slide về khí thải ô tô và quy định

Hiện tại tất cả các xe ô tô sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới phải đáp ứng tiêu chuẩn Euro 4 Tieu chuan khi thai Euro 4 la gi? Anh 1 Euro 4 đã trở thành tiêu chuẩn khí thải bắt buộc đối với xe ôtô mới Ảnh minh họa Quyết định 492011QĐTTg của Thủ tướng Chính phủ ban hành về lộ trình áp dụng tiêu chuẩn khí thải với ô tô, xe mô tô hai bánh có lắp động cơ nhiệt sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới. Theo quyết định này kể từ ngày 112017 các loại xe ôtô sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới phải áp dụng tiêu chuẩn khí thải mức 4. Tuy nhiên không phải ai cũng hiểu tiêu chuẩn Euro 4 là gì và cần đáp ứng các chỉ số nào? Tieu chuan khi thai Euro 4 la gi? Anh 2 Bảng thông số tiêu chuẩn Euro 4 Tiêu chuẩn khí thải Euro bao gồm những định mức về nồng độ của các loại khí sinh ra trong quá trình xe hoạt động như nitrogen oxide (NOx), hydrocarbons (HC), carbon monoxide (CO) và các hạt vật chất (PM) được các nước thành viên EU thông qua và áp dụng. Các định mức khí thải này cũng khác nhau khi áp dụng cho các loại xe khác nhau (xe tải, xe hơi; xe hơi chạy xăng cũng khác xe hơi chạy dầu). Mục tiêu của các tiêu chuẩn này là để loại trừ những chiếc xe tạo ra quá nhiều ô nhiễm (do hỏng hóc hay cũ...) và cũng vì mục đích bảo vệ môi trường. Các nhà sản xuất xe cũng vì thế mà có động lực và cả áp lực nhằm tạo ra những chiếc xe xanh hơn, sạch hơn, phù hợp với những tiêu chuẩn Euro cao hơn. Việc áp dụng những tiêu chuẩn này sẽ giúp cải thiện vấn đề ô nhiễm môi trường nói chung và các vấn đề ô nhiểm tại các thành phố lớn nói riêng.

Khí Thải và Xử Lý Khí Thải

Nguồn gốc của khí thải

- Xăng trong đó có chứa 1 hỗn hợp của parafin và HC thơm, khi được đốt cháy với một lượng không khí được kiểm soát sẽ sinh ra sản phẩm cháy là CO2 và H2O

HC trong xăng dầu + O2  CO2 + H2O + nhiệt

- Và 1 số sản phẩm của sự đốt cháy không hoàn toàn là CO (1–2% vol) và HC chưa cháy (UHCs 500–1000 vppm).

- Nito kết hợp với nhiệt tạo thành NOx (100 – 3000 vppm), là sự tổ hợp của NO, NO2 và N2O

- Thành phần và lượng của các chất thải khác nhau phụ thuộc vào điều kiện hoạt động của động vơ, nhưng ảnh hưởng chủ yếu bởi tỷ lệ không khí và nhiên liệu trong xylanh,

- Tỷ lệ A/F

• Tại điểm λ = 1, lượng không khí cần thiết để oxi hóa hết nhiên liệu là 14,6 <wt/wt>.

- A/F giàu (không khí thiếu) thì λ <1, A/F nghèo (thừa không khí)thì λ > 1

- Khi động cơ hoạt động với λ giàu, CO và HC trong khí thải là cao nhất, trong khi NOx bị giảm (nhiên liệu không được đốt cháy hoàn toàn vì thiếu O2, NOx giảm vì nhiệt độ của quá trình cháy giảm)

- Khi λ > 1, CO và HC giảm, quá trình cháy gần với cháy hoàn toàn, NOx tăng lên lớn nhất sau đó giảm dần phụ thuộc vào nhiệt độ quá trình cháy.

- Trong quá trình hoạt động của động cơ xăng, 1 lượng đáng kể CO, HC, NOx phát thải ra khí quyển.

- CO là chất độc hại ảnh hưởng trực tiếp đến con người

- HC và NOx qua các phản ứng hóa học dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời tạo sương mù và ozon

6.1.2 Quy định của hợp chúng quốc Hoa Kỳ

• 1909 việc kiểm soát khí thải động cơ được xác nhận <Frankel 1909>

• Năm 1970, Hoa Kỳ kiểm soát khí thải thông qua luật “ Clean Air Act ”

• Hội nghị 1975-1976 <49 Bang> yêu cầu 1.5g/dặm HC, 15g/dặm CO, và 3.1g/dặm NOx

• Cơ quan bảo vệ môi trường <EPA> đã lập ra một chu trình kiểm tra <FTP> mô phỏng các điều kiện lái xe trung bình ở Mỹ.

• Chu trình FTP đã được tiến hành trên băng thử xe và bao gồm các phép đo từ ô tô trong

3 điều kiện:

<1> khởi động lạnh, sau khi động cơ không hoạt động trong 8h,

<2> khởi động nóng và

<3> kết hợp điều kiện lái xe ở đô thị và đường cao tốc

• Lượng khí thải trung bình trong tổng chu kỳ FTP là

• Bảng tóm tắt hiện tại của tiêu chuẩn khí thải của Califorlia cho xe chở khách

• nonmethane HC<NMHC>, phát thải tối đa 0.125g/dặm năm 2004 <giảm từ 0.41g/dặm 1994>,

• CO còn 1.7g/dặm <giảm từ 3.4g năm 1991>và

• NOx giảm đến 0.2g/dặm <giảm từ 1.0g>

• Califorlia còn thực hiện nghiêm ngặt hơn với quy định:

– NMHC phát thải phải giảm xuống đến 0.075g/dặm vào năm 2000 cho tất cả các xe chở khách,

– Vào năm 2003, 10% trong số này phải có lượng khí thải không lớn hơn 0.04g/dặm và 10% không phát ra NMHCs.

• Các nhà sản xuất động cơ đã khám phá ra 1 loại công nghệ đáp ứng các yêu cầu của luật “Clean Air

Act”, bộ xúc tác đã được chứng minh là hệ thống hiệu quả nhất.

• Cùng với sự phát triển ngày càng phức tạp của động cơ, các thiết bị điều khiển và điều chỉnh quá trình cháy cũng được cải thiện để phù hợp với công nghệ của bộ xúc tác

• Ngoài các tiêu chuẩn với khí thải của động cơ, tiêu chuẩn về nhiên liệu cũng được đặt ra với quy định lượng S trong nhiên liệu là 30ppm

• Ở nhiều nước hiện nay đã dùng các loại nhiên liệu hữu cơ để thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch, ở

Mỹ đã dùng tới xăng E85

• Biến đổi NO/NO2 thành N2

NO (hoặc NO2) + CO  ½ N2 + CO2

NO (hoặc NO2) + CO  ½ N2 + CO2

(2+ n/2)NO (hoặc NO2) + CyHn

(1+ n/4)N2 + yCO2 + n/ 2 H2O

- Khi người lái bắt đầu khời động ô tô, cả động cơ và bộ xúc tác đều lạnh, sau đó ống xả dần nóng lên, đạt đến nhiệt độ đủ cao để bộ xúc tác bắt đầu làm việc, nhiệt độ này được gọi là “lightoff temperature”.

- Thông thường CO sẽ phản ứng đầu tiên, tiếp theo là HC và NOx

BỘ XÚC TÁC DẠNG HẠT

- Bộ xúc tác gồm các lớp viên gốm hình cầu,

- Vật liệu: gốm chịu nhiệt (cordierit 2MgO.2Al2.5SiO2)

- Hệ số hấp thụ nhiệt thấp và nhiệt độ nóng chảy cao (khoảng 1400oC)

- Đường kính viên gốm khoảng 2 – 3mm được phủ bề mặt bằng oxit nhôm  nhiệt luyện ở nhiệt độ khoảng 1000oC  chống mòn và ma sát, gọi là lớp nền,

- Vật liệu xúc tác (Pd, Pt, Rh) được thấm trực tiếp trên bề mặt của các viên gốm

KẾT CẤU DẠNG TỔ ONG

- Cấu trúc tổ ong, gồm nhiều rãnh nhỏ kích cỡ mm xếp song song với dòng chảy của chất thải,

- Lõi gốm làm từ vật liệu chịu nhiệt cordierite,

- Các rãnh nhỏ song song có tiết diện ngang hình tam giác hoặc hình vuông,

- Các rãnh dẫn khí thải được phủ 1 lớp Al2O3 xốp, mấp mô dày khoảng 2mm,

- Lõi gốm được thấm các vật liệu xúc tác (Pt, Pd, Rh)

6.4 Thế hệ đầu tiên: Xúc tác oxi-hóa

- Các bộ xúc tác được yêu cầu với nhiệm vụ kiểm soát được thành phần HC và CO, hơn thế nữa là thành phần NOx

- Các nhà chế tạo động cơ sử dụng bộ luân hồi khí thải EGR để đảm bảo kiểm soát được lượng NOx

- Động cơ được hoạt động với hỗn hợp giàu nhằm làm giảm khả năng hình thành NOx, và không khí sẽ được bơm bổ sung vào buồng cháy để cung cấp đầy đủ O2 cho quá trình OXH CO và HC dưới tác dụng của chất xúc tác

- Pt và Pd là những chất oxi hóa hoàn hảo; tuy nhiên giá thành cao và không sẵn có,

- Một số kim loại cơ sở khác đã được đưa ra để nghiên cứu, ví dụ như: Cu;Cr;Ni;Mn…

Khả năng hoạt động kém hơn kim loại hiếm nhưng giá thành lại rẻ hơn rất nhiều và sẵn có

Bảng 6.1 cho thấy quan hệ về sự hoạt động của Pt và Pd so sánh với oxit của các kim loại cơ sở trong quá trình mô phỏng sự oxi hóa khí thải ô nhiễm ở nhiệt độ 300oC Từ kết quả ta có thể thấy khả năng của kim loại hiếm là hơn hẳn so với các kim loại cơ sở.

- Sự hoạt động chậm của các kim loại thay thế sẽ kéo theo vùng phản ứng có thể tích lớn hơn  tăng kích thước của bộ xử lý.

- Oxit của kim loại cơ sở nhạy cảm với chất độc lưu huỳnh

kim loại cơ sở đã không được sử dụng làm chất xúc tác chính trong hệ thống kiểm soát khí thải

SỰ ẢNH HƯỞNG TỚI CÁC CHẤT OXH

- Sự ảnh hưởng từ tạp chất trong khí thải

- Tetraethyl chì từ sự là tăng lượng octan trong xăng

- P, Zn trong dầu bôi trơn

Ảnh hưởng của Pb, S, nhiệt độ lên bộ xúc tác Pt và Pd tại vùng nhiệt độ mà 90% CO bị biến đổi

Ảnh hưởng của Pb, S, nhiệt độ lên bộ xúc tác Pt và Pd tại vùng nhiệt độ mà 90% propylene bị

biến đổi

- Rõ ràng, việc cung cấp Pt đã cải thiện việc cản trở chất độc từ chì bằng việc cho thấy sự liên tục giảm trong 90% nhiệt độ chuyển đổi,

- Pb được coi như là một chất làm bất hoạt các chất xúc tác,

Pt or Pd +Pb  PtPb or PdPb (xúc tác không khí, 900 oC)

- Pb đã lắng đọng thành 1 lớp màng mỏng (vài micro chiều dày) gần mặt ngoài của nhôm oxit,

 Loại bỏ chì ra khỏi xăng là bước đầu tiên để có thể phát triển công nghệ kiểm soát khí thải.

- Sự phối hợp của Pt và Pd phân tán vào bề mặt ngoài của lớp γ-Al2O3 đã tạo ra hoạt động tốt hơn cho bộ xúc tác,

- Sau khi bị lão hóa ở nhiệt độ cao, chất xúc tác thường xuyên bị bất hoạt, bằng chứng là 50% chuyển hóa CO

và HC tăng nhiệt độ,

- Một lượng nhỏ từ 1-3% của phần tử như La2O3, BaO, SiO2 nếu kết hợp đúng trong quá trình tổng hợp sẽ

làm tăng sự ổn định nhiệt của γ-Al2O3

THẾ HỆ THỨ 2: THE THREE-WAY CATALYST

- Nối tiếp thành công của bộ xúc tác trong việc kiểm soát lượng HC,CO,

- Lượng lượng NOx trong khí thải giảm xuống dưới 1g/dặm (hiệu quả nhất khi thiếu O2),

- Sự giảm bớt NOx hiệu quả nhất trong tình trạng thiếu O2 Trong khi muốn giảm bớt CO và HC yêu cầu O2,

- Chất xúc tác chính sử dụng cho phản ứng khử là Ru, tuy nhiên ở nhiệt độ > 700 độ Ru bay hơi do bị oxi hóa thành RuO2,

- Sử dụng Pt và Pd thay thế cho Ru thì NOx sẽ giảm để hình thành NH3 và không có N2 Nhưng sau đó NH3 qua bộ xúc tác sẽ bị oxy hóa lại trở thành NOx,

- Rh là một chất xúc tác giảm NOx tuyệt vời, nó hình thành ít NH3 hơn so với Pt và Pd,

- Nếu khí thải trên động cơ gần với lý thuyết, λ=1 thì tất cả 3 chất thải với chất xúc tác thích hợp sẽ được chuyển đổi đồng thời, phản ứng 2 giai đoạn với hệ thống phun không khí sẽ ko cần thiết

- Chìa khóa thúc đẩy công nghệ này là điều chỉnh hệ số λ xung quanh khoảng hep gần với λ=1, điều này đươc thức hiện nhờ phát triển của cảm biến Oxy

- Cảm biến oxy nằm ngay trước bộ xúc tác trong ống xả

- Đo sự khác biệt giữa lượng oxy trong khí thải và lượng oxy trong không khí,

- Gồm 2 phần: 1 phần tiếp xúc với không khí và 1 phần tiếp xúc với khí thải,

- Chênh lệch hàm lượng oxy trong không khí và trong khí thải  tín hiệu điện áp đo,

- Có 2 loại chính: cảm biến oxy với ZrO2 hoặc TiO2

- Cảm biến hiện đại có khả năng sấy nóng để có thể làm việc trong điều kiện ôtô mới khởi động,

- Các tín hiệu điện áp sẽ phát ra các phản hồi lại các thiết bị điều khiển phun nhiên liệu để điều chỉnh hệ số λ,

- Thiết bị tổng thể là 1 hệ thống điều khiển rất phức tạp để duy trì hệ số λ trong khoảng hẹp, cho phép chuyển đổi đồng thời cả 3 chất ô nhiễm

 Công nghệ này gọi là bộ xúc tác 3 thành phần

- Khi khí thải đậm cần cung cấp một lượng nhỏ O2 để đốt cháy hết HC và CO dư.

- Khi khí thải bị oxy hóa không đáng kể thì sẽ dư O2

 Cần chất để hấp thụ hoặc giải phóng O2 trong suốt quá trình λ biến thiên.

- CeO2 có phản ứng oxi hóa khử thích hợp và phổ biến nhất để tích tích trữ O2 trong bộ xúc tác hiện đại theo các phản ứng:

Điều kiện khí xả giàu: CeO2 + CO  Ce2O3 +CO2

Điều kiện khí xả nghèo: Ce2O3 + ½ O2  CeO2

- Ngoài ra CeO2 là chất xúc tác tạo hơi nước tốt  như vậy xúc tác các phản ứng của CO và HC với H2O khi nhiên liệu đậm H2 hình thành sẽ làm giảm NOx thành N2

CO + H2O  H2 +CO2CxHy + 2H2O  (2+y/2)H2 +xCO2H2 làm giảm NOx như sau:

NOx + xH2  ½ N2 + xH2O

THẾ HỆ THỨ 3

- Các nghiên cứu về sự tương tác của Rh với chất nền

γ-Al2O3,

- Ở nhiệt độ trên 800-900oC, Rh tác dụng với Al2O3 và làm bất hoạt nó,

- Quá trình này có tính thuân nghịch, Rh được giải phóng khỏi Al2O3 ở chế độ động cơ hoạt động với hỗn hợp giàu

Rh2O3 + γ-Al2O3  RhAl2O3 (800oC, lean)

Rh + γ-Al2O3  RhAl2O3 + H2 hoặc CO (rich)

THẾ HỆ THỨ 3

- Rh có khả năng phản ứng với CeO2 (bộ lưu trữ Oxy),

- Ở chế độ hoạt động với hỗn hợp nghèo, nhiệt độ cao thì Rh tác dụng với các oxit, làm giảm mức

độ hoạt động của cả hai,

cần thiết tách Rh thành các lớp riêng

- Lớp trung gian gồm nhiều lớp với Rh và CeO2 ở các lớp khác nhau đã được phát triển,

THẾ HỆ THỨ 3

- Ảnh hưởng của P và S tới sự hoạt động của bộ xúc tác vẫn được đề cập tới trong các bộ TWC hiện đại,

- P có ở trong dầu bôi trơn động cơ, bám vào bộ xúc tác và làm giảm hiệu quả bộ xúc tác,

- P từ 3 nguồn chính: dầu từ động cơ, dầu bay hơi, sự hoạt động không chính xác của van thông gió trục khuỷu (PCV valve)

THẾ HỆ THỨ 3

- Lượng S trong xăng khoảng 0.02 – 0.05% (năm 1990), có thể lên tới 0.12%

- S biến đổi thành SO2 và SO3 trong quá trình cháy,

- S bám vào các kim loại quý ở nhiệt độ thấp và làm giảm hiệu quả chuyển đổi CO, HC, NOx; ở nhiệt độ trên 300oC nó kết hợp với Al2O3 và tạo thành Al2(SO4)3,

Hiệu suất chuyển đổi bị ảnh hưởng bởi lượng S

Hàm lượng S, P và Zn trong

lớp trung gian ở đầu vào TWC

Hàm lượng S, P và Zn trong lớp trung gian ở đầu ra TWC

- SO2 bị OXH thành SO3 ở chế độ hỗn hợp nghèo, phản ứng với Al2O3 hoặc CeO2 tạo thành Al2(SO4)3 hoặc Ce(SO4)2,

- Khi khí thải giàu hơn, hợp chất của S giảm và tạo thành H2S,

- Các bộ xúc tác đang được phát triển để giữ lại H2S trước khi nó thoát ra ngoài môi trường,

- Phương pháp chính được nghiên cứu và sử dụng ngày nay là sử dụng Ce

Bộ xúc tác Pladi thế hệ 4

Mục đích hướng tới :

- Dùng Pladi (Pd) thay thế cho Bạch kim (Pt) và Rhodium (Rh) trong bộ xúc tác

- Giá thành rẻ hơn rất nhiều so với các chất còn lại

- Hiệu suất hoạt động bị hạn chế bởi điều kiện vận hành

 Tính khả thi chưa cao

Những bước đi mới

- Một vài thay đổi đa được thực hiện để chứng minh được là có thể dùng Pd thay thế cho Rh:

1. Phương tiện được thiết kế với một tỉ lệ hòa khí nhất định,

2. Chất lượng nhiên liệu được cải thiện ,

3. Đặt bộ xúc tác gần với động cơ hơn

 Bộ xúc tác nóng lên nhanh hơn , nhiệt độ vận hành cao hơn, giảm bớt sự hấp thụ S và P

Kết quả thu được

- Sau nhưng thất bại đầu tiên thì đã có những kết quả khả quan :

1. Công nghệ Pd đã đạt hiệu suất tốt và được phát triển nhanh chóng,

2. Công nghệ Pd cho hiệu quả cao sau các chu trình cắt nhiên liệu của động cơ và không nhạy cảm với S có

trong nhiên liệu,

3. Năm 1995 bản thương mại đầu tiên được lắp đặt trên xe Ford

< Hình 6.28 thể hiện hiệu suất tương đương của bộ xúc tác Pd so với Pt/Rh>

Chìa khóa thành công

- Sử dụng sự kết hợp đặc biệt của CeO2 với lớp trung gian, giúp cho hiệu quả xúc tác cao ở cả phía nhiên liệu giàu và phía nhiên liệu nghèo,

- Mang lại hiệu suất cao và được sử dụng ở phương tiện cần bộ xúc tác có nhiệt độ làm việc cao và tỉ lệ hòa khí được kiểm soát chặt chẽ hơn

Cảnh báo với bộ xúc tác chỉ sử dụng Pd

- Dễ bị ngộ độc chì khi tiếp xúc với nhiên liệu xăng Chì đã được tìm thấy ở lớp trung gian và lớp nên của bộ xúc tác đã bị hỏng Điều này làm ảnh hưởng tới hiệu suất lọc NOx

- Cách giải quyết: thêm Rh vào để giảm thiểu sự kết hợp của Pb và Pd

- Vấn đề gặp phải: Làm tăng giá thành với sự đắt đỏ của Pd, Pt và Rh Vấn đề nan giải kiềm hãm sự phát triển của công nghệ

Các phương án được đề ra

1 Close-coupled catalyst

2 Electrically heated catalyzed metal monolith

3 HC trap

4 Chemically heated catalyst

5 Exhaust gas ignition

6 Preheat burners

7 Cold-start retard or post-manifold combustion

8 Variable valve combustion chamber

9 Double-walled exhaust pipe

Close-coupled catalyst

- Đặt vấn đề: Việc sử dụng cách đắt bộ xúc tác gần động cơ nhằm giảm bớt thời gian tăng nhiệt tuy nhiên nhiệt

độ lớn nhất vẫn thấp do bị giới hạn bởi: Overfueling( Nhiên liệu đốt không hết) và acceleration enrichment (tăng tốc đột ngột)

 Lượng phát thải CO và HC cao

Phát triển tiếp theo

- Các nhà sản xuất đã tìm ra vật liệu mang mới với sự kết hợp của kim loại đã làm cho bộ xúc tác có khả năng làm việc ở khoảng nhiệt độ cao hơn,

- Ngoài ra còn một số phương pháp điều khiển động cơ trong thời gian khởi động lạnh như: điều khiển đánh lửa muộn để hòa khí không cháy hết ở động cơ mà cháy ở đường thải

 Cung cấp nhiệt cho bộ xúc tác

- Điểm cốt lõi của vấn đề là phải có Oxi trên đường thải

Cung cấp đủ Oxy cho khí thải là một vấn đề mấu chốt để kiểm soát

khí thải ở thời gian khởi động lạnh

Điều kiện làm việc

- HC phải được giải phóng từ bẫy đúng thời điểm mà bộ xúc tác đạt được nhiệt độ phản ứng lớn hơn 250oC,

Do không có vật liệu nào có khả năng giữ HC lại ở nhiệt độ lớn hơn  HC đi qua bộ xúc tác mà không được xử lý và thoát ra ngoài,

- Lượng HC được giải phóng ra đó được hấp thụ và oxi hóa ở bộ xúc tác 3 thành phần bình thường,

Cách tiếp cận không chất xúc tác

- Ý tưởng: đốt cháy HC ở một vùng nhỏ trước bộ xúc tác trong quá trình khởi động lạnh để làm nóng,

- Ưu điểm: Lượng phát thải thấp, làm nóng nhanh,

- Nhược: Chi phí quá cao, hệ thống phức tạp

- Bộ điều tiết H2S

CÔNG NGHỆ TWC MỚI

- Ce được thêm vào bộ xúc tác dưới dạng hỗn hợp Ce/Zr/La/X

- Lưu trữ và hấp thụ Oxy

- Cải thiện sự phân tán kim loại quý

- Giảm lượng kim loại quý

- Chất xúc tác để tái cấu trúc nước, giảm NO

- Cải thiện đặc tính lightoff

- Sử dụng hỗn hợp 70/30 CeO2/ZrO2 nâng cao khả năng OXH so với Ce nguyên chất,

- Tỷ lệ Ce/Zr phụ thuộc vào chế độ hoạt động của động cơ, tiêu chuẩn cần đạt được, tuổi thọ, …

CÔNG NGHỆ TWC MỚI

- Các kim loại quý được thêm vào dưới dạng các hỗn hợp như Rh/Ce/Zr và Pt/Al,

- Ce làm tăng rõ rệt khả năng chuyển hóa NOx, đặc biệt khi kết hợp với Rh,

- Tuy nhiên, trong một số trường hợp cụ thể, Ce lại làm gia tăng những phản ứng có hại của S, vì vậy cần phải nghiên cứu thêm