Nghiên cứu ảnh hưởng của luân hồi áp suất thấp và luân hồi áp suất cao đến giảm phát thải NOx của động cơ diesel tăng áp

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

TRẦN ĐÌNH TUẤN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LUÂN HỒI ÁP SUẤT THẤP
VÀ LUÂN HỒI ÁP SUẤT CAO ĐẾN GIẢM PHÁT THẢI NOX
CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL TĂNG ÁP

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

Hà Nội - Năm 2014

i


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

TRẦN ĐÌNH TUẤN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LUÂN HỒI ÁP SUẤT THẤP
VÀ LUÂN HỒI ÁP SUẤT CAO ĐẾN GIẢM PHÁT THẢI NOX
CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL TĂNG ÁP

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS. TS. KHỔNG VŨ QUẢNG

Hà Nội - Năm 2014

ii


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi.
Các thông tin, số liệu trong luận văn là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng, cụ
thể. Kết quả nghiên cứu trong luận văn là đúng đắn, trung thực và chưa từng có
ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nghiên cứu nào khác.
Hà Nội, ngày 20 tháng 3 năm 2014
Học viên thực hiện

Trần Đình Tuấn

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 đã cho phép tơi thực hiện luận văn tại trường Đại học Bách
khoa Hà Nội.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giảng viên Viện Cơ khí động lực,
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã trang bị kiến thức chuyên môn để tôi thực
hiện luận văn.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong
hội đồng chấm luận văn đã đồng ý, đọc, duyệt và cho những ý kiến q báu để
tơi có thể hồn chỉnh luận văn này và định hướng phát triển trong tương lai.

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS. Khổng Vũ Quảng, người đã tận tình hướng
dẫn tơi trong suốt q trình thực hiện luận văn.
Cuối cùng tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đến các giáo viên Trường Cao đẳng
nghề LICOGI, các bạn đồng nghiệp và gia đình đã động viên, khuyến khích tôi
trong suốt thời gian tôi tham gia học tập và nghiên cứu cho đến khi hoàn thành
luận văn này.
Hà Nội, ngày 20 tháng 3 năm 2014.
Học viên thực hiện

Trần Đình Tuấn

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii
MỤC LỤC ................................................................................................................ iii
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................... vii
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .................................................................. viii
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ

VÀ CÁC

TIÊU CHUẨN PHÁT THẢI ....................................................................................5
1.1. Các thành phần phát thải của động cơ diesel ...................................................5
1.1.1. Khí NOX (Nitơ ơxit) ...................................................................................6
1.1.2. Chất thải dạng hạt - PM ...........................................................................10
1.1.3. Mơnơxít cácbon - Khí CO ........................................................................10

1.1.4. Hyđrơcácbon - Khí HC ...........................................................................11
1.2. Tiêu chuẩn quy định phát thải của phương tiện sử dụng động cơ diesel .......12
1.2.1.Tiêu chuẩn khí thải của châu âu (Euro) ....................................................12
1.2.2. Tiêu chuẩn khí thải của Mỹ ......................................................................13
1.2.3. Tiêu chuẩn khí thải của Nhật Bản ............................................................15
1.2.4. Một số quy định về tiêu chuẩn phát thải của Việt Nam đối với các
phương tiện xe cơ giới........................................................................................16
1.3. Các phương pháp giảm phát thải độc hại cho động cơ diesel .......................18
1.3.1. Giới thiệu chung .......................................................................................18
1.3.2. Các giải pháp giảm NOX cho động cơ diesel ...........................................20
1.4. Thực trạng phát thải các phương tiện sử dụng động cơ diesel tăng áp .........18
Kết luận chương 1 .................................................................................................30
Chương 2. NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN GIẢM PHÁT THẢI NOX BẰNG
PHƯƠNG PHÁP LUÂN HỒI KHÍ THẢI CHO ĐỘNG CƠ DIESEL TĂNG
ÁP..............................................................................................................................31
2.1. Khái quát chung về luân hồi khí thải trên động cơ diesel tăng áp .................31
2.1.1. Khái quát chung về luân hồi khí thải trên động cơ diesel ........................31

iii


2.1.2. Luân hồi khí thải trên động cơ diesel tăng áp ..........................................34
2.2. Hệ thống luân hồi áp suất cao ........................................................................37
2.3. Hệ thống luân hồi áp suất thấp .......................................................................39
2.4. Các cụm chi tiết chính trong hệ thống luân hồi khí thải ................................40
2.4.1. Van luân hồi khí thải (van EGR)..............................................................40
2.4.2. Két làm mát khí luân hồi ..........................................................................41
2.4.3. Đường ống dẫn khí luân hồi .....................................................................42
Kết luận chương 2 .................................................................................................42
Chương 3. THIẾT KẾ, TÍNH TỐN HỆ THỐNG LN HỒI KHÍ XẢ

CHO ĐỘNG CƠ D1146TI......................................................................................43
3.1. Thực trạng phát thải của động cơ D1146TI. ..................................................43
3.2. Cơ sở thiết kế ..................................................................................................43
3.2.1. Quan điểm thiết kế ...................................................................................43
3.2.2. Phương án thực hiện.................................................................................44
3.3. Tính tốn, thiết kế hệ thống ln hồi khí thải của động cơ D1146TI ............44
3.3.1. Thiết kế, tính tốn hệ thống ln hồi áp suất cao .....................................44
3.3.2. Thiết kế, tính tốn hệ thống ln hồi áp suất thấp ...................................45
3.3.3. Nhận xét chung về hệ thống luân hồi áp suất cao và áp suất thấp: ..........46
3.3.4. Thiết kế tính tốn các cụm chi tiết chính của hệ thống ............................47
3.3.5. Thiết kế ống làm mát khí luân hồi (Bộ trao đổi nhiệt) .............................55
3.4. Bố trí tổng thể hệ thống luân hồi khí thải trên động cơ D1146TI ..................60
Kết luận chương 3 .....................................................................................................61
Chương 4. NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM .........................................................63
4.1. Mục đích thử nghiệm......................................................................................63
4.2. Nội dung thử nghiệm ......................................................................................63
4.3. Thiết bị và đối tượng thử nghiệm ...................................................................63
4.3.1. Thiết bị thử nghiệm ..................................................................................63
4.3.2. Đối tượng thí nghiệm ...............................................................................70
4.4. Xác định các chế độ trong chu trình thử ........................................................72
4.4.1. Chu trình thử nghiệm ...............................................................................72

iv


4.4.2. Các chế độ thử theo chu trình ECE R49 cho động cơ D1146TI ..............74
4.4.3. Đặc tính mở của van EGR........................................................................76
4.5. Thử nghiệm với hệ thống luân hồi áp suất cao và luân hồi áp suất thấp .......77
4.6. Đánh giá mức độ giảm phát thải NOx khi thực hiện luân hồi áp suất cao và
luân hồi áp suất thấp. .............................................................................................79

4.6.1. Ảnh hưởng của luân hồi áp suất cao đến khả năng giảm phát thải NOX .79
4.6.2. Ảnh hưởng của luân hồi áp suất thấp đến khả năng giảm phát thải NOX 79
4.7. Ảnh hưởng của luân hồi áp suất thấp đến các thành phần phát thải và đặc
tính kinh tế kỹ thuật của động cơ. .........................................................................79
4.7.1. Ảnh hưởng của luân hồi áp suất thấp đến các thành phần phát thải theo
chu trình ECE R49 .............................................................................................79
4.7.2. Ảnh hưởng của luân hồi áp suất thấp đến đặc tính kinh tế, kỹ thuật của
động cơ ...............................................................................................................80
Kết luận chương 4 .....................................................................................................83
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................................84
1. Kết luận chung ...................................................................................................84
2. Hướng phát triển ................................................................................................84
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................85

v


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Diễn giải

CO

Mơnơxít cácbon

HC

Hyđrơ cácbon

PM

Phát thải hạt

NOx

Ơxít nitơ

SOx

Ơxít lưu huỳnh

DOC

Diesel Oxidation Catalyst (bộ xúc tác ơxy hóa)

EGR

Exhaust Gas Recirculatio (hệ thống ln 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 khơng khí)

PM10

Phát thải hạt có kích thước nhỏ hơn 10 µm

TSP

Tổng lượng bụi lơ lửng trong khơng khí

TCCP

Tiêu chuẩn cho phép

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

CRT

Continuous Regeneration Trap (bộ lọc tái sinh liên tục)

SCR

Selective Catalyst Reduction (bộ xúc tác khử NOx)

LNT

Lean NOx Trap (bộ xúc tác hấp thụ NOx)

SCRT

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

TN

Thí nghiệm

TA

Khí tăng áp

MN

Máy nén

Smoke

Độ khói

ppm
ECE R49

Phần triệu
Chu trình thử châu âu ở chế độ tĩnh đối với động cơ xe tải

vi


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Lượng phát thải của các thành phần trong động cơ diesel ............................ 6
Bảng 1.2. Tiêu chuẩn khí thải với xe diesel hạng nặng, chu trình thử tĩnh ................. 13
Bảng 1.3. Tiêu chuẩn khí thải cho động cơ diesel từ 1.760 kg đến 3.500

kg (g/km) ...................................................................................................................... 13
Bảng 1.4. Tiêu chuẩn bang California cho các mẫu xe từ 1996 đến 2003 .................. 14
Bảng 1.5. Giới hạn độc hại của Mỹ đối với động cơ diesel lắp trên xe tải nặng (áp
dụng toàn quốc) .......................................................................................... 14
Bảng 1.6. Tiêu chuẩn khí thải Nhật Bản cho xe khách sử dụng động cơ diesel
(g/km)........................................................................................................ 15
Bảng 1.7. Tiêu chuẩn khí thải động cơ diesel cho xe hạng nặng thương mại
GVW>3500 kg (>2500 kg trước năm 2005) ........................................... 16
Bảng 1.8. Giới hạn tối đa cho phép của các chất khí thải gây ơ nhiễm (Theo
Tiêu chuẩn TCVN 6438:2001 .................................................................. 17
Bảng 3.1. Kết quả đo các thành phần phát thải của động cơ D1146TI với một số
quy định về tiêu chuẩn phát thải hiện nay .................................................. 43
Bảng 4.1. Thông số kỹ thuật động cơ D1146T ............................................................ 70
Bảng 4.2. Diễn giải các mode của chu trình thử ECE R49 .......................................... 73
Bảng 4.3. Kết quả đo mô men và công suất động cơ D1146TI sau khi lắp hệ
thống luân hồi khí thải EGR ở 100% tải. ................................................... 74
Bảng 4.4. Phát thải NOx theo chu trình thử ECE R49 khi lắp hệ thống luân hồi áp
suất cao ....................................................................................................... 79
Bảng 4.5. Phát thải NOx theo chu trình thử ECE R49 khi lắp hệ thống luân hồi áp
suất thấp ..................................................................................................... 79
Bảng 4.6. Kết quả các thành phần phát thải khi có EGR và khơng có EGR
theo chu trình ECE R49 ............................................................................ 80

vii


DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Số lượng và tỷ lệ xe con sử dụng động cơ diesel ở Đức .............................. 5
Hình 1.2. Đặc tính các thành phần độc hại của động cơ diesel theo λ ......................... 5
Hình 1.3. Tỷ lệ của các thành phần khí thải trong động cơ diesel ............................... 5

Hình 1.4. Sự hình thành NO phụ thuộc vào nhiệt độ theo thờ̀i gian t(ms) ................... 7
Hình 1.5. Biến thiên tỷ số NO2/NO theo tải của động cơ diesel .................................. 8
Hình 1.6. Các giải pháp giảm phát thải NOX và PM nhằm hướng tới các tiêu
chuẩn Châu Âu ............................................................................................. 19
Hình 1.7. a) Vịi phun thơng thường; b) Vịi phun có thể tích chết nhỏ ....................... 20
Hình 1.8. Sơ đồ động cơ sử dụng luân hồi khí thải ...................................................... 22
Hình 1.9. Sơ đồ hệ thống LNT...................................................................................... 23
Hình 1.10. Quá trình hấp thụ NOX trong hỗn hợp nghèo ............................................. 24
Hình 1.11. Các phản ứng trong các buồng xử lý .......................................................... 24
Hình 1.12. Chu trình hấp thụ và tái tạocủa hệ thống LNT ........................................... 25
Hình 1.13. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống SCR ........................................... 26
Hình 2.1. Sơ đồ bố trí chung của hệ thống luân hồi khí ............................................... 31
Hình 2.2. Ảnh hưởng của ln hồi khí xả đến lượng phát thải NOX ............................ 32
Hình 2.3. Ảnh hưởng của các loại khí đến hiệu quả giảm NOX ................................... 34
Hình 2.4. Áp suất tuabin, tăng áp và tỷ lệ luân hồi khi tăng áp suất ra tuabin ............. 35
Hình 2.5. Hệ thống luân hồi dùng bộ tăng áp VGT ...................................................... 36
Hình 2.6. Đặc tính của bộ tăng áp VGT ....................................................................... 36
Hình 2.7. Quan hệ giữa vị trí cánh hướng gió và tỷ lệ ln hồi ................................... 36
Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống luân hồi khí xả ống venturi đặt trên
đường nạp ..................................................................................................... 37
Hình 2.9. Hệ thống luân hồi áp suất cao ....................................................................... 38
Hình 2.10. Hệ thống luân hồi áp suất cao với ống venturi .......................................... 39
Hình 2.11. Hệ thống luân hồi áp suất thấp.................................................................... 39
Hình 2.12. Van luân hồi khí thải được thiết kế cùng với đường nạp............................ 41
Hình 2.13. Két làm mát khí ln hồi............................................................................. 41
Hình 2.14. Bố trí các đường ống dẫn khí trong hệ thống luân hồi ............................... 42

viii

Hình 3.1. Hệ thống luân hồi áp suất cao ....................................................................... 44
Hình 3.2. Hệ thống luân hồi áp suất cao với ống venturi ............................................. 45
Hình 3.3. Hệ thống luân hồi áp suất thấp...................................................................... 45
Hình 3.4. Hình dạng kết cấu ống venturi ...................................................................... 47
Hình 3.5. Ảnh hưởng của hệ số thu hẹp đến tổn thất áp suất và tỷ lệ luân hồi ............ 47
Hình 3.6. Ảnh hưởng của hình dạng ống venturi tới tổn thất áp suất và tỷ lệ luân
hồi ................................................................................................................. 48
Hình 3.7. Ảnh hưởng của dạng ống khuếch tán tới tổn thất áp suất ............................. 49
Hình 3.8. Phần ruột của ống venturi ............................................................................. 50
Hình 3.9. Các vị trí đặt ống venturi .............................................................................. 51
Hình 3.10. Bố trí van EGR điều khiển bằng cơ khí trên động cơ ................................. 53
Hình 3.11. Kết cấu van EGR điện từ điều khiển bằng cuộn dây .................................. 53
Hình 3.12. Cấu tạo van EGR điện từ điều khiển bằng động cơ điện một chiều có
chổi ............................................................................................................... 54
Hình 3.13. Kết cấu van EGR điện từ điều khiển bằng động cơ điện một chiều
khơng chổi than ............................................................................................ 54
Hình 3.14. Cấu tạo động cơ điện một chiều không chổi than....................................... 55
Hình 3.15. Các giai đoạn trao đổi nhiệt của khí luân hồi ............................................. 57
Hình 3.16. Kết cấu ống làm mát khí ln hồi ............................................................... 58
Hình 3.17. Sơ đồ bố trí van điều khiển lưu lượng nước làm mát khí luân hồi ............. 59
Hình 3.18. Lắp đặt ống làm mát khí luân hồi trên động cơ ở luân hồi áp suất thấp .... 60
Hình 3.19. Lắp đặt hệ thống luân hồi khí thải trên động cơ D1146TI ......................... 61
Hình 4.1. Sơ đồ bố trí thiết bị thử nghiệm động cơ ...................................................... 64
Hình 4.2. Sơ đồ bố trí phịng thử động lực cao ............................................................. 64
Hình 4.3. Sơ đồ nguyên lý làm việc của phanh điện APA 100 .................................... 64
Hình 4.4. Sơ đồ nguyên lý thiết bị làm mát dầu bôi trơn AVL 554 ............................. 65
Hình 4.5. Sơ đồ nguyên lý thiết bị làm mát nước AVL 553 ......................................... 66
Hình 4.6. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống 733S............................................. 67
Hình 4.7. Bộ điều khiển tay ga THA 100 .................................................................... 67
Hình 4.8. Tủ phân tích khí thải CEB-II ........................................................................ 68

ix


Hình 4.9. Hệ thống đo phát thải dạng hạt (PM) bằng thiết bị SmartSampler ............... 69
Hình 4.10. Động cơ D1146I được lắp đặt trên băng thử trong PTN ............................ 71
Hình 4.11. Sơ đồ thể hiện các mode của chu trình thử ECE R49 ................................. 72
Hình 4.12. Sơ đồ thể hiện đặc tính ngồi của động cơ D1146TI ................................. 75
Hình 4.13. Đặc tính van EGR tại tốc độ 1400 vg/ph .................................................... 76
Hình 4.14. Đặc tính van EGR tại tốc độ 2000 vg/ph .................................................... 76
Hình 4.15. Hệ thống luân hồi áp suất cao lắp trên động cơ D1146TI .......................... 77
Hình 4.16. Hệ thống luân hồi áp suất thấp lắp trên động cơ D1146TI ......................... 78
Hình 4.17. Đặc tính mơ men của động cơ ở chế độ 25%, 50%, 75% và 100% tải
trong các trường hợp khơng có và có lắp hệ thống EGR ............................. 81
Hình 4.18. Đặc tính cơng suất của động cơ ở chế độ 25%, 50%, 75% và 100% tải
trong các trường hợp khơng có và có lắp hệ thống EGR ............................. 81
Hình 4.19. Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của động cơ ở chế độ 25%, 50%, 75% và
100% tải trong các trường hợp khơng có và có lắp hệ thống EGR ............. 82

x


MỞ ĐẦU
I. LÝ DO NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
Đi cùng với tốc độ phát triển của nền kinh tế hiện nay ngành cơng nghiệp ơtơ
có vai trị rất quan trọng trong nền kinh tế quốc dân, ôtô được sử dụng trong nhiều
ngành kinh tế như: Thi công xây dựng, vận tải hành khách, du lịch… Song song với
sự phát triển không ngừng của nền kinh tế, ngành công nghệ ôtô ngày càng khẳng
định vai trị quan trọng khơng thể thiếu trong sự phát triển của một quốc gia.
Nhờ sự phát triển tốc độ cao của khoa học kỹ thuật và công nghệ, ngành ơtơ đã

khơng ngừng tự làm mới mình để đáp ứng được những yêu cầu bức thiết trong vấn
đề sử dụng. Ngành ơtơ đã có những bước tiến bộ vượt bậc về thành tựu kỹ thuật
mới như: Điều khiển điện, điện tử, điều khiển từ xa… đều được áp dụng trên ơtơ.
Khả năng cải tiến, hồn thiện và nâng cao để đáp ứng mục tiêu chủ yếu về tăng
năng suất, vận tốc, tải trọng hữu ích, giảm chi phí kinh tế, giảm cường độ lao động
cho người lái, tính tiện nghi sử dụng cho khách hàng, giảm tối ưu lượng nhiên liệu
và giảm lượng khí thải độc hại.
Thực tế hiện nay phương tiện giao thông sử dụng động cơ diesel đang là
nguồn phát thải ơ nhiễm khơng khí quan trọng nhất. Nhiều giải pháp đã được đưa ra
cả về mặt hồn thiện kết cấu động cơ lẫn tìm kiếm các nguồn nhiên liệu thay thế
xăng dầu truyền thống để giảm mức độ phát thải ô nhiễm.
Mức phát thải chất độc hại của các phương tiện giao thơng trong đó có phương
tiện sử dụng động cơ diesel đang là một vấn đề hết sức quan tâm của xã hội. Trong
quá trình vận hành, động cơ thải ra các chất ơ nhiễm như CO, CO2, NOX, HC, Pb...
Ngồi việc gây ơ nhiễm trực tiếp đến môi trường sống và ảnh hưởng đến sức khỏe
con người, các chất thải này khi phát tán vào khơng khí sẽ bị phân tích hoặc tổng
hợp để tạo ra các tác nhân khác gây ảnh hưởng xấu đến biến đổi khí hậu.
Để giảm lượng phát thải độc hại phát ra từ động cơ đốt trong mà vẫn có thể
duy trì được tốc độ phát triển kinh tế nói chung và nền cơng nghiệp ơ tơ nói riêng.
Trên Thế giới, ở những nước phát triển như: Mỹ, Nhật Bản và một số nước Châu

1


Âu đã đi đầu trong việc nghiên cứu và đưa ra các biện pháp giảm thiểu lượng phát
thải độc hại từ động cơ ra môi trường. Các nước này đã đưa ra các tiêu chuẩn về
nồng độ các chất độc hại trong khí thải động cơ và bắt buộc các xe được sản xuất
trong nước hoặc các xe khi nhập khẩu đều phải tuân thủ các tiêu chuẩn về khí thải.
Ở Việt Nam để ngăn chặn tình trạng ơ nhiễm môi trường do phát thải của các
phương tiện xe cơ giới gây ra, Nhà nước đã thành lập các trạm đăng kiểm để kiểm

tra các quy định về nồng độ khói của động cơ, đặc biệt Chính phủ đã ra chỉ thị áp
dụng tiêu chuẩn khí thải Châu Âu (Euro) đối với các phương tiện sản xuất, lắp ráp
và nhập khẩu vào Việt Nam, cụ thể là: tiêu chuẩn Euro 2 được áp dụng từ ngày
01/7/2007, lộ trình áp dụng tiêu chuẩn Euro 4 từ ngày 01/01/2017 và tiêu chuẩn
Euro 5 sẽ được áp dụng từ ngày 01/01/2022 đối với tất cả các loại phương tiện vận
tải 4 bánh nhập khẩu hoặc sản xuất ở trong nước. Xuất phát từ những thực tiễn về ô
nhiễm môi trường do phát thải của các loại phương tiện xe cơ giới gây ra nói chung
và các phương tiện sử dụng động cơ diesel nói riêng, đồng thời được sự giúp đỡ
hướng dẫn khoa học của PGS. Khổng Vũ Quảng - Bộ môn ĐCĐT - Viện CKĐL Trường ĐHBK Hà Nội nên em đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của
luân hồi áp suất thấp và luân hồi áp suất cao đến giảm phát thải NOX của động
cơ diesel tăng áp” với mong muốn góp phần đưa ra giải pháp hạn chế phát thải độc
hại NOX ra môi trường từ các loại phương tiện xe cơ giới sử dụng động cơ diesel
nói chung và động cơ diesel tăng áp nói riêng .
II. MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
2.1. Mục đích
Đề tài nghiên cứu ảnh hưởng của luân hồi áp suất thấp và luân hồi áp suất cao
đến giảm phát thải NOx của động cơ diesel tăng áp nhằm lựa chọn được giải pháp
luân hồi thích hợp cho động cơ và thiết kế hệ thống luân hồi khí thải cho động cơ
diesel tăng áp
2.2. Đối tượng nghiên cứu
Lựa chọn động cơ D1146TI lắp phổ biến trên các xe buýt đang lưu hành ở
Tp.Hà Nội làm đối tượng nghiên cứu. Toàn bộ các nội dung nghiên cứu, các thử

2


nghiệm của đề tài được thực hiện trên động cơ D1146TI lắp trên băng thử tại Phịng
thí nghiệm ĐCĐT - Viện CKĐL - Trường ĐHBK Hà Nội.
2.3. Phạm vi nghiên cứu đề tài
Nghiên cứu giảm phát thải NOX cho động cơ D1146TI đây là động cơ diesel

sử dụng phổ biến trên xe buýt.
III. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1. Đọc và nghiên cứu tài liệu
Phương pháp này được dùng trong suốt quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài,
từ việc xây dựng đề cương nghiên cứu vấn đề, xác định các cơ sở lý luận của hệ
thống luân hồi khí thải v.v… Các tài liệu tham khảo là các tài liệu, giáo trình, tạp
chí có liên quan đến đề tài.
Dựa vào những tài liệu về phương pháp nghiên cứu khoa học, tài liệu chun
ngành ơtơ để có hướng nghiên cứu thích hợp.
3.2. Thực nghiệm
Tổng hợp các kết quả nghiên cứu kết hợp với thực nghiệm về ảnh hưởng của
luân hồi áp suất thấp và luân hồi áp suất cao dến giảm phát thải NOx của động cơ
diesel tăng áp.
Tiến hành thực nghiệm trên động cơ D1146TI tại Phịng thí nghiệm Động cơ
đốt trong - Viện Cơ khí động lực - Trường Đại học Bách khoa Hà nội.
IV. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
- Phát thải độc hại đáng quan tâm nhất của động cơ diesel là khí thải dạng hạt
(PM) và nitơ ơxít (NOx). Phương pháp ln hồi khí thải để giảm phát thải NOX
được coi là giải pháp hiệu quả.
- Phân tích đánh giá ảnh hưởng của luân hồi áp suất thấp và luân hồi áp suất
cao đến khả năng giảm phát thải NOx của động cơ diesel tăng áp.

3


- Kết quả nghiên cứu là cơ sở để lựa chọn giải pháp giảm phát thải NOX cho
động cơ diesel tăng áp
V. CÁC NỘI DUNG CHÍNH TRONG LUẬN VĂN
Để thực hiện các nội dung của đề tài tác giả sẽ trình bày qua các chương mục
sau:

- Mở đầu
- Chương 1: Tổng quan về phát thải của động cơ và các tiêu chuẩn phát thải
- Chương 2: Nghiên cứu lựa chọn giảm phát thải NOX bằng phương pháp luân
hồi khí thải cho động cơ diesel tăng áp
- Chương 3: Thiết kế, tính tốn hệ thống ln hồi khí xả cho động cơ D1146TI
- Chương 4 : Nghiên cứu thử nghiệm trên động cơ D1146TI
- Kết luận chung và hướng phát triển
- Tài liệu tham khảo

4


Chương 1. TỔNG QUAN VỀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ
VÀ CÁC TIÊU CHUẨN PHÁT THẢI
1.1. Các thành phần phát thải của động cơ diesel
Động cơ diesel từ lâu đã được dùng
làm nguồn động lực chủ yếu cho các
phương tiện xe hạng nặng, các động cơ

Số lượng

nông nghiệp, máy công cụ và gần đây được

Tỷ lệ

sử dụng nhiều cho các xe hạng nhẹ bởi vì
động cơ diesel có suất tiêu hao nhiên liệu
thấp và phát thải rất ít thành phần CO, HC
[1]. Ở một số nước Châu Âu số lượng xe
con dùng động cơ diesel chiếm tới 50% vào

năm 2009 và dự báo sẽ tiếp tục tăng trong

Hình 1.1. Số lượng và tỷ lệ xe con
sử dụng động cơ diesel ở Đức [2]

những năm tiếp theo như thể hiện trên Hình
1.1 Tuy nhiên lượng phát thải NOX và PM từ động cơ diesel cịn rất cao như thể
hiện trên Hình 1.2 và 1.3, đây chính là nguồn phát thải đáng kể gây ô nhiễm môi
trường và ảnh hưởng tới sức khỏe con người, nhất là ở các đô thị và vùng đơng dân
cư. Các thành phần trong phát thải (trong đó thành phần NOX sẽ được phân tích rõ
hơn) có cơ chế hình thành và tác hại được tóm tắt như sau:

Hình 1.2. Đặc tính các thành phần độc hại
của động cơ diesel theo λ [3]

Hình 1.3. Tỷ lệ của các thành phần khí thải
trong động cơ diesel [4]

5


1.1.1. Khí NOX (Nitơ ơxit)
NOX là tên gọi chung của ôxit nitơ gồm các chất NO, NO2 và N2O được hình
thành do sự kết hợp giữa ơxy và nitơ ở điều kiện nhiệt độ cao. Trong khí thải của
động cơ đốt trong NOX tồn tại ở hai dạng chủ yếu là NO (chiếm 90÷98%) và NO2.
Trong đó NO là khí khơng màu khơng mùi cịn NO2 là khí có màu đỏ và mùi gắt, cả
hai loại khí rất độc nhưng NO2 độc gấp 5 lần NO.
Vì vậy NOx ngày càng được

Bảng 1.1. Lượng phát thải của các

quan tâm và trong một số trường

thành phần trong động cơ diesel [5]

hợp nó là chất ơ nhiễm chính làm

Lượng phát thải

ảnh hưởng đến tính năng kỹ thuật

Chất ơ nhiễm

của động cơ. Do đó NOx là đối

(g/kg nhiên liệu)

NOX

20

nhiễm và cũng là mục tiêu để đưa

CO

200

ra các biện pháp hạn chế nó trong

HC

25

Bồ hóng

2÷5

tượng chính của việc xử lý ơ

phát thải của động cơ diesel.

Các giải pháp kỹ thuật khác nhằm hạn chế NOX ngay trong quá trình cháy
cũng đã được áp dụng trên động cơ hiện đại như luân hồi khí xả, thay đổi thời kỳ
trùng điệp của góc độ phối khí…
Cho nên việc hiểu biết đầy đủ tác hại và cơ chế hình thành của NOX để tìm ra
biện pháp hạn chế nồng độ của nó ngay trong q trình cháy là rất cần thiết. Mức độ
phát sinh ơ nhiễm trung bình của q trình cháy nhiên liệu hyđrơcácbua được thể
hiện trong Bảng 1.1, đây là số liệu mang tính chất trung bình ở điều kiện cháy của
hỗn hợp có hệ số dư lượng khơng khí λ =1. Tuy nhiên trong những điều kiện cháy
đặc biệt ở áp suất và nhiệt độ cao với hệ số dư lượng khơng khí lớn thì tỷ lệ thành
phần các chất ô nhiễm trong Bảng 1.1 sẽ thay đổi theo hướng gia tăng NOX [5].
1.1.1.1. Cơ chế hình thành
- Sự hình thành Mơnơxit nitơ (NO)

6


Trong họ NOX thì NO chiếm tỷ lệ lớn nhất (90÷98%). NO được hình thành
trong q trình cháy rớt trong xilanh động cơ do ơxy hóa nitơ trong khơng khí và
được tạo ra bởi cơ chế Zendovich [6]. Thành phần chính để tạo nên NO là khí nitơ

có trong khơng khí nạp vào động cơ. Phản ứng dây truyền ơxy hóa nitơ được tạo
bởi các ngun tử ơxy và được hình thành từ việc tách ra khỏi phân tử O2 tại nhiệt
độ cao trong q trình cháy.
Những phản ứng chính tạo thành NO là:

O2 <=> 2º
N2 + O <=> NO + N
N + O2 <=> NO + O

(1.1)

N + OH <=> NO + H
Hình 1.4. Sự hình thành NO phụ thuộc vào
nhiệt độ theo thờ̀i gian t(ms)[5]

Trong động cơ, quá trình cháy diễn ra trong điều kiện áp suất cao, vùng phản
ứng rất mỏng (khoảng 0,1mm) và thời gian cháy rất ngắn; thêm vào đó áp suất
trong xi lanh tăng trong quá trình cháy, điều này làm nhiệt độ của bộ phận khí cháy
trước cao hơn nhiệt độ đạt được ngay sau khi ra khỏi khu vực màng lửa nên chủ yếu
NO được hình thành trong khu vực sau màng lửa và trong sản phẩm cháy phía sau
màng lửa. Sự hình thành NO phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt độ như thể hiện trên
Hình 1.4.
Phản ứng tạo NO có tốc độ thấp hơn nhiều so với phản ứng cháy. Nồng độ NO
cũng phụ thuộc mạnh vào nồng độ ơxy. Vì vậy trong điều kiện nhiệt độ cao và nồng
độ O2 lớn thì nồng độ NO trong sản phẩm cháy cũng lớn.
- Sự hình thành Điơxit nitơ (NO2)
Đối với phát thải của động cơ diesel có đến 30% NOX dưới dạng NO2, nó
được hình thành từ NO và các chất trung gian theo phản ứng hóa học sau:

7

Hình 1.5. Biến thiên tỷ số NO2/NO theo tải của động cơ diesel [5]

NO+ H2O <=> NO2 + OH

(1.2)

Trong điều kiện nhiệt độ cao, NO2 tạo thành có thể phân giải theo phản ứng:
NO2 + O <=> NO + O2

(1.3)

Trong trường hợp NO2 sinh ra trong ngọn lửa bị làm mát ngay bởi mơi chất có
nhiệt độ thấp thì phản ứng (1.3) bị khống chế, nghĩa là NO2 tiếp tục tồn tại trong sản
vật cháy. Như vậy khi động cơ diesel làm việc ở chế độ tải thấp thì phản ứng ngược
biến đổi NO2 thành NO cũng bị khống chể bởi các vùng khơng khí có nhiệt độ thấp.
Ngồi ra NO2 cịn được hình thành trên đường ống xả khi tốc độ thải thấp và có sự
có mặt của ơxy.
Trên Hình 1.5 là biến thiên của tỷ lệ NO2/NOX trên đường xả động cơ diesel
theo chế độ tải, tỷ lệ này càng cao khi tải càng thấp. NO2 là khí độc nhất trong họ
NOX, vì vậy việc tổ chức tốt quá trình cháy sẽ giảm được nồng độ NO2 tạo thành,
tăng tốc độ phân giải chất ô nhiễm này và có ý nghĩa rất quan trọng đối với mơi
trường.
- Sự hình thành Prơtơxit nitơ (N2O)
Prơtơxit nitơ (N2O) chủ yếu được hình thành từ các chất trung gian NH và
NCO khi chúng tác dụng với NO theo phản ứng:
NH + NO <=> N2O + H

(1.4)

NCO + NO <=> N2O + CO

(1.5)

8


N2O chủ yếu được hình thành ở vùng ơxy hóa có nồng độ nguyên tử H cao,
mà Hydrogene là chất trạo ra sự phân hủy mạnh Prôtôxit nitơ theo phản ứng:
N2O + H <=> NH + NO

(1.6)

N2O + H <=> N2 + OH

(1.7)

Chính vì vậy N2O chỉ chiếm tỷ lệ rất thấp trong khí xả (khoảng 3÷8 ppmV).
Mặt khác phương pháp hình thành hỗn hợp cũng ảnh hưởng đến sự hình thành
NOX: đối với buồng cháy ngăn cách; quá trình cháy diễn ra ở buồng cháy phụ (hạn
chế khơng khí) rất thiếu ôxy nên mặc dù nhiệt độ cháy lớn nhưng NOX vẫn nhỏ.
Cịn khi cháy ở buồng cháy chính; tuy λ rất lớn, ôxy nhiều nhưng nhiệt độ quá trình
cháy khơng lớn nên NOX nhỏ.
Tóm lại, phát thải 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 lại có tính kinh tế thấp và suất tiêu hao nhiên liệu lớn hơn buồng
cháy thống nhất nên ngày nay động cơ có buồng cháy thống nhất được sử dụng
rộng rãi trên các loại động cơ.
1.1.1.2. Tác hại của NOX

- Ảnh hưởng của NOX đến sức khỏe con người
NO2 là chất khó hồ tan trong nước nên nó có thể 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 % lượng NO2 bị giữ lại (đối với SO2, chỉ 5% được giữ lại) làm cho
bệnh nhân bị mất ngủ, ho, khó thở. Một số nghiên cứu còn cho thấy NO2 còn gây
tổn thương cho mắt và dạ dày. NOX được quan tâm là do những tác động của chúng
đến sức khỏe, sự hình thành ơzơn và các chất ơxy quang hố trong khí quyển [5].
- Ảnh hưởng của NOX đến thực vật
NOX chỉ ảnh hưởng đến thực vật khi nồng độ của nó đủ lớn. Người ta thấy ở
các vùng đơ thị hóa cao thì nồng độ NOX đạt khoảng 3,93ppm, sự quang hợp của
thực vật giảm đi 25%.

9


1.1.2. Chất thải dạng hạt - PM
1.1.2.1. Cơ chế hình thành
Theo định nghĩa của tổ chức bảo vệ môi trường bang Carlifornia thì PM là
những thực thể (trừ nước) của khí thải sau khi hịa trộn với khơng khí (làm loãng
đạt nhiệt độ nhỏ hơn 51,7 0C), và được tách bằng một bộ lọc quy định. PM bao gồm
các hạt rắn như cácbon tự do và tro hay còn gọi là bồ hóng (soot), các chất phụ gia
dầu bơi trơn, các hạt và vẩy tróc do mài mịn và các chất lỏng như nhiên liệu và dầu
bôi trơn bám theo [5].
1.1.2.2. Tác hại
Mặc dù PM chỉ chiếm tỷ lệ 0,002% như trên Hình 1.3 đã thể hiện, trong tổng
lượng phát thải của động cơ diesel nhưng chúng lại có kích thước hạt và lơ lửng
trong khơng khí nên dễ theo đường hô hấp đi vào trong cơ thể người và bị giữ lại.
Do đó gây ra các bệnh về đường hô hấp (hen suyễn, viêm phế quản…) và là tác
nhân gây ung thư, gây đột biến gen, có khả năng làm rối loạn hệ hô hấp và tạo điều
kiện thuận lợi cho tác động ung thư từ các chất khác. PM còn gây tổn thương mắt,

gây dị ứng mũi và cũng có khả năng gây ung thư da nếu tiếp xúc liên tục, ngồi ra
PM có thể gây ra tác động xấu đến hoạt động của hệ tim mạch [5].
Ngoài ra khi PM bám vào lá sẽ cản trở quá trình quang hợp làm cho cây dễ bị
héo và chết, gây ăn mịn kim loại và phân huỷ cơng trình xây dựng [5].
1.1.3 Mơnơxít cácbon - Khí CO
1.1.3.1. Cơ chế hình thành
CO là loại khí khơng màu, khơng mùi, khơng vị, là một sản phẩm trung gian
của quá trình đốt cháy Các bon có trong nhiên liệu trong điều kiện thiếu ôxy để tạo
thành sản phẩm cuối cùng là CO2 và được hình thành từ phản ứng sau:
2C + O2 = 2CO

(1.8)

10


Trong động cơ, ở chế độ tải cao và chế độ khởi động, hỗn hợp khơng khí nhiên liệu thường là hỗn hợp giàu. Do đó, q trình cháy xảy ra khơng hồn tồn
dẫn đến hàm lượng CO lớn. Hàm lượng CO trong khí thải động cơ rất cao ở chế độ
khơng tải. Vì vậy, khơng được để động cơ chạy khơng tải trong phịng kín hoặc ga
xe khi đang đóng kín cửa.
1.1.3.2. Tác hại
Khi hít CO vào trong cơ thể, nó hồ tan vào máu và làm hạn chế khả năng vận
chuyển ơxy của máu. Hít thở khơng khí có hàm lượng CO là 0,3% (theo thể tích)
trong vịng 30 phút hoặc hít một lượng lớn CO có thể dẫn đến tử vong. Mônôxit
cácbon rất độc, chỉ với một hàm lượng nhỏ trong khơng khí có thể gây tử vong cho
người. Hàm lượng cực đại cho phép [CO] = 33 mg/m3 [5].
Ngồi ra CO cịn gây ra cảm giác chếnh choáng, đặc biệt với những người mắc
bệnh tim, phụ nữ có thai, bệnh nhân hen xuyễn, có thể gây ra các bệnh về tim mạch,
thần kinh, CO ngăn cản việc vận chuyển ôxy từ máy vào các mô làm cho các bộ
phận của cơ thể có thể bị thiếu ôxy. Nạn nhân có thể bị tử vong khi 70% số hồng

cầu bị khống chế (khi nồng độ CO trong khơng khí >1000 ppm) [5].
1.1.4. Hyđrơcácbon - Khí HC
1.1.4.1. Cơ chế hình thành
HC gồm các loại hyđrơcácbon có trong nhiên liệu hoặc dầu bơi trơn khơng
cháy hết chứa trong khí thải. HC cịn được hình thành ở hai trường hợp sau:
- Khi nhiệt độ ở khu vực dập lửa thấp, chưa đạt tới nhiệt độ bốc cháy.
- Khí nạp thổi qua trong thời gian lặp của xupáp. Hỗn hợp không khí - nhiên
liệu càng giàu càng sinh ra nhiều HC, hỗn hợp càng nghèo càng sinh ra HC ít.
Lượng HC sinh ra càng ít khi hỗn hợp khơng khí - nhiên liệu q nghèo, vì nó
khơng cháy được [5].

11


1.1.4.2. Tác hại
Hyđrơcácbon có nhiều loại khác nhau, có loại khơng độc (như paraffin,
naphtalin), có loại rất độc có thể gây ung thư (như các loại hyđrôcácbon thơm).
Động cơ diesel có hệ số dư lượng khơng khí khá lớn nên lượng HC trong khí thải
thường là nhỏ.
Ngồi ra HC trong khí thải động cơ sẽ góp phần vào sự hình thành các chất
quang hố (làm cho tầm nhìn bị suy giảm). Khi HC thải ra mơi trường có ánh nắng
mặt trời thì sẽ làm tăng hiện tượng hiệu ứng nhà kính [5].
1.2. Tiêu chuẩn quy định phát thải của phương tiện sử dụng động cơ diesel
1.2.1.Tiêu chuẩn khí thải của châu âu (Euro)
Từ năm 1970 của thế kỷ XX, các nước Châu Âu đã xây dựng chương trình cắt
giảm khí thải cho xe hơi, đến năm 1987 dự luật mới hoàn chỉnh quy định giá trị
nồng độ giới hạn của các loại khí thải và thường gọi là Euro 0. Từ đó đến nay đã
thêm 5 tiêu chuẩn được ban hành là: tiêu chuẩn Euro 1 (1991), Euro 2 (1996), Euro
3 (2001), Euro 4 (2005), Euro 5 (2008) và Euro 6 vào năm 2013.
Tiêu chuẩn Euro được áp dụng cho tất cả các loại xe trên 4 bánh lắp động cơ

đốt trong chạy bằng nhiên liệu xăng, dầu, LPG và chia theo tính năng như: xe du
lịch, xe cơng suất nhỏ, xe công suất lớn và xe buýt.
Tiêu chuẩn Euro đặc biệt chú ý đến giới hạn phát thải của động cơ diesel xe tải
hạng nặng. Các tiêu chuẩn này địi hỏi những biện pháp chẩn đốn ngay tên xe khi
xe tải có lỗi dẫn đến tăng lượng phát thải của động cơ, hệ thống phải cảnh báo cho
người điều khiển xe biết.
Các Bảng 1.2 và 1.3 thể hiện thể tiêu chuẩn lượng phát thải độc hại khác nhau
đối với xe tải sử dụng động cơ diesel.

12


Bảng 1.2. Tiêu chuẩn khí thải với xe diesel hạng nặng, chu trình thử tĩnh [5]
Hàm lượng giới hạn (g/kWh, đơn vị độ khói là m-1)

Tiêu chuẩn
CO

HC

NOx

P-M

Smoke

4,5

1,1

8,0

0,612

-

4,5

1,1

8,0

0,36

-

4,0

1,1

7,0

0,25

-

4,0

1,1

7,0

0,15

-

Euro III

2,1

0,66

5,0

0,10

0,8

Euro IV

1,5

0,46

3,5

0,02

0,5

Euro I

Euro II

Bảng 1.3. Tiêu chuẩn khí thải cho động cơ Diesel
từ 1.760 kg đến 3.500 kg (g/km)[5]
Tiêu chuẩn

Ngày áp

Euro 1

CO

THC

NMHC

NOx

HC+NOX

P-M

10/1994

9,6

--

--

--

1,7

0,25

Euro 2

01/1998

1,5

--

--

--

2,1

0,17

Euro 3

01/2001

0,95

--

--

0,78

0,86

0,10

Euro 4

01/2006

0,74

--

--

0,39

0,46

0,06

Euro 5

9/2010

0,740

--

--

0,28

0,35

0,005

Euro 6

9/2013

0,740

--

--

0,125

0,215

0,005

dụng

* Chỉ áp dụng cho các loại xe với động cơ phun trực tiếp

1.2.2. Tiêu chuẩn khí thải của Mỹ
Ngặt nghèo hơn của tiêu chuẩn của Châu Âu, tiêu chuẩn khí thải của Mỹ được
chia làm 2 loại: tiêu chuẩn liên bang (49 bang) và tiêu chuẩn riêng bang California
(khắt khe hơn tiêu chuẩn liên bang). Trong đó, tiêu chuẩn của bang California quy
định phân loại xe theo chất lượng khí thải có tên sau:

13