Nghiên ứu, vận hành thiết bị phân tích khí thải tro 8040 để đánh giá chất thải gây ô nhiễm từ ô tô xe máy

Các tiêu chuẩn của Việt Nam và thế giới về nồng độ cho phép của các chất ô nhiễm trong khí xả……… ….. Tuy nhiên do sự không đồng nhất của hỗn hợp một cách lí tởng cũng nh do tính chất p

Giới thiệu chung về khí thải động cơ

Quá trình cháy lí tởng của hỗn hợp hydrocarbure với không khí chỉ sinh ra

Khí xả động cơ chứa nhiều chất độc hại như oxit nitơ (NOx), monoxit carbon (CO), hydrocarbon chưa cháy (HC) và bồ hóng, do sự không đồng nhất của hỗn hợp và các hiện tượng lý hóa phức tạp trong quá trình cháy Nồng độ ô nhiễm trong khí xả phụ thuộc vào loại động cơ và chế độ vận hành; động cơ Diesel có nồng độ CO rất thấp và nồng độ HC chỉ bằng 20% so với động cơ xăng, trong khi nồng độ NOx tương đương nhau Bồ hóng là chất ô nhiễm quan trọng trong khí xả động cơ Diesel, nhưng lại không đáng kể trong động cơ xăng.

Hình 1.1 Biến thiên nồng độ các chất ô nhiễm theo hệ số d lợng không khí

Các tạp chất đặc biệt như lưu huỳnh và các chất phụ gia trong nhiên liệu ảnh hưởng đến thành phần ô nhiễm trong sản phẩm cháy Xăng thương mại thường chứa khoảng 600ppm lưu huỳnh, trong khi dầu Diesel có thể chứa tới 0,5% lưu huỳnh Trong quá trình cháy, lưu huỳnh bị oxy hóa thành SO2, và một phần SO2 tiếp tục oxy hóa thành SO3, chất này có khả năng kết hợp với H2O để tạo ra H2SO4.

Để nâng cao khả năng chống kích nổ của nhiên liệu, người ta thường pha thêm Thetraetyle chì Pb(C2H5)4 vào xăng Tuy nhiên, sau khi cháy, các hạt chì nhỏ sẽ thoát ra theo khí xả, gây ô nhiễm không khí, đặc biệt là ở những khu vực thành phố có mật độ giao thông cao.

Một trong những thông số có tính tổng quát ảnh hởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ là hệ số d lợng không khí λ

Thành phần hoà khí là tỉ lệ giữa xăng và không khí, được đặc trưng bởi hệ số λ (hoặc α) và tỉ lệ không khí – nhiên liệu (m = Gk/Gx) Tỉ lệ chuẩn là m = 14,7:1, tương ứng với λ = 1, cho thấy hoà khí lý tưởng Khi m > 14,7:1, λ > 1, tức là hoà khí nhạt (nghèo xăng), và khi m < 14,7:1, λ < 1, cho thấy hoà khí đậm (giàu xăng).

Mỗi chế độ hoạt động của xe đều yêu cầu tỷ lệ hòa khí cụ thể Khi khởi động lạnh, tỷ lệ hòa khí cần thiết là 9:1, trong khi ở tốc độ trung bình, tỷ lệ này là 15:1 Khi tăng tốc đột ngột, cần điều chỉnh hòa khí tạm thời để tránh tình trạng chết máy, với tỷ lệ hòa khí khoảng 13:1 khi mở rộng hoặc mở hết bướm ga.

Hình 1.1 cho thấy sự phụ thuộc của nồng độ NO, CO và HC trong khí xả theo hệ số λ Động cơ đánh lửa cưỡng bức thường hoạt động với hệ số λ khoảng 1, và khi làm việc với hỗn hợp nghèo, mức độ phát thải ô nhiễm sẽ thấp hơn Tuy nhiên, nếu hỗn hợp trở nên quá nghèo, tốc độ cháy sẽ giảm, dẫn đến tình trạng bỏ lửa, từ đó làm tăng nồng độ HC trong khí xả.

Nhiệt độ cực đại trong quá trình cháy là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến thành phần các chất ô nhiễm, vì nó tác động mạnh đến động học phản ứng, đặc biệt là các phản ứng tạo ra NOx và bồ hóng.

Tất cả các thông số kết cấu và vận hành của động cơ ảnh hưởng đến thành phần hỗn hợp và nhiệt độ cháy, từ đó tác động trực tiếp hoặc gián tiếp đến sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí xả.

ô nhiễm không khí là gì?

Theo định nghĩa của cộng đồng Châu Âu vào năm 1967, ô nhiễm không khí xảy ra khi thành phần không khí bị thay đổi hoặc khi có sự xuất hiện của các chất lạ gây hại, được chứng minh bởi khoa học, hoặc gây ra sự khó chịu cho con người.

Khí thải gây ô nhiễm bao gồm các chất độc hại như monoxyde carbon (CO), oxyde nitơ (NOx), hydrocacbon (HC) và bụi mịn (Particulate Matter - PM), có ảnh hưởng lâu dài đến sức khỏe con người và môi trường Nhiều chất ô nhiễm trong không khí được xác định có nguồn gốc từ khí xả của động cơ đốt trong Bảng 1.1 dưới đây chỉ ra sự gia tăng đáng lo ngại của nồng độ một số chất ô nhiễm trong bầu khí quyển.

Bảng 1.1: Sự gia tăng của các chất ô nhiễm trong khí quyển

Chất ô nhiễm Thời kì tiền công nghiệp

Tùy thuộc vào chính sách năng lượng của từng quốc gia, tỷ lệ ô nhiễm từ các nguồn khác nhau có sự phân bố không đồng nhất Bảng 1.2 và 1.3 trình bày tỷ lệ phát thải CO, HC và NOx tại Nhật Bản và Mỹ.

Bảng 1.2: Tỉ lệ phát thải các chất ô nhiễm ở Nhật (tính theo %)

Nguồn phát ô nhiễm CO HC NOx ô tô 93,0 57,3 39

Quá trình cháy trong công nghiệp 0,0 26,4 31,3

Các quá trình cháy khác 6,3 0,7 0,8

Bảng 1.3: Tỉ lệ phát thải các chất ô nhiễm ở Mĩ( tính theo %)

Nguồn phát ô nhiễm CO HC NOx ô tô 64,7 45,7 36,6

Các phơng tiện giao thông khác 9,0 7,2 10,5

ảnh hởng của chất thải động cơ đốt trong đối với con ngời

Đối với sức khoẻ con ngêi

Monoxyde carbon (CO) là khí không màu, không mùi và không vị, được sinh ra từ quá trình ôxy hóa không hoàn toàn carbon trong nhiên liệu khi thiếu oxy.

NOx là nhóm các oxit nitơ, chủ yếu bao gồm monoxit nitơ (NO) Chúng được hình thành khi nitơ (N2) phản ứng với oxy (O2) ở nhiệt độ cao, vượt quá 1100 độ C Mặc dù monoxit nitơ không gây hại nhiều, nhưng nó lại là yếu tố quan trọng trong quá trình tạo ra dioxit nitơ (NO2).

NO2 là một chất khí màu hồng, có mùi, được phát hiện bởi khứu giác khi nồng độ đạt khoảng 0,12 ppm Chất này khó hòa tan, có thể xâm nhập sâu vào phổi qua đường hô hấp, gây viêm và tổn thương tế bào hô hấp Nạn nhân có thể gặp phải triệu chứng mất ngủ, ho và khó thở Ngoài ra, proto nitơ (N2O) là một thành phần cơ bản trong quá trình tạo ra ozone ở tầng khí quyển.

Hydrocarbua (HC) xuất hiện trong khí thải do quá trình cháy không hoàn toàn khi hỗn hợp nhiên liệu giàu, hoặc do hiện tượng cháy không bình thường Chúng gây hại đến sức khỏe con người, đặc biệt là các hydrocarbua thơm Benzen, một loại hydrocarbon, đã được xác định có vai trò quan trọng trong căn bệnh ung thư máu khi nồng độ vượt quá 40 ppm, hoặc gây rối loạn thần kinh khi nồng độ lớn hơn 1 g/m³, và đôi khi còn là nguyên nhân gây ra các bệnh về gan.

SO2 (oxyde lu huỳnh) là một chất háo nước, dễ dàng hòa tan vào nước mũi, sau đó bị oxy hóa thành H2SO4 và muối amonium, đi sâu vào phổi qua đường hô hấp Hơn nữa, SO2 làm giảm khả năng đề kháng của cơ thể và gia tăng tác hại của các chất ô nhiễm khác đối với nạn nhân.

Bồ hóng là một chất ô nhiễm quan trọng trong khí xả động cơ diesel, tồn tại dưới dạng hạt rắn với đường kính trung bình 0,3 mm, dễ dàng xâm nhập sâu vào phổi Sự nguy hiểm của bồ hóng không chỉ gây cản trở cho hệ hô hấp mà còn liên quan đến nguy cơ mắc bệnh ung thư do sự hấp thụ các hydrocarbon thơm mạch vòng (HAP) trên bề mặt của chúng trong quá trình hình thành.

Chì có mặt trong khí xả Thetraetyl chì Pb(C2H5)4, được pha vào xăng để tăng tính chống kích nổ của nhiên liệu Chì tồn tại dưới dạng hạt siêu nhỏ, dễ dàng xâm nhập vào cơ thể qua da hoặc đường hô hấp Khi vào cơ thể, khoảng 30% đến 40% lượng chì sẽ vào máu, gây rối loạn trao đổi ion ở não, cản trở tổng hợp enzyme cần thiết cho sự hình thành hồng cầu.

Đối với môi trờng

1 Thay đổi nhiệt độ khí quyển

Sự hiện diện của các chất ô nhiễm, đặc biệt là khí gây hiệu ứng nhà kính, ảnh hưởng trực tiếp đến cân bằng nhiệt của bầu khí quyển Trong số các khí này, khí cacbonic CO2 được chú ý đặc biệt vì nó là thành phần chính trong sản phẩm cháy của nhiên liệu chứa carbon.

Với tốc độ gia tăng nồng độ khí cacbonic trong bầu khí quyển hiện nay, dự đoán vào giữa thế kỉ 22, nồng độ khí quyển có thể tăng gấp đôi Các nhà khoa học cảnh báo rằng sự thay đổi này sẽ gây ra những tác động quan trọng đến sự cân bằng nhiệt trên trái đất.

- Nhiệt độ bầu khí quyển sẽ tăng lên từ 2 đến 3 o C

- Một phần băng ở vùng Bắc cực và Nam cực sẽ tan làm tăng chiều cao mực níc biÓn

- Làm thay đổi chế độ ma gió và sa mạc hoá thêm bề mặt trái đất.

2 ảnh hởng đến sinh thái

Sự gia tăng NOx, đặc biệt là protoxyde nitơ N2O, có nguy cơ làm tổn hại lớp ozone ở tầng khí quyển, lớp khí quan trọng trong việc lọc tia cực tím từ mặt trời Tia cực tím có thể gây ung thư da và đột biến sinh học, dẫn đến sự lây lan của các bệnh lạ, đe dọa sự sống trên trái đất như tình trạng hiện tại trên Sao Hoả Bên cạnh đó, các khí acide như SO2 và NO2 khi bị oxi hóa thành acid sulfuric và acid nitric có thể hòa tan trong nước mưa, tuyết và sương mù, gây hại cho thảm thực vật và ăn mòn các công trình kim loại.

Các tiêu chuẩn của Việt Nam và thế giới về nồng độ cho phép của các chất ô nhiễm trong khí xả

Tiêu chuẩn của thế giíi

1 Đối với các chất ô nhiễm thể khí a Mĩ

Bảng 1.4 trình bày sự thay đổi về giới hạn nồng độ cho phép của các chất ô nhiễm trong khí xả ôtô ở Mỹ theo thời gian, đặc biệt đối với ôtô du lịch Giới hạn này áp dụng tại hầu hết các bang, ngoại trừ California và New York, nơi có yêu cầu nghiêm ngặt hơn, và được đo theo quy trình FTP 75 Các số liệu cho thấy tiêu chuẩn ngày càng khắt khe hơn: nồng độ CO đã giảm từ 84 g/dặm năm 1960 xuống còn 3,4 g/dặm hiện nay (giảm khoảng 25 lần); nồng độ HC giảm từ 10,6 g/dặm xuống còn 0,25 g/dặm (giảm khoảng 40 lần); trong khi nồng độ NOx giảm từ 4,1 g/dặm xuống 0,4 g/dặm (giảm 10 lần).

Bảng 1.4 Tiêu chuẩn của Mĩ đối với ôtô du lịch (tính theo g/dặm, quy trình FTP75)

Dù kiÕn 3,4 0,25 0,4 b Cộng đồng Châu Âu

Mức độ ô nhiễm cho phép đối với xe du lịch và xe tải hạng nhẹ theo quy trình thử nghiệm ECE được áp dụng trong cộng đồng Châu Âu được trình bày trong bảng 1.5.

Bảng 1.5 Tiêu chuẩn cộng đồng Châu Âu đối với xe du lịch và xe vận tải hạng nhẹ

(V (lít) là thể tích xi lanh)

Từ năm 1991, cộng đồng Châu Âu đã triển khai các tiêu chuẩn khí thải Euro, bắt đầu với Euro I vào năm 1991, tiếp theo là Euro II năm 1996, Euro III năm 2000 và Euro IV năm 2005 Mỗi tiêu chuẩn mới đều quy định nồng độ khí thải giới hạn thấp hơn so với tiêu chuẩn trước đó, như thể hiện trong Bảng 1.6.

Bảng 1.6 Tiêu chuẩn khí thải của công đồng Châu Âu từ năm 1991 đến nay

Loại xe Tiêu chuẩn Giới hạn

Loại xe Tiêu chuẩn Giới hạn

X¨ng Diesel X¨ng Diesel X¨ng Diesel

Xe thơng mại (g/km)

Loại 1 2,30 0,64 0,20 0,56 1,50 0,50 Loại 2 4,17 0,80 0,25 0,72 0,18 0,65 Loại 3 5,22 0,94 0,29 0,86 0,21 0,78 Euro IV Loại 1 1,00 0,50 0,10 0,30 0,08 0,25

Loại 1: Xe có trọng lợng < 1305 kg

Loại 2: Xe có trọng lợng 1305 –1760 kg

Loại 3: Xe có trọng lợng > 1760 kg

Hệ thống Euro được áp dụng cho tất cả các loại xe có 4 bánh sử dụng động cơ đốt trong, bao gồm xe chạy bằng xăng, dầu và LPG (khí dầu mỏ hóa lỏng) Các loại xe này được phân loại theo tính năng như xe du lịch, xe công suất nhỏ, xe công suất lớn và xe buýt.

- Đối với ôtô du lịch sử dụng động cơ xăng

Tiêu chuẩn Nhật Bản theo chu trình thử 10 chế độ và 11 chế độ ứng với các loại ôtô khác nhau trình bày trên các bảng 1.7, 1.8, 1.9

Bảng 1.7 Tiêu chuẩn Nhật Bản đối với ôtô du lịch sử dụng động xăng

CO (g/km) HC (g/km) NO x (g/km)

10 C.độ 11 C.độ 10 C.độ 11 C.độ 10 C.độ 11 C.độ

Bảng 1.8 Tiêu chuẩn Nhật Bản với ôtô du lịch sử dụng động cơ Diesel

N¨m CO (g/km) HC (g/km) NO x (g/km)

10 C.độ 11 C.độ 10 C.độ 11 C.độ 19 C.độ 11 C.độ

Bảng 1.9 Tiêu chuẩn Nhật Bản đối với ôtô vận tải nhẹ sử dụng động cơ xăng hay GPL

N¨m CO (g/km) HC (g/km) NO x

10 C.độ 11 C.độ 10 C.độ 11 C.độ 10 C.độ 11 C.độ

Các loại xe vận tải và xe buýt sử dụng động cơ Diesel phải tuân theo tiêu chuẩn ô nhiễm tương tự như xe du lịch trang bị động cơ Diesel Điều này cho thấy sự đồng nhất trong quy định về khí thải giữa các loại phương tiện giao thông, nhằm bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Các nước đang phát triển áp dụng quy trình thử nghiệm của các nước phát triển và thiết lập mức độ ô nhiễm cho phép phù hợp với điều kiện địa phương Bảng 1.10 giới thiệu quy trình thử nghiệm và giới hạn nồng độ chất ô nhiễm trong khí thải động cơ cho ô tô dưới 2,7 tấn tại một số quốc gia Những nước này thường sử dụng các quy trình từ Mỹ, Châu Âu và Nhật Bản, với tính khắt khe về giới hạn nồng độ chất ô nhiễm ngày càng tăng theo thời gian.

Bảng 1.10 Quy trình thử và giới hạn ô nhiễm ở một số nớc đang phát triển

Níc N¨m Quy tr×nh CO (g/km) HC (g/km) NOx(g/km)

4,96 (HC+NOx) 4,96 (HC+NOx) 0,25 0,25 Singapo israel ả rập Xê-út

1986 ECE Tiêu chuẩn Châu Âu

(1) Ôtô có động cơ V 800 cm 3

2 Các quy định về nồng độ bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel

Các quy định về nồng độ cho phép của các chất ô nhiễm khí trong khí xả động cơ đã được thiết lập từ sớm, trước cả các quy định về nồng độ bồ hóng Tiêu chuẩn liên bang Hoa Kỳ quy định rằng độ mờ không được vượt quá 20% khi gia tốc, 15% khi phanh và 50% tại bất kỳ điểm nào trong chu trình đo 2.8 Trong khi đó, tiêu chuẩn của Cộng đồng Châu Âu quy định giới hạn hệ số hấp thụ quang học theo lưu lượng khí xả ở chế độ ổn định đầy tải, như được nêu trong bảng 1.11.

Tiêu chuẩn độ khói trong khí xả động cơ Diesel được đo bằng các đơn vị khác nhau tùy theo từng quốc gia, bao gồm hệ số hấp thụ quang học k (Cộng đồng Châu Âu, Úc, Brazil), độ mờ (Mỹ, Hàn Quốc) và chỉ số Bosch (Nhật Bản, Thụy Điển) Bảng 1.12 trình bày tiêu chuẩn độ khói của một số quốc gia.

Bảng 1.11 Giới hạn hệ số hấp thụ quang học theo lu lợng khí xả của động cơ

Diesel làm việc ở chế độ ổn định đầy tải (tiêu chuẩn EU)

Bảng 1.12 Tiêu chuẩn độ khói của động cơ Diesel áp dụng ở một số nớc

Quốc gia Năm Chế độ đo Tiêu chuẩn

1982 Gia tèc tù do K 1,25), nồng độ các chất ô nhiễm chính như CO, HC và NOx đều giảm Sự thay đổi hệ số dư lượng không khí từ α = 1,0 đến α = 1,4 giúp giảm suất tiêu hao nhiên liệu tới 7% và nồng độ NOx có thể giảm đến 85% so với động cơ chạy ở α = 1, nếu kết hợp với việc điều chỉnh hợp lý góc đánh lửa sớm Tuy nhiên, ưu điểm này chỉ đạt được trong điều kiện hỗn hợp gần ngưỡng đánh lửa và sự lan tỏa của màng lửa diễn ra bình thường, đòi hỏi tổ chức tốt quá trình cháy và phân bố hợp lý độ đậm đặc hỗn hợp trong buồng cháy.

Khi gia tăng hệ số d lợng không khí hay làm bẩn hỗn hợp bằng khí xả hồi lu vợt quá một giới hạn cho phép sẽ dẫn đến:

- Giảm tốc độ cháy, điểm cực đại của áp suất sẽ lệch về phía giai đoạn giãn nở dù đánh lửa sớm hơn

- Mô men phát ra không đều dẫn tới sự làm việc không ổn định

- Thờng xuyên bỏ lửa

- Gia tăng mức độ phát sinh HC.

- Gia tăng tiêu hao nhiên liệu do tốc độ cháy giảm

Những giải pháp cho phép động cơ hoạt động gần giới hạn nghèo của hỗn hợp có thể chia làm ba loại:

Các giải pháp tác động trước khi hỗn hợp vào xilanh bao gồm việc chuẩn bị và định lượng hỗn hợp nhiên liệu, sử dụng chế hoà khí hoặc phun Hệ thống điều chỉnh hỗn hợp cũng đóng vai trò quan trọng, cùng với thiết kế hợp lý đường nạp để tối ưu hóa hiệu suất động cơ.

- Các biện pháp tác động bên trong động cơ: hình dạng buồng cháy, bố trí xupáp và bugi đánh lửa

Các biện pháp tác động trên đường thải bao gồm thiết kế đường thải và trang bị bộ xúc tác oxy hóa nhằm hạn chế khí CO và HC Để động cơ hoạt động hiệu quả với hỗn hợp nghèo, người ta nạp hỗn hợp nhiên liệu không khí vào xilanh gần điểm đánh lửa, đảm bảo độ đậm đặc của hỗn hợp cao hơn giá trị trung bình để dễ bén lửa Hiện nay, hai hệ thống tạo hỗn hợp phân lớp được ứng dụng khả quan nhất là hệ thống buồng dự bị (CVCC) và hệ thống phun trực tiếp (PROCO).

Hệ thống Honda CVCC dùng một buồng cháy nhỏ có xupáp nạp riêng (hình

Hỗn hợp giàu được nạp vào buồng cháy phụ, trong khi hỗn hợp nghèo được nạp vào buồng cháy chính qua xupáp nạp thông thường Tại buồng cháy phụ, hỗn hợp giàu được đốt cháy bằng tia lửa điện, tạo ra sản phẩm cháy với nhiệt độ cao Nhiệt độ này giúp đốt cháy hỗn hợp nghèo trong buồng cháy chính, tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.

Hệ thống này giảm nhiệt độ cực đại trong quá trình cháy, dẫn đến việc giảm phát thải NOx, trong khi vẫn duy trì nhiệt độ đủ cao để oxy hóa hydrocarbon (HC) Độ đậm đặc của hỗn hợp thấp cũng giúp giảm nồng độ CO trong khí thải Mặc dù động cơ hoạt động với hệ số này có suất tiêu hao nhiên liệu riêng rất thấp, nhưng công suất lít của xilanh lại giảm Kể từ năm 1986, nghiên cứu đã chuyển sang một hệ thống tương tự, trong đó bộ chế hòa khí được thay thế bằng hệ thống phun Hệ thống mới sử dụng vòi phun nhiên liệu áp suất 3,5 MPa để tạo ra vùng hỗn hợp giàu gần nến đánh lửa trong buồng cháy nhỏ, giúp giảm NOx nhưng lại làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu.

Hình 1.6: Sơ đồ động cơ hỗn hợp phân lớp sử dụng buồng cháy phụ

Hệ thống Ford PROCO thực hiện phân lớp hỗn hợp bằng cách phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng cháy, không cần buồng cháy phụ mà sử dụng buồng cháy khoét lõm trên đỉnh piston Một tia phun có góc rộng được sử dụng để phun hỗn hợp giàu vào giữa xilanh thông qua một vòi phun có độ xuyên thấu nhỏ Hỗn hợp này được đốt cháy nhờ tia lửa điện và lan tỏa đến hỗn hợp xung quanh nghèo hơn khi piston đi xuống nhờ cường độ xoáy lốc mạnh.

Hình 1.7: Sơ đồ động cơ tạo hỗn hợp phân lớp phun trực tiếp PROCO

3 ảnh hởng của các chế độ vận hành động cơ xăng a Cắt nhiên liệu khi giảm tốc để hạn chế nồng độ HC trong giai đoạn động cơ đóng vai trò phanh ôtô (khi giảm tốc nhng vẫn cài li hợp), biện pháp tốt nhất là ngng cung cấp nhiên liệu Tuy nhiên, động tác này có thể dẫn tới điều bất lợi là làm xuất hiện hai điểm cực đại HC: điểm cực đại HC ở thời điểm cắt nhiên liệu và điểm cực đại thứ hai là thời điểm khi cấp nhiên liệu trở lại Đối với động cơ dùng bộ chế hoà khí, để tránh giai đoạn quá độ khi động cơ phát lực trở lại, ngời ta sử dụng một hệ thống cho phép cung cấp thêm nhiên liệu dự trữ Nhiên liệu này đợc tích trữ trong hệ thống bù trừ ở giai đoạn giảm tốc Sự cung cấp nhiên liệu bổ sung này cho phép duy trì đợc độ đậm đặc của hỗn hợp một cách hợp lí ở thời điểm mở đột ngột bớm ga trở lại Đối với động cơ phun nhiên liệu, ngời ta sử dụng một hệ thống cho phép điều chỉnh lợng nhiên liệu phun vào đờng nạp theo lu lợng không khí Khi giảm tốc, bớm ga đóng lại, một van giảm tốc mở ra để cung cấp không khí cho động cơ và ngời ta sử dụng lợng không khí này để điều khiển lợng nhiên liệu Trong trờng hợp đó, động cơ hút một thể tích khí lớn hơn trong trờng hợp động cơ dùng chế hoà khí Hai điểm cực đại của HC cũng xuất hiện giống nh trong trờng hợp động cơ dùng bộ chế hoà khí b Dừng động cơ ở đèn đỏ

Chế độ tắt động cơ hợp lý khi ôtô dừng lâu trong thành phố có thể giảm ô nhiễm và tiêu hao nhiên liệu Thực nghiệm cho thấy nếu thời gian dừng vượt quá 50 giây, việc tắt động cơ là cần thiết, trừ khi điều này ảnh hưởng đến tuổi thọ của máy khởi động và bình điện Nếu không tính đến mức tiêu hao nhiên liệu, việc tắt động cơ không mang lại lợi ích về ô nhiễm khi động cơ có bộ xúc tác.

Trờng hợp động cơ Diesel

Kỹ thuật tổ chức quá trình cháy trong động cơ Diesel có ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ phát sinh ô nhiễm Động cơ Diesel phun trực tiếp có suất tiêu hao nhiên liệu riêng thấp hơn 10% so với động cơ có buồng cháy ngăn cách và phát sinh ít bồ hóng hơn khi làm việc ở chế độ tải cục bộ Tuy nhiên, động cơ phun trực tiếp lại ồn hơn và phát sinh nhiều chất ô nhiễm khác như NOx và HC Do đó, hiện nay, loại buồng cháy này chủ yếu được sử dụng cho ô tô hạng nặng Để giảm thiểu ô nhiễm từ động cơ Diesel, cần cân bằng giữa nồng độ hai chất ô nhiễm chính là NOx và bồ hóng.

1 ảnh hởng của góc phun sớm và tối u hoá hệ thống phun ảnh hởng của chất lợng hệ thống phun đối với động cơ phun trực tiếp lớn hơn đối với động cơ phun gián tiếp về phơng diện phát sinh ô nhiễm Trong cả hai trờng hợp, sự thay đổi góc phun sớm có ảnh hởng ngợc nhau đối với sự phát sinh NOx, HC và bồ hóng (hình 1.8)

Tăng góc phun sớm trong động cơ sẽ làm gia tăng áp suất cực đại và nhiệt độ trong quá trình cháy, dẫn đến nồng độ NO cao hơn Đặc biệt, động cơ phun trực tiếp thường có góc phun sớm lớn hơn, do đó sản sinh ra nhiều NO hơn so với động cơ có buồng cháy ngăn cách.

Hình 1.8 ảnh hởng của góc phun sớm đến mức độ phát sinh ô nhiễm

Giảm góc phun sớm là một biện pháp hiệu quả để giảm nồng độ NOx trong khí thải Tuy nhiên, cần xem xét chế độ tốc độ và chế độ tải khi thực hiện giảm góc phun sớm nhằm tránh tăng suất tiêu hao nhiên liệu.

Hình 1.9 ảnh hởng của góc phun sớm đến mức độ phát sinh HC và NO x §

Sự điều chỉnh góc phun sớm theo tốc độ và tải cho phép tối ưu hóa vị trí điều chỉnh giữa nồng độ ô nhiễm và hiệu suất động cơ Đối với động cơ có buồng cháy dự bị, việc kiểm soát góc phun sớm bằng hệ thống điện tử giúp giảm 15% nồng độ NOx và 25% nồng độ bồ hóng theo chu trình thử FTP75, đồng thời gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu một cách không đáng kể.

Tốc độ tăng cao do áp suất phun ảnh hưởng đến quá trình ô nhiễm của động cơ phun trực tiếp Khi tốc độ hòa trộn nhiên liệu và không khí được tăng cường, lượng nhiên liệu cháy trong điều kiện hòa trộn trước gia tăng, dẫn đến nồng độ ô nhiễm tăng lên.

Sự gia tăng NOx đi kèm với việc giảm lượng bồ hóng, tuy nhiên, áp suất phun cao (trên 100MPa) lại làm tăng lượng hạt rắn do sự phát sinh SOF Việc sử dụng vòi phun nhiều lỗ với đường kính nhỏ giúp cải thiện chất lượng hòa trộn giữa không khí và nhiên liệu, nhờ vào kích thước hạt nhiên liệu nhỏ hơn, làm cho hỗn hợp dễ cháy hơn và bù đắp cho sự phun trễ, từ đó giảm NOx Khi giữ lượng phát thải không đổi, việc tăng số lượng lỗ phun sẽ giúp giảm nồng độ bồ hóng Đối với động cơ phun trực tiếp, áp suất phun tối ưu dao động từ 75 đến 100MPa tùy theo chế độ hoạt động Nếu vượt quá áp suất này, mặc dù lượng NOx phát sinh không thay đổi, nhưng lượng hạt rắn sẽ giảm, đồng thời làm tăng mức tiêu hao nhiên liệu và độ ồn trong quá trình cháy do áp suất tăng đột ngột Giải pháp cho vấn đề này có thể là sử dụng một tia phun mồi.

2 ảnh hởng của dạng hình học buồng cháy

− Hành trình tự do của tia nhiên liệu trong buồng cháy lớn

− Bề mặt buồng cháy trên piston đủ lớn để tránh sự giao thoa của các tia phun

− Cờng độ rối cao trong vùng phân bố tia nhiên liệu

− Tiếp tục duy trì đợc vận động rối của dòng khí trong buồng cháy sau điểm chết trên

Việc gia tăng áp suất trong buồng cháy có thể dẫn đến sự hình thành bồ hóng, nhưng áp suất cực đại lại làm tăng nhiệt độ khí cháy, giúp tăng tốc độ oxy hóa bồ hóng và giữ lượng bồ hóng trong khí xả không tăng Áp suất cao cũng làm tăng độ ồn và phát sinh NOx Đối với động cơ phun trực tiếp, tỷ lệ nén cao giúp khởi động dễ dàng ở nhiệt độ thấp và giảm lượng HC cũng như thành phần SOF của hạt rắn Tuy nhiên, nếu tỷ lệ nén quá cao, động cơ sẽ sinh ra nhiều bồ hóng ở chế độ đầy tải Do đó, cần thiết kế buồng cháy tối ưu cho động cơ có tỷ số nén lớn để cải thiện lưu thông không khí và đốt cháy bồ hóng hiệu quả Đối với động cơ có buồng cháy ngăn cách, việc tăng tỷ lệ thể tích giữa buồng cháy phụ và chính giúp giảm bồ hóng nhờ cung cấp thêm không khí cho buồng cháy phụ Tiết diện đường thông giữa hai buồng cháy cần được kiểm soát để giảm nồng độ bồ hóng ở chế độ đầy tải, nhưng có thể làm tăng bồ hóng ở chế độ tải cục bộ Trong thiết kế, tiết diện tối ưu của đường này được lựa chọn cho chế độ đầy tải.

3 ảnh hởng của vận động rối trong buồng cháy

Trong quá trình nạp, sự phát sinh NOx, tiếng ồn, HC và bồ hóng có ảnh hưởng trái ngược nhau Để giảm thiểu tác động tiêu cực của giai đoạn hỗn hợp đậm đặc đến sự phát sinh bồ hóng trong xilanh, cần nâng cao hiệu quả hòa trộn nhiên liệu và không khí ngay từ giai đoạn cháy trễ bằng cách tăng cường xoáy lốc Tuy nhiên, điều này cũng dẫn đến nhược điểm là làm tăng áp suất cực đại trong buồng cháy, đồng thời gia tăng tiếng ồn và mức phát sinh NOx.

4 ảnh hỏng của chế độ làm việc của động cơ và chế độ quá độ

Khi giảm tốc độ động cơ từ 680 đến 750 vòng/phút, nồng độ các chất ô nhiễm như HC, NO, CO và bồ hóng đều giảm lần lượt là 14%, 3%, 2% và 5% theo chu trình FTP75 Trong thử nghiệm động cơ theo chu trình tiêu chuẩn, sự thay đổi chế độ tốc độ là yếu tố chính làm gia tăng ô nhiễm Nồng độ bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel tăng mạnh khi có gia tốc, với độ đậm đặc trung bình của hỗn hợp gia tăng Mức gia tăng này càng lớn khi thời gian gia tốc kéo dài Để giảm thời gian gia tốc, cần tối ưu hóa thiết kế động cơ.

- Giảm mômen quán tính các bộ phận chuyển động quay

- Giảm thể tích các bộ phận nạp thải

- Giảm nhiệt dung riêng của hệ thống làm mát

- Gia tăng công suất dự trữ

5 ảnh hởng của chỉ số cetane của nhiên liệu

6 ảnh hởng của nhiệt độ khí

ả nh hởng của nhiên liệu đến mức độ phát ô nhiễm động cơ

Nhiên liệu ảnh hưởng đến ô nhiễm không khí do tỉ số không khí-nhiên liệu có thể thay đổi, dẫn đến sự biến đổi trong các đặc tính lý hóa mà không phải lúc nào cũng được điều chỉnh bởi thông số động cơ Độ đậm đặc của hỗn hợp là yếu tố quan trọng quyết định mức độ phát sinh ô nhiễm; NOx đạt cực đại trong môi trường hơi nghèo, trong khi CO và HC ở mức cực tiểu trong môi trường nghèo Ngược lại, sự xuất hiện bồ hóng xảy ra trong môi trường giàu (λ < 0,6), đặc biệt quanh hạt nhiên liệu trong buồng cháy động cơ Diesel.

1 Nhiên liệu động cơ xăng a ả nh hởng của khối lợng riêng nhiên liệu

Khối lượng riêng của nhiên liệu liên quan mật thiết đến thành phần các hydrocarbon trong hỗn hợp nhiên liệu hoặc super, đặc biệt là tỷ lệ nguyên tử tổng quát giữa carbon và hydro.

Sự gia tăng khối lượng riêng của nhiên liệu có thể làm nghèo hỗn hợp cho động cơ sử dụng bộ chế hòa khí, trong khi lại làm giàu hỗn hợp cho động cơ phun xăng Tuy nhiên, do phạm vi thay đổi khối lượng riêng của nhiên liệu rất nhỏ (chỉ từ 2,5 đến 4%), nên ảnh hưởng của nó đến mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ đã được điều chỉnh cho một loại nhiên liệu cụ thể là không đáng kể Bên cạnh đó, tỉ lệ hydrocarbon thơm cũng có ảnh hưởng quan trọng đến hiệu suất và mức độ phát thải của động cơ.

Các hidrocarbure thơm có chỉ số octane nghiên cứu (RON) lớn hơn 100 và chỉ số octane động cơ (MON) thường lớn hơn 90 Việc thêm thành phần hidrocarbure thơm vào nhiên liệu là một giải pháp hiệu quả để nâng cao tính chống kích nổ của nhiên liệu hiện đại.

Hiện nay, xu hướng gia tăng hàm lượng các chất hydrocarbon thơm trong nhiên liệu nhằm phổ biến nhiên liệu không chì đang được chú trọng Theo tiêu chuẩn của Cộng đồng Châu Âu, hàm lượng Benzene trong nhiên liệu phải được duy trì dưới 5% Điều này không chỉ đáp ứng yêu cầu về an toàn sức khỏe mà còn ảnh hưởng đến tính bay hơi của nhiên liệu.

Tính bay hơi của nhiên liệu được xác định qua đường cong chưng cất và áp suất hơi Reid (PVR) tại 37,8 độ C, là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ Nó quyết định thời gian khởi động khi động cơ nguội, khả năng gia tốc và độ ổn định khi hoạt động ở chế độ không tải cũng như khi động cơ đã nóng.

Các thành phần có trọng lượng phân tử lớn, bay hơi ở nhiệt độ trên 200-220 độ C, ảnh hưởng đến sự hình thành hydrocarbon cháy Việc bốc hơi kém dẫn đến tình trạng cháy không hoàn toàn, tạo ra aldehyde và làm tăng nồng độ hydrocarbon (HC).

Các thành phần nhẹ trong nhiên liệu là yếu tố quan trọng cho việc khởi động và hoạt động ở trạng thái nguội, ảnh hưởng đến mức độ ô nhiễm khí xả và tổn thất do bay hơi Tính chất bay hơi của nhiên liệu thay đổi tùy thuộc vào điều kiện khí hậu và mùa Chỉ số octane cũng có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của nhiên liệu.

Chỉ số octane ảnh hưởng đến mức độ ô nhiễm, đặc biệt là trong động cơ bị kích nổ Khi chỉ số octane giảm, hiện tượng kích nổ gia tăng, dẫn đến việc gia tăng ô nhiễm môi trường.

NOx thường xuất hiện nhiều nhất trong hỗn hợp nghèo Tuy nhiên, thực tế cho thấy sự kích nổ không xảy ra trong điều kiện này Ngoài ra, các chất phụ gia cũng có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình này.

Ngời ta pha vào nhiên liệu ôtô nhiều chất phụ gia:

- Những chất phụ gia làm tăng trị số octane: Alkyle chì, methylcyclopenta- dienyl mangan tricarbonyle (MMT), ferrocene,

- Những chất phụ gia chống oxy hoá, ngăn chặn sự hình thành olephine gồm: phenylene diamin, aminphenol và phenol alkyle

- Những chất phụ gia làm sạch bề mặt đờng ống nạp do hơi dầu bôi trơn và những chất không bị lọc gió giữ lại trên đờng nạp

- Màu và các chất phụ gia chống ẩm

Chất phụ gia chứa chì, mặc dù có sự hiện diện của clore và brome giúp chuyển đổi chì thành halogene nhẹ, vẫn không đủ để loại bỏ hoàn toàn các lớp bám trong buồng cháy Những lớp bám này dường như không ảnh hưởng đến nồng độ.

CO và NO làm tăng hàm lượng hydrocarbon (HC), trong khi chì không ảnh hưởng đến sự hình thành aldehyde Các chất phụ gia mangan (MMT) có tác động tiêu cực đến quá trình phát sinh này.

Nếu sự phát sinh CO và NOx không bị ảnh hưởng, nồng độ HC sẽ tăng tuyến tính theo nồng độ MMT Bộ xúc tác không hoàn toàn ngăn chặn sự gia tăng này, dẫn đến việc bộ xúc tác dần dần bị phủ bởi lớp Mn3O4.

Các chất phụ gia hữu cơ và hữu cơ - kim loại được thêm vào nhiên liệu nhằm điều chỉnh các phản ứng cháy mà không làm tăng ô nhiễm Các chất phụ gia chống bám cũng đóng vai trò quan trọng trong việc này Việc duy trì độ sạch trên đường nạp giúp duy trì sự điều chỉnh ban đầu và ổn định mức phát sinh CO khi động cơ hoạt động ở chế độ không tải.

2 ảnh hởng của nhiên liệu Diesel

Khối lượng riêng của nhiên liệu Diesel có ảnh hưởng đáng kể đến mức độ phát sinh ô nhiễm từ động cơ Nghiên cứu cho thấy rằng sự thay đổi trong khối lượng riêng có thể làm thay đổi hiệu suất cháy và lượng khí thải ô nhiễm, đặc biệt là các hạt rắn và chất hữu cơ liên quan (SOF) Việc tối ưu hóa khối lượng riêng của nhiên liệu sẽ góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường từ động cơ Diesel.

Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm của động cơ ôtô

Giảm mức độ phát sinh ô nhiễm ngay từ nguồn

Trong tương lai, mục tiêu chính trong thiết kế động cơ là giảm thiểu ô nhiễm từ nguồn phát thải, tức là trước khi khí thải ra khỏi xupáp xả Do đó, các nhà thiết kế động cơ không chỉ tập trung vào công suất và hiệu quả kinh tế mà còn cần cân nhắc giữa các yếu tố này và mức độ ô nhiễm phát sinh.

1 Động cơ đánh lửa cỡng bức Đối với động cơ đánh lửa cỡng bức, ba chất ô nhiễm chính cần quan tâm là

Trong các động cơ mới hiện nay, để giảm nồng độ ô nhiễm như NOx, HC và CO, người ta kiểm soát chuyển động rối của hỗn hợp nhiên liệu không khí trong quá trình cháy Việc tăng cường chuyển động rối giúp gia tăng tốc độ lan tỏa của màng lửa và hạn chế sự xuất hiện các vùng "chết" gần thành buồng cháy Các biện pháp gia tăng vận động rối có thể được thực hiện để tối ưu hóa hiệu suất cháy.

− Gia tăng vận động xoáy lốc của hỗn hợp trên đờng ống nạp

− Sử dụng hai xupáp nạp khi động cơ làm việc ở chế độ toàn tải và một xupáp khi làm việc ở tải cục bộ

− Tạo ra một tia khí tốc độ cao phun vào đờng nạp phụ có kích thớc nhỏ hơn đờng ống nạp chính.

Việc lựa chọn phương pháp phun nhiên liệu cho từng xilanh hay phun tập trung ở cổ góp đường nạp phụ thuộc vào nhiều yếu tố như khả năng điều chỉnh, tính năng kinh tế kỹ thuật và giá thành Phương pháp phun nhiên liệu có ảnh hưởng đến sự hình thành các chất ô nhiễm Phun tập trung có ưu điểm là thời gian bốc hơi nhiên liệu tương đối dài, giúp hạn chế hiện tượng ngưng tụ nhiên liệu trên đường ống nạp, trong khi phương án phun riêng rẽ giúp đảm bảo sự đồng đều về thành phần hỗn hợp giữa các xilanh.

Việc điều chỉnh góc độ phối khí là một giải pháp hiệu quả để cân bằng giữa hiệu suất động cơ và mức độ phát thải HC và NOx Tăng góc độ trùng điệp giúp giảm lượng NOx nhờ vào việc tăng khí xả hồi lưu Đồng thời, sự thay đổi trong quy luật phối khí cũng ảnh hưởng đến sự phát sinh HC Các động cơ mới hiện nay thường sử dụng nhiều xupáp và trục cam có khả năng điều chỉnh góc độ phối khí, cho phép giảm nồng độ HC từ 20-25% so với các động cơ cũ, đồng thời vẫn đảm bảo các tính năng kinh tế - kỹ thuật tương đương.

Đối với động cơ hoạt động với hỗn hợp nghèo, việc giảm nồng độ NOx trong khí xả có thể được thực hiện thông qua hai giải pháp riêng rẽ hoặc đồng thời.

- Tổ chức quá trình cháy với độ đậm đặc rất thấp ( λ = 0,6 ữ 0,7)

- Hồi lu một bộ phận khí xả (EGR: Exhaust Gas Recirculation)

Hệ thống hồi lưu khí xả hiện nay được áp dụng rộng rãi trên tất cả các loại động cơ đánh lửa cưỡng bức, từ động cơ cổ điển đến các động cơ thế hệ mới hoạt động với hỗn hợp nghèo.

Nó cho phép làm bẩn hỗn hợp trong một số chế độ hoạt động của động cơ, giúp giảm nhiệt độ cháy và từ đó giảm nồng độ NOx.

Hệ thống hồi lưu khí xả bao gồm van hồi lưu, hệ thống trợ lực khí nén và bộ vi xử lý chuyên dụng Bộ vi xử lý nhận tín hiệu từ các cảm biến về nhiệt độ nước làm mát, nhiệt độ khí nạp, tốc độ động cơ và lượng nhiên liệu cung cấp Sau khi xử lý thông tin dựa trên các quan hệ lưu trữ trong bộ nhớ, bộ vi xử lý phát tín hiệu để điều khiển hệ thống điện trợ lực khí nén, mở hoặc đóng van hồi lưu nhằm đưa một lượng khí xả thích hợp vào đường nạp.

Hệ thống hồi lưu khí xả được điều chỉnh theo tốc độ và tải của động cơ nhằm ngăn ngừa hiện tượng cháy không bình thường, từ đó giảm thiểu lượng hydrocarbon (HC) trong khí xả Trong quá trình hoạt động, van điều khiển khí xả hồi lưu có thể bị kẹt do sự ngưng tụ của sản phẩm cháy, vì vậy cần pha chế chất phụ gia tẩy rửa vào xăng để duy trì hiệu suất hoạt động.

2 Động cơ Diesel Đối với động cơ Diesel các biện pháp tối u làm giảm mức độ phát sinh ô nhiễm ngay trong buồng cháy cần phải đợc cân nhắc giữa nồng độ các chất HC,

Các nhà chế tạo động cơ Diesel đã áp dụng nhiều biện pháp kỹ thuật phun và tổ chức quá trình cháy để giảm thiểu nồng độ NOx và bồ hóng trong khí xả Những biện pháp này đóng vai trò quan trọng trong việc hạn chế ô nhiễm môi trường.

- Tăng tốc độ phun để làm giảm nồng độ bồ hóng do tăng tốc độ hoà trộn nhiên liệu - không khí

- Tăng áp suất phun, đặc biệt là đối với động cơ phun trực tiếp

Điều chỉnh quy luật phun để rút ngắn thời gian phun giúp giảm thiểu ô nhiễm Đối với động cơ Diesel, hình dạng buồng cháy có ảnh hưởng lớn hơn đến ô nhiễm so với động cơ xăng Hồi lưu khí xả là một trong những biện pháp hiệu quả nhất để giảm NOx trong động cơ Diesel Tuy nhiên, hệ thống hồi lưu khí xả của động cơ Diesel phức tạp hơn do áp suất chân không thấp không đủ để mở van hồi lưu Do đó, ngoài bộ xử lý chuyên dụng, hệ thống còn cần van điện từ trợ lực khí nén và van chân không Để tăng áp suất chân không, người ta áp dụng các phương pháp phụ để hút khí xả vào đường nạp.

- Tiết lu trên đờng nạp để tạo ra độ chân không cần thiết

- Sử dụng một bơm đặc biệt để hút khí xả

- Trích khí cháy hồi lu ở trớc turbine và sau khi đã qua lọc

Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lí của hệ thống hồi lu khí xả động cơ Diesel.

Xử lí khí xả bằng bộ xúc tác

Việc xử lý khí xả động cơ đốt trong bằng bộ xúc tác đã được nghiên cứu và phát triển từ những năm 1960 tại Mỹ và Châu Âu Ban đầu, các bộ xúc tác oxy hóa được sử dụng cho động cơ hoạt động với hỗn hợp giàu, sau đó hệ thống xúc tác lưỡng tính được phát triển để xử lý khí xả Hệ thống này bao gồm hệ xúc tác khử, bộ cung cấp không khí và bộ xúc tác oxy hóa Bộ xúc tác “ba chức năng” đầu tiên được đưa vào sử dụng từ năm 1975 cho động cơ đánh lửa cưỡng bức với hệ số dư lượng không khí λ xấp xỉ 1, trở thành bộ xúc tác phổ biến nhất hiện nay Từ năm 1990, các bộ xúc tác mới đã được áp dụng cho động cơ đánh lửa cưỡng bức với hỗn hợp nghèo, động cơ Diesel và động cơ 2 kỳ.

Bộ xúc tác "ba chức năng" (three way) có khả năng xử lý đồng thời CO, HC và NOx thông qua các phản ứng oxy hóa - khử, trong đó CO và HC được oxy hóa, còn NOx được khử.

Các phản ứng diễn ra trong bộ xúc tác gồm:

Trong điều kiện nhiệt độ nhất định, việc oxy hóa CO, HC và khử NOx chỉ diễn ra đồng thời khi hệ số dư lượng không khí của hỗn hợp nạp vào động cơ gần bằng 1 Điều này giải thích tại sao ôtô có bộ xúc tác ba chức năng cần hoạt động với tỷ lệ hỗn hợp cháy hoàn toàn lý thuyết, và tỷ lệ này được điều chỉnh nhờ cảm biến lambda.

Việc duy trì thành phần hỗn hợp với λ = 1 không chỉ làm tăng tỉ lệ biến đổi của các chất ô nhiễm mà còn hạn chế phản ứng “nhiễu” dẫn đến việc tạo ra N2O (protoxyde nitơ).

Cờng độ các phản ứng này bé nhất khi độ đậm đặc của hỗn hợp xấp xỉ bằng 1.

Hệ thống xúc tác bao gồm gộp đỡ và lớp kim loại hoạt tính, trong đó gộp đỡ monolithe bằng gốm hoặc kim loại liền một khối được sử dụng phổ biến Gộp đỡ monolithe có dạng ống trụ với tiết diện tròn hoặc oval, bên trong được chia nhỏ bởi các vách ngăn song song với trục, tạo thành mặt cắt ngang giống tổ ong với tiết diện tam giác hoặc vuông Đối với động cơ có công suất khoảng 100kW, tiết diện tổng cộng cần thiết của các phần tử công tác là khoảng 130cm² và thể tích tổng cộng gộp khoảng 2-3 lít (0,02-0,03dm³/kW).

Vật liệu phổ biến được sử dụng bao gồm 2MgO, 2Al2O3 và 5SiO2, nổi bật với ưu điểm là nhiệt độ nóng chảy cao lên đến 1400 oC Nhờ vào đặc tính này, vật liệu có khả năng chịu đựng tốt nhiệt độ khí xả và nhiệt độ xúc tác, có thể đạt tới 1100 oC.

Gộp đỡ monolithe đang trở thành xu hướng phổ biến hiện nay, được chế tạo từ thép lá không rỉ với bề dày rất mỏng Kim loại này có ưu điểm nổi bật là dẫn nhiệt tốt, giúp giảm thời gian khởi động cho hệ thống xúc tác.

Trong những năm gần đây, nồng độ bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel đã giảm đáng kể; tuy nhiên, vấn đề này vẫn thu hút sự chú ý của các nhà khoa học Bồ hóng có khả năng xâm nhập sâu vào phổi và bị giữ lại ở phế nang, gây ra nhiều tác hại nghiêm trọng đối với hệ hô hấp.

Bồ hóng trong khí xả có kích thước rất nhỏ, với hơn 90% hạt có đường kính trung bình khoảng 1 micromet, khiến việc lọc trở nên khó khăn do tổn thất lớn trên đường thải Hạt bồ hóng xốp, có khối lượng trung bình khoảng 0,07g/cm³, dẫn đến tình trạng tắc nghẽn nhanh chóng Do đó, việc làm sạch thường xuyên bồ hóng bám trên lõi lọc là cần thiết để đảm bảo hoạt động bình thường của hệ thống lọc Lọc bồ hóng cần chú trọng vào việc lựa chọn kỹ thuật lọc phù hợp và phương pháp tái sinh hiệu quả.

1 Kĩ thuật lọc bồ hóng

Có nhiều phơng pháp lọc bồ hóng nhng nhìn chung chúng dựa trên cùng nguyên tắc là bẫy hạt bồ hóng

Trong nhiều năm qua, nghiên cứu về lọc bồ hóng đã được thực hiện, nhưng chưa có loại lọc nào được ứng dụng rộng rãi Giá thành của hệ thống lọc vẫn cao, cấu trúc phức tạp và tuổi thọ của bộ lọc còn hạn chế.

Lõi lọc được thiết kế dạng tổ ong và kín ở một đầu, cho phép khí xả đi vào đầu hở và giữ lại bồ hóng qua các lỗ xốp Trong lõi lọc hiện đại, dây điện trở được tích hợp trong thành gốm để đốt bồ hóng trong quá trình tái sinh Tuy nhiên, vật liệu gốm thường dễ bị nứt hỏng do ứng suất nhiệt trong quá trình tái sinh và xung lực từ dòng khí thải.

Lọc gốm monolithe là công nghệ lọc bồ hóng được nghiên cứu và thử nghiệm nhiều nhất, cải tạo từ bộ xúc tác ba chức năng Quá trình này thực hiện bằng cách làm kín xen kẽ đầu các rãnh, buộc khí thải phải đi qua lớp xốp của thành gốm, tạo ra sự ngăn cách giữa các rãnh thông liền nhau.

Phương pháp lọc thổi qua tường (wall flow) có hiệu quả cao với tỷ lệ lọc trên 90% Tuy nhiên, phương pháp này gặp phải trở lực lớn trên đường xả và độ chênh lệch nhiệt độ trong lõi lọc cũng cao khi tiến hành tái sinh Vật liệu gốm thường được sử dụng trong phương pháp này bao gồm (2MgO, 2Al2O3, 5SiO2) hoặc carbure silic (SiC).

Phơng pháp đo

Định nghĩa đo lờng

Đo lường là quá trình so sánh một độ lớn cần xác định với một độ lớn đã biết, được gọi là đơn vị đo Đơn vị đo này là thước đo chuẩn, giúp chúng ta hiểu rõ hơn về các thông số cần đo lường.

Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm

Hiện nay, chưa có quy trình chung nào được áp dụng cho tất cả các nước để đo các chỉ tiêu ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong Điều này dẫn đến sự tồn tại của nhiều quy trình đo khác nhau trên thế giới, mỗi quy trình tương ứng với một tiêu chuẩn ô nhiễm cụ thể và không có mối quan hệ tương đương nào được xác lập giữa các tiêu chuẩn này.

Quy trình đo lường các chỉ tiêu ô nhiễm không khí của mỗi quốc gia dựa vào đặc điểm giao thông của quốc gia đó Bảng 2.1 cung cấp một so sánh các thông số đặc trưng của những quy trình đo lường ô nhiễm phổ biến hiện nay.

Bảng 2.1 So sánh các thông số đặc trng của một số quy trình thử tiêu biểu

Thông số Đơn vị ECE FTP75 Nhật 10 c.độ Nhật 11 c.độ

Tốc độ trung bình Km/h 18,7 34,1 17,7 30,6

Tốc độ trung bình(không kể thời gian không tải) Km/h 27,1 41,6 24,1 39,1

Thêi gian trung b×nh cho một lần thử s 45 70 50 94

Tốc độ không đổi % thời gian 32,3 20,4 23,7 13,3

Cơ sở xây dựng các quy trình đo ô nhiÔm

Quy trình thử nghiệm giao thông là quy định quốc gia, phụ thuộc vào điều kiện giao thông của từng nước Hai yếu tố quan trọng nhất trong quy trình này là mật độ giao thông và chất lượng đường sá.

Mật độ giao thông ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ ô nhiễm không khí, với việc ôtô là nguyên nhân chính gây ra tình trạng này Ở các thành phố lớn, khi ô nhiễm vượt mức cho phép, người dân được khuyến khích sử dụng phương tiện công cộng để giảm bớt lượng xe cộ Ngược lại, tại những khu vực có mật độ giao thông thấp, ôtô có thể không phải tuân thủ các quy định nghiêm ngặt về ô nhiễm Bên cạnh đó, chất lượng đường sá cũng tác động đến hoạt động và khả năng phát thải ô nhiễm của các phương tiện, do đó tiêu chuẩn ô nhiễm cần được điều chỉnh theo yếu tố này.

Các phơng pháp ®o

1 Phơng pháp lấy khí để phân tích a Phơng pháp lấy khí một phần

Sơ đồ kết cấu thiết bị lấy khí xả từ mỗi xilanh động cơ xăng 4 kỳ cho phép phân tích khí xả hiệu quả Ống lấy khí được thiết kế loe ở một đầu, làm từ thép chịu nhiệt, giúp tăng khả năng thu thập khí mà vẫn giữ kích thước nhỏ Ống được lắp vào mặt bích và đặt đúng tâm để đảm bảo khí xả không bị lẫn với khí từ các xilanh khác Đệm làm kín giữa ống và mặt bích ngăn ngừa rò rỉ khí ra môi trường Trước khi dẫn khí đến bình lấy khí, khí xả cần được làm mát để đạt nhiệt độ môi trường Bình lấy khí phải sạch, không chứa khí khác, và không khí trong bình phải được đẩy ra bằng dung dịch muối ăn để tránh phản ứng hóa học Hệ thống ống mềm nối với bình có van để ngăn khí xả thoát ra ngoài, và trước khi lấy khí, cần mở van để xả sạch khí tích tụ trong ống Các van ở bình giữ cho nó luôn tách biệt với môi trường và hỗ trợ quá trình nén chất lỏng cũng như hút khí xả.

Hình 2.1 Sơ đồ kết cấu của thiết bị lấy khí xả một phần cho mỗi một xilanh của động cơ

1- ống lấy khí; 2và 3 cu giữ; 4- ê - Mặt bích; 5- Nắp xilanh; 6- Nớc làm mát vào, ra; 7- Bình trao đổi nhiệt; 8- ống dẫn khí; 9- ống mềm; 10- Van; 11, 14- Van bình lấy khí; 12- Bình lấy khí; 13- Chất lỏng nén; 15- Bình bơm.

Hình 2.2 Sơ đồ thiết bị lấy khí xả toàn phần

2 Phơng pháp phân tích khí

Trong quá trình phát triển, nhiều phương pháp phân tích khí như hóa học, vật lý và hóa lý đã được hình thành Bài viết này chỉ đề cập đến các phương pháp phân tích khí công nghiệp và sản phẩm cháy Phương pháp phân tích khí hóa học là một phương pháp truyền thống, dựa vào việc đo thể tích thay đổi khi áp suất không đổi Sự thay đổi thể tích này xảy ra do phản ứng hóa học giữa thành phần khí cần đo và chất hấp thụ thích hợp.

* Phơng pháp xác định các thành phần khí riêng biệt

- HÊp thô khÝ cacbonic (CO 2 )

Khí CO2 được hấp thụ bởi các chất nhờ KOH, NaOH và Ba(OH)2, dẫn đến sự hình thành muối cacbonat Chẳng hạn, khi CO2 phản ứng với KOH, phản ứng diễn ra theo phương trình hóa học cụ thể.

- Hấp thụ cacbua hydro nặng

Cacbua hydro được hấp thụ bởi H2SO4 hoặc nước brom (dung dịch đậm đặc của brom trong nước) Các phản ứng với H2SO4 diễn ra nhanh chóng và hiệu quả hơn so với nước brom.

- HÊp thô monoxyde carbon (CO)

Hấp thụ khí CO có thể thực hiện bằng dung dịch clorua đồng (Cu2Cl2) hoặc iot penoxyde trong axit sunfuric Cu2Cl2 được sử dụng ở dạng trung tính hoặc muối có phản ứng.

Cu2Cl2 + 2CO → Cu2Cl2.2CO

Hợp chất hình thành sau phản ứng rất không ổn định và dễ bị phá vỡ khi nồng độ CO trong dung dịch quá cao Do đó, trong thiết bị phân tích khí, cần lắp đặt nhiều bình nối tiếp chứa Cu2Cl2 để hấp thụ CO Bình đầu tiên chủ yếu hấp thụ CO, trong khi các bình tiếp theo hấp thụ phần còn lại, ngăn chặn khả năng tái hình thành CO Phương pháp phân tích khí này dựa vào các tính chất lý học.

Phương pháp phân tích khí dựa vào tính chất lý học mang lại nhiều ưu điểm nổi bật, bao gồm khả năng thực hiện phép đo liên tục, nhanh chóng và chính xác cao Kết quả đo có thể được ghi lại hoặc truyền đạt qua các tín hiệu Nhiều tính chất của chất khí như tính dẫn nhiệt và tính hấp thụ ánh sáng được tận dụng để phục vụ cho quá trình phân tích khí hiệu quả.

* Phân tích khí dựa vào khả năng dẫn nhiệt

Theo lý thuyết nhiệt động học, khả năng dẫn nhiệt của chất khí phụ thuộc vào việc truyền năng lượng qua va chạm trực tiếp giữa các phân tử Trong quá trình này, không có sự truyền năng lượng qua các chùm tia Các phân tử trong vùng có nhiệt độ cao sẽ chia sẻ năng lượng cao của chúng với các phân tử trong vùng có nhiệt độ thấp.

Khả năng dẫn nhiệt đợc đánh giá bằng hệ số dẫn nhiệt nh: dl Z

Trong đó: - γ hệ số dẫn nhiệt.

A diện tích truyền năng lợng - t- nhiệt độ.

Trong phương pháp phân tích khí dựa vào khả năng dẫn nhiệt, sự khác biệt trong khả năng dẫn nhiệt của các thành phần khí trong hỗn hợp được tận dụng để đo lường Phương pháp này cho thấy rằng các thành phần khí cần nhận diện có khả năng dẫn nhiệt rõ rệt khác biệt so với các thành phần khác.

Hệ số dẫn nhiệt của các khí và hơi như CO2, H2, SO2, O2 và N2 có sự khác biệt đáng kể, như được thể hiện trong Bảng 2.2.

Bảng 2.2: Hệ số dẫn nhiệt của một số khí và hơi ở 0 o C và 100 o C

Khí γ ở 0 o C theo 10 6 cal/cmsđộ γở 100 o C theo 10 6 cal/cmsđộ

Vì vậy phơng pháp này thích hợp trớc tiên cho việc xác định CO2 trong khí cháy Trong khi đo cần phải chú ý rằng:

- Hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ

- Bị ảnh hởng bởi hơi nớc trong hỗn hợp không khí

- Khả năng dẫn nhiệt của chất khí trong phạm vi áp suất tiêu chuẩn 760 Torr cho đến 20 Torr là không phụ thuộc vào áp suất

- Khả năng dẫn nhiệt của hỗn hợp khí phải đợc xác định rõ ràng trong nhiều loại khí

* Phân tích khí bằng phơng pháp từ tính

Nguyên lý của phương pháp từ tính dựa vào khả năng từ hóa của các thành phần khí khác nhau để thực hiện phân tích khí Có hai phương pháp đo dựa vào khả năng từ hóa: đo trực tiếp và phương pháp nhiệt động học.

* Phân tích khí theo phơng pháp hấp thụ ánh sáng

Các thiết bị đo thành phần khí thải

Bộ phân tích hồng ngoại không tán sắc (NDIR)

Bộ phân tích hồng ngoại không tán sắc hoạt động dựa trên khả năng hấp thụ bức xạ hồng ngoại của một số chất khí trong dải bước sóng hẹp Cụ thể, khí CO hấp thụ mạnh nhất ở bước sóng 4,7μm, khí CO2 ở 4,3μm, và khí HC có giá trị tương ứng là 3,3μm.

Nguyên lý hoạt động của buồng đo NDIR được minh họa qua hình 2.5, bao gồm các thành phần chính như nguồn phát tia hồng ngoại 5, ngăn hấp thụ 2 cho phép khí thử nghiệm đi qua, ngăn so sánh 7 chứa khí trơ (N2) đặt song song với ngăn hấp thụ, cùng với đĩa quay tạo xung 8 kết nối với mô tơ điện và bộ thu 9.

Bộ thu 9 bao gồm hai ngăn được ngăn cách bởi một màng mỏng có gắn cảm biến lưu lượng hoặc cảm biến áp suất, chứa mẫu khí cần phân tích như CO và CO2 Tia hồng ngoại đi qua ngăn hấp thụ 2 sẽ vào ngăn bên trái, trong khi tia hồng ngoại từ ngăn so sánh 7 sẽ vào ngăn bên phải Khi khí mẫu đi qua, áp suất giữa hai ngăn sẽ khác nhau do mức độ hấp thụ không đồng nhất, dẫn đến sự chuyển dịch dòng khí giữa hai ngăn Mức độ chuyển dịch này được ghi nhận bởi cảm biến lưu lượng hoặc cảm biến áp suất và tỷ lệ với mật độ CO, CO2 trong khí mẫu Đĩa quay tạo xung có tác dụng điều biến tín hiệu của cảm biến trong bộ thu 9 Bộ phân tích hồng ngoại không tán sắc dễ bị nhiễu bởi hơi nước trong khí thải, vì các phần tử nước hấp thụ tia hồng ngoại trên dải bước sóng rộng Do đó, khi sử dụng bộ phân tích NDIR để đo khí thải, người ta thường sử dụng bộ làm mát để tách nước và làm khô khí thải.

Hình 2.5 Nguyên lí buồng đo NDIR

1- Khí ra; 2- Ngăn hấp thụ; 3- Khí vào; 4- Bộ lọc quang; 5- Nguồn hồng ngoại; 6- Tia bức xạ hồng ngoại; 7- Ngăn so sánh; 8- Đĩa quay tạo xung; 9- Bộ thu.

Bộ dò quang hoá (CLD)

Bộ dòng quang hoá hoạt động dựa trên phản ứng giữa NO với O3:

Sản phẩm của phản ứng là NO2 và O2, trong đó một số phân tử NO2 ở trạng thái kích thích Khi trở về trạng thái bình thường, chúng phát ra năng lượng dưới dạng ánh sáng (quang hóa) Bộ dò (ống nhân quang) sẽ xác định năng lượng ánh sáng phát ra, giá trị này tương ứng với nồng độ NO có trong khí mẫu thử.

Sơ đồ nguyên lý của bộ dò quang hóa được trình bày trong hình 2.6, trong đó ozon (O3) được tạo ra từ O2 qua quá trình phóng điện cao thế trong điều kiện áp suất thấp Ozon sau đó đi vào buồng phản ứng qua cửa 2 Khi mẫu khí thải cần đo được đưa vào buồng phản ứng qua cửa 3, ánh sáng phát ra từ quá trình phản ứng sẽ được bộ thu ghi nhận qua bộ lọc 5.

Hình 2.6 Sơ đồ bộ dò quang hoá (CLD) 1- Buồng phản ứng; 2- Ozon vào; 3- Khí thải vào; 4- Khí thải ra; 5- Lọc; 6- Bộ dò

Theo phản ứng trên thì bộ dò quang hóa chỉ có thể xác định đợc thành phần

NO, trong khi đó các luật khí thải đều quy định hạn chế lợng phát thải NO và NO2

(gọi chung là NOx) do đó khí thải mẫu trớc khi đi vào buồng phản ứng cần đi qua bộ chuyển đổi NO2thành NO.

Sơ đồ thiết bị xác định NO/NOx dùng bộ dòng quang hoá đợc trình bày trên h×nh 2.7

Sơ đồ nguyên lý bộ dò ion hóa ngọn lửa cho thấy khí thải được dẫn vào qua cửa 5, hòa trộn với khí nhiên liệu H2/He từ cửa 6 trước khi được đốt cháy trong buồng đốt bởi bộ đánh lửa 7 Oxy cho quá trình cháy được lấy từ không khí qua cửa 4, và quá trình này tạo ra các ion carbon, được thu thập bởi điện cực.

Bộ khuếch đại 3 thu nhận và chuyển đổi tín hiệu thành điện, giúp truyền tải ra ngoài Lượng điện tích ghi nhận tương ứng với mật độ hydrocarbon (HC) có trong thành phần khí thải đưa vào buồng đo.

Hình 2.7 Sơ đồ thiết bị xác định thành phần NO/NO x

Máy đo độ đục

Máy đo độ đục (Opacimeter) được sử dụng để xác định mức độ ô nhiễm không khí, đặc biệt là từ khí thải động cơ Diesel Thiết bị này có buồng đo với chiều dài cố định, nơi không khí ô nhiễm được đưa vào Độ đục của khí thải được tính toán dựa trên sự giảm cường độ sáng giữa nguồn sáng và bộ thu, theo định luật Beer Lambert.

N = 100.(1- e -kL ) Trong đó: N- giá trị độ đục, %;

Hình 2.8 Nguyên lí bộ dò ion hoá ngọn lửa(FID)

1 Khí ra; 2 Điện cực góp; 3.Bộ khuếch đại; 4 Không khí; 5 Khí vào;

6 Khí nhiên liệu; 7 Bộ đánh lửa

1 ở đây: Io- cờng độ ánh sáng của nguồn

I –cờng độ ánh sáng ghi nhận đợc tại bộ thu

Sơ đồ một buồng đo độ đục theo phơng pháp hấp thụ đợc chỉ ra trên hình

2.9 Khí thải lấy từ ống xả đi vào chính giữa buồng đo đợc sấy nóng bằng bộ sấy 6 để đảm bảo không có chất lỏng trong buồng đo gây ra sai số đo Cờng độ sáng của nguồn 2 và bộ thu 7 đợc ghi nhận và xử lí bởi bộ phân tích điện tử và hiển thị 8 Giá trị hiển thị là hệ số hấp thụ k ( m -1 ) hoặc giá trị độ đục N (%).

Máy kiểm tra độ khói

Máy kiểm tra độ khói, hay còn gọi là Smokemeter, được sử dụng để đánh giá mức độ bồ hóng trong khí thải bằng cách xác định mức độ ô nhiễm trên tấm giấy lọc tiêu chuẩn.

Sơ đồ nguyên lí của một máy kiển tra độ khói đợc chỉ ra trên hình 2.10

Hình 2.9.Nguyên lí máy đo độ đục theo phơng pháp hấp thụ

1 Đầu dò nối ống xả; 2 Đèn LED xanh; 3 Quạt; 4 Xả khí để hiệu chuẩn;

5 Van hiệu chuẩn; 6 Bộ sấy; 7 Bộ thu 8 Bộ phân tích điện tử và hiển thị

Sơ đồ 2.10 Máy kiểm tra độ khói theo phơng pháp hoá học

1 G- iấy lọc; 2- Kẹp giấy lọc; 3- Quang kế phản xạ; 4- Tời giấy; 5 L- u lợng kế;

6 V- an chuyển để xả khí; 7- Bơm

Khí thải được bơm hút qua kẹp giấy lọc, với lượng khí được kiểm soát bởi lưu lượng kế và thời gian bơm Sau khi đạt thể tích định trước, tấm giấy lọc bẩn sẽ được chuyển qua quang kế phản xạ để xác định mức độ đen, từ đó chuyển đổi thành mật độ bồ hóng trong khí thải, chỉ số khói FSN hoặc mức độ ô nhiễm (%) Độ đen (Paper Blackening - PB) cho biết mức độ làm đen của tấm giấy lọc và được đo bằng quang kế phản xạ, với giá trị 0 cho tấm giấy lọc trắng và giá trị tối đa cho tấm giấy lọc đen tuyệt đối.

Chỉ số khói (Filter Smoke Number - FSN) tương tự như độ đen P-B nhưng tính đến thể tích khí thải qua tấm giấy lọc, được đặc trưng bằng chiều dài hiệu quả của thiết bị Cụ thể, FSN bằng P-B khi chiều dài hiệu quả Leff đạt 405 mm trong điều kiện áp suất 1 bar và nhiệt độ 25 độ C Đối với các chiều dài hiệu quả khác, giá trị tiêu chuẩn này có thể được chuyển đổi giữa P-B và FSN thông qua bảng và đồ thị.

Mật độ bồ hóng (soot concentrasion) [mg/m 3 ] ở điều kiện áp suất 1 bar và nhiệt độ 25 o C đợc xác định từ giá trị FSN

Mức độ ô nhiễm (Pollution Level PL) thờng đợc sử dụng ở các nớc Châu - á để đánh giá mật độ bồ hóng trong khí thải

Trong đó: RA - độ sáng tuyệt đối của mẫu, xác định bằng cách so sánh với một giá trị độ sáng tiêu chuẩn (thờng là oxide magie).

Thiết bị phân tích khí xả Trolley TRO- 8040

1 Giới thiệu chung về nguyên lí đo

Máy phân tích khí xả động cơ xăng được thiết kế để đo lường các thành phần chính trong khí thải của xe ô tô và xe máy, bao gồm CO (carbon monoxide), CO2 (carbon dioxide), HC (hydrocarbons), O2 (oxygen) và NOx (nitrogen oxides).

Công nghệ NDIR (Non Dispersive InfraRed light) được sử dụng để đo các thành phần khí như CO, HC và CO2, dựa trên nguyên lý đo hấp thụ ánh sáng hồng ngoại không tán sắc.

Việc đo NOx và O2 dựa trên nguyên lí điện hoá Máy sẽ đợc trang bị các cảm biến điện hoá để nhận biết đợc các thành phần khí này

Máy phân tích khí xả động cơ Diesel được thiết kế để đo tỷ lệ phần trăm độ khói (Opacity) và hệ số hấp thụ k Quá trình đo độ khói dựa trên nguyên lý hấp thụ ánh sáng.

Quá trình phân tích khí thải động cơ xăng được thực hiện ở chế độ không tải, trong khi đó, đo độ khói khí thải động cơ Diesel sử dụng phương pháp đo mẫu khí thải theo chu trình khí Đối với động cơ ở gia tốc tự do, chu trình này cần được thực hiện ít nhất 3 lần, và giá trị trung bình cộng của 3 lần đo cuối cùng sẽ được lấy làm kết quả chính xác.

Phơng pháp hệ số hấp thụ ánh sáng: )

Trong đó: k là hệ số hấp thụ ánh sáng của khí thải động cơ cháy do nén (m -1 )

N là độ khói của khí thải động cơ Diesel (%)

LA là chiều dài đờng sáng hiệu dụng (đoạn chùm sáng bị chắn bởi luồng khói), phụ thuộc vào kết cấu thiết bị đo.

Hình 2.11 Nguyên lí hấp thụ ánh sáng

1- đèn LED; 2- khí mẫu; 3- lọc quang học; 4 bộ dò; 5 bộ hiển thị; 6- - - độ rộng của chùm sáng đợc phát ra từ đèn LED; 7 độ sáng của đèn LED khi - qua khí mẫu; 8 tia sáng qua lọc-

Hình 2.11 mô tả nguyên lý hấp thụ ánh sáng, trong đó đèn LED phát ra chùm sáng có bước sóng nhất định Khi chùm sáng đi qua khí mẫu 2, bước sóng sẽ bị giảm, làm giảm độ sáng Chẳng hạn, khí carbon oxide làm giảm bước sóng ánh sáng trong dải 4,40 đến 4,76 µm Chùm sáng tiếp tục đi qua lọc quang 3, chỉ cho phép tia sáng trong một dải nhất định đi qua Sau khi qua lọc, tia sáng sẽ đến bộ dò 4, nơi bộ dò cảm nhận và tạo ra điện áp tương ứng với nồng độ khí cần phân tích trong mẫu khí xả Điện áp này được hiển thị trên màn hình của bộ hiển thị 5.

3 Cấu tạo chung của thiết bị Trolley TRO-8040

TRO-8040 được cấu thành từ các thiết bị phân tích khí xả, bao gồm AGS 8020 dành cho động cơ xăng và OPA-8030 cho động cơ Diesel, cùng với một pin và bộ sạc độc lập.

Hình 2.13 Môdul phân tích khí xả động cơ xăng

Hình 2.14 Môdul đo độ khói động cơ Diesel

Hình2.12 hình dáng bên ngoài

Trên Trolley có một công tắc chính và các đèn báo quan trọng, bao gồm đèn báo trạng thái pin, đèn báo nguồn của TRO 8040 và đèn báo kết nối không dây.

4 (h×nh 1.15) a Thiết bị phân tích khí xả động cơ xăng AGS - 8020

Thiết bị phân tích khí xả động cơ xăng được đặt ở ngăn đầu tiên của Trolley, cho phép hoạt động đơn giản nhờ vào nguồn cấp từ công tắc chính Tín hiệu được truyền dẫn qua bộ kết nối không dây lắp ở phía sau Trolley Hình 2.16 và hình 2.17 minh họa cấu tạo mặt trước và mặt sau của thiết bị AGS 8020.

Hình 2.15 Phía trên của TRO- 8040

Hình 2.16 Mặt trớc của thiết bị AGS 8020-

1- Cổng kết nối chơng trình; 2 Cổng kết nối cho cảm biến oxy; 3- - Đầu khí ra; 4- Cổng kết nối 232; 5 Cổng kết nối cho xe buýt; 6- - Đầu lấy khí vào; 7- Bộ tách nớc

Hình 2.17 Mặt sau của thiết bị AGS- 8020

1- cổng lọc hoạt hoá cacbon; 2 đầu nớc ra; 3 đầu kết nối cho xe buýt; 4- - - đầu kết nối cho cảm biến tốc độ vòng tua và cảm biến nhiệt độ dầu Đầu hút khí xả Cuộn dây hút khí xả

Lọc sơ cấp Hình 2.18 Các phụ kiện kèm theo của AGS- 8020 b Thiết bị phân tích khí xả động cơ Diesel (OPA - 8030)

Thiết bị phân tích khí xả động cơ Diesel được lắp đặt ở ngăn thứ hai của Trolley TRO-8040 Hoạt động của thiết bị này rất đơn giản, nó nhận nguồn từ công tắc chính và truyền tín hiệu qua bộ kết nối không dây được gắn ở phía sau Trolley TRO-8040.

Hình 2.19 và hình 2.20 cho biết các cổng kết nối ở mặt trớc và mặt sau của thiết bị OPA- 8030 Hình 2.21 là cá phụ kiện kèm theo của thiết bị.

Hình 2.19 Mặt trớc của thiết bị OPA- 8030.

1- cổng kết nối cho đầu thu khói (đầu vào); 2 cổng kết nối chơng trình;-

3- cổng kết nối Omnibus; 4 cổng kết nối 232.-

Hình 2.20 Mặt sau của thiết bị OPA-8030 a c

Hình 2.21 trình bày các phụ kiện đi kèm của thiết bị OPA-8030, bao gồm đầu thu khói và dây dẫn, đầu tháo rời loại 1, đầu tháo rời loại 2, và thêu kính mếu Ngoài ra, thiết bị kiểm tra tốc độ MGT 300 BLUE cũng được giới thiệu.

Thiết bị kiểm tra tốc độ MGT-300 BLUE được đóng gói trong hộp nhựa, đi kèm với bộ cáp kiểm tra và đĩa CD cấu hình Thiết bị này được trang bị mô-đun không dây và phần mềm kết nối SW 8000 Khi bật công tắc của MGT-300 BLUE, người dùng sẽ thấy giao diện hiển thị như hình 2.23.

Bàn phím với các phím hai chức năng cho phép người dùng thực hiện hai tác vụ khác nhau: nhấn một lần để kích hoạt chức năng đầu tiên và nhấn lần thứ hai để kích hoạt chức năng thứ hai.

1- Phím lựa chọn số kì của động cơ: 2 hoặc 4 kì

2- Phím lựa chọn số xilanh của động cơ: 1, 2 , 3 , 4, 5, 6, 7, 8 mỗi lần bấm phím lựa chọn giá trị số xilanh sẽ thay đổi

3- Chức năng đọc giá trị số vòng có thể đợc thay đổi từ cảm biến điện từ sang dạng kẹp xung ắcquy

4- Màn hiển thị cho phép chuyển đổi hiển thị từ giá trị vòng quay sang giá trị nhiệt độ

5- Màn hình hiển thị mọi trạng thái giá trị

Mặt trên và mặt dới của thiết bị (hình 2.24 và 2.25) cho biết vị trí cá giắc cắm sau:

2- Giắc cắm cảm biến nhiệt độ.

3- Giắc cắm cảm biến điện từ.

4- Đầu ra của xung tốc độ

Các phụ kiện kèm theo của thiết bị đợc cho trên hình 2.26

Hình 2.22 Hộp đựng MGT 300 BLUE- Hình 2.23 Thiết bị MGT 300 BLUE-

Hình 2.26 Các phụ kiện kèm theo

1- Cáp nguồn; 2- Cáp cảm biến nhiệt độ; 3- Cáp cảm biến điện từ;

Lắp đặt thiết bị

Lắp đặt thiết bị phân tích khí xả động cơ xăng AGS - 8020 lên tro ฀ 8040

Tháo hai tấm bao (1) và tấm bảo vệ phía sau (2) của thiết bị TRO - 8040 một cách cẩn thận (hình 3.1) Đặt thiết bị phân tích khí xả động cơ xăng AGS - 8020 vào ngăn đầu tiên của trolley TRO - 8040 và căn chỉnh đúng vị trí như hình 3.2.

1.Tấm bao; 2 Tấm bảo vệ

Tiếp theo ta bắt chặt thiết bị AGS - 8020 vào TRO - 8040 bằng bốn vít nh hình 3.3, bắt chặt phần phía sau của AGS- 8020 bằng hai vít nh hình 3.4

Kết nối ống thoát nớc nh hình 3.5 và nối các cáp nối cho thiết bị nh hình 3.6

Lắp đặt thiết bị đo độ khói OPA- 8030 vào TRO - 8040

Để lắp đặt thiết bị kiểm tra độ khói OPA-8030 vào TRO 8040, trước tiên tháo tấm bảo vệ (1) và (2) như hình 3.1 Sau đó, đặt thiết bị vào ngăn thứ hai của TRO 8040, siết chặt các vít liên kết theo hình 3.7 và kết nối các giắc cắm như hình 3.8.

Lắp ắcquy cho TRO-

Phía dới của trolley TRO 8040 có khoang để lắp đặt ắcquy loại 12V 42Ah - -

(1) và bộ sạc của nó (2) cho phép sử dụng thiết bị mà không phải cấp nguồn từ bên ngoài (xem hình 3.8)

Nguồn điện được cung cấp cho thiết bị thông qua cổng màu đỏ ở phía sau của xe đẩy (trolley), đảm bảo thiết bị luôn có điện ngay cả khi chưa được bật (hình 3.9).

Quy trình sử dụng thiết bị

Các bớc kiểm tra

1 Khởi động động cơ theo số vòng quay cần đo

Kiểm tra các động cơ trớc khi đo

- Kiểm tra nớc làm mát

- Kiểm tra dầu bôi trơn

Khởi động động cơ khoảng 15 phút để nhiệt độ động cơ đạt đúng yêu cầu

2 Chạy phần mềm kiểm tra

Từ màn hình máy tính nháy kép vào chơng trình kiểm tra, màn hình máy tính chuyển sang dạng nh hình 3.19

Nhấn vào màn hình máy tính để chuyển sang giao diện mới Để kiểm tra khí thải động cơ xăng, nhấp chuột vào F1, và để kiểm tra độ khói của động cơ Diesel, nhấn F2 bên phải màn hình Sau đó, màn hình sẽ hiển thị dòng chữ “Please wait” Chờ một chút để màn hình chuyển sang giao diện tiếp theo.

Để bắt đầu quá trình đo, hãy chờ cho màn hình máy tính hiển thị hình 3.22 và nhấn phím F8 Khi đó, màn hình sẽ chuyển sang hình 3.2.3, nơi các thông số cần đo sẽ được hiển thị rõ ràng.

Hình 3.23 Các thông số của xe máy

Lúc này phía bên phải màn hình máy tính có các lựa chọn từ F1 đến F8 trong đó :

F1: lựa chọn này để in kết quả đo

F3: lựa chọn để ghi các thông số của ôtô, xe máy cần kiểm tra trong đó :

− Registrasion Number: sè ®¨ng ký

− Chassis No: sè khung xe

− Mileage: quãng đờng đã đi của xe

F4: lựa chọn nhiên liệu của xe

F5: lựa chọn số xilanh của động cơ

F6: lựa chọn số kì động cơ

F8: hiển thị dới dạng đồ thị dạng xung (hình 3.24), nháy tiếp chuột đợc dạng đồ thị dạng biểu đồ (hình 3.25)

Để thoát khỏi chương trình, nhấn chuột vào phím ESC ở góc phải màn hình Để in kết quả, hãy nhấn phím F1, lúc này màn hình máy tính sẽ hiển thị hình 3.26.

Hình 3.25 Các thông số của hiển thị dạng biểu đồ

Kết quả thực nghiệm

Xe máy

Kết quả đo của một số xe máy đợc thấy trong bảng 3.1

TT Tên xe Số đăng ký Mác xe Số Km RPM v/ph

TT Tên xe Số đăng ký Mác xe Số Km RPM v/ph

Ôtô

Kết quả đo của một số ôtô đợc thấy trong bảng 3.2

TT Tên xe Số đăng ký Mác xe Số Km RPM v/ph

Bảng tiêu chuẩn

Thành phần ô nhiÔm trong khÝ thải

Phơng tiện lắp động cơ cháy cỡng bức Phơng tiện lắp động cơ cháy do nén Ô tô Mô tô, xe máy

- Động cơ đặc biệt 3300 3300 3300 - - - §é khãi(% HSU) 72 60 50

Đồ thị mối quan hệ giữa chất gây ô nhiễm với quãng đường xe chạy

Hình 3.28 Mối quan hệ giữa CO và quãng đường của xe máy hãng HonDa

Hình 3.29 Mối quan hệ giữa HC và quãng đường của xe máy hãng HonDa

Hình 3.30 Mối quan hệ giữa CO và quãng đường của ôtô hãng KIA

G iớ i h ạn ch o p h é p G iớ i h ạn ch o p h é p

Hình 3.31 Mối quan hệ giữa HC và quãng đường của ôtô hãng KIA

Nhận xét, đánh giá kết quả ®o

Theo tiêu chuẩn Euro 2, xe có động cơ xăng phải tuân thủ giới hạn 4.5% hàm lượng carbon monoxide và nồng độ hydrocarbon không vượt quá 1200 ppm cho động cơ 4 kỳ, 7800 ppm cho động cơ 2 kỳ và 3300 ppm cho động cơ có kết cấu đặc biệt Việc áp dụng tiêu chuẩn này trong kiểm định sẽ xác định những xe đạt yêu cầu.

TT Loại xe kiểm tra Số lợng

Ghi chó Đạt Không đạt

Theo kết quả thực nghiệm, một số loại xe đạt tiêu chuẩn về CO nhưng không đạt tiêu chuẩn về HC, và ngược lại, có những loại xe đạt tiêu chuẩn về HC nhưng không đạt về CO.

- Số lợng xe không đạt tiêu chuẩn cả hai chỉ tiêu là CO và HC số lợng nh sau:

Dựa trên kết quả thực nghiệm đo lường, chúng tôi đã xây dựng đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa quãng đường xe chạy được và mức độ ô nhiễm từ các chất CO và HC Kết quả cho thấy sự tương quan rõ rệt giữa quãng đường di chuyển và nồng độ ô nhiễm, từ đó khẳng định tác động của việc sử dụng xe cộ đến môi trường.

Hầu hết các xe máy có quãng đường di chuyển dưới 18.000 Km đều đáp ứng tiêu chuẩn về khí thải CO và HC Ngược lại, những xe máy đã đi quãng đường lớn hơn 18.000 Km thường không đạt tiêu chuẩn này.

Hầu hết các ô tô có quãng đường di chuyển dưới 200.000 km đều đáp ứng tiêu chuẩn về CO và HC Tuy nhiên, khi quãng đường vượt quá 200.000 km, các xe thường không đạt tiêu chuẩn về hai chỉ số này.

Mặt khác qua các thí nghiệm cho thấy rằng: ,

- Chế độ khi xe khôngga, xe chạy cầm chừng: Lợng HC là chủ yếu

- Tăng dần ga: CO2 tăng, HC, CO giảm dần.

- Khi ga mạnh, giữ ổn định mức ga chủ yếu tồn tại CO

- Tại thời điểm ga đột ngột và khởi động tồn tại nhiều HC

- Giữ ga ở vị trí trung bình thì các thành phần CO, CH, CO2; O2 ổn định

Biện pháp để giảm chất thải gây ô nhiễm

Giáo dục và tuyên truyền

Việc đưa môn học ô nhiễm môi trường vào chương trình học ở bậc trung học cơ sở hoặc phổ thông trung học là rất cần thiết Môn học này sẽ cung cấp cho học sinh kiến thức cơ bản về ô nhiễm môi trường, đặc biệt là từ chất thải của ôtô và xe máy Qua đó, học sinh sẽ hiểu rõ hơn về tác hại của các chất gây ô nhiễm đối với con người và môi trường.

Tuyên truyền trên các phương tiện truyền thông về tác hại của ô nhiễm và các biện pháp giảm thiểu ô nhiễm là rất quan trọng Một trong những biện pháp hiệu quả là khuyến khích người dân sử dụng phương tiện công cộng, nhằm giảm thiểu số lượng ô tô và xe máy tham gia giao thông trên đường.

Chính phủ, bộ môi trờng kết hợp với bộ công an và đăng kiểm nghiêm khắc xử phạt những phơng tiện không đạt tiêu chuẩn khí thải.

Kiểm tra và bảo dỡng xe đúng định kì

S ố xe không đạt tiêu chuẩn khí thải là th i gian sờ ử ụng xe quá dài khoảng d

2 ÷ 3 năm, mặt khác do chất lượng nhiên liệu thấp, chế độ ả b o dư ng đỡ ịnh kỳ còn chưa thường xuyên

Khi xe đạt đến khoảng cách bảo dưỡng quy định, việc bảo trì hệ thống cung cấp nhiên liệu là rất quan trọng để giảm thiểu ô nhiễm Đối với động cơ sử dụng xăng, cần bảo dưỡng bộ chế hòa khí, hệ thống phun xăng điện tử, bơm xăng, và bầu lọc xăng Trong khi đó, đối với động cơ diesel, việc bảo trì bơm cao áp, bơm áp lực thấp, bầu lọc dầu và bầu lọc không khí là cần thiết.

Kết luận và khuyến nghị

Luận văn “Nghiên cứu, vận hành thiết bị phân tích khí thải TRO 8040” nhằm đánh giá chất thải ô nhiễm từ ôtô và xe máy Mục tiêu của nghiên cứu là thiết lập quy trình vận hành để đo lường và phân tích các chất thải gây ô nhiễm từ phương tiện giao thông này.

Nội dung của luận văn đã thực hiện đợc một số vấn đề nh sau:

1 Trình bày đợc khái quát về các chất gây ô nhiễm từ ôtô, xe máy ảnh hởng đến sức khoẻ con ngời và môi trờng Các tiêu chuẩn của Việt Nam và thế giới về nồng độ cho phép của các chất ô nhiễm trong khí xả và các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm của động cơ ôtô, xe máy

2 Đã đa ra đợc các phơng pháp đo và thiết bị đo thành phần chất thải gây ô nhiễm từ ôtô, xe máy

3 Từ phơng pháp thực nghiệm đo khí thải đã đa ra đợc quy trình sử dụng thiết bị để kiểm tra chất thải gây ô nhiễm từ ôtô, xe máy và có nhận xét, đánh giá về quá trình thực nghiệm

Trong quá trình làm luận văn, tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn nhiệt tình của các thầy trong khoa cơ khí - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đặc biệt, tôi rất biết ơn PGS.TS Nguyễn Viết Tiếp, người đã dành thời gian nghỉ hè quý báu để về Sao Đỏ - Chí Linh - Hải Dương, trực tiếp hướng dẫn và hỗ trợ tôi trong quá trình thực nghiệm.

Do hạn chế về công việc và phương tiện tại nơi thực nghiệm, tôi chỉ có thể kiểm tra 10 xe ô tô sử dụng động cơ xăng, trong khi động cơ Diesel chưa được thực nghiệm Tôi nhận thấy đây là một hạn chế lớn của đề tài Ngoài ra, với trình độ chuyên môn còn hạn chế, tôi rất mong nhận được ý kiến đóng góp từ các thầy để cải thiện và hoàn thiện đề tài hơn.

Tôi xin chân thành cảm ơn!