Nghiên cứu mô hình hóa quá trình phát thải NOx trong động cơ đốt trong

GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Vấn đề phát thải của động cơ đốt trong 1.1.1 Các thành phần phát thải độc hại chính của động cơ đốt trong Quá trình cháy lý tưởng của hỗn hợp hydrocarbon với khôn

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

-

Nguyễn Năng Minh

NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH PHÁT THẢI NOx

TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ NHIỆT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ NHIỆT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS TS HOÀNG ĐÌNH LONG

Hà Nội – Năm 2011

MỤC LỤC

Nội dung Trang

LỜI CAM ĐOAN iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC CÁC BẢNG v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ vi

LỜI NÓI ĐẦU vii

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG 1

1.1 Vấn đề phát thải của động cơ đốt trong .1

1.1.1 Các thành phần phát thải độc hại chính của động cơ đốt trong 1

1.1.2 Các biện pháp giảm độc hại trong khí thải 8

1.1.3 Nhận xét chung 20

1.2 Mục đích và nội dung nghiên cứu của đề tài 21

1.2.1 Mục đích 21

1.2.2 Các vấn đề thực hiện trong đề tài- Nhiệm vụ của đề tài 21

CHƯƠNG II: THÍ NGHIỆM ĐO NOx 22

2.1 Hệ thống thử nghiệm khí thải xe máy 22

2.1.1 Băng thử xe máy 22

2.1.2 Thiết bị đo nhiên liệu 733S 24

2.1.3 Thiết bị lấy mẫu 25

2.1.4 Tủ phân tích khí CEBII và các bộ phân tích 25

2.2 Kết quả thí nghiệm đo NOx trên xe máy 36

CHƯƠNG III: MÔ HÌNH HÓA CHU TRÌNH ĐỘNG CƠ XĂNG THEO NGUYÊN LÝ NHIỀU VÙNG 43

3.1 Đặt vấn đề 43

3.2 Mô hình đa vùng tính toán chu trình nhiệt động của động cơ 44

3.2.1 Các Phương trình cơ bản 44

3.2.2 Các phương trình mô hình toán tổng quát 49

3.2.3 Tính toán truyền nhiệt của các chi tiết động cơ 53

CHƯƠNG IV: MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH TẠO NO TRONG ĐỘNG CƠ XĂNG 58

4.1 Đặt vấn đề 58

4.2 Mô hình hóa quá trình tạo NOx trong động cơ xăng 58

4.2.1 Sự cân bằng phản ứng cháy trong xylanh động cơ xăng 58

4.2.2 Mô hình hóa khí xả NOx trong động cơ 60

CHƯƠNG V: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ THẢO LUẬN 63

5.1 Kết quả tính toán 63

5.2 Thảo luận 71

Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của

PGS TS Hoàng Đình Long Đề tài được thực hiện tại Bộ môn Động Cơ đốt trong

Viện Cơ khí động lực trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Các số liệu, kết quả trình

bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CO Carbon Monoxide (Cacbon monoxít)

NO Nitric Oxide (Nitơ monoxít)

NO2 Nitrogen Dioxide (Nitơ dioxít)

HCs Hydrocarbon Không Cháy

NOx Nitrogen oxides ( Nitơ oxít)

V Dung Tích Của Động Cơ (dm3)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của xe Wave α 36 

Bảng 2.2 Công suất, lực kéo, suất tiêu hao nhiên liệu 37 

Bảng 2.3 Hàm lượng phát thải 38 

Bảng 2.4 Công suất, lực kéo, suất tiêu hao nhiên liệu 40 

Bảng 2.5 Hàm lượng phát thải 41 

Bảng 5.1 Các thông số đầu vào xe Wave α 63 

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Tỷ lệ (khối lượng) các chất độc hại trong khí thải động cơ xăng 3 

Hình 1.2 Bộ xử lý xúc tác ba đường 18 

Hình 2.1 Phòng thử xe máy CD20” 22 

Hình 2.2 Hệ thống đo tiêu thụ nhiên liệu AVL 733S 25

Hình 2.3 Tủ CEBII 26

Hình 2.4 Sơ đồ cấu tạo của bộ phân tích CO 29

Hình 2.5 Sơ đồ cấu tạo của bộ phân tích NO và NOx 31

Hình 2.6 Sơ đồ cấu tạo của hệ thống đo O2 32

Hình 2.7 Sơ đồ hệ thống đo CnHm 34 

Đồ thị 2.1 Công suất động cơ 38 

Đồ thị 2.2 Hàm lượng NOx 39 

Đồ thị 2.3 Công suất động cơ 40 

Đồ thị 2.4 Hàm lượng NOx 42 

Hình 3.1 Hệ thống nhiệt động lực học của quá trình đốt cháy nhiên liệu 56 

Hình 3.2 Sơ đồ truyền nhiệt của động cơ 57 

Hình 3.3: Minh họa mô hình toán theo nguyên lý đa vùng 57 

Hình 5.1 Áp suất theo góc quay trục khuỷu 64 

Hình 5.2 Đồ thị công 65 

Hình 5.3 Môi chất chưa cháy (Tunburn) 67 

Hình 5.4 Nhiệt độ chung của khí đã cháy theo góc quay trục khuỷu 68 

Hình 5.5 Nhiệt độ trung bình của khí thể trong xylanh (Tgas) theo góc quay trục khuỷu 69 

Hình 5.6 Nồng độ NOx từng vùng 70 

Hình 5.7 Nồng độ NOx trung bình theo chu trình 70

Hình 5.8 Ảnh hưởng các thành phần hỗn hợp cháy đến NOx 71

Hình 5.9 Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến hàm lượng NOx 71

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, vấn đề ô nhiễm môi trường đang nhận được sự quan tâm của cả thế giới, nó trở nên bức xúc với tất cả các quốc gia Liên tục các hội nghị thượng đỉnh được tổ chức để bàn bạc và đưa ra các biện pháp xử lý ô nhiễm môi trường như: Rio De Janeiro (Braxin, 1992), Kyoto (Nhật, 1997) và Johannesburg (Nam Phi, 9/2002), Bali(Indonexia 12/2007) và hội nghị môi trường thế giới được tổ chức tại Copenhague (Đan Mạch 12/2009)

Môi trường xung quanh chúng ta đang bị hủy diệt nghiêm trọng từ nhiều nguồn khác nhau Một trong các nguồn ô nhiễm chủ yếu là khí thải động cơ đốt trong, thiết bị cung cấp tới 80% tổng năng lượng tiêu thụ trên toàn cầu

Hiện nay, trên thế giới có khoảng gần 800 triệu ôtô, hàng năm thải ra môi trường hàng trăm triệu tấn độc hại

Các hội nghị này đã chỉ ra rất nhiều nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường Một trong những nguyên nhân chủ yếu đó là khí thải của động cơ đốt trong Đặc biệt là loại phương tiện giao thông đang lưu hành

Tại Việt Nam, cùng với sự phát triển của quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa nhu cầu sử dụng các phương tiện giao thông vận tải ngày càng nhiều Trong đó

xe máy vẫn chiếm tỷ lệ rất lớn trên cả nước và lượng xe ôtô ngày một tăng Ví dụ, tốc độ tăng bình quân xe máy của những năm 90 là 11,94% Tại thời điểm 31.12.1999 cả nước có 460.000 ôtô và 5.585.000 xe máy đang hoạt động, cuối năm

2003 tăng lên đến 500.000 ôtô, khoảng 11 triệu xe máy, cuối nảm 2004 thì con số tương ứng là 523.509 và 13 triệu theo số liệu của Đăng kiểm Việt Nam Năm 2008 theo ước tình cả nước ta có khoảng 700.000 ôtô và 20 triệu xe máy Phần lớn số ôtô,

xe máy tập trung ở các đô thị lớn như Hà Nội (12%), thành phố Hồ Chí Minh (30%)… gây ra ô nhiễm môi trường trầm trọng Do đó, việc nghiên cứu và áp dụng các phương pháp giảm các thành phần phát thải độc hại này của các phương tiện giao thông luôn được đặt ra Với mục đích đó, các loại xe ô tô du lịch thường được

trang bị hệ thống xúc tác xử lý khí thải trong khi hầu hết xe máy không được trang

bị hệ thống này vì nhiều lý do Chính vì vậy, việc nghiên cứu kiểm soát phát thải từ ngay bên trong xi lanh động cơ đối với xe máy sẽ góp phần quan trọng vào giảm ô nhiễm môi trường Để thực hiện được điều này cần nghiên cứu cơ chế và đặc điểm hình thành các thành phần độc hại từ trong xi lanh động cơ

Do vậy, đề tài: “Nghiên cứu mô hình hóa quá trình phát thải NO x trong động

cơ đốt trong” được hình thành nhằm góp phần thực hiện một phần mục tiêu trên

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS TS Hoàng Đình Long cùng các

thầy giáo trong bộ môn Động Cơ Đốt Trong - Trường ĐHBK Hà Nội đã nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành luận văn này !

Do thời gian, trình độ còn hạn chế và đây là mảng nghiên cứu còn khá mới,

đề tài không thể tránh được sai sót nhất định Kính mong được sự quan tâm, góp ý của các Thầy và Chuyên gia để đề tài được đầy đủ và hoàn thiện hơn trong quá trình nghiên cứu tiếp theo

Xin chân thành cảm ơn! Hà nội, ngày … tháng… năm 2011

Học viên thực hiện

Nguyễn Năng Minh

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Vấn đề phát thải của động cơ đốt trong

1.1.1 Các thành phần phát thải độc hại chính của động cơ đốt trong

Quá trình cháy lý tưởng của hỗn hợp hydrocarbon với không khí chỉ sinh ra

CO2, H2O và N2 Tuy nhiên, do sự không đồng nhất của hỗn hợp cũng như do tính chất phức tạp của các 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 những chất độc hại như oxit nitơ (NO, NO2, N2O, gọi chung là NOx), monoxit carbon (CO), các hydrocarbon chưa cháy (HC) và các hạt rắn, đặc biệt là bồ hóng (trong động cơ diesel) [1, 2] Nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả phụ thuộc vào loại động cơ và chế độ vận hành Ở động cơ Diesel, nồng độ CO rất nhỏ chiếm tỉ lệ không đáng kể, nồng độ HC chỉ bằng khoảng 20% nồng độ HC của động cơ xăng còn nồng độ NOx

của hai loại động cơ có giá trị tương đương nhau Trái lại, bồ hóng là chất gây ô nhiễm quan trọng trong khí xả động cơ Diesel, nhưng không đáng kể trong khí xả động cơ xăng Sau đây phân tích cụ thể từng thành phần độc hại trong khí xả của động cơ

+ CO: Monoxit carbon là sản phẩm cháy của C trong nhiên liệu trong điều kiện thiếu oxy Monoxit carbon ở dạng khí không màu, không mùi Khi kết hợp với sắt

có sắc tố của máu sẽ tạo thành một hợp chất ngăn cản quá trình hấp thụ oxy của máu, làm giảm khả năng cung cấp oxy cho các tế bào trong cơ thể Monoxit carbon rất độc, chỉ với một hàm lượng nhỏ trong không khí có thể gây cho con người tử vong Hàm lượng cực đại cho phép [CO] = 33mg/m3

+ HC: (Hydrocarbon, đôi khi còn được ký hiệu là CmHn) là các loại hydrocarbon

có trong nhiên liệu hoặc dầu bôi trơn không cháy hết chứa trong khí thải Hydrocarbon có rất nhiều loại Mỗi loại có mức độ độc hại khác nhau nên không thể đánh giá chung một cách trực tiếp Ví dụ, paraffin và naphtalin có thể coi là vô hại Trái lại, các loại hydrocarbon thơm thường rất độc, ví dụ như hydrocarbon có nhân

benzen có thể gây ung thư Để đơn giản khi đưa ra các tiêu chuẩn về môi trường, người ta chỉ đưa ra thành phần hydrocarbon tổng cộng trong khí thải (viết tắt là THC) Hydrocarbon tồn tại trong khí quyển còn gây ra sương mù, gây tác hại cho mắt và niêm mạc đường hô hấp

+ NOx: Oxit nitơ là sản phẩm oxy hóa nitơ có trong không khí (một thành phần của khí nạp mới vào động cơ) trong điều kiện nhệt độ cao Do nitơ có nhiều hóa trị nên oxit nitơ tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, được gọi chung là NOx tồn tại ở hai dạng chủ yếu là NO2 và NO NO2 - peoxit nitơ là một khí có mùi gắt và màu nâu đỏ Với một hàm lượng nhỏ cũng có thể gây tác hại cho phổi, niêm mạc Khi tác dụng với nước sẽ tạo thành axit gây ăn mòn các chi tiết máy và đồ vật Mức giới hạn nguy hiểm [NO2] = 9mg/m3 NO - Monoxit nitơ NO là thành phần chủ yếu của NOx

trong khí thải NO là một khí không mùi, gây tác hại cho hoạt động của phổi, gây tổn thương niêm mạc Trong khí quyển, NO không ổn định nên bị oxy hóa tiếp thành NO2 và kết hợp với nước thành axit nitric HNO3 Hàm lượngcho phép [NO] = 9mg/m3

+ PM: 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 được hòa trộn với không khí (làm loãng) đạt nhiệt độ nhỏ hơn 51,70C và được tách ra bằng một bộ lọc quy định Với định nghĩa như vậy, PM gồm các hạt rắn và các chất lỏng bám theo Các hạt rắn gồm: Carbon tự do và tro còn gọi là bồ hóng, các chất phụ gia dầu bôi trơn, các hạt

và vảy tróc do mài mòn… Chất lỏng bám theo gồm có các thành phần trong nhiên liệu và dầu bôi trơn Các hạt rắn gây độc hại cho con người trước hết đối với đường

hô hấp Ngoài ra, một số loại hydrocarbon thơm bám vào muội than có thể gây ung thư Đối với môi trường, PM còn là tác nhân gây sương mù, ảnh hưởng đến giao thông và sinh hoạt của con người

Ngoài các thành phần độc hại nói trên, trong khí thải còn có một số thành phần độc hại khác như Andehyt, chì và SO2 và CO2 Tuy nhiên, hiện nay chất lượng nhiên liệu đã cao hơn nhiều so với trước đây, thành phần tạp chất S, andehyt được

giảm thiểu và chì được loại bỏ khỏi nhiên liệu nên các thành phần độc hại Andehyt, chì và SO2 có hàm lượng rất nhỏ so thể không cần xét đến CO2 không độc đối với sức khỏe con người nhưng nó là thủ phạm chính gây ra hiệu ứng nhà kính

Tỷ lệ các chất độc hại trong khí thải của động cơ xăng

Hình 1-1 trình bày tỷ lệ trung bình tính theo khối lượng các chất độc hại trong khí thải động cơ xăng theo chương trình đặc trưng của Châu Âu [2]

Hình 1.1 Tỷ lệ (khối lượng) các chất độc hại trong khí thải động cơ xăng Các chất độc hại chính trong khí thải động cơ xăng là CO, HC và NOx Nồng

độ các thành phần độc hại này phụ thuộc rất nhiều vào hệ số dư lượng không khí λ

và các chế độ làm việc của động cơ

Monoxit cacbon được hình thành từ phản ứng thiếu ô xy Do vậy, λ càng nhỏ thì nồng độ CO càng lớn và ngược lại Khi λ < 1, quá trình cháy thiếu oxy nên sinh

ra nhiều CO Khi λ>1, về lý thuyết thừa oxy nhưng vẫn có một lượng nhỏ CO Lý

do đó là trong buồng cháy vẫn có những vùng cục bộ có λ<1, tại đó quá trình cháy thiếu oxy Mặt khác, tại những vùng sát vách có nhiệt độ thấp nên khi màng lửa lan

tràn tới đây sẽ bị dập tắt, hiện tượng này được gọi là hiệu ứng sát vách, do đó CO

không oxy hóa thành CO2 Trong khi đó, phần lớn CO sinh ra trong quá trình cháy

sẽ kết hợp trực tiếp với oxy trong quá trình giãn nở trong điều kiện nhiệt độ từ 1700 đến 1900 K để tạo thành CO2

HC đạt giá trị nhỏ nhất ở λ =1,1 đến 1,25 Những vùng ngoài giới hạn này có

tỉ lệ nhiên liệu – không khí quá đậm hoặc quá nhạt, có khi vượt ra ngoài giới hạn

cháy nên nhiên liệu không cháy được hoặc cháy kém làm hàm lượng HC tăng Thành phần của HC rất đa dạng, gồm hydrocacbon thơm (như benzene, toluene, ethyl benzene…) olefin (propan, ethan…) hay paraffin (methan…)…

NOx hình thành từ phản ứng oxy hóa nitơ trong điều kiện nhiệt độ cao của quá

trình cháy Thành phần NOx phụ thuộc rất nhiều vào hệ số dư lượng không khí λ

(tức nồng độ oxy của hỗn hợp) và nhiệt độ của quá trình cháy, đạt giá trị cực đại tại

λ=1,05 ÷1,1 Tại đây, nhiệt độ quá trình cháy đủ lớn để oxy và nitơ phân hủy thành

nguyên tử có tính năng hoạt hóa cao và cũng tại đây nồng độ oxy đủ lớn bảo đảm

đủ oxy cho phản ứng, do đó NOx đạt cực đại Trước giá trị này, khi λ tăng, nồng độ

oxy tăng nên NOx tăng Sau khi đạt cực đại, khi λ tăng, hỗn hợp nhạt nên nhiệt độ

quá trình giảm dẫn tới NOx giảm Trong thành phần của NOx, NO chiếm tới 90 ÷

98% tùy thuộc vào λ, phần còn lại là NO2

Cơ chế hình thành NO được mô tả dưới đây Trước hết, oxy bị phân hủy thành

oxy nguyên tử do nhiệt độ cao:

O2 = 2O Tiếp theo là các phản ứng với sự tham gia của các nguyên tử có tính hoạt hóa

cao:

N2 + O = NO + N và

O2 + N = NO + O Hai phản ứng này được gọi là chuỗi Zeldovich Ngoài ra, NO còn được hình

thành từ phản ứng sau:

OH + N = NO + H Thực nghiệm chứng tỏ, NO hình thành chủ yếu ở phía sau ngọn lửa trong vùng cháy và các phản ứng hình thành NO diễn ra rất chậm so với phản ứng hình

thành CO

Ảnh hưởng của chế độ không ổn định đến thành phần độc hại

Khi động cơ làm việc ở chế độ không ổn định, các thành phần độc hại sẽ thay đổi Sau đây sẽ xét một số trường hợp không ổn định thường gặp

- Khởi động nguội: Khi động cơ khởi động nguội, hỗn hợp phải đậm (λ nhỏ) nên CO lớn Đồng thời, do nhiệt độ các chi tiết trong buồng cháy thấp nên nhiên liệu đọng bám lên thành vách xylanh và buồng cháy Trong quá trình giãn nở, màng nhiên liệu bay hơi tăng thành phần HC Do nhiệt độ quá trình cháy thấp nên NOx

nhỏ

- Tăng tốc: Đối với động cơ xăng dùng bộ chế hòa khí có hệ thống tăng tốc nên

λ đậm lên đột ngột làm tăng CO và HC, đồng thời làm giảm NOx

Đối với động cơ phun xăng trước xupap nạp, do hệ thống điều khiển bảo đảm

λ luôn phù hợp với chế độ làm việc nên khi tăng tốc hầu như không có sự khác biệt

về các thành phần độc hại so với trạng thái làm việc ổn định

Đối với động cơ diesel không tăng áp thì hầu như không có sự khác biệt trong quá trình tăng tốc

Còn đối với động cơ diesel có tăng áp bằng tuốcbin khí thải, khi tăng tốc thường thiếu không khí nên có khói đen làm PM tăng

- Giảm tốc: Hiện tượng giảm tốc xảy ra khi động cơ bị kéo, ví dụ như khi phanh hoặc xe xuống dốc Trong động cơ xăng dùng bộ chế hòa khí, bướm ga đóng gần kín khi giảm tốc Khi đó, động cơ chạy không tải cưỡng bức và có thể ở chế độ không tải với tốc độ vòng quay cao nên hỗn hợp rất đậm, CO và đặc biệt là HC rất lớn, tốn nhiên liệu và ô nhiễm môi trường nặng nề

Đối với động cơ phun xăng và động cơ xăng dùng bộ chế hòa khí điện tử, khi động cơ bị kéo, nhiên liệu sẽ bị cắt hoàn toàn nên các thành phần phát thải độc hại giảm

Ảnh hưởng của các chất độc hại đến môi trường

- Thay đổi nhiệt độ khí quyển: Trong môi trường, dưới tác dụng của nhiệt độ

và ánh sáng sẽ xảy ra các phản ứng hóa học phân giải các chất độc hại Một số thành phần hòa tan vào nước, theo nước mưa rơi xuống làm ô nhiễm đất, nguồn nước và xâm hại thảm thực vật Một số chất phân hủy nhanh như CO, NOx, SO2… nhưng cũng có một số chất bị phân giải rất chậm như CH4, CO2… với nồng độ tích

tụ ngày càng lớn, gây ảnh hưởng to lớn đến khí hậu của trái đất thông qua hiệu ứng nhà kính đặc biệt là khí CO2 vì nó là thành phần chính trong sản phẩm cháy của nhiên liệu có chứa thành phần carbon Sự gia tăng nhiệt độ bầu khí quyển do sự hiện diện của các chất khí gây hiệu ứng nhà kính có thể được giải thích như sau: Tầng khí quyển trái đất dày khoảng 16 km, trên đó cho đến khoảng 50 km là tầng bình lưu Trong tầng bình lưu, ngoài các chất khí thông thường còn có các chất khí như CO2, CH4, N2O, O3, CFC11, CFC12… (CFC11, CFC12 là những hợp chất của clo, flo và hydrocarbon dùng làm dung môi trong các máy lạnh) Những chất khí kể trên có tính chất đặc biệt là cho tia mặt trời (gồm chủ yếu các sóng ngắn) đi qua chiếu xuống bề mặt trái đất Tại đây, một phần năng lượng biến thành nhiệt và phản xạ lên tầng bình lưu ở dạng tia nhiệt (sóng dài) Khi gặp các chất khí nêu trên,

tia nhiệt bị hấp thụ và phản xạ lại Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng nhà kính, còn các chất khí tạo ra hiệu ứng này được gọi là khí nhà kính Nhờ có hiện tượng

này mà trái đất của chúng ta ấm áp với nhiệt độ trung bình khoảng 150C thay vì

-170C Tuy nhiên, với hoạt động công nghiệp của con người ngày càng gia tăng nên tốc độ tích tụ các khí nhà kính trên tầng bình lưu ngày càng lớn hơn tốc độ phân hủy

tự nhiên của chúng Do đó, lượng khí nhà kính trên tầng bình lưu ngày một nhiều lên làm cho hiệu ứng nhà kính ngày một mạnh lên, làm nhiệt đọ tăng 0,70C trong vòng 100 năm qua Theo dự đoán của các nhà khoa học, nếu với tốc độ tiêu thụ năng lượng (đồng nghĩa với tốc độ phát thải CO2 vào tầng bình lưu ) như hiện nay thì nhiệt độ trung bình của trái đất sẽ tăng từ 1,5 đến 40C trong vòng 50 năm tới Nhiệt độ trái đất tăng sẽ làm băng ở hai cực của trái đất tan ra, nước biển dâng lên làm ngập nhiều thành phố, làng mạc và đồng bằng ven biển, ảnh hưởng đến cuộc sống của hàng trăm triệu con người Theo đánh giá của Chương trình Phát triển Liên Hiệp Quốc (UNDP), Việt Nam nằm trong top 5 nước đứng đầu thế giới dễ bị

tổn thương nhất đối với biến đổi khí hậu Nếu mực nước biển tăng 1 mét, ở Việt Nam sẽ mất 5% diện tích đất đai, 11% người mất nhà cửa, giảm 7% sản lượng nông nghiệp và 10% thu nhập quốc nội GDP Nếu mực nước biển dâng lên là 3-5m thì điều này đồng nghĩa với “có thể xảy ra thảm họa” ở Việt Nam

- Ảnh hưởng đến sinh thái: Sự gia tăng của NOx, đặc biệt là protoxide nitơ

N2O có nguy cơ làm gia tăng sự hủy hoại lớp ozone ở thượng tầng khí quyển, lớp khí cần thiết để lọc tia cực tím phát xạ từ mặt trời Tia cực tím gây ung thư da và gây đột biến sinh học, đặc biệt là đột biến sinh ra các vi trùng có khả năng làm lây lan các bệnh lạ dẫn tới hủy hoại sự sống của mọi sinh vật trên trái đất giống như điều kiện hiện nay trên sao hỏa

Mặt khác, các chất khí có tính axit như SO2, NO2, bị oxy hóa thành axit sulfuric, axit nitric hòa tan trong mưa, trong tuyết, trong sương mù…làm hủy hoại thảm thực vật trên mặt đất (mưa axit) và gây ăn mòn các công trình làm bằng kim loại

- Tình hình ô nhiễm do khí thải động cơ gây ra ở Việt Nam: Tại Việt Nam, tình trạng ô nhiễm môi trường do khí thải động cơ mặc dù chưa nghiêm trọng như các nước phát triển vì số lượng phương tiện giao thông vận tải cơ giới còn chưa nhiều so với họ nhưng cũng đã đến mức đáng lo ngại Với một nước đang phát triển như Việt Nam thì việc kiểm soát lượng khí thải chưa thực sự nghiêm ngặt trong khi tình trạng số lượng phương tiện giao thông ngày càng tăng, hiện cả nước có khoảng

850 nghìn ôtô và đặc biệt là có hàng triệu xe máy Trong quy hoạch phát triển ngành công nghiệp xe máy của Bộ Công Thương, sức tăng bình quân hiện nay của

xe ở mức 2-2,2 triệu xe/năm, thậm chí tới năm 2007 đã vọt lên tới 3,1 triệu xe/năm Cũng theo dự tính, lượng xe máy tới năm 2020 sẽ vào khoảng 33 triệu xe/100 triệu dân Song với tỷ lệ tăng như hiện nay, con số có thể sẽ không dừng lại ở mức 33 triệu như dự báo Có thể nói nếu không hạn chế được sự gia tăng ồ ạt của xe máy cũng như kiểm định chặt chẽ khí thải, tương lai ô nhiễm không khí trầm trọng tại các thành phố của Việt Nam là điều không thể tránh khỏi Thêm vào đó, hình ảnh các xe máy cũ nát, xả khói đen mù mịt không phải là cảnh khó gặp tại các đô thị

hiện nay Trong khi đó, lượng khí thải này chưa hề được kiểm soát và cũng chưa có

lộ trình loại bỏ xe cũ

1.1.2 Các biện pháp giảm độc hại trong khí thải

Ngay từ khi vấn đề ô nhiễm môi trường do khí thải của đông cơ bắt đầu được quan tâm, một nhiệm vụ tất yếu đặt ra là nghiên cứu và áp dụng các biện pháp sao cho động cơ giảm thiểu phát thải các thành phần độc hại và CO2 vào khí quyển Với mục đích tổng thể này, nghiên cứu giảm thiểu ô nhiễm cũng nhằm mục đích giảm tiêu thụ nhiên liệu của động cơ Cho đến nay đã có rất nhiếu biện pháp cụ thể được

sử dụng trong thực tế, và trong tương lai sẽ còn có các biện pháp khác được nghiên cứu nhằm giải quyết triệt để hơn vấn đề quan trọng này

Nói chung, các biện pháp giảm thiểu ô nhiễm có thể chia ra thành hai nhóm chính [2, 3] Nhóm thứ nhất bao gồm các biện pháp liên quan đến cấu tạo động cơ, loại nhiên liệu, phương pháp hình thành hỗn hợp, điều chỉnh và vận hành động

cơ…gọi chung là biện pháp liên quan đến động cơ Tuy nhiên chỉ bằng các biện

pháp này thì khó có thể thỏa mãn các tiêu chuẩn khí thải ngày càng nghiêm ngặt

Nhóm thứ hai bao gồm các biện pháp xủ lý khí thải sẽ đảm bảo nồng độ độc hại của

khí thải trước khi xả vào môi trường phải nhỏ hơn giới han cho phép

Sau đây trình bày một số biện pháp điển hình để giảm phát thải đối với động

cơ xăng và động cơ diesel

1.1.2.1 Các biện pháp liên quan đến động cơ

a Điều chỉnh chính xác λ [4]

Đối với động cơ xăng, nồng độ CO và HC nhỏ nhất tại λ = 1,05 ÷ 1,1 nhưng cũng tại đây nồng độ NOx đạt cực đại Như vậy, nếu điều chỉnh chính xác λ đạt giá trị nói trên đã hạn chế được hai thành phần độc hại chủ yếu là CO và HC, còn để hạn chế NOx sẽ dùng phương pháp khác Sau đây trình bày một số biện pháp cụ thể như sau:

+ Sử dụng bộ chế hoà khí điện tử hoặc hệ thống phun xăng thay cho bộ chế hoà

khí cơ khí thông thường Ngoài tác dụng điều chỉnh chính xác λ, những hệ thống thay thế này còn có khả năng cắt hoàn toàn nhiên liệu khi động cơ bị kéo (ví dụ khi phanh xe hay xuống dốc) nên vừa giảm ô nhiễm do thành phần HC chưa cháy rất lớn, vừa giảm đáng kể lượng tiêu thụ nhiên liệu

+ Hạn chế tối đa sự khác biệt về λ giữa các xylanh bằng các biện pháp như: Sử dụng hệ thống phun xăng đa điểm thay cho phun xăng đơn điểm để có λ đồng đều giữa các xylanh, hạn chế tối đa sự hình thành màng xăng trong ống nạp bằng sấy nóng đường nạp và tạo xoáy không khí quanh vòi phun, tạo xoáy lốc trong xylanh

từ quá trình nạp kết hợp với phun trong khi mở xupap nạp, thiết kế đường ống nạp - thải với sức cản và đặc tính dao động áp suất như nhau

+ Dùng bộ điều chỉnh điện tử ở hệ thống nhiên liệu phun xăng để điều chỉnh λ tối ưu tuỳ thuộc vào các thông số tải trọng, tốc độ vòng quay, nhiệt độ nước làm mát, góc đánh lửa sớm…tại từng chế độ trong miền làm việc của động cơ Đây là biện pháp khá triệt để, được sử dụng ở các động cơ xe hiện đại

+ Dùng cảm biến λ để điều chỉnh chính xác thành phần hỗn hợp không khí nhiên liệu

+ Cảm biến hỗn hợp nghèo: Tín hiệu từ cảm biến được được dùng để điều chỉnh giữ cho λ chính xác trong vùng hỗn hợp nghèo

b Thiết kế hệ thống đánh lửa thích hợp

+ Điều chỉnh góc đánh lửa sớm:

Khi giảm góc đánh lửa sớm φs, quá trình cháy lùi về phía sau, nhiệt độ cực đại của quá trình cháy giảm nên NOx giảm Trái lại, nhiệt độ của khí thải tăng sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình oxy hoá tiếp CO và HC trong quá trình thải nên các thành phần độc hại này giảm Ngoài ra, do nhiệt độ khí thải cao nên thời gian hâm nóng máy giảm và bộ xử lý xúc tác nhanh chóng đạt nhiệt độ làm việc cũng làm giảm phát thải ô nhiễm trong quá trình quá độ Tuy nhiên, cháy quá muộn sẽ làm hiệu quả sinh công thấp

Một số động cơ sử dụng hệ thống đánh lửa kép, thực chất là trong quá trình nén có hai lần đánh lửa nối tiếp nhau Lần đánh lửa thứ nhất tạo ra những phần tử hoạt tính đầu tiên, tia lửa được điều khiển sao cho duy trì trong một thời gian nhất định rồi bị dập tắt Sau đó,quá trình hình thành và tích tụ các phần tử hoạt tính tiếp tục xảy ra một cách tự nhiên thông qua các phản ứng dây chuyền phân nhánh Tia lửa của lần đánh lửa thứ hai có tác dụng cung cấp thêm năng lượng để quá trình cháy thực sự diễn ra Ưu điểm của hệ thống này là quá trình cháy diễn ra êm và ổn định (khi so sánh giữa các chu kỳ), khởi động chắc chắn và đốt được hỗn hợp nghèo Ngoài ra, so với hệ thống đánh lửa thông thường, năng lượng đánh lửa yêu cầu không lớn nên tuổi thọ bugi tăng

+ Tăng năng lượng đánh lửa:

Về mặt lý thuyết, năng lượng đánh lửa E tăng sẽ ảnh hưởng tích cực đến diễn biến quá trình cháy Cụ thể, E tăng có thể mở rộng giới hạn của hệ số dư lượng không khí λ thêm 0,2 ÷ 0,3 tức là có thể đốt hỗn hợp nghèo hơn, do đó giảm được

NOx và CO Tuy nhiên, thực nghiệm đã chứng tỏ rằng năng lượng của tia lửa E không ảnh hưởng đến diễn biến quá trình cháy nữa khi E > 30 ÷ 50mJ

Để tăng năng lượng đánh lửa, người ta thiết kế sao cho có thể duy trì tia lửa đến 2 ms và tăng dòng sơ cấp i1 trong hệ thống đánh lửa từ 5 đến 12A bằng cách sử dụng hệ thống đánh lửa bán dẫn bao gồm cả biến áp đánh lửa

+ Sử dụng bugi kiểu mới:

Thực tế chứng tỏ, kết cấu của bugi ảnh hưởng rất lớn đến diễn biến quá trình cháy, tức ảnh hưởng đến tính kinh tế và sự phát thải ô nhiễm của động cơ Do đó, các nhà thiết kế đã nghiên cứu và chế tạo ra một số loại bugi kiểu lắp đặt tại vị trí thích hợp trong buồng cháy, có thể kể ra một số loại như sau:

- Bugi có khoảng cách giữa hai điện cực lớn, đến 1,5mm nhằm mục đích tăng chiều dài tia lửa

- Bugi có buồng cháy phụ: Trong quá trình nén, một lượng nhỏ khí hỗn hợp bị nén theo các lỗ định hướng vào không gian điện cực (buồng cháy phụ) tạo ra xoáy lốc Khi bugi bật tia lửa điện, do chuyển động rối mạnh, màng lửa hình thành và phát triển nhanh chóng rồi phun ngược trở lại và trở thành nguồn lửa có năng lượng rất lớn đốt kiệt hỗn hợp trong buồng cháy

- Bugi sinh tia plasma, đang ở giai đoạn nghiên cứu và thử nghiệm

c Kết cấu buồng cháy phù hợp

+ Tỷ số Flm/Vc nhỏ nhất:

Chúng ta đã biết, một điều rất quan trọng khi thiết kế động cơ là phải tạo được buồng cháy gọn với tỷ số Flm/Vc nhỏ nhất có thể để giảm tổn thất nhiệt, do đó làm tăng tính kinh tế của động cơ Mặt khác, buồng cháy gọn và ít khe kẽ sẽ làm giảm hiệu ứng sát vách nên HC giảm

+ Thiết kế diện tích chèn tối ưu trên đỉnh piston:

Diện tích chèn trên đỉnh piston đóng vai trò rất quan trọng tạo xoáy lốc trong quá trình nén Do ảnh hưởng của xoáy lốc, chiều dày lớp biên lạnh giảm làm giảm hiệu ứng sát vách dẫn tới HC giảm Tuy nhiên, xoáy lốc càng mạnh thì tổn thất cơ giới càng tăng Vì vậy, diện tích chèn tối ưu chỉ nên nằm trong khoảng 10 ÷ 15 % diện tích tiết diện ngang của piston

+ Vị trí và số bugi, số xupap:

Nếu buồng cháy gọn và bugi đặt cách đều các xupap, thì quãng đường lan truyền của màng lửa ngắn, kết hợp với xoáy lốc do chọn diện tích chèn thích hợp nên nhiên liệu cháy kiệt hơn, HC nhỏ Một biện pháp khác để cho quãng lan truyền màng lửa ngắn là dùng nhiều bugi, ví dụ hai bugi cho mỗi xylanh

Đối với trường hợp xylanh có 4 hoặc 5 xupap, đường nạp có dạng cong (để tạo xoáy lốc) và chia làm hai nhánh Ở chế độ tải nhỏ, lưu lượng ít, nhưng do chỉ có một nhánh làm việc nên cường độ xoáy lốc vẫn đủ lớn, do đó cải thiện quá trình hoà

trộn và tạo thành hỗn hợp Khi tải lớn, nhánh thứ hai được đưa vào làm việc để đảm bảo nạp đầy hỗn hợp

+ Tỷ số nén ε:

Tỷ số nén ε là một thông số rất quan trọng của động cơ Nói chung, khi tăng ε thì hiệu suất của động cơ tăng, ge giảm có nghĩa là giảm phát thải CO2 Tuy nhiên,

do nhiệt độ cực đại trong quá trình cháy tăng dẫn tới tăng NOx Đồng thời, HC tăng

do tỷ lệ tương đối của thể tích khe kẽ đối với toàn bộ thể tích buồng cháy tăng Mặt khác, cùng với tăng ε, nhiệt độ môi chất trong quá trình thải giảm (do giãn nở triệt

để hơn) nên HC và CO bị oxy hoá ít hơn, tức là HC và CO còn lại trong khí thải tăng lên Hãng SAAB (Thuỵ Điển) đã đưa ra kết cấu động cơ ô tô có ε thay đổi bằng kết cấu đường tâm xylanh thay đổi góc nghiêng so với phương thẳng đứng nhờ một hệ thống cơ điện tử Do đó ở chế độ tải nhỏ (nạp ít hỗn hợp) tỷ số nén có thể cao tới 14,3 mà không kích nổ, do đó tính kinh tế và tính hiệu quả được cải thiện

d Luân hồi khí thải

Để giảm NOx, một số động cơ (kể cả xăng và diesel) dùng phương pháp luân hồi khí thải [5], thực chất là đưa một phần sản vật cháy trở lại để đốt Khí nạp mới hoà trộn với một lượng khí thải có nhiệt độ cao nên nhiệt độ của môi chất trong quá trình nén cũng cao hơn, đảm bảo cho hỗn hợp được đốt cháy dễ dàng Mặt khác nồng độ oxy khi đó giảm và nhiệt độ trong quá trình cháy nhỏ nên nồng độ NOx tạo thành trong khí thải sẽ giảm rõ rệt Đó là mục đích chính của biện pháp này

Người ta chia phương pháp luân hồi khí thải thành hai loại là luân hồi nội tại

và luân hồi bên ngoài

Luân hồi nội tại dựa trên cơ sở góc trùng điệp của xupap (φ1 + φ4) lớn Trong giai đoạn trùng điệp, do chênh lệch áp suất, một lượng sản vật cháy trong xylanh sẽ

đi vào đường nạp sau đó trong quá trình nạp quay trở lại xylanh Biện pháp này không những làm giảm NOx mà còn giảm được HC vì sản vật cháy luân hồi sẽ chiếm các vị trí sát vách trước tiên, do đó giảm lượng khí nạp mới sát vách

Luân hồi bên ngoài là phương pháp trích một phần khí thải từ đường thải quay

trở lại đường nạp để hoà trộn với khí nạp mới trên đường nạp vào động cơ Để điều chỉnh lượng khí thải luân hồi phù hợp, trên đường luân hồi người ta bố trí van điều khiển tự động

Tuy nhiên, khí thải luân hồi sẽ làm cho hỗn hợp “bẩn” hơn cũng tương tự như trường hợp hệ số khí sót γr lớn dẫn tới làm giảm tinh kinh tế của động cơ nói chung

và động cơ không thể phát ra công suất cực đại ở chế độ toàn tải Do đó, phương pháp luân hồi khí thải thường dùng ở chế độ tải nhỏ Mặt khác, ở chế độ không tải cũng không dùng luân hồi vì khi đó hỗn hợp có thể quá nghèo không cháy được, động cơ sẽ bị chết máy

Một số ô tô của các hang như Mercedes – Benz, Mam, Toyota…đã sử dụng phương pháp luân hồi khí thải

e Thiết kế động cơ dùng hỗn hợp nghèo

Khi dùng hỗn hợp với λ > 1 (Ví dụ với λ = 1,2 chẳng hạn) tức là hỗn hợp nghèo thì các thành phần độc hại như CO và NOx giảm đi Tuy nhiên, do giới hạn cháy của hỗn hợp xăng với không khí rất hẹp nên để mở rộng giới hạn này phải sử dụng những biện pháp đặc biệt Sau đây là một số biện pháp cụ thể:

+ Hình thành khí hỗn hợp phân lớp:

Phương pháp hình thành khí hỗn hợp phân lớp được áp dụng trong động cơ phun xăng trực tiếp Bản chất của phương pháp này là bố trí một bugi đánh lửa trong buồng cháy của động cơ tại vị trí hỗn hợp có thành phần λ nhỏ (hỗn hợp đậm

λ = 0,85 ÷ 0,9) để đốt hỗn hợp bằng tia lửa điện Phần hỗn hợp này sau khi bốc cháy

sẽ làm mồi để đốt phần hỗn hợp còn lại có thành phần λ lớn (hỗn hợp nhạt) Như vậy, hỗn hợp toàn bộ của động cơ là hỗn hợp nhạt (hỗn hợp này ở động cơ thông thường là quá nhạt, không thể cháy được) Do động cơ làm việc với λ lớn nên sinh

ra ít độc hại Tuy nhiên, để đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải hiện hành thì vẫn phải dùng phương pháp xử lý khí thải Do λ lớn nên không thể dùng bộ xử lý ba đường

mà phải dùng bộ xử lý NOx hỗn hợp nghèo kết hợp với bộ xử lý oxy hóa để xử lý

HC và CO

Hiện nay, tất cả các nhà sản xuất ô tô hàng đầu thế giới đều nghiên cứu chế tạo động cơ hình thành khí hỗn hợp phân lớp và đã đưa ra rất nhiều loại kết cấu với buồng cháy thống nhất và buồng cháy ngăn cách

+ Tạo xoáy lốc và rối trong buồng cháy:

Xoáy lốc và rối trong buồng cháy tạo thuận lợi cho quá trình hòa trộn và cháy của hỗn hợp, tạo điều kiện cho nhiên liệu cháy kiệt và mở rộng giới hạn cháy Như

đã trình bày trong các giáo trình về lý thuyết và kết cấu động cơ, xoáy lốc có thể tạo

từ quá trình nạp do đường ống nạp có hình dạng thuận lợi về khí động học như hình xoắn ốc hoặc có hướng tiếp tuyến với xylanh…Ngoài ra, đối với động cơ có số xupap lớn hơn 2 có thể dùng hai đường nạp Để tạo xoáy và rối trong buồng cháy có thể dùng kết cấu chèn trên đỉnh piston

+ Thiết kế buồng cháy thích hợp:

Buồng cháy gọn và có tỷ số nén ε lớn, vị trí đặt bugi tối ưu cũng góp phần mở rộng giới hạn λ về phía hỗn hợp nghèo

+ Thiết kế cơ cấu phối khí thích hợp:

Thiết kế hệ thống đường nạp – thải tối ưu về khí động, lựa chọn được góc phối khí tối ưu khi thiết kế nhằm đạt được chất lượng của quá trình trao đổi khí cao nhất, cụ thể là thải sạch và nạp đầy, tạo điều kiện tạo thành hỗn hợp “sạch” nên tăng được giới hạn của λ

Để tăng hệ số nạp, các nhà thiết kế đã đưa ra phương án thay cơ cấu điều khiển đóng mở xupap kiểu cơ khí (cam – lò xo) bằng van điện từ Hệ số nạp tăng là

do xupap hầu như chỉ có hai trạng thái đóng và mở nên tiết diện thời gian của xupap tăng lên đáng kể Gần đây, hãng BMW đưa ra giải pháp Valvetronic thay đổi hành trình của xupap để điều chỉnh lượng khí nạp mới thay cho van tiết lưu Hãng TOYOTA áp dụng công nghệ thay đổi góc phối khí thông minh Variable Valve

Timing with intelligence (VVT-i) với 2 trục cam trên nắp xylanh (DOHC) cho nhiều loại xe như Innova, Corolla Altis, Vios, Camry…

g Sử dụng nhiên liệu thay thế

+ Cồn: Cồn (alcohol) có cấu trúc phân tử CnH2n+2-i(OH)i được sản xuất từ công nghiệp thực phẩm có thể sử dụng làm nhiên liệu trong động cơ đốt trong Do hàm lượng cacbon trong nhiên liệu thấp hơn so với xăng nên phát thải CO2 ít hơn dẫn tới giảm hiệu ứng nhà kính Ngoài ra, hàm lượng NOx nhỏ hơn do nhiệt độ quá trình cháy thấp hơn Đồng thời, do tỷ lệ cacbon trong nhiên liệu nhỏ hơn và hàm lượng oxy trong hỗn hợp cao hơn nên muội than cũng ít hơn Ngoài ra, do chỉ số octan cao nên có thể tăng được tỷ số nén làm tăng hiệu suất động cơ Tuy nhiên, do nhiệt trị thấp hơn xăng ( đối với ethanol chỉ bằng 62%) nên công suất động cơ dùng cồn thấp hơn khá nhiều so với động cơ dùng xăng Hiện nay, do giá dầu mỏ tăng cao và để giảm thiểu độc hại vào môi trường, nhiều nước đã sử dụng ethanol pha xăng với tỷ

lệ 5% (E5) cho ô tô bán trên thị trường mà không phải thay đổi gì về kết cấu của động cơ Một số nước (Mỹ, Braxin…) còn dùng nhiên liệu thay thế E85 (85%

ethanol, 15% xăng) cho ô tô đa nhiên liệu (Multi-Fuel Vehicle-MFV) tức là xe thiết

kế để dùng được với nhiều loại nhiên liệu Còn ở Việt Nam cũng đang có xu hướng

sử dụng cồn làm nhiên liệu động cơ, đi đầu là công ty cổ phần Đồng Xanh đã khởi công xây dựng nhà máy sản xuất cồn vào 4/2007 ở Đại Lộc (Quảng Nam) sản lượng 100.000 tấn/năm dùng để pha vào xăng hay dầu thực vật làm diesel sinh học (Biodiesel)

+ Nhiên liệu khí: Nhiên liệu khí chủ yếu dùng trong động cơ là khí hóa lỏng

Liquified Petroleum Gas (LPG) và khí thiên nhiên nén Compressed Natural Gas (CNG) Khí sinh vật (Biogas) ở nước ta hầu như chưa được sử dụng để chạy động

cơ Khí thải động cơ khi dùng nhiên liệu khí ít độc hại hơn so với dùng xăng do thành phần cacbon trong nhiên liệu ít hơn (nhiều hydro hơn) và hỗn hợp nhiêu liệu – không khí hòa trộn tốt và cháy tốt hơn nên độc hại chỉ bằng khoảng 30% so với khi dùng xăng

h Dùng động cơ hybrit

Hiện nay đã có nhiều hãng chế tạo ô tô (Ford, Toyota, Honda…), xe máy (Honda) dùng động cơ hybrid Trên xe lắp động cơ đốt trong và một máy điện hoạt động ở hai chế độ động cơ và máy phát Ở chế độ thông thường, ví dụ chạy trên xa

lộ, động cơ đốt trong (xăng hoặc diesel) truyền lực cho bánh xe và kéo máy phát điện nạp cho acquy Khi chạy trên đường thành phố chỉ dùng động cơ điện do acquy kéo nên không gây ô nhiễm Những lúc cần công suất lớn có thể dùng cả hai động

cơ Ngoài ra, khi xe phanh, một phần năng lượng phanh sẽ được tận dụng để phát điện nạp acquy Do đó, lượng tiêu thụ nhiên liệu của xe hybrit thấp hơn nhiều so với

xe thường nên giảm đáng kể lượng phát thải khí độc hại và khí gây hiệu ứng nhà kính CO2

1.1.2.2 Các biện pháp xử lý khí thải

Xu hướng chung trên thế giới là các tiêu chuẩn kiểm soát khí thải ngày càng ngặt nghèo hơn để bảo vệ môi trường Để thỏa mãn các tiêu chuẩn hiện hành và tiêu

chuẩn tương lai của châu Âu, Mỹ và Nhật gần như bắt buộc phải sử dụng các biện pháp xử lý khí thải Dưới đây sẽ trình bày một số biện pháp thông dụng

a Hỗ trợ phản ứng trên đường thải

Thực chất của phương pháp này là cung cấp thêm oxy để oxy hóa tiếp các thành phần độc hại như CO, HC trên đường thải

Không khí được đưa vào ngay sau xupap thải, nơi đây khí thải có nhiệt độ cao nhất tạo điều kiện cho phản ứng oxy hóa tiếp Không khí có thể đưa vào bằng hai cách Cách thứ nhất bằng máy nén cưỡng bức Một số động cơ ít xylanh có thể bố trí van một chiều trên đường ống thải Nhờ áp suất thấp trong chu kỳ dao động áp suất trong đường ống, van một chiều mở ra bổ sung không khí vào đường thải

b Xử lý nhiệt

Nguyên tắc của phương pháp này là lưu giữ khí thải khá lâu ở trạng thái nhiệt

độ cao để kéo dài thời gian phản ứng oxy hóa các thành phần CO và HC

Để đạt hiệu quả cao, buồng phản ứng phải đủ lớn, được cách nhiệt và phải bố trí ngay sau xupap thải nhằm bảo đảm nhiệt độ T ≥ 1000K cho quá trình oxy hóa Chỉ ở chế độ làm việc với λ nhỏ mới cần phải bổ sung không khí qua một ống nhỏ vào phía sau xupap thải

Phương pháp này rất hiệu quả đối với động cơ có hỗn hợp đậm (λ nhỏ) Có thể nêu ở đây một trường hợp cụ thể làm ví dụ, với λ = 0,8 ÷ 0,9 thì HC từ 530ppm giảm xuống còn 30ppm và CO từ 6% giảm xuống còn 0,2% Cũng như phương pháp nêu ở phần trên, phương pháp này không giảm được NOx

+ Bộ xử lý xúc tác hai đường (Two – Ways Catalytic Converter)

Thực chất của bộ xử lý hai đường gồm hai bộ phận xử lý xúc tác nối tiếp nhau Khí thải đến từ động cơ trước hết vào bộ xử lý khử NOx Sau đó, khí thải với thành phần NOx đã được giảm thiểu đi tiếp vào bộ xử lý oxy hóa để giảm CO và HC + Bộ xử lý xúc tác ba đường (three – Ways Catalytic Converter)

Bộ xử lý ba đường có tính chất rất ưu việt là có thể đồng thời xử lý tới 90% các chất độc hại chính là CO, HC và NOx nên được dùng rộng rãi, vì thế, sau đây chúng

ta sẽ xét tỷ mỷ

Bộ xử lý ba đường (hình 1.2) có vỏ 1 thường làm bằng thép Giữa vỏ và lõi có một lớp đệm 3 bằng sợi vô cơ để cách nhiệt và bù trừ giãn nở nhiệt Lõi 2 thường bằng gốm rỗng dạng tổ ong với chiều dày vách khoảng 0,2 mm và mật độ khoảng

80 lỗ/cm2 hoặc bằng thép lá cuốn lại để tạo ra các rãnh cho khí thải lưu động qua Người ta phủ trên bề mặt của rãnh một lớp vật liệu trung gian 4 (wash – coast) bằng γ-Al2O3 có tác dụng làm tăng độ lồi lõm của bề mặt do đó tăng diện tích tham gia phản ứng (diện tích tiếp xúc đạt tới 15-25 m2/cm3) Bên trên lớp trung gian là lớp vật liệu xúc tác 5 bằng Platin và rodium với mật độ khoảng 1,5 đến 2gam cho 1dm3thể tích lõi

2

5 4 2

Hình 1.2 Bộ xử lý xúc tác ba đường

1 Vỏ; 2 Lõi; 3 Lớp đệm; 4 Lớp vật liệu trung gian; 5 Lớp xúc tác

Platin có tác dụng xúc tác tăng cường quá trình oxy hóa còn rodium tăng cường quá trình khử

Quá trình oxy hóa gồm các phản ứng sau:

Hiệu quả xử lý còn phụ thuộc vào nhiệt độ và các thành phần khác trong khí thải Vùng nhiệt độ làm việc của bộ xử lý từ 300 đến 9000C Nếu trong sản phẩm cháy có tạp chất hoặc các chất phụ gia trong xăng hoặc dầu bôi trơn bám trên bề mặt hấp thụ của bộ xử lý thì hiệu quả xử lý sẽ giảm rất nhiều Cụ thể, động cơ có bộ

xử lý ba đường không được dùng xăng pha chì

Như đã trình bày, bộ xử lý ba đường có hiệu quả xử lý cao nên được coi là phương pháp xử lý hoàn hảo nhất hiện nay đối với động cơ xăng Từ lâu, Mỹ đã bắt buộc các xe đời mới phải trang bị bộ xử lý ba đường Châu Âu cũng qui định bắt

buộc đối với những động cơ xăng cho ô tô từ đời xe 2000 trở đi Còn Trung Quốc cũng qui định tương tự cho ô tô sản xuất tính từ năm 2001

+ Bộ xử lý xúc tác hấp thụ NOx dùng cho hỗn hợp nghèo (NOx – Absorber)

Khi dùng động cơ hỗn hợp nghèo để giảm độc hại thì λ > 1 khá nhiều Nếu dùng bộ xử lý xúc tác 3 đường thì không đạt hiệu quả cao (vì đòi hỏi λ = 1) Trong trường hợp này, người ta có thể dùng bộ xử lý xúc tác hấp thụ NOx có nguyên tắc làm việc gồm 4 bước sau:

Bước 1: Oxy hóa NO với xúc tác là platin (Pt) tạo thành NO2 ở chế độ λ > 1 Bước 2: Hấp thụ NO2 ở dạng hợp chất nitrat tạo thành với xúc tác là kim loại hiếm như bari (Ba) ở chế độ λ > 1

Bước 3: Dưới tác dụng của xúc tác của Ba ở chế độ tái sinh với λ < 1, NO2 bị tách ra khỏi hợp chất nitrat

Bước 4: Dưới tác dụng của xúc tác rodium (Rh) ở chế độ tái sinh λ < 1, NO2 bị khử hoàn nguyên trở thành N2

Bộ xử lý hấp thụ cũng có thể dùng cho động cơ diesel Khi tái sinh cần λ < 1 có thể thêm giai đoạn phun sau khi dùng hệ thống nhiên liệu common rail hoặc phun thêm nhiên liệu trực tiếp vào bộ xử lý

1.1.3 Nhận xét chung

Với các thành phần khí thải độc hại phát ra từ động cơ đang hàng ngày gây ô nhiễm môi trường Vấn đề giảm phát thải đã được đặt nên hàng đầu với các biện pháp cải tiến động cơ và biện pháp xử lý khí thải đã được áp dụng Hiện nay, các xe máy hầu như không trang bị hệ thống xử lý khí thải trên đường ống thải Còn các động cơ có bộ xử lý xúc tác trên đường thải (dù xăng hay diesel) thì hiệu quả xử lý NOx còn thấp và thiết bị đắt tiền nên lượng NOx phát ra còn cao Do đó, việc nghiên cứu giảm thiểu sự hình thành NOx từ ngay bên trong xi lanh động cơ, đặc biệt động cơ xe máy, là điều rất cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn cao Để có cơ sở

thực hiện vấn đề này, cần nghiên cứu cơ chế và đặc điểm quá trình hình thành NOx

trong xi lanh động cơ để nghiên cứu giảm thành phần phát thải độc hại này từ gốc

1.2 Mục đích và phạm vi nghiên cứu của đề tài

1.2.1 Mục đích

Xây dựng và phát triển mô hình toán nghiên cứu cơ chế và đặc điểm quá trình hình thành NOx trong xi lanh động cơ

1.2.2 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu sự hình thành NOx trong xi lanh động cơ xe máy trên cơ sở nghiên cứu chu trình nhiệt của động cơ và sự hình thành NOx trong quá trình cháy

Đối tượng nghiên cứu là xe máy Honda Wave-α

1.2.3 Nội dung thực hiện trong đề tài

Nội dung cụ thể gồm:

1 Tổng quan về phát thải và kiểm soát phát thải trong động cơ đốt trong

2 Thí nghiệm đo phát thải NOx của xe máy Honda Wave-α

3 Xây dựng mô hình tính chu trình nhiệt của động cơ theo nguyên lý đa vùng

4 Xây dựng mô hình tính toán quá trình tạo NOx trong xi lanh động cơ

5 Đánh giá kết quả

CHƯƠNG 2 THÍ NGHIỆM ĐO NO X

Thí nghiệm đo NOx được thực hiện để lấy số liệu đánh giá độ tin cậy của mô hình toán xác định NOx Thí nghiệm được thực hiện trên động cơ xe máy Honda Wave-α trên băng thử xe máy AVL tại phòng thí nghiệm động cơ đốt trong, Viện

Cơ khí động lực, Trường đại học Bách Khoa Hà Nội

2.1 Hệ thống thiết bị thử nghiệm khí thải xe máy

Phòng thí nghiệm xe máy được trang bị băng thử động học, hệ thống lấy mẫu khí

xả CVS, hệ thống đo lượng tiêu thụ nhiên liệu 733S và tủ phân tích khí xả CEBII

2.1.1 Băng thử xe máy

Băng thử chassis Dynamometer 20’’ (hình 2.1) do hãng AVL cung cấp, có chức năng thử nghiệm và kiểm tra xe ở các chế độ mô phỏng Qua đó giúp cho quá trình nghiên cứu cải tiến xe máy và động cơ được dễ dàng

- Xác định gia tốc và công suất của xe

- Mô hình hóa tải trọng trên đường thông qua băng thử

Kết hợp băng thử với hệ thống lấy mẫu khí thải CVS, tủ phân tích khí CEBII và

thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu 733S trong quá trình thử nghiệm theo chu trình châu

Âu (ECE R40) qua đó xác định thành phần các chất thải độc hại có trong khí xả,

lượng tiêu thụ nhiên liệu

Băng thử động học gồm một động cơ điện công suất 23,9kW dẫn động con lăn

thông qua hộp số làm liền động cơ Con lăn của băng thử có đường kính

20’’(508mm), bề mặt con lăn được phủ một lớp tạo ma sát để dễ dàng dẫn động

bánh xe máy, trên trục con lăn có gắn cảm biến đo tốc độ động cơ Vì trục con lăn

chính là trục động cơ điện nên từ tốc độ con lăn có thể xác định được tốc độ xe

Bánh đà và đĩa phanh (phanh hơi) được gắn trên trục động cơ và con lăn có

nhiệm vụ tích lũy năng lượng Qua đó ổn định quá trình chạy của xe, giúp người lái

theo chu trình thử được dễ dàng giảm tối thiểu các lỗi vượt ra ngoài miền dung sai

cho phép của đường thử

Trên động cơ chính còn có cơ cấu đo lực dùng nguyên lý phanh điện xoay chiều

Xe được giữ trên băng thử bằng cơ cấu kẹp bánh xe sử dụng khí nén, với áp suất

nén 4,5→10bar Nó có tác dụng giữ chặt xe trong suốt chu trình thử để đảm bảo an

toàn cho người vận hành Quạt gió được gắn liền với băng thử nên có khả năng tạo ra vận tốc gió thay đổi

theo vận tốc con lăn trên băng thử có tác dụng làm mát đông cơ trong quá trình thử

nghiệm

Thông số kỹ thuật của băng thử:

Băng thử chassis dyno 20’’ được thiết kế để mô phỏng lại khối lượng của xe

trong phạm vi 80kg đến 350kg

Quán tính cơ sở của con lăn tương đương với khối lượng của xe khoảng 170kg

Lực kéo lớn nhất của động cơ ở chế độ động cơ là 1512N ở 90km/h Lực kéo lớn nhất ở chế độ máy phát là 1680N ở 90km/h

Lực kéo lớn nhất của động cơ ở chế độ khi sử dụng nhiều là là 945N ở 90 km/h

Ở chế độ máy phát sử dụng nhiều là 1040N ở 90km/h

Quá trình thử nghiệm được giám sát trên giao diện phần mền MMI, các thông số tốc độ, lực kéo, công suất được hiển thị tức thời, ngoài ra người vận hành có thể theo dõi các thông số của quá trình thử nghiệm trên thiêt bị điều khiển từ xa

2.1.2 Thiết bị đo nhiên liệu 733S

+ Đặc điểm của hệ thống:

Thiết bị đo (hình 2.2) cho phép đo trực tiếp khối lượng nhiên liệu tiêu thụ Do đó

sẽ không có ảnh hưởng của nhiệt độ và tỷ trọng nhiên liệu tới phép đo

Sai số của thiết bị là 0,1%

Giải đo từ 0 đến 150kg/h;

Có thể cho phép tới 400kg/h

Tổng khối lượng của bình đo 1800g Với khối lượng này cho phép đo liên tục

áp dụng cho các loại xe từ xe máy tới ôtô khi áp dụng các tiêu chuẩn thử nghiệm như FTP75, ECE R40 Với thời gian điền đầy ngắn, cho phép sớm tiến hành phép

đo tiếp theo Tất cả các thiết bị của AVL đều có cơ chế tự động kiểm chuẩn thiết bị cho phép tự động calib khối lượng đo đồng thời tự động chuẩn đoán lỗi và báo lỗi

+ Nguyên lý hoạt động: Bắt đầu quá trình đo nhiên liệu được cấp đầy vào thùng

đo 6 thông qua đường cấp nhiên liệu 1 Khi lượng nhiên liệu đã đầy lúc này lực tì lên cảm biến lưu lượng là lớn nhất Van điện từ 12 đóng lại ngăn không cho dòng nhiên liệu vào thùng đo trong khi đường cấp vào động cơ vẫn mở, lượng nhiên liệu trên đường hồi của động cơ (khi sử dụng hệ thống phun xăng điện tử) áp suất trong bình được giữ ổn định nhờ ống thông hơi 4 Đồng thời với quá trình đó bộ phận đếm thời gian hoạt động Lượng nhiên liệu trong bình chứa được đo liên tục trong

từng giây dựa vào lượng nhiên liệu còn trong bình ECU sẽ tính ra lượng nhiên liệu tiêu thụ của động cơ

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý hoặt động của hệ thống AVL 733

1 Nhiên liệu cấp vào thùng đo; 2 Nhiên liệu tới động cơ; 3 Nhiên liệu hồi từ động cơ; 4 Ống thông hơi; 5 Các ống nối mềm; 6 Thùng đo; 7 Thanh cân; 8 Lò xo lá; 9 Cân bì; 10 Cảm biến lưu lượng; 11 Thiết bị giảm chấn; 12 Van điện từ đường nạp

2.1.3 Thiết bị lấy mẫu

Hiện nay, phương pháp lấy mẫu với thể tích không đổi CVS được sử dụng cho

cả chương trình thử châu Âu và FTP-75 của Mỹ Hệ thống CVS tạo ra lưu lượng thể tích không đổi trong hệ thống đo, qua đó giúp cho việc tính toán lượng khí thải cũng như lượng độc hại được chính xác

2.1.4 Tủ phân tích khí CEBII và các bộ phân tích

Tủ phân tích khí xả CEBII (Combustion Emission Bench), hình 2.3, là hệ thống bao gồm toàn bộ các môdun thực hiện quá trình phân tích các thành phần khí xả (các bộ phân tích) và các thiết bị đảm bảo điều kiện làm việc đúng của hệ thống như: Khối làm nóng (HSU), khối chuẩn đoán, khối điều khiển, các thiết bị phân tích khí… Ngoài ra, tủ phân tích còn được lắp đặt một máy tính công nghiệp với phần mềm điều khiển GEM110 Việc kết nối máy tính điều khiển với các bộ phân tích

được thực hiện thông qua các tín hiệu số, tùy thuộc vào bộ phân tích mà có thể thực hiện qua mạng CAN, LON hay qua cáp nối tiếp RS232

Các bộ phân tích được lắp đặt trong tủ được sử dụng để đo các thành phần có trong khí xả như: carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO2), oxygen (O2), nitrogen oxides ( NO và NOx), carbon hydrides (HC)

Việc điều khiển các thành phần có liên quan đến hệ thống khí như: Bơm, các van, bộ điều khiển nhiệt độ, bộ kiểm tra hệ thống các cảm biến thông qua thiết bị điều khiển có thể lập trình được PLC (Programable Logic Controller)

Hình 2.3 Tủ CEBII

1 Máy tính tích hợp trong tủ 3 Các bộ phân tích

2 Khối SCU 4 Bảng đồng hồ khí

2a HCU khối làm nóng 5 Công tắc hệ thống

2b Khối làm lạnh 6 Khối chuẩn đoán

2c Khối điều khiển SCU 7 Các đường khí và nguồn điện

2d Vùng dành cho ERG

+ Các môđun trong tủ phân tích:

Ngăn thứ nhất: Thường được dùng để lắp bộ tuyến tính hóa và đo hiệu suất chuyển đổi NO2 thành NO (Diagnostic Unit) Do hệ thống này không cần thường xuyên sử dụng vì thế để tiết kiệm chi phí, bộ tuyến tính hóa và đo hiệu suất chuyển đổi NO2 thành NO được lắp trên một giá đỡ di động, do đó ngăn này có khi là ngăn trống

Ngăn thứ hai: được đặt một máy tính tích hợp là bộ điều khiển trung tâm trong

hệ thống đo lường của tủ CEBII Máy tính công nghiệp này hoạt động trên nền Windows NT với phần mền được cài đặt sẵn là phần mền GEM 110 Dữ liệu được nhập vào từ các phím được gắn bên phải màn hình, các phím chức năng ở dưới màn hình hoặc có thể dùng chuột Việc truy cập tới tất cả các máy tính kết nối được thực hiện thông qua màn hình và bàn phím, nó được cài như một hệ thống riêng và có thể

di chuyển được Bên cạnh máy tính tích hợp là một hệ thống các đồng hồ đo áp suất các chất khí khi vào bộ phân tích, ba đồng hồ phía trên đo khí H2/He, khí N2 và khí systh air, các khí này có áp suất quy định khi vào tủ CEBII là 4 bar Hai đồng hồ phía dưới chỉ áp suất khí nén compr air, và khí làm sạch blackflush, áp suất chỉ định

là 6 bar Phía dưới các đồng hồ đo áp suất là các đầu nối khí vào được sử dụng trong quá trình tuyến tính hóa bộ phân tích

Ngăn thứ ba: Ở dưới của máy tính là bộ phân tích O2 có dải đo từ 1% đến 25% Tùy theo hàm lượng O2 như thế nào mà hệ thống sẽ chọn dải đo phù hợp

Ngăn thứ tư: Dưới bộ phân tích O2 là hai bộ phân tích CO và CO2 Bộ phân tích

CO được chia làm hai loại CO low với khoảng đo là 30ppm tới 2500ppm và CO hight có khoảng đo là 0,5% đến 10% Bộ phân tích CO2 thì có chung một khoảng đo

đó là 0,5% đến 20% Bên cạnh bộ phân tích CO và CO2 có hệ thống các van kim để điều chỉnh lưu lượng khí vào các bộ phân tích, lưu lượng này được thể hiện thông qua các ống chỉ lưu lượng đặt ở phía dưới các van kim

Ngăn thứ năm: có bộ phân tích HC cùng có khả năng đo lượng HC trong khoảng 9ppm đến 30% Tuy nhiên để tiết kiệm, các bộ phân tích lại được chia ra để đo lượng HC cao, với điều này có thể sử dụng chung 2 đến 3 bình khí nén có hàm

lượng phù hợp với cả hai bộ phân tích Bên cạnh bộ phân tích này có các đồng hồ chỉ áp suất H2/He, khí cháy và đồng hồ chỉ áp suất khí nền Ngoài ra còn có một van kim điều chỉnh lượng O2 vào bộ phân tích và có một ống chỉ lưu lượng khí

Ngăn thứ sáu: được để một bộ phân tích NO và NOx, bộ phân tích này có khoảng

đo 50ppm đến 10000ppm Bên cạnh ngăn thứ sáu tượng tự như ngăn thứ năm có các đồng hồ chỉ áp suất khí H2/He, khí cháy và đồng hồ chỉ áp suất khí nền Ngoài

ra còn có một van kim điều chỉnh lượng O2 vào bộ phân tích và có một ống chỉ lưu lượng khí nhưng tất cả đều dùng để đo cho bộ phân tích HC còn lại

Ngăn thứ bẩy: là khối SCU Bộ sấy nóng khí mẫu SCU (Sample Conditioning Unit) bao gồm tất cả các thành phần thực hiện và điều chỉnh sấy mẫu khí

• Với bộ phân tích HC và bộ phân tích NOx hơi nước không làm sai lệch kết quả

đo, nhiệt độ đo yêu cầu phải cao để tránh sai số khi đo vì vậy cần phải sấy nóng khí mẫu Khối làm nóng khí mẫu (heat sample unit): kết hợp đường làm nóng và một bơm khí làm nóng với một bộ lọc sơ cấp và một bộ lọc thứ cấp tại đường vào Bơm

có thể có hai đường vào một đường dùng để đo trực tiếp khí xả không pha loãng lấy trực tiếp từ ống xả động cơ qua bộ lọc frefilter vào tủ, một đường lấy khí xả đã pha loãng lấy từ hệ thống CVS Các van điều khiển đường đi của khí qua bộ ion hóa ngọn lửa FID và bộ phân tích quang hóa CLD cũng được tích hợp vào trong khối này

• Còn với các bộ phân tích CO, CO2, O2 thì ngược lại, để đo chính xác lại phải làm lạnh mẫu khí để loại bỏ đi hơi nước bởi vì hơi nước trong trường hợp này có ảnh hưởng lớn tới kết quả đo Nó là nguyên nhân sinh ra sai số trong trường hợp này Vì vậy cần tính toán nhiệt độ của khí để loại bỏ nước trong khí xả mẫu Yêu cầu này được áp dụng cho tất cả các bộ phân tích không làm nóng như CO, CO2, O2

• Khối điều khiển SCU chứa tất cả các bộ phận để điều khiển đường đi và điều chỉnh dòng khí như các van hoặc bộ điều chỉnh áp suất, nguồn điện và các bộ cảm ứng để giám sát trạng thái của SCU Việc điều khiển bằng tay được thực hiện bởi

PLC, vì vậy SCU điều khiển độc lập và chỉ dẫn dữ liệu tới máy tính kết nối là được trình bày theo yêu cầu

Các bộ phân tích được đặt ở giữa tủ phân tích và có vỏ bọc bên ngoài, các vỏ này không thường xuyên mở ra Ở đó các bộ phận của bộ phân tích và tất cả các bộ phận liên qua tới khí yêu cầu đều được định vị trên các rãnh trượt

Nguyên lý đo các thành phần độc hại

+ Bộ phân tích CO (hình 2.4):

Hình 2.4 Sơ đồ cấu tạo của bộ phân tích CO

1 Một buồng phát tia hồng ngoại; 2 Màn chắn; 3 Đĩa khoét các rãnh; 4 Buồng chứa khí mẫu; 5 Buồng chứa khí CO được ngăn chắn bằng một màng cao su; 6 Thiết bị đo độ võng của màn; 7 Buồng chứa khí CO được ngăn bằng một tấm màng cao su; 8 Buồng chứa khí mẫu

CO hấp thụ bức xạ hồng ngoại ở bước sóng khoảng 4,7µm Khí mẫu có CO được đưa vào buồng (4) Sau đó cho đốt đèn hồng ngoại (1) Tia hồng ngoại đi qua buồng (4) và buồng (8), do buồng (4) có CO nên một phần tia hồng ngoại bị hấp thụ, còn buồng (8) chỉ có chứa N2 vì vậy tia hồng ngoại đi qua hoàn toàn Để lượng hồng ngoại đi qua hai buồng là như nhau đĩa (3) được điều khiển quay, trên đĩa (3)

có xẻ các rãnh sao cho thời gian cho tia hồng ngoại qua rãnh trong và rãnh ngoài là

bằng nhau Sau khi đi qua hai buồng (4) và (8), tia hồng ngoại tới buồng (5) và buồng (7) Trong hai buồng này có chứa toàn CO, lúc này tia hồng ngoại sẽ bị hấp thụ hoàn toàn bởi CO và làm tăng nhiệt độ của khối khí trong buồng (5) và buồng (7), tương ứng với sự tăng nhiệt độ là sự tăng áp suất Hai buồng (5) và (7) được ngăn cách với nhau bằng một màng cao su Trong hai chùm tia hồng ngoại thì chùm tia hồng ngoại đi qua buồng (4) đã bị hấp thụ một phần tại đó vì vậy sự hấp thụ tia hồng ngoại tại buồng (5) ít hơn buồng (7) do đó có sự chênh lệch áp suất giữa hai buồng Sự chênh lệch áp suất này làm cho màng cao su bị cong, tiến hành đo độ cong có thể tính được độ chênh lệch áp suất Qua tính toán chênh áp suất sẽ biết được lượng CO đã hấp thụ tia hồng ngoại Lượng CO đó chính là lượng CO có trong khí xả

Khi đo CO trong khí xả bằng phương pháp hồng ngoại phải tính đến các điều kiện gây sai số, đặc biệt là sự hấp thụ của nước Vì vậy phải có biện pháp hiệu chỉnh giá trị đo

+ Bộ phân tích NO và NO x (hình 2.5)

Bộ phân tích bao gồm các bộ phận:

1 Bộ phận tạo ôzôn trong không khí

2 Bộ phận chuyển đổi NO2 thành NO

3 Buồng phản ứng đo NOx có các đường dẫn khí ôzôn và khí mẫu

4 Buồng phản ứng đo NO có các đường dẫn khí ôzôn và khí mẫu

5 Bộ phận hủy ôzôn trước khi đưa ra ngoài môi trường

6 Bộ phận đo cường độ sáng

Thiết bị hoạt động dựa vào hiện tượng quang hóa để xác định hàm lượng NO và

NOx Thực chất phương pháp này là đo cường độ ánh sáng do các phần tử NO2 hoạt tính sinh ra NO2 hoạt tính được tạo ra trong buồng phản ứng qua phản ứng sau:

NO + O3 = NO2* + O2

Hình 2.5 Sơ đồ cấu tạo của bộ phân tích NO và NOx Không khí được đưa vào một đường và được cho qua bộ tạo ôzôn, O2 trong không khí được tạo thành O3 nhờ tia lửa điện và được đưa đến buồng phản ứng

Để đo lượng NO có trong khí xả, khí xả được đưa trực tiếp vào buồng phản ứng Trong buồng phản ứng có O3 vì vậy một phần NO có trong khí xả mẫu sẽ phản ứng với O3 và tạo ra NO2*, NO2 hoạt tính tồn tại không lâu trong điều kiện bình thường

vì vậy nó sẽ tự động chuyển về NO2 không hoạt tính bằng cách phóng đi một phần năng lượng dưới dạng tia sáng Đo cường độ tia sáng thu được và dựa vào đó để xác định lượng NO phản ứng Từ lượng NO phản ứng có thể tính ra lượng NO có trong khí xả mẫu

Để đo lượng NOx có trong khí xả mẫu, cho tất cả khí xả mẫu đi qua một bộ chuyển đổi từ NO2 thành NO Phần lớn NO2 chuyển đổi thành NO, sau đó tất cả khí

xả đã qua chuyển đổi được đưa tới buồng phản ứng Tương tự như với NO, trong buồng phản ứng một lượng NO có trong khí xả sẽ phản ứng với O3 và tạo thành

NO2 hoạt tính NO2 hoạt tính có năng lượng cao sẽ chuyển về mức năng lượng thấp

và phát ra ánh sáng, căn cứ vào cường độ ánh sáng thu được ta tính ra được lượng

NOx có trong khí xả