Giáo trình Ô tô và ô nhiễm - Chương 1: Tác hại của các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong

Nội dung text: Giáo trình Ô tô và ô nhiễm - Chương 1: Tác hại của các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong

1. Chương 1 TÁC HẠI CỦA CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG KHÍ XẢ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.1. Giới thiệu Quá trình cháy lí tưởng của hỗn hợp hydrocarbure với không khí chỉ sinh ra CO2, H2O và N2. Tuy nhiên, do sự không đồng nhất của hỗn hợp một cách lí tưởng cũng như do tính chất phức tạp của các hiện tượng lí hóa diễn ra trong quá trình cháy nên trong khí xả động cơ đốt trong luôn có chứa một hàm lượng đáng kể những chất độc hại như oxyde nitơ (NO, NO2, N2O, gọi chung là NOx), monoxyde carbon (CO), các hydrocarbure chưa cháy (HC) và các hạt rắn, đặc biệt là bồ hóng. Nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả phụ thuộc vào loại động cơ và chế độ vận hành. Ở động cơ Diesel, nồng độ CO rất bé, chiếm tỉ lệ không đáng kể; nồng độ HC chỉ bằng khoảng 20% nồng độ HC của động cơ xăng còn nồng độ NOx của hai loại động cơ có giá trị tương đương nhau. Trái lại, bồ hóng là chất ô nhiễm quan trọng trong khí xả động cơ Diesel, nhưng hàm lượng của nó không đáng kể trong khí xả động cơ xăng. NOx Những tạp chất, đặc biệt là lưu huỳnh, và các chất phụ gia trong nhiên liệu cũng có ảnh hưởng đến thành phần các chất ô nhiễm trong sản phẩm cháy. Thông thường xăng thương mại có chứa khoảng 600ppm lưu huỳnh. Thành phần lưu huỳnh có thể lên đến 0,5% đối với dầu Diesel. Trong quá trình cháy, lưu huỳnh bị oxy hoá thành SO2, sau đó một bộ phận SO2 bị oxy HC hoá tiếp thành SO3, chất có thể kết hợp với nước để tạo ra H2SO4. Mặt khác, để tăng tính chống kích nổ của nhiên liệu, người ta CO pha thêm Thétraétyle chì Pb(C2H5)4 vào a xăng. Sau khi cháy, những hạt chì có đường kính cực bé thoát ra theo khí xả, lơ lửng 0,8 1 1,2 trong không khí và trở thành chất ô nhiễm đối với bầu khí quyển, nhất là ở khu vực Hình 1.1: Biến thiên nồng độ các chất thành phố có mật độ giao thông cao. ô nhiễm theo hệ số dư lượng không khí Một trong những thông số có tính tổng quát ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ là hệ số dư lượng không khí a. Hình 1.1 trình bày một cách định tính sự phụ thuộc của nồng độ NO, CO và HC trong khí xả theo a. Động cơ đánh lửa cưỡng bức thường làm việc với hệ số dư lượng không khí a ≈ 1. Theo đồ thị này thì động cơ làm 5
2. Chương 1: Tác hại của các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong việc với hỗn hợp nghèo có mức độ phát sinh ô nhiễm thấp hơn. Tuy nhiên, nếu hỗn hợp quá nghèo thì tốc độ cháy thấp, đôi lúc diễn ra tình trạng bỏ lửa và đó là những nguyên nhân làm gia tăng nồng độ HC. Nhiệt độ cực đại của quá trình cháy cũng là một nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến thành phần các chất ô nhiễm vì nó ảnh hưởng mạnh đến động học phản ứng, đặc biệt là các phản ứng tạo NOx và bồ hóng. Nói chung tất cả những thông số kết cấu hay vận hành nào của động cơ có tác động đến thành phần hỗn hợp và nhiệt độ cháy đều gây ảnh hưởng trực tiếp hay gián tiếp đến sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí xả. Trong thực tế cuộc sống, do hàm lượng các chất độc hại trong khí xả động cơ đốt trong bé nên người sử dụng ít quan tâm tới sự nguy hiểm trước mắt do nó gây ra. Tuy nhiên sự phân tích các dữ liệu về sự thay đổi thành phần không khí trong những năm gần đây (bảng 1.1) đã cho thấy sự gia tăng rất đáng ngại của các chất ô nhiễm. Nếu không có những biện pháp hạn chế sự gia tăng này một cách kịp thời, những thế hệ tương lai sẽ phải đương đầu với một môi trường sống rất khắc nghiệt. Bảo vệ môi trường không phải chỉ là yêu cầu của từng nước, từng khu vực mà nó có ý nghĩa trên phạm vi toàn cầu. Tùy theo điều kiện của mỗi quốc gia, luật lệ cũng như tiêu chuẩn về ô nhiễm môi trường được áp dụng ở những thời điểm và với mức độ khắt khe khác nhau. Ô nhiễm môi trường do động cơ phát ra được các nhà khoa học quan tâm từ đầu thế kỉ 20 và nó bắt đầu thành luật ở một số nước vào những năm 50. Ở nước ta, luật bảo vệ môi trường có hiệu lực từ ngày 10-1-1994 và Chính phủ đã ban hành Nghị định số 175/CP ngày 18-10-1994 để hướng dẫn việc thi hành Luật bảo vệ môi trường. 1.2. Ô nhiễm không khí là gì? Chúng ta có thể tham khảo định nghĩa sau đây do Cộng đồng Châu Âu đưa ra vào năm 1967: "Không khí gọi là ô nhiễm khi thành phần của nó bị thay đổi hay khi có sự hiện diện của những chất lạ gây ra những tác hại mà khoa học chứng minh được hay gây ra sự khó chịu đối với con người". Theo định nghĩa đó thì: - Các chất gây ô nhiễm có thể gây nguy hại đến tự nhiên và con người mà khoa học ở thời điểm đó nhận biết được hay chỉ đơn thuần gây ra sự khó chịu chẳng hạn như mùi hôi, màu sắc - Danh sách các chất ô nhiễm cũng như giới hạn về nồng độ cho phép của chúng trong các nguồn phát thải có thể thay đổi theo thời gian. 6
3. Chương 1: Tác hại của các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong Đến nay, người ta đã xác định được các chất ô nhiễm trong không khí mà phần lớn những chất đó có mặt trong khí xả của động cơ đốt trong. Bảng 1.1 dưới đây cho thấy sự gia tăng nồng độ một cách đáng ngại của một số chất ô nhiễm trong bầu khí quyển: Bảng 1.1 : Sự gia tăng của các chất ô nhiễm trong khí quyển Chất ô Thời kì tiền Hiện nay Tốc độ tăng nhiễm công nghiệp (ppm) (%/năm) (ppm) CO2 270 340 0,4 N2O 0,28 0,30 0,25 CO 0,05 0,13 3 SO2 0,001 0,002 2 Tùy theo chính sách năng lượng của mỗi nước, sự phân bố tỉ lệ phát sinh ô nhiễm của các nguồn khác nhau không đòng nhất. Bảng 1.2 và 1.3 giới thiệu tỉ lệ phát thải CO, HC và NOx ở Nhật và ở Mĩ. Bảng 1.2: Tỉ lệ phát thải các chất ô nhiễm ở Nhật (tính theo %) Nguồn phát ô nhiễm CO HC NOx Ô tô 93,0 57,3 39 Sản xuất điện năng 0,1 0,1 21,5 Quá trình cháy trong 0,0 26,4 31,3 công nghiệp Các quá trình cháy 6,3 0,7 0,8 khác Công nghiệp dầu mỏ - 14,8 5,1 Các hoạt động khác 0,6 0,7 2,6 Tổng cộng 100 100 100 Bảng 1.3: Tỉ lệ phát thải các chất ô nhiễm ở Mĩ (tính theo %) Nguồn phát ô nhiễm CO HC NOx Ô tô 64,7 45,7 36,6 Các phương tiện giao 9,0 7,2 10,5 thông khác Quá trình cháy công 9,1 16,8 42,8 nghiệp 7
4. Chương 1: Tác hại của các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong Công nghiệp dầu mỏ 5,2 5,3 1,7 Các hoạt động khác 12,0 25,0 8,4 Tổng cộng 100 100 100 1.3. Tác hại của các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ 1.3.1. Đối với sức khỏe con người - CO : Monoxyde carbon là sản phẩm khí không màu, không mùi, không vị, sinh ra do ô xy hoá không hoàn toàn carbon trong nhiên liệu trong điều kiện thiếu oxygène. CO ngăn cản sự dịch chuyển của hồng cầu trong máu làm cho các bộ phận của cơ thể bị thiếu oxygène. Nạn nhân bị tử vong khi 70% số hồng cầu bị khống chế (khi nồng độ CO trong không khí lớn hơn 1000ppm). Ở nồng độ thấp hơn, CO cũng có thể gây nguy hiểm lâu dài đối với con người: khi 20% hồng cầu bị khống chế, nạn nhân bị nhức đầu, chóng mặt, buồn nôn và khi tỉ số này lên đến 50%, não bộ con người bắt đầu bị ảnh hưởng mạnh. - NOx: NOx là họ các oxyde nitơ, trong đó NO chiếm đại bộ phận. NOx được hình thành do N2 tác dụng với O2 ở điều kiện nhiệt độ cao (vượt quá 1100°C). Monoxyde nitơ (x=1) không nguy hiểm mấy, nhưng nó là cơ sở để tạo ra dioxyde nitơ (x=2). NO2 là chất khí màu hơi hồng, có mùi, khứu giác có thể phát hiện khi nồng độ của nó trong không khí đạt khoảng 0,12ppm. NO2 là chất khó hòa tan, do đó nó có thể theo đường hô hấp đi sâu vào phổi gây viêm và làm hủy hoại các tế bào của cơ quan hô hấp. Nạn nhân bị mất ngủ, ho, khó thở. Protoxyde nitơ N2O là chất cơ sở tạo ra ozone ở hạ tầng khí quyển. - Hydocarbure: Hydrocarbure (HC) có mặt trong khí thải do quá trình cháy không hoàn toàn khi hỗn hợp giàu, hoặc do hiện tượng cháy không bình thường. Chúng gây tác hại đến sức khỏe con người chủ yếu là do các hydrocarbure thơm. Từ lâu người ta đã xác định được vai trò của benzen trong căn bệnh ung thư máu (leucémie) khi nồng độ của nó lớn hơn 40ppm hoặc gây rối loạn hệ thần kinh khi nồng độ lớn hơn 1g/m3, đôi khi nó là nguyên nhân gây các bệnh về gan. - SO2: Oxyde lưu huỳnh là một chất háu nước, vì vậy nó rất dễ hòa tan vào nước mũi, bị oxy hóa thành H2SO4 và muối amonium rồi đi theo đường hô hấp vào sâu trong phổi. Mặt khác, SO2 làm giảm khả năng đề kháng của cơ thể và làm tăng cường độ tác hại của các chất ô nhiễm khác đối với nạn nhân. - Bồ hóng: Bồ hóng là chất ô nhiễm đặc biệt quan trọng trong khí xả động cơ Diesel. Nó tồn tại dưới dạng những hạt rắn có đường kính trung bình khoảng 0,3mm nên rất dễ xâm nhập sâu vào phổi. Sự nguy hiểm của bồ hóng, ngoài việc gây trở ngại cho cơ quan hô hấp như bất kì một tạp chất cơ học nào khác có mặt trong không khí, nó còn là 8
5. Chương 1: Tác hại của các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong nguyên nhân gây ra bệnh ung thư do các hydrocarbure thơm mạch vòng (HAP) hấp thụ trên bề mặt của chúng trong qua trình hình thành. - Chì: Chì có mặt trong khí xả do Thétraétyl chì Pb(C2H5)4 được pha vào xăng để tăng tính chống kích nổ của nhiên liệu. Sự pha trộn chất phụ gia này vào xăng hiện nay vẫn còn là đề tài bàn cãi của giới khoa học. Chì trong khí xả động cơ tồn tại dưới dạng những hạt có đường kính cực bé nên rất dễ xâm nhập vào cơ thể qua da hoặc theo đường hô hấp. Khi đã vào được trong cơ thể, khoảng từ 30 đến 40% lượng chì này đi vào máu. Sự hiện hiện của chì gây xáo trộn sự trao đổi ion ở não, gây trở ngại cho sự tổng hợp enzyme để hình thành hồng cầu, và đặc biệt hơn nữa, nó tác động lên hệ thần kinh làm trẻ em chậm phát triển trí tuệ. Chì bắt đầu gây nguy hiểm đối với con người khi nồng độ của nó trong máu vượt quá 200 đến 250mg/lít. 1.3.2. Đối với môi trường 1. Thay đổi nhiệt độ khí quyển Sự hiện diện của các chất ô nhiễm, đặc biệt là những chất khí gây hiệu ứng nhà kính, trong không khí trước hết ảnh hưởng đến quá trình cân bằng nhiệt của bầu khí quyển. Trong số những chất khí gây hiệu ứng nhà kính, người ta quan tâm đến khí carbonic CO2 vì nó là thành phần chính trong sản phẩm cháy của nhiên liệu có chứa thành phần carbon. Sự gia tăng nhiệt độ bầu khí quyển do sự hiện diện của các chất khí gây hiệu ứng nhà kính có thể được giải thích như sau: Quả đất nhận năng lượng từ mặt trời và bức xạ lại ra không gian một phần nhiệt lượng mà nó nhận được. Phổ bức xạ nhiệt của mặt trời và vỏ trái đất trình bày trên các hình 1.4 và hình 1.5. Bức xạ mặt trời đạt cực đại trong vùng ánh sáng thấy được (có bước sóng trong khoảng 0,4-0,73mm) còn bức xạ cực đại của vỏ trái đất nằm trong vùng hồng ngoại (7-15mm). Các chất khí khác nhau có dải hấp thụ bức xạ khác nhau. Do đó, thành phần các chất khí có mặt trong khí quyển có ảnh hưởng đến sự trao đổi nhiệt giữa mặt trời, quả đất và không gian. Carbonic là chất khí có dải hấp thụ bức xạ cực đại ứng với bước sóng 15mm, vì vậy nó được xem như trong suốt đối với bức xạ mặt trời nhưng là chất hấp thụ quan trọng đối với tia bức xạ hồng ngoại từ mặt đất. Một phần nhiệt lượng do lớp khí CO2 giữ lại sẽ bức xạ ngược lại về trái đất (hình 1.6) làm nóng thêm bầu khí quyển theo hiệu ứng nhà kính (Serre). Hồng ngoại 30oC 0oC Vùng thấy 9 được l(mm) 0,4 0,73 l(mm) 0,73 10 20 30
6. Chương 1: Tác hại của các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong Hình 1.4: Phổ bức xạ từ mặt trời Hình 1.5: Phổ bức xạ từ mặt đất BÙc xå m¥t tr©i Bức xạ mặt đất Bức xạ mặt trời Bức xạ mặt đất Lớp khí gây hiệu ứng nhà kính Hình 1.6: Hiệu ứng nhà kính Với tốc độ gia tăng nồng độ khí carbonic trong bầu khí quyển như hiện nay, người ta dự đoán vào khoảng giữa thế kỉ 22, nồng độ khí carbonic có thể tăng lên gấp đôi. Khi đó, theo dự tính của các nhà khoa học, sẽ xảy ra sự thay đổi quan trọng đối với sự cân bằng nhiệt trên quả đất: - Nhiệt độ bầu khí quyển sẽ tăng lên từ 2 đến 3°C. - Một phần băng ở vùng Bắc cực và Nam cực sẽ tan làm tăng chiều cao mực nước biển. - Làm thay đổi chế độ mưa gió và sa mạc hóa thêm bề mặt trái đất. 2. Ảnh hưởng đến sinh thái Sự gia tăng của NOx, đặc biệt là protoxyde nitơ N2O có nguy cơ làm gia tăng sự hủy hoại lớp ozone ở thượng tầng khí quyển, lớp khí cần thiết để lọc tia cực tím phát xạ từ mặt trời. Tia cực tím gây ung thư da và gây đột biến sinh học, đặc biệt là đột biến sinh ra các vi trùng có khả năng làm lây lan các bệnh lạ dẫn tới hủy hoại sự sống của mọi sinh vật trên trái đất giống như điều kiện hiện nay trên Sao Hỏa. Mặt khác, các chất khí có tính acide như SO2, NO2, bị oxy hóa thành acide sulfuric, acide nitric hòa tan trong mưa, trong tuyết, trong sương mù làm hủy hoại thảm thực vật trên mặt đất (mưa acide) và gây ăn mòn các công trình kim loại. 10
7. Chương 1: Tác hại của các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 11
8. Chương 2 QUY TRÌNH ĐO CÁC CHỈ TIÊU Ô NHIỄM CỦA Ô TÔ Mức độ phát sinh các chất ô nhiễm phụ thuộc vào điều kiện vận hành cũng như tình trạng kĩ thuật của động cơ. Do đó, tùy theo tình trạng giao thông cũng như mức độ khắt khe của luật môi trường ở mỗi nước mà quy trình thử có khác nhau. Trên thực tế hiện nay tồn tại một số quy trình chuẩn của các nước công nghiệp phát triển và những quy trình đó được nhiều nước đang phát triển áp dụng như quy phạm chính thức để đo mức độ phát sinh ô nhiễm của ô tô ở nước mình. 2.1. Lịch sử phát triển Ô nhiễm môi trường do khí xả động cơ gây ra đã là mối quan tâm của của nhiều quốc gia từ lúc nền công nghiệp ô tô bắt đầu phát triển. Theo thời gian, danh sách các chất ô nhiễm ngày càng trở nên chi tiết hơn, giới hạn nồng độ của chúng trong khí xả ngày càng trở nên khắt khe hơn và ngày càng nhiều quốc gia hưởng ứng vấn đề chống ô nhiễm môi trường do khí xả ô tô gây ra. Theo trình tự thời gian, chúng ta có thể kể các quốc gia đã sớm đặt vấn đề ô nhiễm môi trường do khí xả động cơ gây ra như sau: - Đức : 1910 - Mĩ : 1959 - Pháp : 1963 - Nhật : 1966 Tiếp theo là những nước khác trong cộng đồng Châu Âu, Canada, Úc, các nước thuộc khối Đông Âu cũ, các nước Châu Á (Singapore, Đài Loan, Hàn Quốc ). 2.2. Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm Hiện nay chưa có một quy trình nào được áp dụng chung cho tất cả các nước để đo các chỉ tiêu ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong. Do đó trên thế giới tồn tại nhiều quy trình khác nhau, mỗi quy trình ứng với một tiêu chuẩn ô nhiễm xác định và không có quan hệ tương đương nào được xác lập giữa các tiêu chuẩn này. Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của mỗi nước căn cứ vào chế độ giao thông tiêu biểu của nước đó. Bảng 2.1 so sánh các thông số đặc trưng của một số quy trình được áp dụng rộng rãi nhất hiện nay. Bảng 2.1: So sánh các thông số đặc trưng của một số quy trình thử tiêu biểu 12
9. Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô Thông số Đơn vị ECE California FTP72 FTP75 Nhật 10 Nhật 11 chế độ chế độ Tốc độ trung bình (km/h) 18,7 35,6 31,5 34,1 17,7 30,6 Tốc độ trung bình (km/h) 27,1 41,7 38,3 41,6 24,1 39,1 (không kể thời gian không tải) Gia tốc trung bình (m/s2) 0,75 0,68 0,60 0,67 0,54 0,64 Giảm tốc trung bình (m/s2) 0,75 0,68 0,70 0,71 0,65 0,60 Thời gian trung bình (s) 45 117 66 70 50 94 của một chu kì thử Không tải (% thời 30,8 14,6 17,8 18,0 26,7 21,7 gian) Gia tốc (% thời 18,5 31,4 33,5 33,1 24,4 34,2 gian) Tốc độ không đổi (% thời 32,3 21,9 20,1 20,4 23,7 13,3 gian) Giảm tốc (% thời 18,5 32,1 28,6 28,5 25,2 30,8 gian) 2.3. Cơ sở xây dựng các quy trình đo ô nhiễm Quy trình thử là quy phạm quốc gia, phụ thuộc vào điều kiện giao thông của mỗi nước. Nó dựa trên nhiều yếu tố, trong đó mật độ giao thông và chất lượng đường sá là hai yếu tố quan trọng nhất. - Mật độ giao thông: Mức độ ô nhiễm cục bộ bầu không khí là tổng hợp mức độ phát thải của tất cả những phương tiện vận tải trong khu vực khảo sát gây ra, nghĩa là mức độ ô nhiễm phụ thuộc vào mật độ ô tô. Ở những thành phố lớn, khi mức độ ô nhiễm vượt giới hạn báo động, người ta khuyến khích dân chúng sử dụng phương tiện vận tải công cộng để giảm bớt mật độ xe. Ở những nơi có mật độ lưu thông bé, ô tô không nhất thiết phải tuân thủ những quy định nghiêm ngặt về mức độ phát sinh ô nhiễm của những thành phố mật độ giao thông cao. - Điều kiện đường sá: Tùy vào chất lượng đường sá của mỗi nước mà chế độ hoạt động của các phương tiện khác nhau, do đó khả năng phát ô nhiễm của chúng cũng khác nhau. Tiêu chuẩn ô nhiễm vì vậy cũng cần xét đến yếu tố này. 2.4. Quy trình thử của một số nước 2.4.1. Quy trình thử của Mĩ a. Quy trình FTP 72 và FTP 75 Vận tốc (m/s) 60 13 40 20
10. Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô a. Vận tốc (m/s) Quy trình FTP 72 (Federal Test Procedure) (hình 60 2.1a) bao gồm hai giai đoạn. Giai đoạn 1 kéo dài trong 505s, tương ứng với quãng đường 5,78km với 40 tốc độ trung bình 41,2km/h. Giai đoạn 2 kéo dài trong 867s và được bắt đầu sau khi tạm dừng 20 hoàn toàn động cơ trong 10 phút. b. Khi bắt đầu thử, động cơ được khởi động ở trạng thái nguội sau 0 một đêm để ở nhiệt độ môi 400 Thời gian (s) trường (20 °C). Hình 2.1: Quy trình FTP 72 và FTP 75 Quy Giaitrình đ oFTPạn quá 75 độ g nóngồm ba giai đoạn. Hai giai đoạn đầu giống như chu trình FTP 72. Giai đoạn 3 giống như giai đoạn 1 của chu trình trước (hình 2.1b) và được khởi động lại sau khi đã dừng động cơ 10 phút kể từ lúc kết thúc giai đoạn 2. Quãng đường tương ứng tổng cộng là 17,86km với tốc độ trung bình 34,1km/h. Lượng khí ô nhiễm được đo riêng từng giai đoạn và kết quả chung được tính bằng g/km với các hệ số điều chỉnh 0,43 đối với giai đoạn đầu, 1 đối với giai đoạn 2 và 0,57 đối với giai đoạn 3. b. Quy trình California Đây là quy trình thử cũ được sử dụng từ năm 1968. Nó gồm 7 giai đoạn giống hệt nhau (hình 2.2) và cách bởi thời gian chạy không tải. Quy trình thử kéo dài trong 16 phút 19 giây. Động cơ khởi động ở trạng thái nguội sau khi dừng ít nhất 12 giờ ở điều kiện nhiệt độ môi trường. Quy trình này hiện nay đã được thay thế bằng các quy trình FTP trên đây. km/h 100 14 50 0 979s
11. Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô Hình 2.2: Quy trình thử của Bang California 2.4.2. Quy trình thử của Cộng đồng Châu Âu a. Quy trình thử thành phố ECE : Quy trình này được hình thành năm 1962 dựa vào điều kiện giao thông ở vùng Paris, rất khác biệt so với điều kiện giao thông ở California. Đến năm 1966, quy trình này được sử dụng chung cho Cộng đồng Châu Âu. Hình 2.3 trình bày diễn biến tốc độ của quy trình thử. Nó gồm 4 công đoạn y hệt nhau với quãng đường tổng cộng là 4,052km. b. Quy trình thử ngoại thành của Cộng đồng Châu Âu EUDC Quy trình EUDC được thực hiện bằng cách bổ sung thêm vào qui trình ECE một công đoạn thử tương ứng với chế độ vận hành của ô tô ở vùng ngoại thành (hình 2.3b). Công đoạn bổ sung có tốc độ cực đại là 120km/h, thời gian thử là 400s tương ứng một quãng đường 6,955km với tốc độ trung bình 62,6km/h. Công đoạn thử bổ sung này được tiến hành sau khi đã thực hiện chu trình ECE và được bắt đầu bằng một giai đoạn chạy không tải 20s. Mức độ ô nhiễm được cho theo đơn vị g/km thay vì g/lần thử. Tốc độ (km/h) a. Quy trình thử thành phố ECE 1: Số 1 2: Số 2 3: Số 3 ll : Chuyển số K: Mở ly hợp PM: Điểm chết R: Không tải Thời gian Số chu trình/lần thử : 4 Tốc độ trung bình (kể cà không tải) : 18,7 km/h Thời gian/chu trình : 195s Tốc độ trung bình (không kể không tải): 27,01 km/h Quãng đường thử : 1,013 km x 4 Tốc độ cực đại : 50 km/h b. Công đoạn bổ sung ngoại thành Thời gian chu trình : 400s Quãng đường thử : 6,955 km Tốc độ trung bình : 62,6 km/h Tốc độ cực đại : 120 km/h 15
12. Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô Hình 2.3: Quy trình thử ECE, EUDC của Cộng đồng Châu Âu 2.4.3. Quy trình thử của Nhật Bản a. Quy trình thử 10 chế độ km/h km/h 60 40 40 20 20 0 0 135s 120s Hình 2.4: Quy trình thử 10 chế độ của Nhật. Hình 2.5: Quy trình thử 11 chế độ của Nhật. Quy trình thử 10 chế độ ứng với điều kiện giao thông trong thành phố. Thời gian của mỗi công đoạn thử là 135s, ứng với quãng đường 0,664km với tốc độ trung bình 17,7km/h (hình 2.4). Quy trình thử được lập lại với 6 công đoạn như nhau. Nồng độ ô nhiễm được biểu diễn theo g/km. b. Quy trình thử 11 chế độ Qui trình này thể hiện chế độ giao thông trên xa lộ. Động cơ được khởi động nguội ở nhiệt độ khoảng từ 20 đến 30°C và chạy không tải trong 25s, sau đó tiến hành thử trong 120s tương ứng với quãng đường 1,021km với tốc độ trung bình 30,6km/h (hình 2.5). Mức độ phát sinh ô nhiễm của ô tô được tính theo g/lần thử. b. Quy trình thử 10-15 chế độ km/h 80 60 40 20 0 100 200 300 400 500 600 660(s) Hình 2.6: Quy trình thử 10-15 chế độ của Nhật Quy trình thử 10-15 chế độ ứng với điều kiện giao thông ở các vùng ngoại ô Nhật Bản. Quy trình này sử dụng 3 công đoạn của quy trình thử 10 chế độ trên đây và kéo dài thêm một đoạn có tốc độ cực đại 70km/h (hình 2.6). Quãng đường thử tương ứng dài 16
13. Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô 4,16km trong thời gian 660s với tốc độ trung bình 22,7km/h. Quy trình này được áp dụng cho ô tô du lịch xuất xưởng sau tháng 11 năm 1991. Đến tháng 10 năm 1993 nó được áp dụng thêm cho xe tải dưới 2,5 tấn. 2.5. Nồng độ cho phép của các chất ô nhiễm trong khí xả ô tô 2.5.1. Các chất ô nhiễm thể khí 1. Hoa Kì Bảng 2.2 giới thiệu sự thay đổi về giới hạn nồng độ cho phép của các chất ô nhiễm trong khí xả ô tô ở Mĩ theo thời gian đối với ô tô du lịch. Giới hạn này được áp dụng ở hầu hết các Bang trừ California và Newyork (những Bang có yêu cầu khắt khe hơn) và đo theo quy trình FTP 75. Các bảng này cho thấy mức độ khắt khe của tiêu chuẩn tăng dần theo thời gian: nồng độ cho phép của CO từ 84 g/dặm năm 1960 giảm xuống còn 3,4 g/dặm hiện nay (giảm khoảng 25 lần); nồng độ HC cũng trong thời gian đó giảm từ 10,6 g/dặm xuống còn 0,25 g/dặm (giảm khoảng 40 lần); mức độ giảm NOx có thấp hơn, từ 4,1 xuống 0,4 (giảm khoảng 10 lần). Bảng 2.2: Tiêu chuẩn của Mĩ đối với ô tô du lịch (tính theo g/dặm, quy trình FTP 75) Năm CO HC NOx 1960 84 10,6 4,1 1968 51 6,3 0,4 1970 34 4,1 0,4 1972 28 3,0 0,4 1973 28 3,0 3,1 1975 15 1,5 3,1 1977 15 1,5 2,0 1980 7,0 0,41 2,0 1983 3,4 0,41 1,0 Dự kiến 3,4 0,25 0,4 2. Cộng đồng Châu Âu Hình 2.7 trình bày sự thay đổi theo thời gian về nồng độ cho phép của các chất ô nhiễm trong khí xả ô tô áp dụng ở các nước trong Cộng đồng Châu Âu. Trước năm 1984, tiêu chuẩn được tính chung đối với HC+NOx nhưng sau đó được quy định riêng cho từng chất. CO (g/km) 3 Ô tô cỡ trung 1130kg, 1400-2000 cm 60 % giá trị trước khi quy định 50 40 Đo thêm NOx Quy trình 30 17 20 10 Trước khi có quy định EU Q đị hEU
14. Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô Hình 2.7 : Biến thiên nồng độ giới hạn cho phép theo thời gian của các chất ô nhiễm trong khí xả ô tô theo quy định của Cộng đồng Châu Âu Mức độ phát sinh ô nhiễm cho phép đối với xe du lịch và xe vận tải hạng nhẹ theo quy trình thử ECE áp dụng ở Cộng đồng Châu Âu cho ở bảng 2.3. Bảng 2.3: Tiêu chuẩn Cộng Đồng Châu Âu đối với xe tải hạng nhẹ Loại động cơ CO HC+NOx NOx Năm áp dụng (V (lít) là thể tích (g/km) (g/km) (g/km) xi lanh) Xăng V>2,0 6,17 1,6 0,86 1988 Xăng 1,4≤V≤2,0 7,4 1,97 - 1991 Xăng V 2,0 7,4 1,97 - 1988 Diesel 1,4≤V≤2,0 7,4 1,97 - 1991 Diesel V<1,4 4,6 1,23 - 1992 Các quốc gia Đông Âu cũ trước đây cũng áp dụng tiêu chuẩn của Cộng đồng Châu Âu ECE. 3. Nhật Bản - Đối với ô tô du lịch sử dụng động cơ xăng Tiêu chuẩn Nhật Bản theo chu trình thử 10 chế độ và 11 chế độ ứng với các loại ô tô khac nhau trình bày trên các bảng 2.4, 2.5, 2.6. Bảng 2.4: Tiêu chuẩn Nhật Bản đối với ô tô du lịch sử dụng động cơ xăng Năm CO (g/km) HC (g/km) NOx (g/km) 10 C.độ 11 C.độ 10 C.độ 11 C.độ 10 C.độ 11 C.độ 18
15. Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô 1973 26 - 3,8 - 3,0 - 1975 2,7 20,81 0,39 2,33 1,6 2,7 1976 2,7 20,81 0,39 2,33 1,2 2,20 1978 2,7 20,81 0,39 2,33 0,48 1,47 1988 2,7 20,81 0,39 2,33 0,25 1,47 Bảng 2.5: Tiêu chuẩn Nhật Bản đối với ô tô du lịch sử dụng động cơ Diesel Năm CO (g/km) HC (g/km) NOx (g/km) 10 C.độ 11 C.độ 10 C.độ 11 C.độ 10 C.độ 11 C.độ 1974 - 680ppm - 670ppm - 590ppm 1977 - 680ppm - 670ppm - 500ppm 1979 - 680ppm - 670ppm - 450ppm 1982 - 680ppm - 670ppm - 390ppm 1983 - 680ppm - 670ppm - 610ppm 1987 2,7(g/km) - 0,62(g/km) - 0,98(g/km) - Bảng 2.6: Tiêu chuẩn Nhật Bản đối với ô tô vận tải nhẹ sử dụng động cơ xăng hay GPL CO (g/km) HC (g/km) NOx (g/km) Năm 10 C.độ 11 C.độ 10 C.độ 11 C.độ 10 C.độ 11 C.độ 1973 26 - 3,8 - 3,0 - 1975 17 31,83 2,7 4,16 2,3 4,9 1979 17 31,89 2,7 4,16 1,6 2,69 1981 17 31,83 2,7 4,16 1,26 2,33 1988 17 31,83 2,7 4,16 0,7 2,33 Các loại xe vận tải và ô tô buýt sử dụng động cơ Diesel tuân theo cùng tiêu chuẩn ô nhiễm của xe du lịch dùng động cơ Diesel. 4. Các nước khác 19
16. Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô Các nước đang phát triển sử dụng quy trình thử của các nước công nghiệp phát triển và ấn định mức độ phát sinh ô nhiễm cho phép phù hợp với điều kiện của nước mình. Quy trình thử và giới hạn cho phép về nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ ở một số nước đối với ô tô có tải trọng nhỏ hơn 2,7 tấn áp dụng ở một số nước được giới thiệu trong bảng 2.7. Chúng ta thấy các nước đang phát triển thường sử dụng các chu trình của Mĩ, Châu Âu và Nhật Bản. Tính khắt khe về giới hạn nồng độ các chất ô nhiễm tăng dần theo thời gian. Bảng 2.7: Quy trình thử và giới hạn ô nhiễm ở một số nước đang phát triển Nước Năm Quy trình CO HC NOx (g/km) (g/km) (g/km) Canada 1975 FTP 75 15,53 1,24 1,92 1987 FTP 75 2,11 0,25 0,62 1994 FTP 75 2,11 0,15 0,25 Úc và 1976 FTP 72 24,20 2,10 1,90 New 1982 FTP 72 22,00 1,91 1,73 Zealand 1986 FTP 75 9,30 0,93 1,90 Đài Loan 1987 ECE 14,31 4,69 (HC+NOx) 1988 ECE 14,31 4,69 (HC+NOx) 1989 FTP 75 2,11 0,25 0,25 Singapore Israel 1986 ECE Tiêu chuẩn Cộng đồng Châu Âu Ả Rập Xê-út Hàn Quốc 1983 10 C.độ 26 3,8 3,0 1984 10 C.độ 18 2,8 2,5 1987(1) FTP 75 8 2,1 1,5 FTP 75 2,11 0,25 0,62 1987(2) Mexico 1989 FTP 75 21,9 1,99 2,29 1990 FTP 75 18,52 1,79 1,99 1991 FTP 75 6,96 0,70 1,39 1993 FTP 75 2,11 0,25 0,62 Brazil 1988 FTP 75 24 2,10 2,00 1992 FTP 75 12 1,20 1,40 (1) Ô tô có động cơ V 800 cm3 2.5.2. Các quy định về nồng độ bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel Các quy định về nồng độ cho phép của các chất ô nhiễm dạng khí trong khí xả động cơ được áp dụng rất sớm so với các quy định về nồng độ bồ hóng. Tiêu chuẩn Liên Bang Hoa Kì quy định, theo chu trình đo 2.8, độ mờ không được vượt quá 20% khi gia tốc, 15% khi phanh và 50% ở một điểm bất kì của chu trình. Theo tiêu chuẩn Cộng đồng Châu Âu ở chế độ ổn định đầy tải, giới hạn của hệ số hấp thụ quang học theo lưu lượng của dòng khí xả cho ở bảng 2.8 hoặc hình 2.9. 20
17. Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô Tiêu chuẩn độ khói trong khí xả động cơ Diesel được đo theo các đơn vị khác nhau phụ thuộc từng nước: Hệ số hấp thụ quang học k (Cộng đồng Châu Âu, Úc, Brazil), độ mờ (Mĩ, Hàn Quốc), chỉ số Bosch (Nhật, Thụy Điển). Bảng 2.9 giới thiệu tiêu chuẩn độ khói của một số nước. Bảng 2.8: Giới hạn hệ số hấp thụ quang học theo lưu lượng khí xả của động cơ Diesel làm việc ở chế độ ổn định đầy tải (tiêu chuẩn EU) G(l/s) k(1/m) G(l/s) k(1/m) G(l/s) k(1/m) 200 1,065 Mức ga (%) Tốc độ (v/s) Độ mờ (%) Hình 2.8: Tiêu chuẩn củTha ờHoai gian Kì (s)về độ khói trong khí xả động cơ Diesel 21
18. Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô Hình 2.8: Tiêu chuẩn Cộng đồng Châu Âu 60 40 20 Hình 2.9: Tiêu chuẩn của Cộng đồng Châu Âu về độ khói trong khí xả động cơ Diesel Bảng 2.9: Tiêu chuẩn độ khói của động cơ Diesel áp dụng ở một số nước Quốc gia Năm Chế độ đo Tiêu chuẩn Cộng đồng 1972 Gia tốc tự do k <0,5 m-1 Châu Âu 1982 (Xem hình 2.9) (Xem hình 2.9) Thụy Điển 1972 Gia tốc có tải 3,5 đ.v. Bosch Mĩ 1981 (Xem hình 2.8) (Xem hình 2.8) Nhật 1972 Đầy tải Độ mờ 50% 1975 Gia tốc không tải Độ mờ 50% 1984 Đầy tải 4 đ.v. Bosch Hàn Quốc 1980 Đầy tải Độ mờ 50% 2.6. Quy trình kiểm tra định kì mức độ phát sinh ô nhiễm của ô tô Các quy định trên đây được áp dụng từ lúc ô tô xuất xưởng đến khi đã qua một thời gian sử dụng nhất định và quy trình đo được thực hiện ở những trung tâm kiểm định theo quy phạm nhà nước. Ở Mĩ, các tiêu chuẩn đó được áp dụng cho đến khi ô tô đạt được 80.000 km. Để thỏa mãn các quy định của tiêu chuẩn, trong quá trình sử dụng, ô tô phải được bảo trì tốt. Tuy nhiên khi qua tay người sử dụng ô tô không phải lúc nào cũng được bảo trì đúng kĩ thuật. Thống kê ở Mĩ cho thấy chỉ có 33% ô tô được bảo trì tốt, số còn lại bị điều chỉnh không đúng qui định hoặc bị thay thế các bộ phận không đúng tiêu chuẩn. Tình trạng bảo trì ô tô sử dụng ở các quốc gia có nền công nghiệp chưa phát triển chắc chắn còn tồi hơn nhiều. Điều này làm nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả gia tăng vượt quá giới hạn cho phép của các quy định. Để đánh giá định kì mức độ phát ô nhiễm của ô tô đã qua sử dụng, người ta áp dụng các quy trình kiểm tra sơ bộ. Bảng 2.10: Tiêu chuẩn ô nhiễm của ô tô ở chế độ không tải 22
19. Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô Quốc gia Loại xe Chất ô nhiễmGiới hạn Cộng đồng Du lịch, vận tải CO 3,5% Châu Âu Mô tô CO 4,5% Ô tô tải 0,76t hay khách >9 chỗ HC 100ppmV Thụy Sĩ CO 1%V Mô tô HC 200ppmV CO 3,5%V Hoa Kì Ô tô nhẹ CO 1,2%V HC 220ppmV Canada Ô tô nhẹ CO 0,5% Nhật Bản Ô tô nhẹ CO 4,5% - Động cơ 4 kì HC 1200ppmV - Động cơ 2 kì HC 7800ppmV Hàn Quốc Ô tô nhẹ CO 4,5%V HC 1200ppmV Đài Loan Ô tô nhẹ CO 3,5%V HC 900ppmV 2.6.1. Quy định về kiểm tra sơ bộ mức độ phát ô nhiễm của ô tô ở các nước phát triển Phần lớn các tiểu bang ở Mĩ đã sử dụng quy trình kiểm tra đơn giản để đánh giá mức độ phát ô nhiễm của ô tô đã qua sử dụng. Quy trình đo được thực hiện ở chế độ không tải với các tiêu chuẩn quy định đối với nồng độ CO, HC và độ mờ của khí xả động cơ Diesel. Định kì hằng năm hay cứ hai năm một lần, tất cả ô tô phải qua kiểm tra ô nhiễm bằng quy trình này. Bảng 2.10 giới thiệu tiêu chuẩn ô nhiễm của ô tô đo ở chế độ không tải ở một số nước. Cộng hòa Liên Bang Đức là nước đi đầu ở Châu Âu về kiểm tra định kì tình hình ô nhiễm của ô tô. Quy trình kiểm tra được thực hiện bằng cách đo nồng độ CO ở chế độ không tải. Tiếp theo là các nước Thụy Sĩ, Áo, Thụy Điển, Hà Lan. Ở Thụy Sĩ, từ năm 1986 trở đi, cứ một năm hay ba năm một lần, ô tô phải qua kiểm tra thành phần CO, CO2 và HC ở chế độ không tải. Ở Áo, từ năm 1985, hằng năm ô tô buộc phải qua kiểm tra HC ở chế độ không tải (<600ppm) và độ mờ của khí xả động cơ Diesel ở chế độ gia tốc tự do. Ở Anh, kiểm tra nồng độ CO ở chế độ không tải bắt buộc đối với ô tô hằng năm. Giới hạn cho phép của CO là 4,5%. Ở Thụy Điển, hằng năm ô tô phải qua kiểm tra định kì. Nồng độ CO ở chế độ không tải phải nhỏ hơn 5,5% và độ khói của khí xả Diesel không được vượt quá 4,5 đơn vị Bosch ở chế độ đầy tải. Thụy điển cũng đề nghị quy trình thử INCOLL, trong đó không cần băng thử ru-lô mà dùng quán tính của các bộ phận quay tự do sau động cơ (bánh đà, ly hợp, các bánh răng của hộp tốc độ ) làm tải khi tăng tốc tự do. Ở Hà Lan, tất cả ô tô đã qua sử dụng quá ba năm đều phải qua kiểm tra ô nhiễm dựa trên việc đo nồng độ CO ở chế độ không tải. 23
20. Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô 2.6.2. Tiêu chuẩn Việt Nam - Năm 1990, Chính phủ Việt Nam đã ban hành tiêu chuẩn (TCVN 5123-90) quy định về hàm lượng CO trong khí xả động cơ xăng ở chế độ không tải. Tiêu chuẩn này được áp dụng cho tất cả ô tô chạy xăng có khối lượng lớn hơn 400 kg. Hàm lượng CO được đo trực tiếp trong ống xả, cách miệng xả 300mm, ở hai chế độ tốc độ: nmin và 0,6ndm (ndm là tốc độ định mức). Hàm lượng CO không được vượt quá 3,5% ở chế độ nmin và 2,0% ở chế độ 0,6ndm. - Năm 1991, Chính phủ Việt Nam ban hành tiêu chuẩn TCVN 5418-91 quy định về độ khói trong khí xả động cơ Diesel. Tiêu chuẩn này được áp dụng cho tất cả các loại ô tô dùng động cơ Diesel. Độ khói của khí xả đo ở chế độ gia tốc tự do không được vượt quá 40% HSU (động cơ không tăng áp) và 50% HSU (động cơ tăng áp). - Năm 1998, Chính phủ Việt Nam ban hành tiêu chuẩn TCVN 6438-98 quy định lại cụ thể hơn giới hạn cho phép của các chất ô nhiễm trong khí xả của phương tiện vận tải (bảng 2.11). Bảng 2.11 : Giới hạn tối đa cho phép của thành phần ô nhiễm trong khí thải của các phương tiện vận tải Phương tiện đang sử dụng Phương tiện đăng ký Thành phần ô nhiễm lần đầu trong khí thải Phương tiện Phương tiện Phương Phương tiện động cơ xăng động cơ Diesel tiện động động cơ cơ xăng Diesel Mức 1 Mức 2 Mức 3 Mức 1 Mức 2 Mức 1 Mức 2 CO (% thể tích) 6,5 6,0 4,5 4,5 HC (ppm thể tích) : - Động cơ 4 kì - 1500 1200 - - 1200 - - - Động cơ 2 kì - 7800 7800 - - 7800 - - - Động cơ đặc biệt (có kết - 3300 3300 - - 3300 - - cấu khác với động cơ kiểu piston tịnh tiến) Độ khói (%HSU) - - - 85 72 - 72 50 ___ 24