Giáo trình Ô tô và ô nhiễm - Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong

48 trang ngocly 630

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Ô tô và ô nhiễm - Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_o_to_va_o_nhiem_chuong_6_cac_yeu_to_anh_huong_den.pdf

Nội dung text: Giáo trình Ô tô và ô nhiễm - Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong

CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG Chương 6 ĐẾN NỒNG ĐỘ CÁC CHẤT Ơ NHIỄM TRONG KHÍ XẢ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 6.1. Giới thiệu Nồng độ các chất ơ nhiễm trong khí xả phụ thuộc vào đặc điểm động cơ cũng như các thơng số điều chỉnh, vận hành. Về đặc điểm, động cơ 2 kì cổ điển nĩi chung cĩ mức độ phát ơ nhiễm cao hơn động cơ 4 kì do quá trình tạo hỗn hợp khơng hồn thiện. Tuy nhiên, động cơ 2 kì hiện đại phun nhiên liệu trực tiếp trong buồng cháy đang được nghiên cứu phát triển sẽ khắc phục được nhược điểm này và trở thành loại động cơ cĩ nhiều triển vọng trong tương lai. Động cơ Diesel cĩ hiệu suất cao hơn động cơ đánh lửa cưỡng bức nhưng do quá trình cháy khuếch tán và làm việc với hệ số dư lượng khơng khí cao, trong sản phẩm cháy cĩ chứa bồ hĩng và NOx, những chất ơ nhiễm mà việc xử lí nĩ trên đường xả ngày nay vẫn cịn nhiều vướng mắc về mặt kĩ thuật. Động cơ sử dụng nhiên liệu khí bắt đầu phát triển từ những năm đầu của thập niên 1990 cĩ rất nhiều ưu điểm về mặt phát sinh ơ nhiễm. Thực nghiệm đo được trên những động cơ này cho thấy động cơ sử dụng khí dầu mỏ hĩa lỏng (LPG) hay khí thiên nhiên (NGV) thỏa mãn dễ dàng các tiêu chuẩn ơ nhiễm mơi trường khắt khe nhất hiện nay (tiêu chuẩn ULEV chẳng hạn). Tuy nhiên sự phát triển chủng loại động cơ này phụ thuộc nhiều điều kiện, đặc biệt là điều kiện cơ sở hạ tầng phục vụ cho việc cung cấp nhiên liệu khí. Mức độ phát sinh ơ nhiễm của động cơ cũng phụ thuộc đáng kể vào điều kiện vận hành. Việc điều chỉnh khơng phù hợp các thơng số cơng tác cũng như việc lựa chọn chế độ làm việc khơng hợp lí dẫn đến sự gia tăng đáng kể nồng độ các chất ơ nhiễm trong khí xả. Luật mơi trường ngày càng trở nên khắt khe buộc người ta phải áp dụng các biện pháp xử lí khí xả sau khi thốt ra khỏi động cơ bằng bộ xúc tác. Tuy nhiên tỉ lệ biến đổi các chất ơ nhiễm của ống xả xúc tác chỉ đạt được giá trị yêu cầu khi nhiệt độ khí xả đạt được giá trị nhất định. Vì vậy cần phải làm giảm nồng độ các chất ơ nhiễm đến mức thấp nhất trước khi xử lí ở bộ xúc tác. Tất cả những điều chỉnh hay thay đổi kết cấu bên trong động cơ đều gây ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ơ nhiễm. 6.2. Trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức 78
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ơ nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 6.2.1. Động cơ hai kì Mặc dù cĩ nhiều cải tiến về kết cấu nhằm hạn chế sự hịa trộn giữa khí cháy và khí chưa cháy, đặc biệt đối với động cơ dùng bộ chế hịa khí, nhưng vẫn khơng tránh khỏi sự thất thốt một bộ phận khí mới làm tăng sự phát sinh HC và làm giảm tính năng kinh tế kĩ thuật của động cơ hai kì. Thêm vào đĩ, khi làm việc ở tải cục bộ, dạng động cơ này dễ bỏ lửa làm tăng HC. Một trong các giải pháp làm giảm tổn thất nhiên liệu trong quá trình quét khí là làm thay đổi sự phân bố độ đậm đặc của hỗn hợp nhiên liệu khơng khí trong xy lanh sao cho chỉ cĩ hỗn hợp nghèo mới thốt ra đường thải. Một giải pháp khác cĩ hiệu quả hơn là phun nhiên liệu vào buồng cháy một khi cửa thải đã đĩng. Tuy nhiên với giải pháp này người ta phải dùng một bơm do động cơ dẫn động do đĩ nĩ làm giảm đi một ít cơng suất cĩ ích của động cơ. Mặt khác, so với động cơ 4 kì, thời gian cuối của quá trình nén (sau khi đĩng cửa nạp và cửa thải) rất ngắn địi hỏi phải phun nhiên liệu với tốc độ lớn, do đĩ một bộ phận nhiên liệu bám lên thành buồng cháy làm tăng nồng độ HC trong khí xả. Một giải pháp tiết kiệm hơn là phun nhiên liệu bằng khơng khí ở áp suất cao trích ra trong giai đoạn nén. Để tránh hiện tượng bám nhiên liệu trên thành, người ta dùng một vịi phun áp suất thấp được đặt trong một buồng cháy dự bị trước xúpáp nạp phun trực tiếp trước một hỗn hợp rất đậm với tốc độ tương đối thấp. Kĩ thuật quét khí cháy bằng khơng khí cho phép hạn chế tối đa sự phát thải HC trong khí xả. Kĩ thuật này cho phép giảm được từ 80% đến 90% nồng độ HC so với giá trị thơng thường đối với động cơ hai kì cổ điển. Nồng độ NOx trong khí xả của động cơ hai kì hiện đại cao hơn một chút so với động cơ 2 kì cổ điển do hiệu suất cháy cao hơn và làm việc với hỗn hợp nghèo hơn. 6.2.2. Động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo Động cơ đánh lửa cưỡng bức làm việc với hỗn hợp nghèo đã được nghiên cứu từ lâu nhằm giảm suất tiêu hao nhiên liệu dẫn đến giảm nồng độ CO2, chất 'ơ nhiễm' được quan tâm nhiều trong những năm gần đây vì nĩ là chất khí gây hiệu ứng nhà kính. Khi động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo (hệ số dư lượng khơng khí a >1,25), nồng độ các chất ơ nhiễm chính (CO, HC, NOx) đều giảm. Khi hệ số dư lượng khơng khí thay đổi từ a=1,0 đến a=1,4, suất tiêu hao nhiên liệu giảm đi 7%, nồng độ NOx cĩ thể giảm đến 85% so với động cơ làm việc với hỗn hợp cĩ a=1 nếu kết hợp với việc giảm một cách hợp lí gĩc đánh lửa sớm. Tuy nhiên ưu điểm này chỉ cĩ được trong điều kiện hỗn hợp gần nến đánh lửa cĩ thể bốc cháy và sự lan tràn màng lửa diễn ra một cách bình thường. Điều này địi hỏi việc tổ chức tốt quá trình cháy cũng như phân bố hợp lí độ đậm đặc của hỗn hợp trong buồng cháy. Khi gia tăng hệ số dư lượng khơng khí hay làm bẩn hỗn hợp bằng khí xả hồi lưu vượt quá một giới hạn cho phép sẽ dẫn đến: 79
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ơ nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong - giảm tốc độ cháy, điểm cực đại của áp suất sẽ lệch về phía giai đoạn giãn nở dù đánh lửa sớm hơn - momen phát ra khơng đều dẫn tới sự làm việc khơng ổn định - thường xuyên bỏ lửa - gia tăng mức độ phát sinh HC - gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu do tốc độ cháy giảm Những giải pháp cho phép động cơ hoạt động gần giới hạn nghèo của hỗn hợp cĩ thể chia làm ba loại: - Các giải pháp tác động trước khi hỗn hợp vào cylindre: chuẩn bị và định lượng hỗn hợp nhiên liệu (chế hịa khí hay phun), hệ thống điều chỉnh hỗn hợp, thiết kế hợp lí đường nạp - Các biện pháp tác động bên trong động cơ: hình dạng buồng cháy, bố trí soupape và nến đánh lửa - Các biện pháp tác động trên đường thải: thiết kế đường thải, trang bị bộ xúc tác oxy hĩa để hạn chế CO và HC Để động cơ cĩ thể làm việc với hỗn hợp nghèo người ta áp dụng giải pháp nạp phân lớp hỗn hợp nhiên liệu-khơng khí vào xy lanh động cơ sao cho ở gần điểm đánh lửa, độ đậm đặc của hỗn hợp cao hơn giá trị trung bình để cĩ thể bén lửa và bốc cháy. Người ta đã thử nghiệm nhiều hệ thống tạo hỗn hợp phân lớp nhưng hiện nay chỉ cĩ hai dạng được ứng dụng khả quan nhất: hệ thống buồng dự bị (dạng CVCC) và hệ thống phun trực tiếp (dạng PROCO) - Hệ thống Honda CVCC dùng một buồng cháy phụ nhỏ cĩ soupape nạp riêng (hình 6.1). Hỗn hợp giàu được nạp vào buồng cháy phụ cịn hỗn hợp rất nghèo được nạp vào buồng cháy chính qua soupape nạp thơng thường. Hỗn hợp giàu trong buồng cháy phụ được đốt bằng tia lửa điện. Sản phẩm cháy cĩ nhiệt độ cao thốt ra khỏi buồng cháy phụ và tiếp tục đốt cháy hỗn hợp nghèo trong buồng cháy chính. Hệ thống này làm giảm nhiệt độ cực đại của quá trình cháy, do đĩ làm giảm NOx, nhưng vẫn đủ cao để oxy hĩa HC. Mặt khác, do độ đậm đặc của hỗn hợp thấp nên nồng độ CO trong khí xả cũng giảm. Động cơ làm việc với hệ thống này cĩ suất tiêu hao nhiên liệu riêng thấp, nhưng cơng suất lít của cylindre cũng giảm. Do đĩ từ năm 1986 nĩ khơng cịn được nghiên cứu nữa và thay vào đĩ, người ta nghiên cứu một hệ thống tương tự trong đĩ bộ chế hịa khí được thay thế bằng hệ thống phun. Ở hệ thống mới này, vịi phun phun nhiên liệu cĩ áp suất 3,5 MPa tạo nên vùng hỗn hợp giàu gần nến đánh lửa trong buồng cháy phụ cĩ kích thước bé. Hệ thống này làm giảm NOx nhưng làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu. Hỗn hợp giàu Hỗn hợp nghèo Họng80 thơng Nạp Nén Cháy
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ơ nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong Hình 6.1: Sơ đồ động cơ tạo hỗn hợp phân lớp sử dụng buồng cháy phụ - Hệ thống Ford PROCO thực hiện sự phân lớp hỗn hợp bằng cách phun nhiên liệu trực tiếp vào trong buồng cháy (hình 6.2). Hệ thống này khơng cĩ buồng cháy phụ nhưng sử dụng một buồng cháy khoét lõm trên đỉnh piston. Người ta sử dụng một tia phun cĩ gĩc phun rất rộng với hỗn hợp giàu được phun vào giữa cylindre bởi một vịi phun cĩ độ xuyên thâu bé. Hỗn hợp này được đốt nhờ tia lửa điện và lan đến hỗn hợp chung quanh nghèo hơn ngay khi piston đi xuống nhờ cường độ xốy lốc mạnh. Vịi phun Hình 6.2: Sơ đồ động cơ tạo hỗn hợp phân lớp phun trực tiếp PROCO - Hệ thống TEXACO TCCS: Khác với hệ thống PROCO, hệ thống này phun nhiên liệu theo phương tiếp tuyến với buồng cháy và hướng về phía nến đánh lửa và quá trình đánh lửa được kéo dài. Việc điều chỉnh tối ưu thời gian phun và thời điểm đánh lửa cho phép khởi đầu quá trình cháy ở thời điểm mà hỗn hợp giàu đạt đến nến đánh lửa; màng lửa được giữ lại ở đĩ với điều kiện nhiên liệu được khuếch tán ra khơng khí chung quanh. Hệ thống này cĩ những nhược điểm giống như động cơ Diesel (hỗn hợp khơng đồng nhất) và phát sinh nhiều hạt rắn trong khí xả. Giải pháp hạn chế nhược điểm của việc đánh lửa là sử dụng ngọn lửa điện cĩ năng lượng lớn hơn (tăng khoảng cách giữa hai điện cực, kéo dài thời gian đánh lửa), giảm tổn thất nhiệt ở nến đánh lửa (cực đánh lửa nhỏ, giảm đường kính nến đánh lửa từ 14 xuống 10mm) và tăng số điểm đánh lửa. Năng lượng đánh lửa hiện nay (khoảng 10mJ) là đủ để đảm bảo sự hoạt động ổn định và mức độ phát sinh HC bé nhất. Bố trí hai nến đánh lửa 81
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ơ nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong trong buồng cháy cho phép tăng xác suất đánh lửa, tăng năng lượng đánh lửa và tốc độ cháy mà khơng làm tăng tổn thất nhiệt. Nhưng giải pháp này làm tăng giá thành và làm giảm tuổi thọ của hệ thống đánh lửa. Những khuynh hướng khác dựa vào sự gia tăng cường độ rối trong buồng cháy động cơ. Bằng cách thay đổi dạng hình học của buồng cháy, nguy cơ màng lửa bị tắt cĩ thể giảm bằng cách giảm tỉ số diện tích bề mặt/thể tích và gia tăng cường độ rối trong quá trình nạp để gia tăng tốc độ cháy. Sự cải tiến dạng buồng cháy cho phép giảm một ít áp suất cực đại, giảm NOx nhưng cho tới nay người ta chưa tìm được dạng buồng cháy lí tưởng nhất và sự thay đổi hình dạng buồng cháy dường như khơng gây ảnh hưởng đến sự phát sinh HC. Giải pháp đầu tiên làm tăng cường độ rối là thiết kế đường nạp hợp lí. Sự gia tăng cường độ xốy lốc cho phép giảm khoảng thời gian từ lúc bật tia lửa điện đến khi hỗn hợp bắt đầu cháy cũng như thời gian cháy; các giá trị này cĩ độ lớn tương đương với quá trình cháy cổ điển. Giải pháp thứ hai là trang bị hai soupape nạp cho mỗi cylindre hay lắp trên soupape nạp một bản dẫn hướng. Soupape này đĩng lại ở tải cục bộ và mở khi đầy tải. Giải pháp cuối cùng làm tăng cường độ rối ở động cơ riêng rẽ là thực hiện một tia khí cao tốc phun trong một ống dẫn cĩ tiết diện nhỏ hơn ống nạp chính theo hướng tiếp tuyến với thành cylindre ở vị trí soupape nạp. Hệ thống này cĩ hai bướm giĩ được điều khiển một cách riêng rẽ theo tải động cơ. Nĩ cĩ ưu điểm là khơng làm thay đổi dạng hình học của buồng cháy, khơng cần thiết đánh lửa hai điểm nhưng vẫn cho phép động cơ chạy ở chế độ khơng tải với độ đậm đặc thấp. Sự gia tăng cường độ rối bằng cách thêm tia khí cho phép dịch chuyển giới hạn cháy ổn định về phía độ đậm đặc thấp hơn (từ 0,95 xuống 0,75), cho phép nhận được sự làm việc ổn định hơn ở chế độ khơng tải. Khi động cơ làm việc với độ đậm đặc 0,7 thay vì 0,8, nồng độ NOx chỉ cịn 1/6 và nồng độ CO giảm đi 50% nhưng làm tăng HC. Vận động rối trong buồng cháy cũng cho phép sử dụng thuận lợi hệ thống hồi lưu khí xả: chẳng hạn nĩ cho phép tăng từ 20% lên 28% lượng khí xả hồi lưu để làm giảm NOx mà khơng làm tăng HC. Khi dùng hệ thống phun tập trung quá trình tạo hỗn hợp được cải thiện hơn so với khi sử dụng hệ thống phun riêng rẽ vì thời gian bay hơi của hỗn hợp được kéo dài hơn. Vì vậy hệ thống này cho phép giảm được từ 10 đến 15% HC trong cùng điều kiện làm việc với động cơ phun riêng rẽ. Khi tăng nhiệt độ khí nạp hỗn hợp cũng được chuẩn bị tốt hơn do sự bốc hơi nhiên liệu diễn ra thuận lợi hơn: cùng độ đậm đặc như nhau, nồng độ HC giảm từ 20 đến 30% khi tăng nhiệt độ khí nạp từ 25 lên 80°C, nhưng làm tăng nồng độ NOx từ 35 lên 55%. Do 70 đến 80% nồng độ CO và HC liên quan đến hai phút đầu tiên của chu trình khởi động nguội, theo qui trình FTP-75, vì vậy sấy cục bộ đường nạp trong giai đoạn bộ xúc tác chưa 82
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ơ nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong đạt được nhiệt độ khởi động sẽ cho phép làm giảm được nồng độ những chất ơ nhiễm này. Trong thực tế, người ta bố trí ở mỗi đường nạp của động cơ phun nhiều điểm những phần tử cấp nhiệt để nâng nhiệt độ khu vực sấy lên khoảng 40 đến 50°C và các tia phun hướng về các khu vực này. Cơng suất điện cung cấp cho những phần tử nhiệt này giảm dần và cắt đi hồn tồn khi nhiệt độ nước làm mát khoảng 60-65°C. Tốc độ lưu thơng của khí nạp cũng ảnh hưởng đến mức độ phát sinh HC. Tốc độ này được khống chế bởi đường kính soupape nạp. Khi giảm đường kính soupape nạp từ 35 đến 29mm thì mức độ phát sinh HC giảm đi được từ 15 đến 25%. Khi phun riêng rẽ, vị trí đặt vịi phun trong trường hợp cylindre cĩ hai soupape nạp cĩ ảnh hưởng lớn đến mức độ phát sinh HC cũng như momen của động cơ. Tuy nhiên vị trí đặt vịi phun chủ yếu được lựa chọn sao cho động cơ cĩ thể được khởi động dễ dàng. Người ta cũng nghiên cứu những hệ thống để cải thiện việc chuẩn bị hỗn hợp trong trường hợp phun riêng rẽ như sấy nĩng hỗn hợp, phun khí nạp với tốc độ lớn, xé tia phun bằng siêu âm Chất lượng xé tơi tia phun đĩng vai trị quan trọng đến mức độ phát sinh ơ nhiễm. Những hạt nhiên liệu cĩ đường kính bé sẽ bị cuốn theo dịng khơng khí trong ống xoắn của đường nạp, giảm nguy cơ va chạm vào thành. Khi đường kính thủy lực của hạt nhiên liệu khoảng 10 micron thì sự va chạm của hạt nhiên liệu vào thành hầu như khơng xảy ra, đảm bảo sự phân bố tối ưu của hỗn hợp nhiên liệu khơng khí giữa các cylindre. Trong thực tế, bộ chế hịa khí cho phép phân bố tốt hỗn hợp khi động cơ làm việc ở tải thấp, ngược lại phun nhiên liệu đảm bảo sự phân bố tốt hỗn hợp khi động cơ làm việc ở tải cao. Thật vậy, ở chế độ tải thấp do độ chân khơng trên đường nạp lớn, chất lượng xé tơi nhiên liệu sau khi ra khỏi vịi phun trong trường hợp bộ chế hịa khí tốt hơn; ngược lại trong trường hợp tải cao, chất lương xé tơi nhiên liệu xấu đi rất nhiều so với trường hợp phun nhiên liệu. Điều chỉnh gĩc độ phối khí cũng cĩ ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ơ nhiễm. Gĩc độ này được điều chỉnh sao cho các giá trị áp suất cực đại, momen ở chế độ tải thấp tối ưu cũng như khả năng động cơ làm việc ổn định khi chạy khơng tải với tốc độ thấp. Tăng thời kì trùng điệp ở chế độ khơng tải làm tăng mức độ phát sinh ơ nhiễm và sự làm việc khơng ổn định của động cơ, nhưng nĩ cải thiện tính năng động cơ ở chế độ tốc độ cao đồng thời cũng làm giảm NOx do hỗn hợp nạp mới bị làm bẩn bởi một bộ phận khí cháy đẩy vào đường nạp khi piston đi lên. Sự gia tăng gĩc độ trùng điệp hợp lí cĩ thể làm giảm được 80% nồng độ HC. Lượng HC trong sản phẩm cháy thốt ra đường thải cĩ thể được xem chứa trong hai bọng khí: bọng khí thứ nhất tương ứng với những thể tích chết ở gần soupape thải (các khơng gian chết quanh soupape, ren nến đánh lửa ) và bọng khí thứ hai tương ứng với thể tích chết xa hơn (khe hở segment ). Gia tăng gĩc độ trùng điệp cĩ thể loại trừ hồn tồn bọng khí thứ hai ở đường xả. Khi thời gian cháy giảm, nhiệt độ cháy tăng, mức độ phát sinh NOx gia tăng. Giảm gĩc đánh lửa sớm trong một số điều kiện làm việc của động cơ cho phép kéo dài thời gian cháy, do đĩ nhiệt độ cháy giảm, thuận lợi cho việc giảm NOx. Mặt khác, đánh lửa muộn làm gia tăng nhiệt độ khí thải tạo điều kiện thuận lợi cho việc đốt cháy thành phần HC cĩ mặt trong khí xả. 83
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ơ nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong Gia tăng tỉ số S/D làm tăng tốc độ cháy và tạo điều kiện dễ dàng cho sự bén lửa do đĩ động cơ cĩ thể làm việc với hệ số dư lượng khơng khí cao hơn. Điều này cĩ lợi trong trường hợp động cơ làm việc với tải cục bộ nhưng ít cĩ lợi khi động cơ làm việc ở tải cao. Một phương án khác để làm tăng tốc độ cháy và tốc độ lan tràn màng lửa là tăng tỉ số nén (đến 18), trong điều kiện khơng xảy ra hiện tượng kích nổ. Tăng tỉ số nén cĩ khuynh hướng tăng mức độ phát sinh NOx. Khi động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo hay giàu, nồng độ NOx đều giảm mạnh (hình 6.3). Hồn thiện việc chuẩn bị hỗn hợp bao hàm việc khống chế đúng mức độ đậm đặc trong mỗi cylindre ngay cả trong giai đoạn quá độ. Phương án tốt nhất là phun nhiên liệu riêng rẽ kết hợp với sấy nĩng vịi phun và đường nạp. Phương án này cịn cho phép cải thiện tính năng khởi động ở trạng thái nguội. Mặt khác sấy nĩng đường nạp cịn cĩ tác dụng đặc biệt trong việc tránh sự ngưng tụ nhiên liệu trên thành đường nạp (lớp nhiên liệu ngưng tụ này sẽ bốc hơi lại ở chế độ đầy tải làm tăng độ đậm đặc của hỗn hợp). Làm mát riêng rẽ thân động cơ và nắp cylindre cho phép duy trì thân động cơ một nhiệt độ cao hơn nắp cylindre điều này cho phép thu hồi nhiệt độ thân máy ở tải thấp cĩ tác dụng tích cực đến việc giảm HC và NOx. N=2000 v/ph Hình 6.3: Ảnh hưởng của tỉ số nén đến mức độ phát sinh ơ nhiễm và suất tiêu hao nhiên liệu (động cơ xăng 4 cylindre, dung tích 2 lít, l: độ đậm đặc của hỗn hợp; be: suất tiêu hao nhiên liệu, we: cơng cĩ ích, e: tỉ số nén, _ _ : e = 9,3; -.-: e =11,0; : e =13,0; ___: e =15,0) Khi động cơ chuyển sang làm việc với hỗn hợp nghèo, sự lệch chu kì của áp suất chỉ thị trung bình sẽ trở nên quan trọng: nếu độ đậm đặc của hỗn hợp l=0,8, áp suất cĩ ích trung bình dao động cực đại 20kPa, dao động này cĩ thể đạt 140kPa khi l=1,2. Do đĩ, để cải thiện tính năng phát lực của động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo, người ta phải khống chế sự dao động của momen (đo được bằng cảm biến gia tốc lắp trên bánh đà của động cơ) bằng cách điều chỉnh thời điểm bắt đầu phun và thời gian phun nhờ một hệ thống khép kín hay theo biểu đồ thiết lập trước. Sự khống chế dao động momen cũng cho phép giảm đến mức tối thiểu mức độ phát sinh HC, chất ơ nhiễm tăng nhanh chĩng theo sự làm việc khơng đồng đều của động cơ. 84
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ơ nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 6.2.3 Ảnh hưởng của các chế độ vận hành động cơ xăng 6.2.3.1. Cắt nhiên liệu khi giảm tốc Để hạn chế nồng độ HC trong giai đoạn động cơ đĩng vai trị phanh ơ tơ (khi giảm tốc nhưng vẫn cài li hợp), biện pháp tốt nhất là ngưng cung cấp nhiên liệu. Tuy nhiên động tác này cĩ thể dẫn tới điều bất lợi là làm xuất hiện hai điểm cực đại HC: đỉnh cực đại HC ở thời điểm cắt nhiên liệu và điểm cực đại thứ hai khi cấp nhiên liệu trở lại. Đối với động cơ dùng bộ chế hịa khí, để tránh giai đoạn quá độ khi động cơ phát lực trở lại, người ta sử dụng một hệ thống cho phép cung cấp thêm nhiên liệu dự trữ. Nhiên liệu này được tích trữ trong hệ thống bù trừ ở giai đoạn giảm tốc. Sự cung cấp nhiên liệu bổ sung này cho phép duy trì được độ đậm đặc của hỗn hợp một cách hợp lí ở thời điểm mở đột ngột bướm ga trở lại. Đối với động cơ phun nhiên liệu, người ta sử dụng một hệ thống cho phép điều chỉnh lượng nhiên liệu phun vào đường nạp theo lưu lượng khơng khí. Khi giảm tốc, bướm ga đĩng lại, một van giảm tốc mở ra để cung cấp khơng khí cho động cơ và người ta sử dụng lượng khơng khí này để điều khiển lượng nhiên liệu. Trong trường hợp đĩ, động cơ hút một thể tích khí lớn hơn trong trường hợp động cơ dùng chế hịa khí. Hai điểm cực đại của HC cũng xuất hiện giống như trong trường hợp động cơ dùng bộ chế hịa khí. 6.2.3.2. Dừng động cơ ở đèn đỏ Chế độ dừng động cơ hợp lí khi ơ tơ chạy trong thành phố cĩ thể làm giảm đồng thời mức độ phát sinh ơ nhiễm và suất tiêu hao nhiên liệu. Thực nghiệm cho thấy khi thời gian dừng ơ tơ vượt quá một giá trị cực đoan thì nên tắt động cơ. Nếu khơng xét đến suất tiêu hao nhiên liệu thì việc tắt động cơ khơng đem lại lợi ích gì về mặt giảm ơ nhiễm trong trường hợp động cơ cĩ bộ xúc tác trên đường xả. Trung bình thời gian dừng cực đoan là 50s. Khi vượt quá thời gian này nên tắt động cơ nếu động tác này khơng làm giảm tuổi thọ của máy khởi động và bình điện. 6.3. Trường hợp động cơ Diesel Kĩ thuật tổ chức quá trình cháy của động cơ Diesel ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ phát sinh ơ nhiễm. Động cơ Diesel phun trực tiếp, cĩ suất tiêu hao nhiên liệu riêng thấp hơn động cơ cĩ buồng cháy ngăn cách khoảng 10% và mức độ phát sinh bồ hĩng cũng thấp hơn khi động cơ làm việc ở chế độ tải cục bộ. Tuy nhiên động cơ phun trực tiếp làm việc ồn hơn và phát sinh nhiều chất ơ nhiễm khác (NOx, HC). Vì vậy, ngày nay dạng buồng cháy này chỉ dùng đối với động cơ ơ tơ tải hạng nặng. Việc hạn chế mức độ phát sinh ơ nhiễm tối ưu đối với động cơ Diesel cần phải cân đối giữa nồng độ hai chất ơ nhiễm chính đĩ là NOx và bồ hĩng. 85
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ơ nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 6.3.1. Ảnh hưởng của gĩc phun sớm và tối ưu hĩa hệ thống phun Ảnh hưởng của chất lượng hệ thống phun đối với động cơ phun trực tiếp lớn hơn đối với động cơ phun gián tiếp về phương diện phát sinh ơ nhiễm,. Trong cả hai trường hợp, sự thay đổi gĩc phun sớm cĩ ảnh hưởng ngược nhau đối với sự phát sinh NOx, HC và bồ hĩng (hình 6.4). Tăng gĩc phun sớm làm tăng áp suất cực đại và nhiệt độ quá trình cháy, do đĩ làm tăng nồng độ NO. Thơng thường, động cơ phun trực tiếp cĩ gĩc phun sớm lớn hơn nên phát sinh NO nhiều hơn động cơ cĩ buồng cháy ngăn cách. Giảm gĩc phun sớm là biện pháp hữu hiệu làm giảm nồng độ NOx trong khí xả. Tuy nhiên việc giảm gĩc phun sớm cần phải xem xét đến chế độ tốc độ và chế độ tải để tránh sự gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu. Mức độ phát ơ nhiễm Bồ NO hĩng HC Hình 6.4: Ảnh hưởng của gĩcGi phunảm gĩc sớ phunm đế snớ m mức độ phát ơ nhiễm của động cơ Diesel Phạm vi thay đổi đối với ơ tơ từ 1000 đến 1600kg, động cơ buồng cháy dự bị, khơng hồi lưu khí xả HC NOx (%) (%) độ gĩc quay trục khuỷu Gĩc phun tối ưu Sớm Muộn 86
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ơ nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong Hình 6.5: Ảnh hưởng của gĩc phun sớm đến mức độ phát sinh HC và NOx (động cơ buồng cháy dự bị, chu trình FTP-75) Mặt khác, khi tăng gĩc phun sớm, do quá trình cháy trễ kéo dài, lượng nhiên liệu hịa trộn trước với hệ số dư lượng khơng khí lớn gia tăng. Hỗn hợp này khĩ bén lửa do đĩ chúng thường cháy khơng hồn tồn và phát sinh nhiều CO. Về mặt lí thuyết, tăng gĩc đánh lửa sớm cĩ thể làm giảm HC do quá trình cháy cĩ thể diễn ra thuận lợi hơn (hình 6.5), nhưng trên thực tế nĩ cĩ tác dụng ngược lại. Thật vậy, do thời gian bén lửa kéo dài, nhiên liệu phun ra cĩ thể bám trên thành buồng cháy, đĩ là nguồn phát sinh HC. Đối với động cơ phun trực tiếp, sự giảm gĩc phun sớm làm tăng độ khĩi và cũng làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu nhưng làm giảm nồng độ NOx và thành phần SOF. Đối với động cơ Diesel cỡ lớn, giảm gĩc phun sớm cĩ thể làm giảm đi 50% nồng độ NO trong khí xả. Đối với động cơ cĩ buồng cháy ngăn cách, giảm gĩc phun sớm làm làm tăng nồng độ HC nhưng làm giảm nồng độ NO và bồ hĩng, đặc biệt là ở chế độ đầy tải. Khi gĩc phun sớm thay đổi từ 8 đến 23 độ trước ĐCT, lượng bồ hĩng tăng gấp đơi theo chu trình thử FTP75 đối với một động cơ buồng cháy ngăn cách cĩ gĩc đánh lửa sớm bình thường 15 độ trước ĐCT. Sự thay đổi gĩc phun sớm phù hợp theo tốc độ và tải cho phép chọn được vị trí điều chỉnh tối ưu hài hịa giữa nồng độ các chất ơ nhiễm và hiệu suất động cơ. Đối với động cơ cĩ buồng cháy dự bị, sự điều khiển gĩc đánh lửa sớm tối ưu bằng hệ thống điện tử theo chế độ tốc độ và chế độ tải cho phép giảm 15% nồng độ NOx và 25% nồng độ bồ hĩng theo chu trình thử FTP75 trong phạm vi gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu khơng đáng kể. Tốc độ phun cao (nhờ tăng áp suất phun) cĩ ảnh hưởng đến quá trình phát sinh ơ nhiễm của động cơ phun trực tiếp. Thật vậy, do tăng tốc độ hịa trộn nhiên liệu và khơng khí, lượng nhiên liệu cháy ở điều kiện hịa trộn trước gia tăng, do đĩ nồng độ NOx tăng nhưng lượng bồ hĩng giảm. Tuy nhiên sự gia tăng áp suất phun (hơn 100MPa) làm tăng lượng hạt rắn do tăng lượng phát sinh SOF. Sử dụng vịi phun cĩ nhiều lỗ phun đường kính bé làm tăng chất lượng hịa trộn khơng khí và nhiên liệu do kích thước hạt nhiên liệu giảm, hỗn hợp bốc cháy dễ dàng hơn, bù trừ được sự phun trễ do đĩ làm giảm NOx. Với cùng lượng phát thải NOx cho trước, sự gia tăng số lượng lỗ phun làm giảm nồng độ bồ hĩng. Đối với động cơ phun trực tiếp, áp suất phun tối ưu thay đổi từ 75 đến 100MPa tùy theo chế độ động cơ. Vượt quá áp suất này, với cùng lượng phát sinh NOx, lượng hạt rắn phát sinh giảm nhưng suất tiêu hao nhiên liệu và độ ồn của quá trình cháy gia tăng do sự tăng đột ngột của áp suất. Điều này cĩ thể khắc phục được bằng cách dùng một tia phun mồi. Quy luật phun cũng cĩ ảnh hưởng quan trọng đến quá trình phát sinh các chất ơ nhiễm. Thời gian phun rút ngắn, áp suất phun cao cho phép gia tốc quá trình cung cấp nhiên liệu dẫn đến giảm lượng HC khơng cháy hết. Các tiến bộ mới đây về kĩ thuật phun nhằm giảm mức độ phát sinh ơ nhiễm bao gồm quy luật phun hai giai đoạn, quy luật phun 87
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ơ nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong ‘hình chữ nhật’ (phun đều đặn nhiên liệu và cắt nhanh khi kết thúc phun) để tránh hiện tượng phun rớt. Phun rớt là nguyên nhân làm tăng hydrocacbure chưa cháy và hạt rắn trong khí xả động cơ. Đối với động cơ cĩ buồng cháy ngăn cách, sự khống chế lưu lượng nhiên liệu kèm theo việc giảm gĩc phun sớm cĩ thể làm giảm 30% lượng NOx trong khí thải nhưng làm tăng lượng HC lên 100%, CO lên 70% và bồ hĩng lên 150%. Để cĩ thể đảm bảo qui luật phun phù hợp ở mọi chế độ làm việc của động cơ cả về phương diện phát ơ nhiễm lẫn tính năng kinh tế-kĩ thuật, trên những động cơ thế hệ mới hiện nay người ta sử dụng cảm biến λ lắp trên đường xả. Kết hợp thơng số cho bởi cảm biến này với các cảm biến áp suất, nhiệt độ khí nạp và tốc độ động cơ người ta co thể điều khiển chính xác thời điểm phun và lượng nhiên liệu cung cấp cho mỗi chu trình. Giải pháp này đặc biệt cĩ lợi đối với động cơ Diesel lắp trên ơ tơ nhằm giảm độ khĩi khi gia tốc. 6.3.2. Ảnh hưởng của dạng hình học buồng cháy Dạng buồng cháy hợp lí cho phép tránh được lớp nhiên liệu bám trên thành do đĩ giảm được nồng độ HC trong khí xả. Đối với động cơ phun trực tiếp, biện pháp cĩ hiệu quả nhất để làm giảm nồng độ bồ hĩng là gia tăng cường độ rối và kết hợp với việc sử dụng vịi phun nhiều lỗ. Buồng cháy tốt cần thỏa mãn các điều kiện sau đây: - Hành trình tự do của tia nhiên liệu trong buồng cháy lớn. - Bề mặt buồng cháy trên piston đủ lớn để tránh sự giao thoa của các tia phun. - Cường độ rối cao trong vùng phân bố tia nhiên liệu. - Tiếp tục duy trì được vận động rối của dịng khí trong buồng cháy sau ĐCT. Việc gia tăng áp suất trong buồng cháy đơn thuần cĩ khuynh hướng thuận lợi cho sự hình thành bồ hĩng. Tuy nhiên, sự gia tăng áp suất cực đại sẽ làm tăng đồng thời nhiệt độ khí cháy cho phép gia tăng tốc độ oxy hĩa bồ hĩng nên lượng bồ hĩng trong khí xả khơng tăng. Sự gia tăng áp suất làm tăng độ ồn và sự phát sinh NOx. Đối với động cơ phun trực tiếp, tỉ lệ nén cao cho phép khởi động dễ dàng ở nhiệt độ thấp. Sự gia tăng tỉ số nén vừa phải đồng thời cũng làm giảm HC và thành phần SOF của hạt rắn. Khi tỉ số nén tăng quá cao, động cơ sẽ phát sinh nhiều bồ hĩng ở chế độ đầy tải. Vì vậy ở động cơ cĩ tỉ số nén lớn, cần phải thiết kế dạng buồng cháy tối ưu cho phép tăng cường sự dịch chuyển của dịng khơng khí thuận lợi cho việc đốt cháy bồ hĩng. Để tăng cường tốc độ đốt cháy bồ hĩng, người ta thiết kế thêm một buồng chứa khơng khí bổ sung ở động cơ phun trực tiếp. Buồng khơng khí bổ sung này lưu trữ khơng khí trong kì nén và lượng khơng khí đĩ sẽ cung cấp lại cho buồng cháy động cơ ở kì giãn nở để tạo điều kiện oxy hĩa hạt bồ hĩng. Tuy nhiên, kết cấu này làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu. Ở động cơ phun gián tiếp, buồng khơng khí bổ sung cho phép làm giảm 40% lượng bồ hĩng phát sinh và làm gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu thêm 3%. 88
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ơ nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong Đối với động cơ cĩ buồng cháy ngăn cách, sự gia tăng tỉ lệ giữa thể tích buồng cháy phụ và buồng cháy chính cho phép giảm sự hình thành bồ hĩng nhờ tăng cường thêm khơng khí cho buồng cháy phụ. Tiết diện đường thơng giữa hai buồng cháy khống chế cường độ rối sinh ra ở thời điểm dịch chuyển lượng khí cháy từ buồng cháy phụ sang buồng cháy chính. Giảm nhỏ tiết diện này sẽ làm giảm nồng độ bồ hĩng ở chế độ đầy tải nhưng làm tăng lượng bồ hĩng ở chế độ tải cục bộ. Trong thiết kế, tiết diện tối ưu của đường nối này được chọn ở chế độ đầy tải. 6.3.3. Ảnh hưởng của vận động rối trong buồng cháy Sự rối phát sinh trong quá trình nạp cĩ ảnh hưởng trái ngược nhau giữa sự phát sinh NOx, tiếng ồn, HC và bồ hĩng. Để làm giảm mức độ ảnh hưởng của giai đoạn hỗn hợp đậm đặc đến sự phát sinh bồ hĩng trong cylindre, cần tăng hiệu quả của việc hịa trộn nhiên liệu-khơng khí ngay từ lúc bắt đầu giai đoạn cháy trễ (tăng cường xốy lốc). Nhưng điều này gây nhược điểm là làm tăng áp suất cực đại trong buồng cháy cùng với sự tăng tiếng ồn và mức độ phát sinh NOx. Hướng tia phun trong buồng cháy dự bị cho phép điều chỉnh được tốc độ hịa trộn nhiên liệu-khơng khí, do đĩ cải thiện sự phát sinh bồ hĩng. Hướng tia phun cũng ảnh hưởng đến lượng nhiên liệu bám trên thành và đĩ là nguồn phát sinh HC. Vị trí của vịi phun trong buồng cháy phụ cũng cĩ ảnh hưởng đến sự hình thành NOx. 6.3.4. Ảnh hưởng của chế độ làm việc của động cơ và chế độ quá độ Khi giảm tốc độ động cơ từ 750 đến 680 v/phút, nồng độ các chất ơ nhiễm đều giảm khi đo theo chu trình FTP75: HC (-14%); CO(-2%); NO (-3%) và bồ hĩng (-5%). Trong thử nghiệm động cơ theo chu trình tiêu chuẩn cũng như trong thực tế, sự thay đổi chế độ tốc độ là yếu tố làm gia tăng sự phát ơ nhiễm. Nồng độ bồ hĩng trong khí xả động cơ Diesel gia tăng rất mạnh khi gia tốc vì độ đậm đặc trung bình của hỗn hợp gia tăng. Lượng gia tăng này càng lớn khi thời gian gia tốc càng dài. Để giảm thời gian gia tốc, cần phải tối ưu hĩa việc thiết kế động cơ để cĩ thể: - Giảm momen quán tính các bộ phận chuyển động quay - Giảm thể tích các bộ phận nạp thải - Giảm nhiệt dung riêng của hệ thống làm mát - Gia tăng cơng suất dự trữ 6.3.5. Ảnh hưởng của chỉ số cétane của nhiên liệu Lượng bồ hĩng giảm khi thời gian cháy trễ kéo dài, nghĩa là khi dùng nhiên liệu cĩ chỉ số cétane thấp. Tuy nhiên việc sử dụng nhiên liệu cĩ chỉ số cétane thấp cĩ thể dẫn đến những nhược điểm quan trọng: gia tăng độ ồn nếu quá trình cháy bắt đầu quá muộn, gia tăng lượng nhiên liệu bám trên thành cylindre và buồng cháy làm tăng mức độ phát sinh HC và bồ hĩng. 89
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ơ nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 6.3.6. Ảnh hưởng của nhiệt độ khí Giảm nhiệt độ khí nạp sẽ làm giảm nhiệt độ cực đại của quá trình cháy và do đĩ nồng độ NOx cũng giảm. Vì vậy, ở động cơ tăng áp người ta cĩ khuynh hướng làm mát khí sau máy nén để đảm bảo nhiệt độ khí nạp khơng vượt quá 500C. Nhưng sự làm mát khí nạp cĩ thể kéo dài thời kì cháy trễ làm tăng mức độ phát sinh ơ nhiễm như đã nêu (những giọt nhiên liệu bám vào thành cylindre làm tăng thành phần HC và bồ hĩng trong khí xả). Khi khởi động động cơ ở trạng thái nguội, sự sấy buồng cháy hay sấy khí nạp là cần thiết để làm giảm mức độ phát sinh HC và khĩi trắng. Việc sấy nĩng khí nạp cĩ thể thực hiện nhờ nến điện hay bằng cách đốt trước một ít nhiên liệu trong khí nạp. Nhiệt độ của khí đường thải cũng ảnh hưởng đến sự phát sinh ơ nhiễm, nhất là đối với thành phần HC. Thật vậy, ở chế độ tải thấp, HC ngưng tụ trên đường thải rồi bốc hơi lại khi tăng tải làm tăng nồng độ HC. Đường thải bằng vật liệu gốm cho phép tái oxyhĩa bồ hĩng và HC, nhưng làm tăng NOx. Động cơ Diesel phun trực tiếp cĩ buồng cháy bằng vật liệu gốm, khơng làm mát cho phép làm giảm được nồng độ các chất ơ nhiễm ở chế độ tải thấp. Nhưng khi tải cao, nồng độ NOx và bồ hĩng đều tăng dù nhiệt độ thành buồng cháy cao cho phép tái đốt cháy bồ hĩng ở cuối chu trình. 6.3.7. Ảnh hưởng của tăng áp Monoxy carbon CO hình thành là do quá trình cháy thiếu khơng khí, đặc biệt là ở tải cao. Do đĩ, tăng áp là biện pháp hữu hiệu làm giảm CO. Lượng khơng khí thừa do tăng áp đồng thời cũng cho phép tái đốt cháy bồ hĩng, bù trừ lượng tăng bồ hĩng do khí xả hồi lưu mang vào buồng cháy. Hệ thống hồi lưu khí xả trong trường hợp động cơ tăng áp cĩ thể làm giảm 50% lượng NOx mà khơng làm tăng bồ hĩng. 6.3.8. Ảnh hưởng của hệ thống hồi lưu khí xả Mặc dù tỉ lệ khí hồi lưu lớn gây tác hại xấu đối với động cơ (tăng mài mịn) nhưng nĩ cĩ tác dụng đáng kể trong việc làm giảm NOx do giảm nhiệt độ cháy. Đối với động cơ phun trực tiếp làm việc với nhiệt độ khí nạp từ 40-600C (làm việc ở các hầm mỏ), hệ thống hồi lưu khí xả cĩ thể làm giảm 30% và 50% nồng độ NOx theo thứ tự. Nếu làm ẩm thêm khơng khí nạp, cùng điều kiện làm việc như trên mức độ giảm NOx cĩ thể đạt đến 50% và 85% theo thứ tự. Tuy nhiên, hồi lưu khí xả cĩ tác động xấu đối với các chất ơ nhiễm khác: làm tăng nồng độ CO và bồ hĩng, ngay cả khi thêm hơi nước. Phun hơi nước cho phép hạn chế phản ứng cracking tạo bồ hĩng nhờ giảm nhiệt độ cháy. Đối với động cơ buồng cháy ngăn cách, nồng độ bồ hĩng gia tăng trước hết chậm, sau đĩ tăng nhanh theo lượng nước phun vào buồng cháy phụ; biến thiên của nồng độ CO và HC cũng tương tự. Hơi nước chỉ cĩ tác dụng làm giảm nồng độ NO. Sự điều chỉnh tỉ lệ khí xả hồi lưu cần được căn cứ theo tải và theo tốc độ. Hệ thống điện tử cho phép điều chỉnh van hồi lưu khí xả theo các đường đặc tính chọn trước: cắt lượng khí xả hồi lưu khi động cơ nguội; sau đĩ lượng khí xả hồi lưu tăng dần phụ thuộc nhiệt độ nước làm mát, áp suất mơi trường, lượng nhiên liệu cung cấp. Mặt khác, hệ thống cũng cắt lượng khí hồi lưu ở chế độ gia tốc lớn để hạn chế nồng độ bồ hĩng. Hồi lưu khí xả tối ưu cho phép giảm được 40% NOx mà khơng 90
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ơ nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu cũng như khơng làm tăng CO và bồ hĩng. Kết hợp với tăng áp, hệ thống hồi lưu khí xả cho phép làm giảm đồng thời NOx, HC và bồ hĩng. 6.3.9. Điều khiển vịi phun và hệ thống hồi lưu khí xả Việc điều chỉnh các thơng số cơng tác động cơ thường cĩ tác dụng mâu thuẫn nhau đối với các chất ơ nhiễm khác nhau. Tuy nhiên, do mức độ ảnh hưởng đĩ khơng đồng đều ở các điểm làm việc khác nhau của động cơ nên ở mỗi chế độ cơng tác ta cĩ thể lựa chọn một bộ thơng số điều khiển tối ưu đối với các chất ơ nhiễm HC, NOx và bồ hĩng. Việc điều khiển phức tạp như vậy chỉ cĩ thể thực hiện được nhờ hệ thống điện tử. Hệ thống điều khiển điện tử phải thỏa mãn các điều kiện sau: - Độ chính xác cao và nhạy, làm việc ổn định theo thời gian. - Cĩ khả năng điều chỉnh theo nhiều thơng số - Mềm dẻo trong lập chương trình hệ thống điều khiển để cĩ thể áp dụng trong các điều kiện sử dụng ơ tơ khác nhau (tùy theo yêu cầu của luật mơi trường của từng quốc gia) - Thực hiện việc điều chỉnh động cơ theo những chỉ tiêu cho trước Thêm vào đĩ, hệ thống phải hoạt động tin cậy trong mọi tình huống, phải được bảo vệ chống nhiễu và chống hỏng hĩc, bảo trì dễ dàng nhờ hệ thống chẩn đốn nhanh. Khi hoạt động, máy tính điều khiển chuyên dụng nhận số liệu từ các cảm biến: vị trí thanh răng hay cần gia tốc, vị trí kim phun, tốc độ động cơ, nhiệt độ khơng khí nạp, nhiệt độ nhiên liệu, nhiệt độ nước làm mát, áp suất trong xilanh, Sau khi xử lí, máy tính phát tín hiệu điều khiển đến bộ phận chấp hành. Bộ phận này sẽ tác động lên cơ cấu điều khiển lượng nhiên liệu chu trình, thời điểm bắt đầu phun, lượng khí xả hồi lưu, tỉ số truyền của hộp số. Hệ thống điều khiển điện tử hồn hảo như vậy cho phép làm giảm đồng thời nồng độ bồ hĩng, NOx và tăng tính kinh tế của động cơ so với hệ thống điều khiển cơ khí, đặc biệt là kết hợp bộ điều khiển quá trình phun và điều khiển gĩc phun sớm, mức độ phát ơ nhiễm của động cơ cĩ thể giảm đi 3 lần. 6.4. Ảnh hưởng của việc giới hạn tốc độ ơ tơ đến mức độ phát sinh ơ nhiễm Khi ơ tơ hoạt động ổn định người ta thấy nồng độ CO đạt cực tiểu ở tốc độ 80÷90km/h, nồng độ HC giảm dần đến khi tốc độ đạt khoảng 100km/h sau đĩ tăng lên chậm cịn nồng độ NOx tăng từ từ đến khi tốc độ động cơ đạt 70÷80km/h sau đĩ tăng mạnh, nhất là đối với động cơ cĩ dung tích cylindre lớn. Các kết quả đo đạc trên chu trình cĩ điều kiện thử gần với điều kiện vận hành thực tế cho thấy giới hạn tốc độ ít gây ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ơ nhiễm. Khi giảm mạnh giới hạn tốc độ, nồng độ NOx cĩ thể giảm đi vài phần trăm, nhưng làm tăng đơi chút CO, HC. Khi tăng tốc độ ơ tơ, nhờ sự rối của khơng khí phía sau xe, các chất ơ nhiễm thải ra khỏi ống xả khuếch tán nhanh chĩng trong khơng gian, làm giảm nồng độ cục bộ của chúng trong mơi trường. 91
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ơ nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong Trên xa lộ Châu Âu, tốc độ giới hạn là 130km/h. Khi đại bộ phận ơ tơ giảm tốc độ từ 119 đến 107km/h người ta thấy nồng độ các chất ơ nhiễm trong bầu khơng khí quanh hệ thống xa lộ giảm đi đáng kể: -12% đối với CO; -1,7% đối với HC và -10,5% đối với NOx. Một thí nghiệm khác được thực hiện bằng cách giảm tốc độ giới hạn từ 100 xuống 60km/h trên một bộ phận xa lộ người ta nhận thấy lượng NOx giảm đi 50% trong 6 tháng. 6.5. Ảnh hưởng của nhiên liệu đến mức độ phát ơ nhiễm của động cơ 6.5.1. Nhiên liệu động cơ xăng Việc điều chỉnh động cơ cĩ ảnh hưởng đến lượng ơ nhiễm phát sinh vì việc điều chỉnh này tác động đến cơ chế hình thành hay phân hủy các chất ơ nhiễm trước khi thốt ra ngồi khí quyển. Nhiên liệu cũng gây ảnh hưởng đến sự phát ơ nhiễm, chủ yếu là do tỉ số khơng khí/nhiên liệu cĩ thể bị thay đổi do sự thay đổi các đặc trưng hĩa lí của chúng khơng phải lúc nào cũng được bù lại bởi sự điều chỉnh các thơng số của động cơ. Như chúng ta đã biết, độ đậm đặc của hỗn hợp ảnh hưởng lớn đến mức độ phát sinh ơ nhiễm: NOx đạt cực đại trong mơi trường hơi nghèo; CO, HC đạt cực tiểu trong mơi trường nghèo; sự xuất hiện bồ hĩng diễn ra trong mơi trường rất giàu (a 100 và chỉ số octane động cơ MON thường lớn hơn 90. Do đĩ thêm thành phần hydrocarbure thơm vào nhiên liệu là một biện pháp làm tăng tính chống kích nổ của nhiên liệu hiện đại. 92
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ơ nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong Hiện nay người ta cĩ khuynh hướng gia tăng hàm lượng các chất hydrocarbure thơm trong nhiên liệu nhằm phổ biến nhiên liệu khơng chì. Theo tiêu chuẩn Cộng Đồng Châu Âu, hàm lượng benzene trong nhiên liệu phải thấp hơn 5%. Nồng độ thể tích NOx (ppmx100) a Tốc độ: 1500 vg/phút Áp suất cĩ ích trung bình: 500kPa Tì số nén: 11 Hình 6.6: Ảnh hưởng của tỉ số khơng khí/nhiên liệu đến NOx Các hydrocarbure thơm cĩ tỉ số C/H cao hơn do đĩ khối lượng riêng lớn hơn. Do nhiệt lượng tỏa ra đối với một đơn vị thể tích cao hơn nên nhiệt độ cháy của hỗn hợp tăng làm tăng NOx. Hình 6.6 cho thấy ví dụ trên động cơ cĩ tốc độ 1500 vịng/phút ở chế độ tải trung bình sự thay đổi NOx theo tỉ số khơng khí/nhiên liệu đối với alkylat khơng thơm và đối với nhiên liệu super thơm. Chúng ta thấy ở vị trí phát ơ nhiễm cực đại, alkylat làm giảm nồng độ ơ nhiễm khoảng 20%. Mức độ phát sinh CO ít bị ảnh hưởng bởi hàm lượng hydrocarbure thơm. Tuy nhiên, các hydrocarbure thơm cĩ cấu tạo ổn định hơn parafine nên cĩ động học phản ứng cháy chậm hơn. Do đĩ trong cùng điều kiện cháy, sự phát sinh hydrocarbure chưa cháy của nhiên liệu chứa nhiều hydrocarbure thơm hơn sẽ cao hơn. Khi chuyển từ nhiên liệu super thơm sang alkylat, mức độ phát sinh HC giảm đi 16% (hình 6.7). 93
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ơ nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong Nồng độ thể tích HC (ppmx100) a Tốc độ: 1500 vg/phút Áp suất cĩ ích trung bình: 500kPa Tỉ số nén: 11 Hình 6.7: Ảnh hưởng của tỉ số khơng khí/nhiên liệu đến nồng độ HC trong khí xả Mặt khác, các chất thơm trong nhiên liệu giữ vai trị phát sinh các hydrocarbure thơm đa nhân HAP, phènol và aldehyde thơm mà những chất này tăng theo các chất thơm cịn formaldehyde thì giảm. Sự phụ thuộc của HAP vào tỉ lệ các chất thơm trong nhiên liệu thay đổi một mặt theo HAP xem xét và mặt khác theo dạng chất thơm trong nhiên liệu: benzene ít ảnh hưởng đến HAP hình thành, HAP nhẹ (đến 4 nhân) gia tăng tuyến tính theo tỉ lệ các chất thơm trong nhiên liệu, những HAP nặng hơn (đến 5 nhân) (hình 6.8) khơng chịu ảnh hưởng bởi tỉ lệ này. HAP đã cĩ mặt trong nhiên liệu cũng ảnh hưởng đến mức độ phát sinh HAP trong khí xả. 6.5.1.3. Ảnh hưởng của tính bay hơi Tính bay hơi của nhiên liệu thường được đặc trưng bởi đường cong chưng cất và áp suất hơi Reid (PVR) đo ở 37,8°C. Đĩ là một đặc tính quan trọng đối với hoạt động của động cơ, nĩ ảnh hưởng đến thời gian khởi động động cơ ở trạng thái nguội, tính ưu việt khi gia tốc và tính ổn định khi làm việc ở chế độ khơng tải và khi chạy nĩng. Những thành phần quá nặng (bay hơi ở nhiệt độ lớn hơn 200-220°C) cĩ ảnh hưởng đến sự phát sinh hydrocrabure chưa cháy, do sự bốc hơi kém dẫn tới sự cháy khơng hồn tồn với sự hình thành aldehydes và sự gia tăng HC. 94
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ơ nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong Phát thải HAP (mg/kg nhiên liệu) Thành phần cacbua hydro thơm Trong nhiên liệu (%V) Hình 6.8: Ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu thơm đến mức độ phát sinh HAP Những thành phần nhẹ hơn, cần thiết cho việc khởi động và làm việc ở trạng thái nguộI, ảnh hưởng đến sự phát ơ nhiễm của khí xả và nhất là ảnh hưởng đến tổn thất do bay hơi. Tính chất bay hơi tiêu chuẩn của nhiên liệu phụ thuộc vào điều kiện khí hậu và mùa. Chẳng hạn ở Pháp, tính chất bay hơi của nhiên liệu được qui định như sau: - 45<=PVR<=79 kPa (từ 20/6 đến 9/9) - 50<=PVR<=86 kPa (từ 10/4 đến 19/6 và từ 10/9 đến 31/10) - 55<=PVR<=99 kPa (từ 01/11 đến 9/4) Chính những thành phần dễ bay hơi nhất, đặc biệt là cặp butane-pentane gây ảnh hưởng đến PVR. Cặp này nhẹ, thường cĩ nhiều hơn qui định trong quá trình lọc dầu, được pha vào nhiên liệu đến giới hạn tối đa cho phép để tận dụng chỉ số octane cao của nĩ (butane cĩ chỉ số RON = 94) nhằm bù trừ việc giảm hàm lượng chì. Tính bay hơi của nhiên liệu khơng gây ảnh hưởng đến sự phát sinh NOx trong khí xả. Chỉ cĩ CO và HC gia tăng theo PVR: nồng độ CO và HC tăng khoảng 20% theo chu trình FTP khi PVR tăng từ 65 đến 80kPa. 6.5.1.4. Ảnh hưởng của chỉ số octane Chỉ số octane cĩ ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ơ nhiễm, đặc biệt khi động cơ bị kích nổ. Sự giảm chỉ số octane dẫn đến sự gia tăng tính kích nổ, do đĩ làm tăng NOx nhất là khi hỗn hợp nghèo. Nhưng trong thực tế, sự kích nổ trong điều kiện như vậy khơng diễn ra. 6.5.1.5. Ảnh hưởng của các chất phụ gia Người ta pha vào nhiên liệu ơ tơ nhiều chất phụ gia: 95
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ơ nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong - Những chất phụ gia làm tăng chỉ số octane: Alkyle chì, méthylcyclopenta-diényl mangan tricarbonyle (MMT), ferrocène, - Những chất phụ gia chống oxy hĩa, ngăn chận sự hình thành oléphine gồm: phénylène diamin, aminophénol và phénol alkylé. - Những chất phụ gia làm sạch bề mặt đường ống nạp do hơi dầu bơi trơn và những chất khơng bị lọc giĩ giữ lại trên đường nạp. - Màu và các chất phụ gia chống nhầm lẫn. Những chất phụ gia chì, dù rằng thành phần chlore và brome đảm bảo biến chì thành dạng halogene nhẹ, khơng đủ để loại trừ hồn tồn những lớp bám trong buồng cháy. Sự hiện diện của các lớp bám này dường như khơng gây ảnh hưởng đến nồng độ CO và NOx nhưng làm tăng HC. Chì khơng gây ảnh hưởng đến sự hình thành aldéhyde. Những chất phụ gia mangan (MMT) gây ảnh hưởng xấu đến sự phát sinh HC và aldéhyde. Nếu sự phát sinh CO và NOx khơng bị ảnh hưởng, nồng độ HC tăng tuyến tính theo nồng độ MMT: sự chuyển đổi ở bộ xúc tác khơng hạn chế hồn tồn được sự gia tăng này và bộ xúc tác dần dần bị bao phủ bởi lớp bám Mn3O4. Các chất phụ gia hữu cơ hay hữu cơ-kim loại (organometallique) thêm vào nhiên liệu để tác động đến các phản ứng cháy dường như khơng gây ảnh hưởng đến mức độ phát ơ nhiễm, các chất phụ gia chống các lớp bám cũng vậy. Tuy nhiên, việc duy trì độ sạch trên đường nạp cho phép giữ được sự điều chỉnh ban đầu và sự ổn định về mức độ phát sinh CO ở chế độ khơng tải. 6.5.1.6. Ảnh hưởng của việc sử dụng nhầm nhiên liệu Từ 'nhầm’ nhiên liệu dùng để chỉ việc cung cấp khơng đúng nhiên liệu cho động cơ, chẳng hạn cung cấp dầu Diesel cho động cơ đánh lửa cưỡng bức. Trong thực tế thường diễn ra sự nhầm lẫn cung cấp nhiên liệu pha chì cho động cơ cĩ ống xả xúc tác. Sự 'đầu độc' bộ xúc tác do chì làm giảm dần hiệu quả của bộ xúc tác dẫn đến sự gia tăng HC và aldehyde ở phía sau ống xả. Hình 6.9 cho thấy sự gia tăng nhanh chĩng của HC và aldehyde ngay khi cung cấp nhiên liệu pha chì. Mặt dù khi cung cấp lại xăng khơng chì, tính năng của bộ xúc tác được phục hồi trở lại nhưng khơng bao giờ đạt được hiệu quả ban đầu. 96
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ơ nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong g/dặm Khơng cĩ bộ xúc tác Xăng pha chì Xăng khơng pha chì Quãng đường lăn bánh (x1000 dặm) g/dặm Khơng cĩ bộ xúc tác Xăng pha chì Xăng khơng pha chì Quãng đường lăn bánh (x1000 dặm) Hình 6.9: Ảnh hưởng của việc sử dụng nhiên liệu khơng phù hợp 6.5.2. Ảnh hưởng của nhiên liệu Diesel Chúng ta sẽ khảo sát sau đây ảnh hưởng của khối lượng riêng, chỉ số cetane, thành phần lưu huỳnh, các chất phụ gia đến mức độ phát sinh ơ nhiễm của động cơ Diesel. Các chất ơ nhiễm quan tâm như động cơ đánh lửa cưỡng bức nhưng phải thêm vào những hạt rắn và các chất hữu cơ liên quan (SOF) là những chất ơ nhiễm đặc biệt ở động cơ Diesel. 6.5.2.1. Ảnh hưởng của khối lượng riêng Sự gia tăng khối lượng riêng của dầu Diesel dẫn tới sự gia tăng nồng độ hạt rắn. Hình 6.10 giới thiệu mức độ phát sinh hạt rắn tính theo gam/lít nhiên liệu theo khối lượng riêng ứng với động cơ V8, 10,4 lít chạy ở tốc độ 1700 vịng/phút và một động cơ tăng áp 14 lít, chạy ở 1700 vịng/phút. Tương tự như vậy, nồng độ SOF cũng tăng theo khối lượng riêng. 97
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ơ nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong Mức độ phát sinh bồ hĩng (kg bồ hĩng/lít nhiên liệu) 3 r (kg/dm ) Hình 6.10: Ảnh hưởng của khối lượng riêng nhiên liệu Diesel 6.5.2.2. Ảnh hưởng của thành phần thơm Thành phần thơm của nhiên liệu Diesel ảnh hưởng trực tiếp đến chỉ số cetane. Nhiên liệu khơng cháy hết, hạt rắn, SOF gia tăng theo hàm lượng thơm. Nồng độ NOx ít bị ảnh hưởng. Động cơ Diesel phun trực tiếp, ít bị ảnh hưởng bởi thành phần thơm 6.5.2.3. Ảnh hưởng của chỉ số cétane Kéo dài thời gian cháy trễ do giảm chỉ số cétane dẫn đến sự gia tăng HC, hạt rắn và CO. Hình 6.11 giới thiệu ảnh hưởng của chỉ số cétane đến mức độ phát sinh ơ nhiễm của động cơ phun gián tiếp: NOx ít bị ảnh hưởng bởi chỉ số cétane. Đối với động cơ cĩ buồng cháy ngăn cách, ảnh hưởng của chỉ số cétane chủ yếu đến bộ phận SOF dẫn xuất (extractible), thành phần hạt rắn khơng hịa tan dường như khơng bị ảnh hưởng. Chỉ số cétane cũng ảnh hưởng đến sự phát sinh khĩi xanh hay khĩi trắng, sương mù trong khí xả gồm những hạt nhiên liệu khơng cháy, hiện tượng gặp khi khởi động hay khi làm việc trên cao áp suất giảm. 6.5.2.4. Ảnh hưởng của thành phần lưu huỳnh Thành phần lưu huỳnh là một trong những đặc trưng quan trong được qui định nghiêm ngặt đối với nhiên liệu Diesel. Ở Pháp thành phần lưu huỳnh cho phép là 0,3%. Ở Châu Âu, thành phần lưu huỳnh dao động từ 0,05% đến 0,65%. Ở Thụy sĩ, thành phần lưu huỳnh giới hạn 0,2% cịn ở California, người ta hướng tới giới hạn 0,05%. Đại bộ phận chất ơ nhiễm do lưu huỳnh gây ra tồn tại dưới dạng SO2: Nhiên liệu chứa 0,3% lưu huỳnh thì ở trong khí xả cĩ khoảng 100ppm SO2. Tuy nhiên, một bộ phận SO2 (khoảng 2 đến 3%) bị oxy hĩa thành SO3 và acide sulfurique. Động cơ phun gián tiếp 98 Khơng tăng áp Tăng áp Khơng tăng áp Tăng áp
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ơ nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong Hình 6.11: Ảnh hưởng của chỉ số cetane đến mức độ phát ơ nhiễm của động cơ Diesel phun gián tiếp 6.5.2.5. Ảnh hưởng của các chất phụ gia 1. Các chất phụ gia kim loại: Các chất phụ gia kim loại dưới dạng muối acide được sử dụng để làm giảm mức độ phát sinh bồ hĩng của động cơ Diesel. Những kim loại alcalino-terreux (Ca, Ba, Mg, Fe, Mn, Cu, Ni) thường được sử dụng làm chất phụ gia trong nhiên liệu Diesel. Những alcalino-terreux, barium và calcium cĩ hiệu quả nhất đối với động cơ phun trực tiếp hay phun gián tiếp. Hình 6.12 biểu diễn sự biến thiên của độ đen khí xả theo thành phần chất phụ gia. 2. Các chất phụ gia hữu cơ: Các chất phụ gia hữu cơ cho thêm vào nhiên liệu Diesel nhằm những mục đích khác nhau: - để giảm thời kì cháy trễ - như là chất ổn định, chống oxy hĩa, nâng cao tính ổn định trong quá trình dự trữ - như chất tẩy rửa bề mặt để duy trì độ sạch của vịi phun, đây là yếu tố rất quan trọng trong trường hợp động cơ cĩ buồng cháy dự bị. Tỉ lệ mật độ khĩi (S/So) 99 Tỉ lệ chấtphụ gia trong nhiên liệu(mol/lít/100
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ơ nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong Hình 6.12: Ảnh hưởng của các chất phụ gia kim loại đến độ khĩi Hình 6.13 trình bày ảnh hưởng của chất phụ gia đến mức độ phát sinh bồ hĩng đối vớI động cơ theo thời gian sử dụng. Hình 6.14 cho thấy ảnh hưởng của các chất phụ gia tẩy rửa bề mặt đến tồn bộ các chất ơ nhiễm do động cơ buồng cháy ngăn cách gây ra. 3. Thêm nước: Sự pha thêm nước vào nhiên liệu được nghiên cứu rất nhiều vì phương pháp này dường như là một trong những biện pháp rất hiếm hoi làm giảm đồng thời sự phát sinh NOx và bồ hĩng, trong khi những phương pháp khác thường tác động ngược nhau đối với chiều biến thiên của hai chất ơ nhiễm này. Người ta đề nghị nhiều giải pháp: cung cấp nước dạng emulsion trong dầu Diesel, phun trực tiếp nước trong cylindre hay phun trong dịng khí nạp. Giải pháp đầu tiên dường như cĩ hiệu quả nhất. Nước cĩ tác dụng làm giảm nhiệt độ dẫn đến giảm NOx; mặt khác, do kéo dài thời kì cháy trễ, nĩ làm gia tăng lượng nhiên liệu cháy trong giai đoạn hịa trộn trước và giảm lượng bồ hĩng hình thành chủ yếu trong giai đoạn cháy khuếch tán. Điều này thấy rõ trên hình 6.15. Kết quả này trình bày tỉ lệ giảm mức độ phát sinh bồ hĩng theo tải của động cơ một cylindre phun trực tiếp theo hai giá trị nồng độ nước trong dầu. Người ta cĩ thể làm giảm được 70% bồ hĩng khi pha vào 10% nước. 100
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ơ nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong Bồ hĩng (g/dặm) Khơng pha chất phụ gia Pha chất phụ gia Loại bỏ chất phụ gia Quãng đường lăn bánh (/1000km) Hình 6.13: Ảnh hưởng của các chất phụ gia đến bồ hĩng Khơng pha phụ gia Cĩ phụ gia Bồ hĩng (g/lần thử) CO (g/ lần thử) Nhiên liệu Nhiên liệu HC+NOx HC (g/lần thử) (g/ lần thử) Nhiên liệu Nhiên liệu Hình 6.14: Ảnh hưởng của chất phụ gia tẩy rửa bề mặt Thành phần SOF hấp thụ bởi hạt rắn cũng gia tăng theo tỉ lệ nước. Hydrocarbure chưa cháy gia tăng do giảm nhiệt độ cháy; sự gia tăng nhiệt độ khí nạp cũng khơng phải là một biện pháp kinh tế để bù trừ sự gia tăng HC. Người ta nhận thấy rằng thành phần HAP cĩ mặt trong SOF tăng theo thành phần nước. 101
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ơ nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 10% nước 10% nước 5% nước 5% nước Nhiên liệu Nhiên liệu khơng khơng nước nước Khơng khí/nhiên liệu Khơng khí/nhiên liệu Mức độ giảm bồ hĩng Mức (%) độ giảm SOF 10% nước (%) 10% nước 5% nước 5% nước Hình 6.15: Ảnh hưởng% củ taải nồng độ nước trong dầu Diesel đến % tải mức độ phát sinh ơ nhiễm Sự pha nước vào nhiên liệu khơng phải là giải pháp hữu hiệu làm giảm ơ nhiễm trong quá trình cháy Diesel vì nếu nĩ làm giảm NOx nhưng lại làm tăng HC và CO, việc làm giảm bồ hĩng cịn phụ thuộc vào chế độ tải của động cơ. 102
CÁC BIỆN PHÁP KĨ Chương 7 THUẬT LÀM GIẢM MỨC ĐỘ GÂY Ơ NHIỄM CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Trong chương này, chúng ta sẽ nghiên cứu những biện pháp làm giảm mức độ phát sinh ơ nhiễm ngay trong quá trình cháy của động cơ đốt trong cũng như các giải pháp kĩ thuật xử lí ơ nhiễm trên đường xả bằng bộ xúc tác hay lọc. 7.1. Giảm mức độ phát sinh ơ nhiễm ngay từ nguồn Trong những thập niên tới, mối quan tâm hàng đầu của việc thiết kế động cơ là giảm mức độ phát sinh ơ nhiễm ngay từ nguồn, nghĩa là trước khi ra khỏi soupape xả. Vì vậy, nhà thiết kế động cơ khơng chỉ chú trọng đơn thuần về cơng suất hay tính kinh tế của động cơ mà phải cân nhắc giữa các chỉ tiêu đĩ và mức độ phát sinh ơ nhiễm. 7.1.1. Động cơ đánh lửa cưỡng bức Đối với động cơ đánh lửa cưỡng bức, ba chất ơ nhiễm chính cần quan tâm là NOx, HC và CO. Ảnh hưởng tổng quát của các yếu tố kết cấu và vận hành động cơ đến sự hình thành các chất ơ nhiễm này đã được phân tích ở chương 6. Ở động cơ thế hệ mới làm việc với hỗn hợp nghèo, người ta khống chế thêm vận động rối của hỗn hợp nhiên liệu-khơng khí trong quá trình cháy để làm giảm nồng độ các chất ơ nhiễm, đặc biệt là HC. Sự tăng cường chuyển động rối sẽ làm tăng tốc độ lan tràn màng lửa và hạn chế việc xuất hiện những vùng 'chết' (gần thành buồng cháy). Gia tăng vận động rối cĩ thể thực hiện bằng cách: - Gia tăng vận động xốy lốc của hỗn hợp trên đường ống nạp. - Sử dụng hai soupape nạp khi động cơ làm việc ở chế độ tồn tải và một soupape khi làm việc ở tải cục bộ - Tạo ra một tia khí tốc độ cao phun vào đường nạp phụ cĩ kích thước nhỏ hơn đường ống nạp chính. Việc lựa chọn phương pháp phun nhiên liệu riêng rẽ cho từng cylindre hay phun tập trung ở cổ gĩp đường nạp phụ thuộc nhiều yếu tố (khả năng điều chỉnh, tính năng kinh tế-kỹ thuật, giá thành ). Phương pháp phun nhiên liệu cũng cĩ ảnh hưởng đến sự hình thành các chất ơ nhiễm. Thật vậy, phương pháp phun tập trung cĩ ưu điểm là thời gian dành cho việc bốc hơi nhiên liệu tương đối dài do đĩ hạn chế được hiện tượng ngưng tụ 104
Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ơ nhiễm của động cơ đốt trong nhiên liệu trên đường ống nạp, cịn phương án phun riêng rẽ cho phép tránh được sự khơng đồng đều về thành phần hỗn hợp giữa các cylindre. Việc điều chỉnh gĩc độ phối khí cũng là một biện pháp làm hài hịa giữa tính năng của động cơ và mức độ phát ơ nhiễm HC và NOx. Gia tăng gĩc độ trùng điệp sẽ làm tăng lượng khí xả hồi lưu do đĩ làm giảm NOx. Sự thay đổi quy luật phối khí cũng gây ảnh hưởng đến sự phát sinh HC. Những động cơ mới ngày nay cĩ khuynh hướng dùng nhiều soupape với trục cam cĩ thể điều chỉnh được gĩc độ phối khí. Giải pháp này cho phép giảm nồng độ HC và NOx từ 20 đến 25% so với động cơ kiểu cũ cĩ cùng các tính năng kinh tế-kĩ thuật. Cuối cùng, đối với động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo, việc làm giảm nồng độ NOx trong khí xả cĩ thể được thực hiện riêng rẽ hay đồng thời hai giải pháp sau đây: - Tổ chức quá trình trình cháy với độ đậm đặc rất thấp (f = 0,60-0,70). - Hồi lưu một bộ phận khí xả (EGR: Exhaust Gas Recirculation) Ngày nay, hệ thống hồi lưu khí xả được dùng phổ biến trên tất cả loại động cơ đánh lửa cưỡng bức cổ điển hay động cơ thế hệ mới làm việc với hỗn hợp nghèo. Nĩ cho phép làm bẩn hỗn hợp ở một số chế độ cơng tác của động cơ nhằm làm giảm nhiệt độ cháy và do đĩ làm giảm được nồng độ NOx. Về mặt kết cấu nĩi chung, hệ thống hồi lưu khí xả gồm một van hồi lưu, một hệ thống điều khiển điện trợ lực khí nén và một bộ vi xử lí chuyên dụng. Bộ vi xử lí này nhận tín hiệu từ các cảm biến về nhiệt độ nước làm mát, nhiệt độ khí nạp, tốc độ động cơ, lượng nhiên liệu cung cấp Sau khi xử lí thơng tin nhờ các quan hệ lưu trữ sẵn trong bộ nhớ, bộ vi xử lí phát tín hiệu để điều khiển hệ thống điện trợ lực khí nén đĩng mở van hồi lưu để cho quay ngược một lượng khí xả thích hợp vào đường nạp. Hệ thống hồi lưu khí xả phải được điều chỉnh theo tốc độ và tải của động cơ để tránh xảy ra hiện tượng cháy khơng bình thường làm gia tăng HC trong khí xả. Trong quá trình làm việc, van điều khiển khí xả hồi lưu cĩ thể bị kẹt do sự ngưng tụ của sản phẩm cháy nên cần phải pha chất phụ gia tẩy rửa vào xăng. 7.1.2. Động cơ Diesel Đối với động cơ Diesel các giải pháp kĩ thuật tối ưu làm giảm mức độ phát sinh ơ nhiễm ngay trong buồng cháy cần phải được cân nhắc giữa nồng độ của các chất HC, NOx và bồ hĩng trong khí xả. Như chúng ta đã phân tích ở chương 6, việc thay đổi gĩc phun sớm cĩ ảnh hưởng trái ngược nhau đến nồng độ HC và NOx (hình 7.1). 105
HC 200 200 NOx Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ơ nhiễm của động cơ đốt trong 100 100 +4 +2 -4 -6 0 -2 Gĩc bắt đầu Gqtk phun tối ưu Trễ Sớm Hình 7.1 : Ảnh hưởng của gĩc phun sớm đến sự hình thành HC và NOx trong khí xả động cơ Diesel Các nhà chế tạo động cơ Diesel đã đề ra nhiều biện pháp khác nhau về kĩ thuật phun và tổ chức quá trình cháy nhằm giới hạn nồng độ hai chất ơ nhiễm này. Các biện pháp chính là: - Tăng tốc độ phun để làm giảm nồng độ bồ hĩng do tăng tốc độ hịa trộn nhiên liệu-khơng khí. - Tăng áp suất phun, đặc biệt là đối với động cơ phun trực tiếp. - Điều chỉnh dạng quy luật phun (quan hệ lưu lượng-thời gian) theo khuynh hướng kết thúc nhanh quá trình phun để làm giảm HC. Đối với động cơ Diesel, dạng hình học của buồng cháy ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ơ nhiễm quan trọng hơn là đối với động cơ xăng. Cũng như động cơ xăng, hồi lưu khí xả là một trong những biện pháp hiệu quả nhất để giảm mức độ phát sinh NOx trong động cơ Diesel. Tuy nhiên, về mặt kết cấu, hệ thống hồi lưu khí xả trên động cơ Diesel phức tạp hơn vì độ chân khơng trên đường nạp quá bé khơng đủ sức mở van hồi lưu. Vì vậy, ngồi bộ vi xử lí chuyên dụng, van điện từ trợ lực khí nén và van hồi lưu, hệ thống cịn cĩ một bơm tạo chân khơng (hình 7.2). Mặt khác, người ta cũng sử dụng thêm các phương pháp phụ sau đây để tăng độ chân khơng để hút khí xả vào đường nạp: - Tiết lưu trên đường nạp để tạo ra độ chân khơng cần thiết - Sử dụng một bơm đặc biệt để hút khí xả - Trích khí cháy hồi lưu ở trước turbine và sau khi đã qua lọc 106
Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ơ nhiễm của động cơ đốt trong Bơm hút Van điện/khí nén Lọc Van hồi lưu khí xả Bộ trao đổi khơng khí/khơng khí Lưu lượng kế Máy nén Tốc Bộ vi xử lý độ Lọc khí Lưu lượng nhiên liệu Hình 7.2: Sơ đồ nguyên lí của hệ thống hồi lưu khí xả động cơ Diesel Hiện nay, tỉ lệ khí xả hồi lưu của động cơ Diesel trên ơ tơ du lịch cịn thấp. Trong tương lai, chắc chắn tỉ lệ này phải tăng lên để thỏa mãn luật mơi trường ngày càng trở nên khắt khe hơn. Tuy nhiên, khí xả hồi lưu cĩ thể làm tăng một ít nồng độ bồ hĩng (hình 7.3) và đĩ là điều cần phải xem xét. Cũng như đối với động cơ đánh lửa cưỡng bức, khí xả hồi lưu là nguồn gây bẩn đường nạp và buồng cháy. Vì vậy, việc sử dụng rộng rãi hệ thống hồi lưu khí xả trên động cơ Diesel cần phải đi song song với việc phát triển dầu Diesel cĩ chứa chất tẩy. Phát sinh NOx Phát sinh bồ hĩng (mg/g nhiên liệu) (mg/g nhiên liệu) 12 0,8 8 0,4 4 0% 10% 20% 30% 107 Tỉ lệ khí xả hồi lưu
Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ơ nhiễm của động cơ đốt trong Hình 7.3: Ảnh hưởng của tỉ lệ khí xả hồi lưu đến mức độ phát sinh NOx và hạt rắn Cuối cùng, trong tương lai, việc hồn thiện bộ điều chỉnh điện tử tổ hợp, tác động cùng lúc đến nhiều thơng số: gĩc phun sớm, lượng nhiên liệu chu trình, lượng khí xả hồi lưu lắp trên xe du lịch cũng như xe vận tải sẽ gĩp phần đáng kể vào việc làm giảm mức độ phát ơ nhiễm ngay từ trong quá trình cháy. 7.2. Xử lí khí xả bằng bộ xúc tác Việc xử lí khí xả động cơ đốt trong bằng bộ xúc tác đã được nghiên cứu và phát triển ở Mĩ cũng như ở Châu Âu từ những năm 1960. Đầu tiên, người ta sử dụng các bộ xúc tác oxy hĩa trên những động cơ hoạt động với hỗn hợp giàu. Sau đĩ, hệ thống xúc tác lưỡng tính đã được phát triển để xử lí khí xả. Hệ thống này bao gồm bộ xúc tác khử, bộ cung cấp khơng khí và bộ xúc tác oxy hĩa. Bộ xúc tác 'ba chức năng' đầu tiên được đưa vào sử dụng từ năm 1975 trên động cơ đánh lửa cưỡng bức làm việc với hệ số dư lượng khơng khí a xấp xỉ 1 và trở thành bộ xúc tác được ứng dụng rộng rãi nhất hiện nay. Từ năm 1990, các bộ xúc tác mới được áp dụng trên động cơ đánh lửa cưỡng bức làm việc với hỗn hợp nghèo, động cơ Diesel và động cơ 2 kì. Trong khi chờ đợi những giải pháp kĩ thuật lí tưởng nhằm hạn chế triệt để các chất ơ nhiễm từ trong quá trình cháy thì việc xử lí khí xả bằng xúc tác là biện pháp hữu hiệu nhất để giảm mức độ phát sinh ơ nhiễm của ơ tơ. Người ta ước tính đến năm 2000-2005 sẽ cĩ hơn 80% ơ tơ lưu hành được trang bị bộ xúc tác. 7.2.1. Bộ xúc tác ba chức năng Bộ xúc tác 'ba chức năng' (three-way) là bộ xúc tác cho phép xử lí đồng thời CO, HC và NOx bởi các phản ứng oxy hĩa-khử (hai chất đầu tiên bị oxy hĩa cịn chất thứ ba bị khử). 7.2.1.1. Nguyên tắc chung và cấu tạo của bộ xúc tác Các phản ứng chính diễn ra trong bộ xúc tác gồm: ⎧ 1 CO+→ O CO ⎪ 2 22 Oxy hĩa ⎨ ⎛ y⎞ y ⎪CHxy++⎜ x ⎟OxCO222→+HO ⎩⎪ ⎝ 42⎠ 108
Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ơ nhiễm của động cơ đốt trong ⎧ 1 ⎪NO+→+ H222 N H O ⎪ 2 ⎪ 1 Khº ⎨ NO+→+ CO N22 CO ⎪ 2 ⎪⎛ y⎞ ⎛ y⎞ y ⎜2x + ⎟ NO+→+ Cxy H⎜ x ⎟ NxCO222++HO ⎩⎪⎝ 242⎠ ⎝ ⎠ Hai phản ứng oxy hĩa diễn ra khi độ đậm đặc f nhỏ hơn hay bằng 1 (hỗn hợp nghèo). Trong khi đĩ, ba phản ứng phân hủy NO diễn ra thuận lợi trong hỗn hợp giàu. Trong các phản ứng khử, người ta chỉ quan tâm đến NO vì nĩ là thành phần chủ yếu trong NOx. Trong cùng điều kiện về nhiệt độ, việc oxy hĩa CO, HC và khử NOx (nghĩa là 5 phản ứng kể trên phải diễn ra cùng lúc với tốc độ đủ lớn), chỉ cĩ thể diễn ra một cách đồng thời khi hệ số dư lượng khơng khí của hỗn hợp nạp vào động cơ xấp xỉ 1. Đĩ là lí do giải thích tại sao tất cả ơ tơ cĩ bộ xúc tác ba chức năng phải làm việc với tỉ lệ hỗn hợp cháy hồn tồn lí thuyết và tỉ lệ này được điều chỉnh nhờ cảm biến lambda. Tỉ lệ biến đổi các chất ơ nhiễm qua bộ xúc tác rất nhạy cảm đối với sự thay đổi tỉ lệ hỗn hợp (hình 7.4). Mặt khác, việc duy trì thành phần hỗn hợp cĩ f=1 ngồi việc tăng tỉ lệ biến đổi các chất ơ nhiễm nĩ cịn hạn chế phản ứng 'nhiễu' tạo N2O (protoxyde nitơ): 2NO+→ CO N22 O+ CO 2NO+→+ H222 N O H O 2NO+→++ hydrocarbure N22 O H O CO 2 100 Cường độ các phản ứng này bé nhất khi độ đậm đặc của hỗn hợp xấp xỉ 1. 80 HC 60 CO NOx 40 NO >N2O 20 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 Biến thiên tỉ số Cháy hồn tồn khơng khí/nhiên liệu lí thuyết Hình 7.4: Biến thiên hiệu quả ống xả xúc tác 3 chức năng theo độ lệch của tỉ số khơng khí/nhiên liệu so với giá trị cháy hồn tồn lí thuyết 109
Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ơ nhiễm của động cơ đốt trong Hệ thống xúc tác bao gồm gộp đỡ (support) và lớp kim loại hoạt tính. Ngày nay gộp bằng gốm hay kim loại liền một khối, gọi là monolithe, được dùng rộng rãi nhất. Gộp đỡ monolithe là những ống trụ tiết diện trịn hay ovale bên trong được chia nhỏ bởi những vách ngăn song song với trục. Mặt cắt ngang của bộ phận cơng tác vì vậy cĩ dạng tổ ong với tiết diện tam giác hay vuơng. Đối với động cơ cĩ cơng suất khoảng 100kW, tiết diện tổng cộng cần thiết của các phần tử cơng tác khoảng 130cm2 và thể tích tổng cộng của monolithe khoảng 2-3 lít (0,02-0,03 dm3/kW). Vật liệu gồm dùng phổ biến là cordiérite: 2MgO,2Al2O3,5SiO2. Vật liệu này cĩ ưu điểm là nhiệt độ nĩng chảy cao (1400°C) do đĩ nĩ cĩ thể chịu đựng được nhiệt độ khí xả và nhiệt độ xúc tác (đơi lúc lên đến 1100°C). Gộp đỡ monolithe kim loại ngày nay cĩ nhiều ưu thế hơn. Nĩ được chế tạo bằng thép lá khơng rỉ cĩ bề dày rất bé. Ưu điểm của kim loại là dẫn nhiệt tốt cho phép giảm được thời gian khởi động hệ thống xúc tác. Lớp hoạt tính là nơi diễn ra các phản ứng xúc tác được chế tạo bằng những kim loại quý mạ thành lớp rất mỏng trên vật liệu nền (wash-coat). Vật liệu nền rất cần thiết vì gộp đỡ (kim loại hay gốm) cĩ diện tích bề mặt riêng thấp. Vật liệu nền chủ yếu là một lớp nhơm gamma, bề dày khoảng 20-50 micron được tráng trên bề mặt của rãnh gộp. Sự hiện diện của nĩ cho phép làm tăng bề mặt riêng của gộp do đĩ thuận lợi cho hoạt tính xúc tác của kim loại quý. Ngồi nhơm ra, vật liệu nền cịn chứa những thành phần ổn định cũng như những kim loại khởi động cho hoạt tính xúc tác. Cĩ 3 loại kim loại quý thường được dùng để tráng trên bề mặt của vật liệu nền: Platine, Palladium, Rhodium. Hai chất đầu tiên (Pt, Pd) dùng cho các phản ứng xúc tác oxy hĩa, trong khi đĩ Rh cần thiết cho phản ứng xúc tác khử NOx thành N2. Thành phần Pt/Pd được lựa chọn dựa trên một số yêu cầu về tính năng của bộ xúc tác: hiệu quả xúc tác ở nhiệt độ thấp, độ bền, tuổi thọ Khối lượng kim loại quý dùng cho mỗi bộ xúc tác rất thấp, khoảng từ 1 đến 2 gam cho mỗi ơ tơ. Ngồi ra, bộ xúc tác cũng chứa những chất khác như kền, cérium, lanthane, baryum, zirconium, sắt, silicium với hàm lượng bé. Những chất này tăng cường thêm hoạt tính xúc tác, tính ổn định và chống sự lão hĩa của kim loại quý. 7.2.1.2. Khởi động bộ xúc tác Bộ xúc tác ba chức năng chỉ phát huy tác dụng khi nhiệt độ làm việc lớn hơn 250°C. Khi vượt qua ngưỡng nhiệt độ này, tỉ số biến đổi những chất ơ nhiễm của bộ xúc tác tăng rất nhanh, đạt tỉ lệ lớn hơn 90%. Do đĩ, trên ơ tơ bộ xúc tác chỉ tác động sau một khoảng thời gian khởi động nhất định để nhiệt độ của bộ xúc tác đạt được giá trị ngưỡng này. Trong khoảng thời gian đĩ, các chất ơ nhiễm trong khí xả hầu như khơng được xử lí. Thực nghiệm cho thấy bộ xúc tác đạt được nhiệt độ ngưỡng sau khi ơ tơ chạy được từ 1 đến 3 km trong thành phố. 110
Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ơ nhiễm của động cơ đốt trong Nhiệt độ khởi động bộ xúc tác được định nghĩa là nhiệt độ mà ở đĩ tỉ lệ biến đổi các chất ơ nhiễm đạt 50%. Hình 7.5 cho thấy nhiệt độ khởi động của bộ xúc tác cĩ thể thay đối theo thành phần hĩa học của hỗn hợp cần xử lí. Nĩi chung alkane chuỗi ngắn, đặc biệt là méthane là những hydrocarbure khĩ oxy hĩa nhất; những hydrocarbure thơm, alcène, cĩ thể oxy hĩa ở nhiệt độ tương đối thấp. Vì vậy, trên động cơ, nhiệt độ khởi động bộ xúc tác cĩ thể chênh lệch từ 10 đến 20 độ tùy theo thành phần nhiên liệu sử dụng. Một biện pháp dùng để giảm thời gian khởi động là sấy bộ xúc tác bằng điện. Biện pháp này tốn kém, cơng suất cần thiết của thiết bị sấy tương đối cao (khoảng 5,5kW để đạt được nhiệt độ sấy từ 300 đến 350°C trong 15s). 7.2.1.3. Sự lão hĩa bộ xúc tác Tính hiệu quả của bộ xúc tác giảm dần theo thời gian sử dụng (hình 7.6). Nguyên nhân gây lão hĩa này là do tác động đồng thời của các tác nhân hĩa, lí, nhiệt và cơ học, trong đĩ tác nhân hĩa học do nhiên liệu trực tiếp hay gián tiếp gây ra là quan trọng nhất. Nhiệt độ khởi động (K) 800 Alcanes 700 600 Acétylène 500 Aromatique Alcools Ethylène 2 4 6 8 Số nguyên tử Carbon Hình 7.5: Nhiệt độ khởi động đối với các hợp chất hữu cơ khác nhau Gia tăng nhiệt độ khởi động (C) 100 HC CO NOx 10 111 0,5 1 5 10 50 100 Thời gian sử dụng (h)
Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ơ nhiễm của động cơ đốt trong Hình 7.6: Gia tăng nhiệt độ khởi động của bộ xúc tác theo thời gian sử dụng ơ tơ A. Tác động của chì Tác hại của chì đến bộ xúc tác cĩ thể do nhiều hợp chất hĩa học của nĩ hình thành trong quá trình cháy gây ra (các oxyde, halogénure, sulfate). Tác hại của chì là phủ lên mặt chất xúc tác một lớp kim loại trơ ở nhiệt độ cao và chèn kín các lỗ xốp ở nhiệt độ thấp. Những chất halogène, chlor và brome, chính chúng cũng làm Mgiứảcm độ d phátần tính ơnhi nễmăng của bộ xúc tác do chúngM bứị ch độấp phát thụ ơnhitrênễ mbề mặt kim loại quý. (g/mile) (% giá trị ban đầu) HC 2 CO 400 16 300 12 1 200 8 100 4 1 bình 3 bình 1 bình 3 bình xăng xăng khơng xăng xăng khơng pha chì pha chì pha chì pha chì 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Quãng đường chạy (mile) Hình 7.6: Ảnh hưởng của chì đến bộ xúc tác 3 chức năng Vì vậy, phải tránh việc sử dụng xăng pha chì đối với động cơ cĩ ống xả xúc tác. Tuy nhiên, xăng pha chì khơng hủy hồn tồn hoạt tính xúc tác. Tính xúc tác cĩ thể được phục hồi lại một phần khi sử dụng xăng khơng pha chì (hình 7.6) B. Tác động của phosphore Sự hiện diện của phosphore trong nhiên liệu gây ảnh hưởng rất nghiêm trọng đến bộ xúc tác. Phosphore một mặt gây ra sự sai lệch tín hiệu của cảm biến lambda và mặt khác, làm giảm hiệu quả của bộ xúc tác, nhất là đối với việc oxy hĩa CO. 112
Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ơ nhiễm của động cơ đốt trong Trong thực tế, nhiên liệu thơng thường cĩ hàm lượng phosphore nhỏ hơn 0,02ppm. Mặt khác, phosphore trong khí xả cũng cĩ thể bắt nguồn từ chất chống mịn pha trong dầu bơi trơn (dialkyldithiophosphate kẽm). Tuy nhiên, hàm lượng đĩ khơng đủ gây ra những tác hại đáng kể đối với bộ xúc tác. C. Tác động của lưu huỳnh Lưu huỳnh hiện diện trong xăng cĩ tác hại làm trơ hĩa dần bộ xúc tác ba chức năng, đặc biệt là trong điều kiện hỗn hợp tương đối giàu. Tuy nhiên sự trơ hĩa do lưu huỳnh gây ra cĩ thể phục hồi khi sử dụng xăng cĩ thành phần lưu huỳnh rất thấp. Lưu huỳnh trong xăng cịn cĩ thể gây ra một hiện tượng bất lợi khác: phát sinh những bọng khí H2S trong một số điều kiện làm việc, chẳng hạn khi khởi động ở trạng thái nguội hay khi chạy khơng tải sau giai đoạn giảm tốc. Thật vậy, khi động cơ làm việc với hỗn hợp tương đối nghèo, lưu huỳnh được lưu trữ dưới dạng sulfate, chủ yếu là sulfate cerium. Hợp chất này sau đĩ biến thành H2S khi thành phần nhiên liệu-khơng khí tức thời chuyển sang giàu. Để chống lại hiện tượng này, người ta pha vào kim loại xúc tác một hàm lượng kền rất bé. Giải pháp này được áp dụng ở Mĩ nhưng khơng được áp dụng ở Châu Âu do độc tính của kền. D. Lớp bám carbon Khi ơ tơ cĩ bộ xúc tác ba chức năng được sử dụng thường xuyên trên những quãng đường ngắn, sự lập lại thường xuyên quá trình khởi động, quá trình địi hỏi hỗn hợp giàu, cĩ thể gây ra một lớp than đáng kể bám trên ống xả xúc tác. Khi đĩ cần một nhiệt độ cao thì bộ xúc tác mới khởi động được. Tuy nhiên tác động của lớp than đến bộ xúc tác cĩ thể khử đi khi đốt cháy nĩ bằng nhiệt độ cao. Bộ xúc tác trở lại tính năng ban đầu sau khi hết lớp than. 7.2.2. Bộ xúc tác oxy hĩa dùng cho động cơ Diesel Bộ xúc tác oxy hĩa Diesel hiện nay chưa được phổ biến rộng rãi như bộ xúc tác ba chức năng của động cơ xăng vì mức độ phát sinh ơ nhiễm của động cơ Diesel về CO và HC cịn nằm trong giới hạn cho phép, chưa cần thiết phải sử dụng thiết bị xử lí trên đường xả. Mặt khác, bộ xúc tác oxy hĩa khơng cĩ tác dụng đối với NOx và chỉ cĩ tác dụng rất giới hạn đối với bồ hĩng. 7.2.2.1. Đặc điểm của bộ xúc tác và điều kiện sử dụng: Khí xả của động cơ Diesel cĩ chứa bồ hĩng và một lượng bé CO, HC do hệ số dư lượng khơng khí lớn. Trên nguyên tắc, sự xúc tác oxy hĩa diễn ra thuận lợi. Khĩ khăn duy nhất liên quan đến nhiệt độ mơi trường phản ứng thấp. Hình 7.7 cho thấy nhiệt độ mơi trường cần phải đạt đến 200°C thì bộ xúc tác mới bắt đầu khởi động. Vào khoảng 300°C, bộ xúc tác bắt đầu oxy hĩa đồng thời SO2 thành SO3. Các chất này do lưu huỳnh trong nhiên liệu tạo ra. Đây là một hiện tượng rất xấu vì nĩ làm gia tăng 113
Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ơ nhiễm của động cơ đốt trong mức độ phát sinh hạt rắn (hình 7.8). Mặt khác, sau khi hình thành, SO3 cĩ thể biến thành acid sulfuric ngậm nước và chất này bị giữ lại một phần trên lọc làm ảnh hưởng rất đáng kể đến tuổi thọ của lọc. Vì vậy, việc sử dụng bộ xúc tác oxy hĩa trên động cơ Diesel cần phải đi kèm với việc sử dụng nhiên liệu cĩ thành phần lưu huỳnh rất thấp. Trên cơ sở điều kiện kĩ thuật này, Liên Hiệp Châu Âu đã đề ra tiêu chuẩn giới hạn lưu huỳnh trong nhiên liệu Diesel khơng được vượt quá 0,05% áp dụng từ ngày 1 tháng 10 năm 1996. Tỉ lệ biến đổi CO (%) CO 100 HC 75 SO2 50 25 Nhiệt độ khí (C) 100 200 300 400 500 600 700 Thành phố Đường trường Hình 7.7: Biến thiên của tỉ lệ oxy hĩa theo nhiệt độ khí xả Phát sinh bồ Thành phần 0,3% 100 hĩng (g/h) lưu huỳnh 75 0,15% 0,1% 50 0,05% 25 0% 200 300 400 500 600 Nhiệt độ khí vào bộ xúc tác (°C) Hình 7.8: Ảnh hưởng của thành phần lưu huỳnh trong nhiên liệu đến sự phát sinh hạt rắn theo nhiệt độ khí vào ống xả Về mặt kết cấu, kim loại quý dùng cho bộ xúc tác oxy hĩa Diesel chủ yếu là Platine và Palladium hoặc hợp kim của hai chất này, trong đĩ Palladium được ưa chuộng hơn vì nĩ khĩ oxy hĩa SO2 thành SO3. 114
Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ơ nhiễm của động cơ đốt trong Sự hiện diện của lưu huỳnh trong dầu Diesel, ngay cả khi hàm lượng rất bé, cũng gây ảnh hưởng đáng kể đến hoạt tính của bộ xúc tác, đặc biệt là nĩ làm tăng nhiệt độ khởi động của bộ xúc tác (hình 7.9). Tuy nhiên bộ xúc tác cĩ thể phục hồi được đặc tính ban đầu khi động cơ sử dụng nhiên liệu khơng chứa lưu huỳnh. Thành phần Tỉ lệ biến đổi lưu huỳnh 60 HC (%) 40 0% 0,05% 0,15% 20 ∆T=25°C 160 180 200 220 240 Nhiệt độ khí vào bộ xúc tác (°C) Hình 7.9: Ảnh hưởng của thành phần lưu huỳnh trong nhiên liệu đến nhiệt độ khởi động của bộ xúc tác 7.2.2.2. Hiệu quả của bộ xúc tác oxy hĩa Diesel Như trên đã nêu, việc sử dụng bộ xúc tác oxy hĩa phải kèm theo việc sử dụng nhiên liệu Diesel khơng chứa lưu huỳnh. Thử nghiệm động cơ ơ tơ nhẹ theo chu trình ECE+EUDC cho thấy bộ xúc tác oxy hĩa trên động cơ Diesel cĩ thể làm giảm trung bình 35% đối với CO, 30% đối với HC, 25% đối với hạt rắn hịa tan (SOF). 7.2.3. Khử oxyde nitơ trong mơi trường cĩ sự hiện diện của oxy Kĩ thuật này thường được gọi là 'khử NOx' được dùng trên động cơ đánh lửa cưỡng bức làm việc với hỗn hợp nghèo và trên động cơ Diesel. Nĩ là đối tượng nghiên cứu của rất nhiều cơng trình nhưng cho tới nay kĩ thuật đĩ vẫn chưa được triển khai trong cơng nghiệp. 'Khử NOx' là vấn đề mấu chốt trong xử lí khí xả trên đường thải, vì ngày nay ngồi hệ thống hồi lưu khí xả khả dĩ làm giảm NOx ngay trong quá trình cháy (nhưng gây ra những nhược điểm về tính kinh tế-kĩ thuật của động cơ), chưa cĩ một giải pháp kĩ thuật nào nào khả dĩ khử được NOx đối với hai loại động cơ vừa nêu, mà chính hai loại động cơ đĩ lại là những động cơ cĩ rất nhiều ưu thế về tính năng kinh tế-kĩ thuật. Bộ xúc tác khử NOx chủ yếu là giảm oxyde nitric NO, chất chiếm đại bộ phận trong NOx. Sự phân giải NO được viết như sau: 2NO > N2 + O2 115
Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ơ nhiễm của động cơ đốt trong Về phương diện nhiệt động học, phản ứng trên hồn tồn cĩ thể xảy ra nhưng với tốc độ phản ứng rất thấp. Tỉ lệ biến 100 đổi CO 75 Khơng phun 50 Phun 25 50 150 250 350 450 Nhiệt độ (°C) Tỉ lệ biến 30 đổi NOx 20 10 50 150 250 350 450 Nhiệt độ (°C) Tỉ lệ biến 100 đổi 75 HC 50 25 Hình 7.10: Ảnh hưởng của việc phun hydrocarbure trên đường xả 50 150 250 350 450 đến hiệu quả khử NOx Nhiệt độ (°C) Một phương án khác, đã được áp dụng trên động cơ tàu thủy cỡ lớn là thêm chất phụ gia ammoniac hay uré (NH2-CO-NH2) trong khí xả và xử lí tồn bộ hợp chất nhận được trên bộ xúc tác nền oxyde titan phủ lớp oxyde vanadium, chất cĩ khả năng hấp thụ mạnh những chất khử. Khi đĩ, phản ứng xúc tác tổng quát được viết như sau: NO + NH3 + 0,25O2 > N2 + 1,5H2O 116
Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ơ nhiễm của động cơ đốt trong Phản ứng trên cho phép loại trừ được 70-80% NO chứa trong khí xả. Tuy nhiên, kĩ thuật này hiện nay chưa được áp dụng trên động cơ ơ tơ (thời gian tiếp xúc cần thiết lớn, độc tính của ammoniac ) Các nghiên cứu mới đây được tiến hành theo hướng khử NO bằng hydrocarbure đã cĩ mặt hay được cung cấp thêm vào trong khí xả. Phản ứng khử được viết như sau: NO + Hydrocarbure > N2 + CO2 + H2O Phản ứng trên thực tế xảy ra với tỉ lệ biến đổi từ 40-80% nhờ bộ xúc tác đồng phủ trên nền zéolithe hay platine phủ trên nền zéolithe. Tuy nhiên, điều kiện trong khí xả động cơ cịn khác biệt nhiều so với điều kiện thí nghiệm tối ưu đối với phản ứng trên vì: - Nhiệt độ khí xả quá thấp (150-250°C so với điều kiện thí nghiệm 400-500°C). - Nồng độ hydrocarbure khơng đủ (thấp hơn điều kiện thí nghiệm từ 20-40 lần). Tuy điều kiện thực tế cịn khác biệt nhiều so với điều kiện thí nghiệm nhưng phương pháp khử NOx bằng hydrocarbure cĩ rất nhiều hứa hẹn. Hình 7.10 giới thiệu một vài kết quả được cơng bố trong những năm gần đây. Ngồi những khĩ khăn vừa nêu, trước khi đưa bộ xúc tác khử NOx bằng hydrocarbure vào ứng dụng trong cơng nghiệp, người ta cũng cần phải giải quyết một số vấn đề kĩ thuật khác chẳng hạn như khống chế phản ứng tạo N2O và kéo dài tính ổn định của bộ xúc tác theo thời gian. Trong thực tế, bộ xúc tác khử NOx ở động cơ Diesel khơng cần phải đạt tính năng cao như bộ xúc tác ba chức năng. Tỉ số biến đổi NOx chừng 30- 40% là cĩ thể chấp nhận được. Cũng giống như các bộ xúc tác khác, việc xử dụng bộ xúc tác khử NOx trên đường xả động cơ Diesel cần phải đi kèm với việc sử dụng nhiên liệu khơng chứa lưu huỳnh. 7.3. Lọc hạt rắn Nhờ những thành tựu trong nghiên cứu hồn thiện việc tổ chức quá trình cháy trong động cơ Diesel mà trong hai mươi năm qua, mức độ phát sinh hạt rắn của động cơ Diesel đã giảm đi rất nhiều. Mức độ phát sinh bồ hĩng của động cơ Diesel lắp trên ơ tơ du lịch ở Châu Âu đã giảm từ 0,50 g/km xuống 0,08g/km, thỏa mãn tiêu chuẩn ơ nhiễm năm 1996 của EU. Với tốc độ tiến bộ như hiện nay trong nghiên cứu quá trình cháy và nâng cao tính chất nhiên liệu, trong những năm tới đây, các thế hệ động cơ Diesel mới cĩ thể thỏa mãn được tiêu chuẩn Euro 2000 (khoảng 0,05 g/km). Nghiên cứu hồn thiện quá trình cháy cĩ thể làm giảm nồng độ bồ hĩng trong điều kiện cháy bình thường. Tránh tập trung nhiên liệu ở những vùng cĩ nhiệt độ cao là điều kiện tiên quyết để hạn chế mức độ phát sinh bồ hĩng. Tuy nhiên, trên các phương tiện vận tải động cơ thường xuyên tăng giảm tải trong khi vận hành và đĩ là nguyên nhân cơ bản phát sinh bồ hĩng trong động cơ Diesel hiện đại. 117
Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ơ nhiễm của động cơ đốt trong Cải tiến hình dạng buồng cháy, thay đổi thành phần nhiên liệu, pha các chất phụ gia cĩ ít nhiều tác dụng làm giảm nồng độ bồ hĩng trong khí xả. Giảm cơng suất động cơ cũng là cách giảm nồng độ bồ hĩng nhưng cơng suất động cơ Diesel càng lớn thì hiệu quả kinh tế càng cao. Các nhà khoa học đã và đang ra sức tìm kiếm các giải pháp hồn thiện quá trình cháy trong động cơ Diesel để giảm nồng độ bồ hĩng trong khí xả đến mức thấp nhất. Tuy nhiên cho dù nồng độ bồ hĩng trong khí xả Diesel giảm đi nhiều, nĩ vẫn luơn là mối quan tâm của các nhà khoa học vì bồ hĩng rất dễ đi sâu vào phổi, bị giữ lại ở phế nang gây nhiều tác hại đối với cơ quan hơ hấp. Người ta thấy rằng trong số những hạt bụi cĩ mặt trong khí quyển thì những hạt cĩ kích thước tương ứng với hạt bồ hĩng bị giữ lại trong phổi dễ dàng nhất và tồn tại ở đĩ trong thời gian dài nhất. Chính vì lẽ đĩ, việc lọc bồ hĩng trên đường xả của động cơ Diesel rất được quan tâm trong những năm gần đây cho dù kĩ thuật này cịn phức tạp và tốn kém. Bồ hĩng trong khí xả cĩ kích thước rất bé. Đa số hạt bồ hĩng (hơn 90% số hạt) cĩ đường kính trung bình khoảng 1µm. Lọc hạt cỡ này rất khĩ vì nĩ sẽ gây tổn thất lớn trên đường thải. Hạt bồ hĩng xốp, cĩ khối lượng riêng trung bình khoảng 0,07g/cm3 nên lọc bị tắt rất nhanh. Làm sạch thường xuyên bồ hĩng bám trên lõi lọc là điều kiện cần thiết để đảm bảo lọc hoạt động bình thường. Lọc bồ hĩng tập trung giải quyết hai vấn đề cơ bản đĩ là lựa chọn kĩ thuật lọc và phương pháp tái sinh lọc. 7.3.1. Kĩ thuật lọc Thành xốp bồ hĩng Cĩ nhiều phương án lọc bồ hĩng khác nhau nhưng nhìn chung chúng dựa trên cùng nguyên tắc là Nút gốm bẫy hạt bồ hĩng. Hình 7.11 : Lõi lọc 1. Kĩ thuật lọc Hai mươi năm qua, nhiều cơng trình nghiên cứu về lọc bồ hĩng đã được tiến hành nhưng chưa cĩ một loại lọc nào được ứng dụng rộng rãi. Giá thành lọc vẫn cịn cao, hệ thống lọc cịn phức tạp và tuổi thọ của lọc thấp. Lọc chế tạo bằng vật liệu gốm đã được áp dụng từ năm 1981. Hiệu quả lọc của chúng rất cao (cĩ thể đạt 90%), nhưng sự phát triển loại lọc này cịn bị hạn chế do chưa tìm ra được một hệ thống tái sinh tin cậy với giá thành hạ. Thành lọc cĩ bề dày 0,3mm, vật liệu cĩ độ xốp 40÷50% với đường kính lỗ xốp trung bình 14µm. Lõi lọc được chế tạo thành dạng tổ ong và được làm kín ở một đầu xen kẽ nhau (hình 7.11). Khí xả vào đầu hở của lọc, khi qua các lỗ xốp của thành bồ hĩng bị giữ lại. Trong lõi lọc hiện đại, dây điện trở được bố trí trong thành gốm để đốt bồ hĩng trong quá trình tái sinh. Lọc bằng vật liệu gốm thường hay bị nứt hỏng do ứng suất nhiệt khi tái sinh và xung lực của dịng khí thải. 118
Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ơ nhiễm của động cơ đốt trong Lọc gốm monolithe là dạng lọc được nghiên cứu và thử nghiệm nhiều nhất kể từ A khi đề ra giải pháp lọc bồ hĩng. Lọc được cải tạo từ gộp của bộ xúc tác ba chức năng bằng cách làm kín xen kẽ đầu các rãnh thơng sao cho khí thải buộc phải qua lớp xốp của thành gốm ngăn cách hai rãnh thơng liền nhau (hình 7.12). Phương pháp lọc này gọi là phương pháp 'thổi qua tường' (wall flow). Hiệu quả của lọc rất cao (lớn hơn 90%) nhưng trở lực trên đường xả lớn và gradient nhiệt độ trong lõi lọc cao khi tái sinh lọc. Vật liệu gốm thường được sử dụng là cordiérite (2MgO,2Al O ,5SiO ) hoặc carbure silic 2 3 2 (SiC). Thành xốp B Khí xả Bồ hĩng bị giữ lại Nút gốm Hình 7.12: Lõi lọc gốm Lọc sợi gốm được chế tạo từ sợi silic hay hỗn hợp oxyde nhơm và silic, được cuộn thành lớp dày khoảng 10-12mm quanh những ống bằng kim loại cĩ đường kính 40mm. Khí xả di chuyển từ bên trong ống ra ngồi. Lớp sợi này tạo thành lưới lọc với đường kính trung bình của lỗ khoảng 10 micron. Dạng lọc này cĩ ưu điểm là ít chịu ảnh hưởng của ứng suất nhiệt và cơ khí, hiệu quả lọc vừa phải (75-80%). Lọc lưới sợi gốm vừa mới được phát triển trong những năm gần đây nhưng cĩ rất nhiều hứa hẹn. Những sợi gốm cĩ đường kính chừng 10 micron được đan lại thành tấm (hình 7.13) mà dạng lỗ trống được tối ưu hĩa để đảm bảo hiệu quả lọc cao nhất và độ cứng vững chấp nhận được. Các tấm này được dệt theo phương pháp cổ điển của cơng nghệ dệt. Hiệu quả lọc, độ chịu đựng gradient nhiệt và rung động cơ học của lõi lọc này rất tốt. 119
Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ơ nhiễm của động cơ đốt trong Hình 7.13: Lõi lọc bằng lưới sợi gốm Lọc bằng sợi thép mạ nhơm cĩ quy trình chế tạo đơn giản hơn. Nĩ cĩ ưu điểm chịu được sự thay đổi nhiệt độ, rung động và xung lực của khí xả. Thể tích của lõi lọc và kích thước của sợi lọc được xác định theo lưu lượng khí xả và tổn thất áp suất cho phép. Sợi thép sau khi mạ nhơm cĩ bề dày 0,2mm là tối ưu nhất (hình 7.14). Lõi lọc bằng kim loại xốp được áp dụng trong những năm gần đây. Kim loại xốp cĩ tên gọi là Celmet, đĩ là hợp kim Ni-Cr-Al, cĩ thể chịu đựng được nhiệt độ 700oC trong 300 giờ. Tổn thất áp suất chỉ bằng khoảng 1/10 so với lọc bằng vật liệu gốm thơng thường. Lọc Celmet cĩ đường kính lỗ xốp trung bình khoảng 500 µm (hình 7.15). Kích thước lỗ cĩ thể điều chỉnh bằng cách gây biến dạng lõi lọc hay ghép chồng lên nhau nhiều tấm lọc đồng trục. Thường lõi lọc gồm hai lưới lọc hình trụ được bố trí đồng trục và giữa hai lõi lọc này người ta bố trí một điện trở để tái sinh lọc. Khí xả vào khơng gian giữa hai lưới và thốt qua các lỗ xốp của chúng. Bồ hĩng bám trên thành lọc được đốt định kì bằng bức xạ của điện trở. Do khơng gian giữa hai lưới lọc nhỏ nên cơng suất điện tiêu tốn cho điện trở đốt cũng giảm. 120
Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ơ nhiễm của động cơ đốt trong Hình 7.14: Lõi lọc bằng sợi thép mạ nhơm Lưới lọc tĩnh điện được áp dụng trong các thiết bị lọc bụi cơng nghiệp cũng cĩ nhiều triển vọng được sử dụng trong các bộ lọc bồ hĩng động cơ Diesel. Ưu điểm của loại lọc này là cĩ thể kết hợp giữa nguyên lí lọc lưới cổ điển và lọc tĩnh điện. Nĩ gồm các lưới bằng thép khơng rỉ, cách điện và đặt xen kẽ nhau. Chúng được nối lần lượt các cực âm, dương của accu. Khi dịng khí thải đi qua lưới, những hạt bồ hĩng kích thước lớn bị giữ lại và những hạt nhỏ thốt qua lọc nhưng bị nhiễm điện. Những hạt này sau đĩ bị giữ lại bằng lực hút tĩnh điện trên lưới lọc phía sau cĩ điện thế trái dấu (hình 7.16a). Điện áp càng lớn, hiệu quả lọc càng cao (hình 7.16b). Lọc bằng cách ngưng tụ hơi nước để hấp thụ bồ hĩng hiện cũng đang được nghiên cứu. Khí xả qua bộ lọc được làm lạnh đến dưới điểm ngưng tụ hơi nước (khoảng 50oC) bằng một lưới gồm những ống làm lạnh cĩ đuờng kính bé. Khi dịng khí xả đi qua, hạt bồ hĩng bị giữ lại trên bề mặt những giọt nước ngưng tụ. Nước và bồ hĩng sau đĩ được chứa vào bình ngưng và định kì chúng được lấy ra để xử lí. Hình 7.15: Lọc celmet Bình điện Lưới nhiễm Lưới nhiễm Lưới lọc Bồ hĩng Lưới nhiễm điện dương điện âm điện âm Cánh tản nhiệt Khí121 xả Khí sạch Khí xả Lọc bằng lưới Lọc tĩnh điện
Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ơ nhiễm của động cơ đốt trong Hình 7.16a: Lọc tĩnh điện Hiệu quả lọc (%) 4 tầng Hình 7.16b: Ảnh hưởng của điện áp đến hiệu quả lọc tĩnh điện 2 tầng Thời gian hoạt động (phút) 7.3.2 Tái sinh lọc Như trên đã phân tích, trong quá trình sử dụng, lọc bị tắc rất nhanh nên phải tái sinh lọc để tránh tổn thất áp suất trên đường xả. Khi hiệu quả lọc càng cao thì lọc càng nhanh bị tắc. Lượng bồ hĩng phát sinh trung bình đối với ơ tơ Diesel du lịch là 0,10g/km, do đĩ lọc phải giữ lại 100g bồ hĩng trên quãng đường 1000km. Với khối lượng riêng bồ hĩng ước chừng 0,075g/cm3, thì lượng bồ hĩng vừa nêu chiếm một thể tích 1,3 lít. Đối với ơ tơ hạng nặng (xe tải, bus) thì khối lượng và thể tích bồ hĩng phát sinh trên cùng quãng đường sẽ gấp 10 lần so với ơ tơ du lịch! Sự tích tụ bồ hĩng trên lõi lọc gây trở lực trên đường xả và do đĩ làm giảm tính năng của động cơ (khi tổn thất áp suất bắt đầu vượt 100- 150 mbar). Các giải pháp thơng thường là đốt, rung, rửa hay dùng dịng khí thổi ngược. Đốt bồ hĩng là phương pháp được áp dụng rộng rãi nhất. Thực nghiệm cho thấy sự oxy hố bồ hĩng 122
Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ơ nhiễm của động cơ đốt trong bắt đầu với tốc độ thấp ở 300°C và gia tốc ở 400°C trong khơng khí hay dịng khí cĩ chứa 10% oxy. Bồ hĩng bám trên lọc cĩ thể bị đốt cháy hồn tồn ở nhiệt độ 540°C với điều kiện cĩ đủ oxy. Nhiệt độ tái sinh càng cao, thời gian đốt hồn tồn bồ hĩng càng giảm. Nhiệt độ cao của khí xả cĩ thể tạo ra nhờ thay đổi chế độ làm việc của động cơ, tiết lưu trên đường nạp hay thêm những thiết bị phụ như bộ sấy điện trở, vịi đốt, đuốc xúc tác Phương pháp gia nhiệt khí thải bằng điện trở khơng mấy triển vọng vì địi hỏi cơng suất điện lớn. Dùng vịi đốt bằng nhiên liệu Diesel trong đường xả hay đuốc xúc tác để gia nhiệt dường như cĩ nhiều triển vọng nhất. Hình 7.17 giới thiệu bộ đốt bồ hĩng để tái sinh lọc. Hệ thống này làm việc một cách tự động. Trở lực trên đường xả được đo liên tục và ghi vào bộ nhớ ECU. Khi p ≥ pmax, ECU khởi động vịi đốt. Nhiên liệu được phun bằng khí nén. Ngọn lửa được khơi mào bằng tia lửa điện xuất hiện giữa hai điện cực của bộ đánh lửa. ECU cắt nhiên liệu qua vịi đốt để kết thúc quá trình tái sinh khi áp suất trên đường xả nhỏ hơn một giá trị định trước. Nguyên lí của đuốc xúc tác là phun nhiên liệu hydrocarbure (lỏng hay khí) vào bộ xúc tác đặt trong đường xả. Sự toả nhiệt do oxy hĩa lượng nhiên liệu này làm tăng nhiệt độ khí để oxy hĩa bồ hĩng. Hệ thống tái sinh kiểu đuốt xúc tác chỉ gồm một bộ tạo xúc tác đơn giản do đĩ giá thành hạ. Các nghiên cứu gần đây cho thấy một số oxyde kim loại cĩ khả năng làm giảm nhiệt độ xúc tác bồ hĩng xuống xấp xỉ nhiệt độ khí xả khi động cơ làm việc bình thường (350°C). Sự Oxy hố graphite trên oxyde đồng chẳng hạn được biểu diễn bởi hai phản ứng sau: C + 2CuO → CO2 + 2Cu 2Cu + O2 → 2CuO Khí nén Khí xả động cơ Giảm áp Khí xả Buồng hỗn hợp Van phun Nhiên Bộ đánh lửa Bưm N. liệu Bơm k.khí Nhiên liệu Hệ thống điều khiển Hình 7.17: Tái sinh lọc bằng đốt bồ hĩng Ngồi ra, các chất hoạt tính xúc tác khác như Oxide Vanadium V2O5 , Oxyde Cobal Co3O4/ CoO, Oxyde Cerium CeO2, Oxy kẽm ZnO, Oxyde Nikel NiO cũng cĩ thể được dùng để chế tạo bộ xúc tác bồ hĩng. Hình 7.18 giới thiệu hiệu quả xúc tác của các 123
Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ơ nhiễm của động cơ đốt trong chất khác nhau đối với bồ hĩng. Khi động cơ Diesel làm việc với tải trung bình, nhiệt độ khí xả cĩ thể đạt đến giới hạn cần thiết cho quá trình xúc tác. Trong trường hợp động cơ làm việc ở chế độ tải thấp, cần gia nhiệt thêm cho khí thải nhưng năng lượng bổ sung thấp hơn nhiều so với các bộ tái sinh lọc khác. Bộ xúc tác cịn cĩ tác dụng đốt những hydrocarbure nặng mà những chất này cĩ thể thốt ra ngồi nếu chỉ dùng lọc bồ hĩng thơng thường. Dựa vào tính chất xúc tác của một số hợp chất hĩa học người ta cũng cĩ thể đốt cháy lớp bồ hĩng bám trên lõi lọc để tái sinh lọc. Chất xúc tác cĩ thể được tráng trên thành lõi lọc hay phun ngay trước lọc. Nĩ cũng cĩ thể được pha vào dầu Diesel dưới dạng các chất phụ gia. Những chất này khơng những cho phép làm giảm nhiệt độ tự cháy của bồ hĩng mà cịn làm tăng tốc độ oxy hĩa. 100 80 60 V2O5 CuO Co3O4 NiO 40 20 100 200 300 400 500 600 700 Hình 7.18: Hiệu quả xúc tác bồ hĩng Việc lắp đặt bộ xúc tác ngay trong lọc là tương đối hiệu quả nhất, nhất là trường hợp mà gộp lọc làm bằng sợi gốm hay sợi kim loại. Tuy nhiên, trong trường hợp đĩ nĩ cũng oxy hĩa lưu huỳnh chứa trong nhiên liệu dẫn đến sự phát sinh SO3 và acide sulfuric làm giảm tuổi thọ của lọc. Vì vậy, bộ xúc tác này chỉ cĩ lợi khi dầu Diesel chứa hàm lượng lưu huỳnh rất thấp. Một kĩ thuật tái sinh khác là phun hĩa chất ngay trước lọc khi tiến hành quá trình tái sinh. Phần lớn các hĩa chất này đều cĩ hoạt tính xúc tác riêng, chúng kích hoạt những chất xúc tác đã chứa trong lọc hay làm gia tăng nhiệt độ tạo điều kiện thuận lợi cho bộ xúc tác hoạt động. Việc pha chất phụ gia vào dầu Diesel vừa cĩ thể làm giảm bồ hĩng ngay tại nguồn vừa tạo điều kiện thuận lợi để thực hiện quá trình tái sinh lọc bằng cách giảm nhiệt độ cháy của bồ hĩng. Pha chất phụ gia vào nhiên liệu cho phép tái sinh lọc một cách liên tục, khơng cần tác động gì đến động cơ hoặc đến lọc. Hình 7.19 giới thiệu dao động của trở lực đường thải và nhiệt độ giữa đầu vào và đầu ra của lọc bồ hĩng trong trường hợp dầu Diesel cĩ pha chất phụ gia. 124
Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ơ nhiễm của động cơ đốt trong Nhiệt độ khí (°C) Trở lực (bar) Nhiệt độ trước lọc Nhiệt độ sau lọc Trở lực Thời gian (phút) Hình 7.19: Sử dụng chất phụ gia và tái sinh lọc bồ hĩng Bình điều hịa Máy nén Phần tử lọc Van điện từ Van Buồng khơng khí Khí xả Khoang chứa bị hĩng Hình 7.20: Tái sinh lọc bằng cách phun ngược khơng khí Tái sinh lọc bằng phun ngược khơng khí cũng được các nhà chế tạo ơ tơ quan tâm. Trong trường hợp đĩ, lọc gồm 2 lõi được bố trí song song. Xung khí nén được thổi ngược và thay phiên nhau qua các lõi lọc để làm sạch lớp bồ hĩng bám trên thành xốp. Bồ hĩng tách ra khỏi lọc được chứa trong khoang bồ hĩng và được đốt bằng điện trở. Hệ thống thổi khí ngược gồm 1 van điện từ, vịi phun khí, bình chứa khí và máy nén khí. Áp suất khí nén cần thiết khoảng 0,8MPa. Hệ thống làm việc một cách tự động (hình 7.20) nhờ hệ thống 125
Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ơ nhiễm của động cơ đốt trong điều khiển van điện từ và các van tiết lưu trước và sau lọc. Quá trình tái sinh lọc cĩ thể thực hiện thường xuyên hay định kì. 7.3.3 Viễn ảnh tương lai Lọc bồ hĩng đã và đang được tiếp tục nghiên cứu nhằm làm giảm mức độ gây ơ nhiễm của khí xả động cơ Diesel. Tuy nhiên kĩ thuật này cĩ được áp dụng một cách rộng rãi trong tương lai hay khơng cịn phụ thuộc vào những tiến bộ liên quan đến sự phát triển của lõi lọc, sự bố trí hệ thống lọc trên ơ tơ và sự phát triển của các chất phụ gia. Điểm cuối cùng này dường như quan trọng nhất. Trong bất kì trường hợp nào, việc sử dụng chất phụ gia trong nhiên liệu phải thỏa mãn tiêu chuẩn an tồn đối với sức khỏe con người. 126