Nghiên ứu giảm thành phần độ hại trong khí thải động ơ đốt trong bằng phương pháp phản ứng xú tá trướ một phần nhiên liệu

Trong quá trình hoạt động các phơng tiện giao thông phát thải vào không khí một khối lợng lớn các loại khói, khí độc nh CO, CO2, hydrocacbon HC, NOx, SO2, khói Trang 10 Trung tâm sa

nhiªn liÖu

NguyÔn ThÕ L¬ng

Hµ Néi

Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội

nhiên liệu hydro

nhắc sử dụng cho động cơ đốt trong Nhiên liệu này có u điểm là cháy

rất thấp

một thành phần phụ gia cho nhiên liệu x ng hoặc diesel Với phơă ng pháp

liệu chính là x ng hoặc dieseă l Nhờ đặc tính cháy nhanh, hydro sẽ giúp đốt

Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội

hoạt động liên tục với hỗn hợp nhiên liệu nói trên

Trong đề tài tốt nghiệp này Em đa ra hớng nghiên cứu giảm thành phần

rất lớn và ngày càng phát triển mạnh và là nguyên nhân chính gây ra ô nhiễm môi trờng Do vậy Em đã chọn đối tợng nghiên cứu là động cơ xe máy Super Dream do Hon Da Việt Nam sản xuất với mục đích là sẽ góp phần giảm

đợc phần nào ô nhiễm do xe máy gây ra

Nội dung tốt nghiệp gồm hai phần, thứ nhất là nghiên cứu thiết kế bộ xúc tác nhiên liệu bằng khí thải để tạo nhiên liệu giàu hydro và tiếp theo là khảo

bảo cho em rất nhiều Cám ơn các thầy cô bộ môn động cơ đốt trong, phòng thí nghiệm động cơ đốt trong đã tạo mọi điều kiện về thời gian cũng nh trang thiết bị thí nghiệm để em có thể hoàn thành bản đồ án này

Học viên cao học

KS Nguyễn Thế Lơng

Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội

Mục lục

Lời mở đầu 1

Mục lục 3

Phần 1 Tổng quan về tình hình ô nhiễm và Cơ sở lý thuyết của quá trình xúc tác nhiên liệu 5

Chơng 1 Tình hình ô nhiễm môi trờng và sức ép giảm ô nhiễm khí thải động cơ 5

1.1 Tình hình ô nhiễm môi trờng do khí thải động cơ 5

1.2 Các tiêu chuẩn khí thải động cơ đốt trong 10

Chơng 2 Tổng quan về các biện pháp giảm thành phần ô nhiễm trong khí thải của động cơ đốt trong và mục đích nghiên cứu của đề tài 11

2.1 Đặc điểm phát thải của động cơ đốt trong 11

2.2 Các biện pháp giảm ô nhiễm khí thải 14

2.2.1 Giảm thành phần độc hại khí thải nhờ tối u hoá thiết kế động cơ 14

2.2.2 Giảm thành phần độc hại bằng biện pháp lý khí thải 18

2.2.3 Thay đổi cách sử dụng nhiên liệu và dùng nhiên liệu thay thế 25

2.2.4 Phơng pháp sản xuất hyđrô và nhiên liệu giàu hyđrô cho nhiên liệu thay thế 27

2.3 Mục đích và phạm vi nghiên cứu của đề tài 32

2.3.1 Mục đích của đề tài 32

2.3.2 Phạm vi nghiên cứu của đề tài 32

2.3.3 Động cơ nghiên cứu 32

Chơng 3 Mô hình toán nghiên cứu quá trình Sản Xuất hyđrô bằng phơng pháp biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu xăng 33

3.1 Giới thiệu chung 33

3.2 Các phản ứng xúc tác biến đổi nhiệt hóa của xăng 34

3.3 Tốc độ các phản ứng biến đổi nhiệt hóa của xăng 37

3.4 Các phơng trình cơ bản 40

3.4.1 Tính chất của khí 43

3.4.2 Hệ số trao đổi nhiệt và trao đổi chất 43

3.5 Kết quả tính toán 45

Chơng 4 thử nghiệm động cơ với bộ xúc tác nhiên liệu tận dụng nhiệt khí thải 48

4.1 Động cơ thử nghiệm 48

4.2 Thiết kế bộ xúc tác dùng cho động cơ xe Super Dream 49

4.2.1 Yêu cầu đối với bộ xúc tác 49

Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội

4.2.3 Tính lợng nhiên liệu cần thiết đa vào bộ xúc tác và lợng nhiệt

tiêu thụ 51

4.2.4 Thiết kế bộ xúc tác 53

Phần 2 Trang thiết bị thí nghiệm 55

Chơng 5 Giới thiệu chung về băng thử động lực dùng cho xe máy 55

5.1 Giới thiệu về băng thử cho xe máy 55

5.2 Cơ sở lý thuyết 57

5.2.1 Phép đo tốc độ 57

5.2.2 Phép đo lực 61

5.2.3 Xác định công suất của xe 64

5.3 Phép đo công suất qua phần mềm MMI 65

5.3.1 Thông số của đo công suất (Parameter 65) 65

5.3.2 Kết quả của phép đo tĩnh 66

Chơng 6 Giới thiệu chung Tủ phân tích khí thải dùng cho xe máy 67

6.1 Nguyên lý hoạt động của hệ thống 67

6.1.1 Nguyên lý làm việc của hệ thống đo CO 67

6.1.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống đo NO x và NO 69

6.1.3 Nguyên lý làm việc của hệ thống đo O 2 70

6.1.4 Nguyên lý làm việc của hệ thống đo C n H m 72

6.2 Đo thành phần khí thải theo thời gian thực 74

Phần 3 Kết quả thực hiện và đánh giá 77

Chơng 7 Kết quả Thí nghiệm 77

7.1 Kết quả thử nghiệm khi không lắp bộ xúc tác 77

7.2 Kết quả đo khi sử dụng biện pháp luân hồi khí thải 77

7.3 Kết quả đo khi sử dụng bộ xúc tác nhiên liệu 77

Chơng 8 Xử lý và đánh giá kết quả 78

8.1 Đặc tính ngoài và suất tiêu hao nhiên liệu 79

8.2 Hàm lợng CO trong khí thải động cơ 80

8.3 Hàm Lợng HC trong khí thải 81

8.4 Hàm lợng NO x trong khí thải 81

Chơng 9 Kết luận và hớng phát triển của đề tài 82

9 1 Két luận về đề tài 82

9 2 Hớng phát triển của đề tài 83

Tài liệu tham khảo 84

Phụ lục: Chơng trình giải mô hình toán quá trình biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu xăng để tạo nhiên liệu giàu hyđrô 87

Tóm tắt luận văn 99

Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội

PhầN 1 Tổng quan về tình hình ô nhiễm và Cơ sở lý

thuyết của quá trình xúc tác nhiên liệu

Chơng 1 Tổng quan Về tình hình ô nhiễm môi trờng và sức ép

giảm ô nhiễm khí thải động cơ

1.1 Tình hình ô nhiễm môi trờng do khí thải động cơ

1.1.1 Các thành phần ô nhiễm chính trong khí thải động cơ

Trong quá trình hoạt động các phơng tiện giao thông phát thải vào không khí một khối lợng lớn các loại khói, khí độc nh CO, CO2, hydrocacbon,

nhiên liệu mà khối lợng các chất thải độc hại chiếm tỷ lệ khác nhau trong khí xả

liệu Xe cộ là nguyên nhân chủ yếu gây ra độ tập trung CO cao ở các khu vực

xâm nhập vào cơ thể CO sẽ liên kết với hemoglobin trong máu, cản trở việc

đối với phụ nữ có thai và ngời mác bệnh tim mạch Trong nhiễm độc CO cấp tính nhẹ, có thể các triệu chứng: nhức đầu, buồn nôn, mệt mỏi, rối lọan thị giác Trong nhiễm độc cấp tính CO thể nặng, theo sự phát triển của tình trạng thiếu oxy trong máu và mô, hệ thần kinh hệ tim mạch sẽ bị tổn thơng, rối lọan hô hấp, liệt hô hấp dẫn tới tử vong

Trên toàn thế giới khoảng 15% CO2 trong không khí là do các phơng tiện

Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội

giao thông: Từ khí thải - - Thoát ra bằng cách bay hơi Thoát ra từ cacte ( - lợng này tuy thấp nhng lại chứa các hydrocacbon cấu tạo phức tạp, có khả năng gây ung th ở con ngời) Các hydrocacbon là những chất độc gây rối loạn hô hấp, ngay ở nồng độ thấp chúng cũng có thể làm sng tấy màng phổi, làm thu hẹp cuống phổi, làm viêm mắt, viêm mũi Hít phải hydrocacbon ở nồng độ 40 mg/L dẫn đến tức ngực, chóng mặt, rối loạn giác quan, gây cảm

họng và đờng hô hấp

- Các oxit nitơ (NOx) ở các khu đô thị, giao thông thải ra khoảng 50%

Methemoglobin (Met Hb), làm Hb không vận chuyển đợc oxy, gây ngạt cho cơ thể Sau một thời gian tiềm tàng dẫn tới phù phổi cấp, tím tái biểu hiện co giật và hôn mê Khi tiếp xúc với NOx ở các nồng độ thấp (nhiễm độc mãn tính) có các biểu hiện sau: kích ứng mắt, rối lọan tiêu hóa, viêm phế quản, tổn thơng răng

- Sunfua dioxit (SO2) Trong lĩnh vực ô nhiễm không khí, SO2 là chất ô nhiễm hàng đầu thờng đợc quy kết là một trong những nguyên nhân quan

Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội

còn gây tác hại cho cơ quan tạo máu (tủy, lách), gây nhiễm độc da, gây rối loạn chuyển hóa protein – đờng, gây thiếu các vitamin B và C, ức chế enzym oxydaza

- Khói đen, chì và các dạng hạt Động cơ diesel thải khói đen gấp 7,5 lần so với động cơ xăng Nguyên nhân gây ra khói đen của xe diesel là do nguyên liệu có nguyên tử cacbon Nguyên tử cacbon là nguyên nhân gây ra 90% hiện

gây nguy hiểm, không an toàn giao thông Chì là một trong những tác nhân gây ô nhiễm quan trọng nhất Chì có trong khí thải của động cơ xăng vì ngời

khí thải phân tán vào không khí, rất có hại cho sức khỏe của con ngời, gia súc và cây cối Xe diesel không chứa chì, nhng lại thải ra nhiều hạt lơ lửng

các bệnh nh viêm cuống phổi, hen suyễn Có một số hạt có khả năng gây ung th Chì xâm nhập vào đờng hô hấp, đờng da Độc tính của chì ở nồng độ cao đã đợc biết đến từ lâu Nhng, tác động của chì ở nồng độ thấp mới đợc

đánh giá một cách đầy đủ trong hai thập kỷ gần đây Do đó mà mức độ chì có thể chấp nhận đợc ngày càng trở nên thấp, và việc sử dụng xăng không pha chì ngày càng trở nên phổ biến ở nhiều nớc đã cấm hoàn toàn việc sử dụng

cacbon Bụi xâm nhập vào cơ thể chủ yếu qua đờng hô hấp Các hạt bụi có

xuống đờng hô hấp dới Phần lớn các hạt bụi có kích thớc từ 5 – 10 àm lu ở đờng hô hấp trên và khi tới phổi sẽ lắng đọng ô nhiễm do tác dụng của

hấp, đọng lại hầu hết ở phế nang Một số hạt đợc làm sạch bởi các màng nhầy, một số hạt lọt vào máu và một số nữa trở thành dị vật trong phổi Bụi kích thích cơ học gây khó khăn cho các hoạt động của phổi Chúng có thể gây

Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội

nên các bệnh đờng hô hấp, bệnh hen suyễn, viêm cuống phổi, bệnh viêm cơ phổi, trớc hết là các dạng bệnh bụi phổi Tiếng ồn Tiếng ồn là dạng ô nhiễm phổ biến ở các đô thị Trong các nguồn sinh ra tiếng ồn ở đô thị thì các phơng tiện giao thông vận tải đóng vai trò chủ yếu: 60 – 80 % nguồn sinh ra

thuộc vào tình trạngkỹ thuật xe Nếu xe đợc bảo dỡng tốt, tình trạng máy

tác giữa lốp xe và mặt đờng, nhiều lúc cả tiếng la hét của phụ xe đã gây giật

toàn bộ cơ thể nói chung và cơ quan thính giác nói riêng.Tiếng ồn mạnh, thờng xuyên gây nên bệnh đau đầu, chóng mặt, cảm giác sợ hãi, bực tức vô

cớ, trạng thái tâm thần bất ổn, mệt mỏi Tiếng ồn gây ra những thay đổi trong

hệ thống tim – mạch, kèm theo sự rối loạn trơng lực mạch máu, rối loạn

1.1.2 Tình hình ô nhiễm môi trờng do khí thải động cơ trên thế giới và ở Việt Nam

Môi trờng sống của nhân loại đang ngày càng bị ô nhiễm nặng do chính các chất thải từ các hoạt động của con ngời gây ra, mà một trong các nguồn chất thải đó là khí thải của các phơng tiện giao thông cơ giới Trong quá trình hoạt động các phơng tiện giao thông phát thải vào không khí một khối lợng

đen, chì và các chất thải dạng hạt khác Các thành phần chất thải này không những gây tác hại trực tiếp cho sức khỏe con ngời mà về lâu về dài còn phá hoại cả thế giới sinh vật đang nuôi sống con ngời

Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội

Tùy theo loại động cơ và loại nhiên liệu sử dụng mà khối lợng các thành phần chất thải độc hại chiếm các tỷ lệ khác nhau heo số liệu thống kê ở Mỹ, T các chất ô nhiễm phát thải từ các phơng tiện này chiếm 40ữ50% tổng hàm

xảy ra vấn đề tơng tự

Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển của kinh tế thì tình hình

ô nhiễm môi trờng cũng ngày càng trầm trọng do số lợng động cơ sử dụng ngày càng nhiều Trung bình hàng năm thế giới sản xuất thêm trên 40 triệu chiếc động cơ, mức độ phát triển ô tô, xe máy ngày càng mạnh, đặc biệt là tại các khu đô thị của Châu á Không kiểm soát khí thải, các loại phơng tiện này thải ra môi trờng một lợng đáng kể các chất hyđrôxit các bon (HC), ôxít cácbon (CO) và khói bụi Các chất này góp phần quan trọng gây ô nhiễm không khí tại rất nhiều nớc ở Châu á, nơi mà xe 2-3 bánh chiếm phần lớn đội

xe cơ giới Trên thế giới đội xe 2và 3 bánh gia tăng với 7 triệu chiếc mỗi năm dựa trên con số bán ra là 20 triệu xe và thôi không sử dụng là 13 triệu xe hàng năm Những nớc có mật độ xe đông nhất là Đài Loan, Trung Quốc, Thái Lan, Malaysia và ấn Độ Các nớc ở Châu á đang chú tâm đến các vấn đề ô nhiễm do số lợng lớn xe máy gây ra

Tại Việt Nam, tình trạng ô nhiệm môi trờng do khí thải động cơ mặc dù cha nghiêm trọng nh các nớc phát triển vì số lợng phơng tiện giao thông vận tải cơ giới còn cha nhiều so với họ nhng cũng đã đến mức đáng lo ngại Theo số liệu cập nhật tháng 5 năm 2002, số lợng phơng tiện giao thông-chỉ tính phơng tiện giao thông cơ giới đờng bộ ở Việt Nam đã là trên 10.000.000 xe gắn máy, trên 600.000 xe ô tô các loại và số lợng phơng tiện giao thông này vẫn đang gia tăng một cách nhanh chóng, đặc biệt ở hai đô thị

giao thông Hà Nội, tại thời điểm cuối năm 2006, số lợng ô tô đăng ký lu

Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội

hành ở Hà Nội vào khoảng 175.000 chiếc, xe máy vào khoảng 1,76 triệu chiếc, ở thành phố Hồ Chí Minh, con số còn cao hơn nhiều Và đến thời điểm này, cả nớc có đến 16 triệu xe máy (chiếm tới 96% số đầu phơng tiện cơ giới đang lu hành), và có khoảng trên 600.000 ôtô Nếu tính bình quân một

ôtô có dung tích xilanh là 2.5 lít, và một xe máy là 0,1 lít thì 25 xe máy sẽ tơng đơng một ôtô Nh vậy 16 triệu xe máy cũng sẽ xả ra một lợng khí thải bằng khoảng 640.000 ôtô Cha kể trong đô thị, xe máy sẽ có thời gian lăn bánh nhiều hơn vì là phơng tiện cơ động của ngời dân

Hình ảnh các xe máy cũ nát, xả khói đen sì, mù mịt không phải là cảnh khó gặp tại các đô thị hiện nay Trong khi đó, lợng khí thải này cha hề đợc kiểm soát và cũng cha có lộ trình loại bỏ xe cũ Hơn nữa, lợng xe máy cũng không ngừng tăng trong khi chất lợng thì ngày càng hạ Xe máy Trung Quốc với giá chỉ vài triệu đồng, động cơ không đủ độ kín và bền sẽ là nguồn ô nhiễm tiềm tàng trong thời gian tới

Với thực tế này thì chẳng bao lâu nữa bầu không khí của chúng ta cũng sẽ

bị nghẹt thở vì bị ô nhiễm bởi các thành phần độc hại từ khí thải và từ việc sử dụng động cơ nếu không áp dụng ngay các biện pháp giảm các thành phần

động hại này

1.2 Các tiêu chuẩn khí thải động cơ đốt trong

Với sự nhận biết sâu sắc về tác hại của các chất ô nhiễm trong khí thải

động cơ đối với sức khỏe con ngời và môi trờng nh trên, vào những năm cuối thập kỷ 60, lợng khí thải từ các phơng tiện giao thông cơ giới đã bắt

đầu đợc qui định dới dạng luật bởi các nhà làm luật ở Mỹ, Châu Âu và Nhật Bản để hạn chế, và các tiêu chuẩn khí thải đó ngày càng nghiêm ngặt hơn Ví

dụ, sự thay đổi về tiêu chuẩn khí thải của Mỹ áp dụng cho động cơ đốt trong lắp trên xe tải nhẹ dùng nhiên liệu xăng theo thời gian đợc giới thiệu trên bảng 1-1

Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội

Bảng 1 1 Sự thay đổi của các tiêu chuẩn về khí thải ở mỹ đối với các phơng tiện vận tải nhẹ dùng xăng và đã hoạt động 5 năm (hoặc 50.000mile)[3]

Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội

khoảng 83%, các khí còn lại là ô xít carbon (CO), các bon níc (CO2),

phần này phụ thuộc vào loại nhiên liệu xăng đợc sử dụng

- Các khí rò lọt: bao gồm những khí rò lọt qua khe hở giữa pít tông và xi

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

muội than là những chất chất nguy hại Sự hình thành các chất độc hại này liên quan đến quá trình cháy và đặc điểm của nhiên liệu sử dụng bởi vì quá trình cháy trong động cơ đốt trong là quá trình ô xi hoá nhiên liệu, giải phóng nhiệt năng và quá trình này diễn ra trong buồng cháy động cơ theo những cơ chế hết sức phức tạp và chịu ảnh hởng của nhiều thông số nh thành phần giữa không khí và nhiên liệu, điều kiện cháy v.v ở điều kiện lý tởng, sự đốt cháy hoàn toàn của nhiên liệu Hydrocacbon với Oxy trong không khí sẽ sinh

phản ứng cháy dới đây:

Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội

hoàn toàn Nồng độ các thành phần trong khí thải thay đổi tuỳ thuộc vào kiểu loại động cơ, và đặc biệt là phụ thuộc vào điều kiện vận hành động cơ

Sự tạo thành CO là sự đốt cháy không hoàn toàn của nhiên liệu trong xylanh do thiếu không khí Hàm lợng CO tăng khi hệ số d lợng không khí

α giảm <1 Nồng độ CO cao hơn với hỗn hợp giàu nhiên liệu hơn Một nguyên nhân nữa là sự hoà trộn không đều giữa nhiên liệu và không khí hoặc

nhng vẫn có những khu vực cháy trong xi lanh thiếu không khí, dẫn đến sự tạo thành CO

Chất thải Hydrocacbon cha cháy HC cũng là do sự cháy không hoàn toàn của nhiên liệu trong xylanh động cơ gây ra Nguồn chính của khí thải HC

là do nhiên liệu thoát khỏi sự cháy trong buồng cháy của động cơ do quá trình chuyển tiếp nhiên liệu nạp, do các khe hở, do sự nén hỗn hợp cha cháy vào các khe giữa đầu pít tông và xi lanh trong quá trình nén khi áp suất cao và sự giải phóng hỗn hợp này vào hỗn hợp đã cháy trong xi lanh ở thời kỳ giãn nở khi áp suất giảm Màng dầu bôi trơn cũng là nguyên nhân gây ra HC trong khí thải, màng dầu hấp thụ HC trong quá trình nén và giải phóng HC vào khí cháy trong quá trình giãn nở Một phần Hydrocacbon này đợc ôxyhoá khi đợc trộn với khí đã cháy trong quá trình giãn nở và quá trình xả, phần còn lại thải

ra ngoài cùng với khí thải nên gây ra sự phát thải HC Mức độ ôxyhóa HC phụ thuộc vào các điều kiện và chế độ vận hành động cơ nh là tỷ số giữa nhiên liệu và không khí, tốc độ động cơ, tải, góc đánh lửa Sự đánh lửa muộn hơn thích hợp để ôxy hoá HC sau quá trình cháy Nguồn phát sinh khác của HC là

sự cháy không hoàn toàn trong một phần của chu kỳ vận hành của động cơ (hoặc là đốt cháy từng phần hoặc hiện tợng bỏ lửa hoàn toàn) xảy ra khi chất lợng đốt cháy kém Hàm lợng HC cha cháy trong khí thải chủ yếu phụ thuộc vào tỷ lệ không khí và nhiên liệu Nồng độ của chúng tăng khi hỗn hợp

Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội

tăng do đốt cháy không hoàn toàn hoặc hiện tợng bỏ lửa trong một phần của các chu kỳ vận hành động cơ

Các chất oxit nitơ NO, dioxit nitơ NO2, và protoxit nitơ N2O đợc gọi

thải NOx đợc hình thành ở nhiệt độ cháy cao Trong buồng cháy động cơ, dới áp suất cao, bề dày màng lửa không đáng kể và tồn tại trong thời gian

2.2 Các biện pháp giảm ô nhiễm khí thải

Nhìn chung các biện pháp kiểm soát lợng khí thải độc hại có thể chia thành ba nhóm chính:

- Nhóm thứ nhất bao gồm các biện pháp giảm tối thiểu nồng độ độc hại bằng cách tối u hoá chất lợng đốt cháy thông qua việc tối u hoá kết cấu

động cơ

thải thành khí trơ trớc khi thải ra ngoài môi trờng bằng cách sử dụng các phơng pháp xử lý xúc tác

- Nhóm thứ ba bao gồm các biện pháp liên quan đến cách thức sử dụng nhiên liệu truyền thống và sử dụng nhiên liệu thay thế

2.2.1 Giảm thành phần độc hại khí thải nhờ tối u hoá thiết kế động cơ a) Kiểm soát chính xác tỷ lệ giữa không khí và nhiên liệu trong động cơ xăng

Tỷ lệ giữa không khí và nhiên liệu có ảnh hởng lớn đối với khí xả trong

độ của CO và HC cao hơn Ngày nay, trong động cơ phun xăng sử dụng hệ

Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội

thống điều khiển điện tử, tỷ lệ giữa không khí và nhiên liệu đợc điều khiển gần với chế độ lý tởng trong điều kiện vận hành ổn định nên nồng độ độc hại trong khí thải ít hơn và các tính năng của động cơ tốt hơn các động cơ dùng bộ chế hoà khí thông thờng Tuy nhiên, mức độ điều khiển chính xác hệ số d

giữa không khí và nhiên liệu giữa các xi lanh, đặc biệt là trong giai đoạn vận hành chuyển tiếp Để khắc phục những vấn đề này, trong một số động cơ, tỷ lệ giữa không khí và nhiên liệu đợc điều khiển hoàn toàn độc lập trong mỗi xi lanh của động cơ, thay thế hệ thống phun xăng đa điểm cho phun xăng đơn

ứng tức thời theo thời gian

Các động cơ sử dụng hỗn hợp nghèo có thể đạt đợc cả yêu cầu về nồng

độ độc hại thấp và suất tiêu hao nhiên liệu thấp Tuy nhiên, do giới hạn cháy của hỗn hợp xăng với không khí rất hẹp nên để mở rộng phạm vi này, ngời ta thiết kế động cơ sử dụng đờng nạp theo kiểu tạo xoáy lốc, buồng cháy có hình dạng đặc biệt để tạo ra sự xoáy lốc trong xi lanh động cơ, do vậy cải thiện đợc tốc độ cháy và tăng đợc giới hạn cháy nghèo Các nghiên cứu cho thấy đốt cháy hỗn hợp phân lớp cho phép cải thiện đợc nồng độ khí xả độc hại cũng nh suất tiêu hao nhiên liệu và tăng giới hạn đốt cháy nghèo Tuy nhiên, khi sử dụng hỗn hợp nghèo thì khả năng ổn định cháy thấp và hiệu quả chung của bộ xúc tác 3 chức năng không cao

Hỗn hợp không đồng nhất cũng gây nên lợng khí thải CO, HC cao bởi vì

nó gây ra sự sai lệch cục bộ giữa các xi lanh về tỷ lệ giữa không khí và nhiên liệu tại thời điểm đốt cháy Việc giảm bớt nhiên liệu ở dạng hạt vào trong xi lanh của động cơ bằng cách phân tử hoá nhiên liệu và tăng bay hơi của nhiên liệu tại cửa nạp động cơ để đạt đợc mức độ đồng nhất cao hơn, sẽ làm giảm

đáng kể lợng CO, HC ở giai đoạn khởi động, việc sấy nóng nhanh buồng đốt nhờ sấy nóng nớc làm mát cũng làm giảm nồng độ khí thải độc hại

Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội

Nhìn chung, việc kiểm soát hỗn hợp để đạt đợc hỗn hợp ở điều kiện lý tởng, hỗn hợp nghèo và hỗn hợp đồng nhất là những nhân tố quyết định để giảm lợng khí thải độc hại ngay từ bên trong động cơ Tuy nhiên, điều này chỉ có thể đạt đợc và chỉ có thể áp dụng đợc ở điều kiện vận hành ổn định, Trong giai đoạn khởi động và giai đoạn chuyển tiếp tăng tải hoặc tăng tốc phải cung cấp hỗn hợp giầu nhiên liệu để bù vào phần nhiên liệu ngng tụ trên thành xi lanh động cơ để duy trì khả năng làm việc của động cơ theo yêu cầu,

điều này sẽ làm tăng lợng khí thải CO và HC mà không thể tránh khỏi đợc

b) Điều khiển sự đánh lửa muộn trong động cơ xăng hoặc phun nhiên liệu muộn trong động cơ diesel

Phơng pháp này dựa trên lý thuyết động cơ đốt trong và việc phân tích chu trình nhiệt động động cơ Trong động cơ đốt trong, thời điểm đánh lửa tốt nhất trong động cơ xăng hoặc phun nhiên liệu trong động cơ điezen là thời

điểm đánh lửa hoặc phun nhiên liệu mà động cơ phát ra công suất cao và suất tiêu hao nhiên liệu thấp và làm việc ổn định Đánh lửa muộn hay phun nhiên liệu muộn sẽ dẫn tới công suất động cơ giảm, suất tiêu hao nhiên liệu tăng và

sự mất nhiệt cho khí xả tăng Đánh lửa muộn hay phun nhiên liệu muộn sẽ làm chậm quá trình đốt cháy trong xi lanh, làm quá trình cháy kéo dài sang hành trình giãn nở Do vậy, nhiệt năng chuyển hoá thành cơ năng ít hơn trong khi nhiệt thải ra khí xả nhiều lên Nguyên lý này có thể đợc áp dụng để tăng năng lợng khí xả, rút ngắn thời gian chạy ấm máy và khởi động bộ xử lý xúc

bằng cách điều khiển mức độ và thời gian đánh lửa muộn trong giai đoạn này Phơng pháp này đã đợc nghiên cứu trên động cơ phun xăng điều khiển

gian khởi động bộ xúc tác cũng giảm đáng kể Kết quả là lợng khí thải độc hại ra khỏi ống thải động cơ giảm đi rõ rệt

c) Tối u hoá buồng cháy

Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội

Việc thiết kế buồng cháy có ảnh hởng rất lớn tới tính năng và hàm lợng khí xả độc hại của động cơ xăng Buồng cháy có tỷ lệ giữa diện tích bề mặt tiếp xúc và thể tích nhỏ sẽ giảm đợc ảnh hởng của hiện tợng dập tắt màng lửa tại thành xi lanh trong giai đoạn chạy ấm máy, vì vậy giảm đợc lợng khí xả HC Kiểu buồng đốt này cũng giảm đợc ảnh hởng của sự không đồng

đều của hỗn hợp nên giảm đợc sự tạo thành khí thải độc hại Giảm tối thiểu thể tích khe hẹp phía trên xéc măng thứ nhất giữa đầu pít tông và thành xi lanh cũng làm giảm lợng HC Hơn nữa, việc thiết kế buồng cháy tối u có thể cải thiện đợc sự lan tràn màng lửa tới đợc bất kỳ vị trí nào trong buồng cháy do vậy làm giảm sự đốt cháy không hoàn toàn nhiên liệu Ví dụ nh việc tối u buồng cháy có thể tạo ra hàng loạt các tia khí và tạo ra hiện tơng xoáy lốc khi pít tông gần tới điểm chết trên Điều này sẽ dẫn tới kết quả là tăng tỷ lệ cháy và cho phép tăng giới hạn nghèo của hỗn hợp để giảm lợng khí xả độc hại

d) Luân hồi khí xả

Thực chất của phơng pháp này là đa một phần sản vật cháy quay trở lại

khí đã cháy có nhiệt độ cao này nên nhiệt độ môi chất trong quá trình nén tăng, đảm bảo hỗn hợp có thể cháy dễ dàng Mặt khác nồng độ ô xy khi đó

rõ rệt Tuy nhiên, phơng thức này phù hợp hơn trong động cơ Diesel, trong

động cơ xăng thờng chỉ áp dụng với dạng đốt cháy hỗn hợp phân lớp, ở chế

độ tải cục bộ Sử dụng luân hồi khí xả trong động cơ với hỗn hợp phân lớp không chỉ cải thiện mức độ khí xả độc hại mà cải thiện đợc cả tính kinh tế nhiên liệu Ngời ta chia phơng pháp luân hồi khí xả thành hai loại là luân hồi nội tại và luân hồi bên ngoài

Luân hồi nội tại dựa trên cơ sở góc trùng điệp của xúp páp nạp và xúp páp thải Trong giai đoạn trùng điệp, do chênh lệch áp suất, một phần sản vật cháy

Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội

đi vào đờng nạp sau đó trong quá trình nạp quay trở lại xy lanh Biện pháp

sẽ chiếm các vị trí sát vách trớc tiên, do đó giảm lợng khí nạp mới ở sát vách

Luân hồi bên ngoài là phơng pháp trích một phần khí thải từ đờng thải quay trở lại đờng nạp vào động cơ và điều chỉnh lợng khí thải luân hồi bằng van tiết lu có cơ cấu điều khiển

e) Xử lý xúc tác trong xi lanh

Một phơng pháp khác làm giảm hàm lợng khí xả độc hại là phủ một lớp chất xúc tác lên bề mặt buồng cháy nhằm mục đích tăng nhiệt độ thành buồng cháy đặc biệt là nhiệt độ thành tại các khe hẹp để giảm hiện tợng dập tắt màng lửa và do vậy cải thiện mức độ ô xy hoá HC trong các khe hẹp Tuy nhiên, với phơng pháp này lợng khí thải độc hại giảm không nhiều, với

Tóm lại, ngày nay với công nghệ tiên tiến đợc ứng dụng trong ngành công nghiệp chế tạo ôtô, nhiều tiến bộ khoa học đã đợc đa vào ứng dụng trong động cơ, đặc biệt với việc tối u hoá buồng cháy, điều khiển chính xác thời điểm đánh lửa và tỷ lệ giữa không khí và nhiên liệu khi sử dụng hệ thống

điều khiển điện tử đã giảm đợc đáng kể thành phần độc hại Công nghệ chế tạo động cơ đã đạt tới đỉnh cao, tuy nhiên, nồng độ khí thải độc hại vẫn không giảm đợc đến mức qui định Do đó cần phải sử dụng biện pháp xử lý khí thải

để giảm hơn nữa hàm lợng độc hại của chúng

2.2.2 Giảm thành phần độc hại bằng biện pháp lý khí thải

-Mục đích là chuyển khí thải CO, HC, NOx thành các khí không độc hại bằng cách ô xy hoá CO, HC, và khử khí NOx trong hệ thống xử lý dùng chất

Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội

1- Vỏ, 2- Lớp đệm, 3 L - õi, 4- Lớp vật liệu trung gian, 5 Lớp xúc tác -

Trong hệ thống thải thông thờng, nhiệt độ khí xả không đủ cao để

thống thải đợc trang bị các thiết bị đặc biệt đợc gọi là bộ xử lý xúc tác có

Quá trình ôxy hóa gồm có các phản ứng sau:

Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội

tác Platium(Pt), Rhodiun(Rb) là những vật liệu xúc tác hoạt tính cao cùng với

đối với CO, HC ngay cả khi khí xả có hàm lợng lớn CO, HC và thiếu không khí Sự chuyển đổi của CO, HC đòi hỏi một môi trờng ô xy hoá, trong khi đó

dụng hoạt động có hiệu quả khi thành phần hỗn hợp gần điều kiện lý tởng

nhiên liệu thì sự ô xy hoá CO, HC giảm, trong khi với hỗn hợp nghèo sự khử

xử lý xúc tác làm việc có hiệu quả cho nên bộ xử lý này thờng đợc trang bị trên động cơ có hệ thống điều khiển điện tử (ECU) Bộ xử lý này làm giảm

đáng kể lợng khí xả độc hại Tuy nhiên, vấn đề tồn tại của bộ xử lý xúc tác là

giai đoạn khởi động và chạy ám máy các khí xả độc hại thoát ra khỏi động cơ thải trực tiếp ra ngoài gây ô nhiễm môi trờng

CO và HC của động cơ trang bị bộ xử lý xúc tác đợc thải ra trong vài phút

đầu sau khi khởi động (theo chu trình thử nghiệm FTP 75) Khi nhiệt độ bộ xử

% Tuy nhiên nhiều phơng tiện đi trong thành phố với quãng đờng quá ngắn

để động cơ và bộ xử lý có thể ấm hoàn toàn Điều này có nghĩa là việc giảm nồng độ độc hại trong khí thải từ các phơng tiện trong thời gian chạy ấm máy

sẽ là cơ sở để giảm lợng độc hại chung của khí thải ra môi trờng

b) Hỗ trợ phản ứng trên đờng thải

Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội

Phơng pháp này là đốt cháy tiếp khí xả CO và HC trong hệ thống thải bằng cách nào đó để giảm trực tiếp lợng khí xả độc hại và đốt nóng nhanh bộ

xử lý xúc tác nhờ nhiệt phát sinh trong quá trình ô xy hoá HC và CO để bộ xúc tác nhanh đạt tới nhiệt độ làm việc hiệu quả Một số kỹ thuật để thực hiện phơng pháp này nh sau:

Phun không khí phụ trợ

Lợng CO và HC đợc hình thành từ quá trình cháy có thể tiếp tục đợc ô

xy hoá trong hệ thống thải ở nhiệt độ cao khi có ô xy d thừa Tại cửa xả nơi

đợc ô xy hoá, nhiệt độ khí xả càng cao thì sự ô xy hoá HC càng lớn khi có ô

động lạnh, động cơ đợc cung cấp hỗn hợp giàu để cải thiện chế độ vận hành,

do đó nồng độ HC và CO trong khí xả rất cao trong khi nồng độ ô xy tơng

đối thấp Tận dụng nhiệt độ cao tại cửa xả, sự ô xy hoá HC tại đây có thể đợc xúc tiến bằng cách cung cấp thêm một lợng không khí vào Điều này sẽ làm giảm CO và HC và tiếp đó là sự sinh nhiệt để rút ngắn thời gian sấy nóng bộ

xử lý xúc tác

Phơng pháp này giảm đáng kể CO và HC trong giai đoạn khởi động và có thể rút ngắn thời gian sấy nóng bộ xử lý xúc tác, nhng hiệu quả giảm lợng khí xả độc hại là không lớn, sự phát nhiệt từ quá trình ô xy hoá của CO và HC không cao Nếu lợng không khí đợc phun vào quá lớn có thể dẫn tới giảm nhiệt độ khí xả và gây phản tác dụng Để điều chỉnh chính xác lợng khí bổ sung, yêu cầu thiết bị điều khiển khá phức tạp vì vậy việc áp dụng trên xe gặp

nhiều khó khăn

Đốt cháy cỡng bức khí thải

Mục đích của phơng pháp này là sinh nhiệt để tăng nhiệt cho bộ xúc tác bằng cách cho động cơ khởi động và chạy ám máy với hỗn hợp giàu, sau đó

Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội

đốt tiếp khí thải với một hàm lợng khí bổ xung thêm vào phía trớc bộ xử lý xúc tác

Hệ thống đốt khí thải đợc thiết lập bao gồm buồng cháy đợc bố trí ngay trớc bộ xử lý xúc tác cùng với thiết bị đánh lửa Hệ thống hoạt động liên

trong khí thải đợc đốt cháy tiếp trong buồng đốt với sự cấp thêm không khí Sau khi bị đốt cháy cỡng bức, khí cháy trên đờng ống xả đợc đa tới

bộ xử lý xúc tác Phơng pháp này có thể cung cấp nguồn nhiệt có công suất

lý Tuy nhiên, phơng pháp này gặp phải một số vấn đề nh là tính phức tạp của hệ thống, sự tạo muội do hỗn hợp giầu dẫn tới tắc ngẽn trong bộ xử lý và trong buồng đốt Hơn nữa, bộ xử lý xúc tác có thể đợc hâm nóng chậm khi

động cơ chạy không tải vì lúc đó dòng khí thải có lu lợng thấp, sự bỏ lửa (không cháy) trong khoảng thời gian ngắn cũng gây ra sự phát thải CO và HC cao nghiêm trọng

c) Giữ nhiệt trên đờng thải

Kỹ thuật này bao gồm các biện pháp để giảm sự mất mát nhiệt của khí thải trớc khi đa vào bộ xử lý xúc tác để cải thiện quá trình hâm nóng bộ xúc tác

để nó nhanh đạt đến nhiệt độ làm việc hiệu quả

Sử dụng bộ ống góp hấp thụ nhiệt thấp là một trong những cách giảm mất nhiệt Kỹ thuật này gồm giảm khối lợng hệ thống thải, giảm diện tích tiếp xúc của ống thải với khí xả và sử dụng những vật liệu cách nhiệt tốt Phơng pháp này rất đơn giản nhng sự truyền nhiệt từ đờng ống xả ra môi trờng vẫn tơng đối cao

Một biện pháp khác để ngăn ngừa sự mất nhiệt khí xả là sử dụng bộ ống góp hai vách, một lớp không khí và một lớp cách nhiệt Biên pháp này làm tăng đáng kể nhiệt độ khí thải tại cửa vào của bộ xử lý xúc tác, và rút ngắn

Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội

thời gian khởi động bộ xúc tác tới khoảng 35 giây và cho phép bộ xử lý có thể

bố trí xa cửa thải Tuy nhiên, nếu hệ thống đảm bảo đợc nhiệt độ khí thải tại cửa vào của bộ xử lý cao để rút ngắn thời gian đạt đến chế độ làm việc hiệu quả của bộ xử lý trong giai đoạn chạy ấm máy thì sẽ làm cho bộ xử lý tiếp xúc với trờng nhiệt độ rất cao tại chế độ vận hành toàn tải của động cơ, điều này làm sẽ giảm tuổi thọ của thiết bị xử lý xúc tác

Gắn bộ xử lý xúc tác ngay sau cửa xả cũng là một cách rất tốt để tận dụng năng lợng khí xả cho mục đích trên Các nghiên cứu cho thấy phơng pháp này có thể rút ngắn thời gian để bộ xử lý xúc tác đạt đến chế độ làm việc hiệu quả đến khoảng 20 giây và khí xả độc hại trong giai đoạn khởi động lạnh giảm đáng kể Tuy nhiên, dới chế độ vận hành toàn tải khi đó nhiệt độ khí thải lớn sẽ ảnh hởng trực tiếp đến tuổi bền của bộ xử lý Khi đó chúng ta phải

sử dụng bộ xử lý có vật liệu xúc tác có tuổi bền cao, chịu đợc nhiệt độ cao

Điều này có thể không đáp ứng đợc yêu cầu về tính kinh tế

Một cách nữa là lu giữ khí thải lâu ở trạng thái nhiệt độ cao để kéo dài thời gian ô xy hoá các thành phần độc hại nh HC và CO Trong trờng hợp này, buồng phản ứng phải đủ lớn, đợc cách nhiệt, và phải bố trí ngay sau cửa xả nhằm đảm bảo nhiệt độ T≥1000 K cho quá trình ô xy hoá

d) Xử lý muội than trong động cơ diesel

Đối với động cơ diesel, việc điều chỉnh tải trọng đợc thực hiện bằng điều chỉnh chất, tức hệ số d lợng không khi λ thay đổi trong một phạm vi rất

dùng trong động cơ diesel chỉ ngăn và giữ lại ở lõi bộ xử lý các tạp chất rắn chủ yếu là muội than nên còn gọi là bộ lọc Một bộ lọc nh vậy đợc thể hiện trên hình 2.2 Bộ lọc trên hình 2 2- a có lõi lọc bằng gốm xốp đặt trong vỏ thép Khi khí thải đi qua các lỗ xốp của lõi lọc, các phần tử muội than sẽ đợc giữ

Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội

1- lõi lọc bằng gốm xốp, 2 lõi lọc có xơng -

bằng thép, quấn sợi gốm Hình 2-2 Lọc muội than trong khí thải

Vấn đề đạt ra đối với lọc muội than là sức cản của bầu lọc càng ngày càng tăng lên theo thời gian làm việc của động cơ nên phải giải quyết việc xử lý các chất thải tích luỹ trong bộ lọc Thông thờng, ngời ta tiêu hủy muội than tích

này chỉ đạt đợc tại bộ lọc khi động cơ làm việc ở chế độ tải trọng và tốc độ vòng quay cực đại Vì vậy ngời

ta nghiên cứu các biện pháp để

giảm nhiệt độ cháy của muội than

bầng các chất xúc tác tăng cờng

quá trình ôxy hóa theo phơng

pháp pha vào dầu diesel, ví dụ

nh pha măng gan, hoặc trộn lẫn

với dòng khí thải, ví dụ nh trộn

lẫn clorua đồng Những phơng

pháp vừa nêu có thể giảm nhiệt

độ cháy của muội than trong khí

Phơng pháp thông thờng nhất là, trong thời gian động cơ không làm việc, tháo lõi lọc để đốt muội than

Ngoài biện pháp lọc và xử lý các chất thải rắn nêu trên, các nhà chế tạo

động cơ đã và đang nghiên cứu để tìm ra các giải pháp giảm thành phần muội

Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội

than trong khí thải của động cơ diesel theo các hớng nh hoàn thiện kết cấu của hệ thống bơm cao áp, vòi phun, tổ chức buồng cháy, bảo đảm các điều kiện kỹ thuật của động cơ khi vận hành Mục tiêu phấn đấu là làm sao giảm hàm lợng muội than trong khí thải đến mức bảo đảm tuân thủ các tiêu chuẩn

về môi trờng mà không phải dùng lọc, vì bố trí lọc trên đờng thải làm tăng sức cản dẫn đến giảm tính kinh tế của động cơ

2.2.3 Thay đổi cách sử dụng nhiên liệu và dùng nhiên liệu thay thế

a) Khái quát chung về nhiên liệu thay thế

Việc gia tăng một cách nhanh chóng số lợng phơng tiện giao thông sử dụng nhiên liệu xăng và dầu diezel theo cách truyền thống đã tác động ngày càng xấu tới môi trờng; cấm hoặc hạn chế số lợng các phơng tiện là biện pháp không khả thi Nhiều phơng pháp giảm hàm lợng khí xả độc hại đã

đợc nghiên cứu và áp dụng nh đã giới thiệu ở trên Tuy nhiên các phơng pháp này chỉ hiệu quả ở chế độ ấm máy hoàn toàn, ở chế độ khởi động lạnh và chạy ấm máy hàm lợng độc hại còn rất cao làm cho hàm lợng độc hại chung không thể giảm đến mức yêu cầu Chính vì vậy phơng pháp thay đổi cách thức sử dụng nhiên liệu và dùng nguồn nhiên liệu mới thay thế, sạch, rẻ hơn cho các phơng tiện có sử dụng động cơ đốt trong sẽ là phơng án hữu hiệu trong tơng lai Nhiên liệu thay thế đợc chia thành các nhóm sau:

- Nhiên liệu khí thiên nhiên nén (CNG) và khí thiên nhiên hoá lỏng (LNG)

- Khí dầu mỏ hoá lỏng (LPG)

- Nhiên liệu khí Hyđrô (H2)

- Nhiên liệu giàu Hyđrô: hỗn hợp của nhiên liệu hóa thạch với hyđrô Nhiên liệu khí có nguồn gốc hoá thạch có giá thành rẻ hơn xăng và có tỷ

Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội

này không chứa benzene và các thành phần các bua hyđrô khác nên sạch hơn xăng Nhiên liệu này có khả năng tạo hoà khí tốt, có tính chống kích nổ cao, khả năng cháy với hỗn hợp nghèo hơn hẳn nhiên liệu xăng cho nên lợng khí

liệu xăng

Hiện nay trên thế giới đang có hơn 1,2 triệu xe sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên nén (CNG) và gần 1,4 triệu phơng tiện sử dụng khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) chủ yếu ở Achentina,Italy, Canada, Mỹ, Nhật bản và không chỉ ở các nớc phát triển mà các nớc đang phát triển cũng rất quan tâm tới nguồn nhiên liệu sạch này ở Việt Nam, sử dụng nguồn nhiên liệu sạch cũng là một vấn đề đợc đảng và chính phủ quan tâm và nhất là khi ngành khí công nghiệp

ở nớc ta rất phát triển và đến nay đã có nhiều chơng trình chạy thử xe dùng nhiên liệu khí Tuy nhiên do nhiệt trị mole thấp hơn xăng nên công suất động cơ sẽ thấp hơn nếu cùng kích thớc

Nhiên liệu cồn Methanol và cồn Ethanol cũng đã đợc sử dụng làm nhiên liệu thay thế và phụ gia nhiên liệu với mục đích giảm chi phí, giảm thành phần

nhiên khi chuyển động cơ xăng sang dùng loại nhiên liệu này thì công suất

nhận đợc ở các nớc nông nghiệp và công nghiệp mía đờng phát triển

b) Nhiên liệu hyđrô

Bên cạnh các loại nhiên liệu thay thế nói trên, hyđrô từ lâu đã đợc xem

loại nhiên liệu truyền thống, đây là nguồn nhiên liệu có thể tái tạo và có thể

đợc sản xuất từ nguồn nớc vô tận và có khả năng sử dụng cho cả động cơ

không gây ô nhiễm môi trờng và không gây hiệu ứng nhà kính nh khi sử

Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội

dụng các loại nhiên liệu hóa thạch Thêm nữa, nhiên liệu này có u điểm là

thể làm việc ở tốc độ rất cao, tỷ số nén lớn, nhờ đó mà dễ dàng t ng công suất ă

động cơ Lợi dụng đặc điểm này, hãng BMW đã sản suất nhiều ô tô chạy nhiên liệu hyđrô lỏng, đặc biệt là đã lắp động cơ hyđrô công suất cao lên xe

Do đó động cơ có thể chạy hỗn hợp nghèo để giảm NOx và góp phần làm tăng

sang động cơ chạy hoàn toàn bằng hydro thì công suất động cơ sẽ bị giảm nhiều Thêm nữa, việc sản xuất, vận chuyển và tích trữ bảo quản nhiên liệu hydro đủ để thay thế hoàn toàn x ng hoặc ă diesel khá khó kh n và tốn kém do ănhiên liệu có tỷ trọng rất thấp

c) Nhiên liệu giàu hyđrô

Chính vì một số nhợc điểm của nhiên liệu hyđrô nói trên nên nhiều nhà

nhiên liệu truyền thống Với phơng pháp này, hydro chỉ đợc cấp một tỷ lệ nào đó vào trong động cơ để hòa trộn với nhiên liệu chính là xăng, diesel, hoặc khí thiên nhiên [14, 15] để tạo ra hỗn hợp nhiên liệu giàu hyđrô (có

trong khi không thay đổi kết cấu động cơ so với khi dùng xăng hoặc diesel

để động cơ hoạt độngliên tục với hỗn hợp nhiên liệu nói trên

Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội

2.2.4 Phơng pháp sản xuất hyđrô và nhiên liệu giàu hyđrô cho nhiên liệu thay thế

Có thể thấy hyđrô tồn tại vô tận trên trái đất, tuy nhiên hyđrô không tồn tại

ở trạng thái tự do mà dới dạng hợp chất với các nguyên tố khác nh nớc, hyđrô các bon và các chất hữu cơ khác Do đó, để có đợc hyđrô nguyên chất, cần phải tách hyđrô từ các hợp chất chứa nó Có nhiều phơng pháp sản xuất hyđrô tùy theo điều kiện sẵn có và yêu cầu sử dụng

đảm bảo sản xuất đợc hyđrô đủ để cho động cơ hoạt động liên tục thì đòi hỏi thiết bị phức tạp, đắt tiền và chi phí rất tốn kém nên không thích hợp cho việc sản xuất nhiên liệu cho động cơ

Các phơng pháp biến đổi (reforming) nhiệt hóa nhiên liệu chứa hyđrô,

nhiên liệu hóa thạch (hyđrô các bon) đợc sử dụng để sản xuất hyđrô nh sau:

thu nhiệt)

Các phản ứng hóa học chính trong quá trình biến đổi nhiệt hóa của nhiên

Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội

Quá trình phản ứng trên cho hàm lợng hyđrô khá cao trong sản phẩm (đến 70% thể tích) Cho nên có thể nói đây là phơng pháp đợc áp dụng phổ biến để sản xuất hyđrô ở quy mô công nghiệp Tuy nhiên đây là quá trình phản ứng thu nhiệt, quá trình chỉ xảy ra khi các chất tham gia phản ứng đợc cấp đủ nhiệt để duy trì nhiệt độ chung tối thiểu trên 400oC Do đó phơng pháp này đòi hỏi thiết bị cồng kềnh và cần một nguồn nhiệt lớn nên không thích hợp cho việc áp dụng trên các phơng tiện vận tải để cung cấp nhiên liệu hyđrô cho động cơ

b) Phản ứng o xy hóa nhiên liệu không hoàn toàn (phản ứng tỏa nhiệt):

Nhiên liệu hyđrô các bon nếu phản ứng cháy với ô xy trong điều kiện thiếu ô xy sẽ tạo ra sản phẩm là khí hyđrô và oxit các bon, đồng thời giải phóng một nhiệt lợng lớn Có thể coi quá trình phản ứng đợc thực hiện theo

Tuy nhiên, đây là quá trình phản ứng phức tạp xảy ra với nhiều phản ứng

các bon nic và tỏa nhiệt theo phơng trình (2 10):

-Sau đó, hơi nớc sẽ phản ứng với phần nhiên liệu còn lại theo các phơng

-nhiên liệu với ô xy

Quá trình nhiệt hóa trên tuy không cần cấp nhiệt cho các chất tham gia phản ứng và do đó không cần nguồn cung cấp nhiệt nhng hàm lợng hyđrô tạo ra trong sản phẩm không cao trong khi hàm lợng khí không mong muốn

ôxit các bon CO thì lại quá cao, đồng thời nhiệt lợng thải ra ngoài cũng lớn, gây lãng phí và làm đốt nóng thiết bị, cần phải làm mát để duy trì sự làm việc

Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội

bình thờng của hệ thống Cho nên phơng pháp này cũng không thích hợp cho việc áp dụng trên phơng tiện vận tải

c) Phản ứng nhiệt hóa hyđrô các bon với khí các bon níc (phản ứng thu nhiệt)

Trong điều kiện nhiệt độ cao và môi trờng có chất xúc tác, nhiên liệu

theo phơng trình (2 11)

Tơng tự nh phản ứng nhiệt hóa với hơi nớc, quá trình phản ứng này cũng cần đợc cung cấp một nguồn nhiệt Tuy nhiên phản ứng này cho sản lợng hyđrô nhỏ hơn so với phản ứng biến đổi nhiệt hóa của nhiên liệu hyđrô các bon với hơi nớc trong khi sản phẩm CO thì lại cao hơn nhiều Do vậy phơng pháp này cũng không thích hợp cho việc cung cấp hyđrô trên các phơng tiện vận tải

d) Biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu hyđrô các bon với đồng thời hơi nớc, ô xy

và các bon níc (quá trình phản ứng trung tính về nhiệt)

Qua phân tích ba phơng pháp biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu hyđrô các bon

để tách hyđrô ở trên ta thấy phơng pháp phản ứng nhiên liệu với hơi nớc cho sản lợng hyđrô cao nhng lại cần phải cung cấp nhiều nhiệt, trong khi phơng pháp ô xy hóa không hoàn toàn nhiên liệu tạo ra ít hyđrô hơn lại thải

ra nhiệt Do vậy có thể kết hợp hai quá trình này để tận dụng nguồn nhiệt tỏa

ra từ quá trình ô xy hóa nhiên liệu Bên cạnh đó, trong điều kiện nhiệt độ cao

do quá trình ô xy hóa nhiên liệu, khí các bon níc tạo ra trong quá trình phản ứng ô xy hóa và quá trình phản ứng của nhiên liệu với hơi nớc cũng sẽ tham gia vào phản ứng tách hyđrô từ nhiên liệu Nh vậy ta có thể cấp đồng thời hơi nớc, nhiên liệu và không khí (ô xy) với các tỷ lệ thích hợp vào trong lò phản ứng có chất xúc tác (Nickel) sau khi đã khởi động lò (nhờ đốt nhiên liệu) đến

Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội

không cần phải làm mát thiết bị trong quá trình phản ứng [ ] Trong điều 25

kiện này, các phản ứng nhiệt hóa chính xảy ra trong lò phản ứng xúc tác bao

-Sản phẩm cuối cùng của quá trình phản ứng biến đổi nhiệt hóa tổng hợp

này trong sản phẩm phụ thuộc vào loại nhiên liệu sử dụng, tỷ lệ thành phần

giữa nhiên liệu với hơi nớc và không khí và đồng thời phụ thuộc vào nhiệt độ

của lò phản ứng xúc tác nếu đợc cấp thêm nhiệt

Nh vậy tùy theo tỷ lệ thành phần giữa nhiên liệu, hơi nớc, không khí và

nhiệt cấp vào lò phản ứng mà quá trình biến đổi nhiệt hóa trong lò có thể gần

với quá trình biến đổi nhiệt hóa với hơi nớc hay quá trình ô xy hóa không

hoàn toàn nhiên liệu

Phơng pháp phản ứng tổng hợp này so với các phơng pháp biến đổi

nhiệt hóa nhiên liệu riêng rẽ giới thiệu ở mục a), b) và c) nói trên có u điểm

là hiệu quả cao vì không phải cấp nhiệt và đồng thời không lãng phí nhiệt, hơn

nữa chính vì không cần cấp nhiệt và không cần thiết bị làm mát hệ thống nên

trang thiết bị lò phản ứng xúc tác sẽ nhỏ gọn và có thể trang bị đợc trên các

phơng tiện vận tải một cách dễ dàng Tuy nhiên sản lợng hyđrô thấp hơn so

Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội

Đối với động cơ đốt trong, chúng ta đều biết một phần nhiệt lợng đáng kể sinh ra do đốt cháy nhiên liệu bị thải ra ngoài theo khí thải Phần nhiệt này có thể chiếm 30 50% tổng nhiệt lợng do đốt cháy nhiên liệu, tức là khoảng -tơng đơng với công suất động cơ [ ] Do đó có thể tận dụng một phần 27

nhiệt thải này để biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu với hơi nớc, tạo nhiên liệu giàu hyđrô cho động cơ Bằng phơng pháp này, có thể tạo đợc bộ phản ứng xúc tác nhỏ gọn mà lại có hiệu suất biến đổi cao, hàm lợng hyđrô lớn vì có thể sử dụng phơng pháp biến đổi nhiệt hóa với hơi nớc trong khi không cần phải có thiết bị cung cấp nhiệt từ ngoài Do vậy đề tài này sẽ tập trung nghiên cứu giảm thành phần độc hại khí thải động cơ đốt trong bằng cách sử dụng nhiên liệu giàu hyđrô đợc tạo ra nhờ phơng pháp biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu tận dụng nhiệt khí thải

2.3 Mục đích và phạm vi nghiên cứu của đề tài

2.3.1 Mục đích của đề tài

Nghiên cứu giảm thành phần độc hại khí thải động cơ đốt trong bằng phơng pháp sử dụng nhiên liệu giàu hyđrô đợc tạo ra ngay trên động cơ nhờ

bộ phản ứng xúc tác biến đổi nhiệt hóa một phần nhiên liệu tận dụng nhiệt khí thải của động cơ

2.3.2 Phạm vi nghiên cứu của đề tài

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của quá trình biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu bằng phơng pháp mô hình toán để xác định tỷ lệ tối u giữa nhiên liệu với các chất tham gia phản ứng, ví dụ nh hơi nớc, điều kiện nhiệt độ và tải trọng của bộ xúc tác để cho sản lợng hyđrô cao nhất

- Dựa trên kết quả mô hình hóa nói trên, tính toán, thiết kế hợp lý bộ phản ứng xúc tác biến đổi nhiệt hóa một phần nhiên liệu tận dụng nhiệt khí thải dùng trên động cơ đốt trong

Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội

- Khảo nghiệm động cơ với nhiên liệu giàu hyđrô đợc tạo ra nhờ bộ phản ứng đã thiết kế chế tạo để xác định hiệu quả của phơng pháp trong việc giảm thành phần độc hại trong khí thải động cơ

2.3.3 Động cơ nghiên cứu

Thành phần độc hại dạng khí nguy hại nhất của khí thải động cơ đốt trong

là CO và HC đợc phát ra chủ yếu từ động cơ xăng Các thành phần này của

động cơ nghiên cứu là động cơ xăng

Chơng 3 Mô hình toán nghiên cứu quá trình SảN XUấT hyđrô bằng phơng pháp biến đổi nhiệt hóa NHIÊN LIệU XĂNG 3.1 Giới thiệu chung

Để thực hiện mục đích nghiên cứu đặt ra của đề tài, động cơ nghiên cứu

đợc chọn là động cơ xăng và nghiên cứu đặc điểm phát thải các thành phàn khí độc hại CO, HC và NOx của động cơ này khi sử dụng nhiên liệu giàu hyđrô là hỗn hợp của hơi xăng và một phần nhỏ khí hyđrô tự do đóng vai trò phụ gia cải thiện quá trình cháy

Do vậy vấn đề đặt ra là cần có nguồn cung cấp hyđrô liên tục trên động cơ Nh đã phân tích ở trên, nguồn hyđrô cần cung cấp sẽ đợc tạo ra bằng cách tách thành phần hyđrô trong các loại nhiên liệu hyđrô các bon nh khí

-bon: C5đến C8) hoặc dầu điesel (phân tử chứa 9 đến 16 nguyên tử các -bon: C9

Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội

Tuy nhiên nếu dùng khí thiên nhiên làm nguồn cung cấp hyđrô thì lại phải có thiết bị tích trữ nhiên liệu này đi theo động cơ ngoài thiết bị tích trữ xăng trong khi khí thiên nhiên tồn tại ở thể khí nhẹ nên phải tích trữ dới dạng nén hoặc dạng hóa lỏng với thiết bị khá phức tạp và cồng kềnh Do đó, trên động cơ xăng thì dùng xăng làm nguồn cung cấp hyđrô là thích hợp nhất, tức là sẽ tách hyđrô từ một phần nhiên liệu xăng sử dụng trên động cơ bằng phơng

trên

Mục đích nghiên cứu của chơng này là nghiên cứu đặc điểm quá trình biến đổi nhiệt hóa của xăng trong môi trờng với hơi nớc, ô xy (không khí)

tối u giữa xăng với nớc, không khí và CO2 để cho hàm lợng hyđrô cao nhất trong các điều kiện nhiệt độ nhất định để làm cơ sở cho việc thiết kế lò phản ứng xúc tác tận dụng nhiệt khí thải

3.2 Các phản ứng xúc tác biến đổi nhiệt hóa của xăng

Xăng là một hỗn hợp của vô số các hyđrô các bon có số nguyên tử các bon trong phân tử thay đổi từ 2 đến 8 và kết cấu phân tử cũng có nhiều dạng, trong

động cơ đốt trong, thành phần khối lợng các bon trong xăng chiếm 84-85,5%

và hyđrô chiếm 14,5-16%, tơng đơng với 1 hyđrô các bon có thành phần

chọn công thức phân tử giả định của xăng là C8H18 gần với izo octan [- 28]

phân tử của xăng

Nếu cung cấp hỗn nhiên liệu hyđrô các bon, không khí và hơi nớc với các

tỷ lệ thành phần thích hợp vào lò phản ứng có chất xúc tác đợc duy trì ở nhiệt

Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội

lỏng nh xăng và dầu diesel để sản xuất hyđrô cha đợc nghiên cứu chi tiết nh đối với các loại hyđrô các bon nhẹ dạng khí Tuy nhiên có thể dựa trên việc phân tích các phản ứng hóa học chung và một số dữ liệu về tốc độ phản ứng trong quá trình phản ứng biến đổi nhiệt hóa để tính toán động học quá trình tạo thành các sản phẩm trong lò phản ứng xúc tác, từ đó có thể xác định một cách định lợng về các nhân tố ảnh hởng và do đó có thể xác định đợc các tỷ lệ tối u của các thành phần các chất tham gia phản ứng để cho hàm

Các phản ứng hóa học xảy ra trong lò phản ứng xúc tác rất phức tạp nên

Tuy nhiên, có thể chỉ cần quan tâm đến các phản ứng hóa học chính dựa trên các sản phẩm cuối cùng ở trạng thái cân bằng để mô tả quá trình mà cũng không gặp sai số nhiều trong tính toán vì các phản ứng hóa học chính có tốc

có thể là phản ứng tạo ra sản phẩm trung gian hoặc phản ứng tạo ra các sản phẩm cuối cùng

Trong môi trờng thiếu ô xy, nhiên liệu hyđrô các bon có thể đợc ô xy

phản ứng này đợc biểu diễn bởi phơng trình sau:

O 9H CO 8 O 4 H

Tuy nhiên nhiều giả thuyết cho rằng trong phản ứng với ô xy, trớc tiên

đồng thời giải phóng một lợng nhiệt lớn, sau đó nhiệt lợng này sẽ thúc đẩy phản ứng nhiệt hóa giữa phần nhiên liệu cha cháy với nớc và các bon níc

Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội

2 2

18

8 H 8 H O 8 CO 7 H

2 2

2 18

8 H 16 H O 8 CO 5 H

2 2

18

8 H 8 CO 16 CO 9 H

2 2

2 O CO H H

Tốc độ của các phản ứng trên tùy thuộc và điều kiện nhiệt độ và xúc tác của môi trờng phản ứng và thành phần của các chất tham gia phản ứng Nếu cấp thêm nớc và nhiệt vào lò phản ứng xúc tác thì quá trình phản ứng nhiệt hóa của nhiên liệu với nớc sẽ đợc thúc đẩy mạnh hơn, tức là tốc độ phản

-Đối với động cơ xăng khi làm việc ở chế chộ toàn tải, nhiệt độ khí thải tại gần cửa thải có thể đạt 600-700oC, còn ở chế độ không tải nhanh, nhiệt độ

có thể đủ để thực hiện biến đổi nhiệt hóa một lợng đáng kể nhiên liệu với nớc mà không cần phải cấp thêm nhiệt từ ngoài hoặc cấp thêm ô xy để tăng nhiệt từ phản ứng ô xy hóa nhiên liệu

Khí thải động cơ là một hốn hợp khí với các thành phần chính gồm CO,

CO2, H2O, N2 và một hàm lợng nhỏ O2 và xăng không kịp tham gia phản ứng cháy trong xi lanh động cơ Do đó nếu cấp một lu lợng nào đó của khí thải và một lợng nhiên liệu vào lò phản ứng xúc tác đặt trong đờng ống thải gần cửa thải để tận dụng nhiệt khí thải thì trong lò sẽ xảy ra các phản ứng biến

đổi nhiệt hóa nhiên liệu bao gồm cả phản ứng của nhiên liệu với ô xy, nớc, các bon níc và phản ứng trung hòa CO của nớc Tuy nhiên, hàm lợng ô xy d thừa trong khí thải động cơ xăng thờng rất nhỏ, dới 0,5% trong khi hàm

nhiên liệu tham gia phản ứng này so với phản ứng biến đổi nhiệt hóa của

Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội

nhiên liệu với nớc và các bon níc sẽ rất nhỏ và do đó ảnh hởng của phản ứng ô xy hóa nhiên liệu đến hàm lợng hyđrô trong sản phẩm trong trờng hợp này là không đáng kể nên có thể bỏ qua phản ứng này Do vậy, phần nghiên cứu mô hình toán này sẽ chỉ đề cập đến các phản ứng biến đổi nhiệt hóa của nhiên liệu với hơi nớc và các bon nic

Tóm lại, 4 phản ứng xúc tác chính sau đây sẽ đợc đề cập trong mô hình toán nghiên cứu lý thuyết quá trình biến đổi nhiệt hóa của xăng trong điều kiện nhiệt độ và xúc tác thuận lợi:

đủ nhiệt thì phản ứng đó mới xảy ra

quá trình biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu Do vậy, trong mô hình toán này, phản

-đổi nhiệt hóa của nhiên liệu với hơi nớc mà không cần nghiên cứu ảnh hởng

3.3 Tốc độ các phản ứng biến đổi nhiệt hóa của xăng

Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội

Tốc độ động học của các phản ứng hóa học trong môi trờng xúc tác phụ thuộc vào hàm lợng các chất thành phần tham gia phản ứng, nhiệt độ lò phản ứng xúc tác, hệ số động học và năng lợng kích hoạt phản ứng (năng lợng để vợt hàng rào thế năng phân tử) Nói chung các phơng trình biểu diễn tốc độ

phản ứng nhiệt hóa của nhiên liệu hyđrô các bon áp dụng cho xăng trong môi

-9), các phơng trình biểu diện tốc độ động học phản ứng nhiệt hóa với nớc [32] và với các bon níc [ ] lần lợt nh sau: 33

+ +

−

8 8

1

3 8

5 2 H

1 1

) / 1

(

/

2 2 2 2

2

2 2

2 CO CO H H iC iC H O H O H

CO H O H iC

P P K P K P K P K

K P P P P P

+ +

−

8 8

2 H

2

/

2 2 2 2

2

2 2 2

2 CO CO H H iC iC H O H O H

CO H O H CO

P P K P K P K P K

K P P P P p

+ +

−

8 8

3 4

2 8 5

, 3 H

3

/

2 2 2 2

2

2 2 2

2 CO CO H H iC iC H O H O H

CO H O H iC

P P K P K P K P K

K P P P P p

8 4

2 2 8

4

CO iC

H CO CO

iC

P P K

P P P

P k

j

k k

-Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội

Tốc độ sinh ra hoặc mất đi của một thành phần khí nào đó trong quá trình phản ứng biểu diễn bới các phản ứng 1 đến 4 đợc xác định bằng cách cộng

đại số tốc độ phản ứng của thành phần đó trong toàn bộ 4 phản ứng trên Theo nguyên tắc này, tốc độ thay đổi của các khí thành phần trong quá trình phản ứng trong lò xúc tác đợc xác định nh sau:

4 3 1 iC8 R R R

-4 3 2

CO2 R 8 R 8 R

-3 2

1 O

H2 8 R R 16 R

-4 2

1

CO 8 R R 16 R

-4 3 2

j

k k

3 k3 (mol bar0,5/(gcat

s))