......................................................................................................................................................... 72
Bảng 3.6. Kết quả mô phỏng các thành phần phát thải khi có và không có bộ DOC và DPF theo
chu trình thử ECE R49 ..................................................................................................................... 73
Bảng 3.7. Kết quả mô phỏng các thành phần phát thải khi có và không có hệ thống giảm phát thải
EGR, DOC và DPF theo chu trình thử ECE R49 ............................................................................. 74
Bảng 3.8. Kích thước cơ bản của bộ lọc DPF cho động cơ diesel D1146TI ................................... 82
Bảng 3.9. Kích thước cơ bản của bộ xúc tác ôxy hóa DOC cho động cơ diesel D1146TI .............. 83
Bảng 3.10. Nhiệt độ khí xả của động cơ D1146TI đo tại vị trí cách tuabin 40 mm ........................ 84
Bảng 4.1. Diễn giải các mode của chu trình thử ECE R49 .............................................................. 96
Bảng 4.2. Tỷ lệ luân hồi khí thải khi mô phỏng và thực nghiệm theo chu trình ECE R49 ........... 100
Bảng 4.3. Kết quả các thành phần phát thải khi có EGR và không có EGR theo chu trình ECE R49

........................................................................................................................................................ 103
Bảng 4.4. Kết quả đo các thành phần phát thải khi có và không có bộ DOC và DPF theo chu trình
thử ECE R49 .................................................................................................................................. 104
Bảng 4.5. Kết quả đo các thành phần phát thải khi có và không có hệ thống giảm phát thải EGR,
DOC và DPF theo chu trình thử ECE R49 ..................................................................................... 105
Bảng 4.6. Kết quả đo công suất và suất tiêu hao nhiên liệu khi có và không có hệ thống giảm phát
thải EGR, DOC và DPF theo13 mode của chu trình thử ECE R49 ............................................... 105
Bảng 4.7. Kết quả so sánh công suất và suất tiêu thụ nhiên liệu giữa mô phỏng và thực nghiệm của
động cơ nguyên bản theo chu trình ECE R49 ................................................................................ 106
Bảng 4.8. Kết quả so sánh phát thải giữa mô phỏng và thực nghiệm theo chu trình thử ECE R49
đối với động cơ nguyên bản ........................................................................................................... 106
Bảng 4.9. Kết quả so sánh công suất và suất tiêu thụ nhiên liệu giữa mô phỏng và thực nghiệm theo
chu trình ECE R49 khi áp dụng các giải pháp giảm phát thải........................................................ 107
Bảng 4.10. Kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm khi áp dụng các giải pháp giảm phát thải theo
chu trình ECE R49 ......................................................................................................................... 107

- viii -


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Số lượng phương tiện theo năm [31] ................................................................................. 4
Hình 1.2. Số lượng xe máy trên 1000 người ở các thành phố lớn năm 2006 [31] ............................ 4
Hình 1.3. Số lượng phương tiện đăng ký theo năm ở Tp.Hồ Chí Minh [31] .................................... 4
Hình 1.4. Số lượng phương tiện ở Hà Nội theo năm [8] ................................................................... 5
Hình 1.5. Số lượng phương tiện đăng ký ở Hà Nội theo năm [31] ................................................... 5
Hình 1.6. Lượt vận chuyển khách bằng phương tiện công cộng giai đoạn 1979-2005 ..................... 6
Hình 1.7. Diễn biến hàm lượng bụi TSP trung bình 1 giờ tại một số địa điểm của Hà Nội từ 20022007 [31] ............................................................................................................................................ 9
Hình 1.8. Diễn biến hàm lượng PM10 trung bình năm trong không khí tại Tp.Hồ Chí Minh từ 20032007 [31] .......................................................................................................................................... 10
Hình 1.9. Diễn biến hàm lượng NO2 trung bình năm trong không khí tại Tp.Hồ Chí Minh từ 20032007 [31] .......................................................................................................................................... 10
Hình 1.10. Phát thải độc hại từ các loại phương tiện khác nhau ở Việt Nam [31] .......................... 10

Hình 1.11. Tiêu chuẩn khí thải đối với các xe ôtô hạng nhẹ của EU và các nước châu Á [3] ........ 11
Hình 1.12. Các giải pháp giảm phát thải PM và NOx nhằm hướng tới các tiêu chuẩn châu Âu [22]
.......................................................................................................................................................... 14
Hình 1.13. Sơ đồ hệ thống luân hồi khí thải EGR ........................................................................... 15
Hình 1.14. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống SCR [20]....................................................... 17
Hình 1.15. Sơ đồ hệ thống LNT [35]............................................................................................... 19
Hình 1.16. Quá trình hấp thụ NOx trong hỗn hợp nghèo [35]......................................................... 20
Hình 1.17. Các phản ứng trong các buồng xử lý [35] ..................................................................... 20
Hình 1.18. Chu trình hấp thụ và tái tạo của hệ thống LNT [35] ...................................................... 21
Hình 1.19. Hiệu quả giảm phát thải độc hại trên động cơ diesel của bộ xúc tác ôxy hóa DOC [20]
.......................................................................................................................................................... 22
Hình 1.20. Cấu tạo bộ xúc tác ôxy hóa DOC .................................................................................. 22
Hình 1.21. Lọc muội than trong khí thải động cơ diesel [7]............................................................ 23
Hình 1.22. Lõi lọc DPF bằng thép lá cuộn ...................................................................................... 23
Hình 1.23. Lọc khối và lọc bề mặt .................................................................................................. 24
Hình 1.24. Chiều chuyển động của dòng khí thải qua lọc khối ....................................................... 24
Hình 1.25. Bộ lọc DPF đồng thời là bộ tiêu âm .............................................................................. 24
Hình 1.26. Cấu tạo hệ thống CRT ................................................................................................... 26
Hình 1.27. Kết cấu bộ phận lọc PM ................................................................................................ 26
Hình 1.28. Sơ đồ nguyên lý hệ thống CRT ..................................................................................... 27
Hình 1.29. Đưa thêm glycol vào khí thải trước khi cho qua bộ xúc tác .......................................... 27
Hình 1.30. SCRT ............................................................................................................................. 28
Hình 1.31. Ảnh hưởng của luân hồi khí thải đến lượng phát thải NOx [11] .................................... 28
Hình 1.32. Phát thải HC và lưu lượng tích lũy phát thải hạt tăng theo tỷ lệ luân hồi (% EGR) ...... 29
Hình 1.33. Tỷ 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)........................................... 30
Hình 1.34. Tỷ lệ cắt giảm CO 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) .................................................. 30

- ix -

Hình 1.35. Biểu đồ so sánh khả năng cắt giảm phát thải NOx theo các công nghệ khác nhau ........ 31
Hình 1.36. Hiệu quả cắt giảm phát thải theo chu trình thử ECE R49.............................................. 31
Hình 2.1. Đặc tính các thành phần độc hại của động cơ diesel theo λ [7] ....................................... 34
Hình 2.2. Tỷ lệ của các thành phần khí thải trong động cơ diesel [4] ............................................. 34
Hình 2.3. Sự phân bố nhiên liệu tia phun [2]................................................................................... 37
Hình 2.4. Sự hình thành HC do tôi trên thành buồng cháy [2] ........................................................ 38
Hình 2.5. Tóm tắt quá trình hình thành bồ hóng của Fusco [2] ....................................................... 40
Hình 2.6. Cơ chế trung gian về động hóa học của quá trình hình thành bồ hóng từ các phân tử
aromatics [2]..................................................................................................................................... 41
Hình 2.7. Mô hình cơ chế tạo hạt bồ hóng từ aromatics và aliphatics [2] ....................................... 41
Hình 2.8. Kết cấu mô hình ống venturi trong Boost. ....................................................................... 54
Hình 2.9. Một phần tử của DPF....................................................................................................... 55
Hình 2.10. Cấu trúc của monolith.................................................................................................... 55
Hình 2.11. Sự lắng đọng bồ hóng trong các lớp .............................................................................. 57
Hình 2.12. Phân bố bồ hóng ............................................................................................................ 57
Hình 2.13. Lựa chọn phản ứng tái sinh lọc của phần tử DPF trong AVL-Boost............................. 59
Hình 3.1. Hệ thống luân hồi áp suất cao .......................................................................................... 61
Hình 3.2. Hệ thống luân hồi áp suất thấp ........................................................................................ 61
Hình 3.4. Kết cấu lõi lọc DPF ......................................................................................................... 63
Hình 3.3. Kết cấu bộ xúc tác ôxy hóa DOC .................................................................................... 63
Hình 3.5. Mô hình luân hồi áp suất cao động cơ D1146TI trên AVL-Boost .................................. 65
Hình 3.6. Mô hình luân hồi áp suất thấp động cơ D1146TI trên AVL-Boost ................................. 65
Hình 3.7. Quan hệ giữa máy nén và tuabin ..................................................................................... 66
Hình 3.8. So sánh công suất, suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ D1146TI giữa mô phỏng và thực
nghiệm .............................................................................................................................................. 66
Hình 3.9. So sánh ảnh hưởng của luân hồi áp suất cao và áp suất thấp tới phát thải NOx theo chu
trình ECE R49 .................................................................................................................................. 68
Hình 3.10. Tỷ lệ luân hồi khí thải theo tốc độ và tải trọng .............................................................. 69

Hình 3.11. Phát thải NOx và bồ hóng theo tỷ lệ luân hồi ở tốc độ 1400vg/ph -25% tải .................. 69
Hình 3.12. Phát thải NOx và bồ hóng theo tỷ lệ luân hồi ở tốc độ 2000vg/ph - 25% tải ................. 69
Hình 3.13. Phát thải NOx và bồ hóng theo tỷ lệ luân hồi ở tốc độ 1400vg/ph - 50% tải ................. 70
Hình 3.14. Phát thải NOx và bồ hóng theo tỷ lệ luân hồi ở tốc độ 2000vg/ph - 50% tải ................. 70
Hình 3.15. Phát thải NOx và bồ hóng theo tỷ lệ luân hồi ở tốc độ 1400vg/ph - 75% tải ................. 70
Hình 3.16. Phát thải NOx và bồ hóng theo tỷ lệ luân hồi ở tốc độ 2000vg/ph - 75% tải ................. 70
Hình 3.17. Phát thải NOx ở các chế độ mô phỏng theo chu trình ECE R49 .................................... 71
Hình 3.18. Phát thải bồ hóng ở các chế độ mô phỏng theo chu trình ECE R49 .............................. 71
Hình 3.19. Mô hình mô phỏng động cơ D1146TI khi kết hợp các biện pháp giảm phát thải EGR +
DOC + DPF ...................................................................................................................................... 72
Hình 3.20. Phát thải NOx ở các chế độ mô phỏng theo chu trình ECE R49 .................................... 73
Hình 3.21. Phát thải bồ hóng ở các chế độ mô phỏng theo chu trình ECE R49 .............................. 73
Hình 3.22. Sơ đồ hệ thống giảm phát thải NOx và PM.................................................................... 74
Hình 3.23. Van EGR kiểu điện từ điều khiển bằng động cơ điện một chiều không chổi than ........ 75
Hình 3.24. Bộ trao đổi nhiệt khí luân hồi ........................................................................................ 76

-x-


Hình 3.25. Hình dáng kết cấu ống venturi. ...................................................................................... 76
Hình 3.26. Vị trí đặt ống khác nhau ................................................................................................ 77
Hình 3.27. Bố trí ống venturi, két làm mát khí luân hồi, bộ DOC và DPF trên động cơ ................ 78
Hình 3.28. Cấu tạo và tín hiệu trả về của cảm biến và điện áp đặt vào các pha của động cơ.......... 79
Hình 3.29. Khối vi xử lý chính ........................................................................................................ 80
Hình 3.30. Khối truyền nhận tín hiệu USB TO COM ..................................................................... 81
Hình 3.31. Khối hiển thị kết quả điều khiển van luân hồi EGR ...................................................... 81
Hình 3.32. Khối công suất điều khiển động cơ BLDC của van luân hồi EGR................................ 82
Hình 3.33. Kích thước cơ bản của bộ lọc DPF ................................................................................ 82
Hình 3.34. Kích thước cơ bản của bộ xúc tác ôxy hóa DOC........................................................... 83
Hình 3.35. Kết cấu lắp đặt bộ DOC và DPF.................................................................................... 83

Hình 3.36. Kết cấu đường thải và vị trí lắp đặt cảm biến nhiệt độ của động cơ D1146TI .............. 84
Hình 3.37. Vị trí lắp đặt bộ DOC và DPF trên đường thải trong quá trình thử nghiệm .................. 84
Hình 3.38. Kết cấu lắp đặt hệ thống giảm phát thải trên động cơ D1146TI .................................... 85
Hình 3.39. Kết cấu lắp đặt hệ thống giảm phát thải trên động cơ D1146TI lắp trên băng thử ........ 85
Hình 4.1. Sơ đồ bố trí thiết bị thử nghiệm ....................................................................................... 87
Hình 4.2. Sơ đồ phòng thử động cơ ................................................................................................. 88
Hình 4.3. Sơ đồ phanh điện APA100 .............................................................................................. 88
Hình 4.4. Sơ đồ nguyên lý thiết bị làm mát nước AVL553 ............................................................. 89
Hình 4.5. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị làm mát dầu bôi trơn AVL554 ........................................... 89
Hình 4.6. Bộ điều khiển tay ga THA100 ......................................................................................... 90
Hình 4.7. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị cân nhiên liệu 733S ........................................... 90
Hình 4.8. Mô hình tủ CEB-II........................................................................................................... 91
Hình 4.9. Sơ đồ cấu tạo của bộ phân tích CO.................................................................................. 92
Hình 4.10. Sơ đồ cấu tạo của bộ phân tích NO và NOx ................................................................... 93
Hình 4.11. Sơ đồ cấu tạo hệ thống đo HC ....................................................................................... 93
Hình 4.12. Cấu hình thiết bị SPC 472 ............................................................................................. 94
Hình 4.13. Thiết bị đo độ khói AVL415 ......................................................................................... 94
Hình 4.14. Động cơ D1146TI chạy khảo nghiệm............................................................................ 95
Hình 4.15. Quá trình lắp đặt động cơ D1146TI trên băng thử......................................................... 95
Hình 4.16. Sơ đồ thể hiện các mode của chu trình thử ECE R49 .................................................... 96
Hình 4.17. Kết quả so sánh đặc tính ngoài động cơ D1146TI thử nghiệm với động cơ D1146TI mới
.......................................................................................................................................................... 97
Hình 4.18. Tỷ lệ EGR theo độ mở van EGR ở tốc độ 1400vg/ph ................................................... 97
Hình 4.19. Tỷ lệ EGR theo độ mở van EGR ở tốc độ 2000vg/ph ................................................... 97
Hình 4.20. Phát thải NOx và độ khói theo tỷ lệ luân hồi ở tốc độ 1400vg/ph - 25% tải .................. 98
Hình 4.21. Phát thải NOx và độ khói theo tỷ lệ luân hồi ở tốc độ 2000vg/ph - 25% tải .................. 98
Hình 4.22. Phát thải NOx và độ khói theo tỷ lệ luân hồi ở tốc độ 1400vg/ph - 50% tải .................. 98
Hình 4.23. Phát thải NOx và độ khói theo tỷ lệ luân hồi ở tốc độ 2000vg/ph - 50% tải .................. 98
Hình 4.24. Phát thải NOx và độ khói theo tỷ lệ luân hồi ở tốc độ 1400vg/ph - 75% tải .................. 99
Hình 4.25. Phát thải NOx và độ khói theo tỷ lệ luân hồi ở tốc độ 2000vg/ph - 75% tải .................. 99

Hình 4.26. Phát thải NOx ở các chế độ thử nghiệm theo chu trình ECE R49................................ 100
Hình 4.27. Phát thải độ khói ở các chế độ thử nghiệm theo chu trình ECE R49........................... 101

- xi -


Hình 4.28. Phát thải CO ở các chế độ thử nghiệm theo chu trình ECE R49 ................................. 101
Hình 4.29. Phát thải HC ở các chế độ thử nghiệm theo chu trình ECE R49 ................................. 101
Hình 4.30. Công suất động cơ ở các chế độ thử nghiệm theo chu trình ECE R49 ........................ 102
Hình 4.31. Lượng tiêu thụ nhiên liệu ở các chế độ thử nghiệm theo chu trình ECE R49 ............. 102
Hình 4.32. Ảnh hưởng giảm phát thải NOx theo chu trình ECE R49 ............................................ 103
Hình 4.33. Ảnh hưởng giảm phát thải độ khói theo chu trình ECE R49 ....................................... 103
Hình 4.34. Ảnh hưởng giảm phát thải CO theo chu trình ECE R49 ............................................. 104
Hình 4.35. Ảnh hưởng giảm phát thải HC theo chu trình ECE R49 ............................................. 104

- xii -


MỞ ĐẦU
Phương tiện giao thông vận tải đã và đang góp phần quan trọng vào quá trình công
nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước nhưng mặt trái của nó cũng đang gây ra những tác động
xấu đến môi trường, gây nguy hại cho sức khỏe của con người và làm suy giảm chất lượng
cuộc sống nhất là cuộc sống ở các đô thị lớn. Phát thải ô nhiễm từ các phương tiện tham
gia giao thông hiện nay đang là một trong những tác nhân lớn nhất có ảnh hưởng đến quá
trình biến đổi khí hậu. Theo đánh giá của các chuyên gia, ô nhiễm không khí ở các đô thị
lớn ở nước ta như Hà Nội, Tp.Hồ Chí Minh do phương tiện giao thông gây ra chiếm tỉ lệ
khoảng 70%. Trong đó hàm lượng phát thải của các phương tiện sử dụng nhiên liệu diesel
chiếm một tỷ lệ đáng kể. Đối với động cơ sử dụng nhiên liệu xăng là tác nhân chính gây
nên ô nhiễm CO và HC trong khi đó động cơ sử dụng nhiên liệu diesel lại là tác nhân chính
gây ô nhiễm PM, NOx và SOx.

Trong những năm qua cùng với sự phát triển của kinh tế đất nước nhu cầu đi lại, vận
chuyển hàng hóa của người dân tăng nhanh dẫn tới số lượng các phương tiện giao thông
đặc biệt là các phương tiện sử dụng nhiên liệu diesel tăng lên rất nhanh như xe buýt, xe
khách, xe tải. Hàm lượng nhiều chất độc hại trong không khí từ khí thải của những loại
phương tiện này đã vượt quá tiêu chuẩn cho phép như PM, NOx và SOx. Những nguyên
nhân chính dẫn đến tình trạng ô nhiễm môi trường do những phương tiện này ở nước ta
hiện nay là:
- Đa phần các phương tiện này được lắp ráp trong nước hoặc nhập khẩu từ Liên Xô
cũ, Trung Quốc, Đài Loan và Hàn Quốc, chỉ có một số lượng nhỏ được nhập từ Nhật Bản,
Đức. Đa phần các xe này đều chưa lắp bộ xúc tác khí thải, rất nhiều xe đã qua sử dụng nên
chất lượng động cơ rất thấp hàm lượng phát thải các chất độc hại cao.
- Sự gia tăng số lượng phương tiện giao thông quá nhanh dẫn tới tình trạng quá tải và
hạn chế tốc độ lưu thông của các phương tiện này. Theo báo cáo của EMBARQ (Viện Tài
nguyên thế giới Mỹ) [5] thì tốc độ lưu thông trung bình của các phương tiện giao thông tại
Hà Nội năm 2005 như sau: tốc độ người đi bộ là 4,0 km/h, xe đạp 15,0 km/h, xe máy 24,8
km/h, xe con 20,0 km/h, xe tải và xe buýt là 16 km/h và tốc độ này có xu hướng giảm
trong các năm tiếp theo. Tốc độ lưu thông thấp càng làm tăng tổng lượng phát thải của các
phương tiện.
- Hàm lượng lưu huỳnh trong dầu diesel vẫn ở mức cao (0,05% S) cộng với tình trạng
lái xe vận hành không theo quy trình. Tình trạng xe thường xuyên hoạt động ở chế độ quá
tải cộng với chế độ bảo dưỡng không đúng định kỳ cũng là nguyên nhân góp phần làm
tăng mức độ ô nhiễm của các loại phương tiện này.
- Điều kiện đường sá thiếu đồng bộ, chật hẹp và có nhiều nút giao thông dẫn tới nhiều
nơi thường xuyên xảy ra tình trạng tắc nghẽn cục bộ. Đồng thời chế độ vận hành của các
phương tiện luôn thay đổi dẫn đến hàm lượng các chất thải độc hại trong khí thải rất cao.
Hiện tượng này chúng ta thường xuyên bắt gặp khi chứng kiến quá trình tham gia giao
thông của rất nhiều xe buýt, một phương tiện sử dụng nhiên liệu diesel rất phổ biến ở các
đô thị lớn.
-1-

Do vậy, việc nghiên cứu ứng dụng các giải pháp giảm phát thải cho động cơ diesel nói
chung và động cơ diesel xe buýt nói riêng đang trở nên cấp thiết trong bối cảnh thực trạng
phát thải của loại phương tiện này cũng như vấn đề ô nhiễm môi trường đang được cả xã
hội quan tâm. Đề tài “Nghiên cứu giảm khí thải độc hại cho động cơ diesel tăng áp lắp
trên xe buýt” hướng tới góp phần giải quyết các yêu cầu trên đây của thực tiễn.

i. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
*) Mục đích nghiên cứu
Đưa ra các giải pháp công nghệ giảm phát thải độc hại cho động cơ diesel tăng áp. Áp
dụng giải pháp để cắt giảm phát thải thành công cho động cơ diesel tăng áp của xe buýt đạt
tiêu chuẩn khí thải Việt Nam.
*) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Động cơ D1146TI được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu. Đây là động cơ diesel
tăng áp, sử dụng hệ thống cung cấp nhiên liệu truyền thống, hiện đang được sử dụng phổ
biến trên các xe buýt tại Hà Nội. Các nội dung nghiên cứu của đề tài được thực hiện tại
Phòng thử động cơ nhiều xylanh, Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động
lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Các giải pháp giảm phát thải được áp dụng trong nghiên cứu này tập trung vào giảm
phát thải NOx bằng phương pháp luân hồi khí thải; giảm phát thải hạt bằng bộ lọc kết hợp
với bộ chuyển đổi xúc tác.

ii. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm được sử dụng xuyên suốt
trong nghiên cứu này. Nghiên cứu xuất phát từ kinh nghiệm giảm phát thải cho động cơ
diesel hiện đang được áp dụng ở các nước tiên tiến trên thế giới. Qua đó phân tích, đánh
giá và lựa chọn giải pháp kỹ thuật khả thi giảm phát thải độc hại cho động cơ diesel tăng áp
lắp trên xe buýt đang lưu hành.
Nghiên cứu đã sử dụng công nghệ mô phỏng 1 chiều chu trình công tác và nhiệt động
học của động cơ trên phần mềm AVL-Boost để đánh giá về mặt lý thuyết các giải pháp

giảm phát thải nhằm lựa chọn giải pháp khả thi áp dụng cho động cơ nghiên cứu.
Thiết kế và chế tạo hệ thống luân hồi khí thải và xử lý giảm phát thải cho động cơ
diesel lắp trên xe buýt đang lưu hành.
Sử dụng phương pháp thực nghiệm trong phòng thí nghiệm để đánh giá khả năng ứng
dụng các công nghệ giảm phát thải độc hại như luân hồi khí thải (EGR), xúc tác ôxy hóa
(DOC) và lọc phát thải hạt (DPF) trên động cơ và mức độ giảm phát thải độc hại, cũng như
các ảnh hưởng của việc sử dụng các giải pháp giảm phát thải độc hại đến tính năng kinh tế,
kỹ thuật của động cơ.

iii. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Lần đầu tiên ở Việt Nam sử dụng phương pháp nghiên cứu mô phỏng kết hợp với thực
-2-


nghiệm trên các thiết bị hiện đại, đồng bộ đưa ra được giải pháp khả thi và phù hợp với
điều kiện thực tế ở Việt Nam để giảm đồng thời các thành phần phát thải độc hại của động
cơ diesel ôtô đang lưu hành.
Giải pháp cắt giảm phát thải này bao gồm: Luân hồi khí thải (luân hồi áp suất thấp)
nhằm giảm phát thải NOx, bộ lọc phát thải hạt (DPF) nhằm giảm phát thải hạt (PM) và bộ
chuyển đổi xúc tác (DOC) được lắp đặt ngay trước bộ DPF nhằm mục đích cắt giảm phát
thải hyđrô cácbon (HC), mônôxit cácbon (CO) và đồng thời chuyển đổi thành phần phát
thải NO thành NO2 làm chất xúc tác giảm nhiệt độ đốt cháy muội than trong bộ lọc hạt,
qua đó nâng cao hiệu quả quá trình tái sinh liên tục bộ lọc hạt.
Các phương pháp luân hồi khí thải áp dụng cho động cơ diesel tăng áp đã được nghiên
cứu bằng mô phỏng và thực nghiệm. Theo đó, hai hệ thống luân hồi đã được đề xuất gồm
luân hồi áp suất thấp và luân hồi áp suất cao. Thực tế thử nghiệm trên băng thử cho thấy
luân hồi áp suất thấp cho phép đạt được tỷ lệ luân hồi lớn, đảm bảo được tiêu chí cắt giảm
phát thải NOx. Đây là hệ thống được lựa chọn để giảm phát thải NOx trên động cơ thử
nghiệm.
Các kết quả của luận án có giá trị về phương pháp luận trong việc ứng dụng công nghệ

giảm phát thải độc hại trong khí thải động cơ diesel ở điều kiện Việt Nam.
Kết quả nghiên cứu góp phần định hướng giải quyết vấn đề bức xúc của thực tiễn về ô
nhiễm không khí do phương tiện giao thông sử dụng động cơ diesel, đặc biệt là động cơ
diesel xe buýt. Giải pháp và hệ thống cắt giảm phát thải cho động cơ diesel sau khi hoàn
thiện và thử nghiệm đánh giá độ bền và thử nghiệm hiện trường có thể đưa vào sử dụng đại
trà trong thực tế, góp phần cải thiện chất lượng phát thải của loại động cơ này và cải thiện
chất lượng không khí đô thị nói chung.

iv. Các nội dung chính trong đề tài
Thuyết minh của đề tài được trình bày gồm các phần như sau:
 Mở đầu
 Chương 1. Tổng quan
 Chương 2. Lý thuyết về sự hình thành và cơ sở tính toán phát thải độc hại động cơ
diesel
 Chương 3. Tính toán, thiết kế và chế tạo hệ thống luân hồi khí thải và lắp lọc bụi
khói cho động cơ diesel tăng áp
 Chương 4. Thực nghiệm và đánh giá
 Kết luận chung và phương hướng phát triển.

-3-


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Sự phát triển phương tiện giao thông ở Việt Nam
Trong những năm gần đây, số lượng phương tiện tăng lên một cách nhanh chóng
(hình 1.1) [31] kéo theo sức ép ngày càng lớn đối với môi trường đô thị. Tính đến
31/10/2009, số lượng xe máy đã đạt con số 27,234 triệu chiếc, số lượng ô tô đạt 1.092.614
chiếc [3]. Ở thời điểm hiện tại, số lượng xe máy theo ước tính đã đạt con số 34 triệu chiếc.
Phương tiện giao thông tập trung chủ yếu ở các thành phố lớn như Tp.Hồ Chí Minh, Hà
Nội (hình 1.2).

Hình 1.1. Số lượng phương tiện theo năm [31]

Hình 1.2. Số lượng xe máy trên 1000 người ở các Hình 1.3. Số lượng phương tiện đăng ký theo
thành phố lớn năm 2006 [31]
năm ở Tp.Hồ Chí Minh [31]

Theo kết quả báo cáo trên hình 1.3 cho thấy số lượng phương tiện đăng ký và quản lý
ở Tp.Hồ Chí Minh vượt con số 3,1 triệu chiếc (8/2006) chưa kể tới những phương tiện
đăng ký ở các tỉnh nhưng lưu hành ở thành phố, trong đó có trên 2,8 triệu xe máy (91%) và
0,3 triệu ôtô. Đây cũng là thành phố chiếm tới 1/4 tổng số phương tiện ở Việt Nam [31].
Hà Nội cũng là một thành phố có tốc độ phát triển số lượng phương tiện giao thông
đường bộ ở mức cao, tốc độ tăng trưởng phương tiện hằng năm là 11% đối với ô tô và 15%
đối với xe máy (hình 1.4 và 1.5) [8], [31].

-4-


Hình 1.4. Số lượng phương tiện ở Hà Nội theo năm [8]

Hình 1.5. Số lượng phương tiện đăng ký ở Hà Nội theo năm [31]

Hầu hết các phương tiện giao thông đô thị đều là phương tiện cá nhân. Giao thông
công cộng ở Tp.Hồ Chí Minh chỉ đáp ứng không quá 5% nhu cầu giao thông. Trên 70%
dân số sử dụng phương tiện cá nhân, chủ yếu là mô tô, xe máy. Mặc dù số lượng ôtô cá
nhân tăng lên rất nhanh trong những năm gần đây, mô tô xe máy vẫn chiếm đa số, ở Tp.Hồ
Chí Minh, trên 98% hộ gia đình sở hữu 1 hoặc hơn 1 mô tô/xe máy. Ở Hà Nội, số lượng xe
máy chiếm trên 87% phương tiện giao thông. Xe đạp, loại phương tiện thân thiện với môi
trường giảm mạnh. Dịch vụ giao thông công cộng ở Hà Nội bao gồm xe buýt, taxi, xe ôm,
tuy nhiên tỷ lệ giao thông công cộng chỉ chiếm một phần nhỏ của giao thông đô thị [31].

Phương tiện lưu hành ở Việt Nam bao gồm nhiều loại, có nhiều phương tiện đã cũ,
tiêu thụ nhiên liệu lớn, ồn và phát thải độc hại rất cao. Thực hiện Nghị định 92/2001/NĐCP ngày 11/12/2001 về điều kiện kinh doanh vận tải bằng ôtô và Nghị định 23/2004/NĐCP ngày 13/01/2004 về niên hạn sử dụng ôtô tải và ôtô chở người, số lượng phương tiện
quá cũ đã được giảm đi đáng kể. Tuy nhiên, chất lượng của phương tiện luôn nhận được sự
quan tâm lớn, đặc biệt là khi tiêu chuẩn khí thải Euro 2 được triển khai áp dụng từ
1/7/2007.
-5-


Hệ thống giao thông công cộng ở Hà Nội tồn tại ở 2 dạng. Một dạng được tổ chức tốt,
hoạt động theo tuyến và có khả năng vận chuyển số lượng hành khách lớn. Dạng còn lại là
những hệ thống định hướng vùng gồm taxi và xe ôm.
Hệ thống giao thông công cộng từng được phát triển khá tốt trước thời kỳ đổi mới
(trước năm 1986) với phương tiện giao thông công cộng chủ yếu là xe buýt và tàu điện. Từ
năm 1989, hệ thống tàu điện được dỡ bỏ, giao thông công cộng giảm mạnh. Từ năm 2001,
hệ thống giao thông công cộng bằng xe buýt được khôi phục lại và phát triển khá mạnh
(hình 1.6) [25].

Hình 1.6. Lượt vận chuyển khách bằng phương tiện công cộng giai đoạn 1979-2005

Tắc nghẽn giao thông là một trong những vấn đề diễn ra hằng ngày ở các thành phố
lớn. Tắc nghẽn giao thông làm gia tăng phát thải và tiếng ồn, gây ô nhiễm nặng nề và nhiều
hệ lụy khác. Ở Hà Nội, diện tích đất dành cho mục đích giao thông ở nội đô chỉ chiếm 7%
tổng diện tích của thành phố (ở Tp.Hồ Chí Minh là 13,42%). Ở các nước phát triển, diện
tích đất dùng cho mục đích giao thông thường nằm trong dải từ 20 ÷ 25% tổng diện tích đô
thị (chưa kể đến diện tích dành cho giao thông dưới lòng đất). Các nguyên nhân khác gây
ra tình trạng trên đó là sự bố trí không hợp lý mạng lưới giao thông, ví dụ như hầu hết
mạng lưới giao thông đều tồn tại các điểm giao cắt, đường chật hẹp, không được phân làn
và không có kiểm soát các khu dân cư và hoạt động dịch vụ dọc theo các tuyến đường,
cũng như sự nhiễu loạn trong các hoạt động xây dựng kết hợp với việc nâng cấp cơ sở hạ
tầng như bảo trì đường sá, đặt cáp ngầm, hệ thống cấp nước…

Hiện nay, tổng số phương tiện trên các tuyến buýt nội đô Hà Nội là 940 xe hiện đang
hoạt động trên 60 tuyến, sức chứa từ 24 đến 80 chỗ (bảng 1.1). Hầu hết phương tiện hoạt
động trên các tuyến là xe từ 45 chỗ trở lên, có 38% xe có sức chứa 80 chỗ và 46% xe có
sức chứa 60 chỗ, chỉ có 3 tuyến chạy xe dưới 30 chỗ với lượng xe chiếm 4% tổng số xe.
Các mác xe sử dụng chủ yếu là Daewoo, Transinco, Mercedes, Huyndai, Thaco [1].
-6-


Trong tổng số 12 tuyến kế cận (bao gồm các tuyến Hà Tây cũ), có 255 xe hoạt động.
Phương tiện chủ yếu là xe 40 ÷ 60 chỗ, thiết kế giống xe buýt nội đô, có chỗ đứng cho
hành khách.
Mạng lưới tuyến phát triển không ngừng, dần dần phủ kín khu vực nội thành và vươn
ra những đô thị vệ tinh. Năm 2001 toàn mạng có tổng số 31 tuyến, đến nay đã có 60 tuyến
buýt nội đô.
Sản lượng vận chuyển hành khách không ngừng tăng lên: từ năm 2001 sản lượng
khách vận chuyển đạt 15,3 triệu lượt hành khách, đến năm 2007 đạt gần 350 triệu lượt
hành khách.
Tổng số phương tiện xe buýt năm 2001 là 262 thì đến năm 2007 tăng lên thành 1.195
xe, chủ yếu là các loại xe có sức chứa trung bình và lớn.
Bảng 1.1. Số lượng phương tiện hoạt động trên mạng lưới
TT

Nội dung

Mác xe

Số xe có

Tổng số
chỗ(chỗ)

I

44 tuyến đặt hàng

1

Loại 80 chỗ

Daewoo, Mercedes, Thaco,
Huyndai

305

24.400

2

Loại 60 chỗ

Daewoo B60, BS090DL,
BS 090

292

17.520

3

Loại 45 chỗ

Transinco

50

2.250

4

Loại 30 chỗ

Transinco

37

1.110

5

Loại 24 chỗ

Huyndai

38

912

II

16 tuyến xã hội hóa

1

Loại 80 chỗ

Daewoo, Hàn Quốc,
Transinco B80

67

5.360

2

Loại 60 chỗ

Thaco, Transinco, Daewoo
BS090DL

137

8.220

3

Loại 30 chỗ

Daewoo

14

420

Daewoo, Transinco

255

12.750

1.195

72.942

III

12 tuyến kế cận (40 - 60 chỗ)

722

218

Tổng cộng

1.2. Tổng quan về ô nhiễm môi trường do phát thải của phương
tiện giao thông
1.2.1. Các thành phần độc hại trong khí thải của động cơ
Sản phẩm cháy được thải ra từ động cơ đốt trong gồm ôxit nitơ (NOx), mônôxit
cácbon (CO), hyđrô cácbon (HC), chất thải hạt (PM) và anđêhit, là nguyên nhân chính gây
ra ô nhiễm không khí. Động cơ đốt trong là nguồn đóng góp xấp xỉ một nửa lượng chất ô
-7-

nhiễm NOx, CO, và HC trong không khí [19]. Các chất ô nhiễm này gây nhiều tác hại khác
nhau cho sức khỏe và môi trường. Ví dụ, NOx phản ứng với hơi nước tạo thành axit nitric
và phản ứng với bức xạ ánh sáng mặt trời tạo thành khí ôzôn trong khí quyển, cả hai sản
phẩm này đều gây ra các vấn đề đối với hệ hô hấp. Mônôxit cácbon có ái lực đối với
hêmôglôbin lớn hơn khoảng 200 lần so với ôxy, bởi vậy nó có thể gây trở ngại cho sự vận
chuyển khí ôxy trong hệ tuần hoàn của con người. Ngoài ra, các hyđrô cácbon có thể gây
ra sự đột biến tế bào và cũng góp phần hình thành ôzôn trong khí quyển.
Tùy thuộc vào loại nhiên liệu sử dụng, phương pháp hình thành hỗn hợp và cháy, và
tình trạng của động cơ mà nồng độ các thành phần phát thải của các động cơ khác nhau.
Trong khi động cơ xăng có hàm lượng các thành phần phát thải CO và HC cao thì động cơ
diesel lại được biết đến với các thành phần phát thải PM và NOx lớn.
NOx được sinh ra trong buồng cháy trong quá trình cháy do phản ứng hóa học giữa
nguyên tử ôxy và nitơ 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 tỷ lệ thuận với tải của động cơ [19].
Ở chế độ khởi động và chạy ấm máy, lượng NOx thải ra tương đối thấp, trong khi ở chế độ
tải càng tăng thì lượng phát thải NOx càng lớn do nhiệt độ của quá trình cháy cũng như
nhiệt độ của động cơ tăng cao.
PM (phát thải hạt) bao gồm các nhân cácbon (bồ hóng), bám dính trên nó là các hợp
chất hữu cơ. Hầu hết phát thải hạt là kết quả của quá trình cháy không hoàn toàn hyđrô
cácbon nhiên liệu, 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 5000C, các hạt
riêng biệt là một chuỗi những hạt cácbon hình cầu hoặc tương tự hình cầu (kết hợp với một
lượng nhỏ hyđrô cácbon) với đường kính của các hạt tương tự hình cầu khoảng 15 đến 30
nm. Khi nhiệt độ giảm xuống dưới 5000C, các hạt này sẽ được phủ bởi các hợp chất hữu cơ
bám đọng có trọng lượng khá lớn bao gồm: hyđrô cácbon, hyđrô cácbon có chứa phân tử
ôxy (ketones, este, axít hữu cơ) và hyđrô cácbon thơm đa nhân. Các thành phần bám đọng
còn có những thành phần không phải hữu cơ như ôxít lưu huỳnh, ôxít nitơ và axít sunfuríc
[26].

1.2.2. Tình hình phát thải ô nhiễm của phương tiện giao thông ở Việt Nam
Cùng với quá trình phát triển công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước là quá trình đô
thị hóa và cơ giới hóa các phương tiện giao thông. Số lượng phương tiện cơ giới tăng
nhanh, đặc biệt là phương tiện cá nhân, tại các thành phố lớn đã dẫn đến nguy cơ ô nhiễm
không khí ngày một nặng nề.
Ô nhiễm không khí tại các trục giao thông và khu vực dân cư xung quanh đường giao
thông chủ yếu là do khí thải các loại xe cơ giới. Trừ bụi xây dựng thì các nguồn khác như
khí thải từ các chất đốt dùng trong sinh hoạt hoặc khí thải của các nhà máy công nghiệp ở
khu vực khác lan sang cũng có ảnh hưởng đến ô nhiễm không khí trong khu vực nội thành
nhưng không lớn. Theo báo cáo hiện trạng môi trường quốc gia năm 2007 [31], kết quả
quan trắc môi trường không khí trên toàn quốc cho thấy lĩnh vực giao thông ước tính
chiếm khoảng 85% đối với CO và 95% đối với VOCs (các hợp chất hữu cơ bay hơi), các
hoạt động công nghiệp và sinh hoạt chỉ chiếm 10 đến 30%. Trong đó, khí thải xe cơ giới là
-8-


nguồn chính gây ô nhiễm CO, HC, PM10 (phát thải hạt có kích thước đến 10µm), NOx và
các chất phụ gia trong xăng như benzene, toluene, xylene còn SO2 (ôxít lưu huỳnh) thì chủ
yếu từ các nguồn thải công nghiệp và TSP (bụi tổng) thì có phần nhiều từ hoạt động xây
dựng.
Do chưa có hệ thống quan trắc đầy đủ nên không thể thấy được bức tranh tổng thể về
ô nhiễm không khí trên cả nước mà chỉ hình dung được phần nào mức độ ô nhiễm không
khí tại một số trục giao thông chính tại Hà Nội và Tp.Hồ Chí Minh. Các số liệu quan trắc
cho thấy các thành phố lớn ở nước ta đều bị ô nhiễm bụi TSP, PM10, CO, HC, NOx và một
số chất phụ gia trong xăng như benzen.
Nếu so sánh thì có thể nhận thấy các thành phố lớn ở nước ta có chất lượng không khí
ở mức kém trong khu vực, chỉ hơn các thành phố lớn của Trung Quốc và Ấn Độ những
năm 1990 ÷ 2000 trong khi mức độ phát triển lại không bằng. Trong khi đó, các thành phố
như Hồng Kông, Băng Cốc… là những trung tâm thương mại lớn của khu vực lại có chất
lượng không khí tốt hơn.

Hầu như tất cả các thành phố lớn, kể cả các thành phố thuộc tỉnh đều gặp phải ô
nhiễm bụi trên các trục giao thông và khu vực dân cư. Ô nhiễm bụi tổng TSP do các hoạt
động xây dựng ngày càng có xu hướng trầm trọng ở nước ta, trong khi các nước đã khắc
phục được vấn đề này.
Chúng ta cũng bị ô nhiễm bụi PM10 và vẫn có xu hướng tăng lên. Mức độ ô nhiễm
không bằng các thành phố ở Trung Quốc và Ấn Độ trước đây nhưng lại cao hơn Hồng
Kông và Băng Cốc. Ô nhiễm PM10 ở nước ta do các loại xe cơ giới chạy diesel và một
phần do xe mô tô, xe gắn máy.
0,7

mg/m3

2002
2004
2006
TCVN 5937-2005

0,6
0,5

2003
2005
2007

0,4
0,3
0,2
0,1
0
KCN Th­îng §×nh

Ng· t­ Gi¶i Phãng - Kim
Liªn

Nam Thµnh C«ng

Phè Lý Quèc S­

Hình 1.7. Diễn biến hàm lượng bụi TSP trung bình 1 giờ tại một số địa điểm
của Hà Nội từ 2002-2007 [31]

Theo kết quả quan trắc năm 2006 và 6 tháng đầu năm 2007 của Sở Tài nguyên, Môi
trường và Nhà đất Hà Nội [31], nồng độ bụi trung bình 1 giờ ở các tuyến đường giao thông
trên địa bàn Hà Nội là 0,5 mg/m3. Trong đó, khoảng 60% số kết quả vượt tiêu chuẩn cho
phép (TCCP) và khoảng 25% vượt TCCP trên 2 lần.
Tại Tp.Hồ Chí Minh, giá trị trung bình giờ của bụi tổng TSP ở ven đường dao động
trong khoảng 0,31 ÷ 2,69 mg/m3, còn giá trị trung bình năm của PM10 ở ven đường từ 67,2
-9-


÷ 81,7 µg/m3 (hình 1.8). Tất cả đều
nằm trên TCCP.
Hàm lượng NO2 trung bình
năm tại các trục giao thông cao và
thường xuyên vượt TCCP đến 1,3
lần tại Tp. Hồ Chí Minh. Trong khi
đó, giá trị trung bình năm của NO2
tại các khu dân cư nhìn chung vẫn
thấp hơn TCCP (hình 1.9). Điều
này chứng tỏ NO2 được phát sinh

chủ yếu từ các xe cơ giới, trong đó
các loại xe dùng động cơ diesel
đóng góp phần chủ yếu.

120

um/m3
Trục giao thông

Khu dân cư

TCVN 5937-2005

100
80
60
40
20
0
2003

2004

2005

2006

6 tháng đầu
năm 2007

Hình 1.8. Diễn biến hàm lượng PM10 trung bình năm
trong không khí tại Tp.Hồ Chí Minh từ 2003-2007 [31]
60
50

Ug/m3

Xe cơ giới là một nguồn chính
40
gây ô nhiễm không khí tại các
30
thành phố lớn. Các thành phần độc
20
hại trong khí thải làm ảnh hưởng
10
nghiêm trọng đến sức khỏe con
người và các thành phần khác như
0
2003
2004
2005
2006
6 tháng đầu
CO2, CH4, N2O gây hiệu ứng nhà
năm 2007
TCVN
5937-2005
Khu
dân
cư

Trục
giao
thông
kính, tác động làm biến đổi khí
hậu.
Hình 1.9. Diễn biến hàm lượng NO2 trung bình năm trong
không khí tại Tp.Hồ Chí Minh từ 2003-2007 [31]
Giao thông cơ giới đường bộ
là nguồn gây phát thải ô nhiễm
quan trọng nhất ở các đô thị. Hình
1.10 thể hiện phát thải từ các loại
phương tiện khác nhau, trong đó,
xe môtô và xe gắn máy là nguồn
phát thải chính các khí CO, HC,
VOCs trong khi NOx và SOx chủ
yếu do xe tải sử dụng động cơ
diesel gây ra. Ngoài ra, phương
tiện sử dụng nhiên liệu diesel cũng
được biết đến là nguồn gây ra phát
Hình 1.10. Phát thải độc hại từ các loại phương tiện khác
thải hạt (PM).
nhau ở Việt Nam [31]

1.2.3. Tiêu chuẩn kiểm soát phát thải từ động cơ diesel
1.2.3.1. Tiêu chuẩn kiểm soát phát thải trên thế giới
Tiêu chuẩn khí thải của các nước được quy định rất khác nhau, các nước có nền kinh
tế phát triển thì tiêu chuẩn khí thải càng ngặt nghèo hơn. Châu Âu là cái nôi của ngành
công nghiệp ôtô thế giới bởi những phát minh sáng chế đầu tiên về động cơ đốt trong ra
- 10 -

đời từ lục địa này. Sự phát triển vượt bậc của thị trường ôtô giai đoạn 1960 ÷ 1970 và bài
học về cái chết của 80 người dân NewYork trong 4 ngày thời tiết đảo lộn do ô nhiễm
không khí, buộc chính phủ của các nước châu Âu xây dựng một chương trình cắt giảm khí
thải xe hơi vào năm 1970. Tuy nhiên, phải đến năm 1987, dự luật hoàn chỉnh quy định giá
trị nồng độ giới hạn của các loại khí thải mới được thông qua và người ta vẫn thường gọi
đó là Euro 0. Trải qua hơn 20 năm, thêm 5 tiêu chuẩn nữa được ban hành bao gồm: Euro 1
năm 1991, Euro 2 năm 1996, Euro 3 năm 2001, Euro 4 năm 2005, tiêu chuẩn Euro 5 năm
2008 và trong tương lai, năm 2013, sẽ áp dung tiêu chuẩn EURO 6. Các tiêu chuẩn Euro
được áp dụng cho tất cả các nước Liên minh châu Âu và nhiều nước khác trên thế giới
cũng áp dụng hệ thống tiêu chuẩn này (hình 1.11).

Hình 1.11. Tiêu chuẩn khí thải đối với các xe ôtô hạng nhẹ của EU và các nước châu Á [3]

Trên thế giới, Mỹ cũng là nước có tiêu chuẩn phát thải rất ngặt nghèo, các tiêu chuẩn
phát thải khác nhau giữa các bang. Cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ EPA (Environmental
Protection Agency) đặt nhiều định mức tiêu chuẩn khác nhau dựa trên tiêu chuẩn của cơ
quan môi trường California (CARB - California Air Resources Board). Bang California
đứng vị trí đầu tiên với yêu cầu tiêu chuẩn động cơ đạt Tier 2 Bin 5, theo đó 13 bang khác
ở Mỹ sẽ áp dụng tiêu chuẩn này từ nay đến 2012. Hiện British Columbia & Quebec áp
dụng tiêu chuẩn California trong khi các bang còn lại ở Mỹ & Canada áp dụng tiêu chuẩn
EPA - Tier 2 Bin 8.
Tại châu Á, một số nước phát triển như Nhật Bản, Trung Quốc, Hàn Quốc đưa tiêu
chuẩn phát thải từ rất sớm. Một số nước đang phát triển gần đây cũng bắt đầu từng bước
đưa ra những quy định phát thải riêng, trong đó Việt Nam bắt đầu áp dụng tiêu chuẩn khí
thải Euro 2 từ năm 2007 [7].

- 11 -