Nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ điều khiển phun urea cho bộ xử lý xúc tác SCR lắp trên động cơ diesel

họ và tên tác giả luận văn

B GIO DC V O TO
TRNG I HC BCH KHOA H NI
---------------------------------------

Nguyn Tựng Lõm

ngành

NGHIấN CU THIT K, CH TO B IU KHIN PHUN UREA CHO
B X Lí XC TC SCR LP TRấN NG C DIESEL

LUN VN THC S K THUT C KH NG LC

khoá
H Ni 2015

-i-


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------Nguyễn Tùng Lâm

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN PHUN UREA CHO
BỘ XỬ LÝ XÚC TÁC SCR LẮP TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL

Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ khí Động lực

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS Trần Quang Vinh

Hà Nội – 2015
- ii -


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai khác công bố.

Hà Nội, tháng 11 năm 2015
Học viên cao học

Nguyễn Tùng Lâm

- iii -


LỜI CẢM ƠN

Trên hết, cho phép tôi đƣợc gửi lời cảm ơn đặc biệt tới thầy TS Trần Quang
Vinh đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ để tôi vƣợt qua những khó khăn, trở ngại để
bƣớc vào thế giới khoa học của xử lý khí thải, với bƣớc đầu là việc hoàn thành luận
văn này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Bộ môn Động cơ đốt trong, Trƣờng
Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện hỗ trợ giúp đỡ và động viên tôi trong
quá trình học tập cao học và thực hiện luận văn tốt nghiệp.

Ngoài ra, luận văn này đƣợc hoàn thành nhờ sự cổ vũ, khuyến khích và tạo
điều kiện thuận lợi của đồng nghiệp trong Bộ môn Động cơ đốt trong, Trƣờng Đại
học Giao thông vận tải nơi tác giả công tác. Tác giả xin đƣợc gửi tới các đồng
nghiệp lời cảm ơn chân thành.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới những ngƣời thân yêu trong gia
đình, nhờ đó mà tôi có thể tập trung thời gian để hoàn thành chƣơng trình học tập
tại trƣờng.

- iv -


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ iii
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. iv
MỤC LỤC ......................................................................................................................... v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................. viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.......................................................................................... x
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .................................................................................. xii
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................... 1
I. Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài................................................... 1
i. Mục đích nghiên cứu
1
ii. Đối tƣợng
1
iii. Phạm vi nghiên cứu
1
II. Phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................................................ 1
III. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn....................................................................................... 1
IV. Các nội dung chính trong đề tài .................................................................................... 2
CHƢƠNG 1. KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ DIESEL VÀ CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÝ ......... 3

1.1 Thành phần khí thải động cơ diesel và cơ chế hình thành ............................................ 3
1.1.1 Thành phần khí thải động cơ diesel
3
1.1.2 Cơ chế hình thành các chất trong khí thải diesel
5
1.1.2.1 Cơ chế hình thành NOx trên động cơ diesel
5
1.1.2.2 Cơ chế hình thành PM
7
1.1.2.3 Cơ chế hình thành CO
9
1.1.2.4 Cơ chế hình thành HC
10
1.1.2.5 Hợp chất chứa lƣu huỳnh
10
1.1.3 Yêu cầu về giảm phát thải độc hại
10
1.2 Các biện pháp xử lý khí thải diesel ............................................................................. 11
1.2.1 Các biện pháp kết cấu
11
1.2.2 Các biện pháp xử lý sau cửa thải
14
1.2.2.1 Bộ xúc tác ô-xy hóa (DOC) xử lý CO và HC
14
1.2.2.2 Bộ lọc hạt PM kiểu kín (DPF)
15
1.2.2.3 Xử lý thành phần NOx từ khí thải diesel
17
1.3 Kết luận chƣơng 1 ....................................................................................................... 21
Chƣơng 2. BỘ XỬ LÝ XÚC TÁC CHỌN LỌC (SCR) .............................................. 22

2.1 Nhiệm vụ và phân loại ................................................................................................ 22
2.1.1 Nhiệm vụ
22
2.1.2 Phân loại
22
2.1.2.1 Phân loại theo chất khử
22
2.1.2.2. Phân loại theo hệ xúc tác
38
2.1.2.3. Phân loại theo hệ thống điều khiển
49

-v-


2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ................................................................................. 52
2.2.1 Cấu tạo chung bộ SCR
52
2.2.2 Nguyên lý hoạt động
53
2.3 Các chi tiết chính của bộ xử lý xúc tác SCR .............................................................. 54
2.3.1 Bộ xúc tác khử NOx
54
2.3.2 Thiết bị chứa urea
55
2.3.3 Bơm cấp urea
55
2.3.4 BĐK điều khiển lƣợng urea phun vào đƣờng thải
56
2.3.5 Vòi phun urea

57
2.4 Kết luận chƣơng 2 ....................................................................................................... 58
CHƢƠNG 3. MÔ PHỎNG BỘ XỬ LÝ XÚC TÁC CHỌN LỌC.............................. 59
3.1 Cơ sở tính toán mô phỏng ........................................................................................... 59
3.1.1 Cơ sở lý thuyết để tính toán mô phỏng SCR
59
3.1.1.1 Phƣơng trình liên tục của pha khí
59
3.1.1.2 Phƣơng trình bảo toàn động năng đƣợc cho bởi phƣơng trình Steady
State Darcy
59
3.1.1.3 Phƣơng trình bảo toàn năng lƣợng
60
3.1.1.4 Phƣơng trình cân bằng năng lƣợng chất rắn
62
3.1.2 Cơ chế phản ứng SCR
62
3.2 Mô phỏng bộ xử lý xúc tác bằng phần mềm AVL-BOOST ....................................... 63
3.2.1 Mô hình xử lý xúc tác chọn lọc trên AVL-BOOST
63
3.2.2 Mô phỏng trên phần mềm AVL-BOOST
64
3.2.2.1 Mục đích của mô phỏng
64
3.2.2.2 Mô phỏng và đánh giá các nhân tố ảnh hƣởng đến hiệu suất khử
NOx
64
3.3 Kết luận chƣơng 3 ....................................................................................................... 67
CHƢƠNG 4. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN PHUN UREA-SCR ........ 68
4.1 Cơ sở tính toán thiết kế hệ thống ............................................................................... 68

4.1.1 Các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu suất bộ xử lý SCR
68
4.1.2 Yêu cầu thiết kế hệ thống
70
4.1.2.1 Quy trình thiết kế hệ thống SCR
70
4.1.2.2 Yêu cầu thiết kế hệ thống urea-SCR
70
4.1.3 Xây dựng các chế độ hoạt động của hệ thống SCR
71
4.1.3.1 Chƣa hoạt động
71
4.1.3.2 Hoạt động ở chế độ chuyển tiếp
72
4.1.3.3 Chế độ làm việc ổn định
72
4.1.3.4 Chế độ dự phòng
72
4.1.4 Các phƣơng án thiết kế
72
4.1.4.1 Phƣơng án về cơ cấu chấp hành – vòi phun
72
4.1.4.2 Phƣơng án về các cảm biến
73

- vi -


4.1.4.3 Phƣơng án về bộ điều khiển
73

4.2 Tính toán hệ thống phun urea-SCR............................................................................. 73
4.2.1 Tính toán lƣợng urea cần cung cấp
73
4.2.2 Thiết kế hệ thống điều khiển phun urea-SCR
75
4.2.2.1 Tín hiệu điều khiển vòi phun urea
75
4.2.2.2 Điều khiển lƣợng phun
76
4.3 Chế tạo và thử nghiệm sơ bộ hệ thống phun urea-SCR .............................................. 78
4.3.1 Tín hiệu từ các cảm biến
78
4.3.1.1 Sơ đồ khối chức năng
78
4.3.1.2 Cảm biến nhiệt T
79
4.3.1.3 Cảm biến nồng độ NOx
79
4.3.1.4 Cảm biến nồng độ NH3
81
4.3.2 Thuật toán điều khiển phun urea
82
4.3.3 Thiết bị thử nghiệm điều khiển phun urea
83
4.3.4 Kết quả thử nghiệm
85
4.4 Kết luận chƣơng 4 ....................................................................................................... 88
KẾT LUẬN CHUNG VÀ PHƢƠNG HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ......... 90
I. Kết luận chung ............................................................................................................... 90
II. Phƣơng hƣớng phát triển .............................................................................................. 90

Các công trình đã công bố ............................................................................................. 92
Tài liệu tham khảo ......................................................................................................... 93

- vii -


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Diễn giải

ĐCĐT
ML
BĐK
CB

Động cơ đốt trong
Mã lực
Bộ điều khiển
Cảm biến
Pulse Width Modulation (Điều khiển lƣợng phun dựa trên
thay đổi độ rộng chuỗi xung vuông)
Khí ni-tơ
Khí ô-xy
Các-bon mô-nô-xít
Các-bon đi-ô-xít
Hy-đrô các-bon
Particulate Matter (Phát thải dạng hạt)
Các ô-xít ni-tơ
Ni-tơ ô-xít

Ni-tơ đi-ô-xít
Đi-ni-tơ ô-xít
Các lƣu huỳnh ô-xít
Am-mô-ni-ắc
Prô-pen
En-tan-pi ở 298 oC
Hệ số phản ứng
Vanadium (Va-na-đi, Va-na-đi ô-xít)
Xúc tác Zeolite sử dụng cation là Cu
Xúc tác Zeolite sử dụng cation là Fe
Platinum (Bạch kim)
Rhodium
Palladium
Bạc
Aluminium oxide (nhôm ô-xít)
Silicon dioxide, Silica (Si-líc đi-ô-xít, si-li-ca)
Titanium dioxide, titania (ti-tan đi-ô-xít)
Vonfram trioxide (vôn-phờ-ram tri-ô-xít)
Sulfuric acid (a-xít sun-phu-ríc)
Fulminic acid (a-xít phu-mi-níc)
Barium nitrate (Muối Ba-ri ni-tơ-rát)
Barium oxide (Ba-ri Ô-xít)
Ammonium hydrogen sulfate (Muối a-môn hy-đrô sun-phát)

PWM
N2
O2
CO
CO2
HC

PM
NOx
NO
NO2
N2O
SOx
NH3
C3H6

H 298
R
V2O5
Cu-Zeolite
Fe-Zeolite
Pt
Rh
Pd
Ag
Al2O3
SiO2
TiO2
WO3
H2SO4
HCNO
Ba(NO3)2
BaO
NH4(HSO4)

- viii -

Thứ
nguyên
-


Ammonium sulfate (Muối a-môn sun-phát)
Zeolite Mordenit
Zeolite Mordenit sử dụng cation là Cu
Zeolite Mordenit sử dụng cation là Fe
Số Reynolds

-

rNH3 / NOx

Tỷ lệ mol của NH3 so với NOx

-

rNO2 / NOx

Tỷ lệ mol của thành phần NO2 trong hỗn hợp NOx

-

rNH3 / SO3

Tỷ lệ mol của NH3 so với SO3

-

(NH4)2SO4
MOR
Cu-MOR
Fe-MOR
Re

Diesel Oxidation Catalyst (bộ xúc tác ô-xy hóa)
Exhaust Gas Recirculation (hệ thống luân hồi khí thải)
Diesel Particulate Filter (bộ lọc hạt PM kiểu kín)
Selective Catalytic Reduction (bộ xử lý xúc tác chọn lọc)
Bộ xử lý xúc tác chọn lọc sử dụng chất khử trực tiếp am-môNH3-SCR
ni-ắc
Bộ xử lý xúc tác chọn lọc sử dụng chất khử gián tiếp am-môUrea-SCR
ni-ắc thông qua urea
HC-SCR
Bộ xử lý xúc tác chọn lọc sử dụng chất khử hy-đrô các-bon
EtOH-SCR Bộ xử lý xúc tác chọn lọc sử dụng chất khử ê-ta-non
LNT
Lean NOx Trap (Bộ hấp phụ NOx bằng bẫy hỗn hợp nghèo)
Hệ số dƣ lƣợng không khí

SV
Space velocity (vận tốc không gian)
GHSV
Gas hourly space velocity (vận tốc không gian tính theo giờ)
Qx
Lƣu lƣợng khí xả
AVL-BOOST Phần mềm mô phỏng của hãng AVL (Áo)
ESC

Chu trình gồm 13 chế độ có trạng thái ổn định
Chu trình thử gồm 1800 chế độ chuyển tiếp diễn ra rất nhanh
ETC
theo từng giây một
ATB
(Điều kiện biên)
CAT
(Lò phản ứng xúc tác)
PTN
Phòng thí nghiệm
LCD
Liquid-crystal display (Màn hình hiển thị)
SAE
Society of Automotive Engineers (Hiệp hội kỹ sƣ ô tô)
OBD
On-Board Diagnostic (Hệ thống tự chẩn đoán)
TWC
Three-way catalytic (Bộ xúc tác 3 đƣờng)
DOC
EGR
DPF
SCR

- ix -

s1h-1
l/ph
-

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Tỷ lệ của các thành phần khí thải trong động cơ diesel [1]. ................................ 4
Hình 1.2 Đặc tính phát thải theo hệ số dƣ lƣợng không khí λ [1]....................................... 4
Hình 1.3 Quá trình hình thành PM [6]. ............................................................................... 9
Hình 1.4 Giới hạn NOx, PM đối với động cơ diesel xe tải [5]. ......................................... 11
Hình 1.5 Sơ đồ luân hồi khí thải [34]. ............................................................................... 13
Hình 1.6 Kết cấu chung bộ lọc DPF của hãng Johnson Matthey [20]. ............................. 16
Hình 1.7 Nguyên lý và kết cấu bộ lọc kín chất thải dạng hạt DPF [20]. .......................... 16
Hình 1.8 Sơ đồ hệ thống LNT [20]. .................................................................................. 17
Hình 1.9 Quá trình hấp phụ NOx trong hỗn hợp nghèo [20]. ........................................... 18
Hình 1.10 Các phản ứng trong các buồng xử lý [20]. ....................................................... 19
Hình 1.11 Quá trình giải phóng N2 trong hỗn hợp giàu nhiên liệu [20]. .......................... 20
Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống SCR. ............................................... 21
Hình 2.1 Ô-xy hóa NH3 theo nhiệt độ trên hệ xúc tác Zeolite [35]. ................................. 26
Hình 2.2 Sơ đồ quá trình khử NOx bằng NH3. .................................................................. 27
Hình 2.3 Hiệu suất khử theo nhiệt độ ở các mức lƣu lƣợng khí xả khác nhau [3]. .......... 28
Hình 2.4 Hiệu suất chuyển đổi NOx phụ thuộc tỷ lệ mol rNO / NO ở 200 oC [30]. ............. 29
2

x

Hình 2.5 Hiệu suất chuyển đổi NOx và tạo thành N2O theo nhiệt độ với thành phần
NO2 khác nhau trên hệ xúc tác Zeolite [39]. ..................................................................... 30
Hình 2.6 Nồng độ các muối a-môn theo thành phần SO3 [32]. ........................................ 31
Hình 2.7 Hiệu quả chuyển đổi theo tỷ lệ mol rNH / NO ở các nhiệt độ khác nhau trên
3

x

hệ xúc tác Zeolite. ............................................................................................................. 32
Hình 2.8 Cơ chế khử NOx bằng ê-ta-non [36]. ................................................................. 34
Hình 2.9 Hiệu suất khử NOx theo nhiệt độ trên hệ xúc tác Ag/Al2O3 [19]....................... 35
Hình 2.10 Ảnh hƣởng của SO2 và H2O đến hiệu suất khử NOx với Ê-ta-non trên hệ
xúc tác Ag/Al2O3 [19]. ...................................................................................................... 35
Hình 2.11 Sơ đồ cơ chế khử NOx bằng hy-đrô các-bon ................................................... 36
Hình 2.12 Hiệu suất khử NOx với các hy-đrô các-bon [13].............................................. 37
Hình 2.13 Cơ chế khử NO bằng NH3 trên hệ xúc tác V2O5 [4]. ....................................... 39
Hình 2.14 Sơ đồ lắp đặt SCR trên đƣờng thải. ................................................................. 40
Hình 2.15 Ảnh hƣởng của thành phần NO2 đến hiệu quả khử NOx [17]. ......................... 40
Hình 2.16 Suy giảm hiệu suất khử theo thời gian khi thử bền động cơ với nhiên liệu
chứa 350 ppm lƣu huỳnh ở nhiệt độ thấp [18]. ................................................................. 41
Hình 2.17 Suy giảm hiệu suất khử theo thời gian khi thử bền động cơ với nhiên liệu
chứa 1620 ppm lƣu huỳnh ở nhiệt độ thấp [18]. ............................................................... 43

-x-


Hình 2.18 Hiệu quả khử NOx theo nhiệt độ của 2 hệ xúc tác Zeolite (Cu-Zeolite và
Fe-Zeolite) [38]. ................................................................................................................ 43
Hình 2.19 Hấp phụ NH3 với điều kiện hỗn hợp nghèo (10% O2) và giàu (không có
O2) với xúc tác Cu-Zeolite [38]......................................................................................... 44
Hình 2.20 Hấp phụ NH3 với điều kiện hỗn hợp nghèo (10% O2) và giàu (không có
O2) với xúc tác Fe-Zeolite [38]. ........................................................................................ 44
Hình 2.21 Xúc tác Al2O3 hoặc SiO2 với 1% Rh, Pd hoặc Pt [30]. .................................... 46
Hình 2.22 Cơ chế khử NOx trên xúc tác Pt với chất khử là prô-pen [40]. ........................ 46
Hình 2.23 Tạo N2 và N2O từ NO trên xúc tác Pt [40]....................................................... 47
Hình 2.24 a Hấp phụ NO trên nền Al2O3 [40]. ................................................................. 48
Hình 2.24 b Hấp phụ NO2 trên nền Al2O3 [40]. ................................................................ 48
Hình 2.25 Sơ đồ khối điều khiển vòng hở SCR [31]. ....................................................... 49

Hình 2.26 Sơ đồ tổng quát với hệ điều khiển kín. ............................................................ 50
Hình 2.27 Sơ đồ điều khiển vòng kín sử dụng tín hiệu phản hồi từ cảm biến NOx
[31]. ................................................................................................................................... 51
Hình 2.28 Sơ đồ điều khiển vòng kín với tín hiệu phản hồi từ cảm biến NH3 [31]. ........ 52
Hình 2.29 Sơ đồ và nguyên lý làm việc của bộ SCR. ....................................................... 53
Hình 2.30 Bộ xúc tác khử NOx. ........................................................................................ 55
Hình 2.31 Cấu trúc monolith. ............................................................................................ 55
Hình 2.32 Bình chứa urea. ................................................................................................ 55
Hình 2.33 Kết cấu và hoạt động của bơm urea loại con lăn. ............................................ 56
Hình 2.34 Kết cấu vòi phun urea. ..................................................................................... 57
Hình 3.1 Mô hình lò phản ứng (CAT1) với các điều kiện biên (ATB1, ATB2). ............. 63
Hình 3.2 Ảnh hƣởng của lƣu lƣợng khí xả đến hiệu suất khử NOx .................................. 65
Hình 3.3 Ảnh hƣởng của NO2 đến hiệu suất khử NOx. .................................................... 66
Hình 3.4 Ảnh hƣởng của NH3 đến hiệu suất khử NOx. .................................................... 67
Hình 4.1 Sự giảm hoạt tính của xúc tác. ........................................................................... 69
Hình 4.2 Quy trình thiết kế hệ thống SCR. ....................................................................... 70
Hình 4.3 Xung tín hiệu điều khiển kiểu PWM. ................................................................ 76
Hình 4.4 Xung tín hiệu điều khiển và độ nâng kim phun vòi phun. ................................. 76
Hình 4.5 Xung phun của các chu kỳ khác nhau cho bộ điều khiển xung PWM............... 77
Hình 4.6 Sơ đồ thuật toán lựa chọn chu kỳ T của PWM. ................................................. 78
Hình 4.7 Sơ đồ khối chức năng của hệ thống. .................................................................. 78
Hình 4.8 Hình dáng và đặc tính của cảm biến nhiệt. ........................................................ 79
Hình 4.9 Hình dáng và đặc tính của cảm biến NOx [29]. ................................................. 80
Hình 4.10 Ảnh hƣởng của NH3 đến cảm biến NOx [29]. .................................................. 80
Hình 4.11 Hình dáng và đặc tính của cảm biến NH3 [37]. ................................................ 82
Hình 4.12 Sơ đồ thuật toán điều khiển phun urea. ............................................................ 82
Hình 4.13 Sơ đồ khối thiết bị điều khiển và thử nghiệm phun urea. ................................ 84
Hình 4.14 Sơ đồ mạch điều khiển. .................................................................................... 84

- xi -

Hình 4.15 Hình ảnh bộ điều khiển phun urea. .................................................................. 85
Hình 4.16 Lƣợng phun urea phụ thuộc vào lƣợng NOx có trong khí thải. ....................... 86
Hình 4.17 Hiệu suất khử NOx phụ thuộc vào lƣợng NOx có trong khí thải...................... 87
Hình 4.18 Hiệu suất khử NOx phụ thuộc vào giới hạn NH3 dƣ. ....................................... 87
Hình 4.19 Hiệu suất khử NOx phụ thuộc hiệu suất các phản ứng khử. ............................ 88

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật động cơ ................................................................................ 63
Bảng 3.2 Thông số cấu trúc của bộ xúc tác [8] ................................................................. 64
Bảng 4.1 Chu kỳ và các dải lƣợng phun urea ................................................................... 77
Bảng 4.2 Các thông số của cảm biến NH3 [37]. ............................................................... 81

- xii -


MỞ ĐẦU
I. Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
i. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu công nghệ giảm phát thải NOx cho động cơ diesel bằng phƣơng
pháp xử lý xúc tác chọn lọc sử dụng urea. Áp dụng giải pháp xử lý xúc tác chọn lọc
sử dụng urea để cắt giảm phát thải NOx cho động cơ diesel đạt tiêu chuẩn khí thải
Việt Nam hiện hành.
ii. Đối tượng
Động cơ D243 đƣợc lựa chọn làm đối tƣợng nghiên cứu. Đây là động cơ
diesel không tăng áp, sử dụng hệ thống cung cấp nhiên liệu truyền thống.
Các giải pháp giảm phát thải đƣợc áp dụng trong nghiên cứu này tập trung
vào giảm phát thải NOx bằng phƣơng pháp xử lý xúc tác chọn lọc sử dụng urea.
iii. Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của quá trình khử NOx bằng NH3, xác định các
quan hệ tỷ lệ giữa urea cung cấp với NOx trong khí thải.
- Tính toán thiết kế và thử nghiệm bộ điều khiển phun urea cung cấp cho hệ
thống xử lý xúc tác chọn lọc.
II. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phƣơng pháp nghiên cứu là nghiên cứu lý thuyết. Nghiên cứu các giải pháp
giảm phát thải cho động cơ diesel hiện đang đƣợc áp dụng ở các nƣớc tiên tiến trên
thế giới. Qua đó phân tích, đánh giá và lựa chọn giải pháp kỹ thuật khả thi để giảm
phát thải độc hại cho động cơ diesel lắp trên xe tải hạng nhẹ đang lƣu hành.
Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, tính toán thiết kế chế tạo hệ thống điều
khiển phun urea cho bộ xử lý xúc tác chọn lọc SCR sử dụng urea làm chất khử.
III. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

-1-


Kết quả nghiên cứu đƣa ra phƣơng pháp giải quyết vấn đề về ô nhiễm môi
trƣờng không khí do phƣơng tiện giao thông sử dụng động cơ diesel gây ra. Giải
pháp và hệ thống cắt giảm phát thải NOx cho động cơ diesel sau khi hoàn thiện, thử
nghiệm đánh giá độ bền và thử nghiệm trên phƣơng tiện có thể đƣa vào sử dụng
trong phạm vi lớn trên thực tế, góp phần cải thiện chất lƣợng phát thải của loại động
cơ này và cải thiện chất lƣợng môi trƣờng không khí nói chung.
IV. Các nội dung chính trong đề tài
Thuyết minh của đề tài đƣợc trình bày gồm các phần nhƣ sau:
 Mở đầu
 Chƣơng 1. Khí thải động cơ diesel và các biện pháp xử lý
 Chƣơng 2. Bộ xử lý xúc tác chọn lọc (SCR)
 Chƣơng 3. Mô phỏng bộ xử lý xúc tác chọn lọc
 Chƣơng 4. Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển phun urea-SCR
 Kết luận chung và phƣơng hƣớng phát triển

-2-


CHƢƠNG 1. KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ DIESEL VÀ CÁC BIỆN
PHÁP XỬ LÝ
1.1 Thành phần khí thải động cơ diesel và cơ chế hình thành
1.1.1 Thành phần khí thải động cơ diesel
Quá trình cháy của động cơ diesel thực chất là các phản ứng cháy của nhiên
liệu với không khí. Trƣớc đây ngƣời ta cho rằng phản ứng này xảy ra hoàn toàn, với
sản phẩm sinh ra gồm: CO2, H2O và N2 có trong không khí. Cùng với tỷ lệ tƣơng
ứng của O2 trong không khí thì có thể còn O2 lẫn trong sản phẩm cháy. Trong thực
tế quá trình cháy của động cơ là không hoàn toàn. Có hai lý do để giải thích việc đó:
Thứ nhất là các phản ứng hoá học không bao giờ diễn ra theo một chiều mà
luôn có phản ứng thuận nghịch giữa chất phản ứng và sản phẩm sinh ra. Do đó phản
ứng không thể xảy ra hoàn toàn vì các chất tham gia phản ứng vẫn còn dƣ.
Thứ hai là các khu vực cháy với điều kiện hoà trộn, nhiệt độ và tốc độ xoáy
lốc của không khí, dòng nhiên liệu phun vào không gian buồng cháy khác nhau
cũng là một vấn đề. Điều đó làm cho ngọn lửa bị tắt không đốt cháy đƣợc hết lƣợng
nhiên liệu, các điều kiện phản ứng khác nhau sẽ sinh ra sản phẩm cháy mới nhƣ là
bụi, phát thải NOx… Do vậy khối lƣợng, số lƣợng phát thải của động cơ tăng lên so
với trƣờng hợp cháy hoàn toàn. Các thành phần của khí thải bao gồm: CO2, H2O,
N2, O2, CO, HC cháy không hết, NOx, bụi, khói và tuỳ thuộc vào chất lƣợng của
nhiên liệu mà sản phẩm cháy có thể có SOx. Trong các thành phần khí thải thì NOx,
bụi khói, CO và HC cháy không hết đƣợc gọi là phát thải độc hại của động cơ đốt
trong. Tỷ lệ của các thành phần khí thải trong động cơ đƣợc thể hiện trong Hình 1.1.
Tuy khối lƣợng phát thải chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ (khoảng 0,2% trong tổng
khối lƣợng khí thải) nhƣng nó rất đƣợc quan tâm do gây ô nhiễm không khí. Một
điều dễ nhận thấy là lƣợng phát thải này cũng không gây ảnh hƣởng nhiều tới hiệu
suất nhiệt của động cơ, tuy nhiên hiện nay ngƣời ta đang nỗ lực để xử lý, giảm thiểu

phát thải của động cơ, vì những nguy hiểm của nó đối với môi trƣờng tự nhiên và

-3-


sức khoẻ của con ngƣời. Thậm chí một phần triệu của phát thải mà giảm đƣợc cũng
rất quan trọng.

Hình 1.1 Tỷ lệ của các thành phần khí thải trong động cơ diesel [1].

Hình 1.2 Đặc tính phát thải theo hệ số dư lượng không khí λ [1].
Nhƣ ta đã biết khối lƣợng của phát thải phụ thuộc vào hiệu suất và các thông
số của động cơ. Ví dụ: thời điểm phun của động cơ diesel tác động tới tính kinh tế
của nhiên liệu và khối lƣợng khí thải phát ra. Tuy nhiên, ảnh hƣởng của thông số
động cơ không ảnh hƣởng nhiều lắm tới tổng nhiệt của quá trình cháy nhƣng thời
điểm phun và tốc độ phun có liên quan tới nhiệt nhả ra của chu trình làm việc động
cơ.

-4-


Nồng độ các phát thải độc hại chính đƣợc cho trên Hình 1.2, thể hiện mối
quan hệ của nồng độ HC, CO, NOx, PM theo hệ số dƣ lƣợng không khí λ.
1.1.2 Cơ chế hình thành các chất trong khí thải diesel
1.1.2.1 Cơ chế hình thành NOx trên động cơ diesel
Việc tìm hiểu cơ chế hình thành NOx trong động cơ diesel và kiểm soát thành
phần khí thải này gặp nhiều khó khăn do quá trình cháy của động cơ diesel xảy ra
nhanh và hỗn hợp cháy là không đồng nhất. NO và NO2 là hai thành phần chính của
NOx, trong đó NO là khí không mùi, không màu còn NO2 có màu nâu đỏ, mùi gắt.
Cả hai loại khí đều rất độc nhƣng NO2 độc gấp 5 lần so với NO, phần lớn NO2 hình

thành từ việc ô-xy hoá NO.
NO đƣợc hình thành trong quá trình cháy rớt trong xy-lanh tại vùng nhiệt độ
cao, cơ chế hình thành NO đƣợc chấp nhận rộng rãi là cơ chế đƣợc đƣa ra bởi
Zeldovich [33]. Thành phần chính để hình thành NO là khí N2 trong không khí nạp
vào động cơ. Phản ứng dây chuyền ô-xy hoá khí ni-tơ đƣợc tạo bởi các nguyên tử ôxy, hình thành từ việc tách ra khỏi phân tử O2 tại nhiệt độ cao trong quá trình cháy.
Phản ứng chủ đạo để hình thành NO từ phân tử N2 là:

O2 ƒ 2O
(i)

N2  O ƒ NO  N
(1-1)

(ii)

N  O2 ƒ NO  O

(iii)

N  OH ƒ NO  H

Các phƣơng trình cân bằng hoá học này chỉ ra rằng khí cháy tại nhiệt độ
cháy bình thƣờng thì tỷ lệ NO2/NO là rất nhỏ. Trong khi đó các thí nghiệm trên
động cơ xăng hay diesel chỉ ra rằng NO2 có thể chiếm từ 10% đến 30% trong thành

-5-


phần NOx. Điều đó đƣợc giải thích là do NO đƣợc hình thành trong vùng ngọn lửa
có thể nhanh chóng trở thành NO2 qua phản ứng:

NO  HO2  NO2  OH

(1-2)

Tiếp đó NO2 lại phản ứng và trở thành NO qua phản ứng:

NO2  O  NO  O2

(1-3)

Nếu không sự hình thành NO2 trong vùng ngọn lửa nóng sẽ bị dập tắt khi
tiếp xúc với vùng lạnh. Do đó tỷ lệ NO2/NO sẽ cao nhất tại chế độ tải cao của động
cơ diesel, khi mà những vùng lạnh có thể dập tắt sự hình thành trở lại NO. Nồng độ
cục bộ của những nguyên tử ô-xy phụ thuộc vào nồng độ phân tử ô-xy cũng nhƣ
nhiệt độ cục bộ. Sự hình thành NOx tồn tại chủ yếu ở nhiệt độ trên 2000 K. Do đó
bất kỳ kỹ thuật nào có thể khống chế đƣợc nhiệt độ tức thời trong buồng cháy dƣới
2000 K thì có thể giảm đƣợc sự hình thành NOx.
NOx hình thành từ phản ứng ô-xy hóa ni-tơ trong điều kiện nhiệt độ cao của
quá trình cháy. Thành phần NOx phụ thuộc rất nhiều vào hệ số dƣ lƣợng không khí
 (tức nồng độ ô-xy của hỗn hợp) và nhiệt độ của quá trình cháy. Nồng độ NOx đạt
giá trị cực đại tại  = 1,05  1,1. Tại đây, nhiệt độ của quá trình cháy đủ lớn để ô-xy
và ni-tơ phân hủy thành nguyên tử có tính năng hoạt hóa cao, và tại đây nồng độ ôxy đủ lớn đảm bảo đủ ô-xy cho phản ứng, do đó NOx đạt cực đại. Do đặc điểm của
động cơ diesel là hình thành hỗn hợp bên trong nên hệ số dƣ lƣợng không khí 
nằm trong một giới hạn rất rộng, cụ thể là 1,2 đến 10 tƣơng ứng từ toàn tải đến
không tải.
Ở động cơ diesel, khi  tăng, nhiệt độ cháy giảm nên thành phần NOx giảm.
So với động cơ xăng thì động cơ diesel có thành phần NOx thấp hơn. Tuy nhiên,
thành phần NO2 trong NOx lại cao hơn, chiếm 5-10% trong khi tỷ lệ này ở động cơ
xăng là 2-10% [1].

-6-


Phƣơng pháp hình thành hỗn hợp có ảnh hƣởng lớn đến sự hình thành NOx.
Đối với buồng cháy ngăn cách, quá trình cháy diễn ra ở buồng cháy phụ (hạn chế
không khí), rất thiếu ô-xy nên mặc dù nhiệt độ lớn nhƣng NOx vẫn nhỏ. Khi cháy ở
buồng cháy chính, mặc dù  rất lớn, ô-xy nhiều nhƣng nhiệt độ quá trình cháy
không lớn nên NOx cũng nhỏ. Tổng hợp lại, NOx của động cơ có buồng cháy ngăn
cách chỉ bằng khoảng một nửa so với động cơ có buồng cháy thống nhất. Tuy vậy,
động cơ sử dụng buồng cháy ngăn cách có tính kinh tế không cao do có suất tiêu
hao nhiên liệu lớn nên ngày nay không đƣợc sử dụng nhiều.
1.1.2.2 Cơ chế hình thành PM
Theo định nghĩa của Tổ chức bảo vệ môi trƣờng bang Ca-li-phóc-ni-a thì PM
là những thực thể (trừ nước) của khí thải sau khi được hoà trộn với không khí (làm
loãng) đạt nhiệt độ nhỏ hơn 51,7 oC và được tách ra bằng một bộ lọc qui định.
Với định nghĩa nhƣ vậy, PM gồm các hạt rắn và các chất lỏng bám theo. Các
hạt rắn gồm: cácbon tự do và tro còn gọi là PM (soot), các chất phụ gia dầu bôi
trơn, các hạt và vảy tróc do mài mòn... Chất lỏng bám theo gồm có các thành phần
trong nhiên liệu và dầu bôi trơn.
Các hạt (PM) có kích thƣớc từ 0,01 đến 1 m. Phần lớn hạt có kích thƣớc nhỏ
hơn 0,3 m nên rất dễ bị hít vào và gây tổn thƣơng cho đƣờng hô hấp và phổi.
Thành phần của PM phụ thuộc rất nhiều vào chế độ làm việc của động cơ và
phƣơng pháp hình thành khí hỗn hợp. Thông thƣờng, trong PM chứa:
- 40% dầu bôi trơn,
- 31% bồ hóng (soot),
- 14% các muối sun-phát ngậm nƣớc,
- 7% nhiên liệu diesel,
- 8% các loại khác còn lại.
Các phân tử PM ban đầu lớn dần lên theo hai cách sau:

-7-


- Thứ nhất, đƣờng kính của PM tăng lên là nhờ chúng bám, dính vào nhau
làm cho kích thƣớc bề mặt lớn bằng phân tử C2H2.
- Thứ hai, phản ứng cộng hy-đrô đƣợc diễn ra liên tục và kết quả cuối cùng
đƣợc đặc trƣng bởi số phân tử C lớn tạo thành chuỗi hạt có kích thƣớc lớn hơn theo
cách thứ nhất nhiều. Các phân tử này có đƣờng kính từ 10 - 1000 nm, thƣờng là 100
nm, khối lƣợng riêng trung bình của PM là 2000 kg/m3.
PM có thuộc tính xốp nên các phần tử PM đƣợc đặc trƣng bởi tỷ lệ khối
lƣợng chia cho diện tích bề mặt, vì vậy chúng rất dễ dính và cô đọng trong phản
ứng cộng hy-đrô, thậm chí ngay cả sau khi rời động cơ chúng vẫn có tính chất nhƣ
vậy.
Cơ chế hình thành PM tổng quan nhất của Fusco [6] đƣợc mô tả theo sơ đồ
cho trên Hình 1.3.

-8-


Hình 1.3 Quá trình hình thành PM [6].
Theo Fusco [6] thì sự hình thành PM của động cơ tuân theo 8 bƣớc cơ bản
nhƣ ở trên sơ đồ trên. Nhiên liệu bốc hơi trong quá trình cháy dẫn tới sự hình thành
PM, PM đƣợc hình thành qua các quá trình sau:
- (1) quá trình chuyển hoá để làm tăng kích thƣớc hạt cơ bản (bán kính hạt
lớn dần lên),
- (2) tham gia cộng hợp tạo thành C2H2,
- (3) quá trình ô-xy hoá hình thành các hạt PM ban đầu, các hạt PM này có
kích thƣớc hạt lớn dần lên,
- (4) quá trình ô-xy hoá hình thành các hạt PM ban đầu có nguồn gốc là các

gốc hy-đrô các-bon (C2H2),
- (5) quá trình hình thành các hạt PM hình cầu (soot particles - P),
- (6) quá trình phát triển bề mặt của các phân tử C2H2 tạo thành các hạt PM
hình cầu ,
- (7) quá trình ô-xy hoá PM tạo thành các cụm PM trơ hình cầu thể tích đơn,
lúc này khối lƣợng tăng lên nhƣng số lƣợng lại giảm xuống,
- (8) quá trình hợp dính, ngƣng tụ, phát triển bề mặt, liên kết hạt để tạo thành
chuỗi PM.
Tám phần này sẽ tham gia các phản ứng phá vỡ mạch vòng, ô-xy hoá, tăng
kích thƣớc bề mặt… nhƣ ở sơ đồ trên.
1.1.2.3 Cơ chế hình thành CO
Trong khí thải của động cơ diesel, tuy  > 1 và khá lớn (thừa ô-xy) nhƣng
vẫn có thành phần CO mặc dù khá nhỏ là do vẫn có những vùng với  < 1 (thiếu ôxy). Nhƣ trên Hình 1.2, khi  tăng, ban đầu CO giảm do nồng độ ô-xy tăng và đạt

-9-


cực tiểu tại   2. Tiếp tục tăng , CO tăng do tỷ lệ tái hợp của CO với ô-xy trong
quá trình giãn nở giảm đi nên lƣợng CO còn lại trong khí thải tăng lên.
1.1.2.4 Cơ chế hình thành HC
Do  lớn nên HC trong động cơ diesel so với ở động cơ xăng cũng nhỏ hơn.
Khi  tăng, nhiệt độ cháy giảm nên phần nhiên liệu không cháy đƣợc HC sẽ tăng
lên. Đối với phƣơng pháp hỗn hợp màng, do hiệu ứng sát vách ảnh hƣởng mạnh nên
HC lớn hơn so với trƣờng hợp hỗn hợp thể tích. Nếu tổ chức xoáy lốc và hoà trộn
tốt trong quá trình hình thành hỗn hợp, thành phần HC sẽ giảm.
1.1.2.5 Hợp chất chứa lưu huỳnh
Trong khí thải có các hợp chất chứa lƣu huỳnh là do trong nhiên liệu còn một
lƣợng tạp chất lƣu huỳnh còn lại khi chƣng cất dầu mỏ. Do nhiên liệu chứa lƣu
huỳnh nên trong khí thải có SO2, khi kết hợp với hơi nƣớc sẽ tạo thành a-xít. Các
hợp chất chứa lƣu huỳnh trong khí thải là một trong những nguyên nhân gây ra mƣa

a-xít và tạo ra PM thông qua các muối có gốc sun-phát.
1.1.3 Yêu cầu về giảm phát thải độc hại
Đối với phát thải động cơ diesel thì các thành phần phát thải đƣợc quan tâm
chủ yếu là NOx và PM. Về giới hạn theo các tiêu chuẩn khí thải phổ biến (châu Âu,
Mỹ, Nhật) đƣợc thể hiện trên Hình 1.4 .

- 10 -


Hình 1.4 Giới hạn NOx, PM đối với động cơ diesel xe tải [5].
Trong các tiêu chuẩn khí thải thì tiêu chuẩn của Mỹ là ngặt nghèo nhất. Ngay
từ những năm đầu thế kỷ 21, thì tiêu chuẩn Mỹ đã yêu cầu nồng độ NOx trong khí
thải ở mức thấp nhất (2,7 g/kWh), sau đó là đến tiêu chuẩn Nhật (3,5 g/kWh) còn
nồng độ PM thì tiêu chuẩn Mỹ và Nhật đều lớn hơn tiêu chuẩn Châu Âu. Sở dĩ vậy
do tiêu chuẩn Châu Âu còn áp dụng chƣơng trình thử tĩnh khi mà tiêu chuẩn Mỹ,
Nhật đều đã sử dụng chƣơng trình thử động [1].
Sau đó, các tiêu chuẩn đều sử dụng chƣơng trình thử động riêng, với tiêu
chuẩn Mỹ và Nhật đều thấp hơn tiêu chuẩn Châu Âu. Riêng với tiêu chuẩn Mỹ thì
nghiêm ngặt với phát thải NOx (0,35 g/kWh – US 2010) hơn cả tiêu chuẩn Nhật (1
g/kWh – JP 2008) và Châu Âu (2 g/kWh – EURO V, 2008).
1.2 Các biện pháp xử lý khí thải diesel
1.2.1 Các biện pháp kết cấu
Nhóm các biện pháp kết cấu bao gồm các biện pháp nhằm giảm lƣợng phát
thải các chất độc hại ra khỏi buồng cháy động cơ. Có thể điểm qua một số biện pháp

- 11 -


thƣờng đƣợc sử dụng nhƣ sau.
(i) Tối ưu các hệ thống và kết cấu động cơ: hệ thống nhiên liệu, hệ thống

nạp, kết cấu buồng cháy, áp dụng điều khiển điện tử nhằm mục đích điều khiển
lƣợng nhiên liệu chu trình, tăng cƣờng khả năng nạp, tăng cƣờng khả năng hòa trộn
nhiên liệu với không khí, đốt cháy triệt để nhiên liệu…
(ii) Luân hồi khí thải (EGR): Đƣa một phần khí xả ngƣợc trở về buồng cháy,
do đó làm bẩn hỗn hợp cháy làm quá trình cháy diễn ra ở nhiệt độ thấp hơn, phản
ứng giữa ô-xy và ni-tơ giảm, do đó có thể giảm thiểu lƣợng phát thải NOx từ 50 đến
70%.
Có ba cách giải thích cho ảnh hƣởng của luân hồi khí thải đến việc giảm NOx
là: kéo dài thời gian cháy, tăng nhiệt dung riêng và làm loãng khí nạp bằng khí trơ
(chủ yếu là CO2). Giả thuyết kéo dài thời gian cháy đã đƣợc khẳng định bởi luân
hồi khí thải gây kéo dài thời gian cháy tƣơng tự nhƣ việc giảm góc phun sớm. Giả
thiết tăng nhiệt lƣợng cho rằng việc thêm khí trơ vào khí nạp sẽ tăng nhiệt dung
riêng của những phần tử phản ứng xuất hiện trong quá trình cháy làm giảm nhiệt độ
cháy. Theo giả thiết làm loãng khí nạp, ảnh hƣởng của luân hồi khí xả lên NOx gây
ra bởi tăng lƣợng khí trơ không cháy trong hỗn hợp sẽ làm giảm nhiệt độ của quá
trình cháy đoạn nhiệt.
Hiện tại thì luân hồi khí thải có hai nhóm chính: luân hồi áp suất cao và luân
hồi áp suất thấp. Trong đó, luân hồi áp suất thấp có kết cấu phức tạp hơn nhƣng lại
cho hiệu quả tốt hơn so với luân hồi áp suất cao.

- 12 -


a)

b)
Hình 1.5 Sơ đồ luân hồi khí thải [34].

a - Luân hồi áp suất suất thấp; b - Luân hồi áp suất cao.
(iii) Tối ưu quá trình cháy: có một số phƣơng pháp đã đƣợc áp dụng nhằm

tăng hiệu quả quá trình cháy.
Tăng áp suất phun nhiên liệu để xé tơi hơn các hạt nhiên liệu, qua đó tăng
khả năng hòa trộn với không khí, quá trình cháy sẽ diễn ra đồng đều và triệt để hơn.
Cháy với hỗn hợp nghèo: khi hỗn hợp có tỉ lệ nhiên liệu/không khí thấp sẽ
hạn chế các vùng thiếu ô-xy, qua đó làm giảm CO, HC và PM.
Tạo chuyển động xoáy dòng khí nạp vừa đủ: tăng khả năng hòa trộn nhiên
liệu, đƣa không khí tới mọi vùng trong buồng cháy làm giảm thiểu việc thiếu ô-xy
cục bộ: giảm phát thải HC, CO, PM.
Phun nước kèm nhiên liệu: giảm thành phần NOx khi giảm nhiệt độ cháy
trung bình trong quá trình làm việc của động cơ.
Làm giàu ô-xy trong nhiên liệu: giảm thiểu việc thiếu ô-xy cục bộ, tăng khả

- 13 -