(Đồ án hcmute) chuyên đề khí thải trên động cơ diesel

Vậy để thực hiện được tiêu chuẩn khí thải Euro 5, nước ta và các nước khác cũng gặp không ít thách thức và khó khăn:  Hạn chế về nguồn nhiên liệu: không chỉ động cơ cần đáp ứng tiêu ch

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

GVHD: Th.S ĐINH TẤN NGỌC SVTH: NGUYỄN NHẬT KHA

NGUYỄN THÀNH KHOA

S K L 0 1 0 4 3 2

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

CHUYÊN ĐỀ KHÍ THẢI TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

(Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô)

TÊN ĐỀ TÀI:

CHUYÊN ĐỀ KHÍ THẢI TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL

Họ và tên sinh viên 1: NGUYỄN NHẬT KHA MSSV 1: 18145146

Họ và tên sinh viên 2: NGUYỄN THÀNH KHOA MSSV 2: 18145161

Ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ Lớp: 18145CL7A

Giảng viên hướng dẫn: ThS ĐINH TẤN NGỌC Điện thoại:……….……… Ngày nhận đề tài: ……… Ngày nộp đề tài:………… NỘI DUNG:

1 Các vấn đề của động cơ Diesel liên quan đến khí thải

2 Cơ chế hình thành và tác hại của các loại khí thải

3 Các phương pháp giảm thiểu khí thải động cơ Diesel

4 Nguyên nhân, triệu chứng và cách khắc phục các vấn đề liên quan đến khí thải

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

1 Tài liệu số và tài liệu giấy (sách và giáo trình)

2 Bài báo khoa học chính thống trên các diễn đàn

3 Tài liệu đào tạo của các công ty, tập đoàn

TRÌNH BÀY:

- 1 quyển thuyết minh đồ án

- Files (đơn, poster, thuyết minh) upload trên Google Drive

THỜI GIAN THỰC HIỆN

- Ngày bắt đầu: ………

- Ngày hoàn thành:………

TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

***

TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng… năm 2022

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Họ và tên Sinh viên 1: Nguyễn Nhật Kha MSSV: 18145146

Họ và tên Sinh viên 2: Nguyễn Thành Khoa MSSV: 18145161

Ngành: Công nghệ kỹ thuật Ô tô

Tên đề tài: Chuyên đề khí thải trên động cơ Diesel

Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: ThS Đinh Tấn Ngọc

NHẬN XÉT

1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

5 Đánh giá loại:

6 Điểm:……….(Bằng chữ: )

TP Hồ Chí Minh, ngày… tháng … năm ……

Giáo viên hướng dẫn

(Ký & ghi rõ họ tên)

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

***

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Họ và tên Sinh viên 1: Nguyễn Nhật Kha MSSV: 18145146

Họ và tên Sinh viên 2: Nguyễn Thành Khoa MSSV: 18145161

Ngành: Công nghệ kỹ thuật Ô tô

Tên đề tài: Chuyên đề khí thải động cơ Diesel

Họ và tên Giáo viên phản biện: ThS Châu Quang Hải

NHẬN XÉT

1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

5 Đánh giá loại:

6 Điểm:……….(Bằng chữ: )

TP Hồ Chí Minh, ngày… tháng … năm ……

Giáo viên hướng dẫn

(Ký & ghi rõ họ tên)

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

***

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời kỳ công nghiệp hóa hiện đại hóa thì các nền công nghiệp các nước ngày một phát triển Cùng với sự phát triển đó thì ngành công nghiệp ô tô càng được chú trọng để đáp ứng với các nhu cầu lưu thông vận chuyển hàng hóa và đi lại của người dân Nhưng với sự phát triển ấy là sự ô nhiễm về môi trường do lượng khí thải

mà động cơ thải ra môi trường ngày càng đáng lo ngại Động cơ đốt trong đặt biệt là động cơ Diesel đang là một trong những nguồn gây ô nhiễm nặng nề ở nước ta do khí thải, nhất là các đô thị thành phố lớn

Để hạn chế sự ô nhiễm này thì các nước, cũng như các tổ chức quốc tế đã kêu gọi cắt giảm lượng khí thải và theo đó là các tiêu chuẩn khí thải ngày càng thắt chặt hơn Để đáp ứng được các yêu cầu đó các nhà sản xuất không ngừng nghiên cứu áp dụng và cải tiến các biện pháp kĩ thuật để giảm tối đa mức độ phát thải các khí ô nhiễm như HC, CO, NOx, PM,…

Từ đó có thể thấy các vấn đề liên quan đến khí thải động cơ, đặc biệt là khí thải động cơ Diesel đang được sự quan tâm của cộng đồng Đó cũng là lí do nhóm chúng em chọn đề tài : “ Chuyên đề khí thải trên động cơ Diesel”

LỜI CẢM ƠN

Nhóm sinh viên thực hiện đề tài xin gửi lời cảm ơn chân thành và vô cùng biết

ơn đến thầy Đinh Tấn Ngọc Nhờ có sự hướng dẫn tận tâm và hỗ trợ hết mình của thầy mà đề tài của nhóm đã được hoàn thành đúng tiến độ và hoàn chỉnh về mặt nội dung

Nhóm sinh viên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô trường Đại học

Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM và đặc biệt là các thầy cô khoa Đào tạo Chất lượng cao

và khoa Cơ khí Động lực đã tạo điều kiện, giúp nhóm có thêm nhiều kiến thức trong quá trình học tập và có thể áp dụng vào các công việc sau này

Nhóm sinh viên cũng xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình và bạn bè đã hết lòng giúp đỡ và động viên

Nhóm sinh viên thực hiện đề tài xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iii

LỜI NÓI ĐẦU iv

LỜI CẢM ƠN v

MỤC LỤC vi

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1

1.1 Mục đích, nội dung, ý nghĩa và tính cấp thiết của đề tài 1

1.1.1 Mục đích 1

1.1.2 Nội dung 1

1.1.3 Ý nghĩa 1

1.1.4 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Những vấn đề chung của tình hình khí thải hiện nay 2

1.3 Động cơ Diesel và các tiêu chuẩn khí thải, quy trình kiểm tra khí thải ở nước ta 2

1.3.1 Động cơ Diesel 2

1.3.2 Các tiêu chuẩn khí thải 3

1.3.3 Quy trình kiểm tra khí thải ở nước ta 9

CHƯƠNG 2 ĐỘNG CƠ DIESEL & CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN KHÍ THẢI 15 2.1 Sơ lược về động cơ Diesel 15

2.1.1 Loại nhiên liệu sử dụng 16

2.1.2 Cách thức hoạt động trong buồng đốt 19

2.1.3 Mức độ phát thải ô nhiễm : 20

2.2 Quá trình Nạp, Nén và Cháy ở Động cơ Diesel 22

2.2.1 Quá trình nạp 22

2.2.2 Quá trình nén 22

2.2.3 Quá trình cháy 24

2.3 Quá trình xả và Hệ thống khí thải trên động cơ Diesel 29

2.3.1 Quá trình xả 29

2.3.2 Hệ thống khí thải trên động cơ Diesel 30

CHƯƠNG 3 CƠ CHẾ HÌNH THÀNH VÀ TÁC HẠI CỦA CÁC LOẠI KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ DIESEL 35

3.1 Cơ chế hình thành các loại khí thải trên động cơ Diesel 35

3.1.1 Mối quan hệ giữa quá trình cháy và khí thải 35

3.1.2 Cơ chế hình thành NOx 40

3.1.3 Cơ chế hình thành PM 43

3.1.4 Cơ chế hình thành CO 47

3.1.5 Cơ chế hình thành HC 48

3.1.6 Cơ chế hình thành SOx 50

3.2 Tác hại của các loại khí thải trên động cơ Diesel đến môi trường và con người 50

3.2.1 Ảnh hưởng chung của các loại khí thải động cơ Diesel 50

3.2.2 Tác hại của NOx 51

3.2.3 Tác hại của PM 52

3.2.4 Tác hại của CO 53

3.2.5.Tác hại của HC 54

3.2.6 Tác hại của SOx 54

CHƯƠNG 4 CÁC GIẢI PHÁP GIẢM LƯỢNG KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ DIESEL 56

4.1 Các giải pháp xử lí khí thải liên quan đến cấu tạo động cơ – phương pháp hình thành hỗn hợp nhiên liệu 56

4.1.1 Hệ thống nhiên liệu dùng bơm cao áp PF 56

4.1.2 Hệ thống nhiên liệu dùng bơm cao áp PE 57

4.1.3 Hệ thống nhiên liệu dùng bơm cao áp VE - EDC 59

4.1.4 Hệ thống nhiên liệu dùng bơm cao áp UI-UP 64

4.1.5 Hệ thống nhiên liệu điều khiển điện tử Common Rail 67

4.1.6 Hệ thống tuần hoàn khí thải EGR 73

4.1.7 Sử dụng nguồn nhiên liệu mới thân thiện với môi trường 78

4.1.8 Sử dụng Tăng áp 83

4.2 Các biện pháp xử lý sau khi khí thải được hình thành 86

4.2.1 Bộ xúc tác Oxy hóa trên động cơ Diesel ( Diesel Oxidation Catalyst ) 87

4.2.2 Bộ xúc tác suy giảm chọn lọc ( Selective catalytic reduction ) 89

4.2.3 Bộ lọc hạt khí thải động cơ Diesel ( Diesel Particulate Filter ) 115

4.2.4 Sự kết hợp của ba bộ xử lý khí thải DOC, DPF và SCR 124

4.2.5 Một số hệ thống khí thải trên các dòng xe 126

CHƯƠNG 5 NGUYÊN NHÂN, TRIỆU CHỨNG VÀ CÁCH KHẮC PHỤC CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN TỚI KHÍ THẢI 132

5.1 Bộ lọc hạt DPF bị tắc nghẽn 132

5.2 Nạp dung dịch AdBlue cho Bộ xúc tác chọn lọc SCR 134

5.3 Trục trặc ở các Bầu lọc chuyển đổi xúc tác 139

5.4 Trục trặc ở Bộ tăng áp Turbo 142

5.5 Trục trặc ở cảm biến khí thải ( Oxy sensor ) 144

5.6 Hư hỏng ở cổ góp xả và đường dẫn ống xả 145

5.7 Hư hỏng kim phun của hệ thống Common Rail 146

5.8 Hư hỏng van EGR 149

5.9 Hư hỏng động cơ thông qua màu sắc khí thải 151

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 153

6.1 Kết luận 153

6.2 Đánh giá và hướng phát triển 153

6.3 Tương lai của động cơ Diesel 154

TÀI LIỆU THAM KHẢO 155

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

PM: Particurlate Matter

DOC: Diesel Oxidation Catalyst

SCR: Selective Catalytic Reduction

DEF: Diesel Exhaust Fluid

DCU: Dosing Control Unit

EDC: Electronic Diesel Control

ECU : Electronic Control Unit

DI: Double Injection

ĐCD : Điểm chết dưới

ĐCT : Điểm chết trên

SPV: SPill Valve

TCV: Timing Control Valve

EGR: Exhausted Gas Recirculation

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Tiêu chuẩn EURO đối với động cơ Diesel 4

Hình 2.1 Kỹ sư Rudolf Diesel và chiếc động cơ Diesel đầu tiên 15

Hình 2.2 Nhà phát minh ra Bơm cao áp – Robert Bosch 16

Hình 2.3 Buồng đốt của động cơ Diesel 19

Hình 2.4 Bu-gi sấy ở động cơ Diesel 19

Hình 2.5 Biểu đồ so sánh lượng khí thải ở 2 loại động cơ 20

Hình 2.6 Ô nhiễm khí thải động cơ Diesel ở Châu Âu 21

Hình 2.7 Quá trình nạp 22

Hình 2.8 Quá trình nén 24

Hình 2.9 Quá trình cháy 25

Hình 2.10 Giai đoạn cháy trễ trong động cơ Diesel 25

Hình 2.11 Giai đoạn cháy nhanh trong động cơ Diesel 26

Hình 2.12 Giai đoạn cháy chính ở động cơ Diesel 27

Hình 2.13 Giai đoạn cháy rớt ở động cơ Diesel 28

Hình 2.14 Quá trình xả 29

Hình 2.15 Các thành phần cơ bản của một hệ thống khí thải 30

Hình 2.16 Cổ góp trong hệ thống khí xả 31

Hình 2.17 Turbocharger 31

Hình 2.18 Bộ xử lí khí thải 32

Hình 2.19 Bộ giảm âm 33

Hình 2.20 Cảm biến Oxy 33

Hình 3.1 Các yếu tố chính trong quá trình cháy 35

Hình 3.2 Tỷ lệ thành phần các chất sinh ra sau quá trình cháy ở động cơ Diesel 40

Hình 3.3 Cấu trúc chuỗi Bồ hóng và dạng những hạt sơ cấp 45

Hình 3.4 Mô hình cấu trúc dạng hạt sơ cấp và cấu trúc tinh thể Graphit 46

Hình 3.5 Quá trình hình thành Bồ hóng 47

Hình 3.6 Sự phân bố nhiên liệu tia phun 48

Hình 3.7 Sự hình thành HC do tôi màng lửa trên thành buồng cháy 49

Hình 3.8 Tác hại của khí CO đối với con người 53

Hình 3.9 Tác hại của khí CO đối với môi trường 54

Hình 4.1 Cấu tạo bơm cao áp PF 56

Hình 4.2 Cấu trúc tổng quan của hệ thống bơm cao áp PF 57

Hình 4.3 Cấu tạo tổng quát bơm cao áp PE 58

Hình 4.4 Sơ đồ tổng quát hệ thống bơm cao áp PE 59

Hình 4.5 Sơ đồ của hệ thống nhiên liệu Diesel VE-EDC 60

Hình 4.6 Kiểu piston hướng trục 61

Hình 4.7 Kiểu piston hướng tâm 61

Hình 4.8 Sơ đồ hoạt động của hệ thống bơm cao áp VE-EDC 62

Hình 4.9 Van SPV thông thường 62

Hình 4.10 Van SPV trực tiếp 63

Hình 4.11 Bơm tiếp vận 63

Hình 4.12 Sơ đồ cấu tạo van TCV 64

Hình 4.13 Sơ đồ nguyên lý hệ thống UI 65

Hình 4.14 Sơ đồ nguyên lý hệ thống UI 65

Hình 4.15 Sơ đồ nguyên lý UP 66

Hình 4.16 Hệ thống nhiên liệu UP 67

Hình 4.17 Cấu tạo hệ thống Common Rail 69

Hình 4.18 Nguyên lý hoạt động của hệ thống Common Rail 70

Hình 4.19 Mối quan hệ giữa áp suất phun và tốc độ động cơ trong các hệ thống phun khác nhau 72

Hình 4.20 Kim phun Common Rail 73

Hình 4.21 Cấu tạo kim phun Common Rail 73

Hình 4.22 Cấu tạo của một hệ thống EGR 76

Hình 4.23 Phương pháp bổ sung nước 81

Hình 4.24 Emulsions 81

Hình 4.25 Turbo tăng áp 83

Hình 4.26 Cấu tạo của Turbo tăng áp 84

Hình 4.27 Nguyên lý hoạt động của Turbo tăng áp 85

Hình 4.28 Hàm lượng NOx và PM qua từng tiêu chuẩn EURO 86

Hình 4.29 Hoạt động của Bộ DOC 88

Hình 4.30 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới Bộ DOC 88

Hình 4.31 Bộ xúc tác suy giảm chọn lọc SCR 89

Hình 4.32 Dung dịch AdBlue trên thị trường Việt Nam 90

Hình 4.33 SCR khử đi NOx bằng dung dịch Urea 91

Hình 4.34 Quá trình tác dụng hóa học khử NOx 92

Hình 4.35 Vòi phun AdBlue của bộ SCR 92

Hình 4.36 Hệ thống SCR trên Mazda CX7 động cơ 93

Hình 4.37 Động cơ WEICHAI WP12 94

Hình 4.38 Tổng quan hệ thống SCR trên WEICHAI WP12 94

Hình 4.39 Cấu tạo của thùng chứa Urea 95

Hình 4.40 Vị trí của thùng chứa Urea thực tế 96

Hình 4.41 Các bộ phận đặt trong thùa chứa Urea 97

Hình 4.42 Van điện tử gia nhiệt cho dung dịch Urea 97

Hình 4.43 Vị trí của van điện tử gia nhiệt 98

Hình 4.44 Các ống kết nối với thùng Urea 98

Hình 4.45 Cấu tạo bên ngoài của bơm Urea 99

Hình 4.46 Cấu tạo bên trong của bơm Urea 99

Hình 4.47 Cấu tạo của kim phun Urea 100

Hình 4.48 Vật chuyển năng 101

Hình 4.49 Bộ phận bao bọc kín 102

Hình 4.50 Cảm biến nhiệt độ khí thải 102

Hình 4.51 Cảm biến nhiệt độ môi trường 103

Hình 4.52 Cảm biến NOx 103

Hình 4.53 Thông tin kí hiệu chân cảm biến NOx 104

Hình 4.54 Sơ đồ chân cảm biến mức Urea và nhiệt độ Urea 105

Hình 4.55 Hệ thống xử lí khí thải Denoxtronic của BOSCH 106

Hình 4.56 Vị trí các cơ cấu chấp hành của hệ thống Denoxtronic trên xe 106

Hình 4.57 Bình chứa dung dịch AdBlue 107

Hình 4.58 Supply Module 107

Hình 4.59 Vị trí của Supply Module 108

Hình 4.60 Dosing Control Unit 108

Hình 4.61 Vị trí của Dosing Control Unit 109

Hình 4.62 Dosing Module 109

Hình 4.63 Hoạt động của Dosing Module 109

Hình 4.64 Vị trí của Dosing Module 110

Hình 4.65 NOx sensor 110

Hình 4.66 Vị trí của NOx sensor 111

Hình 4.67 Hệ thống DI-SCR 111

Hình 4.68 Công nghệ cải tiến DI-SCR 112

Hình 4.69 Hoạt động của hệ thống DI-SCR 112

Hình 4.70 Hệ thống Twin Dosing Volkswagen Diesel 2.0L 114

Hình 4.71 Hệ thống Twin-Dosing trên động cơ Audi Q2 35 TDI 114

Hình 4.72 Bộ DPF trên động cơ Diesel 115

Hình 4.73 Cấu tạo dạng tổ ong 115

Hình 4.74 Cấu trúc thành lõi lọc Ceramic 116

Hình 4.75 Cảm biến chênh lệch áp suất của Bộ lọc DPF 117

Hình 4.76 Hoạt động của cảm biến chênh lệch áp suất 117

Hình 4.77 Cảm biến PM 118

Hình 4.78 Cảm biến nhiệt độ bầu lọc DPF 118

Hình 4.79 Hoạt động của cảm biến nhiệt độ bầu lọc DPF 119

Hình 4.80 Hoạt động của Bộ lọc hạt DPF 120

Hình 4.81 Hoạt động chính trong bầu lọc hạt DPF 120

Hình 4.82 Hệ thống sử dụng cơ cấu bổ sung chất phụ gia hỗ trợ tái tạo DPF 121

Hình 4.83 Bình chứa chất phụ gia ở động cơ Diesel 122

Hình 4.84 Máy bơm chất phụ gia 122

Hình 4.85 Hoạt động của chất phụ gia trong bầu lọc DPF 123

Hình 4.86 Bộ lọc hạt DPF tích hợp sau Bộ xúc tác Oxy hóa DOC 124

Hình 4.87 Bộ xử lí tích hợp DOC và PDF 124

Hình 4.88 Hệ thống xử lí khí thải kết hợp DOC, DPF & SCR của BOSCH phát triển

125

Hình 4.89 Hệ thống xử lí khí thải của Xe Audi Q7 trang bị động cơ Diesel 3.0L V6 TDI tích hợp 3 Bộ xử lí khí thải 127

Hình 4.90 Công nghệ xử lý khí thải Bluetec trên các dòng xe V6 3.0L của Mercedes 128

Hình 4.91 Xe đầu kéo Volvo 128

Hình 4.92 Cấu tạo bên ngoài của hệ thống xử lí khí thải One-Box 129

Hình 4.93 Cấu tạo bên trong của hệ thống xử lí khí thải One-Box 129

Hình 4.94 Hệ thống xử lý khí thải One-Box của dòng xe tải Volvo D13 Euro 6 130

Hình 4.95 Vị trí của hệ thống xử lý khí thải One-Box 130

Hình 4.96 Hệ thống xử lí khí thải trên dòng xe tải hạng nặng khác 131

Hình 5.1 Tình trạng tắc nghẽn Bộ lọc hạt PDF 132

Hình 5.2 Đèn báo lỗi Bộ lọc DPF 133

Hình 5.3 Nút nhấn tái tạo thủ công và màn hình hiển thị 134

Hình 5.4 Dung dịch AdBlue giúp khử NOx 135

Hình 5.5 Cảnh báo dung dịch AdBlue 136

Hình 5.6 Nhãn hướng dẫn vị trí nắp nạp AdBlue và nhiên liệu trên xe Audi 137

Hình 5.7 Vị trí nắp nạp dung dịch AdBlue 137

Hình 5.8 Trụ nạp dung dịch AdBlue ở các trạm xăng dầu 138

Hình 5.9 Dung dịch AdBlue của NSX Madin 138

Hình 5.10 Hư hỏng ở Bộ xúc tác 139

Hình 5.11 Hiệu suất động cơ giảm 140

Hình 5.12 Cấu trúc tổ ong bị hư hỏng 141

Hình 5.13 Đèn Check Engine phát sáng cảnh báo lỗi 142

Hình 5.14 Hư hỏng ở Turbo tăng áp 143

Hình 5.15 Hư hỏng ở cảm biến Oxy 145

Hình 5.16 Vết nứt ở cổ góp xả 146

Hình 5.17 Hỏng van EGR 149

Hình 5.18 Tiêu hao nhiều nhiên liệu 150

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Mục đích, nội dung, ý nghĩa và tính cấp thiết của đề tài

- Cơ chế hình thành các loại khí thải động cơ Diesel

- Các tác hại của khí thải động cơ Diesel

- Các giải pháp giảm thiểu lượng khí thải trên động cơ Diesel

- Nguyên nhân, triệu chứng và cách khắc phục các vấn đề liên quan đến khí thải

1.1.3 Ý nghĩa

Đề tài giúp cho những sinh viên năm cuối chúng em củng cố lại kiến thức đã được học trên ghế nhà trường và có những kiến thức mới trong quá trình thực hiện đề tài, góp phần cho con đường chúng em phát triển nghề nghiệp sau khi ra trường Trong quá trình hoàn thành đề tài, nhóm chúng em thu thập được những kiến thức quan trọng, giúp chúng em có thể hiểu rõ hơn về khí thải động cơ Diesel, cách hình thành các khí thải độc hại, nhận biết được hư hỏng động cơ thông qua khí thải phát ra và khắc phục

1.1.4 Tính cấp thiết của đề tài

Là một đất nước trên đà phát triển, nước ta đã và đang có những cải cách và thúc đẩy nền kinh tế nước nhà bằng việc tiếp thu và áp dụng các thành tựu khoa học tiên tiến của thế giới

Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, động cơ đốt trong cũng ngày càng có mặt hầu hết mọi lĩnh vực, đặc biệt là động cơ Diesel, chúng đóng vai trò to lớn trong đời sống kinh tế xã hội Là động lực chủ yếu của thế giới trên mọi lĩnh vực như vận tải, xây dựng, phát điện…Quan trọng là thế nhưng nó cũng có những yếu điểm đáng lo đối với đời sống con người đó chính là nguồn khí thải do các động

cơ Diesel phát ra cực kỳ gây hại đến môi trường Để hiểu sâu hơn về các ảnh hưởng

và cách mà khí thải hình thành như thế nào nên nhóm chúng em quyết định lựa chọn

đề tài : “ Chuyên đề khí thải trên động cơ Diesel”

1.2 Những vấn đề chung của tình hình khí thải hiện nay

Xã hội ngày càng phát triển thì các nhu cầu về phương tiện đi lại, vận chuyển, giao thương ngày càng trở nên phổ biến và không thể thiếu trong đời sống và kinh tế con người Tuy nhiên, mặt trái của nó chính là sự phát thải ô nhiễm từ những phương tiện này Những phương tiện ở đây thường sẽ là những phương tiện được trang bị động cơ đốt trong Nguồn khí thải ô nhiễm đó gây ảnh hưởng xấu đến tình trạng sức khỏe của con người và môi trường sống

Ở Việt Nam, các thành phố và khu dân cư đô thị lớn đang ngày càng bị khí thải

ô nhiễm gây ảnh hưởng tiêu cực Tình trạng này đã thường xuyên được phản ánh trên các phương tiện truyền thông, tuy nhiên đến hiện nay vẫn khó để khắc phục được tối

đa vấn đề này Nguyên nhân gây ra vấn đề này ở nước ta là do số lượng ô tô, xe máy dùng động cơ đốt trong là rất nhiều, lên tới hàng chục triệu Đồng thời có những đời

xe đã rất cũ và không bảo dưỡng, đăng kiểm về khí thải đã góp phần lớn vào tình trạng này

Ở nước ta Hà Nội và TP.Hồ Chí Minh hiện tại luôn nằm trong bảng xếp hạng những thành phố có nồng độ chất lượng không khí thấp nhất thế giới Là hai thành phố lớn của Việt Nam, có mật độ dân cư rất đông nên đồng nghĩa với việc đó là phương tiện giao thông cũng rất nhiều Các thành phần khí thải từ động cơ đốt trong

từ các phương tiện thường thấy là NOx, CO, PM, HC, SOx,… Các loại khí này tuy

có thành phần hóa học và cách hình thành khác nhau nhưng đều có một đặc điểm duy nhất chính là vô cùng độc hại với sức khỏe con người và môi trường sống

1.3 Động cơ Diesel và các tiêu chuẩn khí thải, quy trình kiểm tra khí thải ở nước

tổn thất bơm, nên hiệu suất của nó khá cao Bên cạnh đó, hiệu suất của động cơ Diesel giảm khá nhanh ở tốc độ cao (khoảng 4000 vòng / phút) bởi tổn thất do ma sát cao hơn và khó có thể đảm bảo cháy hoàn toàn trong một thời gian ngắn Không chỉ thế, nhiên liệu động cơ Diesel có ưu điểm về tiêu thụ nhiên liệu so với động cơ xăng và

có giá trị nhiệt dung riêng (kJ/dm3) lớn hơn xăng 10% nên tiêu thụ nhiên liệu tính theo l/100km sẽ thấp hơn 10% với cùng mức hiệu suất động cơ

1.3.2 Các tiêu chuẩn khí thải

1.3.2.1 Tiêu chuẩn khí thải là gì

Tiêu chuẩn khí thải là các yêu cầu pháp lý quản lý các chất gây ô nhiễm không khí thải vào khí quyển Các tiêu chuẩn khí thải đặt ra các giới hạn định lượng về lượng cho phép của các chất gây ô nhiễm không khí cụ thể có thể được thải ra từ các nguồn

cụ thể trong các khoảng thời gian cụ thể Chúng thường được thiết kế để đạt được tiêu chuẩn chất lượng không khí và bảo vệ cuộc sống con người Các khu vực và quốc gia khác nhau có các tiêu chuẩn khác nhau về khí thải xe cộ

1.3.2.2 Tiêu chuẩn khí thải trên thế giới

Các tiêu chuẩn về khí thải ô tô đầu tiên được ban hành vào năm 1963 tại Hoa

Kỳ, chủ yếu là để đối phó với các vấn đề về khói bụi của Los Angeles Ba năm sau, Nhật Bản ban hành các quy tắc phát thải đầu tiên của họ, tiếp theo là Canada, Úc và một số quốc gia châu Âu từ năm 1970 đến 1972 Các tiêu chuẩn ban đầu chủ yếu liên quan đến carbon monoxide (CO) và hydrocarbon (HC) Các quy định về phát thải nitơ oxit (NOx) đã được đưa ra ở Hoa Kỳ, Nhật Bản và Canada vào năm 1973 và

1974, sau đó là Thụy Điển vào năm 1976 và Cộng đồng Kinh tế Châu Âu vào năm

1977 Các tiêu chuẩn này ngày càng trở nên nghiêm ngặt hơn nhưng chưa bao giờ được thống nhất

Phần lớn có ba bộ tiêu chuẩn chính: Hoa Kỳ, Nhật Bản và Châu Âu, với nhiều thị trường khác nhau chủ yếu sử dụng những bộ tiêu chuẩn này làm cơ sở của họ Úc, Thụy Điển và Thụy sĩ có các tiêu chuẩn khí thải riêng trong nhiều năm nhưng kể từ

đó đã áp dụng các tiêu chuẩn châu Âu Ấn Độ, Trung Quốc và các thị trường mới hơn khác cũng đã bắt đầu thực thi các tiêu chuẩn khí thải của phương tiện (xuất phát từ các yêu cầu của châu Âu) trong thế kỷ 21, do các đội phương tiện ngày càng tăng cũng làm nảy sinh các vấn đề nghiêm trọng về chất lượng không khí ở đó

1.3.2.3 Tiêu chuẩn khí thải châu Âu (EURO)

Tiêu chuẩn khí thải châu Âu đầu tiên dành cho ô tô chở khách được giới thiệu vào năm 1970

22 năm trôi qua trước khi có sự thay đổi lớn tiếp theo, vào năm 1992, tiêu chuẩn 'Euro 1' báo trước việc lắp bộ chuyển đổi xúc tác cho ô tô chạy xăng để giảm lượng khí thải carbon monoxide (CO)

Tiêu chuẩn mới nhất, 'Euro 6' , áp dụng cho các loại xe mới được phê duyệt từ tháng 9 năm 2014 và tất cả các xe ô tô mới từ tháng 9 năm 2015 và giảm 96% một số chất gây ô nhiễm so với giới hạn năm 1992

Tiêu chuẩn Euro 6 trở nên nghiêm ngặt hơn từ tháng 9 năm 2017 với việc bổ sung bài kiểm tra khí thải trên đường mở rộng được gọi là Khí thải lái xe thực hoặc RDE

Hình 1.1 Tiêu chuẩn EURO đối với động cơ Diesel

 Euro 1 (EC93)

Tháng 7/1992 (tháng 1/1993)

Sự ra đời của tiêu chuẩn Euro 1 vào năm 1992 đã yêu cầu chuyển sang sử dụng xăng không chì và lắp phổ biến bộ chuyển đổi xúc tác cho ô tô chạy xăng để giảm lượng khí thải carbon monoxide (CO)

Giới hạn khí thải Euro 1:

CO – 2,72 g/km (xăng và dầu Diesel)

HC+ NOx – 0,97 g/km (xăng và dầu Diesel)

Euro 2 đưa ra các giới hạn khí thải khác nhau đối với Diesel và xăng

Giới hạn khí thải Euro 2 (xăng):

Euro 3 đã sửa đổi quy trình thử nghiệm để loại bỏ thời gian khởi động động cơ

và giảm hơn nữa giới hạn hạt carbon monoxide và Diesel cho phép Euro 3 cũng bổ sung giới hạn NOx riêng cho động cơ Diesel và đưa ra giới hạn HC và NOx riêng cho động cơ xăng

Giới hạn khí thải Euro 3 (xăng):

CO – 2,3 g/km

HC – 0,20 g/km

NOx - 0,15

PM – không giới hạn

Giới hạn khí thải Euro 3 (Diesel):

Một số ô tô động cơ diesel Euro 4 đã được trang bị bộ lọc hạt

Giới hạn khí thải Euro 4 (xăng):

tiên giới hạn hạt bụi đối với động cơ xăng – chỉ áp dụng cho động cơ phun xăng trực tiếp

Giải quyết các ảnh hưởng của phát thải hạt rất mịn, tiêu chuẩn Euro 5 đã đưa ra giới hạn số lượng hạt đối với động cơ Diesel bên cạnh giới hạn trọng lượng hạt Điều này được áp dụng cho các phê duyệt kiểu mới từ tháng 9 năm 2011 và cho tất cả các

xe ô tô động cơ Diesel mới từ tháng 1 năm 2013

Giới hạn khí thải Euro 5 (xăng):

CO – 1,0 g/km

HC - 0,10 g/km

NOx – 0,06 g/km

PM – 0,005 g/km (chỉ phun trực tiếp)

Giới hạn khí thải Euro 5 (Diesel):

Tuần hoàn khí thải (EGR) – thay thế một số khí nạp (chứa 80% nitơ) bằng khí thải tái chế – làm giảm lượng nitơ có sẵn để bị oxy hóa thành NOx trong quá trình đốt cháy nhưng có thể cần thêm khí thải sau khi xử lý ngoài động cơ Diesel Bộ lọc hạt cần thiết để đáp ứng Euro 5

Xe động cơ Diesel Euro 6 cũng có thể được trang bị:

Một chất hấp phụ NOx (Lean NOx Trap) lưu trữ NOx và khử nó thành Nitơ qua chất xúc tác

Giảm xúc tác chọn lọc (SCR) sử dụng chất phụ gia (Dầu xả động cơ Diesel (DEF) hoặc AdBlue ) có chứa urea được bơm vào khí thải để chuyển NOx thành Nitơ

và nước

Việc sử dụng Xeri, một chất lỏng được bơm vào bình nhiên liệu mỗi khi xe được tiếp nhiên liệu, giúp tái tạo DPF bằng cách giảm nhiệt độ cần thiết cho quá trình tái tạo

Giới hạn khí thải Euro 6 (xăng):

CO – 1,0 g/km

HC – 0,10 g/km

NOx – 0,06 g/km

PM – 0,005 g/km (chỉ phun trực tiếp)

Giới hạn khí thải Euro 6 (diesel):

Đề xuất Euro 7 bao gồm một số thay đổi, bao gồm các giới hạn cập nhật đối với khí thải gây ô nhiễm, mở rộng các điều kiện ranh giới để thử nghiệm (bài kiểm tra lượng khí thải khi lái xe thực tế “RDE”), kéo dài thời gian phát thải, cũng như giới hạn lần đầu tiên đối với khí thải dạng hạt từ phanh và các quy tắc về phát thải vi nhựa

từ lốp xe

Một phần quan trọng của đề xuất Euro 7 là những thay đổi đối với quy trình thử nghiệm khiến việc đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải trở nên khó khăn hơn Các điều kiện biên cho thử nghiệm RDE đã được mở rộng để đảm bảo rằng lượng khí thải luôn

ở mức thấp trong phạm vi điều kiện rộng hơn Chẳng hạn, nhiệt độ môi trường xung quanh tối đa tăng từ 35°C lên 45°C, độ cao tối đa tăng từ 1.600 m lên 1.800 m và cho phép thực hiện các chuyến đi ngắn Đối với các phương tiện hạng nặng, người ta cũng tập trung nhiều hơn vào thử nghiệm toàn bộ phương tiện thay vì thử nghiệm động cơ Nước ta đang áp dụng tiêu chuẩn Euro 3 đối với xe mô tô hai bánh được nhập khẩu hoặc sản xuất lắp ráp từ ngày 1/1/2017 Còn ô tô nhập khẩu, lắp ráp và sản xuất mới sẽ áp dụng như sau:

Tiêu chuẩn khí thải mức 4 (Euro 4) áp dụng chính thức từ ngày 1/1/2017 Tiêu chuẩn khí thải mức 5 (Euro 5) áp dụng chính thức từ ngày 1/1/2022 Vậy để thực hiện được tiêu chuẩn khí thải Euro 5, nước ta và các nước khác cũng gặp không ít thách thức và khó khăn:

 Hạn chế về nguồn nhiên liệu: không chỉ động cơ cần đáp ứng tiêu chuẩn Euro

5 mà còn áp dụng cho xăng lẫn dầu thì mới đảm bảo mục tiêu khí thải sạch hơn Tuy nhiên tại Hà Nội hiện nay vẫn chưa có cây xăng nào phân phối dòng xăng dầu tương đương tiêu chuẩn, chỉ có duy nhất 1 loại dầu đạt tiêu chuẩn theo Euro 5 đó là Diesel DO 0,001S-V do Petrolimex phân phối

 Hạn chế về công nghệ và giá thành sản phẩm: để đáp ứng tiêu chuẩn Euro 5 thì hàm lượng công nghệ cần đầu tư vào một số bộ phận, chi tiết sẽ rất cao đặc biệt là động cơ Diesel, hệ thống xúc tác trung hòa khí xả, tính toán, phun dầu-xăng, đánh lửa, hệ thống điều khiển, … từ đó chi phí sản xuất ô tô sẽ đội lên rất nhiều Điều đó ảnh hưởng rất lớn đến các nhà sản xuất và lắp ráp dòng xe phổ thông trên thế giới Riêng một số loại xe sang nhập khẩu hoặc sản xuất, lắp ráp tại Việt Nam đã sớm đáp ứng tiêu chuẩn khí thải Euro 5

1.3.3 Quy trình kiểm tra khí thải ở nước ta

Quy trình kiểm tra khí thải được chia ra làm hai loại phương tiện cơ bản:

- Phương tiện sử dụng động cơ cháy cưỡng bức: phương tiện sử dụng nhiên liệu xăng, khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG), khí thiên nhiên (CNG);

- Phương tiện sử dụng động cơ do nén: phương tiện dùng nhiên liệu ethanol, Diesel

1.3.3.1 Các bước tiến hành [10]

Phương tiện dùng động cơ cháy

cưỡng bức

Phương tiện dùng động cơ cháy do

nén

Bước 1: Chuẩn bị phương tiện

a) Để tay số nằm ở vị trí trung gian, làm cho hệ thống phanh hoạt động

b) Kiểm tra và xác định kiểu động cơ: cháy do nén hay cháy cưỡng bức

c) Kiểm tra và xác định kết cấu động cơ (số kỳ, số xy lanh), loại động cơ

d) Kiểm tra, bảo đảm động cơ và hệ thống động cơ sẽ hoạt động bình thường, đủ

dầu bôi trơn, áp suất dầu bôi trơn và nhiệt độ nước làm mát nằm trong giới hạn cho phép

e) Kiểm tra hệ thống khí thải: đảm bảo

không bị rò rỉ tắc nghẽn

f) Làm sạch sẽ hệ thống dẫn khí thải

động cơ: tăng tốc độ động cơ tăng lên

khoảng 2500 vòng/phút hoặc một nửa

tốc độ tối đa theo giá trị nào nhỏ hơn,

duy trì trong vòng 20 giây Sau đó, trả

lại động ở chế độ tốc độ vòng quay

không tải nhỏ nhất

g) Kiểm tra và xác định loại nhiên liệu

được sử dụng Với động cơ sử dụng

nhiều loại nhiên liệu, ví dụ: xăng/CNG,

tùy chọn một loại nhiên liệu sử dụng để

kiểm tra khí thải

e) Kiểm tra hệ thống dẫn khí thải: đảm

bảo hệ thống không bị tắc nghẽn hoặc

rò rỉ Xác định đường kính ống xả

f) Kiểm tra bộ hạn chế tốc độ: lên ga từ

từ đến hết hành trình Cảm nhận, đảm bảo tốc độ được giữ ổn định

g) Làm sạch hệ thống dẫn khí thải: đạp

nhanh cho hết hành trình bàn đạp ga ít nhất 02 lần để kiểm tra

h) Đưa phương tiện sẵn sàng trạng thái đo:

- Tắt tất cả các thiết bị phụ như quạt gió, điều hoà nhiệt độ, tín hiệu, các hệ thống chiếu sáng, sấy kính …;

- Cho động cơ luôn hoạt động ở tốc độ vòng quay không tải nhỏ nhất

Bước 2: Chuẩn bị thiết bị đo và nhập dữ liệu cần thiết

a) Chọn thiết bị đo phù hợp với từng loại phương tiện

b) Nhập thông tin phương tiện, các mức tiêu chuẩn cho phép nếu thiết bị đo chưa

được nối với mạng của dây chuyền kiểm tra, cần nhập và xác nhận các thông tin khác theo yêu cầu của thiết bị đo

c) Chọn trên thiết bị các chức năng đo

phù hợp (nếu có) với từng loại nhiên

liệu sử dụng khi kiểm tra nếu thiết bị đo

chưa được nối mạng Nếu thiết bị đo đã

được nối mạng thì cần nhập, xác nhận

trên máy tính: loại nhiên liệu sử dụng,

loại động cơ, số kỳ khi kiểm tra

c) Việc nhập thông tin tự động (xác nhận) tốc độ động cơ thực tế bằng thiết bị được thực hiện ở bước 3 bên dưới Với thiết bị đo có nối mạng với dây chuyền kiểm tra thì cần nhập vào máy tính: giá trị tốc độ vòng quay động cơ ứng với công suất cực đại của động cơ

(nếu chưa có)

d) Kiểm tra thiết bị đo: đường ống dẫn khí thải không bị tắc nghẽn hoặc rò rỉ, đầu

lấy mẫu, đảm bảo thiết bị đo ở trạng thái sẵn sàng, hoạt động bình thường, ổn định và không báo lỗi

e) Lắp đặt đầu đo tốc độ Chọn số xy lanh, số kỳ để đo tốc độ nếu thiết bị đo yêu

cầu

f) Đưa đầu lấy mẫu khí vào ống xả đến

độ sâu khoảng 30cm hoặc cho đến hết

độ sâu cho phép của ống xả và kẹp chặt

lại Nếu phương tiện được đo có nhiều

ống xả thì chọn một ống xả để đo kiểm

tra

f) Chọn đầu lấy mẫu phù hợp với đường kính ống xả động cơ Đưa đầu lấy mẫu khí thải vào ống xả và kẹp chặt lại Nếu phương tiện được đo có nhiều ống xả thì chọn một ống xả để đo kiểm

tra

Bước 3: Kiểm tra và xác nhận trước khi đo

a) Có khí thải đi vào buồng đo Thiết bị

đo phải hiển thị đủ thông số: nồng độ

HC, CO và tốc độ vòng quay động cơ

một cách bình thường nhất

b) Tốc độ vòng quay không tải nhỏ

nhất của động cơ nằm trong phạm vi

quy định tại 1.3.2.2 Nếu không thoả

mãn thì truyền hoặc in kết quả: “không

đạt” và đồng thời yêu cầu chủ phương

tiện điều chỉnh lại động cơ để đo lại

Thực hiện ít nhất một chu trình gia tốc tự

do và kiểm tra như sau:

a) Có khí thải đi vào buồng đo, thiết bị

đo phải hiển thị đủ thông số: trị số độ khói, tốc độ vòng quay động cơ, hệ số hấp thụ ánh sáng và các thông số khác một cách bình thường

b) Xác nhận tốc độ nhỏ nhất, lớn nhất

thực tế của động cơ nếu thiết bị đo có chức năng nhập tự động tốc độ thực tế

đo được vào thiết bị kiểm tra

c) Tốc độ vòng quay của động cơ nhỏ

nhất và lớn nhất thực tế, thời gian tăng tốc phải nằm trong phạm vi quy định tại 1.3.2.2 Nếu không thoả mãn thì

truyền hoặc in lại kết quả, kết luận là

“không đạt” và yêu cầu chủ phương tiện điều chỉnh lại động cơ để đo lại

Bước 4: Thực hiện đo

a) Quan sát sự thay đổi các giá trị nồng

độ phát thải hiển thị trên thiết bị đo và

chỉ thực hiện truyền hoặc in kết quả đo

sau khi các giá trị này đã ổn định tối

thiểu là 5 giây

b) Tháo đầu lấy khí mẫu đo và đầu đo

tốc độ động cơ ra khỏi phương tiện

được kiểm tra

a) Đạp ga theo tín hiệu nhắc trên thiết

bị để thực hiện từ 3 đến không quá 15 chu trình gia tốc tự do, tính toán và kiểm tra các thông số của 3 chu trình gia tốc sau cùng: giá trị tốc độ lớn nhất

và nhỏ nhất, chiều rộng dải đo phải nằm trong phạm vi quy định tại 1.3.2.2

và thời gian tăng tốc

b) Trong quá trình thực hiện kiểm tra

nếu thiết bị báo lỗi, cho kết quả khác thường hoặc sau 15 chu trình gia tốc tự

do mà các thông số của 3 chu trình gia tốc sau cùng: Giá trị tốc độ lớn nhất và nhỏ nhất, thời gian tăng tốc, chiều rộng dải đo vẫn không thoả mãn yêu cầu tại 1.3.2.2 thì phải kiểm tra lại thiết bị đo, thao tác đo hoặc làm sạch lại hệ thống dẫn khí thải và thực hiện lại quy trình

đo từ bước 2 ở trên

c) Truyền hoặc in kết quả kiểm tra

được

d) Tháo đầu lấy khí mẫu và đầu đo tốc

độ động cơ ra khỏi phương tiện được kiểm tra

Bước 5: Xử lý kết quả kiểm tra được

a) Nếu thiết bị đo khí thải được nối với máy tính có phần mềm phù hợp thì việc

đánh giá, xử lý, in và lưu trữ kết quả đo được thực hiện trên máy tính

b) Nếu thiết bị đo khí thải chưa được nối với máy tính hoặc không có phần mềm

tự động xử lý thì đăng kiểm viên phải thực hiện các bước như sau:

- Tính toán kết quả đo đạc nồng độ HC

đối với phương tiện dùng nhiên liệu

không phải xăng khi thiết bị kiểm tra

- Tính toán kết quả đo độ khói trung bình;

không có chức năng chọn chế độ đo

phù hợp với từng loại nhiên liệu;

- So sánh kết quả đo nồng độ khí thải

với giới hạn tối đa cho phép thì kết luận

“đạt” hoặc “không đạt”;

- Lưu trữ kết quả đo

- So sánh kết quả đo độ khói trung bình với giới hạn tối đa cho phép thì kết luận

“đạt” hoặc “không đạt”;

- Lưu trữ kết quả đo

1.3.3.2 Đánh giá kết quả kiểm tra [10]

Phương tiện đạt yêu cầu chất lượng khí thải khi đã thoả mãn các quy định dưới đây: a) Đối với phương tiện dùng động cơ cháy cưỡng bức:

- Giá trị tốc độ vòng quay tương ứng của động cơ khi đo phải nằm trong phạm vi quy định của nhà sản xuất lắp ráp động cơ đối với tốc độ vòng quay không tải nhỏ nhất Trường hợp không có căn cứ thì giá trị này không được lớn hơn 1000 vòng/phút;

- Kết quả đo nồng độ HC và CO không được vượt quá các giá trị giới hạn tối đa cho phép

b) Đối với phương tiện sử dụng động cơ cháy do nén:

- Chiều rộng dải đo không được vượt quá các giới hạn bên dưới tùy theo kết quả đo khói trung bình:

Hệ số hấp thụ ánh sáng

trung bình (m-1)

Giới hạn chiều rộng đo(m-1)

Trên 2 12,5% giá trị hệ số hấp thụ ánh sáng trung bình

Đối với kết quả đo là độ khói (% HSU) thì giới hạn chiều rộng dải đo được xác định tương ứng bằng cách quy đổi tương đương giữa các giá trị đo độ khói và hệ số hấp thụ ánh sáng Ở đây, việc quy đổi tương đương giữa hệ số hấp thụ ánh sáng và giá trị độ khói được tính với thiết bị đo có độ dài chùm sáng hiệu dụng 430 mm Nếu

độ khói trung bình đạt giá trị lớn hơn 80 % HSU thì giới hạn chiều rộng dải đo là 4

% HSU

- Tốc độ vòng quay nhỏ nhất của động cơ mỗi chu trình gia tốc tự do phải nằm trong phạm vi quy định của động cơ đối với tốc độ vòng quay không tải nhỏ nhất Trường hợp không có quy định thì giá trị tốc độ này không được lớn hơn 1000 vòng/phút

- Tốc độ vòng quay lớn nhất động cơ ở mỗi chu trình gia tốc tự do đạt tốc độ lớn nhất thực tế khi đạp hết hành trình của bàn đạp ga Tốc độ lớn nhất thực tế của động cơ vào kiểm tra phải không được nhỏ hơn giá trị của tốc độ vòng quay ứng với công suất cực đại theo quy định với sai số cho phép khi kiểm tra không quá - 10 % giá trị này

- Thời gian tăng tốc từ giá trị vòng quay MIN đến MAX ở mỗi chu trình gia tốc tự do

là thời gian tăng tốc khi đạp nhanh hết bàn đạp ga và không được kéo dài quá 5 giây đối với mỗi loại động cơ

CHƯƠNG 2 ĐỘNG CƠ DIESEL & CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN

KHÍ THẢI

2.1 Sơ lược về động cơ Diesel

Động cơ Diesel do một kỹ sư người Đức, Ông Rudolf Diesel, phát minh ra vào năm 1892 Ông đã tìm ra được một loại nhiên liệu có thể tự cháy dưới một áp suất và nhiệt độ cao để sinh công suất lớn chính là dầu Diesel (được đặt theo tên của ông) Động cơ Diesel là một loại động cơ đốt trong, hoạt động theo nguyên lý nén - tự cháy,

về cấu tạo cơ bản gần giống với động cơ xăng Điều làm nên sự khác biệt ở động cơ Diesel chính là việc đốt cháy nhiên liệu, tức là dầu Diesel, nó được phun dưới một áp suất cao vào buồng đốt ở cuối kỳ nén, khi gặp nhiệt độ và áp suất cao của không khí nén xung quanh trong buồng đốt, lượng nhiên liệu này sẽ bốc hơi và tự cháy sinh công

Ra đời sớm nhưng động cơ Diesel không phát triển như động cơ xăng do phát sinh nhiều tiếng ồn và lượng khí thải ô nhiễm nặng Tuy nhiên cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các vấn đề ở động cơ Diesel đang dần được giải quyết và động

cơ Diesel ngày càng trở nên phổ biến và được ứng dụng nhiều hơn trong đời sống kinh tế xã hội Nói đến các phát minh giúp động cơ Diesel có chỗ đứng trong đời sống hiện nay không thể không nói đến những phát minh từ Robert Bosch, một kỹ sư người Đức Nếu Rudolf Diesel là cha đẻ của động cơ Diesel thì Robert Bosch chính

là người đã nâng tầm nó lên một tầm cao khác trong lĩnh vực động cơ ô tô Ông đã phát minh ra bơm cao áp vào năm 1927 và phát triển nó trên động cơ Diesel Tiếp

Hình 2.1 Kỹ sư Rudolf Diesel và chiếc động cơ Diesel đầu tiên

theo đó vào năm 1986, công ty mang tên ông đã tiếp tục phát minh và đưa ra thị trường hệ thống nhiên liệu Common Rail Diesel Hệ thống này là một bước tiến rất lớn cho động cơ Diesel Nó sử dụng điều khiển điện tử để điều khiển hoạt động cung cấp nhiên liệu cho động cơ, qua đó cải thiện rất nhiều đến hiệu suất của động cơ Diesel Những phát minh này đã góp phần rất lớn trong việc giúp động cơ Diesel nâng cấp hiệu suất làm việc đồng thời giảm thiểu ô nhiễm khí thải và tiếng ồn

Tuy đã có được sự giảm thiểu về lượng khí thải ô nhiễm nhờ những thành tựu của khoa học kỹ thuật nhưng vấn đề về khí thải ô nhiễm trên động cơ Diesel vẫn còn đang rất nhức nhối

Để hiểu rõ hơn về việc phát thải ô nhiễm ở động cơ Diesel, ta có thể làm rõ về các yếu tố: Loại nhiên liệu sử dụng, Cách thức hoạt động trong buồng đốt và Mức độ phát thải ô nhiễm

2.1.1 Loại nhiên liệu sử dụng

Dầu Diesel là nhiên liệu được sử dụng để vận hành động cơ Diesel

Dầu Diesel hay còn gọi là dầu gazole (DO), có trọng lượng nặng hơn dầu lửa

và xăng, nhiệt độ bay hơi từ 175 - 370°C Nó được sản xuất từ dầu mỏ và tồn tại ở dạng nhiên liệu lỏng

Hình 2.2 Nhà phát minh ra Bơm cao áp – Robert Bosch

Dầu Diesel được đặt tên theo tên của kỹ sư người Đức - Rudolf Diesel, và được sử dụng làm nhiên liệu chính trong loại động cơ đốt trong mang cùng tên – Động cơ Diesel

Dầu Diesel về cấu tạo hóa học là hợp chất của Hiđrocacbon được chưng cất sau xăng và dầu hoả ở nhiệt độ từ 150°C đến 370°C Thành phần hóa học chính là các Cacbuahydro no CnH2n+2 ở dạng mạch thẳng nên dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao

Vì thế tạo nên đặc tính quan trọng ở dầu Diesel là tính tự cháy cao

Ở nhiên liệu Diesel thì tính tự cháy là một đặc tính quan trọng của nhiên liệu này Chỉ số Cetan là chỉ số biểu thị cho tính tự cháy ở nhiên liệu Diesel Số Cetan của nhiên liệu Diesel là số phần trăm thể tích của chất Cetan chính ( C16H34 ) có trong hỗn hợp của nhiên liệu Dầu Diesel có trị số Cetan càng cao thì càng dễ tự cháy trong buồng đốt và ngược lại Chỉ số Cetan thông dụng là từ 35-55 Ở nước ta dầu Diesel được sử dụng sẽ có có giá trị Cetan từ 45-48

Ngoài ra nhiên liệu Diesel là loại nhiên liệu chứa hàm lượng lưu huỳnh khá đáng kể, sẽ phát sinh nhiều khí thải lưu huỳnh nếu không kiểm soát Hiện tại trên thị trường VN đang sử dụng loại dầu Diesel là DO 0,05S Dầu DO 0,05S là loại dầu có hàm lượng lưu huỳnh nhỏ hơn 500mg/kg, thường được sử dụng cho các loại xe tham gia giao thông đường bộ Đây là loại dầu Diesel đã được thắt chặt về hàm lượng lưu huỳnh để có thể giảm thiểu đi lượng khí thải lưu huỳnh độc hại

Để động cơ Diesel vận hành tốt, nhiên liệu dầu Diesel phải đảm bảo các tiêu chí như sau:

- Nhiên liệu Diesel phải có tính tự cháy tốt, phù hợp với loại động cơ sử dụng thông qua chỉ số Cetan của nhiên liệu mà loại động cơ yêu cầu

- Phải có nhiệt độ bay hơi phù hợp để hòa trộn và bốc cháy tốt trong xilanh động cơ

- Không gây hiện tượng Oxy hóa và ăn mòn bề mặt các chi tiết của động cơ

- Phải đáp ứng an toàn về PCCC khi sử dụng, vận chuyển và tích trữ

Dầu Diesel có tính tự cháy cao nên có thể dễ dàng tự cháy trong một nhiệt độ phù hợp Để cho dầu Diesel có thể tự cháy, cần áp suất cao và nhiệt độ buồng đốt cao, đó là lý do động cơ Diesel được thiết kế cho tỷ số nén lớn

Mật độ năng lượng của dầu Diesel khá cao Điều đó nói lên rằng khi đốt cháy thì dầu Diesel sẽ cho nhiều năng lượng để tạo ra công suất cho động cơ

Dầu diesel là nhiên liệu chỉ có thể bốc hơi ở nhiệt độ cao (dao động từ 175 - 370°C) Dầu Diesel rất khó bốc cháy ở nhiệt độ thường nên giảm thiểu đi khả năng cháy nổ

Số lượng nguyên tử C trên mỗi phần tử của động cơ Diesel là nhiều nên góp phần khiến cho động cơ Diesel tạo ra nhiều khí thải ô nhiễm hơn Dầu Diesel khi bị đốt cháy sinh công trong buồng đốt sẽ sinh ra nhiều hạt bồ hóng Đây có thể coi là tính chất quan trọng khiến cho động cơ Diesel phát sinh ra nhiều khí thải dạng hạt (bồ hóng)

Những tính chất quan trọng của nhiên liệu Diesel:

Mật độ nhiên liệu 0,832 [ Kg/L ]

Đặc tính quan trọng Tính tự cháy cao

Số nguyên tử C trên mỗi

Nhiệt độ bén lửa ( °C ) 52

Nhiệt độ tự cháy ( °C ) 256

Nhiệt độ bay hơi ( °C ) 150 – 370

2.1.2 Cách thức hoạt động trong buồng đốt

Do đặc tính của dầu Diesel là có tính tự cháy cao, nên động cơ Diesel hoạt động bằng cách nén – tự cháy Động cơ Diesel sẽ nạp duy nhất không khí vào trong kỳ nạp

và nén để làm tăng nhiệt độ và áp suất lên cao đến mức nhiên liệu Diesel được phun vào buồng đốt bay hơi và tự bốc cháy sinh công Do đó tỷ số nén ở động cơ Diesel được thiết kế lớn Ở động cơ Diesel, hỗn hợp cháy gồm không khí và nhiên liệu Diesel được hòa trộn trực tiếp bên trong buồng cháy Do đó nên ở động cơ Diesel không có

Bu-gi đánh lửa như ở động cơ xăng

Bên cạnh đó, tuy không có Bu-gi đánh lửa nhưng ở một số động cơ Diesel hiện nay sẽ có thêm một Bu-gi sấy Vào mùa đông hoặc khi nhiệt độ môi trường thấp, lượng không khí nén đầu vào không tạo đủ nhiệt độ và áp suất cao để khi phun dầu Diesel vào thì quá trình tự cháy có thể xảy ra Lúc này, động cơ Diesel được trang bị Bu-gi sấy sẽ dùng các Bu-gi này sấy nóng buồng cháy trước khi khởi động động cơ

để giúp cho quá trình tự cháy của nhiên liệu Diesel sẽ diễn ra như bình thường

Hình 2.3 Buồng đốt của động cơ Diesel

Hình 2.4 Bu-gi sấy ở động cơ Diesel

Tuy nhiên do hoạt động bằng cách nén - tự cháy đòi hỏi trong quá trình tự cháy luôn ở nhiệt độ cao và áp suất lớn nên ở động cơ Diesel sẽ cho phát sinh nhiều khí thải ô nhiễm được hình thành trong quá trình nhiên liệu tự bốc cháy và sinh công trong buồng đốt này Nhiệt độ trong buồng đốt ở mức thấp nhất là 500°C và đạt ngưỡng cao nhất có thể lên tới 2000°C

2.1.3 Mức độ phát thải ô nhiễm

Theo như các nghiên cứu đánh giá từ thực nghiệm thì động cơ Diesel sẽ phát thải trung bình nhiều khí độc hại nghiêm trọng hơn cho môi trường và con người hơn

ở động cơ xăng Đặc biệt là về hai lượng khí NOx và PM

Hình 2.5 Biểu đồ so sánh lượng khí thải ở 2 loại động cơ

Ban đầu từ lúc động cơ Diesel được ứng dụng trong đời sống thì người ta đã nhận ra được việc phát sinh lượng lớn khí thải ( đặc biệt là NOx và PM ) từ nó Vì thế nên các nhà nghiên cứu, sản xuất về lĩnh vực động cơ trên toàn thế giới đã không ngừng cải tiến, phát minh ra các hệ thống mới giúp động cơ Diesel có thể khắc phục được nhược điểm này Nhưng tới hiện nay nó vẫn chưa được giải quyết hoàn toàn 100% Cho đến nay thì động cơ Diesel vẫn đang còn đang đối mặt với nhiều thách thức về các quy định khắt khe về nồng độ NOx và PM trong khí thải Đặc biệt là từ tiêu chuẩn khí thải Euro, ngày càng cắt giảm đi hàm lượng khí thải mà các xe được phép thải ra môi trường

Hiện nay nhiều nước trên thế giới, đặc biệt là ở Châu Âu đều đã có thái độ

“ghẻ lạnh” và ban hành nhiều quy định nghiêm ngặt với các loại xe chạy bằng động

cơ Diesel:

“Ở thành phố Hamburg của Đức đã ban hành lệnh cấm với các phương tiện dùng động cơ Diesel trên 2 trục đường chính qua thành phố do sự ô nhiễm của động

cơ này Đây được xem là một động thái mạnh tay của chính phủ Đức với loại động

cơ gây ô nhiễm đến môi trường và con người này.”

“Một tổ chức môi trường ở Anh Quốc để nêu lên quan điểm của mình trên tờ Guardian rằng hiện nay vẫn còn nhiều động cơ Diesel phát thải ra nhiều khí độc hại Nếu các nhà sản xuất ô tô không tìm biện pháp nhanh chóng để khắc phục tình trạng này thì chính phủ Anh sẽ không ngần ngại ban hành nhiều lệnh cấm với động cơ Diesel.”

(theo vnexpress.net)

Hình 2.6 Ô nhiễm khí thải động cơ Diesel ở Châu Âu

2.2 Quá trình Nạp, Nén và Cháy ở Động cơ Diesel

2.2.1 Quá trình nạp

Quá trình nạp không khí bắt đầu từ việc Piston đi từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới, xupap nạp mở, xupap thải đóng, trục khuỷu dẫn động Piston đi xuống Do sự chênh lệch áp suất giữa bên ngoài và bên trong xilanh nên không khí từ môi trường bên ngoài sẽ được hút vào xilanh động cơ Khác với động cơ xăng thì vào quá trình nạp, sẽ nạp hỗn hợp hòa khí bao gồm nhiên liệu và không khí trộn lẫn với nhau Thì

ở động cơ Diesel chỉ nạp duy nhất không khí vào xilanh ở chu trình này Đặc trưng ở động cơ Diesel là trong buồng đốt không có Bu-gi đánh lửa, nó sử dụng nhiên liệu là dầu Diesel có tính tự cháy cao nên việc sinh công là nhờ vào nhiên liệu Diesel tự bốc cháy dưới một áp suất và nhiệt độ cao Ở quá trình nạp chỉ cần nạp không khí và nén tới một áp suất, nhiệt độ cao thì khi phun nhiên liệu Diesel vào sẽ tự bốc hơi và tự cháy sinh công Việc chỉ nạp duy nhất không khí được lí giải là vì theo nhiệt động lực học thì không khí sẽ ẩn nhiệt lớn hơn so với hỗn hợp nhiên liệu – không khí Nhiệt

độ càng cao thì quá trình tự bốc cháy sinh công của hỗn hợp trong buồng cháy càng xảy ra dễ dàng hơn Khi Piston đi qua ĐCD một đoạn ứng với góc quay của trục khuỷu là 40-60° thì kỳ nạp kết thúc Lúc này áp suất trong buồng đốt đã tăng lên khoảng 0,8 – 0,95 Kg/cm2

Không khí ở môi trường bên ngoài sẽ đi theo đường ống nạp vào xilanh động

cơ Tuy nhiên ở động cơ Diesel, ở quá trình nạp không khí không có bướm ga như ở động cơ xăng

Bướm ga ở động cơ xăng là một cơ cấu dùng để điều chỉnh lượng không khí nạp vào xilanh động cơ ở kì nạp Tỉ lệ lượng không khí để nhiên liệu xăng có thể hòa

Hình 2.7 Quá trình nạp

trộn và bị đốt cháy hoàn toàn trong xilanh động cơ là 14.7/1 ( 14.7 gam không khí/ 1 gam xăng ) Do đó việc kiểm soát lượng không khí nạp vào ở kì nạp ở động cơ xăng

là rất quan trọng Bướm ga trên động cơ xăng chính là một bộ phận điều khiển công suất của động cơ

Ngược lại, ở các động cơ Diesel thì bướm ga là một cơ cấu không quan trọng,

có thể có hoặc không trên động cơ Diesel Do bướm ga không đóng vai trò kiểm soát lượng khí nạp vào như ở động cơ xăng nên lượng không khí nạp vào ở động cơ Diesel

là như nhau ở mọi chế độ của động cơ Lượng không khí nạp vào ở kỳ nạp của động

cơ Diesel là rất nhiều, việc điều chỉnh công suất ở động cơ Diesel không còn phụ thuộc vào lượng không khí nạp vào nữa mà phụ thuộc vào lượng nhiên liệu Diesel phun vào buồng đốt động cơ Bàn đạp ga trên động cơ Diesel sẽ gửi tín hiệu về hộp ECU và ECU sẽ điều khiển lượng phun nhiên liệu và lượng nhiên liệu phun vào đó

sẽ quyết định công suất của động cơ Diesel Ở các dòng xe Diesel hiện đại ngày nay, các nhà sản xuất cũng đã nghiên cứu và thiết kế ra bướm ga dành riêng cho động cơ Diesel Bướm ga này sẽ có chức năng khác hoàn toàn với bướm ga trên động cơ xăng

Nó chỉ có những chức năng mang tính góp phần hỗ trợ vào sự hoạt động hiệu quả hơn của động cơ Diesel mà thôi Như giúp giảm rung động khi tắt máy, giúp giảm tiếng ồn khi nạp và độ rung khi chạy không tải, giúp điều khiển lưu lượng EGR,… Chứ sẽ không hề có ảnh hưởng đến công suất động cơ như là bướm ga trên động cơ xăng

Động cơ Diesel luôn hoạt động trong chế độ thừa không khí, vấn đề ở lượng không khí càng thêm vào nhiều trong buồng đốt thì sẽ gây thêm nhiều phản ứng hóa học, thứ tạo ra khí thải Cụ thể là trong thực tế, không khí đưa vào trong động cơ không phải là Oxy tinh khiết, vì hơn 77% không khí là Nitơ (N2), một phần Nitơ đó

sẽ phản ứng với Oxy trong nhiệt độ cao tại buồng đốt tạo thành Oxit Nito (NOx) Ngoài ra thì sẽ có thêm nhiều phản ứng hóa học khác tạo nên HC, CO,…

Lượng không khí nạp vào sẽ luôn nhiều hơn nhiều lần so với lượng nhiên liệu Diesel phân phối Theo tính toán thì lượng không khí trên lượng nhiên liệu ở tốc độ không tải là khoảng 100 Pound không khí trên 1 Pound nhiên liệu (tỉ lệ 100:1); ở tốc

độ cao hoặc tải nặng, cần thêm nhiên liệu, do đó tỷ lệ này giảm dần còn khoảng 20:1

Từ đó có thể thấy rằng hỗn hợp nhiên liệu và không khí trong xilanh là khó có thể đồng nhất hay nói cách khác là luôn tồn tại ở dạng không đồng nhất Hỗn hợp cháy được coi là đồng nhất khi nó có thành phần hỗn hợp nhiên liệu – không khí như nhau tại mọi khu vực trong buồng cháy, để đạt được trạng thái này, nhiên liệu Diesel phải bốc hơi hoàn toàn và hoà trộn đều với lượng không khí trong xilanh ở mọi khu vực

trong buồng cháy Mức độ đồng nhất của hỗn hợp cháy không khí – nhiên liệu có tác động trực tiếp đến công suất làm việc của động cơ, và đặc biệt là hàm lượng các chất

ô nhiễm có trong khí thải Hỗn hợp cháy càng đồng nhất thì quá trình cháy trong buồng đốt sẽ diễn ra thuận lợi hơn và cho ra những sản phẩm cháy đúng theo lý thuyết hơn Nếu hỗn hợp cháy là không đồng nhất, trong buồng đốt sẽ tạo nên những vùng thừa hoặc thiếu Oxy Tại vùng thừa Oxy làm giảm công suất của động cơ do phải dùng năng lượng cho việc sấy nóng, nạp và xả phần không khí dư quá mức Tại vùng thiếu Oxy, nhiên liệu Diesel sẽ cháy không hoàn toàn làm giảm công suất của động

cơ và tăng hàm lượng các chất ô nhiễm trong khí thải như là Hidrocacbon chưa cháy (HC), khí CO và đặc biệt là các hạt vật chất bồ hóng Đó là một trong những tác nhân

ở kì nạp đã tạo nên nhiều khí thải ô nhiễm ở động cơ Diesel

2.2.2 Quá trình nén

Quá trình nén bắt đầu khi Piston đi từ ĐCD lên ĐCT Tại quá trình này không khí nạp vào ở chu trình nạp bắt đầu được nén để tạo nên áp suất và nhiệt độ cao Nhiệt

độ và áp suất trong xilanh tăng dần Cuối quá trình nén này, nhiên liệu được bơm cao

áp ở động cơ Diesel phun vào buồng đốt với một áp suất lớn Chuẩn bị cho quá trình cháy Nhờ nhiệt độ và áp suất cao ở quá trình nén, tạo nên bước đệm để hình thành các loại khí thải độc hại ở chu trình cháy Nhiệt độ và áp suất ở cuối kỳ nén sẽ lần lượt là 550-630 °C và 35-40 Kg/cm2 Nhiệt độ và áp suất đã bắt đầu tăng dần lên