Nghiên cứu khả năng giảm phát thải PM của động cơ diesel lắp trên xe buýt bằng bộ lọc DPF

NGUYỄN MINH CHÂU

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

---------------------------------------

NGUYỄN MINH CHÂU

KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG GIẢM PHÁT THẢI PM CỦA ĐỘNG CƠ
DIESEL LẮP TRÊN XE BUÝT BẰNG BỘ LỌC DPF

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

KHỐ 2011B
Hà Nội – Năm 2012



BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------NGUYỄN MINH CHÂU

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG GIẢM PHÁT THẢI PM CỦA ĐỘNG CƠ
DIESEL LẮP TRÊN XE BUÝT BẰNG BỘ LỌC DPF

Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ khí động lực

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
GS.TS PHẠM MINH TUẤN

Hà Nội – Năm 2012



LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả, số
liệu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong các
cơng trình nào khác.
Hà Nội, tháng 9 năm 2012
Tác giả

Nguyễn Minh Châu

-i-


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơn GS.TS Phạm Minh Tuấn đã tận tình
hướng dẫn để em có thể hồn thành luận văn này.
Em xin bày tỏ lịng biết ơn các thầy cơ giáo Bộ mơn Động Cơ Đốt Trong,
Phịng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách
khoa Hà Nội đã tận tình giúp đỡ em trong thời gian qua.
Em xin gửi lời cảm ơn tới Ban giám hiệu trường Đại học Kỹ thuật công

nghiệp Thái Nguyên, Ban chủ nhiệm Khoa Cơ khí và các thầy cơ trong khoa đã
động viên em trong suốt quá trình học tập và làm luận văn.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy cô phản biện, các thầy cô
trong hội đồng chấm luận văn, đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu, để
em có thể hoàn chỉnh luận văn này và định hướng nghiên cứu trong tương lai.
Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, những người ln ở
bên, động viên khuyến khích em trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn
này.
Học viên

Nguyễn Minh Châu

-ii-


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ii
MỤC LỤC.............................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ........................................... vi
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................ vii
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ................................................................ viii
LỜI NÓI ĐẦU ....................................................................................................... 1
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ PHÁT THẢI TỪ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ... 5
1.1 Các thành phần độc hại trong khí thải động cơ đốt trong ........................... 5
1.2 Đặc điểm làm việc và phát thải động cơ xe buýt .......................................... 6
1.2.1 Khái quát chung ......................................................................................... 6
1.2.2 Thực trạng phát thải của phương tiện xe buýt Việt Nam ............................. 7
1.3 Nghiên cứu ứng dụng giải pháp giảm phát thải cho động cơ diesel ............ 9
1.4 Các biện pháp giảm phát thải ..................................................................... 10

1.4.1 Các biện pháp liên quan đến động cơ ........................................................ 11
1.4.2 Các biện pháp xử lí khí thải ...................................................................... 12
1.5 Tình hình áp dụng tiêu chuẩn khí thải trên thế giới và ở Việt Nam ......... 21
1.5.1 Tiêu chuẩn kiểm soát phát thải trên thế giới .............................................. 21
1.5.2 Tiêu chuẩn kiểm soát phát thải ở Việt Nam .............................................. 23
1.5.3 Lộ trình kiểm sốt phát thải ở Việt Nam ................................................... 23
1.6 Kết luận chƣơng 1 ....................................................................................... 24
CHƢƠNG II. CƠ CHẾ HÌNH THÀNH PM VÀ CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÝ ... 25
2.1 Bản chất của PM.......................................................................................... 25
2.1.1 Các thành phần trong PM ......................................................................... 25
2.1.2 Sự hình thành muội than (soot) ................................................................. 28
2.1.3 Kích thước và số lượng hạt ....................................................................... 29
2.1.4 Mối liên quan giữa kích thước hạt và sức khoẻ con người ........................ 35

-iii-


2.2 Cơ sở lý thuyết tính tốn hình thành muội than ........................................ 35
2.2.1 Mơ hình 2 bước ........................................................................................ 35
2.2.2 Mơ hình 8 bước Fusco ............................................................................. 38
2.3 Sử dụng bộ lọc chất thải dạng hạt để giảm phát thải PM .......................... 40
2.3.1 Lọc kín (lọc tồn phần) và lọc hở (lọc một phần) ...................................... 40
2.3.2 Vật liệu chế tạo lọc ................................................................................... 41
2.3.3 Các phương pháp tái sinh lọc .................................................................... 44
2.4 Kết luận chƣơng 2 ....................................................................................... 49
CHƢƠNG III. TÍNH TỐN, THIẾT KẾ BỘ LỌC PM CHO ĐỘNG CƠ
DIESEL TĂNG ÁP.............................................................................................. 50
3.1 Giới thiệu chung .......................................................................................... 50
3.2 Mô phỏng bộ lọc chất thải hạt DPF ............................................................ 51
3.2.1 Giới thiệu chung về DPF .......................................................................... 51

3.2.2 Các thông số cơ bản của DPF ................................................................... 53
3.2.3 Sự phân bố bồ hóng .................................................................................. 54
3.3 Xây dựng mơ hình mơ phỏng động cơ D1146TI ........................................ 56
3.3.1 Đánh giá độ chính xác của mơ hình .......................................................... 58
3.3.2 Kết quả mơ phỏng khi lắp lọc khói DPF và bộ chuyển đổi xúc tác DOC đến
phát thải động cơ D1146TI ................................................................................ 59
3.4 Thiết kế lắp lọc phát thải hạt DPF và bộ xúc tác DOC trên đƣờng thải của
động cơ ................................................................................................................. 61
3.4.1 Thế kế bộ lọc DPF .................................................................................... 61
3.4.2 Thiết kế bộ xúc tác oxy hóa DOC ............................................................. 62
3.4.3 Vị trí lắp đặt bộ xử lý DOC và bộ lọc DPF ............................................... 63
3.5 Kết luận chƣơng 3 ....................................................................................... 64
CHƢƠNG IV. THỬ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA BỘ LỌC PM
LẮP TRÊN ĐỘNG CƠ XE BUÝT ..................................................................... 66
4.1 Mục tiêu và phạm vi thử nghiệm ................................................................ 66
4.1.1 Mục tiêu thử nghiệm................................................................................. 66

-iv-


4.1.2 Phạm vi thử nghiệm.................................................................................. 66
4.2 Trang thiết bị thử nghiệm ........................................................................... 66
4.2.1 Băng thử động lực cao ETB dùng cho động cơ xe tải hạng nặng ......... 66
4.2.2 Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu AVL Fuel Balance 733S ........................... 71
4.2.3 Hệ thống đo phát thải khí.......................................................................... 72
4.2.4 Thiết bị đo phát thải dạng hạt (Smart Sampler) ......................................... 75
4.2.5 Thiết bị đo độ khói Smoke Meter AVL 415S ............................................ 76
4.2.6 Động cơ thử nghiệm ................................................................................. 77
4.3 Điều kiện thử nghiệm .................................................................................. 77
4.4 Bố trí, phƣơng pháp và chƣơng trình thử nghiệm ..................................... 77

4.4.1 Bố trí lắp đặt và hiệu chỉnh động cơ trên băng thử .................................... 77
4.4.2 Chương trình thử nghiệm.......................................................................... 78
4.4.3 Tính tốn khối lượng các chất phát thải theo chu trình ECE R49 .............. 79
4.5 Phân tích kết quả thử nghiệm ..................................................................... 80
4.5.1 Ảnh hưởng của bộ lọc phát thải hạt DPF và DOC tới công suất và suất tiêu
thụ nhiên liệu .................................................................................................... 80
4.5.2 Ảnh hưởng của bộ lọc phát thải hạt DPF và DOC đến phát thải động cơ .. 81
4.5.3 Ảnh hưởng của bộ lọc phát thải hạt DPF và DOC đến phát thải động cơ
D1146TI theo chu trình ECE R49 ..................................................................... 84
4.6 Đánh giá kết quả mô phỏng và thực nghiệm .............................................. 84
4.6.1 So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm đối với động cơ nguyên bản theo
chu trình ECE R49 ............................................................................................ 84
4.6.2 So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm đối với động cơ có lắp bộ lọc
xúc tác oxy hóa DOC và bộ lọc hạt DPF theo chu trình thử ECE R49 ............... 86
4.7 Kết luận chƣơng 4 ....................................................................................... 87
KẾT LUẬN CHUNG VÀ PHƢƠNG HƢỚNG PHÁT TRIỂN ......................... 88
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 90

-v-


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu

Diễn giải

Đơn vị

CO

Khí thải monoxit cacbon

-

HC

Khí thải hydro cacbon

-

PM

Phát thải dạng hạt

-

NOx

Khí thải oxit nitơ

-

SOx

Khí thải oxit lưu huỳnh

-

P

Cơng suất động cơ

ge

Suất tiêu thụ nhiên liệu

kW
g/kWh

DOC

Diesel Oxidation Catalyst (bộ xúc tác ơxy hóa)

-

EGR

Exhaust Gas Recirculation (hệ thống ln hồi khí thải)

-

DPF

Diesel Particulate Filter (bộ lọc hạt)

-

CRT

Continuously Regenerat Trap (bộ lọc phục hồi liên tục)

-

-vi-


DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1. Số lượng hạt rắn phát thải từ 2 động cơ ................................................ 34
Bảng 3.1. Các thông số kết cấu của động cơ D1146TI .......................................... 57
Bảng 3.2. Các phần tử của mơ hình mơ phỏng ..................................................... 58
Bảng 3.3. Các chế độ mơ phỏng theo chu trình ECE R49 ..................................... 60
Bảng 3.4. Kích thước cơ bản của bộ lọc DPF cho động cơ diesel D1146TI .......... 62
Bảng 3.5. Kích thước cơ bản của bộ lọc DOC cho động cơ diesel D1146TI ......... 63
Bảng 3.6. Nhiệt độ khí xả của động cơ D1146TI đo tại vị trí cách tuabin 40mm .. 64
Bảng 4.1. Diễn giải các mode của chu trình thử ECE R49 .................................... 79
Bảng 4.2. Trọng số ............................................................................................... 80
Bảng 4.3. Kết quả đo công suất và suất tiêu thụ nhiên liệu khi có và khơng có DPF
và DOC theo 13 mode của chu trình ECE R49 ..................................................... 81
Bảng 4.4. Kết quả đo các thành phần phát thải khi có và không lắp bộ lọc chất thải
dạng hạt theo13 mode của chu trình thử ECE R49 ............................................... 84
Bảng 4.5. 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 ............................. 85
Bảng 4.6. Kết quả so sánh phát thải bồ hóng giữa mơ phỏng và thực nghiệm theo
chu trình thử ECE R49 đối với động cơ nguyên bản ............................................. 85
Bảng 4.7. Kết quả so sánh công suất và suất tiêu thụ nhiên liệu giữa mơ phỏng và
thực nghiệm theo chu trình ECE R49 khi đơng cơ có lắp bộ DOC và DPF ........... 86
Bảng 4.8. Kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm khi động cơ D1146TI có lắp bộ
xúc tác oxy hóa DOC và bộ lọc hạt DPF theo chu trình ECE R49 ........................ 87

-vii-


DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đồ ln hồi khí thải .......................................................................... 11
Hình 1.2. Hiệu quả giảm phát thải trên động cơ diesel của bộ xúc tác DOC .......... 13
Hình 1.3. Cấu tạo bộ xúc tác DOC ....................................................................... 14
Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống SCR ...................................... 16
Hình 1.5. Sơ đồ hệ thống LNT ............................................................................. 19
Hình 1.6. Quá trình hấp thụ NOx trong hỗn hợp nghèo ......................................... 19
Hình 1.7. Các phản ứng trong các buồng xử lý ..................................................... 19
Hình 1.8. Chu trình hấp thụ và tái tạo của hệ thống LNT ..................................... 21
Hình 1.9. Tiêu chuẩn khí thải đối với các xe ơtơ hạng nhẹ của EU và các nước châu
Á (nguồn: VCAP, PCD, 2009) ............................................................................. 22
Hình 2.1. Giản đồ về các hạt PM .......................................................................... 25
Hình 2.2. Thành phần cấu tạo của PM .................................................................. 27
Hình 2.3. Cấu trúc của các hạt carbon sơ cấp ....................................................... 28
Hình 2.4. Các hạt cacbon tích tụ ........................................................................... 29
Hình 2.5. Phân bố kích thước của chất thải dạng hạt ............................................ 30
Hình 2.6. Các hạt rắn trong khí thải động cơ diesel pha lỗng .............................. 31
Hình 2.7. Phát thải các hạt nano khi sử dụng nhiên liệu có phụ gia ...................... 32
Hình 2.8. Sự phân bố kích thước PM trên 2 động cơ khác nhau ........................... 33
Hình 2.9. So sánh số lượng PM phát thải từ các động cơ khác nhau ..................... 34
Hình 2.10. Cấu tạo lọc kín ................................................................................... 40
Hình 2.11. Lọc hở ................................................................................................ 41

-viii-

Hình 2.12. Lọc gốm monolith .............................................................................. 42
Hình 2.13. Lõi lọc bằng lưới sợi gốm ................................................................... 42
Hình 2.14. Lọc celmet .......................................................................................... 43
Hình 2.15. Lõi lọc bằng sợi thép mạ crơm ............................................................ 43
Hình 2.16. Sơ đồ nguyên lý hệ thống CRT .......................................................... 45
Hình 2.17. Đưa thêm glycol vào khí thải .............................................................. 45
Hình 2.18. Tái sinh lọc bằng đốt muội than .......................................................... 47
Hình 2.19. Đốt PM bằng dây điện trở ................................................................... 47
Hình 2.20. Tái sinh lọc bằng cách phun ngược khơng khí .................................... 48
Hình 3.1. Một phần tử của DPF ........................................................................... 51
Hình 3.2. Cấu trúc của monolith .......................................................................... 52
Hình 3.3. Sự lắng đọng bồ hóng trong các lớp ..................................................... 55
Hình 3.4. Mơ hình động cơ D1146TI trên AVL – BOOST ................................... 57
Hình 3.5. So sánh công suất suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ D1146TI giữa mơ
phỏng và thực nghiệm .......................................................................................... 58
Hình 3.6. Mơ hình mơ phỏng động cơ D1146TI khi kết hợp DOC và DPF .......... 59
Hình 3.7. Phát thải bồ hóng ở các chế độ mơ phỏng theo chu trình ECE R49 ....... 60
Hình 3.8. Kích thước cơ bản của bộ lọc DPF ...................................................... 61
Hình 3.9. Kích thước cơ bản của bộ xúc tác oxy hóa DOC ................................... 62
Hình 3.10. Kết cấu lắp đặt bộ DOC và DPF ......................................................... 63
Hình 4.1. Sơ đồ phịng thử ................................................................................... 66
Hình 4.2. Sơ đồ phịng thử động lực cao động cơ ................................................. 67
Hình 4.3. Sơ đồ phanh điện APA 100 .................................................................. 68

-ix-


Hình 4.4. Sơ đồ nguyên lý .................................................................................... 69
Hình 4.5. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị ................................................................. 70
Hình 4.6. Bộ điều khiển tay ga THA 100 ............................................................. 70

Hình 4.7. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị cân nhiên liệu 733S ................. 71
Hình 4.8. Mơ hình tủ CEBII ................................................................................. 72
Hình 4.9. Sơ đồ cấu tạo của bộ phân tích CO ....................................................... 73
Hình 4.10. Sơ đồ cấu tạo của bộ phân tích NO và NO x ........................................ 74
Hình 4.11. Sơ đồ cấu tạo hệ thống đo CnHm ......................................................... 75
Hình 4.12. Cấu hình thiết bị SPC 427 .................................................................. 76
Hình 4.13. Thiết bị đo độ khói AVL 415S ........................................................... 76
Hình 4.14. Động cơ D1146TI chạy khảo nghiệm ................................................. 77
Hình 4.15. Quá trình lắp đặt động cơ D1146TI trên băng thử ............................... 78
Hình 4.16. Sơ đồ thể hiện các mode của chu trình thử ECE R49 .......................... 79
Hình 4.17. Ảnh hưởng giảm phát thải độ khói theo chu trình ECE R49 ............... 82
Hình 4.18. Ảnh hưởng giảm phát thải NOx theo chu trình ECE R49 ................... 82
Hình 4.19. Ảnh hưởng giảm phát thải CO theo chu trình ECE R49 ...................... 83
Hình 4.20. Ảnh hưởng giảm phát thải HC theo chu trình ECE R49 ...................... 83

-x-


LỜI NĨI ĐẦU
Ngày nay, vấn đề mơi trường đang nhận được sự quan tâm của cả thế giới, nó
trở nên bức xúc với tất cả các quốc gia. Liên tục các hội nghị thượng đỉnh được tổ
chức để bàn bạc và đưa ra các biện pháp xử lý ô nhiễm môi trường như: Rio De
Janeiro (Braxin, 1992), Kyoto (Nhật, 1997) và Johannesburg (Nam Phi, 9/2002),
Bali (Indonexia 12/2007) đã nói lên điều đó.
Các hội nghị này đã chỉ ra rất nhiều nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường.
Một trong những nguyên nhân chủ yếu đó là khí thải của động cơ đốt trong. Đặc
biệt là loại động cơ diesel trang bị trên các phương tiện giao thông đang lưu hành.
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. Tuy nhiên, với việc phát triển mạnh mẽ nhưng
lại thiếu kiểm soát chặt chẽ những phương tiện này dẫn đến mức độ ô nhiễm do
những phương tiện này đã tăng lên rất nhanh và đã ở mức đáng báo động. Nhiều
hàm lượng các chất độc hại trong khơng khí mà phần lớn chúng được sinh ra do khí
thải của những loại phương tiện này đã vượt quá tiêu chuẩn cho phép như hàm
lượng PM, NOx và SOx. Những ngun nhân chính dẫn đến tình trạng ơ nhiễm môi
trường do những phương tiện này ở nước ta hiện nay là:
- Do đa phần các phương tiện này được lắp ráp trong nước hoặc nhập khẩu từ
Trung Quốc và Hàn Quốc, chỉ có một số lượng nhỏ được nhập từ Nhật Bản, Đức.
Đa số 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 của các phương tiện khi tham gia giao thông dẫn tới tốc độ lưu thông của các
phương tiện rất thấp dẫn tới làm tăng tổng lượng phát thải của các phương tiện.

-1-


- Nhiên liệu có chất lượng chưa cao (hàm lượng lưu huỳnh trong dầu diesel
0,05%) cộng với tình trạng lái xe vận hành khơng 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 ơ nhiễm của các loại
phương tiện này.
- Điều kiện đường sá thiếu đồng bộ, chật hẹp và có nhiều nút giao thơng dẫn
tới nhiều nơi thường xuyên xảy ra tình trạng tắc nghẽn cục bộ làm cho hàm lượng
các chất độc hại ở những vị trí này rất cao. Đường sá yếu kém cộng với 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.

Do vậy, việc nghiên cứu ứng dụng các giải pháp giảm phát thải cho động cơ
diesel nói chung và động cơ diesel lắp trên 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. Với đề tài “Nghiên cứu khả năng
giảm phát thải PM của động cơ diesel lắp trên xe buýt bằng bộ lọc DPF’’ tác giả
mong muốn góp phần giải quyết một phần các yêu cầu trên đây của thực tiễn.
i.

Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
Mục đích nghiên cứu
Đưa ra giải pháp công nghệ giảm phát thải PM cho động cơ diesel tăng áp. Áp

dụng giải pháp để giảm được phát thải PM đạt tiêu chuẩn khí thải Việt Nam cho
động cơ diesel tăng áp lắp trên xe buýt.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Động cơ D1146TI được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu, đây là động cơ
diesel được sử dụng phổ biến trên các xe buýt đang lưu hành tại Hà Nội. Các nội
dung nghiên cứu của đề tài được thực hiện tại Phịng thí nghiệm Động cơ đốt trong,
Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
-2-


Giải pháp giảm phát thải được áp dụng trong nghiên cứu này tập trung vào
giảm phát thải PM bằng bộ lọc DPF kết hợp với bộ chuyển đổi xúc tác DOC.
ii.

Phƣơng 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 PM
cho động cơ diesel tăng áp lắp trên xe buýt đang lưu hành.
Nghiên cứu đã sử dụng phương pháp mơ phỏng một chiều chu trình công tác
và nhiệt động học của động cơ trên phần mềm AVL-Boost để đánh giá về mặt lý
thuyết giải pháp giảm phát thải sử dụng bộ lọc DPF kết hợp bộ chuyển đổi xúc tác
DOC.
Sử dụng phương pháp thực nghiệm trong phịng thí nghiệm để đánh giá khả
năng ứng dụng công nghệ giảm phát thải sử dụng bộ lọc DPF kết hợp bộ chuyển đổi
xúc tác DOC, cũng như các ảnh hưởng của việc sử dụng giải pháp trên đến tính
kinh tế, kỹ thuật của động cơ.
iii.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Đề tài đưa ra giải pháp khả thi để giảm phát thải hạt (PM) cho động cơ diesel

tăng áp lắp trên xe buýt phù hợp với điều kiện thực tế ở Việt Nam. Giải pháp này
gồm: bộ lọc hạt (DPF) nhằm giảm phát thải PM và bộ chuyển đổi xúc tác (DOC)
được lắp ngay trước bộ DPF nhằm mục đích cắt giảm phát thải hyđrơ cacbon (HC),
cacbon mơnơxít (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.
Kết quả nghiên cứu góp phần định hướng giải quyết vấn đề bức xúc của thực
tiễn về ơ nhiễm khơng khí do phương tiện giao thông sử dụng động cơ diesel, đặc
biệt là động cơ diesel lắp trên 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.
-3-

iv.

Các nội dung chính trong đề tài
Thuyết minh của đề tài được trình bày gồm các phần sau:
- Chương 1. Tổng quan về phát thải từ động cơ đốt trong
- Chương 2. Cơ chế hình thành PM và các biện pháp xử lý
- Chương 3. Tính tốn, thiết kế bộ lọc PM cho động cơ diesel tăng áp
- Chương 4. Thử nghiệm đánh giá hiệu quả của bộ lọc PM lắp trên động cơ xe

buýt
- Kết luận chung và phương hướng phát triển

-4-


CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ PHÁT THẢI TỪ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
1.1 Các thành phần độc hại trong khí thải động cơ đốt trong
Sản phẩm cháy độc hại được thải ra từ động cơ đốt trong gồm ôxit nitơ (NOx),
mônôxit cácbon (CO), hyđro cacbon (HC), chất thải hạt (PM) và anđehit, là ngun
nhân chính gây ra ơ nhiễm khơng khí. Động cơ đốt trong là nguồn đóng góp xấp xỉ
một nửa lượng chất ô nhiễm NOx, CO, và HC trong khơng khí [8], tỷ lệ này cịn cao
hơn ở các khu đô thị và thành phố lớn. Các chất ô nhiễm này gây nhiều tác hại khác
nhau cho sức khỏe và môi trường.
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 NOx và
đặc biệt là PM lớn.
 HC: Có nguồn gốc từ nhiên liệu hoặc dầu bôi trơn chưa cháy hết trong động
cơ. Các hợp chất của HC chưa cháy góp phần vào sự hình thành các chất quang hố

và ơ zơn trong khí quyển, hai chất này vừa liên quan tới sức khoẻ cộng đồng, vừa
gây hại do tầm nhìn bị suy giảm. Các loại hydrocacbon thơm là nguyên nhân gây
các bệnh về gan, ung thư máu và rối loạn thần kinh khi hàm lượng vượt quá giá trị
cho phép.
 CO: là chất khí sinh ra trong buồng cháy ở những vùng thiếu ôxy. CO gây ra
cảm giác chếnh chống, có tác động rất đáng sợ đối với sức khoẻ của con người,
đặc biệt đối với những người những người nhạy cảm như bệnh nhân tim mạch, phụ
nữ có thai, bệnh nhân hen xuyễn. Hít thở khơng khí có hàm lượng CO (theo thể
tích) 0,3% có thể dẫn tới tử vong trong vịng 30 phút [10].
 NOx: được sinh ra trong buồng cháy trong q trình cháy do phản ứng hóa
học giữa ngun tử ôxi 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 luôn tỷ lệ thuận với
tải của động cơ [9]. Ở chế độ tải thấp, lượng NOx thải ra là tương đối thấp, trong khi
-5-


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. Trong họ NOx thì NO2 là độc hại
nhất (gấp 5 lần NO), NO2 là chất khó hồ tan nên có thể đi theo đường hô hấp đi
sâu vào phổi, gây viêm phổi và làm huỷ hoại các tế bào của phế nang. Khi vào được
trong phổi, 80% NO2 bị giữ lại làm cho người bệnh bị mất ngủ, ho, khó thở. Nồng
độ NO2 trong khơng khí khơng được phép vượt q 0,005mg/lít (khơng khí), nếu
nồng độ NO2 trong mơi trường vượt q 100ppm thì người và động vật có thể bị tử
vong sau vài phút tiếp xúc. Ngoài ra NO dễ dàng bị biến đổi trong khí quyển thành
NO2 ( theo phản ứng NO + 0,5 O2 → NO2 ), vì vậy cần phải kiểm sốt chặt chẽ NO.
Bên cạnh đó NO2 trong mơi trường cịn tác dụng với nước tạo thành axit, các axit
trên hoà tan trong mưa, khi nồng độ đủ lớn có thể tạo mưa axit làm huỷ hoại thảm
thực vật và an mịn các cơng trình kim loại.
 PM: bao gồm các nhân các bon (muội than), bám dính trên nó là các hợp
chất hữu cơ. Hầu hết phát thải hạt là kết quả của quá trình cháy khơng hồn tồn

hyđrơ cacbon nhiên liệu, một phần là do dầu bơi trơn. Thành phần của PM phụ
thuộc vào tình trạng của khí thải và hệ thống lấy mẫu. 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 hyđro cacbon) 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 đọng bám có trọng lượng khá lớn bao gồm: hyđro
cacbon, hyđro cacbon có chứa phân tử oxy (ketones, este, ête, axít hữu cơ) và hyđro
cacbon thơm đa nhân. Các thành phần đọng bám cịn có những thành phần khơng
phải hữu cơ như ơxít lưu huỳnh, ơxit nitơ và axit sunfuric [13].
1.2 Đặc điểm làm việc và phát thải động cơ xe bt
1.2.1 Khái qt chung
Mơi trường khơng khí có ý nghĩa sống cịn để duy trì sự sống trên trái đất
trong đó có sự sống của con người, một khi mơi trường khơng khí bị ơ nhiễm sẽ kéo
theo tác hại nghiêm trọng đến sức khỏe cộng đồng, kinh tế xã hội và bản thân môi
trường.
-6-


Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về tác hại của ơ nhiễm khơng khí và đã
đưa ra nhiều kết quả có tác động mạnh mẽ đến đời sống kinh tế và nhận được sự
quan tâm của cộng đồng. Ở Trung Quốc, thiệt hại do ơ nhiễm khơng khí khoảng
300 tỷ nhân dân tệ, chiếm 4% tổng thu nhập quốc dân (GDP) và năm 1997 [21]. Ấn
Độ, quốc gia lớn thứ hai ở châu Á, giá trị thiệt hại do ơ nhiễm khơng khí chiếm tới
9% GDP [21].
Cũng như nhiều nước trên thế giới, việc nghiên cứu ảnh hưởng của ơ nhiễm
khơng khí ở Việt Nam đang là mối quan tâm đặc biệt. Các kết quả cho thấy vấn đề ơ
nhiễm khơng khí ở Việt Nam nhất là các thành phố lớn như Hà Nội, thành phố Hồ
Chí Minh ngày càng gia tăng và đã ở mức báo động. Hàng ngày Hà Nội bị tổn thất
khoảng 1 tỷ VNĐ do ơ nhiễm khơng khí [21]. Ơ nhiễm khơng khí ở các đô thị chủ
yếu là sự gia tăng quá mức của các phương tiện giao thông vận tải và sự yếu kém

của cơ sở hạ tầng.
Với lượng hành khách đi xe buýt tăng nhanh qua các năm, ước tính năm 2012
đạt 400 triệu lượt khách. Vì vậy số lượng xe buýt cũng tăng rất nhanh trong những
năm qua. Hiện nay số lượng xe buýt đang lưu hành tại các thành phố lớn như Hà
Nội khoảng trên 1200 chiếc các loại từ 28 chỗ đến 80 chỗ. Trong đó bao gồm các
loại xe như Daewoo, Mercedes, Thaco, Huyndai, Transico, các loại này đa phần
được lắp ráp mới trong nước nên chưa thực sự tuân thủ theo tiêu chuẩn phát thải.
Hơn nữa do tình trạng quá tải thường xuyên vào giờ cao điểm có thể lên tới
200%, điều này ảnh hưởng rất xấu đến điều kiện làm việc của động cơ. Do vậy các
đặc tính kỹ thuật của động cơ giảm và lượng phát thải tăng, và hầu như không đáp
ứng được các tiêu chuẩn phát thải hiện hành.
Mặc dù xe buýt là loại phương tiện công cộng được sự quan rất lớn của các cơ
quan, cũng như mọi người dân nhưng tình trạng thải khói đen vào mơi trường của
xe buýt thì vẫn ngày càng tăng.
1.2.2 Thực trạng phát thải của phƣơng tiện xe buýt Việt Nam

-7-


Lượng phát thải từ động cơ xe buýt phụ thuộc vào nhiều yếu tố như công nghệ
động cơ, chất lượng nhiên liệu, chế độ vận hành, công tác kiểm định và bảo dưỡng.
a. Về công nghệ động cơ
Hầu hết xe buýt tại các thành phố lớn như Hà Nội được lắp động cơ diesel 4
kỳ có từ 4 đến 6 xylanh đã hoạt động nhiều năm và sử dụng công nghệ truyền thống
[11]. Hệ thống nhiên liệu thường dùng bơm cao áp dãy, vịi phun cơ khí có áp suất
phun khơng cao nên q trình phun tơi nhiên liệu để hịa trộn với khơng khí hình
thành hỗn hợp cháy chưa tốt. Các hệ thống điều khiển động cơ bằng cơ khí, chưa có
điều khiển điện tử, chưa tối ưu được các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật khi chế độ làm
việc của động cơ thay đổi. Các biện pháp giảm phát thải như hệ thống xử lý khí thải
chưa được áp dụng nên hàm lượng các chất độc hại trong khí thải khá cao.

b. Chế độ vận hành
Đặc điểm của động cơ xe buýt hoạt động trong nội thành các thành phố lớn
thường xuyên làm việc ở chế độ không ổn định: phải dừng, đỗ để hành khách lên
xuống ở những đoạn đường ngắn liên tục, tăng giảm tốc độ nhiều do mật độ giao
thông cao, số lượng hành khách đông vào giờ cao điểm nên bị quá tải. Chế độ tăng
tốc có ảnh hưởng đáng kể tới lượng phát thải nhất là đối với động cơ diesel có tăng
áp bằng tuabin-máy nén. Khi tăng tốc, lượng nhiên liệu phun vào trong xylanh tăng
nhanh trong khi máy nén chưa kịp cung cấp lượng khơng khí cần thiết. Điều này
dẫn đến nhiên liệu cháy không hết nên hàm lượng các chất CO, HC và đặc biệt là
chất thải dạng hạt với phần lớn là muội cacbon tăng nhanh.
c. Chất lƣợng nhiên liệu
Nhiên liệu diesel tại Việt Nam có 2 loại với hàm lượng lưu huỳnh khác nhau:
loại có hàm lượng lưu huỳnh tối đa 500ppm (đạt tiêu chuẩn Euro) dùng cho phương
tiện giao thơng cơ giới đường bộ và loại có hàm lượng lưu huỳnh tối đa 2500ppm
không dùng cho phương tiện giao thông cơ giới đường bộ. Tuy nhiên việc sử dụng
đúng loại nhiên liệu quy định cho phương tiện giao thông đôi khi chưa được thực
hiện đúng.
-8-


d. Công tác kiểm định và bảo dƣỡng
Công tác kiểm định và bảo dưỡng xe được thực hiện định kỳ. Tuy nhiên, nhiều
xe đã quá cũ, lại phải hoạt động liên tục nên phát thải độc hại lớn. Sau khi kiểm
định có trường hợp động cơ được điều chỉnh để máy khỏe hơn, nhiên liệu thừa dẫn
đến lượng khói phát thải quá mức cho phép.
Với các phân tích ở trên, xe buýt tại các thành phố lớn như Hà Nội đã thải vào
môi trường một lượng lớn các chất độc hại gây ô nhiễm môi trường. Sở Giao thông
Vận tải Hà Nội cho biết, trên 70% số xe buýt đang hoạt động nhả khói đen khi tham
gia giao thơng, gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng đến sức khỏe người dân. Vì
vậy nghiên cứu giảm phát thải PM cho động cơ diesel lắp trên xe buýt đang lưu

hành là cấp thiết.
1.3 Nghiên cứu ứng dụng giải pháp giảm phát thải cho động cơ diesel
Do thành phần độc hại của khí thải phụ thuộc rất lớn vào loại nhiên liệu, cho
nên mỗi loại động cơ như động cơ xăng, động cơ diesel, động cơ khí ... có các
phương pháp giảm độc hại riêng.
Như đã trình bày ở trên, các thành phần phát thải cần phải được ưu tiên cắt
giảm hàng đầu đối với động cơ diesel đó là NOx và PM. Ngồi ra, để đáp ứng được
các tiêu chuẩn khí thải ngày càng ngặt nghèo, thì các thành phần phát thải CO và
HC cũng cần được quan tâm.
Các nghiên c ứu cho thấy rằng luân hồi khí thải cùng với bộ lọc DPF có thể
kiểm sốt được PM, HC và NOx một cách rất hiệu quả. Tuy nhiên, luân hồi đối với
động diesel lắp trên xe buýt đã hoạt động nhiều năm, làm cho công suất giảm khá
lớn 6,49% [11], suất tiêu hao nhiên liệu tăng khá nhiều 6,14% [11]. Gần đây có hai
hệ thống tự tái sinh gây được sự chú ý mạnh mẽ đó là bộ lọc tự tái sinh dùng nền
xeri hoặc sắt và bộ lọc tái sinh liên tục (CRT- Continuous Regeneration Trap) dùng
nhiên liệu bổ sung là diesel khơng có lưu huỳnh [11].
Nghiên cứu của Guido Lenaers trên 2 xe buýt Euro 2, một xe được lắp đặt
thêm hệ thống gồm lọc tái sinh liên tục và bộ xúc tác (CRT + SCR), một xe được
-9-


lắp bộ lọc phát thải hạt và bộ xúc tác (hệ thống Filter + SCR) được tiến hành trên
băng thử con lăn theo các chu trình thử so sánh khác nhau [14]. Kết quả đo khả
năng cắt giảm các thành phần phát thải cho thấy hệ thống Filter + SCR chỉ cắt giảm
được dưới 20% PM, trong khi mức độ cắt giảm các thành phần phát thải khác khá
biến động theo chu trình lái được sử dụng. Hệ thống CRT + SCR cho mức cắt giảm
phát thải lớn và ổn định, với việc cắt giảm trên 90% PM.
Sử dụng bộ lọc phát thải hạt (DPF) là công nghệ cắt giảm PM một cách hiệu
quả, tuy nhiên vấn đề tái sinh lọc cần thiết, nhằm đảm bào không xẩy ra hiện tượng
tắc bộ lọc. Hãng HJS của nước Đức giới thiệu bộ lọc phát thải hạt có trang bị sợi

đốt SMF ( Sintered Metal Filter) có khả năng cắt giảm 99% PM và 95% CO và HC
của xe buýt [11].
Hãng Notox, Đan Mạch thì giới thiệu bộ lọc PM làm bằng cacbua silic (SiC)
có thể cắt giảm được 99,8% PM [11].
1.4 Các biện pháp giảm phát thải
Do những tác động không tốt đến môi trường và sức khỏe, cho đến nay rất
nhiều biện pháp cụ thể đã được sử dụng trong thực tế, và trong tương lai sẽ còn các
biện pháp khác được nghiên cứu nhằm giải quyết triệt để hơn vấn đề quan trọng
này.
Nói chung, các biện pháp giảm thiểu ơ nhiễm có thể chia ra thành 2 nhóm
chính [21]. Nhóm thứ nhất bao gồm các biện pháp liên quan đến cấu tạo động cơ,
loại nhiên liệu, phương pháp hình thành hỗn hợp, điều chỉnh và vận hành và động
cơ... tóm lại là các biện pháp liên quan đến động cơ. Nhóm thứ hai bao gồm các
biện pháp xử lý khí thải tới mức bảo đảm nồng độ độc hại của khí thải trước khi xả
vào mơi trường phải nhỏ hơn giới hạn cho phép.
Do thành phần độc hại của khí thải phụ thuộc rất lớn vào loại nhiên liệu, cho
nên mỗi loại động cơ như động cơ xăng, động cơ diesel, động cơ khí... có các
phương pháp giảm độc hại riêng.

-10-


1.4.1 Các biện pháp liên quan đến động cơ
 Tối ưu hệ thống nhiên liệu, hệ thống nạp, kết cấu buồng cháy, áp dụng điều
khiển điện tử. Nhằm mục đích điều khiển lượng nhiên liệu chu trình, tăng cường
khả năng nạp, tăng cường khả năng hòa trộn nhiên liệu với khơng khí, đốt cháy triệt
để nhiên liệu…Trong thời gian 1980-1990, việc áp dụng các biện pháp này giảm tới
90% PM, 75% NOx, giảm nhiều HC và CO [10].
 Luân hồi khí thải (EGR): Là biện pháp rất hữu hiệu để giảm phát thải NOx.
Một phần khí xả được đưa ngược 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 ơxy và nitơ giảm, do
đó có thể hạn chế lượng phát thải NOx từ 50 đến 70%. Hình 1.1 thể hiện sơ đồ ln
hồi khí thải trên động cơ.

Hình 1.1. Sơ đồ ln hồi khí thải
 Tối ưu quá trình cháy:
-

Tăng áp suất phun: nhiên liệu được phun dưới áp suất cao sẽ tơi hơn,
do đó tăng khả năng hịa trộn với khơng khí, q trình cháy sẽ diễn ra
đồng đều và triệt để hơn.

-

Cháy với hỗn hợp nghèo: khi hỗn hợp có tỉ lệ nhiên liệu/khơng khí thấp
sẽ hạn chế các vùng thiếu ơ xy, qua đó làm giảm CO,HC và PM.

-

Tạo chuyển động xốy dịng khí nạp vừa đủ: tăng khả năng hịa trộn
nhiên liệu, đưa khơng 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

-11-