Nghiên cứu giảm thành phần độc hại trong khí thải động cơ đốt trong bằng phương pháp phản ứng xúc tác trước một phần nhiên liệu

Nghiên cứu giảm thành phần độc hại trong khí thải động cơ đốt trong bằng phương pháp phản ứng xúc tác trước một phần nhiên liệu Nghiên cứu giảm thành phần độc hại trong khí thải động cơ đốt trong bằng phương pháp phản ứng xúc tác trước một phần nhiên liệu luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

Trang 1

nhiên liệu

Nguyễn Thế Lương

Hà Nội

Trang 2

Trung tâm sau Đại học - trường ĐHBK Hà Nội

là dùng nhiên liệu thay thế là nhiên liệu sạch, ví dụ như nhiên liệu cồn hoặc nhiên liệu hydro

Nhiên liệu hyđrô là loại nhiên liệu từ lâu đã được các nhà nghiên cứu cân nhắc sử dụng cho động cơ đốt trong Nhiên liệu này có ưu điểm là cháy nhanh, trị số ốc tan cao nên cho phép động cơ có thể làm việc ở tốc độ rất cao, nhờ đó mà dễ dàng tăng công suất động cơ Thêm nữa, khí thải của động cơ hydro rất sạch, giới hạn thành phần hỗn hợp để đảm bảo khả năng cháy tốt rất rộng nên động cơ có thể làm việc với hỗn hợp rất loãng, góp phần làm tăng tính kinh tế sử dụng động cơ Tuy nhiên, nhiên liệu hydro có nhược điểm so với nhiên liệu xăng và diesel là nhiệt trị mole rất thấp nên nếu không thay đổi kết cấu động cơ khi chuyển từ động cơ chạy xăng hoặc diesel sang động cơ chạy hoàn toàn bằng hydro thì công suất động cơ sẽ bị giảm nhiều Thêm nữa, việc sản xuất, vận chuyển và tích trữ bảo quản nhiên liệu hydro đủ để thay thế hoàn toàn xăng hoặc diesel khá khó khăn và tốn kém do nhiên liệu có tỷ trọng rất thấp

Chính vì vậy, nhiều nhà nghiên cứu quan tâm đến việc sử dụng hydro như một thành phần phụ gia cho nhiên liệu xăng hoặc diesel Với phương pháp này, hydro chỉ được cấp một tỷ lệ nhỏ vào trong động cơ để hòa trộn với nhiên liệu chính là xăng hoặc diesel Nhờ đặc tính cháy nhanh, hydro sẽ giúp đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu chính tốt hơn nên giảm được thành phần độc hại khí

Trang 3

thải, mở rộng giới hạn cháy và tăng tính chống kích nổ cho động cơ trong khi không thay đổi kết cấu động cơ so với khi dùng xăng hoặc diesel Vấn đề đặt

ra là cần có nguồn cung cấp hydro ổn định và tiện lợi ngay trên xe để động cơ hoạt động liên tục với hỗn hợp nhiên liệu nói trên

Trong đề tài tốt nghiệp này Em đưa ra hướng nghiên cứu giảm thành phần

độc hại khí thải động cơ xăng bằng cách tạo ra và cung cấp nhiên liệu giàu hydro cho động cơ bằng phương pháp phản ứng xúc tác một phần nhiên liệu xăng nhờ chính khí thải động cơ Hiện tại Việt Nam, lượng xe máy lưu hành rất lớn và ngày càng phát triển mạnh và là nguyên nhân chính gây ra ô nhiễm môi trường Do vậy Em đã chọn đối tượng nghiên cứu là động cơ xe máy Super Dream do Hon Da Việt Nam sản xuất với mục đích là sẽ góp phần giảm

được phần nào ô nhiễm do xe máy gây ra

Nội dung tốt nghiệp gồm hai phần, thứ nhất là nghiên cứu thiết kế bộ xúc tác nhiên liệu bằng khí thải để tạo nhiên liệu giàu hydro và tiếp theo là khảo nghiệm động cơ để xác định thành phần hòa trộn phù hợp để đảm bảo thành phần khí thải động cơ được cải thiện trong khi công suất và suất tiêu hao nhiên liệu không giảm so với chạy nhiên liệu xăng thuần túy

Em xin chân thành cám ơn thầy TS Hoàng Đình Long đã giúp đỡ và chỉ

bảo cho em rất nhiều Cám ơn các thầy cô bộ môn động cơ đốt trong, phòng thí nghiệm động cơ đốt trong đã tạo mọi điều kiện về thời gian cũng như trang thiết bị thí nghiệm để em có thể hoàn thành bản đồ án này

Học viên cao học

KS Nguyễn Thế Lương

Trang 4

Mục lục

Lời mở đầu 1

Mục lục 3

Phần 1 Tổng quan về tình hình ô nhiễm và Cơ sở lý thuyết của quá trình xúc tác nhiên liệu 5

Chương 1 Tình hình ô nhiễm môi trường và sức ép giảm ô nhiễm khí thải động cơ 5

1.1 Tình hình ô nhiễm môi trường do khí thải động cơ 5

1.2 Các tiêu chuẩn khí thải động cơ đốt trong 10

Chương 2 Tổng quan về các biện pháp giảm thành phần ô nhiễm trong khí thải của động cơ đốt trong và mục đích nghiên cứu của đề tài 11

2.1 Đặc điểm phát thải của động cơ đốt trong 11

2.2 Các biện pháp giảm ô nhiễm khí thải 14

2.2.1 Giảm thành phần độc hại khí thải nhờ tối ưu hoá thiết kế động cơ 14

2.2.2 Giảm thành phần độc hại bằng biện pháp lý khí thải 18

2.2.3 Thay đổi cách sử dụng nhiên liệu và dùng nhiên liệu thay thế 25

2.2.4 Phương pháp sản xuất hyđrô và nhiên liệu giàu hyđrô cho nhiên liệu thay thế 27

2.3 Mục đích và phạm vi nghiên cứu của đề tài 32

2.3.1 Mục đích của đề tài 32

2.3.2 Phạm vi nghiên cứu của đề tài 32

2.3.3 Động cơ nghiên cứu 32

Chương 3 Mô hình toán nghiên cứu quá trình Sản Xuất hyđrô bằng phương pháp biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu xăng 33

3.1 Giới thiệu chung 33

3.2 Các phản ứng xúc tác biến đổi nhiệt hóa của xăng 34

3.3 Tốc độ các phản ứng biến đổi nhiệt hóa của xăng 37

3.4 Các phương trình cơ bản 40

3.4.1 Tính chất của khí 43

3.4.2 Hệ số trao đổi nhiệt và trao đổi chất 43

3.5 Kết quả tính toán 45

Chương 4 thử nghiệm động cơ với bộ xúc tác nhiên liệu tận dụng nhiệt khí thải 48

4.1 Động cơ thử nghiệm 48

4.2 Thiết kế bộ xúc tác dùng cho động cơ xe Super Dream 49

4.2.1 Yêu cầu đối với bộ xúc tác 49

4.2.2 Phương án thiết kế 49

Trang 5

4.2.3 Tính lượng nhiên liệu cần thiết đưa vào bộ xúc tác và lượng nhiệt

tiêu thụ 51

4.2.4 Thiết kế bộ xúc tác 53

Phần 2 Trang thiết bị thí nghiệm 55

Chương 5 Giới thiệu chung về băng thử động lực dùng cho xe máy 55

5.1 Giới thiệu về băng thử cho xe máy 55

5.2 Cơ sở lý thuyết 57

5.2.1 Phép đo tốc độ 57

5.2.2 Phép đo lực 61

5.2.3 Xác định công suất của xe 64

5.3 Phép đo công suất qua phần mềm MMI 65

5.3.1 Thông số của đo công suất (Parameter 65) 65

5.3.2 Kết quả của phép đo tĩnh 66

Chương 6 Giới thiệu chung Tủ phân tích khí thải dùng cho xe máy 67

6.1 Nguyên lý hoạt động của hệ thống 67

6.1.1 Nguyên lý làm việc của hệ thống đo CO 67

6.1.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống đo NO x và NO 69

6.1.3 Nguyên lý làm việc của hệ thống đo O 2 70

6.1.4 Nguyên lý làm việc của hệ thống đo C n H m 72

6.2 Đo thành phần khí thải theo thời gian thực 74

Phần 3 Kết quả thực hiện và đánh giá 77

Chương 7 Kết quả Thí nghiệm 77

7.1 Kết quả thử nghiệm khi không lắp bộ xúc tác 77

7.2 Kết quả đo khi sử dụng biện pháp luân hồi khí thải 77

7.3 Kết quả đo khi sử dụng bộ xúc tác nhiên liệu 77

Chương 8 Xử lý và đánh giá kết quả 78

8.1 Đặc tính ngoài và suất tiêu hao nhiên liệu 79

8.2 Hàm lượng CO trong khí thải động cơ 80

8.3 Hàm Lượng HC trong khí thải 81

8.4 Hàm lượng NO x trong khí thải 81

Chương 9 Kết luận và hướng phát triển của đề tài 82

9.1 Két luận về đề tài 82

9.2 Hướng phát triển của đề tài 83

Tài liệu tham khảo 84

Phụ lục: Chương trình giải mô hình toán quá trình biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu xăng để tạo nhiên liệu giàu hyđrô 87

Tóm tắt luận văn 99

Trang 6

PhầN 1 Tổng quan về tình hình ô nhiễm và Cơ sở lý

thuyết của quá trình xúc tác nhiên liệu

Chương 1 Tổng quan Về tình hình ô nhiễm môi trường và sức ép

giảm ô nhiễm khí thải động cơ

1.1 Tình hình ô nhiễm môi trường do khí thải động cơ

1.1.1 Các thành phần ô nhiễm chính trong khí thải động cơ

Trong quá trình hoạt động các phương tiện giao thông phát thải vào không khí một khối lượng lớn các loại khói, khí độc như CO, CO2, hydrocacbon, NOx, SO2, khói đen, chì và các dạng hạt khác Tùy theo loại động cơ và loại nhiên liệu mà khối lượng các chất thải độc hại chiếm tỷ lệ khác nhau trong khí xả

- Cacbon monoxit (CO): CO là sản phẩm cháy không hoàn toàn của nhiên liệu Xe cộ là nguyên nhân chủ yếu gây ra độ tập trung CO cao ở các khu vực

đô thị CO có ái lực đối với hemoglobin cao gấp 200 lần so với O2 Vì vậy khi xâm nhập vào cơ thể CO sẽ liên kết với hemoglobin trong máu, cản trở việc tiếp nhận O2, gây nghẹt thở Chính do tính chất này của CO mà nó rất có hại

đối với phụ nữ có thai và người mác bệnh tim mạch Trong nhiễm độc CO cấp tính nhẹ, có thể các triệu chứng: nhức đầu, buồn nôn, mệt mỏi, rối lọan thị giác Trong nhiễm độc cấp tính CO thể nặng, theo sự phát triển của tình trạng thiếu oxy trong máu và mô, hệ thần kinh hệ tim mạch sẽ bị tổn thương, rối lọan hô hấp, liệt hô hấp dẫn tới tử vong

- Cacbon dioxit (CO2): Trong những năm gần đây người ta chú ý nhiều đến giao thông vận tải vì nó góp phần thải ra CO2 – khí nhà kính quan trọng nhất Trên toàn thế giới khoảng 15% CO2 trong không khí là do các phương tiện giao thông vận tải thải ra CO2 là một chất gây ngạt Bình thường tỷ lệ CO2 trong không khí từ 0,3 – 0,4% ở nồng độ thấp CO2 kích thích trung tâm hô

Trang 7

hấp Những nghiên cứu gần đây cho thấy nồng độ CO2 5% đã gây trở ngại cho hô hấp Tiếp xúc với CO2 ở nồng độ 15% người ta không thể làm việc được ở nồng độ 30 – 60 % có thể gây nguy hiểm tính mạng cho con người

- Hydro cacbon (CnHm) Có 3 nguồn thải Hydrocacbon từ các phương tiện giao thông: - Từ khí thải - Thoát ra bằng cách bay hơi - Thoát ra từ cacte ( lượng này tuy thấp nhưng lại chứa các hydrocacbon cấu tạo phức tạp, có khả năng gây ung thư ở con người) Các hydrocacbon là những chất độc gây rối loạn hô hấp, ngay ở nồng độ thấp chúng cũng có thể làm sưng tấy màng phổi, làm thu hẹp cuống phổi, làm viêm mắt, viêm mũi Hít phải hydrocacbon ở nồng độ 40 mg/L dẫn đến tức ngực, chóng mặt, rối loạn giác quan, gây cảm giác buồn nôn Ngoài ra chúng còn được coi là nguyên nhân gây ung thư phổi, họng và đường hô hấp

- Các oxit nitơ (NOx) ở các khu đô thị, giao thông thải ra khoảng 50% lượng NOx trong không khí NOx được dùng để chỉ hỗn hợp NO và NO2 trong không khí đồng thời cùng có mặt NO và NO2 đóng vai trò qua trọng trong ô nhiễm không khí NOx kết hợp vớ Hemoglobin (Hb) tạo thành Methemoglobin (Met Hb), làm Hb không vận chuyển được oxy, gây ngạt cho cơ thể Sau một thời gian tiềm tàng dẫn tới phù phổi cấp, tím tái biểu hiện co giật và hôn mê Khi tiếp xúc với NOx ở các nồng độ thấp (nhiễm độc mãn tính) có các biểu hiện sau: kích ứng mắt, rối lọan tiêu hóa, viêm phế quản, tổn thương răng

- Sunfua dioxit (SO2) Trong lĩnh vực ô nhiễm không khí, SO2 là chất ô nhiễm hàng đầu thường được quy kết là một trong những nguyên nhân quan trọng gây tác hại cho sức khỏe của người dân đô thị SO2 kích ứng niêm mạc mắt và các đường hô hấp trên ở nồng độ rất cao, SO2 gây viêm kết mạc, bỏng

và đục giác mạc Trường hợp tiếp xúc ào ạt với SO2 có thể làm chết người do nguyên nhân ngưng hô hấp Tác hại của SO2 đối với chức năng phổi nói chung rất mạnh khi có mặt của các hạt bụi trong không khí hô hấp Ngoài ra, SO2

Trang 8

còn gây tác hại cho cơ quan tạo máu (tủy, lách), gây nhiễm độc da, gây rối loạn chuyển hóa protein – đường, gây thiếu các vitamin B và C, ức chế enzym oxydaza

- Khói đen, chì và các dạng hạt Động cơ diesel thải khói đen gấp 7,5 lần so với động cơ xăng Nguyên nhân gây ra khói đen của xe diesel là do nguyên liệu có nguyên tử cacbon Nguyên tử cacbon là nguyên nhân gây ra 90% hiện tượng hấp thụ ánh sáng và 30% hiện tượng giảm tầm nhìn của người đi đường, gây nguy hiểm, không an toàn giao thông Chì là một trong những tác nhân gây ô nhiễm quan trọng nhất Chì có trong khí thải của động cơ xăng vì người

ta pha tetraethyl chì – Pb(C2H5)4 vào xăng để chống kích nổ Hơi chì theo khí thải phân tán vào không khí, rất có hại cho sức khỏe của con người, gia súc và cây cối Xe diesel không chứa chì, nhưng lại thải ra nhiều hạt lơ lửng trong không khí Các hạt đó kết hợp với SOx thải ra trong không khí gây ra các bệnh như viêm cuống phổi, hen suyễn Có một số hạt có khả năng gây ung thư Chì xâm nhập vào đường hô hấp, đường da Độc tính của chì ở nồng độ cao đã được biết đến từ lâu Nhưng, tác động của chì ở nồng độ thấp mới được

đánh giá một cách đầy đủ trong hai thập kỷ gần đây Do đó mà mức độ chì có thể chấp nhận được ngày càng trở nên thấp, và việc sử dụng xăng không pha chì ngày càng trở nên phổ biến ở nhiều nước đã cấm hoàn toàn việc sử dụng xăng pha chì Ngoài ra quá trình cháy không hết nhiên liệu cũng thải ra bụi cacbon Bụi xâm nhập vào cơ thể chủ yếu qua đường hô hấp Các hạt bụi có

đường kính lớn hơn 10 àm sẽ luẩn quẩn ở đường hô hấp trên, sau đó chúng đi xuống đường hô hấp dưới Phần lớn các hạt bụi có kích thước từ 5 – 10 àm lưu ở đường hô hấp trên và khi tới phổi sẽ lắng đọng ô nhiễm do tác dụng của trọng lực Nguy hiểm nhất là các hạt bụi có kích thước 5àm còn gọi là bụi hô hấp, đọng lại hầu hết ở phế nang Một số hạt được làm sạch bởi các màng nhầy, một số hạt lọt vào máu và một số nữa trở thành dị vật trong phổi Bụi kích thích cơ học gây khó khăn cho các hoạt động của phổi Chúng có thể gây

Trang 9

nên các bệnh đường hô hấp, bệnh hen suyễn, viêm cuống phổi, bệnh viêm cơ phổi, trước hết là các dạng bệnh bụi phổi Tiếng ồn Tiếng ồn là dạng ô nhiễm phổ biến ở các đô thị Trong các nguồn sinh ra tiếng ồn ở đô thị thì các phương tiện giao thông vận tải đóng vai trò chủ yếu: 60 – 80 % nguồn sinh ra

ồn đô thị là phương tiện giao thông bởi các nguyên nhân sau: - Tiếng ồn do

động cơ, do ống xả - Tiếng ồn do rung động các bộ phận xe Độ ồn này phụ thuộc vào tình trạngkỹ thuật xe Nếu xe được bảo dưỡng tốt, tình trạng máy hoàn hảo, tình trạng thùng xe và khung xe chắc chắn, độ giảm xóc tốt thì tiếng

ồn sẽ giảm - Tiếng ồn do đóng cửa xe, do còi xe, do phanh xe, do sự tương tác giữa lốp xe và mặt đường, nhiều lúc cả tiếng la hét của phụ xe đã gây giật mình hốt hoảng cho người đi đường v.v… Tiếng ồn gây tác hại rất lớn đến toàn bộ cơ thể nói chung và cơ quan thính giác nói riêng.Tiếng ồn mạnh, thường xuyên gây nên bệnh đau đầu, chóng mặt, cảm giác sợ hãi, bực tức vô

cớ, trạng thái tâm thần bất ổn, mệt mỏi Tiếng ồn gây ra những thay đổi trong

hệ thống tim – mạch, kèm theo sự rối loạn trương lực mạch máu, rối loạn nhịp tim Tiếng ồn còn làm rối loạn chức năng bình thường của dạ dày, làm giảm bớt sự tiết dịch vị, ảnh hưởng đến sự co bóp bình thường của dạ dày

1.1.2 Tình hình ô nhiễm môi trường do khí thải động cơ trên thế giới và ở Việt Nam

Môi trường sống của nhân loại đang ngày càng bị ô nhiễm nặng do chính các chất thải từ các hoạt động của con người gây ra, mà một trong các nguồn chất thải đó là khí thải của các phương tiện giao thông cơ giới Trong quá trình hoạt động các phương tiện giao thông phát thải vào không khí một khối lượng lớn các loại khói, khí độc như CO, CO2, hydrocacbon (HC), NOx, SO2, khói

đen, chì và các chất thải dạng hạt khác Các thành phần chất thải này không những gây tác hại trực tiếp cho sức khỏe con người mà về lâu về dài còn phá hoại cả thế giới sinh vật đang nuôi sống con người

Trang 10

Tùy theo loại động cơ và loại nhiên liệu sử dụng mà khối lượng các thành phần chất thải độc hại chiếm các tỷ lệ khác nhau Theo số liệu thống kê ở Mỹ, các chất ô nhiễm phát thải từ các phương tiện này chiếm 40ữ50% tổng hàm lượng HC, 50% tổng hàm lượng NOX và 80ữ90% tổng hàm lượng CO ở khu vực thành phố [1] ở các nước phát triển khác như Châu âu và Nhật Bản cũng xảy ra vấn đề tương tự

Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển của kinh tế thì tình hình

ô nhiễm môi trường cũng ngày càng trầm trọng do số lượng động cơ sử dụng ngày càng nhiều Trung bình hàng năm thế giới sản xuất thêm trên 40 triệu chiếc động cơ, mức độ phát triển ô tô, xe máy ngày càng mạnh, đặc biệt là tại các khu đô thị của Châu á Không kiểm soát khí thải, các loại phương tiện này thải ra môi trường một lượng đáng kể các chất hyđrôxit các bon (HC), ôxít cácbon (CO) và khói bụi Các chất này góp phần quan trọng gây ô nhiễm không khí tại rất nhiều nước ở Châu á, nơi mà xe 2-3 bánh chiếm phần lớn đội

xe cơ giới Trên thế giới đội xe 2và 3 bánh gia tăng với 7 triệu chiếc mỗi năm dựa trên con số bán ra là 20 triệu xe và thôi không sử dụng là 13 triệu xe hàng năm Những nước có mật độ xe đông nhất là Đài Loan, Trung Quốc, Thái Lan, Malaysia và ấn Độ Các nước ở Châu á đang chú tâm đến các vấn đề ô nhiễm do số lượng lớn xe máy gây ra

Tại Việt Nam, tình trạng ô nhiệm 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 Theo số liệu cập nhật tháng 5 năm 2002, số lượng phương tiện giao thông-chỉ tính phương tiện giao thông cơ giới đường bộ ở Việt Nam đã là trên 10.000.000 xe gắn máy, trên 600.000 xe ô tô các loại và số lượng phương tiện giao thông này vẫn đang gia tăng một cách nhanh chóng, đặc biệt ở hai đô thị lớn là Hà nội và Thành phố Hồ Chí Minh [2] Ví dụ, theo báo cáo của cảnh sát giao thông Hà Nội, tại thời điểm cuối năm 2006, số lượng ô tô đăng ký lưu

Trang 11

hành ở Hà Nội vào khoảng 175.000 chiếc, xe máy vào khoảng 1,76 triệu chiếc, ở thành phố Hồ Chí Minh, con số còn cao hơn nhiều Và đến thời điểm này, cả nước có đến 16 triệu xe máy (chiếm tới 96% số đầu phương tiện cơ giới đang lưu hành), và có khoảng trên 600.000 ôtô Nếu tính bình quân một

ôtô có dung tích xilanh là 2.5 lít, và một xe máy là 0,1 lít thì 25 xe máy sẽ tương đương một ôtô Như vậy 16 triệu xe máy cũng sẽ xả ra một lượng khí thải bằng khoảng 640.000 ôtô Chưa kể trong đô thị, xe máy sẽ có thời gian lăn bánh nhiều hơn vì là phương tiện cơ động của người dân

Hình ảnh các xe máy cũ nát, xả khói đen sì, 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 Hơn nữa, lượng xe máy cũng không ngừng tăng trong khi chất lượng thì ngày càng hạ Xe máy Trung Quốc với giá chỉ vài triệu đồng, động cơ không đủ độ kín và bền sẽ là nguồn ô nhiễm tiềm tàng trong thời gian tới

Với thực tế này thì chẳng bao lâu nữa bầu không khí của chúng ta cũng sẽ

bị nghẹt thở vì bị ô nhiễm bởi các thành phần độc hại từ khí thải và từ việc sử dụng động cơ nếu không áp dụng ngay các biện pháp giảm các thành phần

động hại này

1.2 Các tiêu chuẩn khí thải động cơ đốt trong

Với sự nhận biết sâu sắc về tác hại của các chất ô nhiễm trong khí thải

động cơ đối với sức khỏe con người và môi trường như trên, vào những năm cuối thập kỷ 60, lượng khí thải từ các phương tiện giao thông cơ giới đã bắt

đầu được qui định dưới dạng luật bởi các nhà làm luật ở Mỹ, Châu Âu và Nhật Bản để hạn chế, và các tiêu chuẩn khí thải đó ngày càng nghiêm ngặt hơn Ví

dụ, sự thay đổi về tiêu chuẩn khí thải của Mỹ áp dụng cho động cơ đốt trong lắp trên xe tải nhẹ dùng nhiên liệu xăng theo thời gian được giới thiệu trên bảng 1-1

Trang 12

Bảng 1-1 Sự thay đổi của các tiêu chuẩn về khí thải ở mỹ đối với các phương tiện vận tải nhẹ dùng xăng và đã hoạt động 5 năm (hoặc 50.000mile) [3].

Trang 13

khoảng 83%, các khí còn lại là ô xít carbon (CO), các bon níc (CO2), carbuahydro (HC), và các loại ô xít ni tơ (NOX) Chì có thể được kể đến, thành phần này phụ thuộc vào loại nhiên liệu xăng được sử dụng

- Các khí rò lọt: bao gồm những khí rò lọt qua khe hở giữa pít tông và xi lanh, chủ yếu là N2 và O2 chiếm tới 90% phần còn lại là CO2, HC, hơi nước và một hàm lượng rất nhỏ CO và NOX

- Các khí bay hơi: Hơi xăng HC bay hơi từ thùng nhiên liệu và bộ chế hoà khí

Trong các thành phần khí thải ôtô thì như đã nói ở trên, CO, HC, NOX và muội than là những chất chất nguy hại Sự hình thành các chất độc hại này liên quan đến quá trình cháy và đặc điểm của nhiên liệu sử dụng bởi vì quá trình cháy trong động cơ đốt trong là quá trình ô xi hoá nhiên liệu, giải phóng nhiệt năng và quá trình này diễn ra trong buồng cháy động cơ theo những cơ chế hết sức phức tạp và chịu ảnh hưởng của nhiều thông số như thành phần giữa không khí và nhiên liệu, điều kiện cháy v.v ở điều kiện lý tưởng, sự đốt cháy hoàn toàn của nhiên liệu Hydrocacbon với Oxy trong không khí sẽ sinh

ra sản phẩm cháy không độc hại như là CO2, H2O thể hiện trong phương trình phản ứng cháy dưới đây:

CnH2n+2 +

2

1

3n+ O2 ⇒ nCO2 + (n+1)H2O + Nhiệt (Q) (2-1)

Tuy nhiên, trong động cơ trạng thái cân bằng hoá học lý tưởng đối với sự cháy hoàn toàn có thể nói là không bao giờ xảy ra, bởi vì thời gian cho quá trình ôxy hoá bị giới hạn Thêm vào đó là sự thiếu đồng nhất ở trạng thái hơi của nhiên liệu trong không khí và sự thay đổi nhiệt độ rất nhanh của Quá trình cháy không hoàn toàn của nhiên liệu sinh ra các chất độc hại CO, HC, NOX trong khí thải cùng với những sản phẩm thông thường của quá trình cháy

Trang 14

hoàn toàn Nồng độ các thành phần trong khí thải thay đổi tuỳ thuộc vào kiểu loại động cơ, và đặc biệt là phụ thuộc vào điều kiện vận hành động cơ

Sự tạo thành CO là sự đốt cháy không hoàn toàn của nhiên liệu trong xylanh do thiếu không khí Hàm lượng CO tăng khi hệ số dư lượng không khí

α giảm <1 Nồng độ CO cao hơn với hỗn hợp giàu nhiên liệu hơn Một nguyên nhân nữa là sự hoà trộn không đều giữa nhiên liệu và không khí hoặc nhiên liệu không hoàn toàn ở trạng thái hơi Do vậy, mặc dù α chung có thể >1 nhưng vẫn có những khu vực cháy trong xi lanh thiếu không khí, dẫn đến sự tạo thành CO

Chất thải Hydrocacbon chưa cháy HC cũng là do sự cháy không hoàn toàn của nhiên liệu trong xylanh động cơ gây ra Nguồn chính của khí thải HC

là do nhiên liệu thoát khỏi sự cháy trong buồng cháy của động cơ do quá trình chuyển tiếp nhiên liệu nạp, do các khe hở, do sự nén hỗn hợp chưa cháy vào các khe giữa đầu pít tông và xi lanh trong quá trình nén khi áp suất cao và sự giải phóng hỗn hợp này vào hỗn hợp đã cháy trong xi lanh ở thời kỳ giãn nở khi áp suất giảm Màng dầu bôi trơn cũng là nguyên nhân gây ra HC trong khí thải, màng dầu hấp thụ HC trong quá trình nén và giải phóng HC vào khí cháy trong quá trình giãn nở Một phần Hydrocacbon này được ôxyhoá khi được trộn với khí đã cháy trong quá trình giãn nở và quá trình xả, phần còn lại thải

ra ngoài cùng với khí thải nên gây ra sự phát thải HC Mức độ ôxyhóa HC phụ thuộc vào các điều kiện và chế độ vận hành động cơ như là tỷ số giữa nhiên liệu và không khí, tốc độ động cơ, tải, góc đánh lửa Sự đánh lửa muộn hơn thích hợp để ôxy hoá HC sau quá trình cháy Nguồn phát sinh khác của HC là

sự cháy không hoàn toàn trong một phần của chu kỳ vận hành của động cơ (hoặc là đốt cháy từng phần hoặc hiện tượng bỏ lửa hoàn toàn) xảy ra khi chất lượng đốt cháy kém Hàm lượng HC chưa cháy trong khí thải chủ yếu phụ thuộc vào tỷ lệ không khí và nhiên liệu Nồng độ của chúng tăng khi hỗn hợp

đậm hơn, đặc biệt là với α<1 Đối với hỗn hợp quá nghèo khí xả HC cũng

Trang 15

tăng do đốt cháy không hoàn toàn hoặc hiện tượng bỏ lửa trong một phần của các chu kỳ vận hành động cơ

Các chất oxit nitơ NO, dioxit nitơ NO2, và protoxit nitơ N2O được gọi chung dưới cái tên NOX trong đó NO chiếm đa phần, có thể tới 90ữ98% Khí thải NOx được hình thành ở nhiệt độ cháy cao Trong buồng cháy động cơ, dưới áp suất cao, bề dày màng lửa không đáng kể và tồn tại trong thời gian ngắn, do đó đại bộ phận NOX hình thành phía sau màng lửa, tức là sau khi hỗn hợp bị đốt cháy Nhân tố chính ảnh hưởng tới với sự hình thành NOx là nhiệt

độ, ôxy và thời gian Nhiệt độ cao, ô xy nhiều và thời gian dài thì NOX sẽ cao, tức là khi động cơ chạy toàn tải, tốc độ thấp và α=1,05ữ1,1 thì NOX lớn

2.2 Các biện pháp giảm ô nhiễm khí thải

Nhìn chung các biện pháp kiểm soát lượng khí thải độc hại có thể chia thành ba nhóm chính:

- Nhóm thứ nhất bao gồm các biện pháp giảm tối thiểu nồng độ độc hại bằng cách tối ưu hoá chất lượng đốt cháy thông qua việc tối ưu hoá kết cấu

động cơ

- Nhóm thứ hai bao gồm các biện pháp xử lý khí thải để chuyển đổi khí thải thành khí trơ trước khi thải ra ngoài môi trường bằng cách sử dụng các phương pháp xử lý xúc tác

- Nhóm thứ ba bao gồm các biện pháp liên quan đến cách thức sử dụng nhiên liệu truyền thống và sử dụng nhiên liệu thay thế

2.2.1 Giảm thành phần độc hại khí thải nhờ tối ưu hoá thiết kế động cơ a) Kiểm soát chính xác tỷ lệ giữa không khí và nhiên liệu trong động cơ xăng

Tỷ lệ giữa không khí và nhiên liệu có ảnh hưởng lớn đối với khí xả trong

động cơ xăng, hỗn hợp đậm (hệ số dư lượng không khí α<1) sẽ gây nên nồng

độ của CO và HC cao hơn Ngày nay, trong động cơ phun xăng sử dụng hệ

Trang 16

thống điều khiển điện tử, tỷ lệ giữa không khí và nhiên liệu được điều khiển gần với chế độ lý tưởng trong điều kiện vận hành ổn định nên nồng độ độc hại trong khí thải ít hơn và các tính năng của động cơ tốt hơn các động cơ dùng bộ chế hoà khí thông thường Tuy nhiên, mức độ điều khiển chính xác hệ số dư lượng không khí α thường gặp khó khăn do sự chênh lệch về tỷ lệ hoà trộn giữa không khí và nhiên liệu giữa các xi lanh, đặc biệt là trong giai đoạn vận hành chuyển tiếp Để khắc phục những vấn đề này, trong một số động cơ, tỷ lệ giữa không khí và nhiên liệu được điều khiển hoàn toàn độc lập trong mỗi xi lanh của động cơ, thay thế hệ thống phun xăng đa điểm cho phun xăng đơn

điểm để có α đồng đều giữa các xi lanh hoặc bằng kỹ thuật điều khiển thích ứng tức thời theo thời gian

Các động cơ sử dụng hỗn hợp nghèo có thể đạt được cả yêu cầu về nồng

độ độc hại thấp và suất tiêu hao nhiên liệu thấp Tuy nhiên, do giới hạn cháy của hỗn hợp xăng với không khí rất hẹp nên để mở rộng phạm vi này, người ta thiết kế động cơ sử dụng đường nạp theo kiểu tạo xoáy lốc, buồng cháy có hình dạng đặc biệt để tạo ra sự xoáy lốc trong xi lanh động cơ, do vậy cải thiện được tốc độ cháy và tăng được giới hạn cháy nghèo Các nghiên cứu cho thấy đốt cháy hỗn hợp phân lớp cho phép cải thiện được nồng độ khí xả độc hại cũng như suất tiêu hao nhiên liệu và tăng giới hạn đốt cháy nghèo Tuy nhiên, khi sử dụng hỗn hợp nghèo thì khả năng ổn định cháy thấp và hiệu quả chung của bộ xúc tác 3 chức năng không cao

Hỗn hợp không đồng nhất cũng gây nên lượng khí thải CO, HC cao bởi vì

nó gây ra sự sai lệch cục bộ giữa các xi lanh về tỷ lệ giữa không khí và nhiên liệu tại thời điểm đốt cháy Việc giảm bớt nhiên liệu ở dạng hạt vào trong xi lanh của động cơ bằng cách phân tử hoá nhiên liệu và tăng bay hơi của nhiên liệu tại cửa nạp động cơ để đạt được mức độ đồng nhất cao hơn, sẽ làm giảm

đáng kể lượng CO, HC ở giai đoạn khởi động, việc sấy nóng nhanh buồng đốt nhờ sấy nóng nước làm mát cũng làm giảm nồng độ khí thải độc hại

Trang 17

Nhìn chung, việc kiểm soát hỗn hợp để đạt được hỗn hợp ở điều kiện lý tưởng, hỗn hợp nghèo và hỗn hợp đồng nhất là những nhân tố quyết định để giảm lượng khí thải độc hại ngay từ bên trong động cơ Tuy nhiên, điều này chỉ có thể đạt được và chỉ có thể áp dụng được ở điều kiện vận hành ổn định, Trong giai đoạn khởi động và giai đoạn chuyển tiếp tăng tải hoặc tăng tốc phải cung cấp hỗn hợp giầu nhiên liệu để bù vào phần nhiên liệu ngưng tụ trên thành xi lanh động cơ để duy trì khả năng làm việc của động cơ theo yêu cầu,

điều này sẽ làm tăng lượng khí thải CO và HC mà không thể tránh khỏi được

b) Điều khiển sự đánh lửa muộn trong động cơ xăng hoặc phun nhiên liệu muộn trong động cơ diesel

Phương pháp này dựa trên lý thuyết động cơ đốt trong và việc phân tích chu trình nhiệt động động cơ Trong động cơ đốt trong, thời điểm đánh lửa tốt nhất trong động cơ xăng hoặc phun nhiên liệu trong động cơ điezen là thời

điểm đánh lửa hoặc phun nhiên liệu mà động cơ phát ra công suất cao và suất tiêu hao nhiên liệu thấp và làm việc ổn định Đánh lửa muộn hay phun nhiên liệu muộn sẽ dẫn tới công suất động cơ giảm, suất tiêu hao nhiên liệu tăng và

sự mất nhiệt cho khí xả tăng Đánh lửa muộn hay phun nhiên liệu muộn sẽ làm chậm quá trình đốt cháy trong xi lanh, làm quá trình cháy kéo dài sang hành trình giãn nở Do vậy, nhiệt năng chuyển hoá thành cơ năng ít hơn trong khi nhiệt thải ra khí xả nhiều lên Nguyên lý này có thể được áp dụng để tăng năng lượng khí xả, rút ngắn thời gian chạy ấm máy và khởi động bộ xử lý xúc tác trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy để giảm CO, HC, NOX bằng cách điều khiển mức độ và thời gian đánh lửa muộn trong giai đoạn này Phương pháp này đã được nghiên cứu trên động cơ phun xăng điều khiển

điện tử [4, 5] cho thấy HC, CO, NOX trước bộ xúc tác đã giảm đáng kể và thời gian khởi động bộ xúc tác cũng giảm đáng kể Kết quả là lượng khí thải độc hại ra khỏi ống thải động cơ giảm đi rõ rệt

c) Tối ưu hoá buồng cháy

Trang 18

Việc thiết kế buồng cháy có ảnh hưởng rất lớn tới tính năng và hàm lượng khí xả độc hại của động cơ xăng Buồng cháy có tỷ lệ giữa diện tích bề mặt tiếp xúc và thể tích nhỏ sẽ giảm được ảnh hưởng của hiện tượng dập tắt màng lửa tại thành xi lanh trong giai đoạn chạy ấm máy, vì vậy giảm được lượng khí xả HC Kiểu buồng đốt này cũng giảm được ảnh hưởng của sự không đồng

đều của hỗn hợp nên giảm được sự tạo thành khí thải độc hại Giảm tối thiểu thể tích khe hẹp phía trên xéc măng thứ nhất giữa đầu pít tông và thành xi lanh cũng làm giảm lượng HC Hơn nữa, việc thiết kế buồng cháy tối ưu có thể cải thiện được sự lan tràn màng lửa tới được bất kỳ vị trí nào trong buồng cháy do vậy làm giảm sự đốt cháy không hoàn toàn nhiên liệu Ví dụ như việc tối ưu buồng cháy có thể tạo ra hàng loạt các tia khí và tạo ra hiện tương xoáy lốc khi pít tông gần tới điểm chết trên Điều này sẽ dẫn tới kết quả là tăng tỷ lệ cháy và cho phép tăng giới hạn nghèo của hỗn hợp để giảm lượng khí xả độc hại

d) Luân hồi khí xả

Thực chất của phương pháp này là đưa một phần sản vật cháy quay trở lại

buồng đốt với tỷ lệ từ 5ữ20% so với hỗn hợp nạp mới Do hoà trộn với lượng khí đã cháy có nhiệt độ cao này nên nhiệt độ môi chất trong quá trình nén tăng, đảm bảo hỗn hợp có thể cháy dễ dàng Mặt khác nồng độ ô xy khi đó giảm và nhiệt độ trong quá trình cháy nhỏ nên sự tạo thành khí NOX giảm đi

rõ rệt Tuy nhiên, phương thức này phù hợp hơn trong động cơ Diesel, trong

động cơ xăng thường chỉ áp dụng với dạng đốt cháy hỗn hợp phân lớp, ở chế

độ tải cục bộ Sử dụng luân hồi khí xả trong động cơ với hỗn hợp phân lớp không chỉ cải thiện mức độ khí xả độc hại mà cải thiện được cả tính kinh tế nhiên liệu Người ta chia phương pháp luân hồi khí xả 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 xúp páp nạp và xúp páp thải Trong giai đoạn trùng điệp, do chênh lệch áp suất, một phần sản vật cháy

Trang 19

đi vào đường nạp sau đó trong quá trình nạp quay trở lại xy lanh Biện pháp này không những giảm NOX mà còn giảm được cả HC vì các sản vật luân hồi

sẽ chiếm các vị trí sát vách trước tiên, do đó giảm lượng khí nạp mới ở sát vách

Luân hồi bên ngoài là phương pháp trích một phần khí thải từ đường thải quay trở lại đường nạp vào động cơ và điều chỉnh lượng khí thải luân hồi bằng van tiết lưu có cơ cấu điều khiển

e) Xử lý xúc tác trong xi lanh

Một phương pháp khác làm giảm hàm lượng khí xả độc hại là phủ một lớp chất xúc tác lên bề mặt buồng cháy nhằm mục đích tăng nhiệt độ thành buồng cháy đặc biệt là nhiệt độ thành tại các khe hẹp để giảm hiện tượng dập tắt màng lửa và do vậy cải thiện mức độ ô xy hoá HC trong các khe hẹp Tuy nhiên, với phương pháp này lượng khí thải độc hại giảm không nhiều, với những vật liệu quý làm chất xúc tác (23 gam với tỷ lệ 9:1 Pt-Rh) có thể giảm

được 20 % lượng HC [5]

Tóm lại, ngày nay với công nghệ tiên tiến được ứng dụng trong ngành công nghiệp chế tạo ôtô, nhiều tiến bộ khoa học đã được đưa vào ứng dụng trong động cơ, đặc biệt với việc tối ưu hoá buồng cháy, điều khiển chính xác thời điểm đánh lửa và tỷ lệ giữa không khí và nhiên liệu khi sử dụng hệ thống

điều khiển điện tử đã giảm được đáng kể thành phần độc hại Công nghệ chế tạo động cơ đã đạt tới đỉnh cao, tuy nhiên, nồng độ khí thải độc hại vẫn không giảm được đến mức qui định Do đó cần phải sử dụng biện pháp xử lý khí thải

để giảm hơn nữa hàm lượng độc hại của chúng

2.2.2 Giảm thành phần độc hại bằng biện pháp lý khí thải

a) Xử lý bằng bộ xử lý xúc tác ba tác dụng (hình 2-1)

Mục đích là chuyển khí thải CO, HC, NOx thành các khí không độc hại bằng cách ô xy hoá CO, HC, và khử khí NOx trong hệ thống xử lý dùng chất

Trang 20

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

Trang 21

từ động cơ khi nó được sấy nóng hoàn toàn đạt nhiệt độ >350oC Các chất xúc tác Platium(Pt), Rhodiun(Rb) là những vật liệu xúc tác hoạt tính cao cùng với Ceria (CeO2) có khả năng chứa ô xy nên bộ xúc tác có thể ô xy hoá liên tục

đối với CO, HC ngay cả khi khí xả có hàm lượng lớn CO, HC và thiếu không khí Sự chuyển đổi của CO, HC đòi hỏi một môi trường ô xy hoá, trong khi đó

sự chuyển đổi NOx đòi hỏi môi trường khử Do vậy bộ xử lý xúc tác ba tác dụng hoạt động có hiệu quả khi thành phần hỗn hợp gần điều kiện lý tưởng (α = 1) để có cả môi trường ô xy hoá và môi trường khử Với hỗn hợp giàu nhiên liệu thì sự ô xy hoá CO, HC giảm, trong khi với hỗn hợp nghèo sự khử NOx giảm

Do đòi hỏi ngặt nghèo và chính xác về hệ số dư lượng không khí α để bộ

xử lý xúc tác làm việc có hiệu quả cho nên bộ xử lý này thường được trang bị trên động cơ có hệ thống điều khiển điện tử (ECU) Bộ xử lý này làm giảm

đáng kể lượng khí xả độc hại Tuy nhiên, vấn đề tồn tại của bộ xử lý xúc tác là

nó làm việc không hiệu quả ở nhiệt độ thấp hơn 250 ữ 340oC, do vậy trong giai đoạn khởi động và chạy ám máy các khí xả độc hại thoát ra khỏi động cơ thải trực tiếp ra ngoài gây ô nhiễm môi trường

Các nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng khoảng 60ữ70% tổng lượng khí thải

CO và HC của động cơ trang bị bộ xử lý xúc tác được thải ra trong vài phút

đầu sau khi khởi động (theo chu trình thử nghiệm FTP 75) Khi nhiệt độ bộ xử

lý đạt tới 350 oC thì tỷ lệ chuyển đổi các thành phần độc hại có thể đạt tới 90

% Tuy nhiên nhiều phương tiện đi trong thành phố với quãng đường quá ngắn

để động cơ và bộ xử lý có thể ấm hoàn toàn Điều này có nghĩa là việc giảm nồng độ độc hại trong khí thải từ các phương tiện trong thời gian chạy ấm máy

sẽ là cơ sở để giảm lượng độc hại chung của khí thải ra môi trường

b) Hỗ trợ phản ứng trên đường thải

Trang 22

Phương pháp này là đốt cháy tiếp khí xả CO và HC trong hệ thống thải bằng cách nào đó để giảm trực tiếp lượng khí xả độc hại và đốt nóng nhanh bộ

xử lý xúc tác nhờ nhiệt phát sinh trong quá trình ô xy hoá HC và CO để bộ xúc tác nhanh đạt tới nhiệt độ làm việc hiệu quả Một số kỹ thuật để thực hiện phương pháp này như sau:

Phun không khí phụ trợ

Lượng CO và HC được hình thành từ quá trình cháy có thể tiếp tục được ô

xy hoá trong hệ thống thải ở nhiệt độ cao khi có ô xy dư thừa Tại cửa xả nơi

mà nhiệt độ khí xả vẫn cao (>800oC) thì tới 40% HC ra khỏi xi lanh động cơ

được ô xy hoá, nhiệt độ khí xả càng cao thì sự ô xy hoá HC càng lớn khi có ô

xy Phương pháp này không giảm được thành phần NOX Tại giai đoạn khởi

động lạnh, động cơ được cung cấp hỗn hợp giàu để cải thiện chế độ vận hành,

do đó nồng độ HC và CO trong khí xả rất cao trong khi nồng độ ô xy tương

đối thấp Tận dụng nhiệt độ cao tại cửa xả, sự ô xy hoá HC tại đây có thể được xúc tiến bằng cách cung cấp thêm một lượng không khí vào Điều này sẽ làm giảm CO và HC và tiếp đó là sự sinh nhiệt để rút ngắn thời gian sấy nóng bộ

xử lý xúc tác

Phương pháp này giảm đáng kể CO và HC trong giai đoạn khởi động và có thể rút ngắn thời gian sấy nóng bộ xử lý xúc tác, nhưng hiệu quả giảm lượng khí xả độc hại là không lớn, sự phát nhiệt từ quá trình ô xy hoá của CO và HC không cao Nếu lượng không khí được phun vào quá lớn có thể dẫn tới giảm nhiệt độ khí xả và gây phản tác dụng Để điều chỉnh chính xác lượng khí bổ sung, yêu cầu thiết bị điều khiển khá phức tạp vì vậy việc áp dụng trên xe gặp

nhiều khó khăn

Đốt cháy cưỡng bức khí thải

Mục đích của phương pháp này là sinh nhiệt để tăng nhiệt cho bộ xúc tác bằng cách cho động cơ khởi động và chạy ám máy với hỗn hợp giàu, sau đó

Trang 23

đốt tiếp khí thải với một hàm lượng khí bổ xung thêm vào phía trước bộ xử lý xúc tác

Hệ thống đốt khí thải được thiết lập bao gồm buồng cháy được bố trí ngay trước bộ xử lý xúc tác cùng với thiết bị đánh lửa Hệ thống hoạt động liên quan đến sự khởi động động cơ với một hỗn hợp rất giầu (α<1) Sau đó HC trong khí thải được đốt cháy tiếp trong buồng đốt với sự cấp thêm không khí Sau khi bị đốt cháy cưỡng bức, khí cháy trên đường ống xả được đưa tới

bộ xử lý xúc tác Phương pháp này có thể cung cấp nguồn nhiệt có công suất tới 15 kW để sấy nóng bộ xử lý xúc tác và rút ngắn thời gian khởi động bộ xử

lý Tuy nhiên, phương pháp này gặp phải một số vấn đề như là tính phức tạp của hệ thống, sự tạo muội do hỗn hợp giầu dẫn tới tắc ngẽn trong bộ xử lý và trong buồng đốt Hơn nữa, bộ xử lý xúc tác có thể được hâm nóng chậm khi

động cơ chạy không tải vì lúc đó dòng khí thải có lưu lượng thấp, sự bỏ lửa (không cháy) trong khoảng thời gian ngắn cũng gây ra sự phát thải CO và HC cao nghiêm trọng

c) Giữ nhiệt trên đường thải

Kỹ thuật này bao gồm các biện pháp để giảm sự mất mát nhiệt của khí thải trước khi đưa vào bộ xử lý xúc tác để cải thiện quá trình hâm nóng bộ xúc tác

để nó nhanh đạt đến nhiệt độ làm việc hiệu quả

Sử dụng bộ ống góp hấp thụ nhiệt thấp là một trong những cách giảm mất nhiệt Kỹ thuật này gồm giảm khối lượng hệ thống thải, giảm diện tích tiếp xúc của ống thải với khí xả và sử dụng những vật liệu cách nhiệt tốt Phương pháp này rất đơn giản nhưng sự truyền nhiệt từ đường ống xả ra môi trường vẫn tương đối cao

Một biện pháp khác để ngăn ngừa sự mất nhiệt khí xả là sử dụng bộ ống góp hai vách, một lớp không khí và một lớp cách nhiệt Biên pháp này làm tăng đáng kể nhiệt độ khí thải tại cửa vào của bộ xử lý xúc tác, và rút ngắn

Trang 24

thời gian khởi động bộ xúc tác tới khoảng 35 giây và cho phép bộ xử lý có thể

bố trí xa cửa thải Tuy nhiên, nếu hệ thống đảm bảo được nhiệt độ khí thải tại cửa vào của bộ xử lý cao để rút ngắn thời gian đạt đến chế độ làm việc hiệu quả của bộ xử lý trong giai đoạn chạy ấm máy thì sẽ làm cho bộ xử lý tiếp xúc với trường nhiệt độ rất cao tại chế độ vận hành toàn tải của động cơ, điều này làm sẽ giảm tuổi thọ của thiết bị xử lý xúc tác

Gắn bộ xử lý xúc tác ngay sau cửa xả cũng là một cách rất tốt để tận dụng năng lượng khí xả cho mục đích trên Các nghiên cứu cho thấy phương pháp này có thể rút ngắn thời gian để bộ xử lý xúc tác đạt đến chế độ làm việc hiệu quả đến khoảng 20 giây và khí xả độc hại trong giai đoạn khởi động lạnh giảm đáng kể Tuy nhiên, dưới chế độ vận hành toàn tải khi đó nhiệt độ khí thải lớn sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi bền của bộ xử lý Khi đó chúng ta phải

sử dụng bộ xử lý có vật liệu xúc tác có tuổi bền cao, chịu được nhiệt độ cao

Điều này có thể không đáp ứng được yêu cầu về tính kinh tế

Một cách nữa là lưu giữ khí thải lâu ở trạng thái nhiệt độ cao để kéo dài thời gian ô xy hoá các thành phần độc hại như HC và CO Trong trường hợp này, buồng phản ứng phải đủ lớn, được cách nhiệt, và phải bố trí ngay sau cửa xả nhằm đảm bảo nhiệt độ T≥1000 K cho quá trình ô xy hoá

d) Xử lý muội than trong động cơ diesel

Đối với động cơ diesel, việc điều chỉnh tải trọng được thực hiện bằng điều chỉnh chất, tức hệ số dư lượng không khi λ thay đổi trong một phạm vi rất rộng nên không thể dùng bộ xừ lý ba thành phần (đòi hỏi λ = 1) Bộ xử lý dùng trong động cơ diesel chỉ ngăn và giữ lại ở lõi bộ xử lý các tạp chất rắn chủ yếu là muội than nên còn gọi là bộ lọc Một bộ lọc như vậy được thể hiện trên hình 2.2 Bộ lọc trên hình 2-2a có lõi lọc bằng gốm xốp đặt trong vỏ thép Khi khí thải đi qua các lỗ xốp của lõi lọc, các phần tử muội than sẽ được giữ

Trang 25

Vấn đề đạt ra đối với lọc muội than là sức cản của bầu lọc càng ngày càng tăng lên theo thời gian làm việc của động cơ nên phải giải quyết việc xử lý các chất thải tích luỹ trong bộ lọc Thông thường, người ta tiêu hủy muội than tích lũy bằng phương pháp đốt để tạo thành CO2

Bình thường muội than chỉ có thể cháy ở nhiệt độ 600 đến 7000C Nhiệt độ này chỉ đạt được tại bộ lọc khi động cơ làm việc ở chế độ tải trọng và tốc độ vòng quay cực đại Vì vậy người

ta nghiên cứu các biện pháp để

giảm nhiệt độ cháy của muội than

bầng các chất xúc tác tăng cường

quá trình ôxy hóa theo phương

pháp pha vào dầu diesel, ví dụ

như pha măng gan, hoặc trộn lẫn

với dòng khí thải, ví dụ như trộn

lẫn clorua đồng Những phương

pháp vừa nêu có thể giảm nhiệt

độ cháy của muội than trong khí

thải xuống đến 3000C

Phương pháp thông thường nhất là, trong thời gian động cơ không làm việc, tháo lõi lọc để đốt muội than

Ngoài biện pháp lọc và xử lý các chất thải rắn nêu trên, các nhà chế tạo

động cơ đã và đang nghiên cứu để tìm ra các giải pháp giảm thành phần muội

Trang 26

than trong khí thải của động cơ diesel theo các hướng như hoàn thiện kết cấu của hệ thống bơm cao áp, vòi phun, tổ chức buồng cháy, bảo đảm các điều kiện kỹ thuật của động cơ khi vận hành Mục tiêu phấn đấu là làm sao giảm hàm lượng muội than trong khí thải đến mức bảo đảm tuân thủ các tiêu chuẩn

về môi trường mà không phải dùng lọc, vì bố trí lọc trên đường thải làm tăng sức cản dẫn đến giảm tính kinh tế của động cơ

2.2.3 Thay đổi cách sử dụng nhiên liệu và dùng nhiên liệu thay thế

a) Khái quát chung về nhiên liệu thay thế

Việc gia tăng một cách nhanh chóng số lượng phương tiện giao thông sử dụng nhiên liệu xăng và dầu diezel theo cách truyền thống đã tác động ngày càng xấu tới môi trường; cấm hoặc hạn chế số lượng các phương tiện là biện pháp không khả thi Nhiều phương pháp giảm hàm lượng khí xả độc hại đã

được nghiên cứu và áp dụng như đã giới thiệu ở trên Tuy nhiên các phương pháp này chỉ hiệu quả ở chế độ ấm máy hoàn toàn, ở chế độ khởi động lạnh và chạy ấm máy hàm lượng độc hại còn rất cao làm cho hàm lượng độc hại chung không thể giảm đến mức yêu cầu Chính vì vậy phương pháp thay đổi cách thức sử dụng nhiên liệu và dùng nguồn nhiên liệu mới thay thế, sạch, rẻ hơn cho các phương tiện có sử dụng động cơ đốt trong sẽ là phương án hữu hiệu trong tương lai Nhiên liệu thay thế được chia thành các nhóm sau:

- Nhiên liệu cồn Methanol và cồn Ethanol

- Nhiên liệu khí thiên nhiên nén (CNG) và khí thiên nhiên hoá lỏng (LNG)

- Khí dầu mỏ hoá lỏng (LPG)

- Nhiên liệu khí Hyđrô (H2)

- Nhiên liệu giàu Hyđrô: hỗn hợp của nhiên liệu hóa thạch với hyđrô Nhiên liệu khí có nguồn gốc hoá thạch có giá thành rẻ hơn xăng và có tỷ

lệ H/C lớn hơn nên khi cháy thải ra ít CO và CO2 hơn Thêm nữa, nhiên liệu

Trang 27

này không chứa benzene và các thành phần các bua hyđrô khác nên sạch hơn xăng Nhiên liệu này có khả năng tạo hoà khí tốt, có tính chống kích nổ cao, khả năng cháy với hỗn hợp nghèo hơn hẳn nhiên liệu xăng cho nên lượng khí thải độc hại thấp hơn nhiều, có thể giảm 20% lượng CO2 so với dùng nhiên liệu xăng

Hiện nay trên thế giới đang có hơn 1,2 triệu xe sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên nén (CNG) và gần 1,4 triệu phương tiện sử dụng khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) chủ yếu ở Achentina,Italy, Canada, Mỹ, Nhật bản và không chỉ ở các nước phát triển mà các nước đang phát triển cũng rất quan tâm tới nguồn nhiên liệu sạch này ở Việt Nam, sử dụng nguồn nhiên liệu sạch cũng là một vấn đề được đảng và chính phủ quan tâm và nhất là khi ngành khí công nghiệp

ở nước ta rất phát triển và đến nay đã có nhiều chương trình chạy thử xe dùng nhiên liệu khí Tuy nhiên do nhiệt trị mole thấp hơn xăng nên công suất động cơ sẽ thấp hơn nếu cùng kích thước

Nhiên liệu cồn Methanol và cồn Ethanol cũng đã được sử dụng làm nhiên liệu thay thế và phụ gia nhiên liệu với mục đích giảm chi phí, giảm thành phần

độc hại khí xả và tăng trị số ốc tan nhiên liệu trong động cơ xăng [6, 7] Tuy nhiên khi chuyển động cơ xăng sang dùng loại nhiên liệu này thì công suất giảm [8] Thêm nữa, loại nhiên liệu này thường chỉ sẵn có với mức giá chấp nhận được ở các nước nông nghiệp và công nghiệp mía đường phát triển

b) Nhiên liệu hyđrô

Bên cạnh các loại nhiên liệu thay thế nói trên, hyđrô từ lâu đã được xem như một loại nhiên liệu mong muốn cho động cơ đốt trong [9] Khác với các loại nhiên liệu truyền thống, đây là nguồn nhiên liệu có thể tái tạo và có thể

được sản xuất từ nguồn nước vô tận và có khả năng sử dụng cho cả động cơ xăng [10, 11] và động cơ diesel [12] Hyđrô khi phản ứng với ô xy tao ra sản phẩm sạch, chỉ có nước và không có thành phần ô nhiễm nào, kể cả CO2 nên không gây ô nhiễm môi trường và không gây hiệu ứng nhà kính như khi sử

Trang 28

dụng các loại nhiên liệu hóa thạch Thêm nữa, nhiên liệu này có ưu điểm là cháy nhanh, trị số ốc tan cao, chống kích nổ tốt [13], nên cho phép động cơ có thể làm việc ở tốc độ rất cao, tỷ số nén lớn, nhờ đó mà dễ dàng tăng công suất

động cơ Lợi dụng đặc điểm này, hãng BMW đã sản suất nhiều ô tô chạy nhiên liệu hyđrô lỏng, đặc biệt là đã lắp động cơ hyđrô công suất cao lên xe series 7, phiên bản xe đua Giới hạn thành phần hỗn hợp để đảm bảo khả năng cháy tốt rất rộng nên động cơ có thể làm việc với hỗn hợp rất loãng, λ=1ữ4,

Do đó động cơ có thể chạy hỗn hợp nghèo để giảm NOx và góp phần làm tăng tính kinh tế sử dụng động cơ Mặc dù vậy, nhiên liệu hydro cũng có một số nhược điểm so với nhiên liệu xăng và diesel là nhiệt trị mole rất thấp nên nếu không thay đổi kết cấu động cơ khi chuyển từ động cơ chạy xăng hoặc diesel sang động cơ chạy hoàn toàn bằng hydro thì công suất động cơ sẽ bị giảm nhiều Thêm nữa, việc sản xuất, vận chuyển và tích trữ bảo quản nhiên liệu hydro đủ để thay thế hoàn toàn xăng hoặc diesel khá khó khăn và tốn kém do nhiên liệu có tỷ trọng rất thấp

c) Nhiên liệu giàu hyđrô

Chính vì một số nhược điểm của nhiên liệu hyđrô nói trên nên nhiều nhà nghiên cứu quan tâm đến việc sử dụng hydro như một thành phần phụ gia cho nhiên liệu truyền thống Với phương pháp này, hydro chỉ được cấp một tỷ lệ nào đó vào trong động cơ để hòa trộn với nhiên liệu chính là xăng, diesel, hoặc khí thiên nhiên [14, 15] để tạo ra hỗn hợp nhiên liệu giàu hyđrô (có hyđrô ở trạng thái tự do trong hỗn hợp) Nhờ đặc tính cháy nhanh, hydro sẽ giúp đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu chính tốt hơn nên giảm được thành phần độc hại khí thải, mở rộng giới hạn cháy và tăng tính chống kích nổ cho động cơ trong khi không thay đổi kết cấu động cơ so với khi dùng xăng hoặc diesel Vấn đề đặt ra là cần có nguồn cung cấp hydro ổn định và tiện lợi ngay trên xe

để động cơ hoạt động liên tục với hỗn hợp nhiên liệu nói trên

Trang 29

2.2.4 Phương pháp sản xuất hyđrô và nhiên liệu giàu hyđrô cho nhiên liệu thay thế

Có thể thấy hyđrô tồn tại vô tận trên trái đất, tuy nhiên hyđrô không tồn tại

ở trạng thái tự do mà dưới dạng hợp chất với các nguyên tố khác như nước, hyđrô các bon và các chất hữu cơ khác Do đó, để có được hyđrô nguyên chất, cần phải tách hyđrô từ các hợp chất chứa nó Có nhiều phương pháp sản xuất hyđrô tùy theo điều kiện sẵn có và yêu cầu sử dụng

Hyđrô có thể được sản xuất bằng phương pháp điện phân [16], quang hóa [17] hoặc nhiệt hóa với chất xúc tác để tách hyđrô từ nước [18] Tuy nhiên để

đảm bảo sản xuất được hyđrô đủ để cho động cơ hoạt động liên tục thì đòi hỏi thiết bị phức tạp, đắt tiền và chi phí rất tốn kém nên không thích hợp cho việc sản xuất nhiên liệu cho động cơ

Các phương pháp biến đổi (reforming) nhiệt hóa nhiên liệu chứa hyđrô, CmHnOr (cồn hoặc nhiên liệu nguồn gốc hóa thạch) là các phương pháp rẻ tiền

và dễ dàng sản xuất khí tổng hợp chứa CO, H2 và CO2 với hàm lượng thể tích H2 khá cao, từ 15% đến 70% [19] Phương pháp này được áp dụng phổ biến với các loại nhiên liệu nguồn gốc dầu mỏ như xăng [22] và dầu diesel [21] khí thiên nhiên [22] và Có 4 phương pháp biến đổi nhiệt hóa phổ biến đối với nhiên liệu hóa thạch (hyđrô các bon) được sử dụng để sản xuất hyđrô như sau:

a) Phản ứng nhiệt hóa nhiên liệu hyđrô các bon với hơi nước (phản ứng thu nhiệt)

Các phản ứng hóa học chính trong quá trình biến đổi nhiệt hóa của nhiên liệu hyđrô các bon với hơi nước được biểu diễn bới các phương trình sau [23]:

CnHm + nH2O = nCO + (m/2+n)H2

(2-6)

CO + H2O = CO2 + H2 (2-7) CnHm + 2nH2O = nCO2 + (m/2+2n)H2 (2-8)

Trang 30

Quá trình phản ứng trên cho hàm lượng hyđrô khá cao trong sản phẩm (đến 70% thể tích) Cho nên có thể nói đây là phương pháp được áp dụng phổ biến để sản xuất hyđrô ở quy mô công nghiệp Tuy nhiên đây là quá trình phản ứng thu nhiệt, quá trình chỉ xảy ra khi các chất tham gia phản ứng được cấp đủ nhiệt để duy trì nhiệt độ chung tối thiểu trên 400oC Do đó phương pháp này đòi hỏi thiết bị cồng kềnh và cần một nguồn nhiệt lớn nên không thích hợp cho việc áp dụng trên các phương tiện vận tải để cung cấp nhiên liệu hyđrô cho động cơ

b) Phản ứng o xy hóa nhiên liệu không hoàn toàn (phản ứng tỏa nhiệt):

Nhiên liệu hyđrô các bon nếu phản ứng cháy với ô xy trong điều kiện thiếu ô xy sẽ tạo ra sản phẩm là khí hyđrô và oxit các bon, đồng thời giải phóng một nhiệt lượng lớn Có thể coi quá trình phản ứng được thực hiện theo một phương trình tổng hợp (2-9) dưới đây:

CnHm + 0,5nO2 = nCO +0,5mH2 (2-9) Tuy nhiên, đây là quá trình phản ứng phức tạp xảy ra với nhiều phản ứng [19], trước tiên một phần nhiên liệu được cháy hoàn toàn tạo ra hơi nước, khí các bon nic và tỏa nhiệt theo phương trình (2-10):

CnHm + (n+0,25m)O2 = nCO2 + 0,5mH2O (2-10) Sau đó, hơi nước sẽ phản ứng với phần nhiên liệu còn lại theo các phương trình phản ứng (2-6) đến (2-8) nhờ nhiệt sinh ra từ phản ứng cháy trước đó của nhiên liệu với ô xy

Quá trình nhiệt hóa trên tuy không cần cấp nhiệt cho các chất tham gia phản ứng và do đó không cần nguồn cung cấp nhiệt nhưng hàm lượng hyđrô tạo ra trong sản phẩm không cao trong khi hàm lượng khí không mong muốn

ôxit các bon CO thì lại quá cao, đồng thời nhiệt lượng thải ra ngoài cũng lớn, gây lãng phí và làm đốt nóng thiết bị, cần phải làm mát để duy trì sự làm việc

Trang 31

bình thường của hệ thống Cho nên phương pháp này cũng không thích hợp cho việc áp dụng trên phương tiện vận tải

c) Phản ứng nhiệt hóa hyđrô các bon với khí các bon níc (phản ứng thu nhiệt)

Trong điều kiện nhiệt độ cao và môi trường có chất xúc tác, nhiên liệu hyđrô các bon có thể phản ứng với CO2 tạo ra khí ô xit các bon và hyđrô [24] theo phương trình (2-11)

CnHm + nCO2 = 2nCO +0,5mH2 (2-11) Tương tự như phản ứng nhiệt hóa với hơi nước, quá trình phản ứng này cũng cần được cung cấp một nguồn nhiệt Tuy nhiên phản ứng này cho sản lượng hyđrô nhỏ hơn so với phản ứng biến đổi nhiệt hóa của nhiên liệu hyđrô các bon với hơi nước trong khi sản phẩm CO thì lại cao hơn nhiều Do vậy phương pháp này cũng không thích hợp cho việc cung cấp hyđrô trên các phương tiện vận tải

d) Biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu hyđrô các bon với đồng thời hơi nước, ô xy

và các bon níc (quá trình phản ứng trung tính về nhiệt)

Qua phân tích ba phương pháp biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu hyđrô các bon

để tách hyđrô ở trên ta thấy phương pháp phản ứng nhiên liệu với hơi nước cho sản lượng hyđrô cao nhưng lại cần phải cung cấp nhiều nhiệt, trong khi phương pháp ô xy hóa không hoàn toàn nhiên liệu tạo ra ít hyđrô hơn lại thải

ra nhiệt Do vậy có thể kết hợp hai quá trình này để tận dụng nguồn nhiệt tỏa

ra từ quá trình ô xy hóa nhiên liệu Bên cạnh đó, trong điều kiện nhiệt độ cao

do quá trình ô xy hóa nhiên liệu, khí các bon níc tạo ra trong quá trình phản ứng ô xy hóa và quá trình phản ứng của nhiên liệu với hơi nước cũng sẽ tham gia vào phản ứng tách hyđrô từ nhiên liệu Như vậy ta có thể cấp đồng thời hơi nước, nhiên liệu và không khí (ô xy) với các tỷ lệ thích hợp vào trong lò phản ứng có chất xúc tác (Nickel) sau khi đã khởi động lò (nhờ đốt nhiên liệu) đến

Trang 32

nhiệt độ trên 400oC để tạo ra hyđrô mà không cần phải cấp thêm nhiệt và cũng

không cần phải làm mát thiết bị trong quá trình phản ứng [25] Trong điều

kiện này, các phản ứng nhiệt hóa chính xảy ra trong lò phản ứng xúc tác bao

gồm:

CnHm + (n+0,25m)O2 = nCO2 + 0,5mH2O (2-12)

CnHm + nH2O = nCO + (m/2+n)H2 (2-13)

CO + H2O = CO2 + H2 (2-14) CnHm + 2nH2O = nCO2 + (m/2+2n)H2 (2-15) CnHm + nCO2 = 2nCO +0,5mH2 (2-16) Sản phẩm cuối cùng của quá trình phản ứng biến đổi nhiệt hóa tổng hợp

được biểu diễn bởi các phương trình phản ứng (2-12) đến (2-16) sẽ bao gồm

H2, CO, CO2 và có thể còn có H2O và CnHm thừa Tỷ lệ của các thành phần

này trong sản phẩm phụ thuộc vào loại nhiên liệu sử dụng, tỷ lệ thành phần

giữa nhiên liệu với hơi nước và không khí và đồng thời phụ thuộc vào nhiệt độ

của lò phản ứng xúc tác nếu được cấp thêm nhiệt

Như vậy tùy theo tỷ lệ thành phần giữa nhiên liệu, hơi nước, không khí và

nhiệt cấp vào lò phản ứng mà quá trình biến đổi nhiệt hóa trong lò có thể gần

với quá trình biến đổi nhiệt hóa với hơi nước hay quá trình ô xy hóa không

hoàn toàn nhiên liệu

Phương pháp phản ứng tổng hợp này so với các phương pháp biến đổi

nhiệt hóa nhiên liệu riêng rẽ giới thiệu ở mục a), b) và c) nói trên có ưu điểm

là hiệu quả cao vì không phải cấp nhiệt và đồng thời không lãng phí nhiệt, hơn

nữa chính vì không cần cấp nhiệt và không cần thiết bị làm mát hệ thống nên

trang thiết bị lò phản ứng xúc tác sẽ nhỏ gọn và có thể trang bị được trên các

phương tiện vận tải một cách dễ dàng Tuy nhiên sản lượng hyđrô thấp hơn so

với phương pháp biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu với hơi nước [26]

Trang 33

Đối với động cơ đốt trong, chúng ta đều biết một phần nhiệt lượng đáng kể sinh ra do đốt cháy nhiên liệu bị thải ra ngoài theo khí thải Phần nhiệt này có thể chiếm 30-50% tổng nhiệt lượng do đốt cháy nhiên liệu, tức là khoảng tương đương với công suất động cơ [27] Do đó có thể tận dụng một phần nhiệt thải này để biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu với hơi nước, tạo nhiên liệu giàu hyđrô cho động cơ Bằng phương pháp này, có thể tạo được bộ phản ứng xúc tác nhỏ gọn mà lại có hiệu suất biến đổi cao, hàm lượng hyđrô lớn vì có thể sử dụng phương pháp biến đổi nhiệt hóa với hơi nước trong khi không cần phải có thiết bị cung cấp nhiệt từ ngoài Do vậy đề tài này sẽ tập trung nghiên cứu giảm thành phần độc hại khí thải động cơ đốt trong bằng cách sử dụng nhiên liệu giàu hyđrô được tạo ra nhờ phương pháp biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu tận dụng nhiệt khí thải

2.3 Mục đích và phạm vi nghiên cứu của đề tài

2.3.1 Mục đích của đề tài

Nghiên cứu giảm thành phần độc hại khí thải động cơ đốt trong bằng phương pháp sử dụng nhiên liệu giàu hyđrô được tạo ra ngay trên động cơ nhờ

bộ phản ứng xúc tác biến đổi nhiệt hóa một phần nhiên liệu tận dụng nhiệt khí thải của động cơ

2.3.2 Phạm vi nghiên cứu của đề tài

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của quá trình biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu bằng phương pháp mô hình toán để xác định tỷ lệ tối ưu giữa nhiên liệu với các chất tham gia phản ứng, ví dụ như hơi nước, điều kiện nhiệt độ và tải trọng của bộ xúc tác để cho sản lượng hyđrô cao nhất

- Dựa trên kết quả mô hình hóa nói trên, tính toán, thiết kế hợp lý bộ phản ứng xúc tác biến đổi nhiệt hóa một phần nhiên liệu tận dụng nhiệt khí thải dùng trên động cơ đốt trong

Trang 34

- Khảo nghiệm động cơ với nhiên liệu giàu hyđrô được tạo ra nhờ bộ phản ứng đã thiết kế chế tạo để xác định hiệu quả của phương pháp trong việc giảm thành phần độc hại trong khí thải động cơ

2.3.3 Động cơ nghiên cứu

Thành phần độc hại dạng khí nguy hại nhất của khí thải động cơ đốt trong

là CO và HC được phát ra chủ yếu từ động cơ xăng Các thành phần này của khí thải động cơ diesel thấp hơn nhiều [28] Do vậy, đề tài này chọn đối tượng

động cơ nghiên cứu là động cơ xăng

Chương 3 Mô hình toán nghiên cứu quá trình SảN XUấT hyđrô bằng phương pháp biến đổi nhiệt hóa NHIÊN LIệU XĂNG 3.1 Giới thiệu chung

Để thực hiện mục đích nghiên cứu đặt ra của đề tài, động cơ nghiên cứu

được chọn là động cơ xăng và nghiên cứu đặc điểm phát thải các thành phàn khí độc hại CO, HC và NOx của động cơ này khi sử dụng nhiên liệu giàu hyđrô là hỗn hợp của hơi xăng và một phần nhỏ khí hyđrô tự do đóng vai trò phụ gia cải thiện quá trình cháy

Do vậy vấn đề đặt ra là cần có nguồn cung cấp hyđrô liên tục trên động cơ Như đã phân tích ở trên, nguồn hyđrô cần cung cấp sẽ được tạo ra bằng cách tách thành phần hyđrô trong các loại nhiên liệu hyđrô các bon như khí thiên nhiên (chứa 90-95% metan CH4), xăng (phân tử chứa 5-8 nguyên tử các bon: C5đến C8) hoặc dầu điesel (phân tử chứa 9 đến 16 nguyên tử các bon: C9

đến C16) [29]

Trong số các loại nhiên liệu nói trên, khí thiên nhiên có tỷ lệ hyđrô trong phân tử là lớn nhất (trung bình khí thiên nhiên có tỷ lệ nguyên tử H/C≈3,8, trong khi xăng có H/C≈2,2-2,4 và dầu diesel có H/C<2,17) nên hiệu quả tách

Trang 35

hyđrô cao hơn và giải phóng ít CO2 hơn so với nhiên liệu xăng và dầu diesel Tuy nhiên nếu dùng khí thiên nhiên làm nguồn cung cấp hyđrô thì lại phải có thiết bị tích trữ nhiên liệu này đi theo động cơ ngoài thiết bị tích trữ xăng trong khi khí thiên nhiên tồn tại ở thể khí nhẹ nên phải tích trữ dưới dạng nén hoặc dạng hóa lỏng với thiết bị khá phức tạp và cồng kềnh Do đó, trên động cơ xăng thì dùng xăng làm nguồn cung cấp hyđrô là thích hợp nhất, tức là sẽ tách hyđrô từ một phần nhiên liệu xăng sử dụng trên động cơ bằng phương pháp biến đổi nhiệt hóa với hơi nước, không khí và CO2 như đã giới thiệu ở trên

Mục đích nghiên cứu của chương này là nghiên cứu đặc điểm quá trình biến đổi nhiệt hóa của xăng trong môi trường với hơi nước, ô xy (không khí)

và CO2 ở các điều kiện nhiệt độ khác nhau và xác định các tỷ lệ thành phần tối ưu giữa xăng với nước, không khí và CO2 để cho hàm lượng hyđrô cao nhất trong các điều kiện nhiệt độ nhất định để làm cơ sở cho việc thiết kế lò phản ứng xúc tác tận dụng nhiệt khí thải

3.2 Các phản ứng xúc tác biến đổi nhiệt hóa của xăng

Xăng là một hỗn hợp của vô số các hyđrô các bon có số nguyên tử các bon trong phân tử thay đổi từ 2 đến 8 và kết cấu phân tử cũng có nhiều dạng, trong

đó izo-octan C8H18 chiếm tỷ lệ cao nhất Với nhiên liệu xăng chuẩn dùng cho

động cơ đốt trong, thành phần khối lượng các bon trong xăng chiếm 84-85,5%

và hyđrô chiếm 14,5-16%, tương đương với 1 hyđrô các bon có thành phần phân tử giả định nằm giữa C7H17 và C8H18 Trong tính toán, người ta thường chọn công thức phân tử giả định của xăng là C8H18 gần với izo-octan [28] Trong phần tính toán của đề tài này, C8H18 cũng được giả định là công thức phân tử của xăng

Nếu cung cấp hỗn nhiên liệu hyđrô các bon, không khí và hơi nước với các

tỷ lệ thành phần thích hợp vào lò phản ứng có chất xúc tác được duy trì ở nhiệt

độ trên 400oC thì trong lò sẽ xảy ra các phản ứng nhiệt hóa tạo ra sản phẩm là

Trang 36

hyđrô H2, các bon níc CO2 và ô xy O2 cùng các thành phần dư thừa của chất tham gia phản ứng [25, 26] Sự biến đổi nhiệt hóa các loại hyđrô các bon dạng lỏng như xăng và dầu diesel để sản xuất hyđrô chưa được nghiên cứu chi tiết như đối với các loại hyđrô các bon nhẹ dạng khí Tuy nhiên có thể dựa trên việc phân tích các phản ứng hóa học chung và một số dữ liệu về tốc độ phản ứng trong quá trình phản ứng biến đổi nhiệt hóa để tính toán động học quá trình tạo thành các sản phẩm trong lò phản ứng xúc tác, từ đó có thể xác định một cách định lượng về các nhân tố ảnh hưởng và do đó có thể xác định được các tỷ lệ tối ưu của các thành phần các chất tham gia phản ứng để cho hàm lượng H2 cao nhất trong điều kiện nhiệt độ có thể duy trì

Các phản ứng hóa học xảy ra trong lò phản ứng xúc tác rất phức tạp nên việc mô tả đầy đủ và chi tiết tất cả các phản ứng trung gian là không thể [25] Tuy nhiên, có thể chỉ cần quan tâm đến các phản ứng hóa học chính dựa trên các sản phẩm cuối cùng ở trạng thái cân bằng để mô tả quá trình mà cũng không gặp sai số nhiều trong tính toán vì các phản ứng hóa học chính có tốc

độ hớn hơn rất nhiều so với các phản ứng trung gian [19] Các phản ứng này

có thể là phản ứng tạo ra sản phẩm trung gian hoặc phản ứng tạo ra các sản phẩm cuối cùng

Trong môi trường thiếu ô xy, nhiên liệu hyđrô các bon có thể được ô xy hóa không hoàn toàn để trực tiếp tạo ra sản phẩm là CO và H2 [30] Với xăng, phản ứng này được biểu diễn bởi phương trình sau:

O 9H CO 8 O 4 H

Trang 37

2 2

18

8 H 8 H O 8 CO 7 H

2 2

2 18

8 H 16 H O 8 CO 5 H

2 2

18

8 H 8 CO 16 CO 9 H

2 2

2 O CO H H

Tốc độ của các phản ứng trên tùy thuộc và điều kiện nhiệt độ và xúc tác của môi trường phản ứng và thành phần của các chất tham gia phản ứng Nếu cấp thêm nước và nhiệt vào lò phản ứng xúc tác thì quá trình phản ứng nhiệt hóa của nhiên liệu với nước sẽ được thúc đẩy mạnh hơn, tức là tốc độ phản ứng biểu diễn bởi các phương trình (3-2) đến (3-5) sẽ mạnh lên và ít phụ thuộc vào tốc độ phản ứng biểu diễn bởi phương trình (3-1)

Đối với động cơ xăng khi làm việc ở chế chộ toàn tải, nhiệt độ khí thải tại gần cửa thải có thể đạt 600-700oC, còn ở chế độ không tải nhanh, nhiệt độ cũng có thể đạt 400-450oC [5, 28] Do đó nhiệt lượng của khí thải hoàn toàn

có thể đủ để thực hiện biến đổi nhiệt hóa một lượng đáng kể nhiên liệu với nước mà không cần phải cấp thêm nhiệt từ ngoài hoặc cấp thêm ô xy để tăng nhiệt từ phản ứng ô xy hóa nhiên liệu

Khí thải động cơ là một hốn hợp khí với các thành phần chính gồm CO, CO2, H2O, N2 và một hàm lượng nhỏ O2 và xăng không kịp tham gia phản ứng cháy trong xi lanh động cơ Do đó nếu cấp một lưu lượng nào đó của khí thải và một lượng nhiên liệu vào lò phản ứng xúc tác đặt trong đường ống thải gần cửa thải để tận dụng nhiệt khí thải thì trong lò sẽ xảy ra các phản ứng biến

đổi nhiệt hóa nhiên liệu bao gồm cả phản ứng của nhiên liệu với ô xy, nước, các bon níc và phản ứng trung hòa CO của nước Tuy nhiên, hàm lượng ô xy dư thừa trong khí thải động cơ xăng thường rất nhỏ, dưới 0,5% trong khi hàm lượng hơi nước chiếm khoảng 13-16% và hàm lượng khí các bon níc khoảng 12-14% [4, 28] Chính vì vậy, tốc độ phản ứng ô xy hóa nhiên liệu và tỷ lệ nhiên liệu tham gia phản ứng này so với phản ứng biến đổi nhiệt hóa của

Trang 38

nhiên liệu với nước và các bon níc sẽ rất nhỏ và do đó ảnh hưởng của phản ứng ô xy hóa nhiên liệu đến hàm lượng hyđrô trong sản phẩm trong trường hợp này là không đáng kể nên có thể bỏ qua phản ứng này Do vậy, phần nghiên cứu mô hình toán này sẽ chỉ đề cập đến các phản ứng biến đổi nhiệt hóa của nhiên liệu với hơi nước và các bon nic

Tóm lại, 4 phản ứng xúc tác chính sau đây sẽ được đề cập trong mô hình toán nghiên cứu lý thuyết quá trình biến đổi nhiệt hóa của xăng trong điều kiện nhiệt độ và xúc tác thuận lợi:

1) C8H18+ 8 H2O ↔ 8 CO + 7 H2 ∆H2(298)= 1363 kJ/mol (3-6) 2) CO + H2O ↔ CO2 + H2 ∆H3(298)= -41 kJ/mol (3-7) 3) C8H18+ 16 H2O ↔ 8 CO2 + 5 H2 ∆H4(298)= 1033 kJ/mol (3-8) 4) C8H18+ 8 CO2 ↔ 16 CO + 9 H2 ∆H5(298)= 1693 kJ/mol (3-9) Trong đó C3H8 là công thức phân tử giả định biểu diễn cho xăng, ∆H (298)là nhiệt trao đổi trong quá trình phản ứng, dấu âm (-) chỉ rằng phản ứng tỏa nhiệt, còn nhiệt trao đổi dương nghĩa là phản ứng thu nhiệt, tức là cần phải cấp

đủ nhiệt thì phản ứng đó mới xảy ra

Theo Jin et al [33], tốc phản ứng biến đổi nhiệt hóa của nhiên liệu hyđrô các bon với khí các bon níc (biểu diễn bằng phương trình 3-9) trong điều kiện nhiệt độ của bộ phản ứng xúc tác nhỏ hơn 800oC thường rất nhỏ so với phản ứng của nhiên liệu với hơi nước nên trong điều kiện nhiệt độ khí thải (400-

700oC) nên phản ứng này ít ảnh hưởng đến hàm lượng sản phẩm hyđrô của quá trình biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu Do vậy, trong mô hình toán này, phản ứng (3-9) chỉ được đề cập như một phản ứng trung gian trong quá trình biến

đổi nhiệt hóa của nhiên liệu với hơi nước mà không cần nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng CO2 nạp vào bộ xúc tác đến sản lượng hyđrô được tạo ra

3.3 Tốc độ các phản ứng biến đổi nhiệt hóa của xăng

Trang 39

Tốc độ động học của các phản ứng hóa học trong môi trường xúc tác phụ thuộc vào hàm lượng các chất thành phần tham gia phản ứng, nhiệt độ lò phản ứng xúc tác, hệ số động học và năng lượng kích hoạt phản ứng (năng lượng để vượt hàng rào thế năng phân tử) Nói chung các phương trình biểu diễn tốc độ

động học phản ứng thường có dạng Langmuir-Hinshelwood [31] Với các phản ứng nhiệt hóa của nhiên liệu hyđrô các bon áp dụng cho xăng trong môi trường vật liệu xúc tác là nickel biểu diển bởi các phương trình (3-6) đến (3-9), các phương trình biểu diện tốc độ động học phản ứng nhiệt hóa với nước [32] và với các bon níc [33] lần lượt như sau:

+ +

−

8 8

1 3

8 5

2 H

1 1

) / 1

(

/

2 2 2 2

2

2 2

CO H O H iC

P P K P K P K P K

K P P P P P

+ +

−

8 8

2 H

2 2

) / 1

(

/

2 2 2 2

2

2 2 2

CO H O H CO

P P K P K P K P K

K P P P P p

+ +

−

8 8

3 4

2 8 5

, 3 H

3 3

) / 1

(

/

2 2 2 2

2

2 2 2

CO H O H iC

P P K P K P K P K

K P P P P p

8 4

2 2 8

4

CO iC

H CO CO

iC

P P K

P P P

P k

j

k k

Trang 40

Tốc độ sinh ra hoặc mất đi của một thành phần khí nào đó trong quá trình phản ứng biểu diễn bới các phản ứng 1 đến 4 được xác định bằng cách cộng

đại số tốc độ phản ứng của thành phần đó trong toàn bộ 4 phản ứng trên Theo nguyên tắc này, tốc độ thay đổi của các khí thành phần trong quá trình phản ứng trong lò xúc tác được xác định như sau:

4 3 1 iC8 R R R

4 3 2

3 2

1 O

4 2

1

CO 8R R 16R

4 3 2

j

k k

Định dạng
Số trang	100
Dung lượng	1,54 MB