Giáo trình “Khí thải xử lý khí thải

CÁC NGUỒN TẠO RA KHÍ THẢI VÀ BỤI

1.1.1 Khí quyển và vấn đề ô nhiễm môi trường

Khí quyển là lớp vỏ bảo vệ bên ngoài của trái đất, nằm giữa bề mặt thuỷ quyển và thạch quyển ở phía dưới, và không gian giữa các hành tinh ở phía trên Khí quyển được hình thành từ quá trình thoát hơi nước cùng với các khí thải từ thuỷ quyển và thạch quyển.

Khí quyển trái đất được cấu trúc thành các tầng phân lớp, bao gồm từ dưới lên trên: tầng đối lưu, tầng bình lưu, tầng trung gian và tầng điện ly.

Tầng đối lưu, là tầng thấp nhất của khí quyển, nơi diễn ra chuyển động đối lưu của không khí nóng từ mặt đất, với thành phần khí khá đồng nhất Ranh giới trên của tầng này dao động từ 7 - 8 km ở các cực và 16 - 18 km ở vùng xích đạo Đây cũng là khu vực tập trung nhiều hơi nước, bụi và các hiện tượng thời tiết chính như mây, mưa, tuyết, mưa đá và bão.

Tầng bình lưu nằm trên tầng đối lưu, với độ cao ranh giới khoảng 50 km Không khí trong tầng bình lưu loãng hơn và ít bụi cũng như hiện tượng thời tiết Đặc biệt, ở độ cao khoảng 25 km, có một lớp không khí giàu ozon (O3), thường được gọi là tầng ozon.

 Bên trên tầng bình lưu cho đến độ cao 80 km được gọi là tầng trung gian Nhiệt độ tầng này giảm dần theo độ cao

 Từ độ cao 80 km đến 500 km gọi là tầng nhiệt, ở đây nhiệt độ ban ngày thường rất cao, nhưng ban đêm xuống thấp

Tầng điện ly bắt đầu từ độ cao 500 km trở lên, nơi mà tia tử ngoại tác động làm phân huỷ các phân tử không khí loãng thành các ion nhẹ như He+ và H+.

Tầng điện ly là khu vực trong khí quyển nơi diễn ra hiện tượng cực quang và phản xạ sóng ngắn vô tuyến Giới hạn bên ngoài của khí quyển thường khó xác định, nhưng thường được ước tính nằm trong khoảng từ 1000 đến 2000 kilômét.

Cấu trúc tầng của khí quyển được hình thành từ lực hấp dẫn và nguồn khí phát sinh từ bề mặt trái đất, đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ và duy trì sự sống trên hành tinh này.

Khí quyển trái đất có thành phần ổn định theo phương nằm ngang và phân dị theo phương thẳng đứng, với khoảng 5.10^15 tấn khí tập trung chủ yếu ở tầng đối lưu và bình lưu Thành phần chính của khí quyển bao gồm Nitơ, Oxy, hơi nước, CO2, H2, O3, NH4 và các khí trơ.

Trong tầng đối lưu, thành phần khí chủ yếu ổn định, nhưng nồng độ CO2 và hơi nước có sự biến động lớn Lượng hơi nước trong không khí thay đổi theo thời tiết, dao động từ 4% thể tích vào mùa nóng ẩm đến 0,4% trong mùa khô lạnh Ngoài ra, tầng đối lưu cũng chứa một lượng nhất định khí SO2 và bụi.

Trong tầng bình lưu, quá trình hình thành và phá hủy khí ozon diễn ra liên tục, tạo ra một lớp ozon mỏng với độ dày khoảng vài chục xăngtimet trong điều kiện mật độ không khí bình thường Lớp khí này có vai trò quan trọng trong việc ngăn chặn các tia tử ngoại từ mặt trời chiếu xuống bề mặt trái đất Tuy nhiên, do các hoạt động của con người, lớp ozon đang ngày càng mỏng đi, đe dọa sự sống của con người và các sinh vật trên hành tinh.

Sự gia tăng tiêu thụ nhiên liệu hoá thạch đang làm tăng nồng độ khí CO2 trong khí quyển, dẫn đến hiện tượng ấm lên toàn cầu Khi nồng độ CO2 tăng gấp đôi, nhiệt độ bề mặt trái đất có thể tăng khoảng 3°C Từ năm 1885 đến 1940, nhiệt độ trái đất đã tăng 0,5°C do nồng độ CO2 trong khí quyển tăng từ 0,027% lên 0,035% Nếu không có biện pháp khắc phục hiệu ứng nhà kính, dự báo nhiệt độ trái đất sẽ tăng từ 1,5 đến 4,5°C vào năm 2050.

Ô nhiễm môi trường là sự thải bỏ chất thải hoặc năng lượng vào môi trường, gây hại đến sức khỏe con người, sự phát triển của sinh vật và làm giảm chất lượng môi trường Các tác nhân ô nhiễm bao gồm khí thải, nước thải, chất thải rắn, cũng như các hóa chất, tác nhân vật lý, sinh học và các dạng năng lượng như nhiệt độ và bức xạ.

Môi trường chỉ được coi là ô nhiễm khi hàm lượng, nồng độ hoặc cường độ các tác nhân đạt mức có thể gây hại cho con người, sinh vật và vật liệu Ô nhiễm không khí xảy ra khi có sự xuất hiện của chất lạ hoặc sự biến đổi quan trọng trong thành phần không khí, làm cho không khí trở nên không sạch, gây mùi khó chịu và giảm khả năng nhìn xa do bụi.

Theo TCVN 5966-1995, ô nhiễm không khí là sự hiện diện của các chất trong khí quyển do hoạt động của con người hoặc các quá trình tự nhiên, với nồng độ cao và thời gian kéo dài, ảnh hưởng đến sức khỏe, sự thoải mái và lợi ích của con người cũng như môi trường Hiện nay, ô nhiễm khí quyển đang trở thành vấn đề cấp bách toàn cầu, ảnh hưởng tiêu cực đến con người và các sinh vật do sự biến đổi rõ rệt của môi trường khí quyển.

Ô nhiễm khí quyển xuất phát từ hai nguồn chính: tự nhiên và nhân tạo Hàng năm, con người khai thác hàng tỉ tấn than đá, dầu mỏ và khí đốt, đồng thời thải ra môi trường một lượng lớn chất thải sinh hoạt và từ các nhà máy, xí nghiệp Điều này dẫn đến sự gia tăng nhanh chóng của bụi và các khí độc hại trong không khí.

TÌNH HÌNH Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG DO KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ Ô TÔ GÂY RA Ở VIỆT NAM

1.2.1 Sự phát triển phương tiện giao thông ở Việt Nam

Trong những năm gần đây, sự bùng nổ dân số đã dẫn đến nhu cầu đi lại ngày càng tăng, kéo theo sự gia tăng số lượng phương tiện giao thông vận tải Tại Việt Nam, sự phát triển kinh tế xã hội đã thúc đẩy tốc độ tăng trưởng hàng năm của các phương tiện này ở mức cao.

- Phương tiện vận tải đường bộ

Số lượng phương tiện cơ giới đường bộ tại Việt Nam đã tăng nhanh chóng trong những năm gần đây Đến năm 2011, tổng số xe máy đạt 33.906.433 chiếc và ô tô đạt 1.428.002 chiếc Tốc độ tăng trưởng của các loại xe ô tô trong giai đoạn 2009-2011 là 12%, trong đó xe con tăng cao nhất với 17% mỗi năm, xe tải tăng khoảng 13%, và xe khách tăng không đáng kể Xe máy cũng ghi nhận mức tăng khoảng 15%.

Bảng 1.3 Số lượng phương tiện cơ giới đường bộ

Nguồn: Cục Đăng kiểm Việt Nam (đơn vị: chiếc)

- Phương tiện vận tải đường sắt: tổng số phương tiện đang lưu hành là 7.561 trong đó có 491 đầu máy, 6.994 toa xe và 76 phương tiện chuyên dùng

- Phương tiện vận tải đường thủy nội địa: tổng số phương tiện là 241.782 chiếc

Tổng trọng tải tàu hàng đạt 12.042.881 tấn và tàu khách đạt 486.106 khách Độ tuổi trung bình của tàu là 12,67 năm; tổng công suất máy là 10.486.832 CV

Hãng hàng không Việt Nam hiện đang khai thác 95 tàu bay, trong đó có 43 chiếc thuộc sở hữu, chiếm 45,3% tổng số Đội tàu bay có tuổi trung bình là 6,6 năm, với Vietnam Airlines sở hữu 80 chiếc, bao gồm 10 máy bay B777.

Phương tiện giao thông tập trung chủ yếu ở các thành phố lớn như thành phố Hồ Chí Minh, Hà Nội

Hầu hết phương tiện giao thông đô thị tại thành phố Hồ Chí Minh là phương tiện cá nhân, với giao thông công cộng chỉ đáp ứng dưới 5% nhu cầu Hơn 70% dân số sử dụng phương tiện cá nhân, chủ yếu là mô tô và xe máy Mặc dù số lượng ô tô cá nhân đang gia tăng nhanh chóng trong những năm gần đây, mô tô và xe máy vẫn chiếm ưu thế, với hơn 98% hộ gia đình sở hữu ít nhất một phương tiện.

Hà Nội hiện có hơn 87% phương tiện giao thông là xe máy, trong khi số lượng xe đạp, một phương tiện thân thiện với môi trường, đang giảm mạnh Dịch vụ giao thông công cộng cũng cần được cải thiện để đáp ứng nhu cầu di chuyển của người dân.

Hà Nội bao gồm xe buýt, taxi, xe ôm, tuy nhiên tỷ lệ giao thông công cộng chỉ chiếm một phần nhỏ của giao thông đô thị

Phương tiện giao thông tại Việt Nam rất đa dạng, nhưng nhiều loại đã cũ, tiêu thụ nhiên liệu cao và phát thải độc hại lớn Nhờ Nghị định 92/2001/NĐ-CP và Nghị định 23/2004/NĐ-CP, số lượng xe quá cũ đã giảm đáng kể Tuy nhiên, chất lượng phương tiện vẫn là vấn đề được quan tâm, đặc biệt liên quan đến tiêu chuẩn khí thải Euro.

2 được triển khai áp dụng từ 1/7/2007

Hệ thống giao thông công cộng tại Hà Nội bao gồm hai loại chính: loại thứ nhất là hệ thống được tổ chức bài bản, hoạt động theo tuyến và có khả năng vận chuyển số lượng lớn hành khách; loại thứ hai là các dịch vụ định hướng vùng như taxi và xe ôm.

Trước thời kỳ đổi mới (trước năm 1986), hệ thống giao thông công cộng tại Việt Nam đã phát triển mạnh mẽ với các phương tiện chủ yếu là xe buýt và tàu điện Tuy nhiên, từ năm 1989, sự dỡ bỏ hệ thống tàu điện đã dẫn đến sự suy giảm đáng kể của giao thông công cộng.

Từ năm 2001, hệ thống giao thông công cộng bằng xe buýt được khôi phục lại và phát triển khá mạnh

Tắc nghẽn giao thông là vấn đề nghiêm trọng tại các thành phố lớn, gây ra ô nhiễm không khí và tiếng ồn Tại Hà Nội, chỉ 7% diện tích thành phố được dành cho giao thông, trong khi ở các nước phát triển, tỷ lệ này thường từ 20% đến 25% Nguyên nhân chính bao gồm mạng lưới giao thông không hợp lý với nhiều điểm giao cắt, đường chật hẹp và thiếu phân làn, cùng với sự kiểm soát kém các khu dân cư và dịch vụ ven đường Thêm vào đó, hoạt động xây dựng và nâng cấp cơ sở hạ tầng cũng góp phần làm trầm trọng thêm tình trạng tắc nghẽn.

1.2.2 Tình hình ô nhiễm môi trường do khí thải động cơ gây ra ở Việt Nam

Bản tổng kết môi trường toàn cầu của Chương trình Môi trường Liên Hợp Quốc (UNEP) chỉ ra rằng Việt Nam có hai thành phố nằm trong top 6 thành phố ô nhiễm không khí nghiêm trọng nhất thế giới Hai thành phố lớn nhất Việt Nam có nồng độ bụi chỉ đứng sau Bắc Kinh, Thượng Hải, New Delhi và Dhaka Mối đe dọa này sẽ cản trở quá trình phát triển của các thành phố này trong tương lai.

Theo nghiên cứu năm 2006 của Trường Đại học Yale, Việt Nam xếp hạng thấp nhất trong số 8 nước Đông Nam Á về các chỉ số môi trường ổn định.

Lượng khí thải và bụi gây ô nhiễm không khí đang gia tăng hàng năm do sự phát triển của phương tiện giao thông đường bộ Tại các thành phố lớn như Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, Hải Phòng, và Đà Nẵng, nồng độ bụi ở các nút giao thông vượt quá tiêu chuẩn cho phép từ 3 đến 5 lần.

CO, NO2 trung bình ngày ở một số nút giao thông lớn đã vượt tiêu chuẩn cho phép từ 1,2 – 1,5 lần

Việt Nam, một quốc gia đang phát triển, đang đối mặt với tình trạng gia tăng phương tiện giao thông mà chưa có biện pháp kiểm soát khí thải nghiêm ngặt Theo Cục Đăng kiểm Việt Nam, số lượng xe máy đã tăng từ 20 triệu trước năm 2010 lên 31 triệu vào năm 2015, và dự báo sẽ đạt 33 triệu xe vào năm 2020 Tuy nhiên, với tốc độ tăng trưởng hiện tại, con số này có thể vượt xa dự báo Chất lượng phương tiện cũng là yếu tố quan trọng, khi nhiều xe cũ có hiệu suất nhiên liệu kém và phát thải chất độc hại cao, đặc biệt là xe máy, đóng góp chính vào ô nhiễm không khí với các khí CO và VOC Hình ảnh xe cũ xả khói đen và hàng nghìn xe máy nhả khói khi tắc đường ngày càng phổ biến tại các đô thị Nếu không có biện pháp hạn chế sự gia tăng xe máy và kiểm soát khí thải chặt chẽ, ô nhiễm không khí tại các thành phố lớn của Việt Nam sẽ trở thành vấn đề nghiêm trọng trong tương lai.

1.2.3 Các nguồn gây phát thải của động cơ đốt trong

Các thành phần độc hại phát ra từ động cơ có thể từ 3 nguồn:

Khí thải trên đường ống xả là sản phẩm phát sinh từ quá trình cháy nhiên liệu trong động cơ, bao gồm các thành phần chính như Ni tơ (N2) và hơi nước, chiếm khoảng 83% Các khí còn lại bao gồm ô xít carbon (CO), các bon níc (CO2), hydrocarbon (HC), và các loại ô xít nitơ (NOx) Thành phần khí thải này phụ thuộc vào loại nhiên liệu xăng được sử dụng.

Khí rò lọt là hiện tượng khí thoát ra qua khe hở giữa pít tông và xi lanh, trong đó chủ yếu là N2 và O2, chiếm tới 90% Phần còn lại bao gồm CO2, HC, hơi nước, và một lượng rất nhỏ CO và NOx.

 Các khí bay hơi: Hơi xăng HC bay hơi từ thùng nhiên liệu và bộ chế hoà khí

CÁC THÀNH PHẦN KHÍ XẢ TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Quá trình cháy trong động cơ đốt trong là quá trình ô xy hoá nhiên liệu, giải phóng nhiệt năng trong buồng cháy với nhiều cơ chế phức tạp và chịu ảnh hưởng của nhiều thông số Trong quá trình này, các hợp chất trung gian phức tạp được sinh ra, và vấn đề này đã được nghiên cứu kỹ lưỡng trong các công trình về lý thuyết động học phản ứng Trong điều kiện lý tưởng, sự đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu hydrocarbon với oxy sẽ tạo ra các sản phẩm không độc hại như CO2 và H2O, được thể hiện trong phương trình phản ứng cháy.

Trong động cơ, trạng thái cân bằng hóa học lý tưởng cho sự cháy hoàn toàn hiếm khi xảy ra do thời gian cho quá trình oxy hóa bị giới hạn Sự không đồng nhất trong trạng thái hơi của nhiên liệu và sự thay đổi nhiệt độ nhanh chóng trong quá trình cháy không hoàn toàn dẫn đến việc sinh ra các chất độc hại như CO, HC, và NOx trong khí thải, bên cạnh các sản phẩm thông thường của quá trình cháy hoàn toàn Nồng độ các thành phần khí thải thay đổi tùy thuộc vào loại động cơ và điều kiện vận hành Sản phẩm cuối cùng trong khí thải, được gọi là sản phẩm cháy, bao gồm nhiều chất khác nhau.

CO2, H2O, H2, CO, O2 (dư), C-H-O (an-đê-hít), CmHn (nhiên liệu không cháy hết), NOx, và các chất thải dạng hạt (Particulate Matter viết tắt là P-M) cùng với các hợp chất chứa chì Pb (đối với động cơ dùng xăng pha chì) và các hợp chất chứa lưu huỳnh (đối với động cơ diesel) là những thành phần chính trong khí thải Trong số đó, chỉ một số thành phần có tính độc hại đối với môi trường và sức khoẻ con người, được gọi là thành phần độc hại.

Bảng 1.4 Phân bố hàm lượng các chất trong khí thải của các phương tiện

Phương tiện SO 2 (%) NO x (%) CO(%) CO 2 (%) HC(%)

1.3.2 Các thành phần độc hại trong khí thải của động cơ

Sản phẩm thải ra từ động cơ đốt trong, bao gồm ôxit nitơ (NOx), mônôxit cácbon (CO), hyđrô cácbon (HC), chất thải hạt (PM) và anđêhit, là nguyên nhân chính gây ô nhiễm không khí, đóng góp khoảng một nửa lượng ô nhiễm NOx, CO và HC Các chất ô nhiễm này gây hại cho sức khỏe và môi trường; NOx có thể tạo ra axit nitric và khí ôzôn, gây ảnh hưởng xấu đến hệ hô hấp Mônôxit cácbon có khả năng liên kết với hêmôglôbin cao gấp 200 lần so với ôxy, gây cản trở trong việc vận chuyển ôxy trong cơ thể Hyđrô cácbon không chỉ gây ra đột biến tế bào mà còn góp phần hình thành ôzôn trong khí quyển.

Nồng độ các thành phần phát thải từ động cơ phụ thuộc vào loại nhiên liệu, phương pháp hình thành hỗn hợp và tình trạng của động cơ Động cơ xăng thường có hàm lượng CO và HC cao, trong khi động cơ diesel lại nổi bật với các thành phần phát thải PM và NOx lớn.

NOx được hình thành trong buồng cháy thông qua phản ứng hóa học giữa nguyên tử ôxy và nitơ trong không khí, và sự hình thành này phụ thuộc vào nhiệt độ Do đó, lượng NOx thải ra từ động cơ thường tỉ lệ thuận với tải trọng của động cơ Trong giai đoạn khởi động và khi động cơ đang ấm, lượng NOx thải ra tương đối thấp, nhưng khi tải trọng tăng lên, lượng phát thải NOx cũng gia tăng do nhiệt độ trong quá trình cháy và nhiệt độ của động cơ tăng cao.

PM (phát thải hạt) bao gồm các hạt cacbon (bồ hóng) và các hợp chất hữu cơ bám dính trên chúng Hầu hết phát thải hạt xảy ra do quá trình cháy không hoàn toàn của nhiên liệu hyđrô cacbon, cùng với một phần từ dầu bôi trơn Thành phần của PM phụ thuộc vào tình trạng khí thải và hệ thống ống dẫn khí thải của động cơ, đặc biệt ở nhiệt độ cao.

Ở nhiệt độ 500 °C, các hạt riêng biệt là chuỗi các hạt carbon hình cầu hoặc tương tự hình cầu, với đường kính khoảng 15 đến 30 nm, kết hợp với một lượng nhỏ hydro carbon Khi nhiệt độ giảm xuống dưới 500 °C, các hạt này sẽ được phủ bởi các hợp chất hữu cơ nặng, bao gồm hydro carbon, hydro carbon có chứa oxy (ketones, este, axit hữu cơ) và hydro carbon thơm đa nhân Ngoài ra, còn có các thành phần không hữu cơ như oxit lưu huỳnh, oxit nitơ và axit sunfuric.

Hàm lượng một số hợp chất điển hình trong khí xả động cơ đốt trong được thể hiện trong Bảng 1.4

Bảng 1.4 Hàm lượng một số chất điển hình trong khí xả động cơ

Các chất trong khí thải Chế độ không tải Chế độ toàn tải Ôxít nitơ (NOx), [ppm] 50  250 600  2500

Carbon monoxide (CO), [ppm] 100  450 350  2000 Carbon dioxide (CO2), [% thể tích] 3,5 12  16

Hơi nước (H2O), [% thể tích] 2  4 11 Ôxi, [% thể tích] 18 2  20

Nitơ, các chất khác, [% thể tích] Còn lại Còn lại

Do sự khác biệt về nhiên liệu, quá trình hình thành hỗn hợp và cơ chế cháy, tỷ lệ các chất độc hại trong khí thải của động cơ xăng và diesel có sự khác biệt rõ rệt.

Hình 1.1 thể hiện tỷ lệ trung bình các chất độc hại trong khí thải của động cơ xăng, được tính theo khối lượng và dựa trên chương trình thử nghiệm tiêu chuẩn của châu Âu.

Như vậy, các chất độc hại chính trong khí thải động cơ xăng là CO, CmHn và

Nồng độ các thành phần độc hại như NOx phụ thuộc vào hệ số dư lượng không khí, thể hiện rõ trong hình 1.2 Động cơ diesel có đặc điểm là hỗn hợp bên trong, do đó hệ số dư lượng không khí đóng vai trò quan trọng trong việc xác định mức độ ô nhiễm.

So với động cơ xăng, động cơ diesel có giới hạn điều chỉnh tải rất rộng, từ 1,2 đến 10 Điều này cho phép điều chỉnh tải bằng phương pháp điều chỉnh chất, khác với điều chỉnh lượng ở động cơ xăng, nơi không có tiết lưu trên đường nạp.

Trên hình 1.3 trình bày đặc tính của các thành phần độc hại chủ yếu trong động cơ diesel phun trực tiếp theo hệ số dư lượng không khí .

ẢNH HƯỞNG TIÊU CỰC CỦA PHÁT THẢI ĐỘC HẠI TỚI SỨC KHỎE

1.4.1 Ảnh hưởng tiêu cực của phát thải độc hại tới sức khỏe con người

Ô-xýt-các-bon, hay còn gọi là mô-nô-xít-các-bon, là sản phẩm cháy của carbon trong nhiên liệu khi thiếu ô xy, tồn tại dưới dạng khí không màu và không mùi Khi kết hợp với sắt trong máu, nó tạo ra hợp chất ngăn cản quá trình hấp thụ ô xy của hê-mô-glô-bin, làm giảm khả năng cung cấp ô xy cho tế bào Mô-nô-xít-các-bon rất độc hại, với chỉ một lượng nhỏ trong không khí có thể dẫn đến tử vong, và hàm lượng tối đa cho phép là [CO] = 33 mg/m³.

CmHn, hay còn gọi là Hydrocarbon (HC), là các hợp chất carbon và hydro có trong nhiên liệu và dầu bôi trơn, thường không cháy hết và tồn tại trong khí thải Các loại hydrocarbon rất đa dạng và có mức độ độc hại khác nhau; ví dụ, paraffin và naphthene được coi là vô hại, trong khi các hydrocarbon thơm như benzen có thể gây ung thư Để đơn giản hóa các tiêu chuẩn môi trường, người ta thường sử dụng chỉ số Tổng Hydrocarbon (TH) để đánh giá thành phần hydrocarbon trong khí thải Ngoài ra, hydrocarbon trong khí quyển còn gây ra sương mù và ảnh hưởng xấu đến mắt cũng như niêm mạc đường hô hấp.

NOx, hay ô-xýt-ni-tơ, là sản phẩm của quá trình oxy hóa ni-tơ trong không khí, được đưa vào buồng cháy động cơ ở nhiệt độ cao Với nhiều hóa trị của ni-tơ, ô-xýt-ni-tơ tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau, được gọi chung là NOx Trong khí thải của động cơ đốt trong, NOx chủ yếu tồn tại dưới hai dạng là NO2 và NO.

NO2 (pe-ô-xýt-ni-tơ) là một khí có mùi hắc và màu nâu đỏ, có thể gây hại cho phổi và niêm mạc ngay cả với nồng độ thấp Khi NO2 phản ứng với hơi nước, nó tạo ra a-xit, gây ăn mòn cho các chi tiết máy và đồ vật Nồng độ NO2 hiện tại là 9mg/m³.

NO, hay Nitric Oxide, là thành phần chính của NOx trong khí thải Đây là một khí không mùi, có khả năng gây hại cho chức năng phổi và làm tổn thương niêm mạc Trong môi trường khí quyển, NO đóng vai trò quan trọng trong sự hình thành ô nhiễm không khí.

NO không ổn định và dễ bị ô-xy hoá thành NO2, sau đó kết hợp với hơi nước để tạo ra a-xit ni-tơ-ríc Hàm lượng tối đa cho phép của NO trong không khí là 9 mg/m³.

An-đê-hýt là một hợp chất hữu cơ có nhiều dạng khác nhau nhưng đều có công thức tổng quát là C-H-O Khi ở dạng khí, an-đê-hýt có mùi gắt và có khả năng gây tê Một số loại an-đê-hýt có thể gây ung thư Đối với fooc-môl-đê-hýt, hàm lượng tối đa cho phép là 0,6 mg/m³.

 Chì: Đối với tế bào sống, chì rất độc, làm giảm khả năng hấp thụ ô-xy trong máu Hàm lượng chì cực đại cho phép là [Pb] = 0,1 mg/m 3

SO2 là khí không màu, có mùi hắc và gây hại cho niêm mạc Khi kết hợp với nước, nó tạo thành axit yếu H2SO3 Hàm lượng tối đa cho phép của SO2 là 2 ml/m³.

P-M là các hạt trong khí thải tồn tại dưới dạng rắn và lỏng (trừ nước) ở nhiệt độ nhỏ hơn 52 độ C Các hạt rắn chủ yếu là muội than, còn gọi là bồ hóng, được sinh ra từ quá trình phân hủy nhiên liệu và dầu bôi trơn Muội than có tác động độc hại đến sức khỏe con người, đặc biệt là hệ hô hấp, và một số hợp chất như các-bua-hy-đrô thơm bám vào muội than có thể gây ung thư Đối với môi trường, P-M cũng là nguyên nhân gây ra sương mù, ảnh hưởng tiêu cực đến giao thông và đời sống của con người.

CO2 là sản phẩm cháy hoàn toàn của carbon và oxy, không độc hại cho sức khỏe con người nhưng có thể gây ngạt khi nồng độ quá cao, với mức tối đa cho phép là 9000 mg/m³ Hơn nữa, CO2 đóng vai trò chính trong việc gây ra hiệu ứng nhà kính.

1.4.2 Ảnh hưởng tiêu cực của phát thải độc hại tới môi trường sống

Trong môi trường, nhiệt độ và ánh sáng kích thích các phản ứng hóa học phân giải chất độc hại, dẫn đến một số thành phần hòa tan vào nước Những chất này theo nước mưa làm ô nhiễm đất, nguồn nước và ảnh hưởng đến thảm thực vật Trong khi một số chất như CO, NOx, SO2 phân hủy nhanh chóng, thì những chất khác như CH4 và CO2 lại tồn tại lâu hơn, với nồng độ ngày càng tăng, gây tác động nghiêm trọng đến khí hậu toàn cầu qua hiệu ứng nhà kính.

Nồng độ các chất độc hại trong khí quyển là chỉ số quan trọng để đánh giá ô nhiễm môi trường, phụ thuộc vào hoạt động công nghiệp, giao thông và thời gian cao điểm Các cơ quan chức năng quy định nồng độ độc hại cho phép nhằm bảo vệ sức khỏe cộng đồng và cảnh báo khi vượt quá giới hạn an toàn Chất độc hại không chỉ ảnh hưởng đến sản lượng nông nghiệp mà còn gây ô nhiễm không khí, đất và nước, dẫn đến xói mòn đất, phá hủy rừng và làm suy giảm chất lượng công trình kiến trúc Hơn nữa, các chất độc hại còn tấn công tầng ô-zôn, làm gia tăng tác động của tia cực tím và vũ trụ, trong khi một số chất gây hiệu ứng nhà kính đang làm biến đổi khí hậu nhanh chóng Chúng ta sẽ xem xét vấn đề này một cách chi tiết hơn trong bài viết sau.

Tầng khí quyển của trái đất có độ dày khoảng 16 km, với tầng bình lưu kéo dài đến khoảng 50 km Trong tầng bình lưu, ngoài các khí thông thường, còn tồn tại các khí như CO2, CH4, N2O, O3, CFC11 và CFC12, trong đó CFC11 và CFC12 thường được sử dụng làm dung môi trong máy lạnh Những khí này cho phép tia mặt trời (chủ yếu là sóng ngắn) xuyên qua và chiếu xuống bề mặt trái đất, nơi một phần năng lượng được chuyển hóa thành nhiệt và phản xạ trở lại tầng bình lưu dưới dạng tia nhiệt (sóng dài) Khi tia nhiệt gặp các khí này, chúng bị hấp thụ và phản xạ lại, tạo ra hiện tượng hiệu ứng nhà kính, với các khí gây ra hiện tượng này được gọi là khí nhà kính Nhờ có hiệu ứng này, trái đất duy trì được nhiệt độ trung bình ấm áp.

Hoạt động công nghiệp gia tăng đã làm tốc độ tích tụ khí nhà kính trong tầng bình lưu vượt xa khả năng phân hủy tự nhiên, dẫn đến hiệu ứng nhà kính ngày càng mạnh Kết quả là, nhiệt độ trung bình của trái đất đã tăng 0,7 độ C trong 100 năm qua Các nhà khoa học dự đoán rằng nếu tình trạng tiêu thụ năng lượng và phát thải CO2 tiếp tục như hiện nay, nhiệt độ trái đất có thể tăng từ 1,5 đến 4 độ C trong 50 năm tới Sự gia tăng nhiệt độ sẽ gây tan băng ở hai cực, làm nước biển dâng cao và đe dọa nhiều thành phố, làng mạc, đồng bằng ven biển, ảnh hưởng đến cuộc sống của hàng trăm triệu người.

Khí nhà kính có nhiều loại, mỗi loại có ảnh hưởng khác nhau đến hiệu ứng nhà kính tùy thuộc vào nồng độ của chúng trong tầng bình lưu Bảng 1.5 trình bày đặc điểm của một số khí nhà kính phổ biến, trong đó hiệu ứng nhà kính của CO2 được sử dụng làm đơn vị so sánh.

Bảng 1.5 Một số khí nhà kính điển hình

Khí nhà kính CO2 CH4 N2O O3 CFC11 CFC12 Nồng độ (ppm) 348 1,65 0,31 0,02 0,0002 0,00032

Tỷ lệ tăng hàng năm (%) 0,4 1,0 0,25 0,5 5 5

Hiệu ứng nhà kính riêng 1 32 150 2000 14000 17000

Tỷ lệ trong ảnh hưởng tăng nhiệt độ trái đất (%)

XÁC ĐỊNH LƯỢNG ĐỘC HẠI THẢI VÀO MÔI TRƯỜNG

Tùy thuộc vào mục đích cụ thể, việc xác định lượng độc hại thải vào môi trường được thực hiện bằng nhiều đại lượng khác nhau Tổng lượng độc hại thứ i, ký hiệu là Gi (kg), thường khó xác định Trong thực tế, lượng độc hại thải vào môi trường được đo lường thông qua một số đại lượng cụ thể.

1.5.1 Tổng lượng phát thải cho một đơn vị công suất, trong một đơn vị thời gian

Gọi m i là tổng lượng phát thải tính cho một đơn vị công suất, trong một đơn vị thời gian Theo định nghĩa, ta có thể viết: nl i e e nl i e i i G g G g G

- Ne: Công suất động cơ

- : Thời gian động cơ làm việc

- Gnl: Tổng lượng nhiên liệu động cơ tiêu thụ

- ge: Suất tiêu thụ nhiên liệu

Nếu gọi tổng lượng khí thải ứng với Gnl là Gkt, ta có:

- : Hệ số dư lượng không khí

- L0: Lượng không khí lý thuyết cần thiết tính theo kg dùng để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu

 (1-6) là thành phần khối lượng trong khí thải của chất độc hại thứ i, được xác định khi phân tích khí, ta có:

) L 1 ( g m i   i e   0 (1-7) mi thường được biểu thị bằng g/kW.h hay g/mã lực.h

1.5.2 Tổng lượng phát thải cho một đơn vị quãng đường xe chạy

Gọi m il là Tổng lượng phát thải tính cho 1 km đường xe chạy (ô tô, xe máy)

Gọi l (km) là quãng đường tổng cộng mà phương tiện đi được, ta có: l m il  G i (1-8)

Với (1.6), ta có: l m il   i G kt (1-9)

) L 1 l ( m il   i G nl   0 (1-10) mil thường được biểu thị bằng g/km hay g/mile (g/dặm Anh)

1.5.3 Tổng lượng phát thải cho một đơn vị khối lượng nhiên liệu

Gọi  i là Tổng lượng phát thải tính cho một đơn vị khối lượng nhiên liệu nl i i G

Thay (2-3) và (2-5) vào (2-10) ta có:

i thường được biểu thị bằng g/kg nhiên liệu

Nếu xác định được i, theo (1-11) có thể tìm được Gi từ tổng lượng nhiên liệu tiêu thụ:

Hiện nay, có khoảng 750 triệu ô tô đang hoạt động trên toàn cầu, và lượng nhiên liệu tiêu thụ hàng năm của chúng thải ra môi trường khoảng 120 triệu tấn CO.

24 triệu tấn CmHn, 26 triệu tấn NOx và 1,2 triệu tấn bụi

1 Ô nhiễm môi trường không khí là gì ? Các nguồn gây ô nhiễm không khí ?

2 Các nguồn gây phát thải của động cơ đốt trong?

3 Các thành phần khí xả trong động cơ đốt trong?

4 Các thành phần độc hại trong khí xả của động cơ đốt trong? Ảnh hưởng tiêu cực của phát thải độc hại tới sức khỏe con người và môi trường sống

Sinh viên A nói : Nguồn ô nhiễm tự nhiên bao gồm : Ô nhiễm do hoạt động của núi lửa, ô nhiễm do cháy rừng

Sinh viên B nói : Nguồn ô nhiễm tự nhiên bao gồm : Ô nhiễm do các chất phóng xạ

Sinh viên C nói : Nguồn gây ô nhiễm tự nhiên bao gồm : Ô nhiễm do thực vật, vi khuẩn - vi sinh vật

Câu 2 Sunfu Dioxit sinh ra từ các nguồn :

A) Đốt than đá, dầu mỏ

B) Chế biến quặng có chứa lưu huỳnh

Câu 3 Chất thải dạng hơi là thể khí của các chất ở điều kiện bình thường là : (1) chất rắn ; (2) chất lỏng ; (3) chất khí

Các chất thải dạng hạt là các phần tử … tạo thành các hạt nhỏ li ti phân tán trong không khí Điền vào … : (1) chất rắn ; (2) chất lỏng ; chất khí (3)

Câu 5 (1) CO ; (2) hơi benzen ; (3) NOx ; (4) tetratyl chì ; (5) SOx ; (6) bụi

Các chất thải dạng khí bao gồm :

Câu 6 Ùn tắc giao thông không gây nên vấn nạn nào:

A) Tăng phát thải độc hại từ phương tiện

C) Tăng tiêu tốn nhiên liệu

D) Tăng tai nạn giao thông

Câu 7 Thành phần phát thải từ động cơ không bao gồm :

A) Khí thải trên đường ống xả

Câu 8 (1) CO ; (2) hơi nhiên liệu ; (3) NOx ; (4) CO2 ; (5) SOx.

Khí thải trên đường ống xả gồm các thành phần :

Các hydro các bon sinh ra từ quá trình :

(1) Đốt nhiên liệu ; (2) Cơ sở sản xuất hóa chất hữu cơ ; (3) Cơ sở sản xuất phân đạm ; (4) Luyện kim ; (5) Sản xuất xi măng

Các cơ sở luyện kim thường phát thải các chất ô nhiễm nào ?

(1) Bụi than, tro ; (2) Hydro các bon ; (3) Cácbon mônôxít ; (4) Hợp chất có chứa kim loại ; 5) Ô xít lưu huỳnh

Phát thải ni tơ ô xít sinh ra chủ yếu từ nguồn nào ?

(1) Giao thông vận tải ; (2) Phân hủy yếm khí ; (3) Nhà máy hóa chất ; (4)

Cơ sở sản xuất phân đạm ; (5) Công nghệ sơn

Nguyên nhân nào dẫn đến sức ép về môi trường tại Hà Nội :

Sự gia tăng nhanh chóng của số lượng phương tiện giao thông, cùng với sự phát triển của các nhà máy trong nội thành, đã dẫn đến sự tập trung lớn của phương tiện Bên cạnh đó, việc xây dựng nhà cửa và đường xá diễn ra nhiều cũng góp phần làm trầm trọng thêm tình trạng ùn tắc đường.

NOx trong khí thải động cơ gồm 2 thành phần : NO và NO2 Trong đó :

(1) NO không màu không mùi ; (2) NO2 màu nâu đỏ có mùi gắt ; (3) NO độc gấp 5 lần NO2 ; (4) NO2 hình thành từ ô xi hóa NO ;

Lựa chọn phương án đúng :

Câu 17 Nồng độ thành phần phát thải độc hại trên động cơ xăng phụ thuộc chủ yếu vào :

A) Hệ số dư lượng không khí

B) Thành phần và tính chất nhiên liệu xăng

C) Thành phần và tính chất không khí được hút vào buồng cháy

D) Chế độ tải động cơ

Câu 18 Các chất độc hại chính trong khí thải của động cơ xăng bao gồm :

A) Peoxít nitơ, mônôxít cácbon, hydrô cácbon

B) Ôxít nitơ, điôxít cácbon, hydrô cácbon

C) Ôxít nitơ, điôxít cácbon, hydrô cácbon thơm

D) Ôxít nitơ, mônôxít cácbon, hydrô cácbon thơm

Câu 19 Phát thải nào ngăn cản sự dịch chuyển của hồng cầu trong máu làm cho các bộ phận của cơ thể bị thiếu ô xi :

Câu 20 Phát thải nào có thể đi sâu vào phổi gây viêm phổi và làm hủy hoại tế bào của cơ quan hô hấp :

Các chất khí gây hiệu ứng nhà kính :

(1) Mônôxít nitơ ; (2) Mônôxít cácbon ; (3) Mê tan ; (4) Điôxít cácbon ;

CƠ CHẾ HÌNH THÀNH CO

Các phương tiện cơ giới đóng vai trò là nguồn phát thải khí CO chủ yếu tại các khu đô thị và các nút giao thông có mật độ phương tiện cao Khí CO là một loại khí không màu, không mùi và không vị, và trong quá trình đốt cháy hỗn hợp, CO chỉ là sản phẩm trung gian trong quá trình oxy hóa nhiên liệu hydrocacbon, dẫn đến sản phẩm cuối cùng là CO2.

Trong đó R là gốc hydrocacbua

CO tạo ra sẽ bị ô-xy hoá với tốc độ chậm để tạo thành CO2 theo phản ứng sau đây:

Phản ứng cháy thiếu ô-xy giữa CO và OH tạo ra CO2 và H, với tốc độ ô xy hoá phụ thuộc vào nồng độ ô-xy, nhiệt độ khí và thời gian phản ứng Độ đậm đặc của hỗn hợp nhiên liệu và không khí là yếu tố chính gây ra sự phát sinh CO Rõ ràng, khi tỷ lệ này càng nhỏ thì nồng độ CO sẽ tăng lên.

CO càng lớn và ngược lại Đối với trường hợp đốt hỗn hợp nghèo ( 1), mặc dù lý thuyết cho thấy có thừa ô-xy, nhưng vẫn tồn tại một lượng nhỏ CO do sự xuất hiện của các vùng cục bộ có λ < 1, nơi xảy ra quá trình cháy thiếu ô-xy Ngoài ra, hiệu ứng làm lạnh ở các vùng sát vách cũng khiến CO không được ô-xy hóa thành CO2 Tuy nhiên, phần lớn CO được sinh ra trong quá trình cháy sẽ tiếp tục kết hợp với ô-xy trong điều kiện nhiệt độ từ 1700 đến 1900 K, tạo thành CO2.

Khi nhiệt độ trong quá trình giãn nở đạt từ 1700 K trở lên, nồng độ CO trong khí thải giữ ổn định Hình 2.1 minh họa sự thay đổi tổng hợp các thành phần của phản ứng cháy C.

Khi  >1, CO còn hình thành trong quá trình giãn nở do cháy rớt, cụ thể cháy tiếp phần các-bua-hy-đrô chưa cháy

Theo nguyên lý, việc phát thải CO có thể đạt mức không khi cháy với hỗn hợp nhiên liệu nghèo Tuy nhiên, trong thực tế, điều này khó thực hiện do tỷ lệ A/F không đồng nhất trong các xi lanh và hiện tượng ô-xy hoá một phần.

HC trong hệ thống thải

Mức CO trong khí xả phụ thuộc vào hàm lượng cacbon của nhiên liệu, tuy nhiên sự thay đổi này thường không đáng kể Việc sử dụng nhiên liệu thay thế như Ê-te và rượu cồn có thể giúp giảm phát thải CO nhờ vào việc giảm tỷ số tương đương.

Trong khí thải của động cơ diesel, mặc dù tỷ lệ không khí/nhien liệu () lớn hơn 1 và có thừa ô-xy, vẫn tồn tại một lượng nhỏ CO do sự xuất hiện của các vùng thiếu ô-xy ( < 1) Khi tỷ lệ  tăng, nồng độ CO ban đầu giảm nhờ vào sự gia tăng ô-xy, đạt mức cực tiểu tại  khoảng 2 Tuy nhiên, khi tiếp tục tăng , nồng độ CO lại tăng trở lại do tỷ lệ tái hợp giữa CO và ô-xy trong quá trình giãn nở giảm, dẫn đến lượng CO còn lại trong khí thải tăng lên.

Động cơ diesel thải ít CO hơn so với động cơ xăng, với các xe tải hạng nhẹ diesel thải khoảng 2 g/dặm, trong khi xe con xăng thải khoảng 90 g/dặm Mức phát thải CO thấp của động cơ diesel giúp giảm hàm lượng CO trong không khí, mang lại lợi ích cho sức khỏe cộng đồng Động cơ diesel hoạt động với hỗn hợp nghèo ở mọi chế độ, nên không gặp vấn đề tăng thải CO khi khởi động nguội, cho phép hầu hết xe diesel đáp ứng yêu cầu về phát thải CO mà không cần thiết bị bổ sung.

Nghiên cứu cho thấy khi tỷ số A/F trong hỗn hợp lớn hơn 16, lượng thải CO rất nhỏ và có thể đạt tiêu chuẩn 2,2 g/km Tuy nhiên, lượng thải CO sẽ tăng mạnh khi tỷ số tương đương của hỗn hợp công tác tăng Thêm vào đó, việc thay đổi góc đánh lửa không có ảnh hưởng đáng kể đến việc giảm lượng thải.

Đối với các phương tiện phát thải CO vượt mức cho phép, cần trang bị thêm thiết bị xử lý Hiện nay, phương pháp ô-xy hoá có xúc tác được sử dụng phổ biến để giảm lượng CO Để thực hiện quá trình ô-xy hoá, cần đảm bảo có đủ lượng chất ô-xy hoá (> 2% O2), nhiệt độ khoảng 800°C, và khí xả phải được xử lý trong bộ xử lý khí xả trong khoảng thời gian từ 20-50 ms với sự hòa trộn tốt.

CƠ CHẾ HÌNH THÀNH HC

Phương tiện cơ giới đóng vai trò là nguồn phát thải hydrocarbon (HC) chính trong các khu đô thị Trong khí xả động cơ, HC tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau, trong đó "Hydrocacbon chưa cháy" (Unburned Hydrocarbons) là thuật ngữ thường được sử dụng để chỉ các chất ô nhiễm HC có trong khí xả.

+ Các hợp chất của nhiên liệu chưa bị thay đổi bởi quá trình cháy

Các sản phẩm được hình thành từ các phản ứng phức tạp giữa các hydrocacbon trong nhiên liệu, bao gồm các quá trình như phân huỷ (Cranking), liên kết (Bonding), hydro hóa và khử hydro.

Vì vậy quá trình đốt nhiên liệu lỏng (xăng hoặc diesel) sẽ hình thành các hợp chất HC thể khí (Methane, Ethane, Ethylene, Acetylene, ) trong khí thải động cơ

Sản phẩm của quá trình cháy không hoàn toàn bao gồm Anđêhyt, Xeton, rượu cồn và các a-xit hữu cơ, thường được gọi chung là "Hydrocacbon chưa cháy".

Theo hình 2.2, giá trị CmHn đạt mức tối thiểu trong khoảng  = 1,1 đến 1,25 Ở những vùng ngoài khoảng này, tỷ lệ nhiên liệu-không khí có thể quá đậm hoặc quá nhạt, dẫn đến việc nhiên liệu không cháy được do vượt quá giới hạn cháy.

 nào, trong buồng cháy cũng có những vùng đặc biệt mà hỗn hợp không thể cháy được

Có nhiều nguồn phát thải HC chưa cháy trong động cơ (Hình 2.3)

Hiện tượng ngọn lửa bị dập tắt ở gần thành buồng cháy, hay còn gọi là “tôi màng lửa trên thành buồng cháy”, xảy ra khi lớp sát vách các chi tiết có nhiệt độ thấp khiến màng lửa không thể lan rộng và do đó, nhiên liệu tại đây không bị đốt cháy Hiện tượng này được biết đến với tên gọi hiệu ứng sát vách và đã từng được coi là nguyên nhân chính gây phát thải hydrocarbon chưa cháy Tuy nhiên, nghiên cứu hiện nay cho thấy hiệu ứng này chỉ có tác động nhẹ đối với các động cơ hiện đại.

Hình 2.3 Các nguồn thải HC chưa cháy của động cơ xăng

Trong quá trình nén, hỗn hợp chưa cháy bị chèn vào các vùng thể tích chết, bao gồm các khe hẹp như khe giữa đầu piston và xy lanh, khe hở pít tông, xéc măng, đệm nắp máy và lỗ bu-gi Tại những khu vực này, ngọn lửa không thể lan tới, dẫn đến việc lượng hydrocarbon (HC) chưa cháy sẽ bị thải ra ngoài.

Trong quá trình nén, màng dầu hình thành trên bề mặt gương xy-lanh, dẫn đến việc hơi hydrocarbon (HC) của hỗn hợp chưa cháy bị hấp thụ bởi màng dầu bôi trơn trên thành buồng cháy trong các kỳ nạp và nén Khi xảy ra giãn nở, áp suất giảm, khiến màng dầu bay hơi, từ đó làm tăng lượng CmHn thải ra.

+ Do ngọn lửa yếu hoặc cháy cục bộ

+ Do hơi HC lắng đọng trên thành buồng cháy

Do sự thay đổi hóa học của nhiên liệu, các thành phần này có thể thoát khỏi quá trình cháy và hòa trộn với khí xả Phản ứng này diễn ra không chỉ trong xi lanh mà còn trong hệ thống xả.

Lượng hydrocarbon chưa cháy từ các nguồn khác sẽ hòa trộn với sản phẩm cháy ở giai đoạn cuối của quá trình cháy và được thải ra ngoài buồng cháy Một phần hydrocarbon này sẽ xuất hiện trong đường ống thải.

Khoảng 10% đến 40% hydrocarbon (HC) sẽ tiếp tục cháy, tạo ra khí CO và CO2 Phần HC còn lại thoát ra khỏi hệ thống thải, chính là lượng khí thải HC của động cơ.

CmHn có thành phần rất đa dạng, chủ yếu bao gồm các-bua-hy-đrô thơm như benzen, toluen và etin-benzen, cùng với ô-lê-phin như propan và etan, cũng như pa-ra-phin như metan.

Đối với động cơ xăng, lượng hydrocarbon (HC) thải ra môi trường phụ thuộc vào độ đậm đặc của hỗn hợp nhiên liệu Hỗn hợp càng giàu thì lượng HC chưa cháy thải ra càng lớn Ngoài ra, các thông số về nhiệt động, khí động và hình học cũng ảnh hưởng đáng kể đến lượng khí thải Khi động cơ xăng vận hành với hỗn hợp nghèo, hiệu suất nhiệt có thể được cải thiện và lượng NOx giảm, nhưng điều này có thể dẫn đến gia tăng lượng HC thải nếu sự lan truyền màng lửa không hiệu quả hoặc không hoàn toàn.

Động cơ diesel phun nhiên liệu vào xi lanh ở cuối kỳ nén, dẫn đến thời gian lưu lại của nhiên liệu trong buồng cháy ngắn hơn so với động cơ xăng, từ đó làm giảm thời gian hình thành hợp chất HC chưa cháy Nhiên liệu diesel có các hợp chất hydrocacbon với điểm sôi cao và phân tử lượng lớn, gây khó khăn cho việc hình thành HC chưa cháy Khi tỷ lệ không khí/nhiên liệu () tăng, nhiệt độ cháy giảm, làm tăng lượng HC không cháy Phương pháp hỗn hợp màng bị ảnh hưởng mạnh bởi hiệu ứng sát vách, dẫn đến lượng HC lớn hơn so với hỗn hợp thể tích Tuy nhiên, nếu tổ chức xoáy lốc và quá trình hòa trộn diễn ra tốt, thành phần HC sẽ giảm.

Hệ số dự lượng không khí cao cho phép các sản phẩm hydrocarbon chưa cháy được tiếp tục đốt trong quá trình giãn nở và thải Kết quả là hàm lượng hydrocarbon chưa cháy trong khí xả của động cơ diesel thường thấp hơn so với động cơ xăng.

CƠ CHẾ HÌNH THÀNH NO X

NOx là thuật ngữ chỉ các ô-xít nitơ có trong khí xả động cơ, được hình thành trong các quá trình cháy có không khí Tại các khu đô thị lớn, hoạt động giao thông vận tải đóng góp khoảng một nửa lượng NOx thải ra môi trường NOx gây lo ngại do ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người và góp phần vào sự hình thành ô-zôn cũng như các chất ô-xy quang hoá trong khí quyển.

Trong buồng cháy động cơ, NOx hình thành từ phản ứng ô-xy hoá ni-tơ ở vùng nghèo nhiên liệu và nhiệt độ cao Thành phần NOx phụ thuộc vào hệ số dư lượng không khí (λ) và nhiệt độ quá trình cháy, đạt giá trị cực đại tại λ = 1,05 đến 1,1 Tại điểm này, nhiệt độ đủ lớn để ô-xy và ni-tơ phân huỷ thành nguyên tử hoạt hoá cao, cùng với nồng độ ô-xy đủ lớn cho phản ứng, dẫn đến NOx đạt cực đại Khi λ tăng trước giá trị cực đại, nồng độ ô-xy và NOx cũng tăng Tuy nhiên, sau khi đạt cực đại, nếu λ tiếp tục tăng, hỗn hợp trở nên nghèo hơn, làm giảm nhiệt độ quá trình cháy và dẫn đến sự giảm NOx.

NOx là hợp chất khí được hình thành khi N2 kết hợp với O2 ở nhiệt độ cao trên 1100 độ C Hợp chất này bao gồm ba thành phần chính: Monoxít Nitơ (NO), Dioxít Nitơ (NO2) và Protoxít Nitơ (N2O) Trong đó, Monoxít Nitơ (NO) thường chiếm hơn 65% tổng lượng NOx, tùy thuộc vào điều kiện cụ thể, trong khi phần còn lại là Dioxít Nitơ (NO2).

NO là một chất khí không màu, không mùi và không vị, với khối lượng riêng 1,226 g/lít và nhiệt độ sôi -151,7°C Nhiều tác giả đã đề xuất các mô hình khác nhau để giải thích sự hình thành NO Theo Zeidovitch, trong điều kiện hệ số dư lượng không khí xấp xỉ bằng 1, mô hình này bao gồm ba phản ứng thuận nghịch.

Phản ứng thứ ba (2.7) chủ yếu diễn ra trong vùng giàu nhiên liệu, trong khi hai phản ứng còn lại diễn ra mạnh mẽ cả trong khu vực đang phản ứng và vùng sản phẩm cháy.

Trong buồng cháy động cơ, áp suất cao dẫn đến sự hình thành màng lửa mỏng và ngắn hạn, khiến phần lớn NO được tạo ra phía sau màng lửa Tuy nhiên, lượng NO nhỏ hình thành trong khu vực phản ứng ô-xy hoá của màng lửa có khả năng tạo ra các chất còn lại trong họ NOx Các hằng số phản ứng của mô hình được trình bày trong Bảng 2.1.

Bảng 2.1 Hằng số phản ứng tạo thành NO theo mô hình Zeidovitch

Khi tỷ lệ không khí/nhien liệu () tăng trong động cơ diesel, nhiệt độ cháy sẽ giảm, dẫn đến sự giảm thiểu thành phần NOx (hình 2.4) So với động cơ xăng, động cơ diesel có thành phần NO2 trong NOx cao hơn, cụ thể là chiếm tỷ lệ lớn hơn.

Phương pháp hình thành khí hỗn hợp có ảnh hưởng đáng kể đến sự hình thành NOx Trong buồng cháy ngăn cách, quá trình cháy diễn ra ở buồng phụ với lượng ô-xy hạn chế, dẫn đến việc hình thành NOx thấp mặc dù nhiệt độ cao Ngược lại, khi cháy trong buồng chính, mặc dù có nhiều ô-xy và nhiệt độ lớn, nhưng quá trình cháy không đạt nhiệt độ tối ưu, ảnh hưởng đến sự hình thành NOx.

NOx cũng nhỏ Tổng hợp lại, NOx của động cơ buồng cháy ngăn cách chỉ bằng khoảng 1/2 so với ở động cơ buồng cháy thống nhất

Mặc dù động cơ diesel thải ra ít NOx hơn so với động cơ xăng, nhưng do tỷ lệ

Khí thải diesel chứa nồng độ NOx cao, và khả năng xử lý chúng sau khi cháy bằng các bộ biến đổi xúc tác là rất hạn chế do hỗn hợp cháy loãng và khí xả có nhiều O2 Ngược lại, động cơ phun xăng có thể sử dụng bộ xử lý khí xả 3 đường để xử lý hơn 90% NOx trong khí xả Vì vậy, NOx trở thành mối quan tâm hàng đầu đối với các động cơ hiện đại, đặc biệt là động cơ diesel hoạt động với hỗn hợp nghèo.

CƠ CHẾ HÌNH THÀNH BỒ HÓNG

2.4.1 Thành phần của bồ hóng

Bồ hóng là vật liệu hóa than hình thành từ quá trình cháy nhiên liệu trong điều kiện thiếu oxy Các hạt bồ hóng tự kết hợp trong ống xả, tạo thành các agrégats Khi khí thải được làm mát, hydrocarbon và sulfate sẽ hấp thụ vào các agrégats này Do đó, bồ hóng Diesel bao gồm một lớp vật liệu rắn hóa than và các hợp chất hữu cơ khác, được gọi là Soluble Organic Fraction (SOF).

Cấu trúc bồ hóng Diesel bao gồm nhiều hạt rắn (PM) có kích thước khoảng 0,3 mm, được hình thành từ các hạt carbon nhỏ hơn có bán kính từ 10 đến 60 nm Những hạt carbon này liên kết với nhau tạo thành chuỗi hoặc aggrégat, với hình thức ô kết tỳm ằ (floconneux) đặc trưng Hạt bồ hóng Diesel có thể được coi là một hỗn hợp của các cấu tử hữu cơ và vô cơ.

Hình 2.5 Cấu trúc agrégat của hạt bồ hóng và các hợp chất hấp thụ

Bồ hóng được hình thành từ một pha rắn ở tâm, chủ yếu là than carbone, và một pha ngưng tụ trên bề mặt, bao gồm các hydrocarbon và sulfates Các sulfates trong khí thải động cơ Diesel xuất phát từ các hợp chất hữu cơ chứa lưu huỳnh trong nhiên liệu Khi nhiên liệu cháy, lưu huỳnh chuyển hóa thành SO2, và khoảng 2% sẽ tiếp tục bị oxi hóa thành SO3 SO3 sau đó phản ứng với nước, tạo ra các giọt lỏng axit sulfuric.

Thành phần bồ hóng chịu ảnh hưởng lớn từ chế độ hoạt động của động cơ và cách thức hình thành khí hỗn hợp Các thành phần chính thường bao gồm:

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

Dầu bôi trơn không cháy là thành phần quan trọng trong động cơ cũ, chiếm tỷ lệ lớn trong quá trình hoạt động Mối quan hệ giữa lượng dầu bôi trơn tiêu hao và lượng hạt bồ hóng được hình thành là một yếu tố cần chú ý để đảm bảo hiệu suất động cơ.

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

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

- Các chất khác: lưu huỳnh, calci, sắt, silicon, chromium, phosphor, các hợp chất calci từ dầu bôi trơn

Thành phần hạt bồ hóng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm tính chất của nhiên liệu, đặc điểm quá trình cháy, loại động cơ và thời gian sử dụng của động cơ, cho dù là cũ hay mới.

2.4.2 Cơ chế hình thành bồ hóng

Cơ chế hình thành bồ hóng trong động cơ Diesel hiện vẫn gây tranh cãi do liên quan đến các hiện tượng ít tái lập, xảy ra ở nhiệt độ cao và áp suất lớn Điều này diễn ra với loại nhiên liệu có thành phần phức tạp trong một hỗn hợp chảy rối.

Tuy nhiên một cách tổng quan ta có thể xem quá trình hình thành bồ hóng được mô tả theo sơ đồ trong hình 2.6

+) Giai đoạn 1: hình thành hạt bồ hóng

Vật chất của pha ngưng tụ đầu tiên hình thành từ các phân tử nhiên liệu thông qua quá trình ôxy hóa hoặc phân hủy nhiệt, tạo ra các sản phẩm như cacbuahyđrô không bão hòa, đặc biệt là axêtylen và các đồng vị bậc cao của nó cùng với các hợp chất hữu cơ đa vòng (HAP) Hai dạng phần tử này là yếu tố chính trong sự hình thành bồ hóng Sự ngưng tụ của các phân tử khí dẫn đến việc hình thành các hạt nhân bồ hóng đầu tiên với đường kính rất nhỏ (d < 2nm), được cấu tạo từ nhiều gốc tinh thể đơn lẻ có kích thước từ 20 đến 30 angstrom.

Cơ chế tạo thành hạt nhân bồ hóng ở nhiệt độ thấp và trung bình được mô tả qua hai giai đoạn chính Ở nhiệt độ dưới 170 K, cacbuahyđrô thơm nhanh chóng chuyển hóa thành bồ hóng với cấu trúc gần giống graphite Khi nhiệt độ tăng lên trên 180 K, quá trình này diễn ra chậm hơn, bắt đầu từ các thành phần hydrocarbon có khối lượng phân tử nhỏ, sau đó polyme hóa thành các phần tử kém bão hòa có khối lượng phân tử lớn hơn, tạo thành các hạt nhân bồ hóng cơ bản.

Theo Borghi, sự hình thành bồ hóng qua trung gian các aromatics được viết như sau:

Aromatic → (khử hydro) → Alcanes (CH4, C2H6,…) → Các gốc Alcolyles (CH3,

C2H5,…) → Alcenes (C2H4) → Alcynes (C2H2) → (khử hydro) → Các gốc C2H∙ và sau đó: C2H∙ + C2H2 → C4H2 + H∙

C2H∙ và diacetylene C4H2 lại tiếp tục tác dụng với nhau như hình 2.6 và cơ chế tiếp tục kéo dài Ở mỗi một chu trình đều có sự tham gia của C2H2

+) Giai đoạn 2: phát triển hạt bồ hóng

Quá trình phát triển của hạt bồ hóng bao gồm ba giai đoạn chính: phát triển bề mặt, ngưng tụ và liên kết hạt Phát triển bề mặt xảy ra khi các chất thể khí ngưng tụ trên hạt rắn, dẫn đến tăng nồng độ bồ hóng mà không làm thay đổi số lượng hạt Ngược lại, sự liên kết và hợp dính giữa các hạt làm giảm số lượng hạt nhưng không ảnh hưởng đến nồng độ bồ hóng Sau khi quá trình phát triển bề mặt kết thúc, liên kết hạt thành chuỗi và cụm vẫn tiếp tục diễn ra, với lực tĩnh điện đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra sự hợp dính này.

Trong buồng cháy của động cơ, quá trình tạo hạt nhân, phát triển bề mặt và liên kết hạt diễn ra liên tục Ở mỗi giai đoạn, khi nhiệt độ đạt mức đủ cao, hạt bồ hóng sẽ bị oxy hóa một phần hoặc hoàn toàn.

+) Giai đoạn 3: quá trình ôxy hóa hạt bồ hóng

Quá trình ôxy hóa diễn ra khi hình thành các phân tử hoạt tính, hạt nhân và hạt bồ hóng Thực nghiệm cho thấy phần lớn bồ hóng bị ôxy hóa trong xylanh trước khi bắt đầu quá trình thải Tốc độ ôxy hóa bồ hóng trong động cơ phụ thuộc vào sự khuếch tán của các chất tham gia và động học phản ứng.

Sản phẩm cháy và các chất gần ngọn lửa chứa nhiều yếu tố có thể ôxy hóa bồ hóng, bao gồm O2, O, OH, CO2 và H2O Khi áp suất riêng của ôxy cao, ôxy hóa bồ hóng có thể theo một công thức gần đúng dựa trên nghiên cứu về pyrographite, trong đó sự ôxy hóa do OH tác động trên bề mặt hạt diễn ra mạnh mẽ hơn Ngược lại, ôxy hóa bồ hóng do O hoặc O2 tác động chậm hơn, cho phép ôxy hóa và phân hủy bồ hóng sâu hơn Theo các nghiên cứu gần đây, trong điều kiện áp suất môi trường và hỗn hợp giàu, ôxy hóa bồ hóng bởi gốc OH trở nên quan trọng hơn so với ôxy hóa bởi O hoặc O2.

Hạt bồ hóng được hình thành qua các quá trình như tạo hạt cơ sở, hình thành và phát triển, cũng như ôxy hóa hạt bồ hóng Tốc độ tạo bồ hóng trong quá trình cháy được xác định bởi hiệu số giữa tốc độ sản sinh và tốc độ ôxy hóa bồ hóng Cơ chế hình thành bồ hóng chủ yếu phụ thuộc vào nồng độ nhiên liệu, ôxy và nhiệt độ trong quá trình cháy.

CÁC HỢP CHẤT CHỨA CHÌ, LƯU HUỲNH

2.5.1 Các hợp chất chứa chì Để chống kích nổ trong động cơ xăng, người ta thường pha vào xăng các chất phụ gia chứa chì như tê-tra-ê-tin chì có công thức hoá học là Pb(C2H5)4 Do đó trong sản phẩm cháy của động cơ xăng (dùng xăng pha chì) có các hợp chất chứa chì ở dạng hạt rắn rất nhỏ tuy có tác dụng rà khít xu-páp với đế xu-páp nhưng cũng gây mài mòn các chi tiết của động cơ, đồng thời gây tác hại đối với môi trường và sức khoẻ con người Để giảm ảnh hưởng mài mòn các chi tiết của động cơ, người ta pha vào xăng các hợp chất vô cơ của nhóm ha-lô-gen (như clo và brôm) Các hợp chất này có tác dụng làm giảm nhiệt độ sôi của ô-xýt chì Sau phản ứng cháy, các hợp chất của nhóm ha-lô-gen với chì sẽ được thải ra khỏi buồng cháy ở dạng khí

Do tác hại của phụ gia chứa chì, nhiều quốc gia đã cấm hoàn toàn xăng pha chì, bao gồm Mỹ, Nhật, Canada, Áo, Thụy Điển, Brazil, Colombia, Costa Rica, Honduras và Thái Lan Từ ngày 29/11 đến 1/12/1999, Hà Nội tổ chức hội thảo quốc tế về việc loại bỏ xăng pha chì, được bảo trợ bởi Ngân hàng Thế giới Tại hội thảo, Chính phủ Việt Nam đã khởi xướng một dự án nhằm loại bỏ hoàn toàn xăng pha chì vào năm 2006, bắt đầu từ năm 2002 Đến nay, nhà nước đã ban hành hai tiêu chuẩn về xăng không chì, cụ thể là TCVN 6776.

2001, theo đó thì lượng chì tối đa là 0.013g/l, và TCVN 6776-2005 có hiệu lực từ 1/1/2007 phù hợp với lộ trình áp dụng EURO II từ 1/7/2007

2.5.2 Hợp chất chứa lưu huỳnh

Khí thải chứa các hợp chất lưu huỳnh do tạp chất lưu huỳnh còn lại trong nhiên liệu sau khi chưng cất dầu mỏ Trước năm 1996, châu Âu quy định giới hạn hàm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu là [S] < 0,2%, nhưng sau đó đã siết chặt hơn với giới hạn [S] < 0,05% Lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu dẫn đến sự hình thành SO2 trong khí thải, và khi kết hợp với hơi nước, SO2 tạo ra a-xít Các hợp chất lưu huỳnh trong khí thải là nguyên nhân chính gây ra mưa a-xít và tạo ra P-M thông qua các muối có gốc sun-phát.

1 Cơ chế hình thành CO ? Phân tích thành phần của CO đối với trường hợp đốt hỗn hợp nghèo ( 1)

2 Phân tích cơ chế hình thành HC ? Giải thích các nguồn phát thải HC trong động cơ đốt trong

3 Phân tích thành phần và cơ chế hình thành NOx ?

4 Phân tích thành phần của bồ hóng? Giải thích cơ chế hình thành bồ hóng trong khí xả của động cơ đốt trong?

NOx trong khí thải động cơ gồm 2 thành phần : NO và NO2 Trong đó :

(1) NO không màu không mùi ; (2) NO2 màu nâu đỏ có mùi gắt ; (3) NO độc gấp 5 lần NO2 ; (4) NO2 hình thành từ ô xi hóa NO ;

Lựa chọn phương án đúng :

NOx trong khí thải động cơ gồm 2 thành phần : NO và NO2 Trong đó :

(1) NO không màu không mùi ; (2) NO2 màu nâu đỏ có mùi gắt ; (3) NO2 độc gấp 5 lần NO ; (4) NO2 ô xi hóa thành NO ;

Lựa chọn phương án đúng :

NOx trong khí thải động cơ gồm 2 thành phần : NO và NO2

(1) Với chế độ tải nhỏ và trung bình thì tỷ lệ NO2/NO là nhỏ ; (2) Chế độ tải cao thì tỷ lệ NO2/NO đạt cực đại

Phát thải NOx trong động cơ phụ thuộc vào :

(1) Hệ số dư không khí λ ; (2) Áp suất cực đại trong xy lanh ; (3) Nhiệt độ của quá trình cháy ; (4) Phương pháp hình thành hỗn hợp

Câu 5 NOx trong khí thải động cơ gồm 2 thành phần : NO và NO2

(1) NOx ở động cơ xăng cao hơn động cơ diesel (khi cùng công suất động cơ)

(2) Tỷ lệ NO2/NO ở động cơ xăng cao hơn động cơ diesel

Câu 6 Tại sao tỷ lệ nồng độ NO2/NO trong động cơ diesel lớn hơn trong động cơ xăng :

A) Duy trì áp suất cao trong xy lanh dài hơn

B) Duy trì nhiệt độ cao trong xy lanh dài hơn

C) Nhiệt độ cháy thấp hơn

D) Áp suất trong xy lanh thấp hơn

Câu 7 Cho các nhận xét sau về phát thải của động cơ diesel khi  tăng từ 2 đến

5: (1) CO giảm ; (2) PM tăng ; (3) HC tăng ; (4) NOx giảm

Câu 8 Cho các nhận xét sau về phát thải của động cơ diesel khi  tăng từ 1.5 đến

2: (1) CO tăng ; (2) PM giảm ; (3) HC tăng ; (4) NOx không đổi

Câu 9 Cho các nhận xét sau về phát thải của động cơ xăng khi  tăng từ 0,9 đến

1: (1) CO giảm ; (2) HC tăng ; (3) NOx tăng

Câu 10 Cho các nhận xét sau về phát thải của động cơ xăng  tăng từ 1 đến 1,2:

(3) CO giảm ; (2) HC giảm ; (1) NOx tăng

Khí thải chứa các hợp chất lưu huỳnh do tạp chất trong nhiên liệu và quá trình chưng cất dầu mỏ Trước năm 1996, châu Âu quy định hàm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu phải dưới 0,02% theo khối lượng Sau năm 1996, giới hạn này được siết chặt hơn, yêu cầu hàm lượng lưu huỳnh dưới 0,05% Hiện nay, Việt Nam cũng đang thực hiện quy định này.

Tìm lỗi sai trong đoạn văn trên

Câu 12 Chế độ làm việc không ổn định thường gặp ở các phương tiện giao thông nào : (1) Đầu máy ; (2) Ô tô ; (3) Tàu thủy ; (4) Máy bay ; (5) Xe máy

Trong chế độ khởi động nguội của động cơ diesel, các thành phần phát thải có sự khác biệt so với chế độ ổn định: (1) lượng CO phát thải cao hơn; (2) lượng HC phát thải thấp hơn; và (3) NOx phát thải giảm.

D) Tất cả (1), (2) và (3) đều đúng

Trong chế độ khởi động nguội của động cơ xăng, các thành phần phát thải có sự khác biệt so với chế độ ổn định Cụ thể, lượng CO phát thải tăng cao hơn, trong khi đó NOx lại giảm và HC có mức phát thải thấp hơn.

D) Tất cả (1), (2) và (3) đều đúng

Câu 15 Trong quá trình khởi động động cơ diesel thì các thành phần phát thải thay đổi như thế nào : (1) CO giảm dần ; (2) NOx tăng dần ; (3) HC tăng dần

Câu 16 Trong quá trình khởi động động cơ diesel thì các thành phần phát thải thay đổi như thế nào : (1) NOx tăng dần ; (2) CO tăng dần ; (3) HC giảm dần

Trong quá trình tăng tốc động cơ diesel không tăng áp, các thành phần phát thải có sự biến đổi đáng chú ý Cụ thể, nồng độ NOx và CO hầu như không thay đổi nhiều.

Trong quá trình tăng tốc động cơ xăng sử dụng bộ chế hòa khí cơ khí, các thành phần phát thải có sự thay đổi đáng kể Cụ thể, nồng độ NOx và CO đều tăng lên, điều này cho thấy sự gia tăng ô nhiễm không khí trong quá trình vận hành động cơ.

Trong quá trình tăng tốc động cơ xăng sử dụng hệ thống phun xăng đa điểm (Multi-Point), các thành phần phát thải có sự thay đổi đáng chú ý Cụ thể, nồng độ NOx ít thay đổi, trong khi đó nồng độ CO tăng lên, và nồng độ HC vẫn giữ nguyên.

Trong quá trình tăng tốc động cơ diesel sử dụng tăng áp bằng tuốc bin khí thải, các thành phần phát thải có sự thay đổi rõ rệt Cụ thể, lượng NOx giảm, trong khi đó, nồng độ CO và HC lại tăng lên.

GIỚI THIỆU

Nồng độ ô nhiễm trong khí xả phụ thuộc vào đặc điểm động cơ và các thông số vận hành Động cơ 2 kỳ cổ điển phát thải ô nhiễm cao hơn động cơ 4 kỳ do quá trình tạo hỗn hợp không hoàn thiện, nhưng động cơ 2 kỳ hiện đại với công nghệ phun nhiên liệu trực tiếp đang được phát triển hứa hẹn sẽ khắc phục nhược điểm này Động cơ Diesel có hiệu suất cao nhưng phát thải bồ hóng và NOx do quá trình cháy khuếch tán, gây khó khăn trong việc xử lý ô nhiễm Động cơ sử dụng nhiên liệu khí, phát triển từ những năm 1990, cho thấy nhiều ưu điểm về phát thải ô nhiễm, với động cơ LPG và NGV dễ dàng đáp ứng tiêu chuẩn ô nhiễm môi trường nghiêm ngặt như ULEV Tuy nhiên, sự phát triển của loại động cơ này còn phụ thuộc vào điều kiện cơ sở hạ tầng cung cấp nhiên liệu khí.

Mức độ ô nhiễm từ động cơ phụ thuộc nhiều vào điều kiện vận hành Việc điều chỉnh thông số công tác không hợp lý và lựa chọn chế độ làm việc không phù hợp có thể làm tăng nồng độ chất ô nhiễm trong khí xả.

Luật môi trường ngày càng nghiêm ngặt yêu cầu áp dụng biện pháp xử lý khí xả bằng bộ xúc tác Tuy nhiên, tỉ lệ giảm thiểu ô nhiễm của ống xả chỉ đạt yêu cầu khi nhiệt độ khí xả đủ cao Do đó, cần giảm nồng độ ô nhiễm tối thiểu trước khi xử lý tại bộ xúc tác Mọi điều chỉnh hoặc thay đổi cấu trúc động cơ đều ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm.

TRƯỜNG HỢP ĐỘNG CƠ XĂNG

3.2.1 Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí 

Trong chương 1 và chương 2, phân tích thành phần khí xả cho thấy động cơ xăng khi hoạt động với hỗn hợp nghèo ( 1), mặc dù lý thuyết cho rằng có thừa ô-xy, nhưng vẫn tồn tại một lượng nhỏ CO trong khí xả.

Trong buồng cháy, có những vùng cục bộ với nồng độ CO 1700 kg Từ ngày 30/9/1999, động cơ DI phải tuân thủ các giới hạn IDI Quy định bắt đầu áp dụng cho tất cả các mẫu xe từ tháng 01/2011, và tiếp tục mở rộng đến tất cả các mẫu xe vào tháng 01/2012 và tháng 01/2013 Chỉ các loại xe sử dụng động cơ DI mới bị ảnh hưởng Giới hạn phát thải là 0,0045 g/km theo phương pháp đo PMP, với các giá trị NMHC lần lượt là 0,068 g/km, 0,090 g/km, và 0,108 g/km Ngoài ra, quy định yêu cầu 6.0 × 10^12 1/km trong ba năm đầu kể từ ngày có hiệu lực của Euro 6.

4.2.2 Tiêu chuẩn khí thải Mỹ

Các giới hạn về tiêu chuẩn khí thải của Mỹ nghiêm ngặt hơn so với châu Âu, với hai loại tiêu chuẩn chính: tiêu chuẩn liên bang áp dụng cho 49 bang và tiêu chuẩn riêng ngặt nghèo hơn tại bang California California, với thủ phủ là Los Angeles, có mật độ xe ô tô cao nhất và là trung tâm của ngành công nghiệp ô tô, tương tự như thành phố Detroit Từ các tiêu chuẩn của bang này, đã hình thành các khái niệm như TLEV (Transitional Low Emission Vehicles), LEV (Low Emission Vehicles), ULEV (Ultra Low Emission Vehicles) và ZEV (Zero Emission Vehicles), bao gồm cả xe chạy bằng pin nhiên liệu.

- Tiêu chuẩn Tier 1 được ban hành ngày 5/6/1991 và được áp dụng từ 1994 -

- Tiêu chuẩn Tier 2 được thông qua vào ngày 21/12/1999 và được thực hiện trong giai đoạn 2004 – 2009

Tiêu chuẩn Tier 1 áp dụng cho tất cả xe nhẹ mới (LDV) có trọng lượng tổng (GVWR) dưới 8500lb Tiêu chuẩn Tier 2 mở rộng quy định khí thải cho các phương tiện chở khách hạng nhẹ từ 8500lb đến 10 000lb Tiêu chuẩn Tier 3 bổ sung quy định khí thải cho các phương tiện có trọng lượng lên tới 14 000lb, bao gồm loại 2b và 3.

Tiêu chuẩn Tier 3 cho xe hạng nhẹ đã được đề xuất vào tháng 3 năm 2013 và chính thức trở thành luật vào ngày 3 tháng 3 năm 2014 Tiêu chuẩn này được thiết lập tương tự như tiêu chuẩn California LEV III, áp dụng từ năm 2017 đến 2025, với quy định nghiêm ngặt hơn về giới hạn lưu huỳnh trong xăng Hiện nay, tiêu chuẩn Tier 3 đã được áp dụng rộng rãi, vì vậy nội dung giáo trình sẽ tập trung vào tiêu chuẩn này.

Cấu trúc của tiêu chuẩn Tier 3 cũng tương tự Tier 2 nhưng các tiêu chuẩn chặt chẽ hơn với một số thay đổi quan trọng:

- Cả hai giới hạn cấp giấy chứng nhận và tiêu chuẩn trung bình được thể hiện bằng sử dụng tổng của phát thải NMOG+NOx

Giới hạn cấp giấy chứng nhận cho NMOG+NOx được quy định là 160 mg/mi, tương ứng với tiêu chuẩn Tier 2 Bin 5 Đây là mức cao nhất cho phép trong việc cấp giấy chứng nhận.

- Phát thải NMOG+NOx trung bình phải đạt 30mg/mi (Bin 30 = Tier 2 Bin 2) vào năm 2025

- Khí thải của phương tiện thỏa mãn tiêu chuẩn phải đảm bảo ổn định lên đến

- Phương tiện sử dụng xăng được kiểm tra - khí xả và phát thải bay hơi nhiên liệu - dùng xăng pha 10% ethanol (E10)

Tiêu chuẩn Tier 3 cũng bao gồm tiêu chuẩn khí thải cho phương tiện hạng nặng (HDV)

Các khái niệm về các loại xe bao gồm phương tiện công suất bé (LDV), xe tải nhẹ (LDT) … tương tự như các tiêu chuẩn Tier 1,2

Theo tiêu chuẩn Tier 3, các phương tiện xuất xưởng phải tuân thủ một trong bảy gói tiêu chuẩn (bin) như được trình bày trong bảng 4.8 Các phương tiện này sẽ được kiểm tra theo chu trình thử nghiệm FTP-75, và các tiêu chuẩn này áp dụng cho tất cả các loại xe sử dụng nhiên liệu khác nhau.

Bảng 4.8 Các gói tiêu chuẩn (Bin) theo Tier 3

Bin NMOG+NOx PM* CO HCHO mg/mi mg/mi mg/mi mg/mi

* Từ năm 2017 – 2020, tiêu chuẩn PM chỉ áp dụng cho phương tiện sản xuất bởi các nhà sản xuất có phần trăm doanh số bán hàng theo năm như bảng 4.12

Bin 160 giới hạn NMOG+NOx tương tự tổng giới hạn của NMOG và NOx trong gói Tier 2 Bin 5 Khí xả ở Bin 30 tương tự Tier 2 Bin 2

Tiêu chuẩn Tier 3 quy định giới hạn NMOG+NOx trung bình cho mỗi loạt phương tiện của các nhà sản xuất, với ngưỡng bắt đầu từ năm 2017 và giảm xuống còn 30mg/mi vào năm 2025.

Bảng 4.9 Giới hạn NMOG+NOx trung bình

* Đối với LDVs, LDTs có GVWR lớn hơn 6000lbs và MDPVs, tiêu chuẩn trung bình cho nhóm phương tiện bắt đầu áp dụng từ năm 2018

Tiêu chuẩn PM trong Tier 3 được áp dụng cho từng xe riêng lẻ, nhưng với sự phát triển công nghệ và phương pháp đo PM ở mức phát thải cực thấp trong tương lai, EPA đã phê duyệt tiêu chuẩn PM theo kế hoạch 5 năm Giai đoạn áp dụng tiêu chuẩn này dựa trên tỷ lệ phần trăm doanh số bán sản phẩm.

Bảng 4.10 Tiêu chuẩn PM trong Tier 3 cho mỗi xe

Phần trăm bán doanh số bán hàng

20%* 20% 40% 70% 100% 100% Định mức theo tiêu chuẩn 3 3 3 3 3 3 Định mức trong sử dụng 6 6 6 6 6 3

Vào năm 2017, nhà sản xuất đã thực hiện quy định với 20% nhóm phương tiện LDV và LDT có trọng lượng bản thân dưới 6000lbs, hoặc 10% tổng số phương tiện LDV, LDT và MDPV.

Ngoài thử nghiệm FTP, khí thải phương tiện được xác định qua chu trình FTP bổ sung (SFTP), bao gồm US06 và SC03, với công thức tính SFTP = 0.35 × FTP + 0.28 × US06 + 0.37 × SC03 Các nhà sản xuất phương tiện tự đặt ra tiêu chuẩn bổ sung NMOG+NOx cho chứng nhận xe gia đình, với giới hạn không vượt quá 180mg/mi Tiêu chuẩn bổ sung trung bình cho nhóm phương tiện đã giảm từ 103mg/mi vào năm 2017 xuống còn 50mg/mi vào năm 2025.

Bảng 4.11 Tiêu chuẩn Tier 3 về mức NMOG+NOx trung bình cho nhóm phương tiện

* Với phương tiện LDVs, LDTs có GVWR lớn hơn 6000lbs và phương tiện MDPVs tiêu chuẩn trung bình cho nhóm phương tiện áp dụng trong năm 2018

XE TẢI HẠNG NẶNG

4.3.1 Tiêu chuẩn khí thải châu Âu

Tiêu chuẩn khí thải châu Âu cho phương tiện động cơ hạng nặng được quy định từ Euro I đến Euro VI, áp dụng cho tất cả xe hạng nặng có trọng lượng trên 3500kg Các tiêu chuẩn này liên quan đến các loại động cơ như diesel, khí tự nhiên (NG) và LPG.

Tiêu chuẩn Euro I được đưa ra vào năm 1992

Tiêu chuẩn Euro II được đưa ra vào năm 1996

Năm 1999, EU đã thông qua Chỉ thị 1999/96/EC, trong đó đưa ra tiêu chuẩn Euro III (2000), cũng như các tiêu chuẩn Euro V, IV (2005/2008)

Năm 2001, Ủy ban châu Âu đã thông qua Chỉ thị 2001/27/EC trong đó nghiêm cấm sử dụng các thiết bị phát thải không đúng tiêu chuẩn

Chỉ thị 2005/55/EC, được thông qua vào năm 2005, đã giới thiệu hệ thống kiểm soát khí thải động cơ (OBD) và thiết lập các giới hạn khí thải Euro IV và Euro V, lần đầu tiên được áp dụng theo chỉ thị 1999/96/EC.

Tiêu chuẩn khí thải Euro VI, được quy định trong Quy định 595/2009 và chi tiết trong Quy định 582/2011, đã thiết lập các giới hạn phát thải nghiêm ngặt hơn so với tiêu chuẩn Mỹ năm 2010, có hiệu lực từ năm 2013/2014 Các tiêu chuẩn này không chỉ đưa ra các giới hạn phát thải mới mà còn yêu cầu hệ thống kiểm soát khí thải động cơ (OBD) phải khắt khe hơn, bao gồm cả việc thực hiện các thử nghiệm mới trong quá trình sử dụng.

Bảng 4.19 Tiêu chuẩn khí thải của EU cho động cơ xe tải hạng nặng

Giai đoạn Thời gian Thử nghiệm CO NMHC CH 4 a NOx PM b PN e g/kWh 1/kWh

Euro VI 01.2013 WHTC 4.0 0.16 d 0.5 0.46 0.01 6.0×10 11 a – Cho động cơ khí ga (Euro III-V: NG ; Euro VI: NG + LPG) b – Không áp dụng cho động cơ khí ga ở giai đoạn Euro III-IV c - PM = 0.21 g/kWh cho động cơ < 0.75 dm 3 tốc độ > 3000 v/ph

Bảng 4.20 Tiêu chuẩn khí thải EU cho động cơ xe tải hạng nặng và động cơ khí ga

Giai đoạn Thời gian Thử nghiệm

CO HC NOx PM PN Độ khói g/kWh 1/kWh 1/m

Euro VI 10.2013 WHSC 1.5 0.13 0.40 0.01 8.0×10 11 a - PM = 0.13 g/kWh cho động cơ < 0.75 dm 3 tốc độ > 3000 v/ph

4.3.2 Tiêu chuẩn khí thải Mỹ

Xe hạng nặng được định nghĩa là những phương tiện có tổng trọng lượng (GVWR - gross vehicle weight rating) vượt quá 8.500 lbs theo quy định liên bang và trên 14.000 lbs tại bang California Động cơ diesel trong xe hạng nặng được phân loại thành nhiều hạng khác nhau.

- Động cơ diesel hạng nặng: 8.500 < LHDDE (Light heavy-duty diesel engines) < 19.500 (14.000 < LHDDE < 19.500 trong California, 1995)

- Động cơ diesel hạng nặng trung bình: 19.500 ≤ MHDDE (Medium heavy-duty diesel engines) ≤ 33.000

- Động cơ diesel hạng nặng lớn (bao gồm cả xe buýt đô thị): HHDDE (Heavy heavy-duty diesel engines) > 33.000

Bảng 4.21 Tiêu chuẩn khí thải của Mỹ cho động cơ xe tải hạng nặng

Năm CO HC a HC a +NOx NO x

Năm 2004, tiêu chuẩn NMHC (Hydrocarbon không kim loại) cho động cơ sử dụng nhiên liệu methanol tại California được quy định là 1.2 g/bhpãhr, trong khi tiêu chuẩn NOx là 6.0 g/bhpãhr và đối với xe buýt là 4.0 g/bhpãhr Tiêu chuẩn PM (particulate matter) được đặt ra là 0.10 g/bhpãhr cho xe thường và 0.07 g/bhpãhr cho xe buýt Sau năm 1998, nghị định mới được chấp thuận, yêu cầu các nhà sản xuất động cơ tuân thủ tiêu chuẩn từ tháng 10/2002 Các tiêu chuẩn NOx và NMHC sẽ được thực hiện theo từng giai đoạn, với 50% vào giai đoạn 2007-2009 và 100% vào năm 2010 Hầu hết các nhà sản xuất đã chứng nhận động cơ sản xuất từ 2007-2009 với giới hạn NOx khoảng 1,2 g/mó lựcãhr Các nhà sản xuất có thể lựa chọn xác nhận động cơ ở California với tiêu chuẩn NOx thấp hơn là 0,10; 0,05 hoặc 0,02 g/mó lựcãhr.

4.3.3 Tiêu chuẩn khí thải Nhật Bản

Bảng 4.22 Tiêu chuẩn khí thải của Nhật Bản cho động cơ xe tải hạng nặng, GVW (Gross vehicle weight) > 3500 kg (> 2500 kg trước năm 2005)

Năm Thử ngiệm Đơn vị

Từ năm 2016, tiêu chuẩn WHTC áp dụng cho các loại xe với trọng tải tổng thể (GVW) khác nhau Cụ thể, năm 1997 quy định GVW ≤ 3500 kg; năm 1998 từ 3500 < GVW ≤ 12000 kg; và năm 1999 cho GVW > 12000 kg Đến năm 2003, tiêu chuẩn được cập nhật cho GVW ≤ 12000 kg, và năm 2004 cho GVW > 12000 kg Các quy định này đã được thực hiện vào cuối năm 2005 Vào năm 2009, tiêu chuẩn tiếp tục thay đổi cho GVW > 12000 kg, và năm 2010 lại trở về GVW ≤ 12000 kg Cuối cùng, năm 2016 quy định GVW > 7500 kg, năm 2017 áp dụng cho xe đầu kéo, và năm 2018 cho GVW trong khoảng 3500 < GVW ≤ 7500 kg.

Bảng 4.23 Tiêu chuẩn khí thải đối với động cơ xăng và cho xe thương mại hạng nặng, g/kWh, GVW> 3500 kg

Giá trị lớn nhất Giá trị lớn nhất Giá trị lớn nhất Giá trị lớn nhất

2009 JE05 16.0 0.23 d 0.7 0.01 a a – Giá trị PM chỉ áp dụng cho động cơ phun xăng trực tiếp, động cơ cháy hỗn hợp nghèo với bộ xử lý xúc tác NOx

4.3.4 Các dạng thử nghiệm công nhận kiểu cho xe hạng nặng

Khi thực hiện thử nghiệm công nhận kiểu PTCGĐB hạng nặng, động cơ phải được tháo rời khỏi phương tiện và thử nghiệm trên bệ thử động cơ Trong quá trình này, hệ thống phanh thử sẽ mô phỏng lực cản tác động lên động cơ, tương tự như trong điều kiện vận hành thực tế.

4.3.4.1 Chương trình thử châu Âu (EU-Test-Cycle) a Chu trình thử ECE R49 dùng cho PTCGĐB hạng nặng theo tiêu chuẩn Châu Âu

Chu trình thử nghiệm ECE R49 được tiến hành trên băng thử động cơ với 13 tốc độ khác nhau và các tải khác nhau Khí thải được đo tại mỗi chế độ hoạt động (g/kWh), và kết quả khí thải cuối cùng là giá trị trung bình của 13 chế độ này.

Bảng 4.24 Chu trình thử ECE R49 and US 13-Chế độ

Chế độ Tốc độ Tải, %

Các điều kiện của chu trình thử ECE R49 là giống hệt với chu trình 13-chế độ

Mỹ có các trọng số khác nhau, trong đó trọng số ở chế độ 6 và 8 cao hơn do tải động cơ cao Chu trình của châu Âu đặc trưng bởi nhiệt độ khí thải trung bình cao.

Hình 4.12 Chu trình thử ECE R49 and US 13-Chế độ b Chu trình thử ELR dùng cho PTCGĐB hạng nặng (thử độ khói)

Chu trình thử bao gồm 3 lần thay đổi tải và 3 lần thay đổi tốc độ A (hành trình

Hành trình 4 được thực hiện với tốc độ trung bình giữa tốc độ A và tốc độ C, cùng với tải trọng dao động từ 10% đến 100% Tốc độ và tải trọng này được lựa chọn bởi nhân viên thử nghiệm để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả của quá trình thử nghiệm.

A, B và C được xác định trong chu kỳ ESC Các hành trình được thực hiện trên băng thử động cơ thử nghiệm thể hiện trong hình 4.13

Giá trị đo khói được thu thập liên tục trong quá trình thử nghiệm ELR với tần suất tối thiểu 20 Hz Các mẫu khói này sau đó được phân tích để xác định các giá trị khói chính xác.

Giá trị khói được tính toán dựa trên ba yếu tố chính: đầu tiên, giá trị khói trung bình được xác định trong một khoảng thời gian nhất định Thứ hai, giá trị độ khói của bước tải là giá trị trung bình cao nhất trong một giây tại ba lần tải cho mỗi tốc độ thử nghiệm Cuối cùng, giá trị khói cho mỗi hành trình được tính là trung bình của các giá trị từ mỗi hành trình, và giá trị khói cuối cùng được xác định bằng cách tính bình quân các giá trị trung bình ở tốc độ A (trọng số 0.43), B (0.56), và C (0.01).

Hình 4.13 Chu trình thử ELR dùng cho PTCGĐB hạng nặng (thử độ khói)

4.3.4.2 Chương trình thử Nhật Bản a Chu trình 6 chế độ

Chu trình 6 chế độ thử nghiệm động cơ hạng nặng tại Nhật Bản đã được thay thế bằng chu kỳ 13 chế độ mới Động cơ được kiểm tra ở 6 điều kiện tốc độ và tải trọng khác nhau, với mỗi chế độ chạy trong 3 phút Khí thải được đo ở từng chế độ và tính trung bình dựa trên các yếu tố trọng số Kết quả kiểm tra cuối cùng được biểu diễn dưới dạng nồng độ thể tích trong ppm.

Bảng 4.25 Chu trình 6 chế độ đã được sử dụng tại Nhật Bản

Chế độ Tốc độ (% danh nghĩa) Tải (%) Trọng số

Chu kỳ 13 đã thay thế chu kỳ 6 để thử nghiệm động cơ hạng nặng tại Nhật Bản Chế độ này được áp dụng cho đến năm 2005, khi nó được thay thế bằng các thử nghiệm JE05 hiện nay.

ĐỘNG CƠ TĨNH TẠI

Tiêu chuẩn về phát thải cho động cơ tĩnh tại có Mỹ và Đức quan tâm và đưa ra các tiêu chuẩn

4.4.1.1 Động cơ cháy cưỡng bức

Các tiêu chuẩn về nguồn phát thải mới (NSPS) cho động cơ đốt trong kiểu piston (RICE) được thiết lập bởi chính quyền liên bang nhằm hạn chế mức phát thải của động cơ cháy cường bức (SI) Quy định khí thải NSPS cho động cơ SI đã được thông qua vào năm 2008 và được sửa đổi vào năm 2013, nhấn mạnh cam kết của chính phủ trong việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Quy định liên bang (CFR), mục 40, phần 60, phần phụ JJJJ quy định về tiêu chuẩn khí thải cho động cơ SI, phụ thuộc vào công suất lớn nhất, loại nhiên liệu, lĩnh vực ứng dụng và các yếu tố khác Trách nhiệm thực hiện các quy định này thuộc về nhà sản xuất hoặc chủ sở hữu/người khai thác động cơ, tùy thuộc vào loại động cơ Người khai thác có thể lựa chọn hai phương án để tuân thủ quy định khí thải cho động cơ tĩnh tại: mua một động cơ mới đã được chứng nhận khí thải hoặc thực hiện kiểm tra khí thải theo quy định.

Nhiều tiêu chuẩn NSPS cho động cơ SI dựa trên tiêu chuẩn khí xả cho động cơ phi đường bộ, áp dụng cho các loại động cơ cầm tay và di động Đơn vị đo lường được sử dụng trong các tiêu chuẩn này là g/kWh hoặc g/bhp-hr, và các tiêu chuẩn này được xác định trong cùng một điều kiện nồng độ thể tích.

Các tiêu chuẩn NSPS cho động cơ SI tĩnh tại bao gồm:

- Động cơ bé hơn hoặc bằng 19kW (25Hp)

- Động cơ lớn hơn 19kW (25HP)

Yêu cầu về nhiên liệu cho động cơ SI không chỉ bao gồm các tiêu chuẩn khí thải mà còn phải tuân thủ quy định 2008, theo đó xăng dầu phải đáp ứng tiêu chuẩn 40 CFR 80.195, yêu cầu lượng lưu huỳnh trong 1 gallon phải nhỏ hơn 80ppm.

 Với động cơ bé hơn hoặc bằng 19kW

Các nhà sản xuất động cơ cần chứng minh rằng động cơ tĩnh tại có công suất lớn nhất dưới 19kW trước khi tiến hành đăng ký tiêu chuẩn khí thải cho động cơ SI tĩnh tại, theo quy định trong bảng 4.28.

Bảng 4.28 Tiêu chuẩn khí xả NSPS cho động cơ SI tĩnh tại ≤ 19 kW

Dung tích Ngày† Tiêu chuẩn khí xả

HC+NOx NMHC+NOx* CO

† Ngày sản xuất động cơ, lắp ráp hoặc đại tu lại

* NMHC + NOx tiêu chuẩn này chỉ áp dụng cho động cơ dùng khí thiên nhiên theo lựa chọn của các nhà sản xuất, thay cho tiêu chuẩn HC + NOx

 Động cơ dùng xăng hoặc LPG cháy giàu có công suất lớn hơn 19kW

Các nhà sản xuất động cơ cần chứng minh rằng động cơ tĩnh tại sử dụng nhiên liệu xăng và LPG có công suất lớn hơn 19kW trước khi tiến hành đăng ký tiêu chuẩn khí thải cho động cơ SI tĩnh tại, theo quy định tại bảng 4.29.

Bảng 4.29 Tiêu chuẩn khí xả NSPS cho động cơ SI tĩnh tại dùng xăng và LPG cháy giàu > 19 kW

Chu kỳnhiệm vụ Ngày† Tiêu chuẩn khí xả

† Ngày động cơ sản xuất

Động cơ được sử dụng cho các nhiệm vụ nặng nề như cưa bê tông và máy bơm bê tông, đặc biệt là trong các ứng dụng yêu cầu hiệu suất cao, thường là động cơ làm mát bằng gió.

 Động cơ chạy bằng khí thiên nhiên và LPG cháy nghèo có công suất lớn hơn 19kW

- Động cơ bé hơn 75 kW (100 hp)

Chứng nhận khí thải cho động cơ SI tĩnh tại sử dụng khí thiên nhiên và LPG cháy nghèo có công suất từ 25 đến 100 mã lực là tùy chọn cho các nhà sản xuất Họ có thể lựa chọn xác nhận động cơ theo tiêu chuẩn khí thải cho động cơ cháy giàu, như được nêu trong Bảng 4.30 Ngoài ra, các nhà sản xuất cũng có thể xác nhận động cơ có công suất từ 19 đến 30 kW (25 - 40 mã lực) và dung tích ≤ 1000 cc theo các tiêu chuẩn trong Bảng 4.28.

2011, các nhà sản xuất có thể tuân theo tiêu chuẩn khí thải được tóm tắt trong Bảng 4.31, áp dụng cho các loại động cơ 100 - 500 mã lực

Chủ sở hữu và người khai thác những người mua động cơ SI tĩnh tại phải đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải trong 40 CFR 1048,101 (c), Bảng 4.30

Bảng 4.30 Tiêu chuẩn khí xả NSPS cho người sở hữu động cơ tĩnh tại sử dụng CNG và LPG cháy nghèo công suất từ 19-75kW

Công suất lớn nhất (P) Chu kỳ nhiệm vụ Ngày† Tiêu chuẩn khí xả a

HC+NOx b CO hp - - g/kWh (g/hp.hr)

† Ngày sản xuất động cơ, sửa đổi hoặc lắp ráp lại

Động cơ được sử dụng cho các nhiệm vụ nặng nề như cưa bê tông và máy bơm bê tông cần phải tuân thủ các tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt Cụ thể, nếu (HC+NOx) x CO 0.791 19 kW, cũng không phải tuân thủ các quy định này.

Tiêu chuẩn khí thải cho động cơ sử dụng khí từ phân hủy hoặc rác thải được trình bày trong bảng 4.32 Mặc dù các tiêu chuẩn này mang tính tự nguyện đối với các nhà sản xuất động cơ, nhưng lại là yêu cầu bắt buộc đối với các chủ sở hữu và người khai thác.

Bảng 4.32 Tiêu chuẩn khí thải NSPS cho động cơ tĩnh tại mới cỡ lớn

Ngày† Tiêu chuẩn khí xả

NOx CO VOC* NOx CO VOC*

Khí phân hủy từ rác

(trừ cháy hỗn hợp nghèo 500 ≤

01/2010 2.0 5.0 1.0 150 610 80 07/2007 3.0 5.0 1.0 220 610 80 07/2010 2.0 5.0 1.0 150 610 80 Khí phân 500 ≤ P 01/2008 3.0 5.0 1.0 220 610 80 hủy từ rác cháy nghèo

† Ngày sản suất động cơ

* Phát thải VOC không bao gồm formaldehyde

- Động cơ dùng khẩn cấp có P> 19 kW

Chủ sở hữu và người khai thác những người mua động cơ tĩnh tại khẩn cấp trên

19 kW phải tuân thủ các tiêu chuẩn thể hiện trong Bảng 4.33

Các nhà sản xuất động cơ có thể tự nguyện chứng nhận động cơ SI tĩnh tại khẩn cấp, tuy nhiên, việc xác nhận này không bắt buộc, trừ trường hợp động cơ xăng hoặc LPG cháy giàu dùng khẩn cấp, phải được chứng nhận theo tiêu chuẩn 40 CFR phần 90 cho động cơ dưới 130 hp hoặc 40 CFR phần 1048 cho động cơ từ 130 hp trở lên.

Bảng 4.33 Tiêu chuẩn khí xả NSPS cho động cơ SI dùng khẩn cấp > 19 kW

Ngày† Tiêu chuẩn khí xả

NOx CO VOC* NOx CO VOC*

† Ngày sản suất động cơ

* Phát thải VOC không bao gồm formaldehyde a NOx + HC

4.4.1.2 Động cơ cháy do nén

Tiêu chuẩn phát thải nguồn mới (NSPS) cho động cơ đốt trong kiểu piston (RICE) được chính quyền liên bang thiết lập nhằm giới hạn mức phát thải cho động cơ kiểu piston cháy do nén (CI) Quy định khí thải NSPS cho động cơ CI đã được thông qua vào năm 2006 và được sửa đổi vào năm 2011, nhằm cải thiện chất lượng không khí và giảm ô nhiễm môi trường.

SI được công bố trong Quy định liên bang (CFR), mục 40, phần 60, phần phụ IIII

ĐỘNG CƠ PHI ĐƯỜNG BỘ

Tiêu chuẩn khí thải châu Âu cho động cơ trên thiết bị di động phi đường bộ đã trở nên nghiêm ngặt hơn theo từng giai đoạn, bắt đầu từ giai đoạn I với tiêu chuẩn V.

Tiêu chuẩn khí thải cho động cơ diesel đã được quy định trong Chỉ thị 97/68/EC và các sửa đổi từ năm 2002 đến 2012 Các tiêu chuẩn này cũng áp dụng cho động cơ phi đường bộ cỡ nhỏ Bắt đầu từ giai đoạn V, quy chế mới sẽ thiết lập yêu cầu khí thải cho tất cả các loại động cơ xăng và diesel phi đường bộ di động, thay thế Chỉ thị 97/68/EC.

Các giai đoạn phát triển của các tiêu chuẩn khí thải phi đường bộ của EU bao gồm:

Vào ngày 16/12/1997, châu Âu đã ban hành các tiêu chuẩn khí thải đầu tiên nhằm điều chỉnh lượng khí thải từ thiết bị di động phi đường bộ Các quy định này áp dụng cho động cơ diesel phi đường bộ và được giới thiệu qua hai giai đoạn.

I thực hiện trong năm 1999 và giai đoạn II thực hiện 2001-2004, tùy thuộc vào công suất phát ra của động cơ

Các thiết bị tiêu chuẩn bao gồm giàn khoan công nghiệp, máy nén khí, máy xúc, máy xây dựng, máy ủi, xe tải phi đường bộ, máy đào đường cao tốc, xe nâng hàng, thiết bị bảo trì đường bộ, máy dọn tuyết, thiết bị hỗ trợ mặt đất tại sân bay, thang máy và cần cẩu di động Máy kéo nông nghiệp và lâm nghiệp cũng tuân thủ tiêu chuẩn tương tự nhưng có thời gian thực hiện khác nhau Động cơ sử dụng cho tàu, đầu máy xe lửa, máy bay và máy phát điện không áp dụng tiêu chuẩn giai đoạn I/II.

Tiêu chuẩn khí thải giai đoạn III/IV cho động cơ phi đường bộ đã được Nghị viện châu Âu thông qua vào ngày 02/04/2004, áp dụng cho máy kéo nông nghiệp và lâm nghiệp kể từ ngày 21/02/2005.

Chỉ thị 2010/26/EU, được thông qua vào năm 2010, cung cấp các chi tiết kỹ thuật tiên tiến cho việc thử nghiệm và chấp thuận trong giai đoạn IIIB và giai đoạn IV Đồng thời, Chỉ thị 2010/22/EU cũng đã sửa đổi các quy định trước đây liên quan đến máy kéo nông nghiệp và lâm nghiệp.

Trong đó giai đoạn III tiêu chuẩn được phân thành các giai đoạn IIIA và IIIB theo từng giai đoạn trong 2006-2013, giai đoạn IV có hiệu lực vào năm 2014

Giai đoạn V từ 25/9/2014, Ủy ban châu Âu đề xuất quy định khí thải giai đoạn

V Đề xuất này giới thiệu một số thay đổi quan trọng, bao gồm:

Mở rộng phạm vi quy định về động cơ bao gồm động cơ cháy do nén có công suất từ dưới 19 kW đến 560 kW, động cơ xăng trên 19 kW, và các loại động cơ khác trước đây chưa được kiểm soát Theo quy định giai đoạn V, lượng khí thải sẽ được điều chỉnh cho các loại động cơ này.

Thể loại NRE (Nonroad Engines) đề cập đến động cơ được thiết kế cho các máy móc và thiết bị không hoạt động trên đường bộ Những động cơ này phù hợp cho việc di chuyển hoặc vận hành trong các môi trường khác nhau, không thuộc các loại động cơ truyền thống.

- Thể loại NRG (Nonroad generating) - động cơ trên 560 kW sử dụng để phát điện

- Thể loại động cơ NRSh-SI dưới 19 kW sử dụng cho máy móc thiết bị cầm tay

- Thể loại NRS (Non-Road Steady) - SI động cơ dưới 56 kW không được bao gồm trong thể loại NRSh

- Thể loại IWP (inland waterways propulsion) - động cơ trên 37 kW sử dụng để đẩy các phương tiện thủy nội địa

- Thể loại loại IWA (inland waterways auxiliary) - động cơ trên

560 kW để sử dụng trong phương tiện thủy nội địa;

- Thể loại RLL (railway locomotives) - Động cơ cho động cơ đẩy của đầu máy xe lửa

- Thể loại RLR (railcars) - Động cơ cho động cơ đẩy của tàu hoả

- Thể loại SMB (snowmobiles) - SI động cơ được sử dụng trong trong thiết bị máy móc di chuyển trên tuyết;

Động cơ ATS-SI được thiết kế để hoạt động hiệu quả trên mọi địa hình, đồng thời đáp ứng các tiêu chuẩn phát thải nghiêm ngặt cho các loại động cơ từ 19-37 mã lực và động cơ sử dụng cho phương tiện thủy nội địa.

Thông qua giới hạn phát thải số hạt (PN) cho nhiều loại động cơ cháy do nén

Cơ quan quản lý tại EU, Mỹ và Nhật Bản đang chịu áp lực từ các nhà sản xuất động cơ và thiết bị để thống nhất tiêu chuẩn khí thải toàn cầu, nhằm tối ưu hóa quá trình phát triển động cơ và các loại khí thải chính, cũng như chứng nhận cho các thị trường khác nhau Giai đoạn I/II đã có sự hài hòa nhất định với quy định của Hoa Kỳ, trong khi giai đoạn III/IV đạt được sự đồng bộ tới 75% với tiêu chuẩn của Mỹ.

Tiêu chuẩn giai đoạn I/II

Bảng 4.41 Tiêu chuẩn khí thải giai đoạn I/II của EU cho động cơ Diesel phi đường bộ

CO HC NOx PM kW g/kWh

* Giai đoạn II cũng áp dụng cho động cơ tốc độ không đổi có hiệu lực 01/2007

Bảng 4.42 Tiêu chuẩn khí thải giai đoạn III của EU cho động cơ Diesel phi đường bộ

Thời gian CO HC HC+NOx NOx PM kW g/kWh

* Ngày dùng cho động cơ tốc độ không đổi là: 01/2011, cho loại H, I và K; 01/2012 cho thể loại J

Bảng 4.43 Tiêu chuẩn khí thải giai đoạn IV của EU cho động cơ Diesel phi đường bộ

Bảng 4.44 Đề xuất tiêu chuẩn khí thải giai đoạn V cho động cơ phi đường bộ

CO HC NOx PM PN kW g/kWh 1/kWh

NRE-v/c-1 Diesl P < 8 2019 8.00 7.50 a,c 0.40 b - NRE-v/c-2 Diesl 8 ≤ P < 19 2019 6.60 7.50 a,c 0.40 - NRE-v/c-3 Diesl 19 ≤ P < 37 2019 5.00 4.70 a,c 0.015 1×10 12 NRE-v/c-4 Diesl 37 ≤ P < 56 2019 5.00 4.70 a,c 0.015 1×10 12

NRE-v/c-7 Tất cả P > 560 2019 3.50 0.19 d 3.50 0.045 - a HC+NOx b 0.60 cho động cơ phun xăng trực tiếp làm mát bằng khí c A = 1.10 cho động cơ khí ga d A = 6.00 cho động cơ khí ga

CO HC NOx PM kW g/kWh

Bảng 4.45 Đề xuất tiêu chuẩn khí thải giai đoạn V cho động cơ phát điện trên

CO HC NOx PM PN kW g/kWh 1/kWh

NRG-v/c-1 Tất cả P > 560 2019 3.50 0.19 a 0.67 0.035 - a A = 6.00 cho động cơ khí ga

Tiêu chuẩn giai đoạn IIIA áp dụng giới hạn phát thải cho động cơ tàu thủy nội địa, phân loại động cơ theo thể tích làm việc và công suất đầu ra Các tiêu chuẩn này được điều chỉnh để phù hợp với tiêu chuẩn Hoa Kỳ cho động cơ hàng hải Hiện tại, không có tiêu chuẩn giai đoạn IIIB hoặc IV cho phương tiện thủy.

Bảng 4.46 Tiêu chuẩn giai đoạn IIIA cho động cơ tàu thủy nội địa

Thời gian CO HC+NOx PM dm 3 mỗi xy lanh g/kWh

Bảng 4.47 Đề xuất tiêu chuẩn khí thải giai đoạn V cho tàu thuỷ nội địa

CO HC a NOx PM PN kW g/kWh 1/kWh

Thể loại động cơ IWP

IWP-v/c-1 37 ≤P < 75 2019 5.00 4.70 b 0.30 b - IWP-v/c-2 75 ≤ P < 130 2019 5.00 5.40 b 0.14 - IWP-v/c-3 130 ≤ P < 300 2019 3.50 1.00 2.10 0.11 - IWP-v/c-4 300 ≤ P < 1000 2020 3.50 0.19 1.20 0.02 1×10 12 IWP-v/c-5 P ≥ 1000 2021 3.50 0.19 0.40 0.01 1×10 12

Thể loại động cơ IWA

IWA-v/c-1 560 ≤ P < 1000 2020 3.50 0.19 1.20 0.02 1×10 12 IWA-v/c-2 P ≥ 1000 2021 3.50 0.19 0.40 0.01 1×10 12 a A = 6.00 cho động cơ khí ga b HC + NOx Động cơ xe lửa

Tiêu chuẩn giai đoạn IIIA và IIIB áp dụng cho động cơ trên 130 kW, được sử dụng cho động cơ đẩy của đầu máy xe lửa (R, RL, RH) và các toa xe RC Hiện tại, không có tiêu chuẩn giai đoạn IV cho động cơ xe lửa kéo.

Bảng 4.48 Tiêu chuẩn giai đoạn IIIA và IIIB cho động cơ xe lửa

CO HC HC+NOx NOx PM kW g/kWh

* HC = 0.4 g/kWh and NOx = 7.4 g/kWh cho động cơ P > 2000 kW và D > 5 lít/xylanh

Bảng 4.49 Đề xuất tiêu chuẩn khí thải giai đoạn V cho động cơ xe lửa

Tiêu chuẩn Tier 1-3 cho động cơ diesel phi đường bộ bắt đầu được thiết lập vào năm 1994, áp dụng cho động cơ có công suất trên 37 kW (50 mã lực) và được thực hiện theo từng giai đoạn từ năm 1996 đến 2000 Năm 1996, một báo cáo quan trọng của tổ chức SOP đã được ký kết giữa EPA, California ARB và các nhà sản xuất động cơ lớn như Caterpillar, Cummins, Deere, Detroit Diesel, Deutz, Isuzu, Komatsu, Kubota, Mitsubishi, Navistar, New Holland, Wis-Con và Yanmar.

Vào ngày 27/08/1998, EPA đã ký quy tắc cuối cùng phản ánh các quy định của

CO HC a NOx PM PN kW g/kWh 1/kWh

RLR-v/c-1 (Railcars) P > 0 2021 3.50 0.19 2.00 0.015 1×10 12 a A = 6.00 cho động cơ ga b HC + NOx

Tiêu chuẩn SOP được giới thiệu vào năm 1998, bắt đầu với tiêu chuẩn Tier 1 dành cho các động cơ có công suất dưới 37 kW (50 mã lực) Sau đó, các tiêu chuẩn Tier 2 và Tier 3 đã được áp dụng với yêu cầu ngày càng nghiêm ngặt hơn cho tất cả các động cơ.

Tiêu chuẩn khí thải Tier 4 được EPA giới thiệu vào ngày 11/05/2004, yêu cầu giảm khoảng 90% lượng khí thải PM và NOx Để đạt được mức giảm phát thải này, việc sử dụng động cơ mới là cần thiết.

Các quy định khí thải động cơ diesel phi đường bộ được áp dụng cho các loại động cơ sau đây:

- Động cơ được sử dụng trong đầu máy xe lửa,