Bài giảng ô tô và ô nhiễm môi trường phần 2 trường đh công nghiệp quảng ninh

Chương CÁC BIỆN PHÁP KĨ THUẬT LÀM GIẢM MỨC ĐỘ GÂY Ô NHIỄM CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Trong chương này, nghiên cứu biện pháp làm giảm mức độ phát sinh ô nhiễm trình cháy động đốt giải pháp kĩ thuật xử lí nhiễm đường xả xúc tác hay lọc 7.1 Giảm mức độ phát sinh ô nhiễm từ nguồn Trong thập niên tới, mối quan tâm hàng đầu việc thiết kế động giảm mức độ phát sinh ô nhiễm từ nguồn, nghĩa trước khỏi soupape xả Vì vậy, nhà thiết kế động không trọng đơn công suất hay tính kinh tế động mà phải cân nhắc tiêu mức độ phát sinh ô nhiễm 7.1.1 Động đánh lửa cưỡng Đối với động đánh lửa cưỡng bức, ba chất ô nhiễm cần quan tâm NOx, HC CO Ảnh hưởng tổng quát yếu tố kết cấu vận hành động đến hình thành chất nhiễm phân tích chương Ở động hệ làm việc với hỗn hợp nghèo, người ta khống chế thêm vận động rối hỗn hợp nhiên liệu-khơng khí q trình cháy để làm giảm nồng độ chất nhiễm, đặc biệt HC Sự tăng cường chuyển động rối làm tăng tốc độ lan tràn màng lửa hạn chế việc xuất vùng 'chết' (gần thành buồng cháy) Gia tăng vận động rối thực cách: - Gia tăng vận động xoáy lốc hỗn hợp đường ống nạp - Sử dụng hai soupape nạp động làm việc chế độ toàn tải soupape làm việc tải cục - Tạo tia khí tốc độ cao phun vào đường nạp phụ có kích thước nhỏ đường ống nạp Việc lựa chọn phương pháp phun nhiên liệu riêng rẽ cho cylindre hay phun tập trung cổ góp đường nạp phụ thuộc nhiều yếu tố (khả điều chỉnh, tính kinh tế-kỹ thuật, giá thành ) Phương pháp phun nhiên liệu có ảnh hưởng đến hình thành chất ô nhiễm Thật vậy, phương pháp phun tập trung có ưu điểm thời gian dành cho việc bốc nhiên liệu tương đối dài hạn chế tượng ngưng tụ 104 Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm động đốt nhiên liệu đường ống nạp, phương án phun riêng rẽ cho phép tránh không đồng thành phần hỗn hợp cylindre Việc điều chỉnh góc độ phối khí biện pháp làm hài hịa tính động mức độ phát ô nhiễm HC NOx Gia tăng góc độ trùng điệp làm tăng lượng khí xả hồi lưu làm giảm NOx Sự thay đổi quy luật phối khí gây ảnh hưởng đến phát sinh HC Những động ngày có khuynh hướng dùng nhiều soupape với trục cam điều chỉnh góc độ phối khí Giải pháp cho phép giảm nồng độ HC NOx từ 20 đến 25% so với động kiểu cũ có tính kinh tế-kĩ thuật Cuối cùng, động làm việc với hỗn hợp nghèo, việc làm giảm nồng độ NOx khí xả thực riêng rẽ hay đồng thời hai giải pháp sau đây: - Tổ chức trình trình cháy với độ đậm đặc thấp (f = 0,60-0,70) - Hồi lưu phận khí xả (EGR: Exhaust Gas Recirculation) Ngày nay, hệ thống hồi lưu khí xả dùng phổ biến tất loại động đánh lửa cưỡng cổ điển hay động hệ làm việc với hỗn hợp nghèo Nó cho phép làm bẩn hỗn hợp số chế độ công tác động nhằm làm giảm nhiệt độ cháy làm giảm nồng độ NOx Về mặt kết cấu nói chung, hệ thống hồi lưu khí xả gồm van hồi lưu, hệ thống điều khiển điện trợ lực khí nén vi xử lí chuyên dụng Bộ vi xử lí nhận tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ nước làm mát, nhiệt độ khí nạp, tốc độ động cơ, lượng nhiên liệu cung cấp Sau xử lí thơng tin nhờ quan hệ lưu trữ sẵn nhớ, vi xử lí phát tín hiệu để điều khiển hệ thống điện trợ lực khí nén đóng mở van hồi lưu quay ngược lượng khí xả thích hợp vào đường nạp Hệ thống hồi lưu khí xả phải điều chỉnh theo tốc độ tải động để tránh xảy tượng cháy khơng bình thường làm gia tăng HC khí xả Trong q trình làm việc, van điều khiển khí xả hồi lưu bị kẹt ngưng tụ sản phẩm cháy nên cần phải pha chất phụ gia tẩy rửa vào xăng 7.1.2 Động Diesel Đối với động Diesel giải pháp kĩ thuật tối ưu làm giảm mức độ phát sinh ô nhiễm buồng cháy cần phải cân nhắc nồng độ chất HC, NOx bồ hóng khí xả Như phân tích chương 6, việc thay đổi góc phun sớm có ảnh hưởng trái ngược đến nồng độ HC NOx (hình 7.1) 105 HC 200 200 NOx Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm động đốt 100 100 +4 +2 -2 Góc bắt đầu phun tối ưu -4 -6 Gqtk Trễ Sớm Hình 7.1 : Ảnh hưởng góc phun sớm đến hình thành HC NOx khí xả động Diesel Các nhà chế tạo động Diesel đề nhiều biện pháp khác kĩ thuật phun tổ chức trình cháy nhằm giới hạn nồng độ hai chất nhiễm Các biện pháp là: - Tăng tốc độ phun để làm giảm nồng độ bồ hóng tăng tốc độ hịa trộn nhiên liệu-khơng khí - Tăng áp suất phun, đặc biệt động phun trực tiếp - Điều chỉnh dạng quy luật phun (quan hệ lưu lượng-thời gian) theo khuynh hướng kết thúc nhanh trình phun để làm giảm HC Đối với động Diesel, dạng hình học buồng cháy ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm quan trọng động xăng Cũng động xăng, hồi lưu khí xả biện pháp hiệu để giảm mức độ phát sinh NOx động Diesel Tuy nhiên, mặt kết cấu, hệ thống hồi lưu khí xả động Diesel phức tạp độ chân không đường nạp bé không đủ sức mở van hồi lưu Vì vậy, ngồi vi xử lí chuyên dụng, van điện từ trợ lực khí nén van hồi lưu, hệ thống cịn có bơm tạo chân khơng (hình 7.2) Mặt khác, người ta sử dụng thêm phương pháp phụ sau để tăng độ chân khơng để hút khí xả vào đường nạp: - Tiết lưu đường nạp để tạo độ chân không cần thiết - Sử dụng bơm đặc biệt để hút khí xả - Trích khí cháy hồi lưu trước turbine sau qua lọc 106 Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm động đốt Bơm hút Van điện/khí nén Lọc Van hồi lưu khí xả Bộ trao đổi khơng khí/khơng khí Lưu lượng kế Tốc độ Máy nén Bộ vi xử lý Lọc khí Lưu lượng nhiên liệu Hình 7.2: Sơ đồ ngun lí hệ thống hồi lưu khí xả động Diesel Hiện nay, tỉ lệ khí xả hồi lưu động Diesel tơ du lịch cịn thấp Trong tương lai, chắn tỉ lệ phải tăng lên để thỏa mãn luật môi trường ngày trở nên khắt khe Tuy nhiên, khí xả hồi lưu làm tăng nồng độ bồ hóng (hình 7.3) điều cần phải xem xét Cũng động đánh lửa cưỡng bức, khí xả hồi lưu nguồn gây bẩn đường nạp buồng cháy Vì vậy, việc sử dụng rộng rãi hệ thống hồi lưu khí xả động Diesel cần phải song song với việc phát triển dầu Diesel có chứa chất tẩy Phát sinh bồ hóng (mg/g nhiên liệu) Phát sinh NOx (mg/g nhiên liệu) 12 0,8 0,4 0% 10% 107 20% Tỉ lệ khí xả hồi lưu 30% Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm động đốt Hình 7.3: Ảnh hưởng tỉ lệ khí xả hồi lưu đến mức độ phát sinh NOx hạt rắn Cuối cùng, tương lai, việc hoàn thiện điều chỉnh điện tử tổ hợp, tác động lúc đến nhiều thơng số: góc phun sớm, lượng nhiên liệu chu trình, lượng khí xả hồi lưu lắp xe du lịch xe vận tải góp phần đáng kể vào việc làm giảm mức độ phát nhiễm từ q trình cháy 7.2 Xử lí khí xả xúc tác Việc xử lí khí xả động đốt xúc tác nghiên cứu phát triển Mĩ Châu Âu từ năm 1960 Đầu tiên, người ta sử dụng xúc tác oxy hóa động hoạt động với hỗn hợp giàu Sau đó, hệ thống xúc tác lưỡng tính phát triển để xử lí khí xả Hệ thống bao gồm xúc tác khử, cung cấp khơng khí xúc tác oxy hóa Bộ xúc tác 'ba chức năng' đưa vào sử dụng từ năm 1975 động đánh lửa cưỡng làm việc với hệ số dư lượng không khí a xấp xỉ trở thành xúc tác ứng dụng rộng rãi Từ năm 1990, xúc tác áp dụng động đánh lửa cưỡng làm việc với hỗn hợp nghèo, động Diesel động kì Trong chờ đợi giải pháp kĩ thuật lí tưởng nhằm hạn chế triệt để chất nhiễm từ q trình cháy việc xử lí khí xả xúc tác biện pháp hữu hiệu để giảm mức độ phát sinh ô nhiễm ô tô Người ta ước tính đến năm 2000-2005 có 80% tơ lưu hành trang bị xúc tác 7.2.1 Bộ xúc tác ba chức Bộ xúc tác 'ba chức năng' (three-way) xúc tác cho phép xử lí đồng thời CO, HC NOx phản ứng oxy hóa-khử (hai chất bị oxy hóa cịn chất thứ ba bị khử) 7.2.1.1 Nguyên tắc chung cấu tạo xúc tác Các phản ứng diễn xúc tác gồm: ⎧ → CO ⎪⎪ CO + O Oxy hóa ⎨ y⎞ y ⎛ ⎪C x H y + ⎜ x + ⎟ O → xCO + H O ⎝ ⎪⎩ 4⎠ 108 Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm động đốt ⎧ → N + H 2O ⎪ NO + H 2 ⎪ ⎪ Khº ⎨ NO + CO → N + CO 2 ⎪ y ⎛ ⎞ ⎪⎜ x + ⎟ NO + C H → ⎛⎜ x + y ⎞⎟ N + xCO + y H O x y ⎝ ⎪⎩⎝ 2⎠ 4⎠ 2 Hai phản ứng oxy hóa diễn độ đậm đặc f nhỏ hay (hỗn hợp nghèo) Trong đó, ba phản ứng phân hủy NO diễn thuận lợi hỗn hợp giàu Trong phản ứng khử, người ta quan tâm đến NO thành phần chủ yếu NOx Trong điều kiện nhiệt độ, việc oxy hóa CO, HC khử NOx (nghĩa phản ứng kể phải diễn lúc với tốc độ đủ lớn), diễn cách đồng thời hệ số dư lượng khơng khí hỗn hợp nạp vào động xấp xỉ Đó lí giải thích tất tơ có xúc tác ba chức phải làm việc với tỉ lệ hỗn hợp cháy hồn tồn lí thuyết tỉ lệ điều chỉnh nhờ cảm biến lambda Tỉ lệ biến đổi chất ô nhiễm qua xúc tác nhạy cảm thay đổi tỉ lệ hỗn hợp (hình 7.4) Mặt khác, việc trì thành phần hỗn hợp có f=1 ngồi việc tăng tỉ lệ biến đổi chất nhiễm cịn hạn chế phản ứng 'nhiễu' tạo N2O (protoxyde nitơ): 2NO + CO → N 2O + CO 2NO + H → N 2O + H O 2NO + hydrocarbure → N 2O + H 2O + CO 100 Cường độ phản ứng bé độ đậm đặc hỗn hợp xấp xỉ 80 HC 60 CO NOx 40 20 NO ->N2O -0,2 -0,1 0,1 Cháy hoàn tồn lí thuyết 0,2 Biến thiên tỉ số khơng khí/nhiên liệu Hình 7.4: Biến thiên hiệu ống xả xúc tác chức theo độ lệch 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 ô nhiễm động đốt Hệ thống xúc tác bao gồm gộp đỡ (support) lớp kim loại hoạt tính Ngày gộp gốm hay kim loại liền khối, gọi monolithe, dùng rộng rãi Gộp đỡ monolithe ống trụ tiết diện tròn hay ovale bên chia nhỏ vách ngăn song song với trục Mặt cắt ngang phận cơng tác có dạng tổ ong với tiết diện tam giác hay vng Đối với động có cơng suất khoảng 100kW, tiết diện tổng cộng cần thiết phần tử cơng tác khoảng 130cm2 thể tích tổng cộng monolithe khoảng 2-3 lít (0,02-0,03 dm3/kW) Vật liệu gồm dùng phổ biến cordiérite: 2MgO,2Al2O3,5SiO2 Vật liệu có ưu điểm nhiệt độ nóng chảy cao (1400°C) chịu đựng nhiệt độ khí xả nhiệt độ xúc tác (đôi lúc lên đến 1100°C) Gộp đỡ monolithe kim loại ngày có nhiều ưu Nó chế tạo thép khơng rỉ có bề dày bé Ưu điểm kim loại dẫn nhiệt tốt cho phép giảm thời gian khởi động hệ thống xúc tác Lớp hoạt tính nơi diễn phản ứng xúc tác chế tạo kim loại quý mạ thành lớp mỏng vật liệu (wash-coat) Vật liệu cần thiết gộp đỡ (kim loại hay gốm) có diện tích bề mặt riêng thấp Vật liệu chủ yếu lớp nhôm gamma, bề dày khoảng 20-50 micron tráng bề mặt rãnh gộp Sự diện cho phép làm tăng bề mặt riêng gộp thuận lợi cho hoạt tính xúc tác kim loại q Ngồi nhơm ra, vật liệu chứa thành phần ổn định kim loại khởi động cho hoạt tính xúc tác Có loại kim loại q thường dùng để tráng bề mặt vật liệu nền: Platine, Palladium, Rhodium Hai chất (Pt, Pd) dùng cho phản ứng xúc tác oxy hóa, Rh cần thiết cho phản ứng xúc tác khử NOx thành N2 Thành phần Pt/Pd lựa chọn dựa số yêu cầu tính xúc tác: hiệu xúc tác nhiệt độ thấp, độ bền, tuổi thọ Khối lượng kim loại quý dùng cho xúc tác thấp, khoảng từ đến gam cho tơ Ngồi ra, xúc tác chứa chất khác kền, cérium, lanthane, baryum, zirconium, sắt, silicium với hàm lượng bé Những chất tăng cường thêm hoạt tính xúc tác, tính ổn định chống lão hóa kim loại quý 7.2.1.2 Khởi động xúc tác Bộ xúc tác ba chức phát huy tác dụng nhiệt độ làm việc lớn 250°C Khi vượt qua ngưỡng nhiệt độ này, tỉ số biến đổi chất ô nhiễm xúc tác tăng nhanh, đạt tỉ lệ lớn 90% Do đó, ô tô xúc tác tác động sau khoảng thời gian khởi động định để nhiệt độ xúc tác đạt giá trị ngưỡng Trong khoảng thời gian đó, chất nhiễm khí xả khơng xử lí Thực nghiệm cho thấy xúc tác đạt nhiệt độ ngưỡng sau ô tô chạy từ đến km thành phố 110 Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm động đốt Nhiệt độ khởi động xúc tác định nghĩa nhiệt độ mà tỉ lệ biến đổi chất ô nhiễm đạt 50% Hình 7.5 cho thấy nhiệt độ khởi động xúc tác thay đối theo thành phần hóa học hỗn hợp cần xử lí Nói chung alkane chuỗi ngắn, đặc biệt méthane hydrocarbure khó oxy hóa nhất; hydrocarbure thơm, alcène, oxy hóa nhiệt độ tương đối thấp Vì vậy, động cơ, nhiệt độ khởi động xúc tác 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 sấy xúc tác điện Biện pháp tốn kém, công suất cần thiết thiết bị sấy tương đối cao (khoảng 5,5kW để đạt nhiệt độ sấy từ 300 đến 350°C 15s) 7.2.1.3 Sự lão hóa xúc tác Tính hiệu xúc tác giảm dần theo thời gian sử dụng (hình 7.6) Nguyên nhân gây lão hóa tác động đồng thời tác nhân hóa, lí, nhiệt học, tác nhân hóa học nhiên liệu trực tiếp hay gián tiếp gây quan trọng 800 Nhiệt độ khởi động (K) Alcanes 700 600 500 Acétylène Aromatique Alcools Ethylène Số nguyên tử Carbon Hình 7.5: Nhiệt độ khởi động hợp chất hữu khác 100 Gia tăng nhiệt độ khởi động (C) HC CO NOx 10 111 0,5 10 50 100 Thời gian sử dụng (h) Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây nhiễm động đốt Hình 7.6: Gia tăng nhiệt độ khởi động xúc tác theo thời gian sử dụng ô tô A Tác động chì Tác hại chì đến xúc tác nhiều hợp chất hóa học hình thành trình cháy gây (các oxyde, halogénure, sulfate) Tác hại chì phủ lên mặt chất xúc tác lớp kim loại trơ nhiệt độ cao chèn kín lỗ xốp nhiệt độ pháttính ơnhiễm thấp Những chất halogène, chlor brome, chúng làm Mức giảmđộdần (g/mile) độ phát xúc tác chúngMức bị hấp thụ ônhiễm bề mặt kim loại quý (% giá trị ban đầu) HC CO 400 16 300 12 200 100 bình xăng pha chì 500 bình xăng pha chì bình xăng khơng pha chì 1000 1500 2000 bình xăng khơng pha chì 2500 3000 Quãng đường chạy (mile) Hình 7.6: Ảnh hưởng chì đến xúc tác chức Vì vậy, phải tránh việc sử dụng xăng pha chì động có ống xả xúc tác Tuy nhiên, xăng pha chì khơng hủy hồn tồn hoạt tính xúc tác Tính xúc tác phục hồi lại phần sử dụng xăng khơng pha chì (hình 7.6) B Tác động phosphore Sự diện phosphore nhiên liệu gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến xúc tác Phosphore mặt gây sai lệch tín hiệu cảm biến lambda mặt khác, làm giảm hiệu xúc tác, việc oxy hóa CO 112 Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm động đốt Trong thực tế, nhiên liệu thơng thường có hàm lượng phosphore nhỏ 0,02ppm Mặt khác, phosphore khí xả bắt nguồn từ chất chống mịn pha dầu bơi trơn (dialkyldithiophosphate kẽm) Tuy nhiên, hàm lượng khơng đủ gây tác hại đáng kể xúc tác C Tác động lưu huỳnh Lưu huỳnh diện xăng có tác hại làm trơ hóa dần xúc tác ba chức năng, đặc biệt điều kiện hỗn hợp tương đối giàu Tuy nhiên trơ hóa lưu huỳnh gây phục hồi sử dụng xăng có thành phần lưu huỳnh thấp Lưu huỳnh xăng cịn gây tượng bất lợi khác: phát sinh bọng khí H2S số điều kiện làm việc, chẳng hạn khởi động trạng thái nguội hay chạy không tải sau giai đoạn giảm tốc Thật vậy, động làm việc với hỗn hợp tương đối nghèo, lưu huỳnh lưu trữ dạng sulfate, chủ yếu sulfate cerium Hợp chất sau biến thành H2S thành phần nhiên liệu-khơng khí tức thời chuyển sang giàu Để chống lại tượng này, người ta pha vào kim loại xúc tác hàm lượng kền bé Giải pháp áp dụng Mĩ không áp dụng Châu Âu độc tính kền D Lớp bám carbon Khi tơ có xúc tác ba chức sử dụng thường xuyên quãng đường ngắn, lập lại thường xuyên trình khởi động, trình địi hỏi hỗn hợp giàu, gây lớp than đáng kể bám ống xả xúc tác Khi cần nhiệt độ cao xúc tác khởi động Tuy nhiên tác động lớp than đến xúc tác khử đốt cháy nhiệt độ cao Bộ xúc tác trở lại tính ban đầu sau hết lớp than 7.2.2 Bộ xúc tác oxy hóa dùng cho động Diesel Bộ xúc tác oxy hóa Diesel chưa phổ biến rộng rãi xúc tác ba chức động xăng mức độ phát sinh ô nhiễm động Diesel CO HC nằm giới hạn cho phép, chưa cần thiết phải sử dụng thiết bị xử lí đường xả Mặt khác, xúc tác oxy hóa khơng có tác dụng NOx có tác dụng giới hạn bồ hóng 7.2.2.1 Đặc điểm xúc tác điều kiện sử dụng: Khí xả động Diesel có chứa bồ hóng lượng bé CO, HC hệ số dư lượng khơng khí lớn Trên ngun tắc, xúc tác oxy hóa diễn thuận lợi Khó khăn liên quan đến nhiệt độ môi trường phản ứng thấp Hình 7.7 cho thấy nhiệt độ mơi trường cần phải đạt đến 200°C xúc tác bắt đầu khởi động Vào khoảng 300°C, xúc tác bắt đầu oxy hóa đồng thời SO2 thành SO3 Các chất lưu huỳnh nhiên liệu tạo Đây tượng xấu làm gia tăng 113 Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm động đốt mức độ phát sinh hạt rắn (hình 7.8) Mặt khác, sau hình thành, SO3 biến thành acid sulfuric ngậm nước chất bị giữ lại phần lọc làm ảnh hưởng đáng kể đến tuổi thọ lọc Vì vậy, việc sử dụng xúc tác oxy hóa động Diesel cần phải kèm với việc sử dụng nhiên liệu có thành phần lưu huỳnh thấp Trên sở điều kiện kĩ thuật này, Liên Hiệp Châu Âu đề tiêu chuẩn giới hạn lưu huỳnh nhiên liệu Diesel không vượt 0,05% áp dụng từ ngày tháng 10 năm 1996 100 Tỉ lệ biến đổi CO (%) CO HC 75 SO2 50 25 Nhiệt độ khí (C) 100 200 300 400 Thành phố 500 600 700 Đường trường Hình 7.7: Biến thiên tỉ lệ oxy hóa theo nhiệt độ khí xả 100 Phát sinh bồ hóng (g/h) Thành phần lưu huỳnh 75 0,3% 0,15% 0,1% 50 0,05% 25 200 0% 300 600 400 500 Nhiệt độ khí vào xúc tác (°C) Hình 7.8: Ảnh hưởng thành phần lưu huỳnh nhiên liệu đến phát sinh hạt rắn theo nhiệt độ khí vào ống xả Về mặt kết cấu, kim loại quý dùng cho xúc tác oxy hóa Diesel chủ yếu Platine Palladium hợp kim hai chất này, Palladium ưa chuộng khó oxy hóa SO2 thành SO3 114 Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm động đốt Sự diện lưu huỳnh dầu Diesel, hàm lượng bé, gây ảnh hưởng đáng kể đến hoạt tính xúc tác, đặc biệt làm tăng nhiệt độ khởi động xúc tác (hình 7.9) Tuy nhiên xúc tác phục hồi đặc tính ban đầu động sử dụng nhiên liệu không chứa lưu huỳnh 60 Thành phần lưu huỳnh Tỉ lệ biến đổi HC (%) 40 0% 0,15% 0,05% 20 ∆T=25°C 160 180 200 220 240 Nhiệt độ khí vào xúc tác (°C) Hình 7.9: Ảnh hưởng thành phần lưu huỳnh nhiên liệu đến nhiệt độ khởi động xúc tác 7.2.2.2 Hiệu xúc tác oxy hóa Diesel Như nêu, việc sử dụng xúc tác oxy hóa phải kèm theo việc sử dụng nhiên liệu Diesel không chứa lưu huỳnh Thử nghiệm động ô tô nhẹ theo chu trình ECE+EUDC cho thấy xúc tác oxy hóa động Diesel làm giảm trung bình 35% CO, 30% HC, 25% hạt rắn hòa tan (SOF) 7.2.3 Khử oxyde nitơ mơi trường có diện oxy Kĩ thuật thường gọi 'khử NOx' dùng động đánh lửa cưỡng làm việc với hỗn hợp nghèo động Diesel Nó đối tượng nghiên cứu nhiều cơng trình kĩ thuật chưa triển khai công nghiệp 'Khử NOx' vấn đề mấu chốt xử lí khí xả đường thải, ngày ngồi hệ thống hồi lưu khí xả làm giảm NOx trình cháy (nhưng gây nhược điểm tính kinh tế-kĩ thuật động cơ), chưa có giải pháp kĩ thuật nào khử NOx hai loại động vừa nêu, mà hai loại động lại động có nhiều ưu tính kinh tế-kĩ thuật Bộ xúc tác khử NOx chủ yếu giảm oxyde nitric NO, chất chiếm đại phận NOx Sự phân giải NO viết sau: 2NO -> N2 + O2 115 Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm động đốt Về phương diện nhiệt động học, phản ứng hồn tồn xảy với tốc độ phản ứng thấp Tỉ lệ biến 100 đổi 75 CO Không phun Phun 50 25 50 150 250 350 450 Nhiệt độ (°C) 250 350 450 Nhiệt độ (°C) Tỉ lệ biến 30 đổi NOx 20 10 50 150 Tỉ lệ biến 100 đổi 75 HC 50 25 Hình 7.10: Ảnh hưởng việc phun hydrocarbure đường xả 450 50 150 250 đến hiệu khử NOx 350 Nhiệt độ (°C) Một phương án khác, áp dụng động tàu thủy cỡ lớn thêm chất phụ gia ammoniac hay uré (NH2-CO-NH2) khí xả xử lí tồn hợp chất nhận xúc tác oxyde titan phủ lớp oxyde vanadium, chất có khả hấp thụ mạnh chất khử Khi đó, phản ứng xúc tác tổng quát viết sau: NO + NH3 + 0,25O2 -> N2 + 1,5H2O 116 Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm động đốt Phản ứng cho phép loại trừ 70-80% NO chứa khí xả Tuy nhiên, kĩ thuật chưa áp dụng động ô tô (thời gian tiếp xúc cần thiết lớn, độc tính ammoniac ) Các nghiên cứu tiến hành theo hướng khử NO hydrocarbure có mặt hay cung cấp thêm vào khí xả Phản ứng khử viết sau: NO + Hydrocarbure > N2 + CO2 + H2O Phản ứng thực tế xảy với tỉ lệ biến đổi từ 40-80% nhờ xúc tác đồng phủ zéolithe hay platine phủ zéolithe Tuy nhiên, điều kiện khí xả động cịn khác biệt nhiều so với điều kiện thí nghiệm tối ưu phản ứng vì: - Nhiệt độ khí xả thấp (150-250°C so với điều kiện thí nghiệm 400-500°C) - Nồng độ hydrocarbure không đủ (thấp điều kiện thí nghiệm từ 20-40 lần) Tuy điều kiện thực tế cịn khác biệt nhiều so với điều kiện thí nghiệm phương pháp khử NOx hydrocarbure có nhiều hứa hẹn Hình 7.10 giới thiệu vài kết cơng bố năm gần Ngồi khó khăn vừa nêu, trước đưa xúc tác khử NOx hydrocarbure vào ứng dụng công nghiệp, người ta cần phải giải số vấn đề kĩ thuật khác chẳng hạn khống chế phản ứng tạo N2O kéo dài tính ổn định xúc tác theo thời gian Trong thực tế, xúc tác khử NOx động Diesel không cần phải đạt tính cao xúc tác ba chức Tỉ số biến đổi NOx chừng 3040% chấp nhận Cũng giống xúc tác khác, việc xử dụng xúc tác khử NOx đường xả động Diesel cần phải kèm với việc sử dụng nhiên liệu không chứa lưu huỳnh 7.3 Lọc hạt rắn Nhờ thành tựu nghiên cứu hồn thiện việc tổ chức q trình cháy động Diesel mà hai mươi năm qua, mức độ phát sinh hạt rắn động Diesel giảm nhiều Mức độ phát sinh bồ hóng động Diesel lắp tơ du lịch Châu Âu giảm từ 0,50 g/km xuống 0,08g/km, thỏa mãn tiêu chuẩn ô nhiễm năm 1996 EU Với tốc độ tiến nghiên cứu q trình cháy nâng cao tính chất nhiên liệu, năm tới đây, hệ động Diesel thỏa mãn tiêu chuẩn Euro 2000 (khoảng 0,05 g/km) Nghiên cứu hoàn thiện q trình cháy làm giảm nồng độ bồ hóng điều kiện cháy bình thường Tránh tập trung nhiên liệu vùng có nhiệt độ cao điều kiện tiên để hạn chế mức độ phát sinh bồ hóng Tuy nhiên, phương tiện vận tải động thường xuyên tăng giảm tải vận hành nguyên nhân phát sinh bồ hóng động Diesel đại 117 Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm động đốt Cải tiến hình dạng buồng cháy, thay đổi thành phần nhiên liệu, pha chất phụ gia có nhiều tác dụng làm giảm nồng độ bồ hóng khí xả Giảm công suất động cách giảm nồng độ bồ hóng cơng suất động Diesel lớn hiệu kinh tế cao Các nhà khoa học sức tìm kiếm giải pháp hồn thiện q trình cháy động Diesel để giảm nồng độ bồ hóng khí xả đến mức thấp Tuy nhiên cho dù nồng độ bồ hóng khí xả Diesel giảm nhiều, ln mối quan tâm nhà khoa học bồ hóng dễ sâu vào phổi, bị giữ lại phế nang gây nhiều tác hại quan hô hấp Người ta thấy số hạt bụi có mặt khí hạt có kích thước tương ứng với hạt bồ hóng bị giữ lại phổi dễ dàng tồn thời gian dài Chính lẽ đó, việc lọc bồ hóng đường xả động Diesel quan tâm năm gần cho dù kĩ thuật cịn phức tạp tốn Bồ hóng khí xả có kích thước bé Đa số hạt bồ hóng (hơn 90% số hạt) có đường kính trung bình khoảng 1µm Lọc hạt cỡ khó gây tổn thất lớn đường thải Hạt bồ hóng xốp, có khối lượng riêng trung bình khoảng 0,07g/cm3 nên lọc bị tắt nhanh Làm thường xuyên bồ hóng bám lõi lọc điều kiện cần thiết để đảm bảo lọc hoạt động bình thường Lọc bồ hóng tập trung giải hai vấn đề lựa chọn kĩ thuật lọc phương pháp tái sinh lọc 7.3.1 Kĩ thuật lọc bồ hóng Thành xốp Có nhiều phương án lọc bồ hóng khác nhìn chung chúng dựa nguyên tắc bẫy hạt bồ hóng Nút gốm Hình 7.11 : Lõi lọc Kĩ thuật lọc Hai mươi năm qua, nhiều cơng trình nghiên cứu lọc bồ hóng tiến hành chưa có loại lọc ứng dụng rộng rãi Giá thành lọc cao, hệ thống lọc phức tạp tuổi thọ lọc thấp Lọc chế tạo vật liệu gốm áp dụng từ năm 1981 Hiệu lọc chúng cao (có thể đạt 90%), phát triển loại lọc bị hạn chế chưa tìm hệ thống tái sinh tin cậy với giá thành hạ Thành lọc có bề dày 0,3mm, vật liệu có độ xốp 40÷50% với đường kính lỗ xốp trung bình 14µm Lõi lọc chế tạo thành dạng tổ ong làm kín đầu xen kẽ (hình 7.11) Khí xả vào đầu hở lọc, qua lỗ xốp thành bồ hóng bị giữ lại Trong lõi lọc đại, dây điện trở bố trí thành gốm để đốt bồ hóng q trình tái sinh Lọc vật liệu gốm thường hay bị nứt hỏng ứng suất nhiệt tái sinh xung lực dòng khí thải 118 Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm động đốt Lọc gốm monolithe dạng lọc nghiên cứu thử nghiệm nhiều kể từ đề giải pháp lọc bồ hóng Lọc cải tạo từ gộp xúc tác ba chức cách làm kín xen kẽ đầu rãnh thơng cho khí thải buộc phải qua lớp xốp thành gốm ngăn cách hai rãnh thơng liền (hình 7.12) Phương pháp lọc gọi phương pháp 'thổi qua tường' (wall flow) Hiệu lọc cao (lớn 90%) trở lực đường xả lớn gradient nhiệt độ lõi lọc cao tái sinh lọc Vật liệu gốm thường sử dụng cordiérite (2MgO,2Al2O3,5SiO2) carbure silic (SiC) A Thành xốp B Khí xả Bồ hóng bị giữ lại Nút gốm Hình 7.12: Lõi lọc gốm Lọc sợi gốm chế tạo từ sợi silic hay hỗn hợp oxyde nhôm silic, cuộn thành lớp dày khoảng 10-12mm quanh ống kim loại có đường kính 40mm Khí xả di chuyển từ bên ống Lớp sợi tạo thành lưới lọc với đường kính trung bình lỗ khoảng 10 micron Dạng lọc có ưu điểm chịu ảnh hưởng ứng suất nhiệt khí, hiệu lọc vừa phải (75-80%) Lọc lưới sợi gốm vừa phát triển năm gần có nhiều hứa hẹn Những sợi gốm có đường kính chừng 10 micron đan lại thành (hình 7.13) mà dạng lỗ trống tối ưu hóa để đảm bảo hiệu lọc cao độ cứng vững chấp nhận Các dệt theo phương pháp cổ điển công nghệ dệt Hiệu lọc, độ chịu đựng gradient nhiệt rung động học lõi lọc tốt 119 Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây nhiễm động đốt Hình 7.13: Lõi lọc lưới sợi gốm Lọc sợi thép mạ nhơm có quy trình chế tạo đơn giản Nó có ưu điểm chịu thay đổi nhiệt độ, rung động xung lực khí xả Thể tích lõi lọc kích thước sợi lọc xác định theo lưu lượng khí xả tổn thất áp suất cho phép Sợi thép sau mạ nhơm có bề dày 0,2mm tối ưu (hình 7.14) Lõi lọc kim loại xốp áp dụng năm gần Kim loại xốp có tên gọi Celmet, hợp kim Ni-Cr-Al, chịu đựng nhiệt độ 700oC 300 Tổn thất áp suất khoảng 1/10 so với lọc vật liệu gốm thơng thường Lọc Celmet có đường kính lỗ xốp trung bình khoảng 500 µm (hình 7.15) Kích thước lỗ điều chỉnh cách gây biến dạng lõi lọc hay ghép chồng lên nhiều lọc đồng trục Thường lõi lọc gồm hai lưới lọc hình trụ bố trí đồng trục hai lõi lọc người ta bố trí điện trở để tái sinh lọc Khí xả vào khơng gian hai lưới thoát qua lỗ xốp chúng Bồ hóng bám thành lọc đốt định kì xạ điện trở Do khơng gian hai lưới lọc nhỏ nên công suất điện tiêu tốn cho điện trở đốt giảm 120 Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây nhiễm động đốt Hình 7.14: Lõi lọc sợi thép mạ nhôm Lưới lọc tĩnh điện áp dụng thiết bị lọc bụi cơng nghiệp có nhiều triển vọng sử dụng lọc bồ hóng động Diesel Ưu điểm loại lọc kết hợp nguyên lí lọc lưới cổ điển lọc tĩnh điện Nó gồm lưới thép khơng rỉ, cách điện đặt xen kẽ Chúng nối cực âm, dương accu Khi dịng khí thải qua lưới, hạt bồ hóng kích thước lớn bị giữ lại hạt nhỏ thoát qua lọc bị nhiễm điện Những hạt sau bị giữ lại lực hút tĩnh điện lưới lọc phía sau có điện trái dấu (hình 7.16a) Điện áp lớn, hiệu lọc cao (hình 7.16b) Lọc cách ngưng tụ nước để hấp thụ bồ hóng nghiên cứu Khí xả qua lọc làm lạnh đến điểm ngưng tụ nước (khoảng 50oC) lưới gồm ống làm lạnh có đuờng kính bé Khi dịng khí xả qua, hạt bồ hóng bị giữ lại bề mặt giọt nước ngưng tụ Nước bồ hóng sau chứa vào bình ngưng định kì chúng lấy để xử lí Hình 7.15: Lọc celmet Lưới nhiễm điện âm Bình điện Lưới nhiễm điện âm Lưới lọc Bồ hóng Lưới nhiễm điện dương Cánh tản nhiệt Khí121 xả Khí Khí xả Lọc lưới Lọc tĩnh điện Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm động đốt Hình 7.16a: Lọc tĩnh điện Hiệu lọc (%) tầng Hình 7.16b: Ảnh hưởng điện áp đến hiệu lọc tĩnh điện tầng Thời gian hoạt động (phút) 7.3.2 Tái sinh lọc Như phân tích, q trình sử dụng, lọc bị tắc nhanh nên phải tái sinh lọc để tránh tổn thất áp suất đường xả Khi hiệu lọc cao lọc nhanh bị tắc Lượng bồ hóng phát sinh trung bình ô tô Diesel du lịch 0,10g/km, lọc phải giữ lại 100g bồ hóng quãng đường 1000km Với khối lượng riêng bồ hóng ước chừng 0,075g/cm3, lượng bồ hóng vừa nêu chiếm thể tích 1,3 lít Đối với tơ hạng nặng (xe tải, bus) khối lượng thể tích bồ hóng phát sinh quãng đường gấp 10 lần so với tơ du lịch! Sự tích tụ bồ hóng lõi lọc gây trở lực đường xả làm giảm tính động (khi tổn thất áp suất bắt đầu vượt 100150 mbar) Các giải pháp thơng thường đốt, rung, rửa hay dùng dịng khí thổi ngược Đốt bồ hóng phương pháp áp dụng rộng rãi Thực nghiệm cho thấy oxy hố bồ hóng 122 Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm động đốt bắt đầu với tốc độ thấp 300°C gia tốc 400°C khơng khí hay dịng khí có chứa 10% oxy Bồ hóng bám lọc bị đốt cháy hồn tồn nhiệt độ 540°C với điều kiện có đủ oxy Nhiệt độ tái sinh cao, thời gian đốt hoàn toàn bồ hóng giảm Nhiệt độ cao khí xả tạo nhờ thay đổi chế độ làm việc động cơ, tiết lưu đường nạp hay thêm thiết bị phụ sấy điện trở, vịi đốt, đuốc xúc tác Phương pháp gia nhiệt khí thải điện trở khơng triển vọng địi hỏi cơng suất điện lớn Dùng vịi đốt nhiên liệu Diesel đường xả hay đuốc xúc tác để gia nhiệt dường có nhiều triển vọng Hình 7.17 giới thiệu đốt bồ hóng để tái sinh lọc Hệ thống làm việc cách tự động Trở lực đường xả đo liên tục ghi vào nhớ ECU Khi p ≥ pmax, ECU khởi động vịi đốt Nhiên liệu phun khí nén Ngọn lửa khơi mào tia lửa điện xuất hai điện cực đánh lửa ECU cắt nhiên liệu qua vòi đốt để kết thúc trình tái sinh áp suất đường xả nhỏ giá trị định trước Nguyên lí đuốc xúc tác phun nhiên liệu hydrocarbure (lỏng hay khí) vào xúc tác đặt đường xả Sự toả nhiệt oxy hóa lượng nhiên liệu làm tăng nhiệt độ khí để oxy hóa bồ hóng Hệ thống tái sinh kiểu đuốt xúc tác gồm tạo xúc tác đơn giản giá thành hạ Các nghiên cứu gần cho thấy số oxyde kim loại có khả làm giảm nhiệt độ xúc tác bồ hóng xuống xấp xỉ nhiệt độ khí xả động làm việc bình thường (350°C) Sự Oxy hoá graphite oxyde đồng chẳng hạn biểu diễn hai phản ứng sau: C + 2CuO → CO2 + 2Cu 2Cu + O2 → 2CuO Khí nén Khí xả động Giảm áp Khí xả Buồng hỗn hợp Van phun Böm N liệu Nhiên Bộ đánh lửa Bơm k.khí Nhiên liệu Hệ thống điều khiển Hình 7.17: Tái sinh lọc đốt bồ hóng Ngồi ra, chất hoạt tính xúc tác khác Oxide Vanadium V2O5 , Oxyde Cobal Co3O4/ CoO, Oxyde Cerium CeO2, Oxy kẽm ZnO, Oxyde Nikel NiO dùng để chế tạo xúc tác bồ hóng Hình 7.18 giới thiệu hiệu xúc tác 123 ... (protoxyde nitơ): 2NO + CO → N 2O + CO 2NO + H → N 2O + H O 2NO + hydrocarbure → N 2O + H 2O + CO 100 Cường độ phản ứng bé độ đậm đặc hỗn hợp xấp xỉ 80 HC 60 CO NOx 40 20 NO ->N2O -0 ,2 -0,1 0,1 Cháy... nhiên liệu không chứa lưu huỳnh 60 Thành phần lưu huỳnh Tỉ lệ biến đổi HC (%) 40 0% 0,15% 0,05% 20 ∆T =25 °C 160 180 20 0 22 0 24 0 Nhiệt độ khí vào xúc tác (°C) Hình 7.9: Ảnh hưởng thành phần lưu huỳnh... + 0 ,25 O2 -> N2 + 1,5H2O 116 Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm động đốt Phản ứng cho phép loại trừ 70-80% NO chứa khí xả Tuy nhiên, kĩ thuật chưa áp dụng động ô tô (thời