Báo cáo Xây dựng giáo trình điện tử mô phỏng các hệ thống xử lý khí thải trên ôtô (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo Xây dựng giáo trình điện tử mô phỏng các hệ thống xử lý khí thải trên ôtô (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG XÂY DỰNG GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ MÔ PHỎNG CÁC HỆ THỐNG XỬ LÝ KHÍ THẢI TRÊNS K C 0 0 0 2 8 1 ÔTÔ MÃ SỐ: T2011- 37 S K C 0 0 3 3 5 3 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, 2011
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN  BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM XÂY DỰNG GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ MÔ PHỎNG CÁC HỆ THỐNG XỬ LÝ KHÍ THẢI TRÊN ÔTÔ MÃ SỐ: T2011- 37 Chủ nhiệm đề tài: ĐỖ QUỐC ẤM TP. HỒ CHÍ MINH – 2011
3. TÓM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƢỜNG Tên đề tài: Xây dựng giáo trình điện tử mô phỏng các hệ thống kiểm soát khí xả trên ô tô. Mã số: T2011-37 Chủ nhiệm đề tài: GVC Ths Đỗ Quốc Ấm Tel.:0913120175 E-mail:amlekhoa@yahoo.com Cơ quan chủ trì đề tài: Trường Đại học sư phạm kỹ thuật TP. HCM Cơ quan và cá nhân phối hợp thực hiện: Thời gian thực hiện: 25.03.2011 đến 29.11.2011 1. Mục tiêu: Xây dựng được một giáo trình điện tử về các hệ thống xử lý khí thải trên ô tô có tính trực quan cao giúp người học nắm được các nội dung sau: - Cơ chế hình thành các chất khí độc hại. - Nguyên lý hoạt động và cấu tạo các hệ thống kiểm soát khí xả trên ô tô. - Quy trình kiểm tra các chỉ tiêu phát thải. 2. Nội dung chính: . Tổng quan về ô nhiễm môi trường trên động cơ đốt trong . Cơ chế hình thành các chất độc hại và các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành các chất trên Cơ chế hình thành NOx Cơ chế hình thành CxHy Cơ chế hình thành CO Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành NOx, CxHy, CO . Các giải pháp kỹ thuật làm giảm mức độ phát thải trên ô tô Hệ thống EGR(Exhaust gas recirculation system) Hệ thống PCV (Positive crankcase ventilation system) Hệ thống TP( Throttle positioner) Hệ thống thu hồi hơi nhiên liệu Catalytic converter Air suction Air Injection Hệ thống xử lý khí nạp mới . Qui trình kiểm tra các chất gây ô nhiễm trên ô tô Các qui trình kiểm tra khí thải của Mỹ, Nhật, châu Âu, Việt nam 3. Kết quả chính đạt đƣợc (khoa học, ứng dụng, đào tạo, kinh tế – xã hội, v.v ) một giáo trình điện tử về các hệ thống xử lý khí thải trên ô tô có tính trực quan cao 4.Điểm mới 1
4. Tài liệu này có tính trực quan cao giúp sinh viên dể dàng tiếp thu các nội dung liên quan ( do có mô phỏng hoạt động của các hệ thống ) Tài liệu này giúp triển khai việc giảng dạy E- learning các nội dung có liên quan tại khoa CKĐ dễ dàng hơn ( Chuyên đề Ô tô và ô nhiễm môi trường, Nguyên lý Động cơ đốt trong, Thử nghiệm ô tô .) 5. Địa chỉ ứng dụng - Các trường đại học, cao đẳng và trung học chuyên nghiệp có chuyên ngành cơ khí động lực. - Các cơ sở dạy nghề, các cơ sở sửa chữa ôtô. 2
5. DẪN NHẬP 1.1 Tính cấp thiết Ô nhiễm không khí môi trường hiện đang là một vấn đề nóng hổi tại nước ta, nhất là tại các thành phố lớn. So với các nguồn gây ô nhiễm khác ô tô đóng một vai trò lớn nhất trong việc phát thải các chất khí gây ô nhiễm. Việc giảng dạy và nghiên cứu về cơ chế hình thành các chất khí độc hại ( CO, CxHy, NOx) cũng như về cấu tạo, hoạt động của các hệ thống xử lý khí xả giúp người học nhận thức rõ hơn vể các yếu tố trên trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết. Với mong muốn giúp người học hiểu rõ, và nắm bắt được các yêu cầu trên, người nghiên cứu mạnh dạn đề xuất đề tài nghiên cứu “ Xây dựng giáo trình điện tử mô phỏng các hệ thống kiểm soát khí xả trên ô tô” Khi sử dụng giáo trình này - Người học sẽ dễ dàng nắm được cơ chế hình thành các chất khí độc hại trên ô tô, nguyên lý hoạt động và cấu tạo các hệ thống kiểm soát khí xả trên ô tô, quy trình kiểm tra các chỉ tiêu phát thải. Điều này giúp khai thác, sử dụng và sửa chữa ô tô đạt hiệu quả cao và bảo đảm các chỉ tiêu chống phát thải. - Giúp việc giảng dạy trực tiếp trên lớp hay giảng dạy trực tuyến các môn học có nội dung liên quan - Tăng tính trực quan, kích thích tính chủ động tích cực cho người học. 1.2 Mục tiêu Xây dựng được một giáo trình điện tử về các hệ thống xử lý khí thải trên ô tô có tính trực quan cao giúp người học nắm được các nội dung sau: - Cơ chế hình thành các chất khí độc hại. - Nguyên lý hoạt động và cấu tạo các hệ thống kiểm soát khí xả trên ô tô. - Quy trình kiểm tra các chỉ tiêu phát thải. 1.3 Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu Cách tiếp cận: - Tìm hiểu các chất độc hại có trong khí xả của động cơ đốt trong - Tìm hiểu cơ chế hình thành các chất khí độc hại trên động cơ xăng - Tìm hiểu nguyên lý làm việc, cấu tạo của các hệ thống kiểm soát khí xả trên động cơ xăng - Xây dựng kịch bản cho giáo trình. - Xây dựng giáo trình điện tử Phương pháp nghiên cứu; -Thu thập tài liệu các nội dung liên quan - Nghiên cứu tính năng của các phần mềm có chức năng mô phỏng 1.4 Phạm vi nghiên cứu - Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu: - Cơ chế hình thành và các giài pháp kỹ thuật làm giảm mức độ phát thài trên động cơ sử dụng nhiên liệu xăng 1.5 Nội dung nghiên cứu . Tổng quan về ô nhiễm môi trường trên động cơ đốt trong 3
6. . Cơ chế hình thành các chất độc hại và các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành các chất trên Cơ chế hình thành NOx Cơ chế hình thành CxHy Cơ chế hình thành CO Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành Nox, CxHy, CO . Các giải pháp kỹ thuật làm giảm mức độ phát thải trên ô tô Hệ thống EGR(Exhaust gas recirculation system) Hệ thống PCV (Positive crankcase ventilation system) Hệ thống TP( Throttle positioner) Hệ thống thu hồi hơi nhiên liệu Catalytic converter Air suction Air Injection Hệ thống xử lý khí nạp mới . Qui trình kiểm tra các chất gây ô nhiễm trên ô tô Các qui trình kiểm tra khí thải của Mỹ, Nhật, châu Âu, Việt nam 4
7. CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ Ô NHIỄM MÔI TRƢỜNG I Các chất độc hại làm ô nhiễm môi trƣờng do động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu xăng gây ra. I.1 Ô nhiễm không khí? - Định nghĩa về ô nhiễm không khí do cộng đồng Châu Âu đưa ra vào năm 1967: “ Không khí gọi là ô nhiễm khi thành phần của nó bị thay đổi, hay khi có sự hiện diện của những chất lạ gây ra những tác hại mà khoa học chứng minh được, hay gây ra sự khó chịu đối với con người “ - Theo định nghĩa trên ta có thể hiểu: các chất gây ô nhiễm có thể nguy hại đến tự nhiên và con người mà khoa học nhận biết được hay đơn giản là gây ra sự khó chịu chẳng hạn như mùi hôi, màu sắc - Các chất ô nhiễm và giới hạn về nồng độ cho phép của chúng trong các nguồn phát thải có thể thay đổi theo thời gian. - Ngày nay, người ta đã xác định được các chất ô nhiễm trong không khí, mà phần lớn là các chất đó có trong khí xả động cơ đốt trong. Thời kỳ tiền công Tốc độ Chất ô nhiễm Hiện nay(ppm) nghiệp(ppm) tăng(%/năm) CO2 270 340 0.4 NOx 0.28 0.3 0.25 CO 0.05 0.13 3 SO2 0.001 0.002 2 ppm: part per million (một phần triệu) Bảng I.1: Sự gia tăng của các chất ô nhiễm trong bầu khí quyển - Tùy theo chính sách năng lượng của mỗi nước, sự phân bố tỷ lệ phát sinh ô nhiễm của các nguồn khác nhau không đồng nhất: Nguồn phát sinh ô nhiễm CO HC NOx Ô tô 93 57.3 39 Sản xuất điện 0.1 0.1 21.5 Quá trình cháy trong công nghiệp 0.0 26.4 31.3 Các quá trình cháy khác 6.3 0.7 0.8 Công nghiệp dầu mỏ - 14.8 5.1 Các hoạt động khác 0.6 0.7 2.6 Tổng cộng 100 100 100 Bảng I.2: Tỷ lệ phát thải các chất ô nhiễm ở Nhật (tính theo %) 5
8. Nguồn phát ô nhiễm CO HC NOx Ô tô 64.7 45.7 36.6 Các phương tiện giao thông khác 9.0 7.2 10.5 Quá trình cháy công nghiệp 9.1 16.8 42.8 Công nghiệp dầu mỏ 5.2 5.3 1.7 Các hoạt động khác 12 25 8.4 Tổng cộng 100 100 100 Bảng I.3: Tỷ lệ phát thải các chất ô nhiễm ở Mỹ (tính theo %) I.2 Các chất ô nhiễm sinh ra trên động cơ đốt trong sử dụng nhiên liêu xăng Quá trình cháy lý tưởng của hỗn hợp hydrocarbone với không khí chỉ sinh ra CO2, H2O, và N2. Tuy nhiên, do sự không đồng nhất của hỗn hợp, cũng như tính chất phức tạp của hiện tượng lý hóa diễn ra trong quá trình cháy nên trong khí xả động cơ đốt trong luôn có chứa một hàm lượng đáng kể các chất độc hại như: . Oxide nitơ: NO, NO2, N2O gọi chung là NOx . Monoxide cacbon: CO . Hydrocarbon chưa cháy: HC . Bồ hóng, muội than . Chì: Pb . Lưu huỳnh: S - Những chất như lưu huỳnh, chì và các chất phụ giatrong nhiên liệu cũng có ảnh hưởng đến các chất ô nhiễm trong sản phẩm cháy. Một trong những thông số có tính tổng quát ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ là hệ số dư lượng không khí . Hình I.4: Biến thiên nồng độ các ô nhiễm theo hệ số dư lượng không khí λ Hình I.4 trình bày một cách định tính sự phụ thuộc của nồng độ NOx, CO, HC trong khí xả theo hệ số dư lượng không khí . 6
9. I.2.1 NOx (oxide nitơ): - NOx là tên gọi chung của oxide nitơ gồm: NO, NO2 và N2O. Hình thành do sự kết hợp giữa oxi và nitơ ở điều kiện nhiệt độ cao. - Một trong những xu hướng nâng cao tính kinh tế của động cơ ngày nay là áp dụng kỹ thuật chế hòa khí phân lớp cho động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo. Trong điều kiện đó NOx là đối tượng chính của việc xử lý ô nhiễm. - Mức độ phát sinh ô nhiễm trung bình của quá trình cháy nhiên liệu hydrocarbon. Lƣợng phát sinh Chất ô nhiễm (g/Kg nhiên liệu) NOx 20 CO 200 HC 25 Bồ hóng 2 – 5 Trên đây là số liệu trung bình, ở điều kiện cháy của hổn hợp có hệ số dư lượng không khí  = 1. Tuy nhiên trong những điều kiện cháy ở áp suất và nhiệt độ cao, hệ số dư lượng không khí  lớn thì tỷ lệ thành phần các chất ô nhiễm sẽ thay đổi theo hướng tăng NOx I.2.2 Monoxide Carbon: CO - Monoxide Carbon có mặt trong khí xả động cơ đốt trong là quá trình cháy không hoàn toàn của hỗn hợp giàu hay do sự phân giải sản vật cháy với nhiệt độ. - CO là chất khí không màu, không mùi, rất độc. Theo số liệu thống kê các nguồn phát sinh ô nhiễm chủ yếu hiện nay, người ta thấy 70% lượng CO trong khí quyển là do khí xả động cơ ô tô gây ra, tốc độ gia tăng nồng độ CO trong khí quyển ở mức cao, gần 3% năm. I.2.3 Hydrocarbon chƣa cháy: HC - HC có mặt trong khí xả chủ yếu là do các không gian chết trong buồng cháy hay nói cách khác là HC được hình thành ở những nơi có nhiệt độ thấp. Ngoài ra, khi hỗn hợp quá nghèo tốc độ cháy thấp dẫn đến tình trạng bỏ lửa, khi đó sẽ là nguyên nhân làm tăng nồng độ HC trong khí thải. I.2.4. Bồ hóng – Muội than, chì, lƣu huỳnh: - Bồ hóng, muội than: Đối với động cơ sử dụng nhiên liệu xăng, hàm lượng bồ hóng, muội than không đáng kể. Tuy nhiên, đây là chất ô nhiễm quan trọng trong khí xả diesel. - Lƣu huỳnh: Thông thường xăng có chứa khoảng 600 ppm lưu huỳnh. Trong quá trình cháy, lưu huỳnh bị oxi hóa thành SO3, chất này kết hợp với nước để tạo ra H2SO4. SO3 + H2O = H2SO4 - Chì: Để tăng tính chông kích nổ của nhiên liệu, người ta pha thêm tetraetyl chì Pb(C2H5)4 vào xăng. Sau khi cháy, những hạt chì có đường kính cực bé thoát ra theo khí xả, lơ lửng trong không khí và trở thành chất ô nhiễm đối với bầu khí quyển, nhất là khu vực thành phố có mật đọ giao thông cao. II.Tác hại của các chất ô nhiễm II.1. Tác hại của các chất ô nhiễm đối với con ngƣời: 7