Nghiên cứu giảm phát thải bằng bộ xúc tác ôxy hóa DOC và phát thải dạng DPF trên động cơ diesel

Khổng Vũ Quảng - Bộ môn ĐCĐT - Viện CKĐL - Trường ĐHBK Hà Nội nên em đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu giảm phát thải bằng bộ xúc tác góp phần đưa ra giải pháp hạn chế phát thải độc hại,

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LÊ KHẢ LAN

NGHIÊN CỨU GIẢM PHÁT THẢI BẰNG BỘ XÚC TÁC ÔXY HÓA DOC VÀ LỌC PHÁT THẢI DẠNG HẠT DPF TRÊN ĐỘNG

CƠ DIESEL

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS KHỔNG VŨ QUẢNG

Hà Nội - Năm 2014

L ỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi

Các k ết quả, số liệu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

b ố trong các công trình nào khác

Hà N ội, tháng 03 năm 2014

H ọc viên

Lê Kh ả Lan

Em xin bày tỏ lòng biết ơn đến các Thầy cô giáo phản biện và trong Hội đồng

chấm luận văn đã đọc, có những ý kiến quý báu để em có thể hoàn chỉnh luận văn

một cách tốt nhất và có những định hướng nghiên cứu trong trương lai

Cuối cùng là lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, những người đã luôn động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn

Hà N ội, tháng 03 năm 2014

H ọc viên

Lê Kh ả Lan

M ỤC LỤC

L ỜI CAM ĐOAN i

L ỜI CẢM ƠN ii

M ỤCLỤC iii

DANH M ỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH M ỤC BẢNG viii

DANH M ỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ix

M Ở ĐẦU 1

Chương1 TỔNG QUAN VỀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU 5

1.1 Xu hướng phát triển của động cơ 5

1.1.1 S ự phát triển và vai trò quan trọng của động cơ đốt trong 5

1.1.2 Tác động của phát thải do các phương tiện giao thông sử dụng động cơ đốt trong đến môi trường 7

1.2 Thực trạng phát thải từ các phương tiện tham gia giao thông sử dụng động cơ

diesel 8

1.2.1 S ự gia tăng các phương tiện sử dụng động cơ diesel 8

1.2.2 Th ực trạng phát thải của các phương tiện sử dụng động cơ diesel 9

1.3 Các giải pháp giảm phát thải độc hại cho động cơ diesel 17

1.3.1 Gi ải pháp liên quan đến cải tiến kết cấu động cơ 18

1.3.2 Gi ải pháp liên quan đến xử lý trên đường thải 20

Kết luận chương 1 31

Chương 2 NGHIÊN CỨU GIẢM PHÁT THẢI PM CHO ĐỘNG CƠ D1146TI 33

2.1 Đối tượng nghiên cứu 33

2.2 Thực trạng phát thải của động cơ D1146TI 33

2.3 Nghiên cứu lựa chọn giải pháp giảm phát thải PM cho động cơ D1146TI 33

2.3.1 Các gi ải pháp giảm phát thải PM hiện nay đang được sử dụng 35

2.3.2 L ựa chọn giải pháp giảm PM cho động cơ D1146TI 43

2.4 Tính toán lựa chọn bộ DOC và DPF 45

2.4.1 Gi ới thiệu chung về bộ DOC và bộ lọc DPF 45

2.4.2 Tính toán l ựa chọn bộ DPF 46

2.4.3 Tính toán l ựa chọn bộ DOC 48

2.5 Thiết kế lắp đặt bộ DOC và DPF trên đường thải cho động cơ D1146TI 50

2.5 1 Quan điểm thiết kế lắp đặt hệ thống DOC và DPF 50

2.5.2 Thi ết kế lắp đặt hệ thống DOC và DPF trên động cơ D1146TI 51

Kết luận chương 2 53

Chương 3: NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM 54

3.1 Mục đích và phạm vi thử nghiệm 54

3.1.1 M ục đích thử nghiệm 54

3.1.2 Ph ạm vi thử nghiệm 54

3.2 Các nội dung thử nghiệm 54

3.3 Đối tượng và thiết bị thử nghiệm 54

3.3.1 Động cơ thử nghiệm 54

3.3.2 Thi ết bị thử nghiệm 55

3.4 Các bước thử nghiệm 61

3.4.1 Điều kiện thử nghiệm 61

3.4.2 B ố trí lắp đặt và hiệu chỉnh động cơ trên băng thử 62

3.4.3 Phương pháp và chương trình thử nghiệm 63

3.4.4 Tính toán kh ối lượng các chất phát thải theo chu trình ECE R49 64

3.4.5 Th ử nghiệm đánh giá khả năng giảm phát thải khi lắp bộ DPF 65

3.4.6 Th ử nghiệm đánh giá khả năng giảm phát thải khi lắp kết hợp cả hai bộ

DOC và DPF 66

Kết luận chương 3 67

Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 68

4.1 Ảnh hưởng của bộ DPF đến mức độ giảm phát thải và đặc tính kỹ thuật của

động cơ D1146TI 68

4.1.1 Ảnh hưởng của bộ DPF đến mức độ phát thải của động cơ D1146TI 68

4.1.2 Ảnh hưởng của bộ DPF đến đặc tính làm việc của động cơ D1146TI 69

4.2 Ảnh hưởng của bộ DOC và DPF đến mức độ giảm phát thải và đặc tính kỹ

thuật của động cơ D1146TI 70

4.2.1 Ảnh hưởng của bộ DOC và DPF đến mức độ giảm phát thải của động cơ

D1146TI 71

4.2.2 Ảnh hưởng của bộ DOC và DPF đến đặc tính làm việc của động cơ

D1146TI 72

Kết luận chương 4 75

K ẾT LUẬN CHUNG VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN 76

TÀI LI ỆU THAM KHẢO 78

DANH M ỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

CRT Continuous Regeneration Trap - Bộ lọc tái sinh liên tục -

ECE R49 Chu trình thử châu Âu ở chế độ tĩnh đối với động cơ xe

DOC Diesel Oxidation Catalyst - Bộ xúc tác ôxy hóa -

DPF Diesel Particulate Filter - Bộ lọc phát thải hạt, dạng lọc

GTCC Giao thông công chính

SCRT Hệ thống xử lý khí thải tổng hợp gồm CRT và SCR -

LEV Low Emission Vehicles - Phương tiện đi lại phát thải

VGT Varaibale Geometry Turbochanger - Bộ tăng áp hình học -

VOCs Volatile Organic Compounds - hàm lượng hỗn hợp các

chất hữu cơ độc hại bay lên trong không khí -

DANH M ỤC BẢNG

B ảng 1.1 Sự gia tăng các phương tiện cơ giới của Việt Nam 5 Bảng 1.2 Bùng nổ giao thông cơ giới (ước tính) 6

B ảng 1.3 Số liệu dự báo mức độ tăng trưởng kinh tế và phương tiện tham gia giao

thông ở các đô thị lớn Việt Nam và một số nước trong khu vực 6

Bảng 1.4 Lượng phát thải của các thành phần trong động cơ diesel 14 Bảng 1.5 Các biện pháp giảm phát thải trên động cơ 30 Bảng 2.1 Kết quả các thành phần phát thải khi có EGR và không có EGR

theo chu trình ECE R49 34

Bảng 2.2 Kích thước cơ bản của bộ lọc DPF cho động cơ diesel D1146TI 48 Bảng 2.3 Kích thước cơ bản của bộ ô xy hóa DOC cho động cơ diesel D1146TI 50 Bảng 2.4 Nhiệt độ khí xả của động cơ D1146TI đo tại vị trí cách tuabin 40mm 52 Bảng 3.1 Các thông số kết cấu của động cơ D1146TI 55 Bảng 3.2 Diễn giải các mode của chu trình thử ECE R49 64 Bảng 3.3 Trọng số 65 Bảng 4.1 Kết quả đo mức phát thải PM khi có và không lắp bộ lọc DPF trên đường

thải động cơ D1146TIcó lắp đặt sẵn bộ EGR theo chu trình ECE R49. 68

Bảng 4.2 Kết quả đo các thành phần phát thải khi có và không lắp bộ xử lý khí thải

DOC và DPF trên đường thải động cơ D1146TIcó lắp đặt sẵn bộ EGR theo13 mode của chu trình thử ECE R49 71

Bảng 4.3 Tổng hợp kết quả đo các thành phần phát thải khi không và có lắp bộ

DOC và DPF trên đường thải động cơ D1146TIcó lắp đặt sẵn bộ EGR theo chu trình thử ECE R49 72

DANH M ỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Số lượng ôtô và xe máy hoạt động hàng năm của Việt Nam 6

Hình 1.2 Số lượng và tỷ lệ xe con sử dụng động cơ diesel ở Đức 8

Hình 1.3 Thực tế ô nhiễm do phương tiện giao thông 10

Hình 1.4 Đặc tính các thành phần độc hại của động cơ diesel theo λ 11

Hình 1.5 Tỷ lệ của các thành phần khí thải trong động cơ diesel 11

Hình 1.6 Tóm tắt quá trình hình thành bồ hóng của Fusco 13

Hình 1.7 Sự hình thành NO phụ 15

Hình 1.8 Biến thiên tỷ số NO2/NO theo tải của động cơ diesel 16

Hình 1.9 Các giải pháp giảm phát thải NOX và PM nhằm hướng tới các tiêu chuẩn Châu Âu 18

Hình 1.10 Kết cấu vòi phun nhiên liệu 19

Hình 1.11 Sơ đồ hệ thống EGR 21

Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống EGR áp suất dùng ống Venturi 23

Hình 1.13 Lọc khí thải động cơ diesel 24

Hình 1.14 Các dạng lọc PM 24

Hình 1.15 Bộ lọc DPF đồng thời là bộ tiêu âm 25

Hình 1.16 Cấu tạo bộ DOC 26

Hình 1.17 Hiệu quả giảm phát thải trên động cơ diesel của bộ DOC 27

Hình 2.1 Khí thải độc hại từ xe bus 33

Hình 2.2 Cấu tạo lọc kín (lọc khối) 35

Hình 2.3 Cấu tạo lọc hở (lọc bề mặt) 36

Hình 2.4 Lọc gốm monolith 37

Hình 2.5 Lõi lọc bằng lưới sợi gốm 37

Hình 2.6 Lõi lọc Celmet 38

Hình 2.7 Lõi lọc bằng sợi thép mạ crom 38

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý hệ thống CRT 40

Hình 2.9 Đưa thêm Glycol vào khí thải trước khi cho qua bộ xúc tác 40

Hình 2.10 Đốt PM bằng dây điện trở 42

Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống SCR 43

Hình 2.12 Cấu tạo bộ xúc tác DOC 45

Hình 2.13 Cấu tạo bộ lọc chất thải dạng hạt DPF 46

Hình 2.14 K ết cấu lõi lọc DPF hở (lọc bề mặt) 47

Hình 2.15 K ết cấu lõi lọc DPF kín (lọc khối) 47

Hình 2.16 Kích thước cơ bản của bộ lọc DPF 47

Hình 2.17 Bộ xử lý khí thải kiểu xúc tác 3 đường 49

Hình 2.18 Các phản ứng chính diễn ra trong bộ xúc tác 2 đường 49

Hình 2.19 Kích thước cơ bản của bộ DOC 49

Hình 2.20 Kết cấu lắp đặt hệ thống DOC và DPF 51

Hình 2.21 Vị trí lắp bộ DOC và DPF trên đường thải của quá trình thử nghiệm 52

Hình 2.22 Vị trí lắp cảm biến nhiệt độ trên đường thải của động cơ D1146TI 52

Hình 3.1 Động cơ D1146TI chạy thử nghiệm 54

Hình 3.2 Sơ đồ bố trí thiết bị thử nghiệm trên băng thử 56

Hình 3.3 Sơ đồ phòng thử động cơ 56

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý làm việc của phanh điện APA 100 57

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý thiết bị làm mát dầu bôi trơn AVL 554 58

Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý thiết bị làm mát nước AVL 553 58

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống 733S 59

Hình 3.8 Tủ phân tích khí thải CEB-II 60

Hình 3.9 Cấu hình thiết bị SPC 472 (Hệ thống đo phát thải dạng hạt (PM) bằng thiết bị SmartSampler) 60

Hình 3.10 Thiết bị đo độ khói AVL415 61

Hình 3.11 Động cơ D1146TI được lắp đặt trên băng thử trong PTN 62

Hình 3.12 Sơ đồ thể hiện các mode của chu trình thử ECE R49 63

Hình 4.1 Đặc tính công suất của động cơ ở các chế độ 100%, 75%, 50% và 25% tải trong các trường hợp không và có lắp bộ DPF 69

Hình 4.2 Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của động cơ ở chế độ 25%, 50%, 75% và 100% tải trong các trường hợp không và có lắp bộ DPF 69

Hình 4.3 Đặc tính mô men của động cơ ở chế độ 25%, 50%, 75% và 100% tải

trong các trường hợp không và có lắp hệ thống giảm phát thải EGR, DOC và DPF 73

Hình 4.4 Đặc tính công suất của động cơ ở chế độ 25%, 50%, 75% và 100% tải trong các trường hợp không và có lắp bộ xử lý DOC và DPF 73

Hình 4.5 Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của động cơ ở chế độ 25%, 50%, 75% và 100% tải trong các trường hợp không và có lắp hệ thống giảm phát thải EGR, DOC và DPF 74

MỞ ĐẦU

I Lý do nghiên cứu đề tài

Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển của nền kinh tế đất nước nhu

cầu đi lại, vận chuyển hàng hoá của người dân tăng nhanh dẫn tới số lượng các phương tiện giao thông đặc biệt là các phương tiện sử dụng nhiên liệu diesel tăng lên rất nhanh như xe buýt, xe khách, xe tải Theo đánh giá của chuyên gia, ô nhiễm không khí ở các đô thị lớn như TP Hà Nội, TP Hồ Chí Minh do phương tiện giao thông gây ra chiếm tỷ lệ khoảng 70% Trong đó hàm lượng phát thải của các phương tiện sử dụng nhiên liệu diesel chiếm một tỷ lệ đáng kể

Mức phát thải chất độc hại của các phương tiện cơ giới trong đó có phương tiện sử dụng động cơ diesel đang là một vấn đề hết sức quan tâm của xã hội Trong quá trình vận hành, động cơ thải ra các chất ô nhiễm như CO, CO2, NOx, HC, Pb Ngoài việc gây ô nhiễm trực tiếp đến môi trường sống và ảnh hưởng đến sức khỏe con người, các chất thải này khi phát tán vào không khí sẽ bị phân tích hoặc tổng hợp để tạo ra các tác nhân khác gây ảnh hưởng xấu đến biến đổi khí hậu

Để giảm lượng phát thải độc hại phát ra từ động cơ đốt trong mà vẫn có thể duy trì được tốc độ phát triển kinh tế nói chung và nền công nghiệp ô tô nói riêng Trên thế giới, ở những nước phát triển như: Mỹ, Nhật Bản và một số nước Châu Âu

đã đi đầu trong việc nghiên cứu và đưa ra các biện pháp giảm thiểu lượng phát thải độc hại từ động cơ ra môi trường Các nước này đã đưa ra các tiêu chuẩn về nồng

độ các chất độc hại trong khí thải động cơ và bắt buộc các xe được sản xuất trong nước hoặc các xe khi nhập khẩu đều phải tuân thủ các tiêu chuẩn về khí thải

Còn ở Việt Nam để ngăn chặn tình trạng ô nhiễm môi trường do phát thải của

các phương tiện xe cơ giới gây ra, Nhà nước đã thành lập các trạm đăng kiểm để kiểm tra các quy định về nồng độ khói của động cơ, đặc biệt Chính phủ đã ra chỉ thị

áp dụng tiêu chuẩn khí thải Châu Âu (Euro) đối với các phương tiện sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu vào Việt Nam, cụ thể là: tiêu chuẩn Euro 2 được áp dụng từ ngày

01/7/2007, lộ trình áp dụng tiêu chuẩn Euro 4 từ ngày 01/01/2017 và tiêu chuẩn Euro 5 sẽ được áp dụng từ ngày 01/01/2022 đối với tất cả các loại phương tiện vận tải 4 bánh nhập khẩu hoặc sản xuất ở trong nước

Xuất phát từ những thực tiễn về ô nhiễm môi trường do phát thải của các loại phương tiện xe cơ giới gây ra nói chung và các phương tiện sử dụng động cơ diesel nói riêng và cũng để đáp ứng được điều kiện thực tế, dung hòa được các yếu tố về kinh tế, kỹ thuật mà không ảnh hưởng đến kết cấu động cơ, đảm bảo việc cắt giảm phát thải các chất gây ô nhiễm ra môi trường, được sự giúp đỡ hướng dẫn khoa học của PGS TS Khổng Vũ Quảng - Bộ môn ĐCĐT - Viện CKĐL - Trường ĐHBK

Hà Nội nên em đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu giảm phát thải bằng bộ xúc tác

góp phần đưa ra giải pháp hạn chế phát thải độc hại, khói muội than ra môi trường

từ các loại phương tiện xe cơ giới sử dụng động cơ diesel nói chung, đặc biệt là các

loại xe chất lượng thấp nhập khẩu từ Liên Xô cũ, Trung Quốc, lắp ráp tại Việt Nam đang sử dụng phổ biến trên các xe bus, các loại xe chở khách cỡ lớn ở Việt Nam hiện nay

II Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu đề tài

2.1 Mục đích nghiên cứu

Đề tài nhằm đưa ra giải pháp công nghệ giảm phát thải độc hại, khói bụi, muội than, cụ thể là: CO, HC và PM cho động cơ diesel ra môi trường, mà không ảnh hưởng đến kết cấu động cơ, đảm bảo phù hợp với điều kiện kinh tế và thực tế trong nước, cụ thể áp dụng giảm phát thải cho các loại xe bus, xe khách sử dụng động cơ diesel đạt được tiêu chuẩn về khí thải của Việt Nam (tiêu chuẩn Euro 2 được áp

dụng từ ngày 01/7/2007 theo chỉ thị của chính phủ)

2.2 Đối tượng và Phạm vi nghiên cứu

Động cơ D1146TI được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu Đây là động cơ diesel sử dụng hệ thống cung cấp nhiên liệu truyền thống lắp phổ biến trên các xe bus, xe khách đang lưu hành ở TP Hà Nội và các tỉnh lân cận Giải pháp giảm phát

thải được áp dụng trong nghiên cứu này tập trung vào giảm phát thải PM bằng phương pháp kết hợp giữa bộ xúc tác ôxy hóa DOC và bộ lọc dạng hạt DPF Toàn

bộ các nội dung nghiên cứu, các thử nghiệm của đề tài được thực hiện ở động cơ D1146TI lắp trên băng thử tại PTN ĐCĐT - Viện CKĐL - Trường ĐHBK Hà Nội

Do điều kiện thời gian có hạn nên đề tài chỉ tập trung nghiên cứu giải pháp giảm phát thải PM của động cơ D1146TI có lắp đặt bộ EGR bằng kỹ thuật kết hợp

với bộ chuyển đổi xúc tác ôxy hóa DOC và bộ lọc dạng hạt DPF

III Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu và tham khảo các tài liệu khoa học trong và ngoài nước, các đề tài, chuyên đề nghiên cứu, tra cứu thông tin trên các trang Wed của mạng Internet

có các nội dung liên quan đến đề tài

- Sử dụng phương pháp thử nghiệm trong phòng thí nghiệm để đánh giá khả năng áp dụng công nghệ giảm phát thải độc hại bằng giải pháp kết hợp giữa bộ DOC và bộ lọc DPF

IV Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Đề tài đưa ra giải pháp nhằm mục đích giảm phát thải dạng hạt PM và hyđrô (HC), monôxit cácbon (CO) và là tác nhân giảm nhiệt độ đốt cháy muội than trong

bộ lọc dạng hạt DPF, giảm khả năng và tuổi thọ cho bộ lọc phát thải DPF, để đảm

bảo DPF cắt giảm phát thải PM dạng hạt ra môi trường cho động cơ diesel được liên tục, hiệu quả khi lắp trên các xe bus, xe khách, phù hợp với điều kiện thực tiễn kinh tế, kỹ thuật của Việt Nam

- Mặt khác, kết quả nghiên cứu của đề tài góp phần tích cực vào việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường do phát thải của các phương tiện tham gia giao thông gây

ra, đặc biệt là các loại xe bus, xe khách sử dụng động cơ diesel, được nhập khẩu từ Liên Xô cũ, Trung Quốc, lắp ráp tại Việt Nam

V Các nội dung chính trong đề tài

Với yêu cầu đặt ra là nghiên cứu cắt giảm phát thải độc hại cho động cơ diesel

D1146TI lắp chủ yếu trên xe bus, là thủ phạm chính gây ra ô nhiễm môi trường tại

các đô thị lớn như Hà Nội Bằng các giải pháp xử lý trên đường thải mà không làm

ảnh hưởng đến tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ, đảm bảo cắt giảm được nồng

độ độc hại của khí thải, thải ra môi trường, đưa mức phát thải của động cơ D1146TI

hướng tới đạt tiêu chuẩn khí thải Euro3 (tiêu chuẩn khí thải Châu Âu) Tác giả đã

thực hiện các nghiên cứu được thể hiện cụ thể trong thuyết minh như sau:

- Mở đầu

- Chương 1 Tổng quan về hướng nghiên cứu

- Chương 2 Nghiên cứu giảm phát thải PM cho động cơ D1146TI

- Chương 3 Nghiên cứu thử nghiệm

- Chương 4 Kết quả và thảo luận

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU 1.1 Xu hướng phát triển của động cơ

Xu hướng phát triển chính của động cơ đốt trong là hướng tới tốc độ, tiết kiệm nhiên liệu, nhỏ gọn hơn và đặc biệt là giảm thiểu ô nhiễm môi trường, thân thiện

hơn với môi trường, phục vụ đời sống con người ngày càng hoàn thiện hơn

Động cơ đốt trong đóng một vai trò quan trọng cho nền kinh tế quốc dân, là nguồn động lực chính của các phương tiện vận tải như: ôtô, tàu thuỷ, tàu hoả, máy bay, hay các máy công tác như: Máy phát điện, máy xây dựng, các máy công cụ trong công nghiệp, nông nghiệp…Năng lượng do động cơ đốt trong cung cấp chiếm khoảng 80% tổng năng lượng toàn Trái đất, tới thời điểm hiện tại những cải tiến đáng kể trên động cơ đã tạo ra sự khác biệt rất lớn về tốc độ, tiết kiệm nhiên liệu,

nhỏ gọn hơn… Đặc biệt động cơ diesel hiện nay được sử dụng hầu hết trên các loại

xe tải và xe chở khách của tất cả các hãng xe trên toàn thế giới, ngoài ra động cơ diesel còn được sử dụng cho các loại tầu thủy, máy công tác…

Theo thống kê của Cục đăng kiểm Việt Nam tại TP Hồ Chí Minh năm 2009 có trên 400 nghìn xe ô tô, tăng 211% so với cuối năm 2000 còn tại TP Hà Nội, năm

2009 có trên 300 nghìn xe ô tô, tốc độ tăng phương tiện cá nhân từ 12 ÷ 15%/năm.Theo thống kê của Cục đăng kiểm Việt Nam thì số lượng các phương tiện gia tăng

hàng năm tăng lên đột biến do nhu cầu sử dụng nhiều và được thể hiện trong bảng 1.1 như sau [2]:

Bảng 1.1 Sự gia tăng các phương tiện cơ giới của Việt Nam [2]

Theo Bộ GTVT, số lượng các phương tiện giao thông cơ giới đường bộ tiếp tục tăng nhanh, theo Cục đăng kiểm trong tháng 4/2009 số lượng ô tô đăng ký mới

là 10.277 chiếc Tổng số phương tiện cơ giới đăng ký lưu hành tính đến hết tháng 4/2009 là trên 36,6 triệu chiếc Trong đó số lượng ô tô trên 1,9 triệu chiếc [2]

Bảng 1.2 Bùng nổ giao thông cơ giới (ước tính) [3]

Bảng 1.3 Số liệu dự báo mức độ tăng trưởng kinh tế và phương tiện tham gia giao thông

ở các đô thị lớn Việt Nam và một số nước trong khu vực [6]

Ô tô khác

25

20

15

10

5

Triệu xe máy

30

1.000

Qua những số liệu thống kê cụ thể ở trên có thể thấy xu hướng phát triển của động cơ đốt trong, khi mà hầu hết các phương tiện nói chung và ô tô nói riêng đều

sử dụng các loại động cơ đốt trong, từ đơn giản đến phức tạp

Các số liệu trong bảng (1.1; 1.2; 1.3) và hình 1.1 cho thấy tốc độ gia tăng của

các phương tiện xe cơ giới đồng nghĩa với lượng phát thải độc hại ra môi trường cũng tăng lên, gây ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường và sức khỏe con người

1.1.2 Tác động của phát thải từ các phương tiện giao thông sử dụng động cơ đốt trong đến môi trường

Sự gia tăng đột biến các phương tiện giao thông đồng nghĩa với lượng phát thải độc hại của chúng ra môi trường cũng rất lớn Nếu chúng ta không kiểm soát được và thực hiện nghiêm túc các tiêu chuẩn khí thải đối với các phương tiện cơ giới thì sẽ gây ra những thiệt hại đáng kể về kinh tế và ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe cộng đồng Các chất có trong phát thải của phương tiện giao thông gây tác hại đối với sức khỏe con người chủ yếu là (PM2,5), SO2, NOX, CO, CO2, O3, Pb và hơi xăng dầu Ước tính nguồn thải bụi do hoạt động GTVT gây ra chiếm khoảng 30% trong tổng lượng bụi thải ra ở đô thị chiếm tới 80% trong tổng lượng bụi có trong không khí Ở các đô thị lớn, lượng thải khí NO2 của ngành GTVT chiếm tới 30%; lượng thải khí CO là 85% và lượng thải khí SO khoảng 5%, lượng thải bụi chì

và hơi chì chiếm tới (80 ÷ 90)% trong tổng số lượng các chất thải gây ô nhiễm ở khu vực đô thị [2] Phát thải của các phương tiện giao thông gây ra các bệnh về đường hô hấp (viêm mũi, viêm xoang, viêm họng, viêm phế quản, ho, viêm phổi, bụi phổi, ung thư phổi vv…), các bệnh về da (viêm da, mề đay, dị ứng da vv…), các bệnh về thị giác (đau mắt, viêm mắt…) [7] Theo báo cáo môi trường quốc gia

2012, tỷ lệ người mắc bệnh liên quan đến ô nhiễm không khí ở các thành phố lớn như: TP Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, TP Hải Phòng, TP Đà Nẵng thường cao hơn ở các tỉnh, thành phố khác Các thiệt hại ước tính về kinh tế do ô nhiễm không khí tác động đến sức khoẻ con người tại TP Hà Nội là 2,58 tỷ đồng/ngày (tương đương khoảng 60 triệu USD/năm), tại TP Hồ Chí Minh là 4,93 tỷ đồng/ngày (khoảng 120 triệu USD/năm)

Theo tổ chức y tế Thế giới (WHO), có khoảng (4÷8)% số người trên thế giới

bị tử vong do ô nhiễm không khí Còn ở Việt Nam, các loại bệnh có liên quan đến đường hô hấp tăng nhanh, ở các khu vực TP Hà Nội, TP Hồ Chí Minh hàng năm

có 626 người chết, 1547 người mắc các bệnh về hô hấp (theo số liệu năm 2003) do

ô nhiễm vượt quá TCVN: 5937-1995

Đối với khí hậu: Phát thải từ các phương tiện giao thông làm phá hủy tầng

ôzôn (tấm áo bảo vệ Trái đất làm giảm tác hại của tia cực tím, tia vũ trụ…) gây ra hiệu ứng nhà kính làm cho nhiệt độ trung bình Trái đất tăng lên 0,7 oC trong vòng

100 năm qua (nhiệt độ trung bình hiện nay là 17 oC thay vì -15 oC) Theo dự báo của các nhà khoa học, với tốc độ tiêu thụ năng lượng hiện nay (tốc độ phát thải CO2

vào tầng bình lưu) thì nhiệt độ trung bình Trái đất sẽ tăng từ (1,5 ÷ 4) oC trong 50 năm tới, làm cho băng ở hai bán cực tan, nước biển dâng gây ngập lụt các thành phố, làng mạc, đồng bằng ven biển, ảnh hưởng cuộc sống hàng trăm triệu người [7] Theo đánh giá của chương trình phát triển Liên Hợp Quốc (UNDP), Việt Nam nằm trong tốp 5 nước bị tổn hại vì biến đổi khí hậu Nếu nước biển tăng 1 mét sẽ làm mất 5% diện tích đất đai, 11% số người bị mất nhà, giảm 7% sản lượng nông nghiệp và 10% GDP Nếu mực nước biển dâng lên là (3÷5) m thì có thể xảy ra thảm họa ở Việt Nam [7]

1.2 Th ực trạng phát thải từ các phương tiện tham gia giao thông sử dụng động

cơ diesel

Động cơ diesel từ lâu là nguồn động lực chủ

yếu cho các phương tiện xe hạng nặng, các động

cơ nông nghiệp, máy công cụ và gần đây được sử

dụng nhiều cho các xe hạng nhẹ bởi vì động cơ

diesel có suất tiêu hao nhiên liệu thấp và phát

thải rất ít thành phần CO, HC [5] Hình 1.2 S ố lượng và tỷ lệ xe con s ử

d ụng động cơ diesel ở Đức [5]

Ở mộtsố nước Châu Âu số lượng xe con dùng động cơ diesel chiếm tới 50%

vào năm 2009 và dự báo sẽ tiếp tục tăng trong những năm tiếp theo như thể hiện

trên hình 1.2 [5].Trong những năm qua cùng với sự phát triển của nền kinh tế - xã

hội của đất nước nhu cầu đi lại, vận chuyển hàng hóa của người dân tăng nhanh dẫn

tới số lượng, mật độ xe cơ giới lưu hành tăng lên rất nhanh các phương tiện giao

thông đặc biệt là các phương tiện sử dụng động cơ đốt trong diesel tăng lên rất

nhanh như xe bus, xe khách và hầu hết các loại xe tải từ nhỏ nhất là 0,5tấn đến các

loại xe siêu trường, siêu trọng, tập trung ở những khu đô thị lớn nhất là TP Hà Nội

và TP Hồ Chí Minh, các tỉnh lân cận và những khu công nghiệp

Theo thống kê của Cục đăng kiểm Việt Nam, số lượng xe bus ở TP Hà Nội có

khoảng 1.300 chiếc với tuổi đời từ 5 đến 10 năm Trong đó có trên 30% xe bus xả

khói đen nhiều hơn mức cho phép Còn theo Trung tâm quản lý và điều hành Giao

thông - Đô thị Hà Nội, tại địa bàn thành phố xe bus đang hoạt động trên 120 tuyến

(số liệu năm 2012) tất cả các loại xe này đều sử dụng động cơ diesel [17]

Theo Cục đăng kiểm Việt Nam cho biết, khi tiến hành kiểm tra ngẫu nhiên tại

các điểm đầu và cuối của các trạm dừng đỗ xe bus ở TP Hà Nội cứ 10 xe kiểm tra

thì có 3 xe không đạt tiêu chuẩn khí thải, chiếm khoảng 33% cụ thể có 12/35 xe bus

và 25/82 xe khách liên tỉnh được kiểm tra không đạt chuẩn khí thải (số liệu kiểm tra

tháng 12-2012) Còn ở TP Hồ Chí Minh có 4/21 xe bus và 5/20 xe khách liên tỉnh

được kiểm tra không đạt chuẩn khí thải (số liệu kiểm tra tháng 7-2012) và chiếm

khoảng 30%, tất cả các loại xe này đều sử dụng động cơ diesel [17]

Khí thải xe bus rất độc hại do tình trạng kỹ thuật của động cơ bị xuống cấp,

tuổi đời động cơ cao và chất lượng nhiên liệu diesel không đảm bảo theo tiêu chuẩn

quy định Mặt khác xe bus thường xuyên chở quá tải, quãng đường di chuyển ngắn,

dừng đỗ nhiều, hệ thống đường giao thông chưa đáp ứng được nhu cầu đi lại, tốc độ

chậm nên phải chạy chế độ đậm nhiên liệu do đó khí thải thường đen đậm, công tác

chăm sóc bảo dưỡng không thường xuyên và đồng bộ theo quy định của nhà chế

tạo, là tác nhân chính gây ra tình trạng ô nhiễm môi trường nặng nề

Ngoài ra công tác quản lý và xử lý của các cơ quan có thẩm quyền đối với các phương tiện cơ giới và các loại xe bus chưa chặt chẽ, thiếu đồng bộ, thực tế cho

thấy vào các giờ cao điểm các xe bus thường vượt số người quy định (quá tải)

Thông qua thực trạng đã nêu ở trên có thể thấy lượng phát thải NOx, PM, HC

và CO từ động cơ diesel còn rất cao Theo báo cáo hiện trạng môi trường quốc gia năm 2012, kết quả quan trắc môi trường không khí trên toàn quốc cho thấy lĩnh vực giao thông ước tính chiếm khoảng 85% đối với CO và 95% đối với VOCs (các hợp

chất hữu cơ bay hơi), các hoạt động công nghiệp và sinh hoạt chỉ chiếm 10 đến 30% Trong đó, khí thải xe cơ giới là nguồn chính gây ô nhiễm CO, HC, PM, NOx

và các chất phụ gia trong xăng như benzene, toluene Do chưa có hệ thống quan

trắc đầy đủ nên không thể thấy được bức tranh tổng thể về ô nhiễm trong không khí trên cả nước mà chỉ hình dung được phần nào mức độ ô nhiễm không khí tại một số

trục giao thông chính tại TP Hà Nội và TP Hồ Chí Minh Các số liệu quan trắc cho

thấy các thành phố lớn ở nước ta đều bị ô nhiễm bụi, PM10, CO, HC, NOx [9]

Chúng ta cũng bị ô nhiễm bụi PM10 và vẫn có xu hướng tăng lên Mức độ ô nhiễm không bằng các thành phố ở Trung Quốc và Ấn Độ trước đây nhưng lại cao hơn Hồng Kông và Băng Cốc Ô nhiễm PM10 ở nước ta chủ yếu do các loại xe cơ

giới chạy diesle và một phần do xe mô tô, xe gắn máy, thực trạng như thể hiện trên

hình 1.3 [4]

Hình 1.3 Thực tế ô nhiễm do phương tiện giao thông [17]

Trên hình 1.4 và 1.5 có thể thấy rõ đặc tính cũng như tỷ lệ các thành phần khí

thải, đây chính là nguồn phátthải đáng kể gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng tới

sức khỏe con người, nhất là ở các đô thị và vùng đông dân cư Các thành phần trong phát thải có cơ chế hình thành và tác hại được tóm tắt như sau:

Hình 1.4 Đặc tính các thành phần độc hại

của động cơ diesel theo λ [5]

Hình 1.5 T ỷ lệ của các thành phần khí thải trong động cơ diesel [9]

1.2.2.1 Khí CO (Mônôxit cácbon)

a Cơ chế hình thành

CO là loại khí không màu, không mùi, không vị, là một sản phẩm trung gian của quá trình đốt cháy Cácbon có trong nhiên liệu trong điều kiện thiếu ôxy để tạo thành sản phẩm cuối cùng là CO2 và được hình thành từ phản ứng sau:

2C + O2 = 2CO (1) Trong động cơ, ở chế độ tải cao và chế độ khởi động, hỗn hợp không khí - nhiên liệu thường là hỗn hợp giàu Do đó, quá trình cháy xảy ra không hoàn toàn dẫn đến hàm lượng CO lớn Hàm lượng CO trong khí thải động cơ rất cao ở chế độ không tải Vì vậy, không được để động cơ chạy không tải trong phòng kín hoặc ga

xe khi đang đóng kín cửa

b.Tác hại

Khi hít CO vào trong cơ thể, nó hoà tan vào máu và làm hạn chế khả năng vận chuyển ôxy của máu Hít thở không khí có hàm lượng CO là 0,3% (theo thể tích) trong vòng 30 phút hoặc hít một lượng lớn CO có thể dẫn đến tử vong Mônôxit cácbon rất độc, chỉ với một hàm lượng nhỏ trong không khí có thể gây tử vong cho người Hàm lượng cực đại cho phép [CO] = 33 mg/m3 [11]

Ngoài ra CO còn gây ra cảm giác chếnh choáng, đặc biệt với những người mắc bệnh tim, phụ nữ có thai, bệnh nhân hen suyễn, có thể gây ra các bệnh về tim mạch, thần kinh, CO ngăn cản việc vận chuyển ôxy từ máu vào các mô làm cho các bộ phận của cơ thể có thể bị thiếu ôxy Nạn nhân có thể bị tử vong khi 70% số hồng cầu bị khống chế (khi nồng độ CO trong không khí >1000 ppm) [11]

1.2.2.2 Khí HC (Hyđrôcácbon)

a Cơ chế hình thành

- HC gồm các loại hyđrôcácbon có trong nhiên liệu hoặc dầu bôi trơn không cháy hết chứa trong khí thải HC còn được hình thành ở hai trường hợp sau:

- Khi nhiệt độ ở khu vực dập lửa thấp, chưa đạt tới nhiệt độ bốc cháy

- Hỗn hợp không khí - nhiên liệu càng giàu càng sinh ra nhiều HC, hỗn hợp càng nghèo càng sinh ra HC ít Lượng HC sinh ra càng ít khi hỗn hợp không khí - nhiên liệu quá nghèo, vì nó không cháy được [11]

b Tác hại

Hyđrôcácbon có nhiều loại khác nhau, có loại không độc (như paraffin, naphtalin), có loại rất độc có thể gây ung thư (như các loại hyđrôcácbon thơm) Động cơ diesel có hệ số dư lượng không khí khá lớn nên lượng HC trong khí thải thường là nhỏ Ngoài ra HC trong khí thải động cơ sẽ góp phần vào sự hình thành các chất quang hoá (làm cho tầm nhìn bị suy giảm) Khi HC thải ra môi trường có ánh nắng mặt trời thì sẽ làm tăng hiện tượng hiệu ứng nhà kính [11]

1.2.2.3 Chất thải dạng hạt PM

a Cơ chế hình thành

Theo định nghĩa của tổ chức bảo vệ môi trường bang Carlifornia thì PM là những thực thể (trừ nước) của khí thải sau khi hòa trộn với không khí (làm loãng đạt nhiệt độ nhỏ hơn 51,7 0 C), và được tách bằng một bộ lọc quy định PM bao gồm các hạt rắn như cácbon tự do và tro hay còn gọi là bồ hóng (soot), các chất phụ gia

dầu bôi trơn, các hạt và vẩy tróc do mài mòn và các chất lỏng như nhiên liệu và dầu

bôi trơn bám theo [11] Thành phần bồ hóng bao gồm các hạt (PM) có kích thước từ

0, 01 đến 1µ m Phần lớn hạt có kích thước < 0,3µ m nên rất dễ bị hít vào và gây tổn thương cho đường hô hấp và phổi Thành phần PM bao gồm các thành phần chính sau [11]:

- Cácbon: thành phần này ít nhiều phụ thuộc vào nhiệt độ cháy và hệ số dư lượng không khí trung bình, đặc biệt là khi động cơ hoạt động ở chế độ đầy tải, quá tải

- Dầu bôi trơn không cháy: Đối với động cơ cũ thành phần này chiếm tỷ lệ lớn Lượng dầu bôi trơn bị tiêu hao và lượng hạt bồ hóng có quan hệ với nhau

- Nhiên liệu chưa cháy hoặc cháy không hoàn toàn: Thành phần này phụ thuộc vào nhiệt độ và hệ số dư lượng không khí

- Sun phát: Do lưu huỳnh trong nhiên liệu bị ôxy hóa và tạo thành SO2 hoặc SO4

- Các chất khác: Lưu huỳnh, calci, sắt, silicon, chromium, phosphor, các hợp

chất calci từ dầu bôi trơn, thành

phần hạt bồ hóng còn phụ thuộc

vào tính chất nhiên liệu, đặc điểm

của quá trình cháy, dạng động cơ

cũng như thời hạn sử dụng của

động cơ (cũ hay mới)

- Cơ chế hình thành bồ hóng

trong buồng cháy động cơ diesel

tổng quan nhất của Fusco được

mô tả theo sơ đồ trong hình 1.6

Hình 1.6 Tóm t ắt quá trình hình thành

b ồ hóng của Fusco [11]

b Tác hại

Mặc dù PM chỉ chiếm tỷ lệ 0,002% như thể hiện trên hình 1.5 trong tổng

lượng phát thải của động cơ diesel nhưng chúng lại có kích thước hạt và lơ lửng trong không khí nên dễ theo đường hô hấp đi vào trong cơ thể người và bị giữ lại

Do đó gây ra các bệnh về đường hô hấp (hen suyễn, viêm phế quản…) và là tác nhân gây ung thư, gây đột biến gen, có khả năng làm rối loạn hệ hô hấp và tạo điều kiện thuận lợi cho tác động ung thư từ các chất khác PM còn gây tổn thương mắt, gây dị ứng mũi và cũng có khả năng gây ung thư da nếu tiếp xúc liên tục, ngoài ra

PM có thể gây ra tác động xấu đến hoạt động của hệ tim mạch [11]

Ngoài ra khi PM bám vào lá sẽ cản trở quá trình quang hợp làm cho cây dễ bị héo và chết, gây ăn mòn kim loại và phân huỷ công trình xây dựng

Cho nên việc hiểu biết đầy đủ tác hại và cơ chế hình thành của PM là đối tượng chính của việc xử lý ô nhiễm và cũng là mục tiêu để đưa ra các biện pháp hạn chế nó trong phát thải của động cơ

diesel, trước khi thải ra môi trường là

rất cần thiết Mức độ phát sinh ô nhiễm

trung bình của PM được thể hiện trong

bảng 1.4, đây là số liệu mang tính chất

trung bình ở điều kiện cháy của hỗn

hợp có hệ số dư lượng không khí λ =1

Tuy nhiên trong những điều kiện cháy

đặc biệt ở áp suất và nhiệt độ cao với hệ

số dư lượng không khí lớn thì tỷ lệ

thành phần các chất ô nhiễm trong bảng 1.4 sẽ thay đổi theo [11]

1.2.2.4 Khí NO X (Nitơ ôxit)

NOx là tên gọi chung của ôxit nitơ gồm các chất NO, NO2 và N2O được hình thành do sự kết hợp giữa ôxy và nitơ ở điều kiện nhiệt độ cao Trong khí thải của động cơ đốt trong NOx tồn tại ở hai dạng chủ yếu là NO (chiếm 90÷98%) và NO2 Trong đó NO là khí không màu không mùi còn NO2là khí có màu đỏ và mùi gắt, cả hai loại khí rất độc nhưng NO2 độc gấp 5 lần NO

Vì vậy NOx ngày càng được quan tâm và trong một số trường hợp nó là chất ô nhiễm chính làm ảnh hưởng đến tính năng kỹ thuật của động cơ Các giải pháp kỹ

Bảng 1.4 Lượng phát thải của các

thành phần trong động cơ diesel [11]

thuật khác nhằm hạn chế NOx ngay trong quá trình cháy cũng đã được áp dụng trên động cơ hiện đại như luân hồi khí xả, thay đổi thời kỳ trùng điệp của góc độ phối khí…

a Cơ chế hình thành

- Sự hình thành Mônôxit nitơ (NO)

Trong họ NOx thì NO chiếm tỷ lệ lớn nhất (90÷98%) NO được hình thành trong quá trình cháy rớt trong xilanh động cơ do ôxy hóa nitơ trong không khí.Thành phần chính để tạo nên NO là khí nitơ có trong không khí nạp vào động cơ Phản ứng dây chuyền ôxy hóa nitơ được tạo bởi các nguyên tử ôxy và được hình thành từ việc tách ra khỏi phân tử O2 tại nhiệt độ cao trong quá trình cháy Những phản ứng chính tạo thành NO là:

Trong động cơ, quá trình cháy diễn ra

trong điều kiện áp suất cao, vùng phản ứng

rất mỏng (khoảng 0,1mm) và thời gian cháy

rất ngắn; Thêm vào đó áp suất trong xilanh

tăng trong quá trình cháy, điều này làm nhiệt

độ của bộ phận khí cháy trước cao hơn

nhiệt độ đạt được ngay sau khi ra khỏi khu

vực màng lửa nên chủ yếu NO được hình Hình 1.7 S ự hình thành NO phụ [11]

thành trong khu vực sau màng lửa và trong sản phẩm cháy phía sau màng lửa Sự

hình thành NO phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt độ hình 1.7

Phản ứng tạo NO có tốc độ thấp hơn nhiều so với phản ứng cháy Nồng độ NO cũng phụ thuộc mạnh vào nồng độ ôxy Vì vậy trong điều kiện nhiệt độ cao và nồng

độ O2 lớn thì nồng độ NO trong sản phẩm cháy cũng lớn

- Sự hình thành Điôxit nitơ (NO 2 )

Đối với phát thải của động cơ diesel có đến 30% NOxdưới dạng NO2, nó được hình thành từ NO và các chất trung gian theo phản ứng hóa học sau:

NO+ H2O < > NO2 + OH (1)Trong điều kiện nhiệt độ cao, NO2 tạo thành có thể phân giải theo phản ứng:

NO2 + O < > NO + O2 (2) Trong trường hợp NO2 sinh ra trong ngọn lửa bị làm mát ngay bởi môi chất có nhiệt độ thấp thì phản ứng (1-3) bị khống chế, nghĩa là NO2 tiếp tục tồn tại trong

sản vật cháy Như vậy khi động cơ diesel làm việc ở chế độ tải thấp thì phản ứng ngược biến đổi NO2 thành NO cũng bị khống chể bởi các vùng không khí có nhiệt

độ thấp Ngoài ra NO2 còn được hình thành trên đường ống xả khi tốc độ thải thấp

và có sự có mặt của ôxy

Trên hình 1.8 là biến thiên của tỷ lệ NO2/NOx

trên đường xả động cơ diesel theo chế độ tải, tỷ

lệ này càng cao khi tải càng thấp NO2 là khí

độc nhất trong họ NOx, vì vậy việc tổ chức tốt

quá trình cháy sẽ giảm được nồng độ NO2 tạo

thành, tăng tốc độ phân giải chất ô nhiễm này

và có ý nghĩa rất quan trọng đối với môi

N2O chủ yếu được hình thành ở vùng ôxy hóa có nồng độ nguyên tử H cao, mà Hydro là chất tạo ra sự phân hủy mạnh Prôtôxitnitơ theo phản ứng:

Hình 1.8 Bi ến thiên tỷ số NO 2 /NO theo t ải của động cơ diesel [11]

Chính vì vậy N2O chỉ chiếm tỷ lệ rất thấp trong khí xả (khoảng 3÷8 ppmV) Mặt khác phương pháp hình thành hỗn hợp cũng ảnh hưởng đến sự hình thành NOx

đối với buồng cháy ngăn cách, quá trình cháy diễn ra ở buồng cháy phụ (hạn chế

không khí) rất thiếu ôxy nên mặc dù nhiệt độ cháy lớn nhưng NOxvẫn nhỏ Còn khi

cháy ở buồng cháy chính, tuy λ rất lớn, ôxy nhiều nhưng nhiệt độ quá trình cháy

không lớn nên NOx nhỏ Tóm lại, phát thải NOx của động cơ có buồng cháy ngăn

cách chỉ bằng khoảng một nửa so với động cơ có buồng cháy thống nhất Tuy vậy

động cơ sử dụng buồng cháy ngăn cách lại có tính kinh tế thấp và suất tiêu hao

nhiên liệu lớn hơn buồng cháy thống nhất nên ngày nay động cơ có buồng cháy

thống nhất được sử dụng rộng rãi trên các loại động cơ [11]

b Tác hại của NO x đến sức khỏe con người và thực vật

NO2 là chất khó hoà tan trong nước nên nó có thể theo đường hô hấp đi sâu

vào phổi gây viêm phổi và làm huỷ hoại các tế bào của phế nang Khi vào được

trong phổi, 80 % lượng NO2 bị giữ lại (đối với SO2, chỉ 5% được giữ lại) làm cho

bệnh nhân bị mất ngủ, ho, khó thở Một số nghiên cứu còn cho thấy NO2 còn gây

tổn thương cho mắt và dạ dày NOxđược quan tâm là do những tác động của chúng

đến sức khỏe, sự hình thành ôzôn và các chất ôxy quang hoá trong khí quyển [11]

NOx chỉ ảnh hưởng đến thực vật khi nồng độ của nó đủ lớn Người ta thấy ở các

vùng đô thị hóa cao thì nồng độ NOx đạt khoảng 3,93ppm, sự quang hợp của thực

vật giảm đi 25%

1.3 Các giải pháp giảm phát thải độc hại cho động cơ diesel

Như đã trình bày ở trên, chúng ta đã biết được thực trạng phát thải của động cơ

diesel và cơ chế hình thành, tác hại của các chất có trong khí thải của động cơ, đặc

biệt là phát thải NOx và PM Mặc dù NOx và PM chỉ chiếm một tỷ lệ rất nhỏ song

lại rất độc hại, nó có tác động không nhỏ đến môi trường và sức khỏe con người Vì

vậy việc tìm ra giải pháp cắt giảm NOx, PM và một số chất như CO, HC là hết sức

N2O + H < > NH + NO (3)

N2O + H < > N2 + OH (4)

cần thiết Hiện nay trên thế gới đã có nhiều biện pháp kỹ thuật giảm phát thải được

áp dụng trên động cơ đốt trong nói chung và động cơ diesel nói riêng nhưng chủ yếu được chia thành hai nhóm chính đó là:

- Nhóm thứ nhất: Gồm các biện pháp liên quan đến kết cấu động cơ, loại nhiên liệu, phương pháp hình thành hỗn hợp, cách điều chỉnh và vận hành động cơ Tuy nhiên các biện pháp này không thể đáp ứng các tiêu chuẩn giới hạn độc hại ngày càng nghiêm ngặt

- Nhóm thứ hai: Gồm các biện pháp xử lý khí thải nhờ các thiết bị xử lý Các biện pháp này hiện nay được áp dụng phổ biến và đảm bảo được các tiêu chuẩn cho phép về nồng độ độc hại của khí thải trước khi xả vào môi trường

- Trên hình 1.9 trình bày giới hạn tiêu chuẩn phát thải của Châu Âu đối với thành phần NOx và PM và các phương án xử lý khí thải, việc áp dụng các giải pháp

cắt giảm phát thải sẽ được nghiên cứu trong các nội dung tiếp theo của luận văn

1.3.1 Giải pháp liên quan đến cải tiến kết cấu động cơ

1.3.1.1 Điều chỉnh để hạn chế lượng nhiên liệu chu trình

Khi động cơ làm việc ở chế độ tải cực đại, tức là λ rất nhỏ thì lượng phát thải

NOx rất cao (kể cả CO và PM) Để cho động cơ không làm việc tại các chế độ tải cực đại thì có thể điều chỉnh cơ cấu hạn chế lượng nhiên liệu theo chu trình của bơm cao áp về phía giảm nhiên liệu, do đó có thể giảm được tỷ lệ NOx nhưng biện pháp này lại làm giảm công suất cực đại của động cơ

Hình 1.9 Các gi ải pháp giảm phát thải NO X và PM nh ằm hướng tới các tiêu chuẩn Châu Âu [5]

1.3.1.2 Lựa chọn phương pháp hình thành hỗn hợp thích hợp

Trong động cơ diesel có hai phương pháp hình thành hỗn hợp đó là: Hình thành hỗn hợp trong buồng cháy thống nhất (phun trực tiếp) và hình thành hỗn hợp trong buồng cháy ngăn cách (phun gián tiếp)

Ở mỗi loại buồng cháy đều có ưu,

nhược điểm riêng: Ở buồng cháy ngăn

cách tỷ lệ NOx thấp hơn nhiều so với

buồng cháy thống nhất, ngoài ra các yếu

tố về áp suất phun, quy luật phun,

hướng tia phun, kết cấu của vòi phun Hình 1.10 K ết cấu vòi phun nhiên liệu [8] như thể hiện trên hình 1.10 cũng ảnh hưởng đến lượng phát thải NOx cũng như các thành phần phát thải độc hại khác

1.3.1.3 Lựa chọn góc phun sớm thích hợp

Nếu góc phun sớm càng giảm (phun muộn đi) thì nhiệt độ quá trình cháy giảm theo do đó NOx cũng giảm Phương pháp này được áp dụng khá phổ biến để giảm phát thải NOx nhưng nó sẽ làm giảm quá trình cháy và làm giảm cường độ ôxy hóa muội than dẫn đến công suất động cơ giảm, tỷ lệ phát thải PM tăng lên

1.3.1.4 Dùng hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử

Hệ thống nhiên liệu điều khiển điện tử được dùng phổ biến trên các động cơ hiện đại So với hệ thống phun nhiên liệu cơ khí thì hệ thống nhiên liệu phun điện tử

có khả năng liên kết và xử lý được nhiều tín hiệu trong miền đặc tính làm việc của động cơ để đạt được các thông số tối ưu Nhờ đó mà hệ thống nhiên lệu điều khiển điện tử có thể làm giảm được các thành phần độc hại trong khí thải tới mức thấp nhất có thể

1.3.1.5 Dùng nhiên liệu thay thế

Sử dụng nhiên liệu thay thế là một phương hướng nghiên cứu và áp dụng quan trọng trong việc giảm ô nhiễm môi trường của phát thải động cơ diesel Hiện nay

trên động cơ diesel sử dụng hai loại nhiên liệu thay thế sau:

- Diesel sinh học (Biodiesel) thay cho diesel hoá thạch, như methanol, dầu thực vật, mỡ động vật… Động cơ diesel dùng Methanol có phát thải PM rất thấp

- Nhiên liệu kép như: diesel-gas, nhiên liệu chủ yếu (có thể tới 99%) là khí thiên nhiên đốt bởi nhiên liệu diesel phun mồi (có thể chỉ 1%)

1.3.1.6 Phương hướng phát triển động cơ diesel tiêu thụ ít nhiên liệu, khí thải ít độc hại

Để phát triển động cơ theo hướng này thì khi thiết kế động cơ cần phải:

- Dùng nhiều xupáp, có thể thiết kế vị trí vòi phun cũng như đường nạp thích hợp hơn nhằm cải thiện được quá trình hình thành hỗn hợp

- Hoàn thiện hệ thống phun nhiên liệu, gồm có:

+ Tăng áp suất phun đối với động cơ buồng cháy thống nhất: dùng bơm - vòi phun hay hệ thống nhiên liệu Common Rail (CR)

+ Điều chỉnh quy luật phun đối với hệ thống phun điện tử (CR), tổ chức phun làm nhiều giai đoạn như phun mồi (để giảm tốc độ tăng áp suất, động cơ làm việc

êm hơn), phun chính, phun sau để nhằm mục đích:

- Tối ưu hệ thống tăng áp

- Thiết kế hệ thống nạp điều chỉnh được chế độ xoáy và rối của môi chất

- Cải thiện chất lượng nhiên liệu như tăng chỉ số Xê-tan, giảm hàm lượng hyđrocacbon thơm và đặc biệt là giảm hàm lượng tạp chất lưu huỳnh để giảm PM

1.3.2.1 Luân hồi khí thải EGR

Luân hồi khí thải là một biện pháp hữu hiệu để giảm sự hình thành NOx trong

buồng cháy Khí thải sau khi ra khỏi động cơ được trích một phần trở lại đường nạp, khí luân hồi trước khi đi vào đường nạp được định lượng bởi van định lượng khí luân hồi (van EGR) Khí luân hồi bao gồm chủ yếu CO2, N2 và hơi nước sẽ được

đưa trở lại xylanh để làm loãng hỗn hợp cháy và giảm nồng độ O2 trong buồng

cháy Hình 1.11 thể hiện sơ đồ hệ thống luân hồi khí thải trên động cơ, do nhiệt lượng của khí luân hồi lớn hơn rất nhiều so với không khí nạp nên khí luân hồi làm tăng nhiệt dung riêng của khí nạp, do đó sẽ làm giảm độ tăng nhiệt độ với cùng lượng nhiệt giải phóng của quá trình cháy trong buồng cháy Tỷ lệ khí luân hồi được tính như sau [5]:

egr: Lưu lượng khí nạp sau luân hồi

Một cách định nghĩa tỷ lệ khí luân hồi khác là dựa trên nồng độ CO2 do Baert đưa ra năm 1999 [5]:

[CO2]nạp + [CO2]đường nạp

Van EGR

Khí thải

M '

L: Khối lượng không khí nạp có khí luân hồi

M L : Khối lượng khí nạp không luân hồi

P '

AC : Áp suất khí nạp có khí luân hồi

P AC : Áp suất khí nạp không luân hồi

T ' IP : Nhiệt độ tại cửa nạp có khí luân hồi

T IP : Nhiệt độ tại cửa nạp không luân hồi

Có ba cách giải thích cho ảnh hưởng của luân hồi khí thải đến việc giảm NOx

là: Kéo dài thời gian cháy, tăng nhiệt dung riêng và làm loãng khí nạp bằng khí trơ (chủ yếu là CO2) Giả thuyết kéo dài thời gian cháy đã được khẳng định bởi luân hồi khí thải gây kéo dài thời gian cháy tương tự như việc giảm góc phun sớm Giả thiết tăng nhiệt lượng cho rằng việc thêm khí trơ vào khí nạp sẽ tăng nhiệt dung riêng của

những phần tử phản ứng xuất hiện trong quá trình cháy làm giảm nhiệt độ cháy Theo giả thiết làm loãng khí nạp, ảnh hưởng của luân hồi khí thải đến NOx

gây ra bởi tăng lượng khí trơ không cháy trong hỗn hợp sẽ làm giảm nhiệt độ của quá trình cháy đoạn nhiệt Nhiều nghiên cứu [5, 10, 12] cho thấy tại chế độ tải cao

rất không nên thực hiện luân hồi khí thải do sẽ làm kém đi quá trình cháy dẫn đến

việc tăng một cách nhanh chóng lượng khói và PM

Tại chế độ tải thấp thành phần HC chưa cháy trong khí luân hồi sẽ được đưa

trở lại hòa trộn với khí nạp do đó sẽ làm tăng hiệu suất nhiệt Một phần khí luân hồi

trở lại đường nạp sẽ làm tăng nhiệt độ khí nạp theo đó sẽ ảnh hưởng đến quá trình cháy và thành phần khí thải

- Dùng ống V enturi

Ống Venturi là một ống laval, khi dòng khí nạp qua ống thì áp suất tại phần

họng sẽ nhỏ hơn áp suất trên đường ống Tại họng của ống có đường dẫn khí luân

hồi vào đường nạp, ống venturi có thể bảo đảm điều kiện ∆P > 0 bằng cách giảm áp

suất cục bộ trên đường nạp Khi sử dụng ống venturi, áp suất chỉ giảm khi thực hiện luân hồi, nhưng áp suất sẽ tăng trở lại bằng áp suất tăng áp ngay sau đó Do đó về

mặt lý thuyết có thể mở rộng vùng làm việc của hệ thống luân hồi mà không làm tăng tổn thất của bơm venturi đặt trên đường nạp

Dùng van venturi là một phương pháp hiệu quả và có tính kinh tế cao do ống venturi có kết cấu đơn giản, nhỏ gọn và có thể sử dụng trên những động cơ bình

thường mà không cần thiết kế lại như thể hiện trên hình 1.12

Hình 1.12 S ơ đồ nguyên lý của hệ thống luân hồi khí thải áp suất dùng ống venturi [12] 1.3.2.2 X ử lý khí thải qua bộ lọc DPF

a) K ết cấu chung của bộ lọc

Như đã trình bày ở trên, thành phần phát thải hạt PM gần như không bị ô xy hóa ở nhiệt độ thấp Do đó, để giảm thành phần PM thường dùng biện pháp tách

PM trong khí thải bằng lọc cơ học Hiện nay, động cơ diesel hiện đại thường dùng

bộ lọc PM để ngăn và giữ lại ở lõi lọc các tạp chất rắn chủ yếu là muội than nên còn

gọi là bộ lọc DPF Kết cấu chung của bộ lọc được thể hiện trên hình 1.13 Bộ lọc có

lõi lọc bằng gốm xốp đặt trong vỏ thép Khí thải đi qua các lỗ xốp của lõi lọc, các

phần tử muội than sẽ được giữ lại Lõi lọc gồm các ống thép mỏng đục lỗ được

quấn quanh bằng sợi gốm

Hình 1.13 L ọc khí thải động cơ diesel [12]

1 Lõi l ọc bằng gốm xốp; 2 Lõi lọc có xương bằng sợi thép quấn

Các loại lọc thường có kết cấu bên ngoài gần giống nhau, chúng khác nhau chủ

yếu là phần lõi lọc và tùy theo kết cấu của lõi lọc, người ta chia lọc PM thành hai

loại là lọc bề mặt và lọc thể tích Các lỗ của lõi lọc bề mặt có đường kính nhỏ hơn kích thước hạt PM cần lọc, trên bề mặt người ta tạo ra các mấu, khi dòng khí đi vào

một phần va vào các mấu sẽ bị giữ lại Lọc bề mặt có thể lọc được 30-70% PM chủ

yếu là muội than Tuy nhiên, diện tích bề mặt lõi lọc nhanh chóng bị che phủ bởi

PM nên sức cản của bộ lọc tăng lên nhanh chóng Trái lại lọc thể tích có đường kính các lỗ rỗng của lõi lọc lớn hơn đường kính PM cần lọc nên các hạt PM sẽ chui vào lõi lọc và bị giữ lại ở các lỗ bị bịt kín đầu kia, dòng khí bắt buộc phải đi qua các vách ngăn của lõi lọc đi ra ngoài vì các lỗ so le còn lại không bị bịt kín mà thông ra ngoài Rõ ràng là so với lọc bề mặt, lọc thể tích giữ được nhiều PM hơn đến 90% lượng PM của khí thải và thời gian giữa hai lần bảo dưỡng lọc sẽ dài hơn Về cấu

tạo các bộ lọc PM thông thường bao gồm các thành phần chính sau: Phần lớn các bộ

lọc được thiết kế theo kiểu lọc khối như hình 1.14a Cấu trúc lõi lọc thông thường

bằng gốm xốp đúc hoặc thép cuộn có dạng hình trụ rỗng trong có các rãnh song

song nhau theo phương dọc trục Từ hình 1.14 chúng ta có thể dễ dạng nhận thấy

hiệu quả của phương pháp lọc khối tốt hơn phương pháp lọc bề mặt do thời gian giữ khí thải trong bộ lọc được dài hơn, khả năng lọc cũng được cải thiện hơn tuy nhiên

cấu tạo và giá thành chế tạo cao hơn phương pháp lọc bề mặt

Hình 1.14 Các d ạng lọc PM

a) L ọc khối; b) lọc bề mặt

Kết cấu của lõi lọc khối có thể dễ dàng phân biệt với lõi lọc bề mặt với kết cấu bàn cờ đặc trưng được tạo ra bởi các rãnh rỗng một đầu và được bịt ở đầu đối diện còn lõi lọc bề mặt thì có kết cấu rỗng cả hai đầu như thể hiện trên hình 1.14a và 1.14b Với mọi vật liệu làm lõi lọc thì lõi lọc đều được đặt trong hộp vỏ bọc bằng thép và được lắp vào đường thải của xe Các bộ lọc DPF có thể được đóng gói như

một bộ phận độc lập giống như một bộ chuyển đổi xúc tác nhưng thường có kích thước lớn hơn Thông thường bộ lọc được đặt bên trong hoặc liền kề với bộ tiêu âm Tuy nhiên do đặc điểm bộ lọc DPF cũng có tác dụng tiêu âm nên trên một số động

cơ bộ lọc DPF luôn đóng vai trò là bộ tiêu âm là một ví dụ điển hình được thể hiện

lọc được giữ lại thông qua sự kết hợp của kết cấu cơ khí và các trường lực sinh ra

do dẫn động dòng khí như lực ly tâm hoặc trọng lực Trong các bộ lọc bề mặt đường kính lỗ lọc nhỏ hơn so với đường kính hạt Chỉ có những hạt có kích thước

nhỏ hơn lỗ lọc này mới có thể qua được Dạng lọc khối được sử dụng rộng rãi hơn

so với lọc bề mặt do việc ngăn cản dòng khí thải ít hơn nên tổn thất áp suất qua lọc

nhỏ hơn đồng thời thời gian cần bảo dưỡng lọc sẽ lâu hơn Hiệu quả lọc là tỷ lệ tổng

khối lượng các hạt được giữ lại với tổng khối lượng các hạt được đưa vào bộ lọc

Lọc thể tích có hiệu suất thấp hơn so với lọc bề mặt, các hạt có kích thước nhỏ trong

lọc thể tích có thể bị cuốn khỏi lõi lọc trong trường hợp tốc độ dòng khí thải tăng

nhanh một cách đột ngột Tuy vậy, hiện nay lọc thể tích vẫn là phương án được sử

dụng phổ biến do thời gian tái sinh lọc lâu hơn và tổn thất áp suất thấp hơn so với

lọc bề mặt Khi dùng bộ lọc DPF chúng ta có thể giảm được thành phần hạt cácbon

và các thành phần hữu cơ khác như nhiên liệu, dầu bôi trơn tuy nhiên nó lại làm

tăng các ô xít và các hợp chất chứa lưu huỳnh trong khí thải đặc biệt là khi chúng ta

sử dụng nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh cao

1.3.2.3 X ử lý khí thải qua bộ DOC

a) C ấu tạo bộ DOC

Về cấu tạo bộ lọc được chia làm ba phần chính như thể hiện trên hình 1.16

- Phần vỏ thường làm bằng thép hoặc thép không gỉ

- Lớp đệm làm bằng sợi vô cơ hoặc phoi thép để bù trừ giãn nở vì nhiệt

- Phần lõi của bộ DOC thường được làm bằng gốm hoặc kim loại với cấu trúc

dạng tổ ong trong đó khí thải đi qua các ống trong thân có đường kính khoảng 1mm

Trên bề mặt lõi được tráng một lớp vật liệu trung gian là Al2O3 làm tăng diện tích

bề mặt tham gia phản ứng Chất xúc tác ô xy hóa được tráng lên trên lớp trung gian

Hình 1.16 C ấu tạo bộ xúc tác ô xy hóa DOC [12]

Chất xúc tác ô xy hóa thường được dùng là các kim loại quý như Pt, Pd trong

các bộ DOC có nhiệm vụ chính là giảm CO và HC Chất xúc tác Pt thường cho hiệu

suất chuyển đổi CO cao và nhiệt độ làm việc của bộ DOC thấp Khi hàm lượng lưu

huỳnh trong nhiên liệu thấp, chất xúc tác có thể dùng đồng thời Pt và Pd

Ngoài ra, bộ xúc tác cũng chứa những chất khác như cérium, lanthane, baryum,

zirconium, sắt, silicium Những chất này có tác dụng tăng cường hoạt tính xúc tác,

tính ổn định và chống lão hóa kim loại quý Một số bộ DOC còn sử dụng thêm chất

zeolite trên bề mặt lớp trung gian để làm tăng hiệu suất chuyển đổi HC, nhất là khi

nhiệt độ bộ DOC còn thấp như khi động cơ mới khởi động Zeolite hấp thụ và giữ

lại HC trên bề mặt lõi lọc khi nhiệt độ bộ DOC còn thấp dưới khoảng 2500C Khi

nhiệt độ bộ DOC tăng lớn hơn 2500C, zeolite nhả thành phần HC ra, khi này các

chất xúc tác đã đến nhiệt độ làm việc và HC được ô xy hóa

b) Nguyên lý b ộ DOC

Bộ DOC thường được lắp trên đường thải ở vị trí gần động cơ Nhiệt giải

phóng từ quá trình ô xy hóa CO và HC sẽ làm tăng nhiệt độ khí thải sau khi ra khỏi

bộ DOC được ứng dụng cho việc tái sinh thiết bị lọc DPF, để lọc các chất thải dạng

hạt PM Thêm vào đó nhiệt này còn được lợi dụng trong việc cải thiện quá trình

chuyển hóa NO thành NO2trong khí thải, điều này sẽ làm nâng cao hiệu suất của bộ

xúc tác NOx Bộ DOC được sử dụng với mục đích để giảm phát thải CO, HC và PM

trong khí thải Khí thải từ động cơ diesel được dẫn qua bộ DOC Dưới tác dụng của

các chất xúc tác Platinum và Pladium làm cho các phản ứng ôxy hóa diễn ra dễ

dàng ngay cả ở nhiệt độ thấp (làm giảm nhiệt độ phản ứng ôxy hóa của HC và CO

Qua đó có thể thấy hiệu quả giảm phát thải của động cơ khi sử dụng bộ xúc tác

DOC là rất cao, có thể giảm tới 90% hàm lượng CO, 80% hàm lượng HC và 20%

hàm lượng PM như thể hiện trên hình 1.17.

Hình 1.17 Hi ệu quả giảm phát thải trên động cơ diesel của bộ xúc tác ôxy hóa DOC [5]

Tuy nhiên, bên cạnh đó, bộ DOC cũng thúc đẩy một số phản ứng ô xy hóa và

tạo thành các sản phẩm không mong muốn khác như thể hiện qua các phản ứng sau:

2SO2 + O2 = 2SO3

SO3 + H2O = H2SO4

NO + 1/2 O2 = NO2

(3) (4) (5)

Sự hình thành H2SO4 trong bộ DOC làm giảm hiệu quả của các chất xúc tác,

khí thải ra ngoài môi trường sẽ ngưng tụ thành các hạt làm tăng lượng phát thải PM

Mức độ tăng PM do hình thành các hạt H2SO4 có liên quan mật thiết đến hàm lượng

lưu huỳnh chứa trong nhiên liệu Việc NO chuyển thành NO2 khi qua bộ DOC

không làm thay đổi tổng lượng NOx trong khí thải nhưng làm tăng lượng NO2, đây

là chất khí độc hại hơn đối với sức khỏe con người và môi trường so với NO Trong

bộ biến đổi xúc tác có thể xảy ra các phản ứng hóa học cơ bản sau đây:

Hai phản ứng oxy hóa (1) và (2) diễn ra trong hỗn hợp nghèo (khi hệ số dư

lượng không khí λ> 1) Ba phản ứng khử (3), (4) và (5) diễn ra thuận lợi trong hỗn

hợp giàu ( λ ≤ 1)

1.3.2.4 Các gi ải pháp giảm phát thải PM cho động cơ diesel

Như đã trình bày ở những phần trước thì phát thải chính của động cơ diesel là

PM và NOx, công nghệ hiện nay là dùng hệ thống luân hồi EGR để giảm NOx tuy

O H

m nCO O

m n H

C

CO O

→+

O H

m nCO N

m n H

C NO

m

n

CO N CO

NO

O H N H

NO

m

2 2

2 2 2

24

2

2

2121

++

+

→+