Luận án Nghiên cứu tái sinh bộ lọc muội than và giảm phát thải cho động cơ diesel 1 xilanh lắp trên máy nông nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN MẠNH PHÚ NGHIÊN CỨU TÁI SINH BỘ LỌC MUỘI THAN VÀ GIẢM PHÁT THẢI CHO ĐỘNG CƠ DIESEL 1 XILANH LẮP TRÊN MÁY NÔNG NGHIỆP LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC HÀ NỘI - 2024 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN MẠNH PHÚ NGHIÊN CỨU TÁI SINH BỘ LỌC MUỘI THAN VÀ GIẢM PHÁT THẢI CHO ĐỘNG CƠ DIESEL 1 XILANH LẮP TRÊN MÁY NÔNG NGHIỆP Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS KHỔNG VŨ QUẢNG PGS.TS NGUYỄN PHÚ HÙNG HÀ NỘI - 2024 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ đề tài nghiên cứu nào khác. Hà Nội, tháng 08 năm 2024 Tập thể giáo viên hướng dẫn HD1:PGS.TS.Khổng Vũ Quảng HD2: PGS.TS. Nguyễn Phú Hùng Nghiên cứu sinh Nguyễn Mạnh Phú ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Đại học Bách khoa Hà Nội, Ban Đào tạo, Trường Cơ khí đã cho phép tôi thực hiện luận án tại Đại học Bách khoa Hà Nội. Xin cảm ơn Ban Đào tạo và Trường Cơ khí về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi làm luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Khổng Vũ Quảng và PGS.TS Nguyễn Phú Hùng đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy Nhóm chuyên môn Hệ thống động lực ôtô – Khoa Cơ khí động lực, Trung tâm nghiên cứu các nguồn động lực và phương tiện tự hành của Trường Cơ khí, Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành luận án này. Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Cao đẳng nghề Bách khoa đã hậu thuẫn và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu học tập. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các Thầy cô phản biện, các Thầy cô trong hội đồng chấm luận án đã đồng ý đọc, duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận án này và định hướng nghiên cứu trong tương lai. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và thực hiện công trình này. Nghiên cứu sinh Nguyễn Mạnh Phú iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ..........................................................................................................i LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. ii MỤC LỤC .................................................................................................................. iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ...........................................................ix DANH MỤC BẢNG BIỂU .........................................................................................xi DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................................. xii MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... 1 Chương 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN .................................................................... 5 1.1 Giới thiệu chung .................................................................................................. 5 1.1.1 Tổng quan về phát thải động cơ diesel.......................................................... 5 1.1.2 Ảnh hưởng của phát thải của động cơ diesel tới môi trường và con người .. 5 1.1.3 Các tiêu chuẩn kiểm soát phát thải cho động cơ diesel ................................ 6 1.1.3.1 Châu Âu .................................................................................................. 7 1.1.3.2 Tiêu chuẩn khí thải Mỹ ........................................................................... 8 1.1.3.3 Tiêu chuẩn khí thải Trung Quốc ........................................................... 10 1.1.3.4 Tiêu chuẩn khí thải Nhật Bản ............................................................... 11 1.1.3.5 Tiêu chuẩn khí thải của động cơ máy nông nghiệp trong và ngoài nước ............................................................................................................................. 11 1.1.4 Thực trạng phát thải của các động cơ máy nông nghiệp tại Việt Nam ....... 11 1.1.4.1 Thực trạng nhập khẩu máy nông nghiệp ở Việt Nam .......................... 11 1.1.4.2 Lượng phát thải của các máy nông nghiệp ở VN ................................. 12 1.1.5 Phương pháp giảm phát thải cho động cơ diesel ........................................ 13 1.2 Phát thải dạng hạt, tro và các yếu tố ảnh hưởng tới sự hình thành .................... 14 1.2.1 Phát thải dạng hạt ........................................................................................ 14 1.2.2 Các yếu tổ ảnh hưởng tới sự hình hành phát thải dạng hạt ......................... 15 1.2.3 Nguồn và thành phần của tro ...................................................................... 15 1.2.4 Hoạt động xúc tác của tro thành bồ hóng.................................................... 16 1.3 Nguyên lý làm việc bộ lọc hạt ........................................................................... 16 1.3.1 Kết cấu Bộ lọc hạt ....................................................................................... 16 1.3.1.1 Bộ lọc tường-lọc bề mặt ....................................................................... 16 1.3.1.2 Bộ lọc hạt CDPF (lọc phủ xúc tác) ....................................................... 17 1.3.1.3 Bộ lọc hạt ly tâm (MR-DPF) ................................................................ 18 iv 1.3.2 Cơ chế thu thập hạt lọc ................................................................................ 18 1.3.3 Vật liệu bộ lọc DPF ..................................................................................... 19 1.4 Các nghiên cứu trong và ngoài nước ................................................................. 20 1.4.1 Các nghiên cứu ngoài nước ......................................................................... 20 1.4.1.1 Tái sinh chủ động .................................................................................. 21 1.4.1.2 Tái sinh bị động .................................................................................... 25 1.4.1.3 Tái sinh kết hợp .................................................................................... 26 1.4.1.4 Hạn chế của lọc DPF khi tái sinh ......................................................... 27 1.4.2 Các nghiên cứu trong nước ......................................................................... 29 1.5 Kết luận chương 1 ............................................................................................. 29 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ........................ 31 2.1 Giới thiệu chung ................................................................................................ 31 2.1.1 Mục đích nghiên cứu mô phỏng.................................................................. 32 2.1.2 Lựa chọn phần mềm mô phỏng ................................................................... 32 2.2 Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ TV 165RL có trang bị hệ thống giảm phát thải EDDr sử dụng AVL Boost .................................................................................. 32 2.2.1 Xây dựng mô hình động cơ nguyên bản ..................................................... 33 2.2.2 Mô hình chọn lựa kích thước sơ bộ của bộ DPF ........................................ 33 2.2.3 Mô hình EDD .............................................................................................. 34 2.2.4 Mô hình EDDr............................................................................................. 35 2.2.5 Nhập dữ liệu cho mô hình ........................................................................... 36 2.2.5.1 Dữ liệu động cơ .................................................................................... 36 2.2.5.2 Dữ liệu bộ DOC .................................................................................... 36 2.2.5.3 Dữ liệu bộ DPF ..................................................................................... 37 2.2.5.4 Dữ liệu van EGR .................................................................................. 37 2.2.5.5 Dữ liệu đầu vào cho việc tái sinh.......................................................... 38 2.2.6 Khai báo biến và thực hiện mô phỏng ........................................................ 38 2.2.7 Hiệu chỉnh mô hình và đánh giá độ tin cậy................................................. 38 2.3 Xây dựng mô hình cụm DOC-DPF sử dụng Ansys Fluent ............................... 39 2.3.1 Mô hình bộ DOC-DPF ................................................................................ 39 2.3.2 Mô hình khảo sát ảnh hưởng của kích thước lỗ lọc đến độ tắc lọc của bộ DPF ................................................................................................................................ 40 2.3.2.1 Xây dựng mô hình khối khí thải ........................................................... 40 v 2.3.2.2 Điều kiện biên và các bước mô phỏng cho mô hình ............................ 40 2.3.2.3 Các bước mô phỏng .............................................................................. 41 2.3.3 Mô hình chọn lựa vị trí đặt nguồn nhiệt tái sinh ......................................... 42 2.3.4 Mô hình tái sinh lọc..................................................................................... 47 2.3.4.1 Cơ sở thiết kế ........................................................................................ 47 2.3.4.2 Mô phỏng quá trình tái sinh trên Ansys Fluent .................................... 49 2.4 Kết quả mô phỏng và thảo luận ......................................................................... 51 2.4.1 Động cơ nguyên bản tại chế độ toàn tải và chế độ định mức ..................... 51 2.4.1.1 Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu ................................................... 51 2.4.1.2 Diễn biến nhiệt độ trên đường thải ....................................................... 51 2.4.2 Động cơ trang bị bộ DOC-DPF tại chế độ định mức .................................. 52 2.4.3 Mô phỏng diễn biến phát thải theo Tier 2 ................................................... 53 2.4.3.1 Mối quan hệ giữa khái niệm công suất (kW) và chế độ tải (%) .......... 53 2.4.3.2 Diễn biến phát thải ................................................................................ 53 2.4.4 Động cơ trang bị bộ EGR-DOC-DPF ......................................................... 55 2.4.4.1 Hệ số lamda .......................................................................................... 55 2.4.4.2 Phát thải soot ......................................................................................... 55 2.4.4.3 Phát thải CO .......................................................................................... 56 2.4.4.4 Phát thải NOx ....................................................................................... 57 2.4.5 Động cơ trang bị bộ tái sinh lọc DPFr ........................................................ 58 2.4.5.1 Ảnh hưởng của mật độ soot tới độ chênh lệch áp suất ......................... 59 2.4.5.2 Ảnh hưởng của lưu lượng khí thải và chiều dài bộ lọc tới độ chênh lệch áp suất trong quá trình tái sinh ............................................................................ 60 2.4.5.3 Ảnh hưởng nhiệt độ tái sinh đầu vào bộ lọc DPF tới hiệu quả tái sinh 61 2.4.6 Ảnh hưởng của việc tắc lọc DPF đến phân bố áp suất và nhiệt độ trong cụm ống thải ................................................................................................................... 61 2.4.6.1 Ảnh hưởng của việc tắc lọc DPF đến phân bố áp suất trong bộ lọc ..... 61 2.4.6.2 Ảnh hưởng của việc tắc lọc DPF đến phân bố nhiệt độ trong bộ lọc ... 64 2.4.7 Ảnh hưởng của các vị trí nguồn nhiệt tới khí động học trong bộ xúc tác ... 67 2.4.7.1 Vị trí α=0o ............................................................................................. 67 2.4.7.2 Vị trí α=30o ........................................................................................... 68 2.4.7.3 Vị trí α=45 o .......................................................................................... 69 2.4.7.4 Vị trí α=60o ........................................................................................... 69 vi 2.4.8 Ảnh hưởng của vị trí nguồn nhiệt tới vấn đề tái sinh .................................. 70 2.5 Kết luận chương 2 ............................................................................................. 72 Chương 3 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG EDDr .............................................. 74 3.1 Giới thiệu chung ................................................................................................ 74 3.2 Thiết kế chung hệ thống EDDr .......................................................................... 74 3.2.1 Cấu tạo chung .............................................................................................. 74 3.2.2 Nguyên lý làm việc ..................................................................................... 75 3.3 Cải tạo đường ống thải ...................................................................................... 75 3.4 Thiết kế hệ thống EGR ...................................................................................... 76 3.4.1 Cơ sở tính toán và thiết kế van EGR ........................................................... 76 3.4.1.1 Van EGR ............................................................................................... 76 3.4.1.2 Điều khiển van EGR ............................................................................. 77 3.4.1.3 Bộ làm mát khí luân hồi........................................................................ 78 3.4.1.4 Bơm nước làm mát khí luân hồi ........................................................... 78 3.4.2 Lắp đặt hệ thống EGR ................................................................................. 78 3.5 Thiết kế và lắp đặt bộ DOC - DPF .................................................................... 79 3.5.1 Mô hình tổng quan ...................................................................................... 79 3.5.2 Chọn lựa lõi bộ xúc tác ............................................................................... 79 3.6 Thiết kế, chế tạo vỏ bộ xúc tác DOC-DPF ........................................................ 80 3.7 Tính toán, thiết kế hệ thống cấp nhiệt tái sinh ................................................... 80 3.7.1 Chọn lựa hệ thống tạo nhiệt tái sinh ........................................................... 80 3.7.1.1 Cấu tạo chung hệ thống ........................................................................ 81 3.7.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ đốt tái sinh ............................. 81 3.7.1.3 Nguyên lý điện điều khiển .................................................................... 82 3.7.2 Cải tạo và lắp đặt hệ thống cung cấp nhiệt tái sinh ..................................... 83 3.8 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển hệ thống EDDr .................... 85 3.8.1 Sơ đồ tổng quát ........................................................................................... 85 3.8.2 Các cảm biến và cơ cấu chấp hành ............................................................. 86 3.8.2.1 Cảm biến chênh lệch áp suất ................................................................ 86 3.8.2.2 Động cơ servo điều khiển van EGR ..................................................... 86 3.8.2.3 Cảm biến nhiệt độ ................................................................................. 87 3.8.3 Thiết kế ECU điều khiển ............................................................................. 87 3.8.3.1 Phần cứng ............................................................................................. 87 vii 3.8.3.2 Phần mềm ............................................................................................. 88 3.8.4 Giao diện và chương trình điều khiển ......................................................... 88 3.9 Kết luận chương 3 ............................................................................................. 90 Chương 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ............................................................. 91 4.1 Mục đích thử nghiệm ......................................................................................... 91 4.2 Đối tượng và phạm vi thử nghiệm ..................................................................... 91 4.2.1 Đối tượng thử nghiệm ................................................................................. 91 4.2.2 Phạm vi thử nghiệm .................................................................................... 91 4.3 Sơ đồ bố trí trang thiết bị và quy trình thử nghiệm ........................................... 92 4.3.1 Sơ đồ bố trí .................................................................................................. 92 4.3.2 Thử nghiệm ................................................................................................. 93 4.3.2.1 Các nội dung thử nghiệm ...................................................................... 93 4.3.2.2 Chu trình thử nghiệm đo khí thải .......................................................... 93 4.4 Kết quả thí nghiệm và thảo luận ........................................................................ 95 4.4.1 Động cơ nguyên bản ................................................................................... 95 4.4.1.1 Nhiệt độ khí thải tại chế độ toàn tải ...................................................... 95 4.4.1.2 Suất tiêu hao nhiên liệu tại tốc độ 1800 v/p và 2200 v/p ..................... 96 4.4.1.3 Phát thải khói tại tốc độ 1800 v/p và 2200 v/p ..................................... 96 4.4.1.4 Phát thải NOx tại tốc độ 1800 v/p và 2200 v/p .................................... 96 4.4.1.5 Phát thải CO tại tốc độ 1800 v/p và 2200 v/p ....................................... 97 4.4.1.6 Phát thải HC tại tốc độ 1800 v/p và 2200 v/p ....................................... 97 4.4.2 Động cơ trang bị EDD tại 1800 v/p ............................................................ 98 4.4.2.1 Diễn biến phát thải khói ........................................................................ 98 4.4.2.2 Diễn biến phát thải NOx ........................................................................ 98 4.4.2.3 Diễn biến phát thải CO ......................................................................... 98 4.4.2.4 Diễn biến phát thải HC ......................................................................... 99 4.4.2.5 Suất tiêu hao nhiên liệu......................................................................... 99 4.4.3 Động cơ trang bị EDD tại 2200 v/p ............................................................ 99 4.4.3.1 Diễn biến phát thải khói ........................................................................ 99 4.4.3.2 Diễn biến phát thải NOx ...................................................................... 100 4.4.3.3 Diễn biến phát thải CO ....................................................................... 100 4.4.3.4 Diễn biến phát thải HC ....................................................................... 100 4.4.3.5 Suất tiêu hao nhiên liệu..................................................................