Phần 1 của bài giảng Ô tô và ô nhiễm môi trường cung cấp cho học viên những nội dung về: tác hại của các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong; quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô; cơ chế hình thành NOx trong quá trình cháy của động cơ đốt trong; các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong;... Mời các bạn cùng tham khảo!
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH BÀI GIẢNG Ô TÔ VÀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG DÙNG CHO BẬC ĐẠI HỌC (LƯU HÀNH NỘI BỘ) QUẢNG NINH - 2016 Chương TÁC HẠI CỦA CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG KHÍ XẢ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.1 Giới thiệu Q trình cháy lí tưởng hỗn hợp hydrocarbure với khơng khí sinh CO2, H2O N2 Tuy nhiên, không đồng hỗn hợp cách lí tưởng tính chất phức tạp tượng lí hóa diễn q trình cháy nên khí xả động đốt ln có chứa hàm lượng đáng kể chất độc hại oxyde nitơ (NO, NO2, N2O, gọi chung NOx), monoxyde carbon (CO), hydrocarbure chưa cháy (HC) hạt rắn, đặc biệt bồ hóng Nồng độ chất nhiễm khí xả phụ thuộc vào loại động chế độ vận hành Ở động Diesel, nồng độ CO bé, chiếm tỉ lệ không đáng kể; nồng độ HC khoảng 20% nồng độ HC động xăng nồng độ NOx hai loại động có giá trị tương đương Trái lại, bồ hóng chất ô nhiễm quan trọng khí xả động Diesel, hàm lượng khơng đáng kể khí xả động xăng NOx Những tạp chất, đặc biệt lưu huỳnh, chất phụ gia nhiên liệu có ảnh hưởng đến thành phần chất ô nhiễm sản phẩm cháy Thông thường xăng thương mại có chứa khoảng 600ppm lưu huỳnh Thành phần lưu huỳnh lên đến 0,5% dầu Diesel Trong q trình cháy, lưu huỳnh bị oxy hố HC thành SO2, sau phận SO2 bị oxy hố tiếp thành SO3, chất kết hợp với nước để tạo H2SO4 Mặt khác, để tăng CO tính chống kích nổ nhiên liệu, người ta pha thêm Thétrắtyle chì Pb(C2H5)4 vào a xăng Sau cháy, hạt chì có đường kính cực bé theo khí xả, lơ lửng 1,2 0,8 khơng khí trở thành chất nhiễm Hình 1.1: Biến thiên nồng độ chất bầu khí quyển, khu vực ô nhiễm theo hệ số dư lượng khơng khí thành phố có mật độ giao thơng cao Một thơng số có tính tổng quát ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm động hệ số dư lượng khơng khí a Hình 1.1 trình bày cách định tính phụ thuộc nồng độ NO, CO HC khí xả theo a Động đánh lửa cưỡng thường làm việc với hệ số dư lượng khơng khí a ≈ Theo đồ thị động làm Chương 1: Tác hại chất ô nhiễm khí xả động đốt việc với hỗn hợp nghèo có mức độ phát sinh nhiễm thấp Tuy nhiên, hỗn hợp nghèo tốc độ cháy thấp, đơi lúc diễn tình trạng bỏ lửa nguyên nhân làm gia tăng nồng độ HC Nhiệt độ cực đại trình cháy nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến thành phần chất nhiễm ảnh hưởng mạnh đến động học phản ứng, đặc biệt phản ứng tạo NOx bồ hóng Nói chung tất thông số kết cấu hay vận hành động có tác động đến thành phần hỗn hợp nhiệt độ cháy gây ảnh hưởng trực tiếp hay gián tiếp đến hình thành chất nhiễm khí xả Trong thực tế sống, hàm lượng chất độc hại khí xả động đốt bé nên người sử dụng quan tâm tới nguy hiểm trước mắt gây Tuy nhiên phân tích liệu thay đổi thành phần khơng khí năm gần (bảng 1.1) cho thấy gia tăng đáng ngại chất ô nhiễm Nếu khơng có biện pháp hạn chế gia tăng cách kịp thời, hệ tương lai phải đương đầu với môi trường sống khắc nghiệt Bảo vệ môi trường yêu cầu nước, khu vực mà có ý nghĩa phạm vi tồn cầu Tùy theo điều kiện quốc gia, luật lệ tiêu chuẩn ô nhiễm môi trường áp dụng thời điểm với mức độ khắt khe khác Ơ nhiễm mơi trường động phát nhà khoa học quan tâm từ đầu kỉ 20 bắt đầu thành luật số nước vào năm 50 Ở nước ta, luật bảo vệ mơi trường có hiệu lực từ ngày 10-1-1994 Chính phủ ban hành Nghị định số 175/CP ngày 18-10-1994 để hướng dẫn việc thi hành Luật bảo vệ mơi trường 1.2 Ơ nhiễm khơng khí gì? Chúng ta tham khảo định nghĩa sau Cộng đồng Châu Âu đưa vào năm 1967: "Khơng khí gọi nhiễm thành phần bị thay đổi hay có diện chất lạ gây tác hại mà khoa học chứng minh hay gây khó chịu người" Theo định nghĩa thì: - Các chất gây nhiễm gây nguy hại đến tự nhiên người mà khoa học thời điểm nhận biết hay đơn gây khó chịu chẳng hạn mùi hôi, màu sắc - Danh sách chất ô nhiễm giới hạn nồng độ cho phép chúng nguồn phát thải thay đổi theo thời gian Chương 1: Tác hại chất nhiễm khí xả động đốt Đến nay, người ta xác định chất nhiễm khơng khí mà phần lớn chất có mặt khí xả động đốt Bảng 1.1 cho thấy gia tăng nồng độ cách đáng ngại số chất nhiễm bầu khí quyển: Bảng 1.1 : Sự gia tăng chất ô nhiễm khí Chất nhiễm Hiện (ppm) Tốc độ tăng (%/năm) CO2 Thời kì tiền cơng nghiệp (ppm) 270 340 0,4 N2O 0,28 0,30 0,25 CO 0,05 0,13 SO2 0,001 0,002 Tùy theo sách lượng nước, phân bố tỉ lệ phát sinh ô nhiễm nguồn khác không đòng Bảng 1.2 1.3 giới thiệu tỉ lệ phát thải CO, HC NOx Nhật Mĩ Bảng 1.2: Tỉ lệ phát thải chất ô nhiễm Nhật (tính theo %) Nguồn phát nhiễm CO HC NOx Ơ tơ 93,0 57,3 39 Sản xuất điện 0,1 0,1 21,5 Q trình cháy cơng nghiệp Các q trình cháy khác Cơng nghiệp dầu mỏ 0,0 26,4 31,3 6,3 0,7 0,8 - 14,8 5,1 Các hoạt động khác 0,6 0,7 2,6 100 100 100 Tổng cộng Bảng 1.3: Tỉ lệ phát thải chất ô nhiễm Mĩ (tính theo %) Nguồn phát nhiễm CO HC NOx Ơ tơ 64,7 45,7 36,6 Các phương tiện giao thơng khác Q trình cháy cơng nghiệp 9,0 7,2 10,5 9,1 16,8 42,8 Chương 1: Tác hại chất nhiễm khí xả động đốt 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 chất ô nhiễm khí xả động 1.3.1 Đối với sức khỏe người - CO : Monoxyde carbon sản phẩm khí không màu, không mùi, không vị, sinh ô xy hố khơng hồn tồn carbon nhiên liệu điều kiện thiếu oxygène CO ngăn cản dịch chuyển hồng cầu máu làm cho phận thể bị thiếu oxygène Nạn nhân bị tử vong 70% số hồng cầu bị khống chế (khi nồng độ CO khơng khí lớn 1000ppm) Ở nồng độ thấp hơn, CO gây nguy hiểm lâu dài người: 20% hồng cầu bị khống chế, nạn nhân bị nhức đầu, chóng mặt, buồn nôn tỉ số lên đến 50%, não người bắt đầu bị ảnh hưởng mạnh - NOx: NOx họ oxyde nitơ, NO chiếm đại phận NOx hình thành N2 tác dụng với O2 điều kiện nhiệt độ cao (vượt 1100°C) Monoxyde nitơ (x=1) không nguy hiểm mấy, sở để tạo dioxyde nitơ (x=2) NO2 chất khí màu hồng, có mùi, khứu giác phát nồng độ khơng khí đạt khoảng 0,12ppm NO2 chất khó hịa tan, theo đường hô hấp sâu vào phổi gây viêm làm hủy hoại tế bào quan hơ hấp Nạn nhân bị ngủ, ho, khó thở Protoxyde nitơ N2O chất sở tạo ozone hạ tầng khí - Hydocarbure: Hydrocarbure (HC) có mặt khí thải q trình cháy khơng hồn toàn hỗn hợp giàu, tượng cháy khơng bình thường Chúng gây tác hại đến sức khỏe người chủ yếu hydrocarbure thơm Từ lâu người ta xác định vai trò benzen bệnh ung thư máu (leucémie) nồng độ lớn 40ppm gây rối loạn hệ thần kinh nồng độ lớn 1g/m3, nguyên nhân gây bệnh gan - SO2: Oxyde lưu huỳnh chất háu nước, dễ hịa tan vào nước mũi, bị oxy hóa thành H2SO4 muối amonium theo đường hô hấp vào sâu phổi Mặt khác, SO2 làm giảm khả đề kháng thể làm tăng cường độ tác hại chất ô nhiễm khác nạn nhân - Bồ hóng: Bồ hóng chất nhiễm đặc biệt quan trọng khí xả động Diesel Nó tồn dạng hạt rắn có đường kính trung bình khoảng 0,3mm nên dễ xâm nhập sâu vào phổi Sự nguy hiểm bồ hóng, ngồi việc gây trở ngại cho quan hơ hấp tạp chất học khác có mặt khơng khí, cịn Chương 1: Tác hại chất nhiễm khí xả động đốt nguyên nhân gây bệnh ung thư hydrocarbure thơm mạch vòng (HAP) hấp thụ bề mặt chúng qua trình hình thành - Chì: Chì có mặt khí xả Thétrắtyl chì Pb(C2H5)4 pha vào xăng để tăng tính chống kích nổ nhiên liệu Sự pha trộn chất phụ gia vào xăng đề tài bàn cãi giới khoa học Chì khí xả động tồn dạng hạt có đường kính cực bé nên dễ xâm nhập vào thể qua da theo đường hô hấp Khi vào thể, khoảng từ 30 đến 40% lượng chì vào máu Sự hiện chì gây xáo trộn trao đổi ion não, gây trở ngại cho tổng hợp enzyme để hình thành hồng cầu, đặc biệt nữa, tác động lên hệ thần kinh làm trẻ em chậm phát triển trí tuệ Chì bắt đầu gây nguy hiểm người nồng độ máu vượt 200 đến 250mg/lít 1.3.2 Đối với mơi trường Thay đổi nhiệt độ khí Sự diện chất ô nhiễm, đặc biệt chất khí gây hiệu ứng nhà kính, khơng khí trước hết ảnh hưởng đến q trình cân nhiệt bầu khí Trong số chất khí gây hiệu ứng nhà kính, người ta quan tâm đến khí carbonic CO2 thành phần sản phẩm cháy nhiên liệu có chứa thành phần carbon Sự gia tăng nhiệt độ bầu khí diện chất khí gây hiệu ứng nhà kính giải thích sau: Quả đất nhận lượng từ mặt trời xạ lại không gian phần nhiệt lượng mà nhận Phổ xạ nhiệt mặt trời vỏ trái đất trình bày hình 1.4 hình 1.5 Bức xạ mặt trời đạt cực đại vùng ánh sáng thấy (có bước sóng khoảng 0,4-0,73mm) cịn xạ cực đại vỏ trái đất nằm vùng hồng ngoại (7-15mm) Các chất khí khác có dải hấp thụ xạ khác Do đó, thành phần chất khí có mặt khí có ảnh hưởng đến trao đổi nhiệt mặt trời, đất khơng gian Carbonic chất khí có dải hấp thụ xạ cực đại ứng với bước sóng 15mm, xem suốt xạ mặt trời chất hấp thụ quan trọng tia xạ hồng ngoại từ mặt đất Một phần nhiệt lượng lớp khí CO2 giữ lại xạ ngược lại trái đất (hình 1.6) làm nóng thêm bầu khí theo hiệu ứng nhà kính (Serre) Hồng ngoại 30oC 0oC Vùng thấy l(mm) 0,4 0,73 l(mm) 0,73 10 20 30 Chương 1: Tác hại chất nhiễm khí xả động đốt Hình 1.4: Phổ xạ từ mt tri BcxồmƠttrâi Bc x mt t Hỡnh 1.5: Ph xạ từ 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 bầu khí nay, người ta dự đoán vào khoảng kỉ 22, nồng độ khí carbonic tăng lên gấp đơi Khi đó, theo dự tính nhà khoa học, xảy thay đổi quan trọng cân nhiệt đất: - Nhiệt độ bầu khí tăng lên từ đến 3°C - Một phần băng vùng Bắc cực Nam cực tan làm tăng chiều cao mực nước biển - Làm thay đổi chế độ mưa gió sa mạc hóa thêm bề mặt trái đất Ảnh hưởng đến sinh thái Sự gia tăng NOx, đặc biệt protoxyde nitơ N2O có nguy làm gia tăng hủy hoại lớp ozone 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 gây đột biến sinh học, đặc biệt đột biến sinh vi trùng có khả làm lây lan bệnh lạ dẫn tới hủy hoại sống sinh vật trái đất giống điều kiện Sao Hỏa Mặt khác, chất khí có tính acide SO2, NO2, bị oxy hóa thành acide sulfuric, acide nitric hịa tan mưa, tuyết, sương mù làm hủy hoại thảm thực vật mặt đất (mưa acide) gây ăn mịn cơng trình kim loại 10 Chương 1: Tác hại chất ô nhiễm khí xả động đốt 11 Chương QUY TRÌNH ĐO CÁC CHỈ TIÊU Ơ NHIỄM CỦA Ơ TƠ Mức độ phát sinh chất ô nhiễm phụ thuộc vào điều kiện vận hành tình trạng kĩ thuật động Do đó, tùy theo tình trạng giao thông mức độ khắt khe luật mơi trường nước mà quy trình thử có khác Trên thực tế tồn số quy trình chuẩn nước cơng nghiệp phát triển quy trình nhiều nước phát triển áp dụng quy phạm thức để đo mức độ phát sinh ô nhiễm ô tô nước 2.1 Lịch sử phát triển Ơ nhiễm mơi trường khí xả động gây mối quan tâm của nhiều quốc gia từ lúc công nghiệp ô tô bắt đầu phát triển Theo thời gian, danh sách chất ô nhiễm ngày trở tiết hơn, giới hạn nồng độ chúng khí xả ngày trở nên khắt khe ngày nhiều quốc gia hưởng ứng vấn đề chống nhiễm mơi trường khí xả ô tô gây Theo trình tự thời gian, kể quốc gia sớm đặt vấn đề nhiễm mơi trường khí xả động gây sau: - Đức - Pháp : 1910 : 1963 - Mĩ - Nhật : 1959 : 1966 Tiếp theo nước khác cộng đồng Châu Âu, Canada, Úc, nước thuộc khối Đông Âu cũ, nước Châu Á (Singapore, Đài Loan, Hàn Quốc ) 2.2 Quy trình đo tiêu nhiễm Hiện chưa có quy trình áp dụng chung cho tất nước để đo tiêu nhiễm khí xả động đốt Do giới tồn nhiều quy trình khác nhau, quy trình ứng với tiêu chuẩn nhiễm xác định khơng có quan hệ tương đương xác lập tiêu chuẩn Quy trình đo tiêu nhiễm nước vào chế độ giao thông tiêu biểu nước Bảng 2.1 so sánh thơng số đặc trưng số quy trình áp dụng rộng rãi Bảng 2.1: So sánh thơng số đặc trưng số quy trình thử tiêu biểu 12 Chương 2: Quy trình đo tiêu ô nhiễm ô tô Thông số Đơn vị ECE California FTP72 FTP75 Nhật 10 chế độ Nhật 11 chế độ Tốc độ trung bình (km/h) 18,7 35,6 31,5 34,1 17,7 30,6 Tốc độ trung bình (khơng kể thời gian khơng tải) Gia tốc trung bình (km/h) 27,1 41,7 38,3 41,6 24,1 39,1 (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 chu kì thử Khơng tải (s) 45 117 66 70 50 94 (% thời gian) (% thời gian) (% thời gian) (% thời gian) 30,8 14,6 17,8 18,0 26,7 21,7 18,5 31,4 33,5 33,1 24,4 34,2 32,3 21,9 20,1 20,4 23,7 13,3 18,5 32,1 28,6 28,5 25,2 30,8 Gia tốc Tốc độ không đổi Giảm tốc 2.3 Cơ sở xây dựng quy trình đo nhiễm Quy trình thử quy phạm quốc gia, phụ thuộc vào điều kiện giao thơng nước Nó dựa nhiều yếu tố, mật độ giao thơng chất lượng đường sá hai yếu tố quan trọng - Mật độ giao thông: Mức độ ô nhiễm cục bầu khơng khí tổng hợp mức độ phát thải tất phương tiện vận tải khu vực khảo sát gây ra, nghĩa mức độ ô nhiễm phụ thuộc vào mật độ ô tô Ở thành phố lớn, 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 nơi có mật độ lưu thơng bé, ô tô không thiết phải tuân thủ quy định nghiêm ngặt mức độ phát sinh ô nhiễm thành phố mật độ giao thông cao - Điều kiện đường sá: Tùy vào chất lượng đường sá nước mà chế độ hoạt động phương tiện khác nhau, khả phát ô nhiễm chúng khác Tiêu chuẩn ô nhiễm cần xét đến yếu tố 2.4 Quy trình thử số nước 2.4.1 Quy trình thử Mĩ a Quy trình FTP 72 FTP 75 Vận tốc (m/s) 60 40 13 Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ chất nhiễm khí xả động đốt ‘hình chữ nhật’ (phun đặn nhiên liệu cắt nhanh kết thúc phun) để tránh tượng phun rớt Phun rớt nguyên nhân làm tăng hydrocacbure chưa cháy hạt rắn khí xả động Đối với động có buồng cháy ngăn cách, khống chế lưu lượng nhiên liệu kèm theo việc giảm góc phun sớm làm giảm 30% lượng NOx khí thải làm tăng lượng HC lên 100%, CO lên 70% bồ hóng lên 150% Để đảm bảo qui luật phun phù hợp chế độ làm việc động phương diện phát ô nhiễm lẫn tính kinh tế-kĩ thuật, động hệ người ta sử dụng cảm biến λ lắp đường xả Kết hợp thông số cho cảm biến với cảm biến áp suất, nhiệt độ khí nạp tốc độ động người ta co thể điều khiển xác thời điểm phun lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình Giải pháp đặc biệt có lợi động Diesel lắp ô tô nhằm giảm độ khói gia tốc 6.3.2 Ảnh hưởng dạng hình học buồng cháy Dạng buồng cháy hợp lí cho phép tránh lớp nhiên liệu bám thành giảm nồng độ HC khí xả Đối với động phun trực tiếp, biện pháp có hiệu để làm giảm nồng độ bồ hóng gia tăng cường độ rối kết hợp với việc sử dụng vòi phun nhiều lỗ Buồng cháy tốt cần thỏa mãn điều kiện sau đây: - Hành trình tự tia nhiên liệu buồng cháy lớn - Bề mặt buồng cháy piston đủ lớn để tránh giao thoa tia phun - Cường độ rối cao vùng phân bố tia nhiên liệu - Tiếp tục trì vận động rối dịng khí buồng cháy sau ĐCT Việc gia tăng áp suất buồng cháy đơn có khuynh hướng thuận lợi cho hình thành bồ hóng Tuy nhiên, gia tăng áp suất cực đại làm tăng đồng thời nhiệt độ khí cháy cho phép gia tăng tốc độ oxy hóa bồ hóng nên lượng bồ hóng khí xả khơng tăng Sự gia tăng áp suất làm tăng độ ồn phát sinh NOx Đối với động phun trực tiếp, tỉ lệ nén cao cho phép khởi động dễ dàng nhiệt độ thấp Sự gia tăng tỉ số nén vừa phải đồng thời làm giảm HC thành phần SOF hạt rắn Khi tỉ số nén tăng cao, động phát sinh nhiều bồ hóng chế độ đầy tải Vì động có tỉ số nén lớn, cần phải thiết kế dạng buồng cháy tối ưu cho phép tăng cường dịch chuyển dòng khơng khí thuận lợi cho việc đốt cháy bồ hóng Để tăng cường tốc độ đốt cháy bồ hóng, người ta thiết kế thêm buồng chứa khơng khí bổ sung động phun trực tiếp Buồng khơng khí bổ sung lưu trữ khơng khí kì nén lượng khơng khí cung cấp lại cho buồng cháy động kì giãn nở để tạo điều kiện oxy hóa hạt bồ hóng Tuy nhiên, kết cấu làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu Ở động phun gián tiếp, buồng khơng khí bổ sung cho phép làm giảm 40% lượng bồ hóng phát sinh làm gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu thêm 3% 88 Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ chất nhiễm khí xả động đốt Đối với động có buồng cháy ngăn cách, gia tăng tỉ lệ thể tích buồng cháy phụ buồng cháy cho phép giảm hình thành bồ hóng nhờ tăng cường thêm khơng khí cho buồng cháy phụ Tiết diện đường thơng hai buồng cháy khống chế cường độ rối sinh thời điểm dịch chuyển lượng khí cháy từ buồng cháy phụ sang buồng cháy Giảm nhỏ tiết diện làm giảm nồng độ bồ hóng chế độ đầy tải làm tăng lượng bồ hóng chế độ tải cục Trong thiết kế, tiết diện tối ưu đường nối chọn chế độ đầy tải 6.3.3 Ảnh hưởng vận động rối buồng cháy Sự rối phát sinh trình nạp có ảnh hưởng trái ngược phát sinh NOx, tiếng ồn, HC bồ hóng Để làm giảm mức độ ảnh hưởng giai đoạn hỗn hợp đậm đặc đến phát sinh bồ hóng cylindre, cần tăng hiệu việc hịa trộn nhiên liệu-khơng khí từ lúc bắt đầu giai đoạn cháy trễ (tăng cường xoáy lốc) Nhưng điều gây nhược điểm làm tăng áp suất cực đại buồng cháy với tăng tiếng ồn mức độ phát sinh NOx Hướng tia phun buồng cháy dự bị cho phép điều chỉnh tốc độ hòa trộn nhiên liệu-khơng khí, cải thiện phát sinh bồ hóng Hướng tia phun ảnh hưởng đến lượng nhiên liệu bám thành nguồn phát sinh HC Vị trí vịi phun buồng cháy phụ có ảnh hưởng đến hình thành NOx 6.3.4 Ảnh hưởng chế độ làm việc động chế độ độ Khi giảm tốc độ động từ 750 đến 680 v/phút, nồng độ chất ô nhiễm giảm đo theo chu trình FTP75: HC (-14%); CO(-2%); NO (-3%) bồ hóng (-5%) Trong thử nghiệm động theo chu trình tiêu chuẩn thực tế, thay đổi chế độ tốc độ yếu tố làm gia tăng phát ô nhiễm Nồng độ bồ hóng khí xả động Diesel gia tăng mạnh gia tốc độ đậm đặc trung bình hỗn hợp gia tăng Lượng gia tăng lớn thời gian gia tốc dài Để giảm thời gian gia tốc, cần phải tối ưu hóa việc thiết kế động để có thể: - Giảm momen quán tính phận chuyển động quay - Giảm thể tích phận nạp thải - Giảm nhiệt dung riêng hệ thống làm mát - Gia tăng công suất dự trữ 6.3.5 Ảnh hưởng số cétane nhiên liệu Lượng bồ hóng giảm thời gian cháy trễ kéo dài, nghĩa dùng nhiên liệu có số cétane thấp Tuy nhiên việc sử dụng nhiên liệu có số cétane thấp dẫn đến nhược điểm quan trọng: gia tăng độ ồn trình cháy bắt đầu muộn, gia tăng lượng nhiên liệu bám thành cylindre buồng cháy làm tăng mức độ phát sinh HC bồ hóng 89 Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ chất ô nhiễm khí xả động đốt 6.3.6 Ảnh hưởng nhiệt độ khí Giảm nhiệt độ khí nạp làm giảm nhiệt độ cực đại trình cháy nồng độ NOx giảm Vì vậy, động tăng áp người ta có khuynh hướng làm mát khí sau máy nén để đảm bảo nhiệt độ khí nạp khơng vượt q 500C Nhưng làm mát khí nạp kéo dài thời kì cháy trễ làm tăng mức độ phát sinh ô nhiễm nêu (những giọt nhiên liệu bám vào thành cylindre làm tăng thành phần HC bồ hóng khí xả) Khi khởi động động trạng thái nguội, sấy buồng cháy hay sấy khí nạp cần thiết để làm giảm mức độ phát sinh HC khói trắng Việc sấy nóng khí nạp thực nhờ nến điện hay cách đốt trước nhiên liệu khí nạp Nhiệt độ khí đường thải ảnh hưởng đến phát sinh ô nhiễm, thành phần HC Thật vậy, chế độ tải thấp, HC ngưng tụ đường thải bốc lại tăng tải làm tăng nồng độ HC Đường thải vật liệu gốm cho phép tái oxyhóa bồ hóng HC, làm tăng NOx Động Diesel phun trực tiếp có buồng cháy vật liệu gốm, không làm mát cho phép làm giảm nồng độ chất ô nhiễm chế độ tải thấp Nhưng tải cao, nồng độ NOx bồ hóng tăng dù nhiệt độ thành buồng cháy cao cho phép tái đốt cháy bồ hóng cuối chu trình 6.3.7 Ảnh hưởng tăng áp Monoxy carbon CO hình thành trình cháy thiếu khơng khí, đặc biệt tải cao Do đó, tăng áp biện pháp hữu hiệu làm giảm CO Lượng khơng khí thừa tăng áp đồng thời cho phép tái đốt cháy bồ hóng, bù trừ lượng tăng bồ hóng khí xả hồi lưu mang vào buồng cháy Hệ thống hồi lưu khí xả trường hợp động tăng áp làm giảm 50% lượng NOx mà khơng làm tăng bồ hóng 6.3.8 Ảnh hưởng hệ thống hồi lưu khí xả Mặc dù tỉ lệ khí hồi lưu lớn gây tác hại xấu động (tăng mài mịn) có tác dụng đáng kể việc làm giảm NOx giảm nhiệt độ cháy Đối với động phun trực tiếp làm việc với nhiệt độ khí nạp từ 40-600C (làm việc hầm mỏ), hệ thống hồi lưu khí xả làm giảm 30% 50% nồng độ NOx theo thứ tự Nếu làm ẩm thêm không khí nạp, điều kiện làm việc mức độ giảm NOx đạt đến 50% 85% theo thứ tự Tuy nhiên, hồi lưu khí xả có tác động xấu chất ô nhiễm khác: làm tăng nồng độ CO bồ hóng, thêm nước Phun nước cho phép hạn chế phản ứng cracking tạo bồ hóng nhờ giảm nhiệt độ cháy Đối với động buồng cháy ngăn cách, nồng độ bồ hóng gia tăng trước hết chậm, sau tăng nhanh theo lượng nước phun vào buồng cháy phụ; biến thiên nồng độ CO HC tương tự Hơi nước có tác dụng làm giảm nồng độ NO Sự điều chỉnh tỉ lệ khí xả hồi lưu cần theo tải theo tốc độ Hệ thống điện tử cho phép điều chỉnh van hồi lưu khí xả theo đường đặc tính chọn trước: cắt lượng khí xả hồi lưu động nguội; sau lượng khí xả hồi lưu tăng dần phụ thuộc nhiệt độ nước làm mát, áp suất môi trường, lượng nhiên liệu cung cấp Mặt khác, hệ thống cắt lượng khí hồi lưu chế độ gia tốc lớn để hạn chế nồng độ bồ hóng Hồi lưu khí xả tối ưu cho phép giảm 40% NOx mà không 90 Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ chất ô nhiễm khí xả động đốt làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu không làm tăng CO bồ hóng Kết hợp với tăng áp, hệ thống hồi lưu khí xả cho phép làm giảm đồng thời NOx, HC bồ hóng 6.3.9 Điều khiển vịi phun hệ thống hồi lưu khí xả Việc điều chỉnh thơng số cơng tác động thường có tác dụng mâu thuẫn chất ô nhiễm khác Tuy nhiên, mức độ ảnh hưởng khơng đồng điểm làm việc khác động nên chế độ công tác ta lựa chọn thơng số điều khiển tối ưu chất ô nhiễm HC, NOx bồ hóng Việc điều khiển phức tạp thực nhờ hệ thống điện tử Hệ thống điều khiển điện tử phải thỏa mãn điều kiện sau: - Độ xác cao nhạy, làm việc ổn định theo thời gian - Có khả điều chỉnh theo nhiều thông số - Mềm dẻo lập chương trình hệ thống điều khiển để áp dụng điều kiện sử dụng ô tô khác (tùy theo yêu cầu luật môi trường quốc gia) - Thực việc điều chỉnh động theo tiêu cho trước Thêm vào đó, hệ thống phải hoạt động tin cậy tình huống, phải bảo vệ chống nhiễu chống hỏng hóc, bảo trì dễ dàng nhờ hệ thống chẩn đốn nhanh Khi hoạt động, máy tính điều khiển chuyên dụng nhận số liệu từ cảm biến: vị trí 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 xilanh, Sau xử lí, máy tính phát tín hiệu điều khiển đến phận chấp hành Bộ phận tác động lên cấu điều khiển lượng nhiên liệu chu trình, thời điểm bắt đầu phun, lượng khí xả hồi lưu, tỉ số truyền hộp số Hệ thống điều khiển điện tử hoàn hảo cho phép làm giảm đồng thời nồng độ bồ hóng, NOx tăng tính kinh tế động so với hệ thống điều khiển khí, đặc biệt kết hợp điều khiển trình phun điều khiển góc phun sớm, mức độ phát nhiễm động giảm lần 6.4 Ảnh hưởng việc giới hạn tốc độ ô tô đến mức độ phát sinh ô nhiễm Khi ô tô hoạt động ổn định người ta thấy nồng độ CO đạt cực tiểu tốc độ 80÷90km/h, nồng độ HC giảm dần đến tốc độ đạt khoảng 100km/h sau tăng lên chậm cịn nồng độ NOx tăng từ từ đến tốc độ động đạt 70÷80km/h sau tăng mạnh, động có dung tích cylindre lớn Các kết đo đạc chu trình có điều kiện thử gần với điều kiện vận hành thực tế cho thấy giới hạn tốc độ gây ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm Khi giảm mạnh giới hạn tốc độ, nồng độ NOx giảm vài phần trăm, làm tăng đôi chút CO, HC Khi tăng tốc độ ô tô, nhờ rối không khí phía sau xe, chất ô nhiễm thải khỏi ống xả khuếch tán nhanh chóng khơng gian, làm giảm nồng độ cục chúng môi trường 91 Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ chất nhiễm khí xả động đốt Trên xa lộ Châu Âu, tốc độ giới hạn 130km/h Khi đại phận ô tô giảm tốc độ từ 119 đến 107km/h người ta thấy nồng độ chất nhiễm bầu khơng khí quanh hệ thống xa lộ giảm đáng kể: -12% CO; -1,7% HC -10,5% NOx Một thí nghiệm khác thực cách giảm tốc độ giới hạn từ 100 xuống 60km/h phận xa lộ người ta nhận thấy lượng NOx giảm 50% tháng 6.5 Ảnh hưởng nhiên liệu đến mức độ phát ô nhiễm động 6.5.1 Nhiên liệu động xăng Việc điều chỉnh động có ảnh hưởng đến lượng nhiễm phát sinh việc điều chỉnh tác động đến chế hình thành hay phân hủy chất nhiễm trước ngồi khí Nhiên liệu gây ảnh hưởng đến phát ô nhiễm, chủ yếu tỉ số khơng khí/nhiên liệu bị thay đổi thay đổi đặc trưng hóa lí chúng lúc bù lại điều chỉnh thông số động Như biết, độ đậm đặc hỗn hợp ảnh hưởng lớn đến mức độ phát sinh ô nhiễm: NOx đạt cực đại môi trường nghèo; CO, HC đạt cực tiểu môi trường nghèo; xuất bồ hóng diễn mơi trường giàu (a100 số octane động MON thường lớn 90 Do thêm thành phần hydrocarbure thơm vào nhiên liệu biện pháp làm tăng tính chống kích nổ nhiên liệu đại 92 Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ chất ô nhiễm khí xả động đốt Hiện người ta có khuynh hướng gia tăng hàm lượng chất hydrocarbure thơm nhiên liệu nhằm phổ biến nhiên liệu khơng chì Theo tiêu chuẩn Cộng Đồng Châu Âu, hàm lượng benzene nhiên liệu phải thấp 5% Nồng độ thể tích NOx (ppmx100) Tốc độ: 1500 vg/phút Áp suất có ích trung bình: 500kPa Tì số nén: 11 a Hình 6.6: Ảnh hưởng tỉ số khơng khí/nhiên liệu đến NOx Các hydrocarbure thơm có tỉ số C/H cao khối lượng riêng lớn Do nhiệt lượng tỏa đơn vị thể tích cao nên nhiệt độ cháy hỗn hợp tăng làm tăng NOx Hình 6.6 cho thấy ví dụ động có tốc độ 1500 vịng/phút chế độ tải trung bình thay đổi NOx theo tỉ số khơng khí/nhiên liệu alkylat khơng thơm nhiên liệu super thơm Chúng ta thấy vị trí phát nhiễm cực đại, alkylat làm giảm nồng độ ô nhiễm khoảng 20% Mức độ phát sinh CO bị ảnh hưởng hàm lượng hydrocarbure thơm Tuy nhiên, hydrocarbure thơm có cấu tạo ổn định parafine nên có động học phản ứng cháy chậm Do điều kiện cháy, phát sinh hydrocarbure chưa cháy nhiên liệu chứa nhiều hydrocarbure thơm cao Khi chuyển từ nhiên liệu super thơm sang alkylat, mức độ phát sinh HC giảm 16% (hình 6.7) 93 Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ chất ô nhiễm khí xả động đốt Nồng độ thể tích HC (ppmx100) Tốc độ: 1500 vg/phút Áp suất có ích trung bình: 500kPa Tỉ số nén: 11 a Hình 6.7: Ảnh hưởng tỉ số khơng khí/nhiên liệu đến nồng độ HC khí xả Mặt khác, chất thơm nhiên liệu giữ vai trò phát sinh hydrocarbure thơm đa nhân HAP, phènol aldehyde thơm mà chất tăng theo chất thơm formaldehyde giảm Sự phụ thuộc HAP vào tỉ lệ chất thơm nhiên liệu thay đổi mặt theo HAP xem xét mặt khác theo dạng chất thơm nhiên liệu: benzene ảnh hưởng đến HAP hình thành, HAP nhẹ (đến nhân) gia tăng tuyến tính theo tỉ lệ chất thơm nhiên liệu, HAP nặng (đến nhân) (hình 6.8) không chịu ảnh hưởng tỉ lệ HAP có mặt nhiên liệu ảnh hưởng đến mức độ phát sinh HAP khí xả 6.5.1.3 Ảnh hưởng tính bay Tính bay nhiên liệu thường đặc trưng đường cong chưng cất áp suất Reid (PVR) đo 37,8°C Đó đặc tính quan trọng hoạt động động cơ, ảnh hưởng đến thời gian khởi động động trạng thái nguội, tính ưu việt gia tốc tính ổn định làm việc chế độ khơng tải chạy nóng Những thành phần nặng (bay nhiệt độ lớn 200-220°C) có ảnh hưởng đến phát sinh hydrocrabure chưa cháy, bốc dẫn tới cháy khơng hồn tồn với hình thành aldehydes gia tăng HC 94 Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ chất nhiễm khí xả động đốt Phát thải HAP (mg/kg nhiên liệu) Thành phần cacbua hydro thơm Trong nhiên liệu (%V) Hình 6.8: Ảnh hưởng thành phần nhiên liệu thơm đến mức độ phát sinh HAP Những thành phần nhẹ hơn, cần thiết cho việc khởi động làm việc trạng thái nguộI, ảnh hưởng đến phát ô nhiễm khí xả ảnh hưởng đến tổn thất bay Tính chất bay tiêu chuẩn nhiên liệu phụ thuộc vào điều kiện khí hậu mùa Chẳng hạn Pháp, tính chất bay nhiên liệu qui định sau: - 45