Nghiên cứu vận hành thiết bị phân tích khí thải TRO 8040 để đánh giá chất thải gây ô nhiễm từ ô tô xe máy

Nghiên cứu vận hành thiết bị phân tích khí thải TRO 8040 để đánh giá chất thải gây ô nhiễm từ ô tô xe máy Nghiên cứu vận hành thiết bị phân tích khí thải TRO 8040 để đánh giá chất thải gây ô nhiễm từ ô tô xe máy luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

Bộ giáo dục và đào tạo Trường đại học bách khoa hà nội

Trường đại học bách khoa hà nội

Nguyễn Đình cương

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS nguyễn viết tiếp

Hà nội 2009

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan rằng, số liệu và những kết quả thực nghiệm được nghiên cứu trong luận văn là hoàn toàn thực tế khách quan Những kết quả tương tự chưa từng được sử dụng để bảo vệ một học vị nào

Tác giả luận văn

Nguyễn Đình Cương

Lời cảm ơn

Tôi xin trân trọng cảm ơn thày PGS-TS Nguyễn Viết Tiếp đã tạo điều kiện, hướng dẫn và giúp đỡ rất tận tình trong suốt quá trình nghiên cứu và viết luận văn của mình Đặc biệt thầy đã giành thời gian nghỉ hè quý báu để về Sao Đỏ – Chí

Linh – Hải Dương trực tiếp hướng dẫn, làm thực nghiệm cùng học viên

Tôi xin cảm ơn các thày cô trong Khoa Cơ Khí Trường ĐHBK Hà Nội cung cấp cho tôi những kiến thức cần thiết trong suốt thời gian tôi được học và quá trình thực hiện luận văn

Tôi xin cảm ơn các thày cô trường Cao Đẳng Công Nghiệp Sao Đỏ và các bạn đồng nghiệp đã tạo điều kiện giúp đỡ, đóng góp ý kiến để hoàn thành phần thực nghiệm

Tác giả luận văn

Nguyễn Đình Cương

Mục lục

Lời cam đoan

Lời cảm ơn

Trang

Lời nói đầu……… .1

Chương 1 Tổng quan về tiêu chuẩn khí thải……….… 2

1.1 Giới thiệu chung về khí thải động cơ……….2

1.2 ô nhiễm không khí là gì? 3

1.3 ảnh hưởng của chất thải động cơ đốt trong đối với con người………… 5

1.3.1 Đối với sức khoẻ con người……….… 5

1.3.2 Đối với môi trường 6

1.4 Các tiêu chuẩn của Việt Nam và thế giới về nồng độ cho phép của các chất ô nhiễm trong khí xả……….…6

1.4.1 Tiêu chuẩn của thế giới……… ….6

1.4.2 Tiêu chuẩn của Việt Nam ……….11

1.5 Quy trình thử của một số nước………13

1.5.1 Quy trình thử của Mỹ……… ….……… 13

1.5.2 Quy trình thử của Nhật Bản……… 13

1.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ ôtô……….……… 14

1.6.1 Trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức………14

1.6.2 Trường hợp động cơ Diesel 18

1.6.3 ảnh hưởng của nhiên liệu đến mức độ phát ô nhiễm động cơ 24

1.7 Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm của động cơ ôtô……… 27

1.7.1 Giảm mức độ phát sinh ô nhiễm ngay từ nguồn……… ……… 27

1.7.2 Xử lí khí xả bằng bộ xúc tác 30

1.7.3 Lọc hạt

rắn……… ….32

Chương 2 Phương pháp đo và thiết bị đo chất thải gây ô nhiễm từ ôtô, xe máy 37

2.1 Phương pháp đo 37

2.1.1 Định nghĩa đo lường 37

2.1.2 Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm 37

2.1.3 Cơ sở xây dựng các quy trình đo ô nhiễm……….….37

2.1.4 Các phương pháp đo……… …38

2.2 Các thiết bị đo thành phần khí thải………45

2.2.1 Bộ phân tích hồng ngoại không tán sắc (NDIR) 45

2.2.2 Bộ dò quang hoá (CLD) 46

2.2.3 Bộ dò ion hoá ngọn lửa (FID)……… 48

2.2.4 Máy đo độ đục……… …… 48

2.2.5 Máy kiểm tra độ khói 49

2.2.6 Thiết bị phân tích khí xả Trolley TRO-8040 51

Chương 3 Phương pháp thực nghiệm đo khí thải……….61

3.1 Lắp đặt thiết bị ……….…… 61

3.1.1 Lắp đặt thiết bị phân tích khí xả động cơ xăng AGS - 8020 lên tro – 8040………

61

3.1.2 Lắp đặt thiết bị đo độ khói OPA- 8030 vào TRO- 8040 64

3.1.3 Lắp ắcquy cho TRO- 8040……… 64

3.2 Quy trình sử dụng thiết bị……… 65

3.2.1 Chuẩn bị……….……… 65

3.2.2 Các bước kiểm tra 69

3.3 Kết quả thực nghiệm ………75

3.3.1 Xe máy ……….75

3.3.2 Ôtô ……… …76

3.3.3 Bảng tiờu chuẩn……… ….77

3.3.4 Đồ thị mối quan hệ giữa chất gõy ụ nhiễm với quóng đường xe chạy …77

3.3.5 Nhận xét, đánh giá kết quả đo……….….79

3.4 Biện pháp để giảm chất thải gây ô nhiễm ……… …80

3.4.1 Giáo dục và tuyên truyền 80

3.4.2 Kiểm tra và bảo dưỡng xe đúng định kì 81

Kết luận và khuyến nghị 82

Tài liệu tham khảo 83

Phụ lục……… 84

Lời nói đầu

Ngày nay, nhu cầu đi lại và vận chuyển hàng hoá trên đường bộ là rất quan trọng

đối với sự phát triển của mỗi quốc gia Do đó, ngành công nghiệp ôtô ngày càng phát triển để đáp ứng được tầm quan trọng đó Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp

ôtô thì sự ô nhiễm môi trường do ngành này gây nên rất đáng lo ngại - ảnh hưởng lớn tới

đời sống con người và hệ sinh thái Vì vậy các tiêu chuẩn về tỉ lệ khí thải các chất ô nhiễm của ôtô - xe máy ở các quốc gia ngày càng khắt khe hơn nhằm hạn chế tới mức thấp nhất sự ô nhiễm môi trường do ôtô - xe máy gây ra Để đánh giá được mức độ gây ô nhiễm từ ôtô - xe máy thì không thể thiếu được các thiết bị phân tích khí thải

Số lượng ôtô, xe máy tại các thành phố lớn nước ta hiện nay có khoảng 19 triệu chiếc Trong đó, TPHCM có khoảng 3,8 triệu chiếc và Hà Nội là trên dưới 1,7 triệu chiếc

thải đô thị tại các thành phố lớn của nước ta như carbon, benzên, ôxít lưu huỳnh và bụi là những tác nhân gây ra các bệnh về đường hô hấp, bạch cầu và ung thư, trong đó lượng khí thải do ôtô, xe máy chiếm tỷ lệ cao nhất

Ước tính thiệt hại về kinh tế do khí thải của xe máy tại 5 thành phố lớn của nước

ta hàng năm chiếm khoảng 0,3 ữ 0,6% tổng thu nhập bình quân đầu người (GDP) Riêng

Hà Nội, mỗi ngày mức thiệt hại do ô nhiễm không khí gây ra khoảng 1 tỉ đồng

Theo tổ chức Y tế thế giới, hàng năm có 4 ữ 8 % các trường hợp tử vong liên quan

đến ô nhiễm không khí

ở Việt Nam, theo GS Nguyễn Trường Sơn thuộc viện Y tế lao động cứ 4 triệu dân sống trong khu vực nội thành thì mỗi năm có khoảng 630 người chết và 1500 người mắc bệnh về đường hô hấp do ô nhiễm không khí

Xuất phát từ vấn đề trên, được sự hướng dẫn của Thầy: PGS TS Nguyễn Viết Tiếp – Bộ môn công nghệ chế tạo máy – Khoa Cơ Khí Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

TRO - 8040 để đánh giá chất thải gây ô nhiễm từ ôtô - xe máy”

Chương 1 Tổng quan về tiêu chuẩn khí thải

1.1 Giới thiệu chung về khí thải động cơ

Quá trình cháy lí tưởng của hỗn hợp hydrocarbure với không khí chỉ sinh ra

CO2, H2O và N2 Tuy nhiên do sự không đồng nhất của hỗn hợp một cách lí tưởng cũng như do tính chất phức tạp của các hiện tượng lí hoá diễn ra trong quá trình cháy nên trong khí xả động cơ luôn chứa một hàm lượng đáng kể các chất độc hại như oxyde nitơ (NO, NO2, N2O, gọi chung là NOx), monoxyde carbon (CO), các hydrocarbua chưa cháy (HC) và các hạt rắn, đặc biệt là bồ hóng 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 bé, chiếm tỉ lệ không đáng kể; nồng độ HC chỉ bằng 20% nồng độ HC của động cơ xăng còn nồng độ NOx của hai loại động cơ này có giá trị tương đương nhau Trái lại, bồ hóng là chất ô nhiễm quan trọng trong khí xả động cơ Diesel, nhưng trong động cơ xăng hàm lượng của nó không đáng kể

Hình 1.1 Biến thiên nồng độ các chất ô nhiễm theo hệ số dư lượng không khí

Những tạp chất đặc biệt là lưu huỳnh và các chất phụ gia trong nhiên liệu cũng có ảnh hưởng đến thành phần các chất ô nhiễm trong sản phẩm cháy Thông thường xăng thương mại có chứa khoảng 600ppm lưu huỳnh Thành phần lưu huỳnh có thể lên tới 0,5% đối với dầu Diesel Trong quá trình cháy, lưu huỳnh bị

ôxy hoá thành SO2, sau đó một bộ phận SO2 tiếp tục bị ôxy hoá thành SO3, chất có thể kết hợp với H2O để tạo ra H2SO4

Mặt khác, để tăng tính chống kích nổ của nhiên liệu, người ta pha thêm Thetraetyle chì Pb(C2H5)4 vào trong xăng Sau khi cháy, những hạt chì có kích thước cực bé thoát ra theo khí xả, bay lơ lửng trong không khí và trở thành chất gây ô nhiễm đối với bầu khí quyển, nhất là ở khu vực thành phố có mật độ giao thông cao

λ

Một trong những thông số có tính tổng quát ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ là hệ số dư lượng không khí λ

Thành phần hoà khí thể hiện tỉ lệ hoà trộn giữa xăng và không khí, trong hoà khí được đặc trưng bằng hệ số λ (hoặcα ) hoặc bằng số tỉ lệ không khí – nhiên liệu: là tỉ số giữa không khí Gk và lượng xăng Gx chứa trong hoà khí (m = Gk/Gx)

m = 14,7 : 1 đủ không khí ta có λ = 1, đây là hoà khí chuẩn (lý tưởng)

m > 14,7 : 1 dư không khí ta có λ > 1, hoà khí nhạt (nghèo xăng)

m < 14,7 : 1 thiếu không khí ta có λ < 1, hoà khí đậm (giầu xăng)

Mỗi chế độ hoạt động của xe đòi hỏi có một thành phần nhất định Lúc khởi

động lạnh yêu cầu hoà khí đậm m ≈ 9 : 1, ở tốc độ trung bình (bướm ga mở một phần) m ≈ 15 : 1 Khi tăng tốc, bướm ga mở đột ngột, cũng phải làm đậm tạm thời cho hoà khí nếu không xe sẽ chết máy Hoà khí cũng được làm đậm m ≈ 13 : 1 khi

mở rộng hoặc mở hết bướm ga

Hình 1.1 trình bày một cách định tính sự phụ thuộc của nồng độ NO, CO, và HC

trong khí xả theo λ Động cơ đánh lửa cưỡng bức thường làm việc với hệ số dư lượng không khí λ ≈1 Theo đồ thị này thì động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo thì

có mức độ phát sinh ô nhiễm thấp hơn Tuy nhiên, nếu hỗn hợp quá nghèo thì tốc

độ cháy thấp, đôi lúc diễn ra tình trạng bỏ lửa và đó là nguyên nhân làm gia tăng nồng độ HC

Nhiệt độ cực đại của quá trình cháy cũng là một nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến thành phần các chất ô nhiễm vì nó ảnh hưởng mạnh đến động học phản ứng , đặc biệt là các phản ứng tạo NOx và bồ hóng

Nói chung tất cả những thông số kết cấu và vận hành nào của động cơ có tác

động đến thành phần hỗn hợp và nhiệt độ cháy đều ảnh hưởng trực tiếp hay gián tiếp đến sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí xả

1.2 ô nhiễm không khí là gì?

Theo định nghĩa do cộng đồng Châu Âu đưa ra vào năm 1967 thì: “Không khí gọi là ô nhiễm khi thành phần của nó bị thay đổi hay khi có sự hiện diện của những chất lạ gây ra những tác hại mà khoa học chứng minh được hay gây ra sự khó chịu đối với con người”

Vậy khí thải gây ô nhiễm là những chất độc hại có ảnh hưởng trực tiếp tới sức khoẻ con người và môi trường trong thời gian dài bao gồm: monoxyde carbon (CO), oxyde nitơ (NOx), hydrocacbon nói chung (HC) và thành phần bụi bay theo (Particulate Matter – PM)

Đến nay, người ta đã xác định được các chất ô nhiễm trong không khí mà phần lớn những chất đó có mặt trong khí xả của động cơ đốt trong Bảng 1.1 dưới

đây cho thấy sự gia tăng nồng độ một cách đáng ngại của một số chất ô nhiễm trong bầu khí quyển

Bảng 1.1: Sự gia tăng của các chất ô nhiễm trong khí quyển

Chất ô nhiễm Thời kì tiền công nghiệp (ppm) Hiện nay (ppm) Tốc độ tăng (%/năm)

1.3 ảnh hưởng của chất thải động cơ đốt trong đối với con người

1.3.1 Đối với sức khoẻ con người

CO: Monoxyde carbon là sản phẩm khí không màu, không mùi, không vị, sinh ra do ôxy hoá không hoàn toàn carbon trong nhiên liệu trong điều kiện thiếu oxygene CO ngăn cản sự dịch chuyển của hồng cầu trong máu làm cho các bộ phận của cơ thể thiếu oxygene Nạn nhân bị tử vong khi 70% số hồng cầu bị khống chế (khi nồng độ CO trong không khí lớn hơn 1000ppm) ở nồng độ thấp hơn, CO cũng có thể gây nguy hiểm lâu dài đối với con người: khi 20% hồng cầu

bị khống chế, nạn nhân bị nhức đầu, chóng mặt, buồn nôn và khi tỉ số này lên đến 50% thi bộ não người bắt đầu bị ảnh hưởng mạnh

NOx: là họ các oxyde nitơ, trong đó NO chiếm đại bộ phận NOx được hình thành do N2 tác dụng với O2 ở nhiệt độ cao (vượt quá 1100oC) Monoxyde nitơ (x=1) không nguy hiểm nhiều, nhưng nó lại là cơ sở để tạo ra dioxyde nitơ (x=2)

NO2 là chất khí màu hơi hồng, có mùi, khứu giác có thể phát hiện khi nồng độ của

nó trong không khí đạt khoảng 0,12 ppm NO2 là chất khó hoà tan, do đó nó có thể theo đường hô hấp đi sâu vào phổi gây viêm và làm huỷ hoại các tế bào của cơ quan hô hấp Nạn nhân bị mất ngủ, ho và khó thở Proto nitơ (N2O) là chất cơ sở tạo ra ozone ở hạ tầng khí quyển

Hydrocarbua: (HC) có mặt trong khí thải do quá trình cháy không hoàn toàn khi hỗn hợp giàu, hoặc do hiện tượng cháy không bình thường Chúng gây tác hại

đến sức khoẻ con người chủ yếu là do các hydrocarbua thơm Từ lâu người ta đã xác định được vai trò của benzen trong căn bệnh ung thư máu khi nồng độ của nó lớn hơn 40 ppm hoặc gây rối loạn thần kinh khi nồng độ lớn hơn 1g/m3, đôi khi nó

là nguyên nhân gây các bênh về gan

SO2: SO2 (oxyde lưu huỳnh) là một chất háo nước, vì vậy nó rất dễ hoà tan vào nước mũi, bị oxy hoá thành H2SO4 và muối amonium rồi đi theo đường hô hấp vào sâu trong phổi Mặt khác, SO2 làm giảm khả năng đề kháng của cơ thể và làm tăng cường độ tác hại của các chất ô nhiễm khác đối với nạn nhân

Bồ hóng: Bồ hóng là chất ô nhiễm đặc biệt quan trọng trong khí xả động cơ Diesel Nó tồn tại dưới dạng những hạt rắn có đường kính trung bình 0,3 mm nên rất dễ xâm nhập sâu vào phổi Sự nguy hiểm của bồ hóng, ngoài việc gây trở ngại cho cơ quan hô hấp như bất kì một tạp chất cơ học nào khác có mặt trong không khí, nó còn là nguyên nhân gây ra bệnh ung thư do các hydrocarbua thơm mạch vòng (HAP) hấp thụ trên bề mặt của chúng trong quá trình hình thành

Chì: Chì có mặt trong khí xả Thetraetyl chì Pb(C2H5)4 được pha vào xăng để tăng tính chống kích nổ của nhiên liệu Chì trong khí xả động cơ tồn tại dưới dạng những hạt có đường kính cực bé nên rất dễ xâm nhập vào cơ thể qua da hoặc theo

đường hô hấp Khi đã vào được trong cơ thể, khoảng từ 30% đến 40% lượng chì này sẽ đi vào máu Sự hiện diện của chì gây xáo trộn sự trao đổi ion ở não, gây trở

ngại cho sự tổng hợp enzyme để hình thành hồng cầu, và đặc biệt hơn nữa, nó tác

động lên hệ thần kinh làm trẻ em chậm phát triển trí tuệ Chì bắt đầu gây nguy hiểm đối với con người khi nồng độ của nó trong máu vượt quá 200 đến 250mg/lít

1.3.2 Đối với môi trường

1 Thay đổi nhiệt độ khí quyển

Sự hiện diện của các chất ô nhiễm, đặc biệt là những chất khí gây hiệu ứng nhà kính, trong không khí trước hết ảnh hưởng đến quá trình cân bằng nhiệt của bầu khí quyển Trong số những chất gây hiệu ứng nhà kính, người ta quan tâm đến khí cacbonic CO2 vì nó là thành phần chính trong sản phẩm cháy của nhiên liệu có chứa thành phần cacbon

Với tốc độ gia tăng nồng độ khí cacbonic trong bầu khí quyển như hiện nay, người ta dự đoán vào khoảng giữa thế kỉ 22, nồng độ khí quyển có thể tăng lên gấp

đôi Khi đó theo dự báo của các nhà khoa học, sẽ xảy ra sự thay đổi quan trọng đối với sự cân bằng nhiệt trên trái đất:

- Nhiệt độ bầu khí quyển sẽ tăng lên từ 2 đến 3o C

- Một phần băng ở vùng Bắc cực và Nam cực sẽ tan làm tăng chiều cao mực nước biển

- Làm thay đổi chế độ mưa gió và sa mạc hoá thêm bề mặt trái đất

2 ảnh hưởng đến sinh thái

Sự gia tăng của NOx, đặc biệt là protoxyde nitơ N2O có nguy cơ làm gia tăng

sự huỷ 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 huỷ hoại

sự sống của mọi vật trên trái đất giống như điều kiện hiện nay trên Sao Hoả Mặt khác, các chất khí có tính acide như SO2, NO2, bị ôxy hoá thành acide sulfuric, acide nitric hoà tan trong mưa, trong tuyết, trong sương mù… làm huỷ hoại thảm thực vật trên mặt đất và gây ăn mòn các công trình kim loại (mưa acide)

1.4 Các tiêu chuẩn của Việt Nam và thế giới về nồng độ cho phép của các chất ô nhiễm trong khí xả

1.4.1 Tiêu chuẩn của thế giới

1 Đối với các chất ô nhiễm thể khí

a Mĩ

Bảng 1.4 giới thiệu sự thay đổi về giới hạn nồng độ cho phép của các chất ô

nhiễm trong khí xả ôtô ở Mĩ theo thời gian đối với ôtô du lịch Giới hạn này được

áp dụng ở hầu hết các bang, trừ bang California và Newyork (những bang có yêu

cầu khắt khe hơn) và đo theo quy trình FTP 75 Các bảng này cho thấy mức độ khắt khe của tiêu chuẩn tăng dần theo thời gian: nồng độ cho phép của CO từ 84 g/dặm năm 1960 giảm xuống còn 3,4 g/dặm hiện nay (giảm khoảng 25 lần); nồng

độ HC cũng trong thời gian đó giảm từ 10,6 g/dặm xuống còn 0,25 g/dặm (giảm khoảng 40 lần); mức độ giảm NOx có thấp hơn, từ 4,1 xuống 0,4 (giảm 10 lần)

Bảng 1.4 Tiêu chuẩn của Mĩ đối với ôtô du lịch (tính theo g/dặm, quy trình FTP75)

Bảng 1.6 Tiêu chuẩn khí thải của công đồng Châu Âu từ năm 1991 đến nay

Loại xe Tiêu chuẩn Giới hạn

c Nhật Bản

- Đối với ôtô du lịch sử dụng động cơ xăng

Tiêu chuẩn Nhật Bản theo chu trình thử 10 chế độ và 11 chế độ ứng với các loại ôtô khác nhau trình bày trên các bảng 1.7, 1.8, 1.9

Bảng 1.7 Tiêu chuẩn Nhật Bản đối với ôtô du lịch sử dụng động xăng

d Các nước khác

Các nước đang phát triển sử dụng quy trình thử của các nước phát triển và

ấn định mức độ phát sinh gây ô nhiễm cho phép phù hợp với điều kiện của nước mình Quy trình thử và giới hạn cho phép về nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ ở một số nước đối với ôtô có tải trọng nhỏ hơn 2,7 tấn áp dụng ở một

số nước được giới thiệu trong bảng 1.10 các nước đang phát triển sử dụng các chu

trình của Mĩ, Châu Âu và Nhật Bản Tính khắt khe về giới hạn nồng độ các chất ô nhiễm tăng dần theo thời gian

Bảng 1.10 Quy trình thử và giới hạn ô nhiễm ở một số nước đang phát triển

15,53 2,11 2,11

1,24 0,25 0,15

1,92 0,62 0,25

24,20 22,00 9,30

2,10 1,91 0,93

1,90 1,73 1,90

Đài Loan 1987 1988

1989

ECE ECE FTP 75

14,31 14,31 2,11

4,96 (HC+NOx) 4,96 (HC+NOx) 0,25 0,25 Singapo

26

18

8 2,11

3,8 2,8 2,1 0,25

3,0 2,5 1,5 0,62

21,9 18,52 6,96 2,11

1,99 1,79 0,70 0,25

2,29 1,99 1,39 0,62 Brazil 1988 1992 FTP 75 FTP 75 24 12 2,10 1,20 2,00 1,40

(1) Ôtô có động cơ V<800 cm 3 , (2) Ôtô < 2,5 tấn, có động cơ V > 800 cm 3

2 Các quy định về nồng độ bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel

Các quy định về nồng độ cho phép của các chất ô nhiễm dạng khí trong khí xả động cơ được áp dụng rất sớm so với các quy định về nồng độ bồ hóng Tiêu chuẩn liên bang Hoa Kì quy định, theo chu trình đo 2.8, độ mờ không vượt quá 20% khi gia tốc, 15% khi phanh và 50% ở một điểm bất kì của chu trình Theo tiêu

chuẩn Cộng đồng Châu Âu ở chế độ ổn định đầy tải, giới hạn của hệ số hấp thụ quang học theo lưu lượng của dòng khí xả cho ở bảng 1.11

Tiêu chuẩn độ khói trong khí xả động cơ Diesel được đo theo các đơn vị khác nhau phụ thuộc từng nước: hệ số hấp thụ quang học k (Cộng đồng Châu Âu,

úc, Brazil), độ mờ (Mĩ, Hàn Quốc), chỉ số Bosch (Nhật Bản, Thụy Điển) Bảng

1.12 giới thiệu tiêu chuẩn độ khói của một số nước

Bảng 1.11 Giới hạn hệ số hấp thụ quang học theo lưu lượng khí xả của động cơ

Diesel làm việc ở chế độ ổn định đầy tải (tiêu chuẩn EU)

Bảng 1.12 Tiêu chuẩn độ khói của động cơ Diesel áp dụng ở một số nước

đầy tải

Độ mờ 50%

Độ mờ 50%

4 đ.v.Bosch

1.4.2 Tiêu chuẩn của Việt Nam

Năm 1990, chính phủ Việt Nam đã ban hành tiêu chuẩn (TCVN 5123- 90) quy định về hàm lượng CO trong khí xả động cơ xăng ở chế độ không tải Theo tiêu chuẩn này được áp dụng cho tất cả ôtô chạy xăng có khối lượng lớn hơn 400

kg Hàm lượng CO được đo trực tiếp trong khí xả, cách miệng xả 300mm, ở hai chế độ tốc độ: nmin và 0,6ndm (ndm là tốc độ định mức) Hàm lượng CO không được vượt quá 3,5% ở chế độ nmin và 2,0% ở chế độ 0,6ndm

Năm 1991, chính phủ Việt Nam ban hành tiêu chuẩn (TCVN 5418-91) quy

định về độ khói trong khí xả động cơ Diesel Tiêu chuẩn này được áp dụng cho tất cả các loại ôtô dùng động cơ Diesel Độ khói của khí xả đo ở chế độ gia tốc tự do không được vượt quá 40% HSU (động cơ không tăng áp) và 50% HSU (động cơ tăng áp)

Năm 1998, Chính Phủ Việt Nam ban hành tiêu chuẩn (TCVN 6438-98) quy

định lại cụ thể hơn giá trị cho phép của các chất ô nhiễm trong khí xả của phương tiện vận tải (Bảng 1.13)

Bảng 1.13 Giới hạn tối đa cho phép của thành phần ô nhiễm trong khí thải của

đông cơ

xăng

Phương tiện

động cơ Diesel MứcI MứcII Mức III Mức I Mức II Mức I Mức II

HC (ppm thể tích)

- Động cơ 4 kì - 1500 1200 - - 1200 - -

- Động cơ 2 kì - 7800 7800 - - 7800 - - -Động cơ khác biệt - 3300 3300 - - 3300 - -

Độ khói

Năm 2005, chính phủ Việt Nam ban hành tiêu chuẩn (TCVN 6439: 2005) thay đổi lại giá trị các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ phương tiện vận tải Giá trị này được cho trong bảng 1.14

Bảng 1.14 Giá trị lớn nhất cho phép của các chất gây ô nhiễm trong khí xả

Theo quyết định 249/2005/QĐ- TTg của chính phủ thì từ ngày 1/7/2007 các

ôtô ở 5 thành phố lớn là Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Đà Nẵng, Cần Thơ bắt buộc phải thực hiện tiêu chuẩn Euro II, còn các địa phương khác thực hiện sau một năm, tức là từ ngày 1/7/2008

1.5 Quy trình thử của một số nước

1.5.1 Quy trình thử của Mĩ

Hình 1.2 là quy trình thử FTP 75 của

Mĩ Quy trình này gồm 3 giai đoạn Giai đoạn

một kéo dài trong 505s, tương ứng với quãng

đường là 5,78km với tốc độ trung bình là

41,2km/h Giai đoạn hai kéo dài trong 867s

và được bắt đầu sau khi tạm dừng hoàn toàn

động cơ trong 10 phút Khi bắt đầu thử, động

cơ được khởi động ở trạng thái nguội sau một

đêm để ở nhiệt độ môi trường 20oC Giai

đoạn 3 được khởi động lại sau khi đã dừng

động cơ 10 phút từ lúc kết thúc giai đoạn 2

Quãng đường tương ứng tổng cộng là 17,86km với tốc độ trung bình 34,1km/h Lượng khí ô nhiễm được đo riêng từng giai đoạn và kết quả chung được tính bằng g/km với cả 2 Quãng đường tương ứng tổng cộng là 17,86km với tốc độ trung bình 34,1km/h Lượng khí ô nhiễm được đo riêng từng giai đoạn và kết quả chung được tính bằng g/km với các hệ số điều chỉnh 0,43 đối với giai đoạn đầu, 1

đối với giai đoạn 2 và 0,57 với giai đoạn 3

1.5.2 Quy trình thử của Nhật Bản

1 Quy trình thử 10 chế độ

Quy trình thử 10 chế độ ứng với điều kiện giao thông trong thành phố Thời gian của mỗi công đoạn thử là 135s, ứng với quãng đường 0,664 km với tốc độ trung bình 17,7km/h (hình 1.3) Quy trình thử được lập lại với 6 công đoạn như

nhau Nồng độ ô nhiễm được biểu diễn theo g/km

Hình 1.2 Quy trình thử FTP 75c

135s

Hình 1.3: Quy trình thử 10 chế độ Hình 1.4: Quy trình thử 11 chế độ

2 Quy trình thử 11 chế độ

Quy trình này thể hiện chế độ giao thông trên xa lộ Động cơ được khởi động nguội ở nhiệt độ khoảng từ 20oC đến 30oC và chạy không tải trong 25s, sau đó tiến hành thử trong 120s tương ứng với quãng đường 1,021 km với tốc độ trung bình 30,6km/h (hình 1.4) Mức độ phát sinh ô nhiễm của ôtô được tính theo g/lần thử

3 Quy trình thử 10- 15 chế độ

Hình 1.5 Quy trình thử 10-15 chế độ của Nhật

Quy trình thử 10-15 chế độ ứng với điều kiện giao thông ở các vùng ngoại ô Nhật Bản Quy định này sử dụng 3 công đoạn của quy trình thử 10 chế độ trên đây

và kéo dài thêm một đoạn có tốc độ cực đại 70km/h (hình 1.5) quãng đường thử

tương ứng dài 4,16km trong thời gian 660s với tốc độ trung bình 22,7km/h Quy trình này áp dụng cho ôtô du lịch xuất xưởng sau tháng 11 năm 1991 Đến tháng 10 năm 1993 nó được áp dụng thêm cho xe tải dưới 2,5 tấn

1.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ

ôtô

1.6.1 Trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức

1 Động cơ 2 kỳ

Mặc dù có nhiều cải tiến về kết cấu nhằm hạn chế sự hoà trộn giữa khí cháy

và khí chưa cháy, đặc biệt đối với động cơ sử dụng bộ chế hoà khí, nhưng vẫn không tránh khỏi sự thất thoát một phần khí mới làm tăng sự phát sinh HC và làm giảm tính năng kinh tế kĩ thuật của động cơ 2 kì Thêm vào đó, khi làm việc ở tải cục bộ, dạng động cơ này dễ bỏ lửa làm tăng HC

Một trong các giải pháp làm giảm tổn thất nhiên liệu trong quá trình quét khí

là làm thay đổi sự phân bố độ đậm đặc của hỗn hợp nhiên liệu không khí trong xi lanh sao cho chỉ có hỗn hợp nghèo mới thoát ra đường thải Một giải pháp khác có hiệu quả hơn là phun nhiên liệu vào buồng cháy khi cửa thải đã đóng Tuy nhiên với giải pháp này người ta phải dùng một bơm do động cơ dẫn động, do đó làm

giảm đi một ít công suất có ích của động cơ Mặt khác so với động cơ 4 kì, thời gian cuối quá trình nén (sau khi đóng cửa nạp và cửa thải) rất ngắn đòi hỏi phun nhiên liệu với tốc độ lớn, do vậy một bộ phận nhiên liệu bám lên thành buồng cháy làm tăng nồng độ HC trong khí xả Một giải pháp tiết kiệm hơn là phun nhiên liệu bằng không khí ở áp suất cao trích ra trong giai đoạn nén Để tránh hiện tượng nhiên liệu bám trên thành, người ta dùng một vòi phun trực tiếp trước một hỗn hợp rất đậm với tốc độ tương đối thấp

Kĩ thuật quét khí cháy bằng không khí cho phép hạn chế tối đa sự phát thải

HC trong khí xả Kĩ thuật này cho phép giảm được từ 80% đến 90% nồng độ HC so với giá trị thông thường đối với động cơ 2 kì cổ điển Nồng độ NOx trong khí xả của động cơ 2 kì hiện đại cao hơn một chút so với động cơ 2 kì cổ điển do hiệu suất cháy cao hơn và làm việc với hỗn hợp nghèo hơn

2 Động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo

Động cơ đánh lửa cưỡng bức làm việc với hỗn hợp nghèo đã được nghiên cứu

từ lâu nhằm giảm suất tiêu hao nhiên liệu dẫn đến giảm nồng độ CO2, chất ô nhiễm

được quan tâm nhiều trong những năm gần đây vì nó là chất gây hiệu ứng nhà kính

Khi động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo (hệ số dư lượng không khí α>1,25), nồng độ các chất ô nhiễm chính (CO, HC, NOx) đều giảm Khi hệ số dư lượng không khí thay đổi từ α = 1,0 đến α = 1,4 suất tiêu hao nhiên liệu giảm đi 7%, nồng

độ NOx có thể giảm đến 85% so với động cơ làm việc với hỗn hợp α = 1 nếu kết hợp với việc giảm một cách hợp lí góc đánh lửa sớm Tuy nhiên ưu điểm này chỉ có

được trong điều kiện hỗn hợp gần nến đánh lửa có thể bốc cháy và sự lan tràn màng lửa diễn ra một cách bình thường Điều này đòi hỏi việc tổ chức tốt quá trình cháy cũng như phân bố hợp lí độ đậm đặc hỗn hợp trong buồng cháy

Khi gia tăng hệ số dư lượng không khí hay làm bẩn hỗn hợp bằng khí xả hồi lưu vượt quá một giới hạn cho phép sẽ dẫn đến:

- Giảm tốc độ cháy, điểm cực đại của áp suất sẽ lệch về phía giai đoạn giãn nở

dù đánh lửa sớm hơn

- Mô men phát ra không đều dẫn tới sự làm việc không ổn định

- Thường xuyên bỏ lửa

- Gia tăng mức độ phát sinh HC

- Gia tăng tiêu hao nhiên liệu do tốc độ cháy giảm

Những giải pháp cho phép động cơ hoạt động gần giới hạn nghèo của hỗn hợp có thể chia làm ba loại:

- Các giải pháp tác động trước khi hỗn hợp vào xilanh: chuẩn bị và định lượng hỗn hợp nhiên liệu (chế hoà khí hay phun), hệ thống điều chỉnh hỗn hợp, thiết

Hệ thống Honda CVCC dùng một buồng cháy nhỏ có xupáp nạp riêng (hình 1.6) Hỗn hợp giàu được nạp vào buồng cháy phụ còn hỗn hợp rất nghèo được nạp

vào buồng cháy chính qua xupáp nạp thông thường Hỗn hợp giàu trong buồng cháy phụ được đốt cháy bằng tia lửa điện Sản phẩm cháy có nhiệt độ cao thoát ra khỏi buồng cháy phụ và tiếp tục đốt cháy hỗn hợp nghèo trong buồng cháy chính

Hệ thống này làm giảm nhiệt độ cực đại của quá trình cháy, do đó giảm NOx, nhưng vẫn đủ cao để oxy hoá HC Mặt khác, do độ đậm đặc của hỗn hợp thấp nên nồng độ CO trong khí xả cũng giảm động cơ làm việc với hệ số này có suất tiêu hao nhiên liệu riêng rất thấp, nhưng công suất lít của xilanh cũng giảm Do đó, từ năm 1986 nó không còn được nghiên cứu nữa và thay vào đó, người ta nghiên cứu một hệ thống tương tự trong đó bộ chế hoà khí được thay thế bằng hệ thống phun

ở hệ thống mới này, vòi phun nhiên liệu có áp suất 3,5 MPa tạo nên vùng hỗn hợp giàu gần nến đánh lửa trong buồng cháy phụ có kích thước bé Hệ thống này làm giảm NOx nhưng làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu

Hình 1.6: Sơ đồ động cơ hỗn hợp phân lớp sử dụng buồng cháy phụ

Hệ thống Ford PROCO thực hiện sự phân lớp hỗn hợp bằng cách phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng cháy (hình 1.7) Hệ thống này không có buồng cháy phụ

nhưng sử dụng một buồng cháy khoét lõm trên đỉnh piston Người ta sử dụng một tia phun có góc phun rất rộng với hỗn hợp giàu được phun vào giữa xilanh bởi một vòi phun có độ xuyên thấu bé Hỗn hợp này được đốt nhờ tia lửa điện và lan đến hỗn hợp xung quanh nghèo hơn ngay khi piston đi xuống nhờ cường độ xoáy lốc mạnh

Hình 1.7: Sơ đồ động cơ tạo hỗn hợp phân lớp phun trực tiếp PROCO

3 ảnh hưởng của các chế độ vận hành động cơ xăng

a Cắt nhiên liệu khi giảm tốc

để hạn chế nồng độ HC trong giai đoạn động cơ đóng vai trò phanh ôtô (khi giảm tốc nhưng vẫn cài li hợp), biện pháp tốt nhất là ngưng cung cấp nhiên liệu Tuy nhiên, động tác này có thể dẫn tới điều bất lợi là làm xuất hiện hai điểm cực

đại HC: điểm cực đại HC ở thời điểm cắt nhiên liệu và điểm cực đại thứ hai là thời

điểm khi cấp nhiên liệu trở lại

Đối với động cơ dùng bộ chế hoà khí, để tránh giai đoạn quá độ khi động cơ phát lực trở lại, người ta sử dụng một hệ thống cho phép cung cấp thêm nhiên liệu

dự trữ Nhiên liệu này được tích trữ trong hệ thống bù trừ ở giai đoạn giảm tốc Sự cung cấp nhiên liệu bổ sung này cho phép duy trì được độ đậm đặc của hỗn hợp một cách hợp lí ở thời điểm mở đột ngột bướm ga trở lại

Đối với động cơ phun nhiên liệu, người ta sử dụng một hệ thống cho phép

điều chỉnh lượng nhiên liệu phun vào đường nạp theo lưu lượng không khí Khi giảm tốc, bướm ga đóng lại, một van giảm tốc mở ra để cung cấp không khí cho

động cơ và người ta sử dụng lượng không khí này để điều khiển lượng nhiên liệu Trong trường hợp đó, động cơ hút một thể tích khí lớn hơn trong trường hợp động cơ dùng chế hoà khí Hai điểm cực đại của HC cũng xuất hiện giống như trong trường hợp động cơ dùng bộ chế hoà khí

b Dừng động cơ ở đèn đỏ

Chế độ dừng động cơ hợp lí khi ôtô chạy trong thành phố có thể làm giảm

đồng thời mức độ phát sinh ô nhiễm và suất tiêu hao nhiên liệu Thực nghiệm cho thấy khi thời gian dừng ôtô vượt quá một giá trị cực đoan thì nên tắt động cơ Nếu không xét đến suất tiêu hao nhiên liệu thì việc tắt động cơ không đem lại lợi ích gì

về mặt ô nhiễm trong trường hợp động cơ có bộ xúc tác trên đường xả Trung bình thời gian dừng cực đoan là 50s Khi vượt quá thời gian này nên tắt động cơ nếu

động tác này không làm giảm tuổi thọ của máy khởi động và bình điện

1.6.2 Trường hợp động cơ Diesel

Kĩ thuật tổ chức quá trình cháy động cơ Diesel ảnh hưởng trực tiếp đến mức

độ phát sinh ô nhiễm Động cơ Diesel phun trực tiếp, có suất tiêu hao nhiên liệu riêng thấp hơn động cơ có buồng cháy ngăn cách 10% và mức độ phát sinh bồ hóng cũng thấp hơn khi động cơ làm việc ở chế độ tải cục bộ Tuy nhiên, động cơ phun trực tiếp làm việc ồn hơn và phát sinh nhiều chất ô nhiễm khác (NOx, HC) Vì vậy, ngày nay dạng buồng cháy này chỉ dùng đối với ôtô hạng nặng Việc hạn chế mức độ phát sinh ô nhiễm tối ưu đối với động cơ Diesel cần phải cân đối giữa nồng

độ 2 chất ô nhiễm chính lá NOx và bồ hóng

1 ảnh hưởng của góc phun sớm và tối ưu hoá hệ thống phun

ảnh hưởng của chất lượng hệ thống phun đối với động cơ phun trực tiếp lớn hơn đối với động cơ phun gián tiếp về phương diện phát sinh ô nhiễm Trong cả hai trường hợp, sự thay đổi góc phun sớm có ảnh hưởng ngược nhau đối với sự phát sinh NOx, HC và bồ hóng (hình 1.8)

Tăng góc phun sớm làm tăng áp suất cực đại và nhiệt độ quá trình cháy, do

đó làm tăng nồng độ NO Thông thường, động cơ phun trực tiếp có góc phun sớm lớn hơn nên phát sinh NO nhiều hơn động cơ có buồng cháy ngăn cách

Giảm góc phun sớm Hình 1.8 ảnh hưởng của góc phun sớm đến mức độ phát sinh ô nhiễm

Giảm góc phun sớm là biện pháp hữu hiệu làm giảm nồng độ NOx trong khí xả Tuy nhiên việc giảm góc phun sớm cần phải xem xét đến chế độ tốc độ và chế

độ tải để tránh sự gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu

Hình 1.9 ảnh hưởng của góc phun sớm đến mức độ phát sinh HC và NO x

(Động cơ buồng cháy dự bị, chu trình FTP 75)

Mặt khác, khi tăng góc phun sớm, do quá trình cháy trễ kéo dài, lượng nhiên liệu hoà trộn trước với hệ số dư lượng không khí lớn gia tăng Hỗn hợp này khó bén lửa do đó chúng thường cháy không hoàn toàn và phát sinh nhiều CO Về mặt lí thuyết, tăng góc phun sớm có thể làm giảm HC do quá trình cháy có thể diễn ra

thuận lợi hơn (hình 1.9), nhưng trên thực tế nó có tác dụng ngược lại Do thời gian

bén lửa kéo dài, nhiên liệu phun ra có thể bám trên thành buồng cháy, đó là nguồn phát sinh HC

Đối với động cơ phun trực tiếp, sự giảm góc phun sớm làm tăng độ khói và cũng làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu nhưng làm giảm nồng độ NOx và thành phần SOF Đối với động cơ Diesel cỡ lớn, giảm góc phun sớm có thể giảm đi 50% nồng

độ NO trong khí xả Đối với động cơ có buồng cháy ngăn cách, giảm góc phun sớm làm tăng nồng độ HC nhưng làm giảm độ NO và bồ hóng, đặc biệt là đầy tải Khi góc phun sớm thay đổi từ 8 ữ 23 độ (góc quay trục khuỷu) trước ĐCT, lượng

bồ hóng tăng gấp đôi theo chu trình thử FTP75, đối với động cơ buồng cháy ngăn cách có góc đánh lửa sớm bình thường 15 độ trước ĐCT

Sự thay đổi góc phun sớm phù hợp theo tốc độ và tải cho phép chọn được vị trí điều chỉnh tối ưu hài hoà giữa nồng độ các chất ô nhiễm và hiệu suất động cơ

Đối với động cơ có buồng cháy dự bị, sự điều khiển góc phun sớm tối ưu bằng hệ thống điện tử theo chế độ tốc độ và chế độ tải cho phép giảm 15% nồng độ NOx và 25% nồng độ bồ hóng theo chu trình thử FTP75 trong phạm vi gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu không đáng kể

Tốc độ tăng cao (nhờ áp suất phun) có ảnh hưởng đến quá trình phát sinh ô nhiễm của động cơ phun trực tiếp Khi được tăng tốc độ hoà trộn nhiên liệu và không khí, lượng nhiên liệu cháy ở điều kiện hoà trộn trước gia tăng, do đó nồng độ

NOx tăng nhưng lượng bồ hóng giảm Tuy nhiên, sự tăng áp suất phun (hơn 100MPa) làm tăng lượng hạt rắn do tăng lượng phát sinh SOF Sử dụng vòi phun có nhiều lỗ phun đường kính bé làm tăng chất lượng hoà trộn không khí và nhiên liệu

do kích thước hạt nhiên liệu giảm, hỗn hợp bốc cháy dễ dàng hơn, bù trừ được sự phun trễ do đó làm giảm NOx Với cùng lượng phát thải cho trước, sự gia tăng số lượng lỗ phun làm giảm nồng độ bồ hóng

Đối với động cơ phun trực tiếp, áp suất phun tối ưu thay đổi từ 75 ữ 100MPa tuỳ theo chế độ động cơ Vượt quá áp suất này, với cùng lượng phát sinh NOx, lượng hạt rắn phát sinh giảm nhưng suất tiêu hao nhiên liệu và độ ồn của quá trình cháy gia tăng do sự tăng đột ngột của áp suất Điều này có thể khắc phục được bằng cách dùng một tia phun mồi

Quy luật phun cũng ảnh hưởng quan trọng đến quá trình phát sinh các chất ô nhiễm Thời gian phun rất ngắn, áp suất phun cao cho phép gia tốc quá trình cung cấp nhiên liệu dẫn đến giảm lượng HC không cháy hết Các tiến bộ mới đây về kĩ thuật phun nhằm giảm mức độ phát sinh ô nhiễm bao gồm quy luật phun hai giai

đoạn, quy luật phun “hình chữ nhật” (phun đều đặn nhiên liệu và cắt nhanh khi kết

thúc phun) để tránh hiện tượng phun rớt Phun rớt là nguyên nhân làm tăng hydrocacbure chưa cháy và hạt rắn trong khí xả động cơ

Đối với động cơ có buồng cháy ngăn cách, sự khống chế lưu lượng nhiên liệu kèm theo việc giảm góc phun sớm có thể làm giảm 30% lượng NOx trong khí thải nhưng làm tăng lượng HC lên 100%, CO lên 70% và bồ hóng lên 150% Để có thể đảm bảo quy luật phun phù hợp ở mọi chế độ làm việc của động cơ cả về phương diện phát ô nhiễm lẫn tính năng kinh tế kĩ thuật, trên động cơ thế hệ mới hiện nay người ta sử dụng cảm biến λ lắp trên đường xả Kết hợp thông số cho bởi cảm biến này với cảm biến áp suất, nhiệt độ khí nạp và tốc độ động cơ người ta có thể điều khiển chính xác thời điểm phun và lượng nhiên liệu cấp cho mỗi chu trình Giải pháp này đặc biệt có lợi với động cơ Diesel lắp trên ôtô nhằm giảm độ khói khi gia tốc

2 ảnh hưởng của dạng hình học buồng cháy

Dạng buồng cháy hợp lí cho phép tránh được lớp nhiên liệu bám trên thành

do đó giảm được nồng độ HC trong khí xả Đối với động cơ phun trực tiếp, biện pháp có hiệu quả nhất để làm giảm nồng độ bồ hóng là gia tăng cường độ rối và kết hợp với việc sử dụng vòi phun nhiều lỗ Buồng cháy tốt cần thoả mãn các điều kiện sau đây:

− Hành trình tự do của tia nhiên liệu trong buồng cháy lớn

− Bề mặt buồng cháy trên piston đủ lớn để tránh sự giao thoa của các tia phun

− Cường độ rối cao trong vùng phân bố tia nhiên liệu

− Tiếp tục duy trì được vận động rối của dòng khí trong buồng cháy sau điểm chết trên

Việc gia tăng áp suất trong buồng cháy đơn thuần có khuynh hướng thuận lợi cho sự hình thành bồ hóng Tuy nhiên, sự gia tăng áp suấp cực đại sẽ làm tăng đồng thời nhiệt độ khí cháy cho phép gia tăng tốc độ oxy hoá bồ hóng nên lượng bồ hóng trong khí xả không tăng Sự gia tăng áp suất làm tăng độ ồn và phát sinh NOx Đối với động cơ phun trực tiếp, tỉ lệ nén cao cho phép khởi động dễ dàng ở nhiệt độ thấp Sự gia tăng tỉ số nén vừa phải đồng thời cũng làm giảm HC và thành phần SOF của hạt rắn Khi tỉ số nén tăng quá cao, động cơ sẽ phát sinh nhiều bồ hóng ở chế độ đầy tải Vì vậy ở động cơ có tỉ số nén lớn, cần phải thiết kế dạng buồng cháy tối ưu cho phép tăng cường sự dịch chuyển của dòng không khí thuận lợi cho việc đốt cháy bồ hóng

Đối với động cơ có buồng cháy ngăn cách, sự gia tăng tỉ lệ giữa thể tích buồng cháy phụ và buồng cháy chính cho phép giảm sự hình thành bồ hóng nhờ tăng cường thêm không khí cho buồng cháy phụ Tiết diện đường thông giữa hai buồng cháy khống chế cường độ rối sinh ra ở thời điểm dịch chuyển lượng khí cháy

từ buồng cháy phụ sang buồng cháy chính Giảm nhỏ tiết diện này sẽ làm giảm nồng đồ bồ hóng ở chế độ đầy tải nhưng làm tăng lượng bồ hóng ở chế độ tải cục

bộ Trong thiết kế, tiết diện tối ưu của đường này được chọn ở chế độ đầy tải

3 ảnh hưởng của vận động rối trong buồng cháy

Sự phát sinh trong quá trình nạp có ảnh hưởng trái ngược nhau giữa sự phát sinh NOx, tiếng ồn, HC và bồ hóng Để làm giảm mức độ ảnh hưởng của giai đoạn hỗn hợp đậm đặc đến sự phát sinh bồ hóng trong xilanh, cần tăng hiệu quả của việc hoà trộn nhiên liệu - không khí ngay từ lúc bắt đầu giai đoạn cháy trễ (tăng cường xoáy lốc) Nhưng điều này gây nhược điểm là làm tăng áp suất cực đại trong buồng cháy cùng với sự tăng tiếng ồn và mức độ phát sinh NOx

Hướng tia phun trong buồng cháy dự bị cho phép điều chỉnh tốc độ hoà trộn nhiên liêu - không khí, do đó cải thiện sự phát sinh bồ hóng Hướng tia phun cũng

ảnh hưởng đến lượng nhiên liệu bám trên thành và đó là nguồn phát sinh HC Vị trí của vòi phun trong buồng cháy phụ cũng ảnh hưởng đến sự hình thành NOx

4 ảnh hưỏng của chế độ làm việc của động cơ và chế độ quá độ

Khi giảm tốc độ động cơ từ 680 ữ 750 v/phút, nồng độ các chất ô nhiễm đều giảm khi đo theo chu trình FTP75: HC (-14%), NO (-3%), CO (-2%) và bồ hóng (-5%) Trong thử nghiệm động cơ theo chu trình tiêu chuẩn cũng như trong thực tế,

sự thay đổi chế độ tốc độ là yếu tố làm gia tăng sự ô nhiễm Nồng độ bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel gia tăng rất mạnh khi gia tốc vì độ đậm đặc trung bình của hỗn hợp gia tăng Lượng gia tăng này càng lớn khi thời gian gia tốc càng dài Để giảm thời gian gia tốc, cần phải tối ưu hoá việc thiết kế động cơ để có thể:

- Giảm mômen quán tính các bộ phận chuyển động quay

- Giảm thể tích các bộ phận nạp thải

- Giảm nhiệt dung riêng của hệ thống làm mát

- Gia tăng công suất dự trữ

5 ảnh hưởng của chỉ số cetane của nhiên liệu

Lượng bồ hóng giảm khi thời gian cháy trễ kéo dài, nghĩa là khi dùng nhiên liệu có chỉ số cetane thấp Tuy nhiên, việc sử dụng nhiên liệu có chỉ số cetane thấp

có thể dẫn đến những nhược điểm quan trọng: gia tăng độ ồn nếu quá trình cháy

bắt đầu quá muộn, gia tăng lượng nhiên liệu bám trên thành xilanh và buồng cháy làm tăng mức độ phát sinh HC và bồ hóng

6 ảnh hưởng của nhiệt độ khí

Giảm nhiệt độ khí nạp sẽ làm giảm nhiệt độ cực đại của quá trình cháy và do

đó nồng độ NOx cũng giảm Vì vậy, ở động cơ tăng áp người ta có khuynh hướng làm mát khí sau máy nén để đảm bảo nhiệt độ khí nạp không vượt quá 50oC Nhưng sự làm mát khí có thể kéo dài thời kì cháy trễ làm tăng mức độ phát sinh ô nhiễm như đã nêu (những giọt nhiên liệu bám vào thành xilanh làm tăng thành phần HC và bồ hóng trong khí xả) Khi khởi động động cơ ở trạng thái nguội, sự sấy buồng cháy hay sấy khí nạp là rất cần thiết để làm giảm mức độ phát sinh HC

và khói trắng Việc sấy nóng khí nạp có thể thực hiện nhờ bugi sấy hay bằng cách

đốt trước một ít nhiên liệu trong khí nạp

Nhiệt độ của khí đường thải cũng ảnh hưởng đến sự phát sinh ô nhiễm, nhất

là đối với thành phần HC Khi ở chế độ tải thấp, HC ngưng tụ trên đường thải rồi bốc hơi lại khi tăng tải làm tăng nồng độ HC Đường thải bằng vật liệu gốm cho phép tái oxy hoá bồ hóng và HC nhưng làm tăng NOx Động cơ Diesel phun trực tiếp có buồng cháy bằng vật liệu gốm, không làm mát cho phép làm giảm nồng độ các chất ô nhiễm ở chế độ tải thấp Nhưng khi tải cao, nồng độ NOx và bồ hóng đều tăng dù nhiệt độ thành buồng cháy cao cho phép tái đốt cháy bồ hóng ở cuối chu trình

7 ảnh hưởng của tăng áp

Monoxyde carbon hình thành do quá trình cháy thiếu không khí, đặc biệt ở tải cao Do đó tăng áp là biện pháp hữu hiệu làm giảm CO Lượng không khí thừa

do tăng áp đồng thời cũng cho phép tái đốt cháy bồ hóng, bù từ lượng tăng bồ hóng

do khí xả hồi lưu mang vào buồng cháy Hệ thống hồi lưu khí xả trong trường hợp

động cơ tăng áp có thể làm giảm 50% lượng NOx mà không làm tăng bồ hóng

8 ảnh hưởng của hệ thống hồi lưu khí xả

Mặc dù tỉ lệ khí hồi lưu lớn gây tác hại xấu đối với động cơ (tăng mài mòn) nhưng nó lại có tác dụng đáng kể trong việc làm giảm NOx do giảm nhiệt độ cháy

Đối với động cơ phun trực tiếp làm việc với nhiệt độ khí nạp từ 40 – 60oC (làm việc

ở các hầm mỏ), hệ thống hồi lưu khí xả có thể làm giảm 30% và 50% nồng độ NOxtheo thứ tự Nếu làm ẩm thêm không khí nạp, cùng điều kiện làm việc như trên mức

độ giảm NOx có thể đạt đến 50% và 85% theo thứ tự Tuy nhiên, hồi lưu khí xả có tác động xấu đối với các chất ô nhiễm khác: làm tăng nồng độ CO và bồ hóng ngay cả khi thêm hơi nước Phun hơi nước cho phép hạn chế phản ứng cracking tạo bồ hóng nhờ giảm nhiệt độ cháy Đối với động cơ buồng cháy ngăn cách, nồng độ bồ

hóng gia tăng trước hết chậm, sau đó tăng nhanh theo lượng nước phun vào buồng cháy phụ; biến thiên của nồng độ CO và HC cũng tương tự Hơi nước chỉ có tác dụng làm giảm NO Sự điều chỉnh tỉ lệ khí xả hồi lưu cần được căn cứ theo tải và theo tốc độ Hệ thống điện tử cho phép điều chỉnh van hồi lưu khí xả theo các

đường đặc tính chọn trước: cắt lượng khí xả hồi lưu khi động cơ nguội, sau đó lượng khí xả hồi lưu tăng dần phụ thuộc vào nhiệt độ nước làm mát, áp suất môi trường, lượng nhiên liệu cung cấp Mặt khác, hệ thống cũng cắt lượng khí hồi lưu ở chế độ gia tốc lớn để hạn chế nồng độ bồ hóng Hồi lưu khí xả tối ưu cho phép giảm được 40% NOx mà không làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu cũng như không làm tăng CO và bồ hóng Kết hợp với tăng áp, hệ thống hồi lưu khí xả cho phép làm giảm đồng thời NOx, HC và bồ hóng

1.6.3 ảnh hưởng của nhiên liệu đến mức độ phát ô nhiễm động cơ

Nhiên liệu cũng gây ảnh hưởng đến sự phát ô nhiễm, chủ yếu là do tỉ số không khí - nhiên liệu có thể bị thay đổi do sự thay đổi các đặc trưng lí hoá của chúng không phải lúc nào cũng được bù lại bởi sự điều chỉnh các thông số của

động cơ Như chúng ta đã biết, độ đậm đặc của hỗn hợp ảnh hưởng lớn đến mức độ phát sinh ô nhiễm; NOx đạt cực đại trong môi trường hơi nghèo; CO và HC đạt cực tiểu trong môi trường nghèo; sự xuất hiện bồ hóng diễn ra trong môi trường giàu (λ< 0,6), điều kiện này diễn ra xung quanh hạt nhiên liệu trong buồng cháy động cơ Diesel

1 Nhiên liệu động cơ xăng

a ảnh hưởng của khối lượng riêng nhiên liệu

Khối lượng riêng nhiên liệu có quan hệ chặt chẽ với thành phần các hydrocarbure tạo thành hỗn hợp nhiên liệu hay super, đặc biệt là tỉ lệ nguyên tử tổng quát carbon/hydrogene

Sự gia tăng khối lượng riêng của nhiên liệu có khuynh hướng làm nghèo hỗn hợp đối với động cơ dùng bộ chế hào khí và ngược lại, làm giàu hỗn hợp đối với

động cơ phun xăng Tuy nhiên, do phạm vi thay đổi khối lượng riêng nhiên liệu rất

bé (từ 2,5 đến 4%), ảnh hưởng của nó đến mức độ phát ô nhiễm của động cơ đã

điều chỉnh sẵn với một nhiên liệu cho trước không đáng kể

b ảnh hưởng của tỉ lệ hidrocarbure thơm

Các hidrocarbure thơm có chỉ số octane nghiên cứu RON>100 và chỉ số octane động cơ MON thường lớn hơn 90 Do đó thêm thành phần hydrocarbure thơm vào nhiên liệu là một biện pháp làm tăng tính chống kích nổ của nhiên liệu hiện đại

Hiện nay, người ta có khuynh hướng gia tăng hàm lượng các chất hidrocarbure thơm trong nhiên liệu nhằm phổ biến nhiên liệu không chì Theo tiêu chuẩn Cộng Đồng Châu Âu, hàm lượng Benzene trong nhiên liệu phải thấp hơn 5%

c ảnh hưởng của tính bay hơi

Tính bay hơi của nhiên liệu thường được đặc trưng bởi đường cong chưng cất

và áp suất hơi Reid (PVR) đo ở 37,8oC Đó là một đặc tính quan trọng đối với hoạt

động của động cơ, nó ảnh hưởng đến thời gian khởi động động cơ ở trạng thái nguội, tính ưu việt khi gia tốc và tính ổn định khi làm việc ở chế độ không tải và khi chạy nóng

Những thành phần quá nặng (bay hơi ở nhiệt độ lớn hơn 200 ữ 220oC) có ảnh hưởng đến sự phát sinh hydrocarbure chưa cháy, do sự bốc hơi kém dẫn tới sự cháy không hoàn toàn với sự hình thành aldehydes và sự gia tăng HC

Những thành phần nhẹ hơn, cần thiết cho việc khởi động và làm việc ở trạng thái nguội, ảnh hưởng đến sự phát ô nhiễm của khí xả và nhất là ảnh hưởng đến tổn thất do bay hơi Tính chất bay hơi tiêu chuẩn của nhiên liệu phụ thuộc vào điều kiện khí hậu và mùa

e ảnh hưởng của các chất phụ gia

Người ta pha vào nhiên liệu ôtô nhiều chất phụ gia:

- Những chất phụ gia làm tăng trị số octane: Alkyle chì,

methylcyclopenta-dienyl mangan tricarbonyle (MMT), ferrocene,

- Những chất phụ gia chống oxy hoá, ngăn chặn sự hình thành olephine gồm:

phenylene diamin, aminphenol và phenol alkyle

- Những chất phụ gia làm sạch bề mặt đường ống nạp do hơi dầu bôi trơn và

những chất không bị lọc gió giữ lại trên đường nạp

- Màu và các chất phụ gia chống ẩm

Những chất phụ gia chì, dù rằng thành phần clore và brome đảm bảo biến chì thành halogene nhẹ , không đủ để loại trừ hoàn toàn những lớp bám trong buồng cháy Sự hiện diện của các lớp này dường như không gây ảnh hưởng đến nồng độ

CO và NO nhưng làm tăng HC Chì không gây ảnh hưởng đến sự hình thành

aldehyde Những chất phụ gia mangan (MMT) gây ảnh hưởng xấu đến sự phát sinh

HC và aldehyde

Nếu sự phát sinh CO và NOx không bị ảnh hưởng, nồng độ HC tăng tuyến tính theo nồng độ MMT: sự chuyển đổi ở bộ xúc tác không hạn chế hoàn toàn được

sự gia tăng này và bộ xúc tác dần dần bị bao phủ bởi lớp bám Mn3O4

Các chất phụ gia hữu cơ hay hữu cơ - kim loại thêm vào nhiên liệu để tác

động đến các phản ứng cháy dường như không gây ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm, các chất phụ gia chống các lớp bám cũng vậy Tuy nhiên, việc duy trì

độ sạch trên đường nạp cho phép giữ được sự điều chỉnh ban đầu và sự ổn định về mức độ phát sinh CO ở chế độ không tải

2 ảnh hưởng của nhiên liệu Diesel

Khi khảo sát thấy ảnh hưởng của khối lượng riêng, chỉ số cetane, thành phần lưu huỳnh, các chất phụ gia đến mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ Diesel Các chất ô nhiễm quan tâm như động cơ đánh lửa cưỡng bức nhưng phải thêm vào những hạt rắn và chất hữu cơ liên quan (SOF) là những chất ô nhiễm đặc biệt

a ảnh hưởng của khối lượng riêng

Sự gia tăng khối lượng riêng của dầu Diesel dẫn tới sự gia tăng nồng độ hạt rắn Hình 1.10 giới thiệu mức độ phát sinh hạt rắn tính theo g/lít nhiên liệu theo khối lượng riêng ứng với động cơ V8; 10,4 lít chạy 1700 vòng/phút và một động cơ tăng áp 14 lít, chạy ở 1700 vòng/phút Tương tự như vậy, nồng độ SOF cũng tăng theo khối lượng riêng

Soluble Organic Fraction) gia tăng theo hàm lượng thơm Nồng độ NOx ít bị ảnh hưởng Động cơ Diesel phun trực tiếp cũng ít bị ảnh hưởng bởi thành phần thơm

c ảnh hưởng của chỉ số cetane

Kéo dài thời gian cháy trễ do giảm chỉ số cetane dẫn đến sự gia tăng HC, hạt rắn và CO Đối với động cơ phun trực tiếp NOx ít bị ảnh hưởng bởi chỉ số cetane

Đối với động cơ có buồng cháy ngăn cách, ảnh hưởng của chỉ số cetane chủ yếu

đến bộ phận SOF dẫn suất (extractible), thành phần hạt rắn không hoà tan dường như không bị ảnh hưởng

Chỉ số cetane cũng ảnh hưởng đến sự phát sinh khói xanh hay khói trắng, sương mù trong khí xả gồm những hạt nhiên liệu không cháy, hiện tượng gặp khi khởi động hay khi làm việc trên cao, áp suất giảm

d ảnh hưởng của thành phần lưu huỳnh

Thành phần lưu huỳnh là một trong những đặc trưng quan trọng được quy

định nghiêm ngặt đối với nhiên liệu Diesel ở Pháp thành phần lưu huỳnh giới hạn

là 0,3%; ở Châu Âu dao động từ 0,05% đến 0,65%; ở Thụy Sĩ là 0,2%; ở California

là 0,05%

Đại bộ phận chất ô nhiễm do lưu huỳnh gây ra tồn tại dưới dạng CO2: nhiên liệu chứa 0,3% lưu huỳnh thì ở trong khí xả có khoảng 100ppm SO2 Tuy nhiên, một bộ phận SO2 (khoảng 2 đến 3%) bị oxy hoá thành SO3và H2SO4

1.7 Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm của động cơ ôtô

1.7.1 Giảm mức độ phát sinh ô nhiễm ngay từ nguồn

Trong những thập niên tới, mối quan tâm hàng đầu của việc thiết kế động cơ

là giảm mức độ phát sinh ô nhiễm ngay từ nguồn, nghĩa là trước khi ra khỏi xupáp xả Vì vậy, nhà thiết kế động cơ không chỉ chú trọng đơn thuần về công suất hay tính kinh tế của động cơ mà phải cân nhắc giữa các chỉ tiêu đó và mức độ phát sinh

ô nhiễm

1 Động cơ đánh lửa cưỡng bức

Đối với động cơ đánh lửa cưỡng bức, ba chất ô nhiễm chính cần quan tâm là

NOx, HC và CO ở một số động cơ mới hiện nay làm việc với hỗn hợp nghèo, người ta khống chế thêm vận động rối của hỗn hợp nhiên liệu - không khí trong quá trình cháy để làm giảm nồng độ các chất ô nhiễm, đăc biệt là HC Sự tăng cường chuyển động rối sẽ làm tăng tốc độ lan tràn màng lửa và hạn chế việc xuất hiện những vùng “chết” (gần thành buồng cháy) Gia tăng vận động rối có thể thực hiện bằng cách:

− Gia tăng vận động xoáy lốc của hỗn hợp trên đường ống nạp

− Sử dụng hai xupáp nạp khi động cơ làm việc ở chế độ toàn tải và một xupáp khi làm việc ở tải cục bộ

− Tạo ra một tia khí tốc độ cao phun vào đường nạp phụ có kích thước nhỏ hơn

đường ống nạp chính

Việc lựa chọn phương pháp phun nhiên liệu riêng rẽ cho từng xilanh hay phun tập trung ở cổ góp đường nạp phụ thuộc nhiều yếu tố (khả năng điều chỉnh, tính năng kinh tế - kĩ thuật, giá thành,…) Phương pháp phun nhiên liệu cũng có

ảnh hưởng đến sự hình thành các chất ô nhiễm phương pháp phun tập trung có ưu

điểm là thời gian dành cho việc bốc hơi nhiên liệu tương đối dài do đó hạn chế

được hiện tượng ngưng tụ nhiên liệu trên đường ống nạp, còn phương án phun riêng

rẽ cho phép tránh được sự không đồng đều về thành phần hỗn hợp giữa các xilanh

Việc điều chỉnh góc độ phối khí cũng là một biện pháp làm hài hào giữa tính năng của động cơ và mức độ phát ô nhiễm HC và NOx Gia tăng góc độ trùng điệp

sẽ làm tăng lượng khí xả hồi lưu do đó làm giảm NOx Sự thay đổi quy luật phối khí cũng gây ảnh hưởng đến sự phát sinh HC Những động cơ mới ngày nay có khuynh hướng dùng nhiều xupáp với trục cam có thể điều chỉnh được góc độ phối khí Giải pháp này cho phép giảm nồng độ HC từ 20 ữ 25% so với động cơ kiểu cũ có cùng các tính năng kinh tế - kĩ thuật

Cuối cùng, đối với động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo, việc làm giảm nồng

độ NOx trong khí xả có thể được thực hiện riêng rẽ hay đồng thời hai giải pháp sau:

- Tổ chức quá trình cháy với độ đậm đặc rất thấp (λ = 0,6 ữ 0,7)

- Hồi lưu một bộ phận khí xả (EGR: Exhaust Gas Recirculation)

Ngày nay, hệ thống hồi lưu khí xả được dùng phổ biến trên tất cả loại động cơ đánh lửa cưỡng bức cổ điển hay động cơ thế hệ mới làm việc với hỗn hợp nghèo

Nó cho phép làm bẩn hỗn hợp ở một số chế độ công tác của động cơ nhằm làm giảm nhiệt độ cháy và do đó làm giảm được nồng độ NOx

Về mặt kết cấu nói chung, hệ thống hồi lưu khí xả gồm một van hồi lưu, một

hệ thống trợ lực khí nén và một bộ vi xử lí chuyên dụng Bộ vi xử lí này nhận tín hiệu từ các cảm biển về nhiệt độ nước làm mát, nhiệt độ khí nạp, tốc độ động cơ, lượng nhiên liệu cung cấp…Sau khi xử lí thông tin nhờ các quan hệ lưu trữ sẵn trong bộ nhớ, bộ vi xử lí phát tín hiệu để điều khiển hệ thống điện trợ lực khí nén

đóng mở van hồi lưu để cho quay ngược một lượng khí xả thích hợp vào đường nạp

Hệ thống hồi lưu khí xả được điều chỉnh theo tốc độ và tải của động cơ để tránh hiện tượng cháy không bình thường làm gia tăng HC trong khí xả Trong quá trình làm việc, van điều khiển khí xả hồi lưu có thể bị kẹt do sự ngưng tụ của sản phẩm cháy nên cần phải pha chất phụ gia tẩy rửa vào xăng

- Tăng tốc độ phun để làm giảm nồng độ bồ hóng do tăng tốc độ hoà trộn

nhiên liệu - không khí

- Tăng áp suất phun, đặc biệt là đối với động cơ phun trực tiếp

- Điều chỉnh dạng quy luật phun (quan hệ lưu lượng - thời gian) theo khuynh

hướng kết thúc nhanh quá trình phun để làm giảm HC

Đối với động cơ Diesel, dạng hình học của buồng cháy ảnh hưởng đến mức

độ phát sinh ô nhiễm quan trọng hơn là đối với động cơ xăng Cũng như động cơ xăng, hồi lưu khí xả là một trong những biện pháp hiệu quả nhất để làm giảm mức

độ phát sinh NOx trong động cơ Diesel Tuy nhiên, về mặt kết cấu, hệ thống lưu hồi khí xả trên động cơ Diesel phức tạp hơn vì độ chân không trên đường nạp quá bé không đủ sức mở van hồi lưu Vì vậy, ngoài bộ xử lí chuyên dụng, van điện từ trợ lực khí nén và van hồi lưu, hệ thống còn có thêm một van chân không (hình 1.11)

Mặt khác, người ta sử dụng thêm các phương pháp phụ sau đây để tăng độ chân không để hút khí xả vào đường nạp:

- Tiết lưu trên đường nạp để tạo ra độ chân không cần thiết

- Sử dụng một bơm đặc biệt để hút khí xả

- Trích khí cháy hồi lưu ở trước turbine và sau khi đã qua lọc

Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lí của hệ thống hồi lưu khí xả động cơ Diesel

1.7.2 Xử lí khí xả bằng bộ xúc tác

Việc xử lí khí xả động cơ đốt trong bằng bộ xúc tác đã đươc nghiên cứu và phát triển ở Mĩ cũng như ở Châu Âu từ những năm 1960 Đầu tiên, người ta sử dụng các bộ xúc tác oxy hoá trên những động cơ hoạt động với hỗn hợp giàu Sau

đó, hệ thống xúc tác lưỡng tính đã được phát triển để xử lí khí xả Hệ thống này bao gồm hệ xúc tác khử, bộ cung cấp không khí và bộ xúc tác oxy hoá Bộ xúc tác “ba chức năng” đầu tiên được đưa vào sử dụng từ năm 1975 trên động cơ đánh lửa cưỡng bức làm việc với hệ số dư lượng không khí λ xấp xỉ 1 và trở thành bộ xúc tác

được ứng dụng rộng rãi nhất hiện nay Từ năm 1990, các bộ xúc tác mới được áp dụng trên động cơ đánh lửa cưỡng bức làm việc với hỗn hợp nghèo, động cơ Diesel

và động cơ 2 kì

Dưới đây là nguyên tắc chung và cấu tạo của bộ xúc tác “ba chức năng” (three- way) là bộ xúc tác cho phép xử lí đồng thời CO, HC và NOx bởi các phản ứng oxy hoá - khử (hai chất đầu tiên bị oxy hoá còn chất thứ ba bị khử)

Các phản ứng diễn ra trong bộ xúc tác gồm:

Phản ứng oxy hoá:

2 2

2

1

CO O

O H

y xCO O

y x H

Các phản ứng khử:

O H N H

2

1 +

→ +

2 2

2

1

CO N

CO

O H

y xCO N

y x H

C NO

y

2 4

Trong cùng điều kiện về nhiệt độ, việc oxy hoá CO, HC và khử NOx (nghĩa

là năm phản ứng kể trên phải diễn ra cùng lúc với tốc độ đủ lớn), chỉ có thể diễn ra một các đồng thời khi hệ số dư lượng không khí của hỗn hợp nạp vào động cơ xấp

xỉ bằng 1 Đó là lí do giải thích tại sao tất cả các ôtô có bộ xúc tác ba chức năng phải làm việc với tỉ lệ hỗn hợp cháy hoàn toàn lí thuyết và tỉ lệ này được điều chỉnh nhờ cảm biến lambda

Mặt khác, việc duy trì thành phần hỗn hợp có λ = 1 ngoài việc tăng tỉ lệ biến

đổi các chất ô nhiễm nó còn hạn chế phản ứng “nhiễu” tạo N2O (protoxyde nitơ):

2 2

2NO+CO→N O+CO

O H O N H

2 2

2

Cường độ các phản ứng này bé nhất khi độ đậm đặc của hỗn hợp xấp xỉ bằng 1

Hệ thống xúc tác bao gồm gộp đỡ (support) và lớp kim loại hoạt tính Ngày nay, gộp bằng gốm hay kim loại liền một khối, gọi là monolithe, được dùng rộng rãi nhất Gộp đỡ monolithe là những ống trụ tiết diện tròn hay ovale bên trong được chia nhỏ bởi những vách ngăn song song với trục Mặt cắt ngang của bộ phận công tác vì vậy có dạng tổ ong với tiết diện tam giác hay vuông Đối với động cơ có công

suất khoảng 100kW, tiết diện tổng cộng cần thiết của các phần tử công tác khoảng 130cm2 và thể tích tổng cộng gộp khoảng 2 ữ 3 lít (0,02 ữ 0,03dm3/kW)

Vật liệu dùng phổ biến là: 2MgO, 2Al2O3, 5SiO2 Vật liệu này có ưu điểm là nhiệt độ nóng chảy cao (1400oC) do đó có thể chịu đựng được nhiệt độ khí xả và nhiệt độ xúc tác (đôi lúc lên tới 1100oC)

Gộp đỡ monolithe ngày nay có nhiều ưu thế hơn Nó được chế tạo bằng thép lá không rỉ có bề dày rất bé Ưu điểm của kim loại là dẫn nhiệt tốt cho phép giảm

được thời gian khởi động hệ thống xúc tác

1.7.3 Lọc hạt rắn

Những năm gần đây nồng độ bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel giảm đi rất nhiều nhưng nó vẫn là mối quan tâm của các nhà khoa học vì bồ hóng rất dễ đi sâu vào phổi, bị giữ lại ở phế nang gây nhiều tác hại đối với cơ quan hô hấp

Bồ hóng trong khí xả có kích thước rất bé Đa số hạt bồ hóng (hơn 90% số hạt) có đường kính trung bình khoảng 1 micromet Lọc hạt cỡ này rất khó vì nó sẽ gây tổn thất lớn trên đường thải Hạt bồ hóng xốp, có khối lượng trung bình khoảng 0,07g/cm3 nên lọc bị tắc rất nhanh Làm sạch thường xuyên bồ hóng bám trên lõi lọc là điều kiện cần thiết để đảm bảo lọc hoạt động bình thường Lọc bồ hóng giải quyết hai vấn đề cơ bản đó là lựa chọn kĩ thuật lọc và phương pháp tái sinh lọc

Lọc chế tạo bằng vật liệu gốm đã được áp dụng từ năm 1981 Hiệu quả lọc của chúng rất cao (có thể đạt 90%), nhưng sự phát triển của loại lọc này còn bị hạn chế do chưa tìm ra được một hệ thống tái sinh tin cậy với giá thành hạ Thành lọc

có bề dầy 0,3mm, vật liệu có độ xốp 40 ữ 50% với đường kính lỗ xốp trung bình

14àm Lõi lọc được chế tạo thành dạng tổ ong và được làm kín ở một đầu xen kẽ nhau (hình 1.12) Khí xả vào đầu hở của lọc, khi qua các lỗ xốp của thành bồ hóng

bị giữ lại Trong lõi lọc hiện đại, dây điện trở được bố trí trong thành gốm để đốt bồ hóng trong quá trình tái sinh Lọc bằng vật liệu gốm thường hay bị nứt hỏng do ứng suất nhiệt khi tái sinh và xung lực của dòng khí thải

Lọc gốm monolithe là dạng lọc được nghiên cứu và thử nghiệm nhiều nhất

kể từ khi đề ra giải pháp lọc bồ hóng Lọc được cải tạo từ gộp của bộ xúc tác ba

chức năng bằng cách làm kín xen kẽ đầu các rãnh thông sao cho khí thải buộc phải qua lớp xốp của thành gốm ngăn cách hai rãnh thông liền nhau (hình 1.13)

Hình 1.12 Lõi lọc

Phương pháp lọc này gọi là phương pháp “thổi qua tường” (wall flow) Hiệu quả của lọc rất cao (> 90%) nhưng trở lực trên đường xả lớn và độ chênh lệch (gradient) nhiệt độ trong lõi lọc cao khi tái sinh lọc Vật liệu gốm thường được sử dụng là (2MgO, 2Al2O3, 5SiO2) hoặc carbure silic (SiC)

Lọc sợi gốm được chế tạo từ sợi silic hay hỗn hợp oxyde nhôm và silic, được cuộn thành lớp dày khoảng 10 ữ 12mm quanh những ống bằng kim loại có đường kính 40mm Khí xả di chuyển từ bên trong ống ra ngoài Lớp sợi này tạo thành lưới lọc với đường kính trung bình của lỗ khoảng 10 micrômet Dạng lọc này có ưu

điểm là ít chịu ảnh hưởng của ứng suất nhiệt và cơ khí, hiệu quả lọc vừa phải (75 ữ 80%)

Hình 1.13 Lõi lọc gốm