Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật Ô tô, máy kéo: Nghiên cứu các giải pháp giảm phát thải khí độc hại trên xe gắn máy

Phương pháp tiếp cận - Phương pháp lý thuyết: dựa trên cơ sở lý thuyết về các biện pháp kỹ thuật giảm ô nhiễm của động cơ đốt trong, tham khảo thêm các tài liệu về các biện pháp giảm ô

Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Tình hình phát thải khí độc hại từ các phương tiện giao thông

Ngày nay, khí thải từ các phương tiện vận tải đã làm ô nhiễm môi trường thêm trầm trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người Số người chết vì ô nhiễm từ ô tô, xe máy nhiều hơn số người chết vì tai nạn giao thông Ở các nước Úc, Pháp, Thụy

Sĩ ước tính có khoảng 21.000 người chết sớm mỗi năm có liên quan đến ô nhiễm không khí mà chủ yếu do khí thải của các phương tiện vận tải [7] Phần lớn trong số người chết do bị mắc các bệnh như: hen, viêm phế quản, các bệnh về hô hấp Ở Đức, nghiên cứu trên 632 trẻ em từ 7-11 tuổi phát hiện bệnh hô hấp ngày càng trầm trọng khi ô nhiễm không khí gia tăng [8] Các hóa chất độc hại có trong khí thải của các phương tiện vận tải rất nhiều, trong đó carbon monoxide (CO) gây ra chứng nghẹt thở Chì ảnh hưởng đến hệ thần kinh, làm suy giảm trí nhớ, benzen và nitrogen dioxide tác động xấu đến hệ miễn dịch; polycyclic hydrocarbons: tác động xấu đến da Ngoài ra, benzen và polycyclic hydrocarbons có thể là tác nhân gây ung thư

Ngày 16/3/2010 các chuyên gia về giao thông vận tải, đại diện các thành phố lớn khu vực châu Á và các tổ chức quốc tế đã tham dự hội thảo "Làm dịu thay đổi khí hậu, sử dụng năng lượng hiệu quả và giao thông đô thị bền vững" do Liên Hiệp Quốc tổ chức tại thủ đô Seoul của Hàn Quốc Hội thảo diễn ra trong bối cảnh số người sống trong các đô thị đang ở mức cao chưa từng có và ngày càng nhiều người muốn sở hữu ô tô Vụ Các vấn đề kinh tế - xã hội của Liên hợp quốc (DESA) cho biết, giao thông vận tải chiếm 23% lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính của toàn thế giới trong năm

2006 và đang nổi lên như là nguồn khí thải có tốc độ tăng nhanh nhất [9]

Các phương tiện giao thông vận tải mà chủ yếu là ô tô, xe máy là một trong những nguyên nhân chính gây nên tình trạng ô nhiễm môi trường không khí đô thị như ngày nay Ngoài tiếng ồn, khí thải ô tô là nguồn ô nhiễm lớn nhất và có tác động đến sức khỏe con người nhiều nhất Theo tài liệu của Cục Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ : vào năm 1986, thống kê được 186 triệu ô tô chạy (trong đó có 135 triệu xe khách) tiêu thụ 1,3 tỷ gallon xăng dầu, sinh ra khoảng 58% tổng khí thải CO, 38% lượng thải chì, 34% lượng thải NO, 27% lượng thải VOCs và 16% lượng bụi thải trong tổng lượng thải của nước Mỹ Bảng 1 dưới đây cho thấy tỷ lệ các chất và các nguồn ô nhiễm không khí ở Nhật và Mỹ như sau :

Bảng 1: Các nguồn gây ô nhiễm không khí thống kê tại Nhật và Mỹ [ 10] ĐVT : %

NO x HC CO NO x HC CO Ô tô 39 57,3 93 36,6 45,7 64,7

Quá trình sản xuất công nghiệp 31,3 26,4 0,0 42,8 16,8 9,1

Quá trình khai thác khác 0,8 0,7 6,3 - - -

Báo cáo hiện trạng môi trường quốc gia năm 2005 cho thấy: 70 - 90% ô nhiễm không khí đô thị là các hoạt động giao thông vận tải, chỉ 10 - 30% là do công nghiệp và sinh hoạt Trong khí phát thải từ xe cơ giới thì khí thải xe mô tô, xe máy chiếm phần chủ yếu Một đại diện Cục đăng kiểm Việt Nam cho biết, tại TP.HCM xe gắn máy chiếm 95% tổng số phương tiện giao thông và lượng xăng tiêu thụ của xe gắn máy chiếm khoảng 60% nhưng lượng khí thải ra lại lớn hơn rất nhiều so với tổng lượng khí thải của các loại xe cơ giới kể cả chạy bằng xăng và diesel [2].

Một nhân viên cục đăng kiểm Ông Nguyễn Hữu Trí - trưởng phòng kiểm định xe cơ giới, Cục đăng kiểm Việt Nam nói rằng: “thực tế qua khảo sát, chúng tôi nhận định rằng khí thải xe máy là nguyên nhân gây ô nhiễm chủ yếu tại các thành phố, các vùng đô thị tập trung Lượng khí độc phát thải từ xe máy chiếm tới 60 – 70% trong thành phần không khí nhất là các độc chất như benzen, lưu huỳnh rất có hại cho sức khoẻ Chúng tôi cũng đang kiểm định khí thải từ ô tô nhưng cũng thấy rằng: khí thải ô tô hiện nay không gây ô nhiễm bằng xe máy”

Theo Vụ Môi trường - Bộ GTVT, hiện nay tại các đô thị của Việt Nam, phương tiện đi lại chủ yếu vẫn là mô tô, xe gắn máy Riêng TP.HCM, số hộ gia đình có xe gắn máy chiếm đến 98% và Hà Nội số hộ gia đình có xe gắn máy chiếm hơn 87% tổng lưu lượng xe hoạt động trong nội thành Tính chung cả nước hiện có khoảng 27 triệu xe gắn máy, hơn một triệu ô tô cá nhân Các cơ quan chức năng dự báo số lượng xe gắn máy còn tiếp tục tăng mạnh trong vòng 5 - 10 năm nữa do sự gia tăng về nhu cầu giao thông Trong đó, số xe cũ, xe đã sử dụng nhiều năm và hiện tại không đạt tiêu chuẩn an toàn kỹ thuật, tiêu chuẩn bảo vệ môi trường, có thể gây nguy hiểm khi tham gia giao thông chiếm tỷ lệ rất lớn Từ thực tế trên, Dự thảo chiến lược phát triển GTVT bền vững đặt ra nhiều biện pháp nhằm hạn chế ô nhiễm không khí, ô nhiễm tiếng ồn từ xe cá nhân [5]

Hình 2.1 Số lượng tăng trưởng xe máy ở Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh

Từ 1993 - 2007 lượng xe máy ở hai thành phố lớn Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh liên tục tăng lên (Biểu đồ do Cục Đăng kiểm Việt nam lập) [2]

Theo ông Nguyễn Minh Đồng - một chuyên gia trong lĩnh vực công nghệ và môi trường cho rằng về khí thải: một xe gắn máy có dung tích máy 50 cm 3 (không đạt tiêu chuẩn euro 2) có hàm lượng khí thải bằng 65 xe ô tô có dung tích 1,8 lít (loại xe đạt tiêu chuẩn khí thải euro 4-5) Cứ mỗi bậc thang từ EURO-II lên EURO-III lượng khí thải được giảm từ 50% đến 60%, tùy theo loại khí thải CO, HC, NOx [11] Ngoài ra Theo đánh giá của các nhà nghiên cứu, nếu làm phép bình quân với một ô tô có dung tích xi lanh 2,5 lít và một xe máy có dung tích 0,1 lít thì lượng khí thải của 16 triệu xe gắn máy sẽ không kém gì, thậm chí còn cao hơn 600.000 ô tô đang lưu hành ở nước ta Không chỉ ở các vùng nông thôn, các khu đô thị nhỏ mà ngay giữa các thành phố, đô thị lớn như Hà Nội, Hải Phòng, thành phố Hồ Chí Minh …, cũng dễ dàng thấy những chiếc xe gắn máy đã quá nát xả khói đen sì, mù mịt trên đường lẫn giữa dòng người và các loại xe ô tô, xe máy đời mới mà không bị kiểm soát [12] Từ hai kết quả so sánh

Hà Nộ i (X1000 chiếc) TP.HCM (X1000 chiếc) trên cho thấy mức độ gây ô nhiễm không khí của xe mô tô, xe gắn máy là vô cùng lớn so với các phương tiện giao thông vận tải khác mà chủ yếu là ô tô

“Ô nhiễm môi trường ở nước ta hiện nay đã trở thành một vấn đề sống còn, cấp bách cần giải quyết Tốc độ phát triển kinh tế cao đã kéo theo hậu quả môi trường ô nhiễm trong đó ô nhiễm do khí thải của các phương tiện giao thông đường bộ chiếm tỷ trọng rất lớn ở nhiều đô thị - nơi lượng tải hành khách, hàng hoá ngày càng tăng, và tỉ lệ đường xe cá nhân ngày càng cao, mà xe máy là nguồn gây ô nhiễm chính” Thứ trưởng Bộ GTVT Nguyễn Hồng Trường nêu thực trạng [3]

Lượng phát thải gây ô nhiễm từ các loại xe cơ giới nói chung và xe máy nói riêng không hoàn toàn phụ thuộc vào số lượng xe cũng như lượng nhiên liệu tiêu thụ mà chủ yếu phụ thuộc vào chất lượng nhiên liệu, công nghệ giảm khí thải được áp dụng trên xe, chế độ bảo dưỡng, sửa chữa và chế độ vận hành xe trong sử dụng Thực tế cho thấy trung bình một xe máy tiêu thụ nhiên liệu chỉ bằng 1/5 xe ô tô con nhưng lại có thể thải ra lượng khí độc hại gấp nhiều lần nếu như xe máy đó là loại có kết cấu, công nghệ lạc hậu

Như vậy, xe mô tô và gắn máy là nguyên nhân chính gây ra ô nhiễm không khí ở các đô thị, thành phố lớn, gây ra thiệt hại vô cùng lớn đến con người, môi trường và thiệt hại về kinh tế.

Tổng quan các nghiên cứu liên quan trong và ngoài nước

2.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới Để giảm thiểu các chất độc hại có trong khí thải của xe cơ giới lắp động cơ đốt trong, thế giới đã sử dụng nhiều giải pháp khác nhau trong số đó công nghệ xúc tác được sử dụng như một biện pháp tối ưu cả về mặt công nghệ lẫn kinh tế và mang lại hiệu quả cao trong xử lý khí thải của xe cơ giới

Thực ra, công nghệ xúc tác khí thải đã phát triển trên thế giới từ trên 30 năm và đến nay đã có hơn 500 triệu xe ô tô và 85% số xe sản xuất mới trang bị bộ xúc tác Catalysts cho cả ô tô, xe hạng nặng và xe máy Bắt đầu từ năm 2000, 100% số xe ô tô đời mới bán ở Mỹ đều được lắp đặt công nghệ xúc tác khí thải Catalyst Hiện nay, thiết bị xúc tác khí thải và lọc bụi khói đang trở thành chế tài bắt buộc áp dụng tại nhiều nước trên thế giới [12]

Xử lý khí thải bằng bộ xúc tác (catalyst): việc xử lý khí thải động cơ đốt trong bằng bộ xúc tác đã được nghiên cứu và phát triển ở Mĩ cũng như ở Châu Âu từ những năm 1960 Đầu tiên, người ta sử dụng các bộ xúc tác oxy hóa trên những động cơ hoạt động với hỗn hợp giàu Sau đó, hệ thống xúc tác lưỡng tính đã được phát triển để xử lý khí thải Hệ thống này bao gồm bộ 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 trên động cơ đánh lửa cưỡng bức làm việc với hệ số dư không khí α xấp xỉ bằng 1 và trở thành bộ xúc tác được ứng dụng rộng rãi nhất hiện nay Từ năm 1990, các bộ xúc tác mới được áp dụng trên động cơ đánh lửa cưỡng bức làm việc với hỗn hợp nghèo, động cơ diesel và động cơ 2 kỳ Trong khi chờ đợi những giải pháp kỹ thuật lý tưởng nhằm hạn chế triệt để các chất ô nhiễm từ trong quá trình cháy thì việc xử lý khí thải bằng xúc tác là biện pháp hữu hiệu nhất để giảm mức độ phát sinh ô nhiễm của ô tô, xe gắn máy

Giảm mức độ phát sinh ô nhiễm từ động cơ đốt trong tại nguồn: trong những thập niên tới, mối quan tâm hàng đầu của việc thiết kế động cơ là giảm mức độ phát sinh ô nhiễm ngay từ nguồn, nghĩa là trước khi ra khỏi xú pap xả Vì vậy, nhà thiết kế động cơ không chỉ chú trọng đơn thuần về công suất hay tính năng kinh tế của động cơ mà phải cân nhắc giữa các chỉ tiêu đó và mức độ phát sinh ô nhiễm Giảm ô nhiễm ngay tại nguồn hiện nay trên thế giới có các hướng nghiên cứu sau:

+ Sử dụng nhiên liệu sạch:

1 Nhiên liệu khí dầu mỏ hóa lỏng LPG (Liquefied Petroleum Gas) thường thuộc nhóm hydro-carbon có 3 hay 4 nguyên tử C Loại nhiên liệu này được phát triển và thương mại hóa từ những năm 1950 Mấy thập kỉ qua chúng được dùng chủ yếu cho công nghiệp và sinh nhiệt gia dụng Việc nghiên cứu sử dụng chúng cho động cơ đốt trong trên các phương tiện giao thông vận tải đã bắt đầu trong những năm gần đây Tuy nhiên việc áp dụng loại nhiên liệu này trên ô tô, xe máy cần những thiết bị cồng kềnh hơn nhiên liệu lỏng nhưng nó cho phép giảm được mức độ phát ô nhiễm và đó chính là điểm mà các nhà chế tạo ô tô, xe máy quan tâm nhất hiện nay

2 Nhiên liệu khí thiên nhiên (NG) cho ô tô (Natural Gas Vehicle - ô tô chạy khí thiên nhiên) Khí thiên nhiên là nguồn năng lượng sơ cấp rất quan trọng Trong những năm gần đây, sản lượng khí thiên nhiên hằng năm trên thế giới đạt xấp xỉ 2 tỉ Tép (1000 m 3 = 0,85 Tép), tương đương khoảng 60% sản lượng dầu thô Người ta ước tính đến năm 2020, sản lượng khí thiên nhiên trên thế giới sẽ là 2,6 tỉ Tép /năm so với sản lượng dầu thô là 3,5 tỷ Tép Trữ lượng khí thiên nhiên hiện nay khoảng 150 tỉ Tép, xấp xỉ với trữ lượng dầu thô Mặt khác, khí thiên nhiên có ưu điểm là phân bố hầu như khắp trên địa cầu nên đảm bảo được sự cung cấp an toàn và thuận tiện hơn dầu thô Khí thiên nhiên hiện nay chủ yếu được sử dụng để sinh nhiệt gia dụng và công nghiệp (sưởi, tạo nhiệt, công nghệ hóa học…) Tỉ lệ khí thiên nhiên sử dụng trong lĩnh vực giao thông vận tải còn rất khiêm tốn Từ năm 1990, việc nghiên cứu sử dụng khí thiên nhiên làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong đã được thực hiện ở nhiều khu vực trên thế giới khí thiên nhiên được coi là nhiên liệu sạch vì vậy việc sử dụng nó để chạy động cơ ngoài mục đích đa dạng hóa nguồn nhiên liệu nó còn góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường một cách đáng kể [10]

+ Nghiên cứu cải thiện quá trình cháy trong động cơ: đối với động cơ đánh lửa cưỡng bức thế hệ mới làm việc với hỗn hợp nghèo ta có thể khống chế thêm vận động rối của hỗn hợp nhiên liệu không khí trong quá trình cháy để làm giảm các chất ô nhiễm đặc biệt là HC Ngoài ra, ta còn sử dụng hệ thống hồi lưu khí thải (EGR) trên tất cả các loại động cơ đánh lửa cưỡng bức cổ điển hay động cơ thế hệ mới làm việc với hỗn hợp nghèo Nó cho phép làm bẩn hỗn hợp ở một số chế độ công tác của động cơ nhằm làm giảm nhiệt độ cháy và do đó làm giảm nồng độ NO x Ngoài ra việc điều chỉnh góc độ phân phối khí cũng là một biện pháp làm hài hòa giữa tính năng của động cơ và mức độ ô nhiễm HC và NO x Gia tăng góc độ trùng điệp sẽ làm tăng lượng khí thải hồi lưu do đó làm giảm NO x Hiện nay các hãng ô tô sử dụng các công nghệ để thay đổi góc cơ cấu phân phối khí như: công nghệ VVT - I (TOYOTA), VTEC (HONDA), MIVEC (MITSUBISHI)… Động cơ đánh lửa cưỡng bức phun trực tiếp cũng (GDI) là cách cải thiện quá trình cháy trong động cơ làm giảm nồng độ các chất ô nhiễm Hoàn thiện quá trình đốt cháy nhiên liệu trong xi-lanh cũng là một biện pháp rất hiệu quả làm giảm khí thải độc hại Xu hướng này được các đại gia ô tô Đức và Nhật đặc biệt chú trọng Đây là biện pháp đồng thời cắt giảm khí thải và tiết kiệm nhiên liệu Vào năm 1976, hãng Bosch lần đầu tiên chế tạo được loại cảm biến dùng trên động cơ xăng có tên là Lambda (xuất xứ từ mẫu tự Latinh λ)

Có một số công trình nghiên cứu liên quan đến đề tài nghiên cứu:

+ Appraisal of Secondary Air Injection for Emission Reduction in Small 2T

SI Engines, tạp chí SAE 2000-01-0899

+ Emission Control of Two-and Three-wheel Vehicles, May 7 1999, của

Manufacturers of Emission Controls Association, 1660L Street NW- Suite 1100 Washington, DC 20036

+ Secondary Air Injection in the Exhaust After-Treatment System of S.I ngines: 1D Fluid Dynamic Modeling and Experimental Investigation, SAE 2003-01-0366 + Emission Control Technologies for 50 and 125 cc Motorcycles in Taiwan, SAE, 980938

+ Investigation of Internal Thermal Impact Effect on Motorcycle Catalytic Converter Activity and Microstructure, SAE 2003-32-0059

2.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Xúc tác môi trường (environmental catalyst) là một hướng khoa học hoàn toàn mới tại Việt Nam Hiện nay, đã có một số Trường Đại học, Viện nghiên cứu quan tâm đến lĩnh vực này Trong đó, ưu tiên tập trung cho việc nghiên cứu các chất xúc tác để xử lý khí thải từ động cơ, các lò đốt công nghiệp và hơi khí thải từ các nhà máy sản xuất hóa chất Có thể kể đến những công trình nghiên cứu như:

- Lưu Cẩm Lộc và cộng sự, 1999 Chế tạo và nghiên cứu tính chất các xúc tác xử lý khí thải xe máy Tạp chí hóa học (tập 37 số 4) [13]

- Hòa Quang Điệp, 2003 Nghiên cứu chế tạo xúc tác để xử lý khí thải của nguồn đốt dầu trong công nghiệp Luận văn tốt nghiệp cao học [Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM] [14]

- Phạm Lê Du, 2005 Nghiên cứu thực nghiệm xử lý NO 2 trong khói thải do đốt nhiên liệu Luận văn tốt nghiệp cao học [Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM] [15]

- Dương Quốc Thạnh Nghiên cứu xử lý khí thải xe gắn máy bằng bộ chuyển đổi xúc tác (catalyst converter) Luận văn tốt nghiệp cao học 2008 [Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM] [16]

- Võ Phan Việt Hưng, Nguyễn Hùng Minh, 2006 Nghiên cứu ứng dụng bộ xúc tác cho xe gắn máy Luận văn tốt nghiệp đại học [Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM].[17]

- Trần Thị Minh Nguyệt, Nguyễn Văn Vượng, Nguyễn Quang Huấn, Nguyễn Anh Minh, Nguyễn Xuân Phúc, Lê Văn Tiệp “Một số kết quả nghiên cứu ứng dụng vật liệu xúc tác của Viện Khoa học Vật liệu nhằm xử lý khí thải CO, C x H y , NO x ” Báo cáo tại Hội thảo:’’ Ứng dụng công nghệ xúc tác và lọc bụi khói giảm thiểu khí thải xe cơ giới để cải thiện chất lượng môi trường không khí”, Cục Đăng kiểm Việt Nam, Hà Nội, 11/5/2006 [18]

- Lê Văn Vượng và cộng sự Viện Khoa Học Công Nghệ Vật Liệu: “Sản xuất các bộ xúc tác xử lý CO và HC của khí thải các xe máy và phối hợp chế tạo ống xả xe máy thân thiện môi trường”, 2006 [19].

Cơ sở lý thuyết hình thành các chất gây ô nhiễm từ động cơ đốt trong

Quá trình cháy lý tưởng của hỗn hợp hydro-carbon với không khí chỉ sinh ra

CO 2 , H 2 O và N 2 Tuy nhiên, do sự không đồng nhất của hỗn hợp một cách lý tưởng cũng như do tính chất phức tạp của các hiện tượng lý hóa diễn ra trong quá trình cháy nên trong khí thải động cơ đốt trong luôn chứa một hàm lượng đáng kể những chất độc hại như: oxit nitơ (NO, NO 2 , N 2 O, gọi chung là NO x ), monoxit carbon (CO), các hyđro-carbon chưa cháy (HC) và các hạt rắn, đặc biệt là bồ hóng Nồng độ các chất ô nhiễm trong khí thải phụ thuộc vào loại động cơ và cơ chế vận hành Ở động cơ diesel, nồng độ CO rất bé, chiếm tỉ lệ không đáng kể, nồng độ HC chỉ bằng khoảng 20% nồng độ HC của động cơ xăng, còn nồng độ NO x của hai loại động cơ có giá trị tương đương nhau Trái lại, bồ hóng là chất ô nhiễm quan trọng trong khí thải động cơ diesel, nhưng hàm lượng của nó không đáng kể trong khí thải động cơ xăng

Hình 2.2 Quan hệ tỷ lệ hỗn hợp và lượng khí có hại sinh ra

Những tạp chất, đặc biệt là lưu huỳnh (S) và các chất phụ gia trong nhiên liệu cũng có ảnh hưởng đến thành phần các chất ô nhiễm trong sản phẩm cháy Thông thường xăng thương mại có chứa khoảng 600 ppm lưu huỳnh Thành phần lưu huỳnh có thể tăng lên đến 0,5% đối với dầu diesel Trong quá trình cháy, lưu huỳnh bị oxy hóa thành SO 2 , sau đó một bộ phận SO 2 bị oxy hóa tiếp thành SO 3 , chất có thể kết hợp với H 2 O tạo thành axít sunphuric (H 2 SO 4 ) Mặt khác, để tăng tính chống kích nổ cho nhiên liệu, người ta pha thêm thetra-ethyle chì Pb(C 2 H 5 ) vào xăng Sau khi cháy, những hạt chì có đường kính cực bé thoát ra theo khí thải, lơ lửng trong không khí và trở thành chất ô nhiễm đối với bầu khí quyển, nhất là ở khu vực thành phố có mật độ giao thông cao

Một trong những thông số có tính tổng quát ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm môi trường của động cơ là hệ số dư lượng không khí α Động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo có mức độ phát sinh ô nhiễm thấp hơn Tuy nhiên, nếu hỗn hợp quá nghèo thì tốc độ cháy thấp, đôi lúc diễn ra tình trạng bỏ lửa và đó là nguyên nhân làm gia tăng nồng độ HC

Nhiệt độ cực đại của quá trình cháy cũng là một nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến thành phần các chất ô nhiễm vì nó ảnh hưởng mạnh đến động học phản ứng, đặc biệt là các phản ứng tạo NO x và bồ hóng

Nói chung, tất cả những thông số kết cấu hay vận hành nào của động cơ cũng có tác động đến thành phần hỗn hợp và nhiệt độ độ cháy đều ảnh hưởng trực tiếp hay gián tiếp đến sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí thải

2.3.1 Tác hại của các chất ô nhiễm trong khí thải động cơ

- Đối với sức khỏe con người:

Monoxyde carbon (CO): là sản phẩm khí không màu, không mùi, không vị sinh ra do ô xy hóa không hoàn toàn carbon trong nhiên liệu trong điều kiện thiếu oxy CO ngăn cản sự chuyển dịch của hồng cầu trong máu làm cho các cơ quan trong cơ thể có thể bị thiếu oxygen Nạn nhân sẽ tử vong khi 70% số hồng cầu bị khống chế (với nồng độ CO trong không khí lớn hơn 1000 ppm) Ở nồng độ thấp hơn, CO cũng có thể gây nhức đầu, chóng mặt, buồn nôn khi 20% hồng cầu bị khống chế, khi tỷ số này lên đến 50% não bộ của con người bắt đầu bị ảnh hưởng mạnh

Oxyde nitơ (NO x ): trong đó NO chiếm đại bộ phận NO x được hình thành do N 2 kết hợp với O 2 ở điều kiện nhiệt độ cao (vượt quá 1100 o C) NO không nguy hiểm mấy nhưng là cơ sở tạo ra NO 2 NO 2 là chất khí màu hơi hồng, có mùi, khứu giác có thể phát hiện khi nồng độ của nó trong không khí đạt khoảng 0,12 ppm NO 2 là chất khó hòa tan, do đó nó có thể theo đường hô hấp đi sâu vào phổi gây viêm và làm hủy hoại tế bào cơ quan hô hấp làm nạn nhân mất ngủ, khó thở Protoxyde nitơ là chất cơ sở tạo ra ozone ở hạ tầng khí quyển

Hydro-carbon (HC): có mặt trong khí thải do quá trình cháy không hoàn toàn khi hỗn hợp giàu hoặc do hiện tượng cháy không bình thường Chúng gây tác hại đến sức khỏe con người chủ yếu là do các Hydro-carbon thơm Từ lâu người ta đã xác định được vai trò của Benzen trong căn bệnh ung thư máu khi nồng độ của nó lớn hơn 40 ppm hoặc gây rối loạn hệ thần kinh khi nồng độ lớn hơn 1g/m 3 , đôi khi nó là nguyên nhân gây các bệnh về gan

Oxyde lưu huỳnh (SO 2 ): là một chất háo nước, vì vậy nó rất dễ hòa tan vào nước mũi, bị ô xy hóa thành H 2 SO 4 và muối amonium rồi đi theo đường hô hấp vào sâu trong phổi Mặt khác SO 2 làm giảm khả năng đề kháng của cơ thể và làm tăng cường độ tác hại của các chất ô nhiễm khác đối với nạn nhân

Chì: có mặt trong khí thải do thetra-ethyle chì Pb(C 2 H 5 ) được pha vào xăng để tăng tính chống kích nổ cho nhiên liệu Chì trong khí thải động cơ tồn tại dưới dạng những hạt có đường kính cực bé nên rất dễ xâm nhập vào cơ thể qua da hoặc đường hô hấp Khi đã vào được trong cơ thể, khoảng từ 30-40% lượng chì này đi vào máu Sự hiện diện của chì gây xáo trộng sự trao đổi ion ở não, gây trở ngại cho sự tổng hợp enzyme để hình thành hồng cầu và đặc biệt hơn chúng tác động lên hệ thần kinh làm trẻ em chậm phát triển trí tuệ Chì bắt đầu gây nguy hiểm đối với con người khi nồng độ của nú trong mỏu vượt quỏ 200 - 250 àg/l

Bồ hóng: là chất ô nhiễm đặc biệt quan trọng trong khí thải động cơ Diesel Nó tồn tại dưới dạng hạt rắn cú đường kớnh trung bỡnh khoảng 0,3 àm nờn rất dễ xõm nhập sâu vào phổi Sự nguy hiểm của bồ hóng, ngoài việc gây trở ngại cho cơ quan hô hấp như bất kỳ một tạp chất cơ học nào khác có mặt trong không khí, nó còn là nguyên nhân gây ung thư do các hyđro-carbon thơm mạch vòng (HAP) hấp thụ trên bề mặt của chúng trong quá trình hình thành

Thay đổi nhiệt độ khí quyển: sự hiện diện của các chất ô nhiễm, đặc biệt là những chất khí gây hiệu ứng nhà kính, trong không khí trước hết ảnh hưởng đến quá trình cân bằng nhiệt của bầu khí quyển Trong số những chất gây hiệu ứng nhà kính, người ta quan tâm đến khí CO 2 vì nó là thành phần chính trong sản phẩm cháy của nhiên liệu có chứa thành phần carbon Với tốc độ gia tăng nồng độ khí CO 2 trong bầu khí quyển như hiện nay, người ta dự đoán vào khoảng giữa thế kỉ 22, nồng độ khí CO 2 có thể tăng lên gấp đôi Khi đó, theo dự tính của các nhà khoa học, sẽ xảy ra sự thay đổi quan trọng đối với sự cân bằng nhiệt trên quả đất: nhiệt độ bầu khí quyển tăng lên từ 2-3 o C, một phần băng ở vùng bắc cực và nam cực tan sẽ làm tăng chiều cao mực nước biển, làm thay đổi chế độ mưa gió và sa mạc hóa thêm bề mặt trái đất Ảnh hưởng đến sinh thái: sự gia tăng của NO x , đặc biệt là Protoxyde nitơ N 2 O có nguy cơ làm hủy hoại lớp ozone ở thượng tầng khí quyển, lớp khí cần thiết để lọc tia cực tím phát xạ từ mặt trời Tia cực tím gây ung thư da và gây đột biến sinh học, đặc biệt là đột biến sinh các vi trùng có khả năng làm lây lan các bệnh lạ dẫn tới hủy hoại sự sống của mọi sinh vật trên trái đất giống điều kiện hiện nay trên Sao Hỏa Mặt khác, các chất khí có tính axít như SO 2 , NO 2 , bị ô xy hóa thành axít sunphuric, axít nitric hòa tan trong mưa, trong tuyết, trong sương mù làm hủy hoại thực vật trên mặt đất và gây ăn mòn các công trình kim loại (mưa axít)

2.3.2 Cơ chế hình thành CO

CO sinh ra do quá trình cháy không hoàn toàn của hỗn hợp giàu hay do phân giải sản phẩm của quá trình cháy Nồng độ CO phụ thuộc mạnh vào thành phần hỗn hợp, hay nói cách khác, phụ thuộc vào hệ số dư lượng không khí α Ở điều kiện hỗn hợp giàu, lượng oxy có mặt trong hỗn hợp không đủ để ô xy hóa hoàn toàn carbon của nhiên liệu thành khí CO 2 Mặt khác, ở điều kiện nhiệt độ cao phản ứng phân giải sản phẩm cháy cũng làm tăng nồng độ CO ngay cả khi hỗn hợp nghèo

Hình 2.3 Quan hệ tỷ lệ hỗn hợp và lượng CO, CO 2 trong khí thải

Khi động cơ làm việc ở chế độ non tải, do điều kiện cháy không thuận lợi, tạo ra các vùng cháy không hoàn toàn cục bộ, nên nồng độ CO trong khí thải cao cho dù hệ số lượng dư không khí α được bộ tạo hỗn hợp điều chỉnh dao động gần giá trị cháy hoàn toàn lý thuyết Vì vậy, khi ô tô, xe máy hoạt động trong thành phố thì sự sinh ra

CO đáng quan tâm nhất, do động cơ thường xuyên làm việc ở chế độ tải thấp

Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành CO:

+ Áp suất nạp: cùng một góc đánh lửa sớm, áp suất nạp càng nhỏ thì tốc độ cháy càng thấp kéo theo sự giảm áp suất và nhiệt độ cực đại trong xylanh Điều này làm tăng khả năng cháy không hoàn toàn, do đó làm tăng nồng độ CO trong sản phẩm cháy

+ Thành phần hỗn hợp: cũng như trường hợp cháy ngoài khí quyển, nồng độ

CO đo trên đường xả động cơ tăng rất nhanh theo độ đậm đặc của hỗn hợp φ

Khảo sát sự phát thải các chất ô nhiễm không khí từ các phương tiện giao thông vận tải và xe găns máy tại việt nam

Kết quả quan trắc chất lượng không khí từ các trạm quan trắc

Nhận thức được mức độ ô nhiễm không khí do quá trình đô thị hóa gây ra, từ năm

1994 thành phố Hồ Chí Minh(TP.HCM) đã bắt đầu quan trắc không khí bằng các trạm lấy mẫu không khí tại các điểm nóng giao thông và các khu dân cư Cho đến nay, thành phố Hồ Chí Minh đã có 9 trạm quan trắc tự động và 6 trạm bán tự động

Kết quả thu được (đặc biệt là các trạm bán tự động) cho thấy ô nhiễm không khí tại thành phố Hồ Chí Minh đạt mức cao, vượt tiêu chuẩn cho phép

Bảng 3.1: TCVN về chất lượng không khí xung quanh và ven đường [21]

Trong hội thảo ‘‘ nâng cao năng lực quản lý chất lượng không khí đô thị tại TP.HCM“ ông Đào Anh Kiệt giám đốc sở tài nguyên và môi trường cho biết: tình trạng ô nhiễm không khí tại TP.HCM có nhiều nguyên nhân khác nhau nhưng nguyên nhân chủ yếu là do giao thông đô thị gây ra

Trong năm 2008, bụi là chỉ tiêu đáng lo ngại nhất có tới 89% giá trị quan trắc không đạt tiêu chuẩn cho phép Qua quan trắc bán tự động cho thấy: tổng nồng độ bụi năm 2008 dao động trong khoảng 0,37 -0,78 (mg/m 3 ) vượt tiêu chuẩn cho phép 1,24-2,59 lần Đặc biệt các điểm nút giao thông như: ngã tư An Sương, ngã sáu Gò Vấp, ngã tư Đinh Tiên Hoàng – Điện Biên Phủ là những nơi nồng độ ô nhiễm đo được cao nhất Nguyên nhân do lưu lượng xe lưu thông khu vực này quá lớn, tình trạng ùn tắc, kẹt xe xảy ra thường xuyên Tại khu vực ngã tư An Sương, 100% giá trị đo quan trắc ở đây không đạt tiêu chuẩn cho phép (có lúc đạt 1,44 mg/m 3 , gấp 4,8 lần tiêu chuẩn cho phép)

Lượng khí thải ô nhiễm phát ra từ các phương tiện tham gia giao thông tại TP.HCM năm 2007:

+ Lượng NO x thải ra tính theo đầu người của các phương tiện tham gia giao thông:

Bảng 3.2: Lượng NO x phát thải theo đầu người của các phương tiện tham gia giao thông năm 2007 tại TP.HCM [21]

Hình 3.1 Lượng NO x phát thải theo đầu người của các phương tiện tham gia giao thông năm 2007 tại TP.HCM

+ Lượng CO thải ra tính theo đầu người của các phương tiện tham gia giao thông:

Bảng 3.3: Lượng COphát thải theo đầu người của các phương tiện tham gia giao thông năm 2007 tại TP.HCM [21]

Hình 3.2 Lượng COphát thải theo đầu người của các phương tiện tham gia giao thông năm 2007 tại TP.HCM

+ Lượng HC thải ra tính theo đầu người của các phương tiện tham gia giao thông:

Bảng 3.4: Lượng HCphát thải theo đầu người của các phương tiện tham gia giao thông năm 2007 tại TP.HCM [21]

Hình 3.3 Lượng HCphát thải theo đầu người của các phương tiện tham gia giao thông năm 2007 tại TP.HCM

Từ các số liệu đo phát thải trong năm 2007 đem so sánh với tiêu chuẩn khí thải của châu âu (EURO):

Hình 3.4 Mức độ khí thải cho phép của các tiêu chuẩn EURO

Bảng 3.5: Bảng tiêu chuẩn khí thải châu âu (EURO)

Loại xe Tiêu chuẩn Giới hạn Ô tô con

CO HC NO x xăng Diesel xăng Diesel xăng Diesel

Euro IV 1 1,5 0,1 0,08 0,25 Ô tô thương mại (g/km)

Loại 2 1,81 0,63 0,13 0,69 0,1 0,33 Loại 3 2,27 0,4 0,15 0,46 0,11 0,39 Động cơ diesel hạng nặng (g/km)

- Loại 1: xe có trọng lượng 0) nhưng nhiệt độ cần cho hai quá trình thì khác nhau Nhiệt độ cần cho themal oxidation là 750 o C hay nhiệt độ cao hơn thì càng tốt, việc này thì tùy thuộc vào thành nồng độ khí xả và thời gian duy trì của chúng

Hình 6.21 Nhiệt độ khí xả trong chu trình thử ECE trên xe máy 125 cm 3 [29] Ngược lại, việc chuyển đổi CO và HC với tỷ lệ tương tự nhưng với nhiệt độ thấp hơn trên bề bặt của catalyst là khoảng 200 o C (nhiệt độ cần cho catalytic oxidation) Cả thermal oxidation và catalytic oxidation đều làm tăng nhiệt độ của catalyst để rút ngắn thời gian hoạt động So sánh việc tăng nhiệt độ cho bộ catalyst bằng SAI và việc tăng nhiệt độ trực tiếp trong bộ catalyst bằng điện trở thì gia nhiệt bằng SAI hiệu quả hơn Một phần nhiệt được tạo ra ở themal oxidation sẽ bị tiêu tốn bởi những thành của ống xả, kết quả là sẽ làm ảnh hưởng đến thời gian hoạt động của catalyst Tuy nhiên themal oxidation sẽ tăng hiệu quả ô xy hóa CO và HC nếu nhiệt độ thích hợp được duy trì, điều này có ý nghĩa rất quan trọng trước khi catalyst hoạt động Đối với động cơ xe máy thường làm việc ở chế độ giàu nhiên liệu nên việc giảm CO và HC càng có ý nghĩa Việc lắp thêm SAI làm sự ô xy hóa tăng lên giúp giảm hàm lượng các khí thải độc hại trong đường xả xe gắn máy

Vì vậy việc kết hợp giữa thermal oxidation và catalytic oxidation để ô xy hóa CO và HC là cần thiết Việc cung cấp nhiệt độ ban đầu thì cần thiết để cho các phản ứng tỏa nhiệt của CO và HC trên bề mặt catalyst và giảm nồng độ CO và HC trên catalyst để ô nhiễm môi trường là nhỏ nhất Trong khi sau đó có sự ảnh hưởng trực tiếp của nhiệt độ trên bề mặt catalyst nên phải yêu cầu một mức độ ô nhiễm để đạt độ bền cho catalyst Nếu thermal oxidation ô xy hóa quá nhiều chất thải nó thì có ý nghĩa quan trọng cho việc giảm tối thiểu sự ô nhiễm trước thời gian hoạt động của catalyst nhưng có thể làm giảm thời gian hoạt động của catalyst do có một sự giảm năng lượng xảy ra trực tiếp trong bộ catalyst Ngược lại nếu thermal oxidation ô xy hóa quá ít khí thải điều này làm tăng sự ô nhiễm mặc dù thời gian hoạt động catalyst có thể ngắn hơn.

Nghiên cứu thực nghiệm lắp đặt hệ thống phun không khí thứ cấp (SAI) trên đường ống xả xe gắn máy

Đối tượng thí nghiệm

Xe gắn máy YAMAHA JUPITER V: chưa có hệ thống xử lý khí thải (SAI và catalyst), thời hạn sử dụng 10 năm, số km đi được 80 000, các đặc điểm về động cơ như sau: Động cơ

- Số xi lanh, bố trí:

- Dung tích động cơ (xi lanh):

- Đường kính x hành trình piston:

4 thì, làm mát bằng không khí

1, bố trí nghiêng về phía trước 110,03 cm 3

1300 kpa (13 kG/cm 2 ) ở 500 vòng /phút Khởi động điện hoặc đạp

Bôi trơn các te ướt 1400-1600 vòng/phút

- Lọc gió: Bằng giấy loại khô

Bộ chế hòa khí (bình xăng con)

Loại ly hợp Ly hợp nhiều đĩa ma sát + ly hợp ly tâm

- Bộ truyền giảm tốc sơ cấp:

- Tỷ số truyền sơ cấp: bánh răng thẳng 67/18 (3,772)

- Bộ truyền giảm tốc thứ cấp:

- Tỷ số truyền thứ cấp:

- Bộ truyền lực hộp số:

4 cấp cố định vận hành bằng chân trái 38/12 (3,166)

10 0 ở 1500 V/ph trước điểm chết trên

Hình 7.1 Xe gắn máy thí nghiệm

Giới thiệu thiết bị thí nghiệm

- Máy đo CO và HC của hãng HORIBA Nhật Bản

Hình 7.2 Máy đo nồng độ khí thải CO, HC

Hình 7.3 Màn hình hiển thị máy đo khí thải CO, HC

Dãy đo: CO (0-10% thể tích)

Hình 7.4 Ý nghĩa các hiển thị trên máy đo khí thải CO, HC

Hình 7.5 Các nút hoạt động trên máy đo khí thải CO, HC

- Máy đo tốc độ động cơ

Hình 7.6 Máy đo tốc độ động cơ Tùy theo điều kiện số xy lanh của động cơ và số kỳ của động cơ mà bấm chữ cái cho thích hợp, một đầu của máy được kẹp lên dây phin đánh lửa của động cơ

Bảng 7.1: Lựa chọn chữ cái trên máy đo tốc độ động cơ

- Dụng cụ đo lưu lượng không khí

Dụng cụ đo do Nhật sản xuất

Lưu lượng đo tối đa là 60 lít/phút

Dụng cụ có van điều chỉnh lưu lượng

Hình 7.7 Dụng cụ đo lưu lượng không khí

Máy bơm không khí dạng piston dẫn động bằng điện

Model: KLEIN - KOMPRESSOR PS 801 do đài loan sản xuất Điện áp hoạt động: 12 VDC Áp suất bơm cực đại: 8 kG/cm 2

Hình 7.8 Máy Bơm không khí

Hình 7.9 Ống xả gắn trên xe máy thử nghiệm

SAI do hãng Yamaha sản xuất Đường kính ống phun không khí: 10 mm

Chiều dài ống phun: 10 cm Độ dày van lưỡi gà: 0,25 mm

- Đồng hồ đo áp suất Đồng hồ đo áp suất do Đài Loan sản xuất Áp suất tối đa: 2 kG/cm 2

Vị trí đặt ống phun không khí thứ cấp

Vị trí đặt đồng hồ đo áp suất, nhiệt độ

Hình 7.11 Đồng hồ đo áp suất

- Đồng hồ đo nhiệt độ Đồng hồ do đài loan sản xuất

Khoảng nhiệt độ đo được: -150 0 C ~ 1169 0 C

Hình 7.12 Đồng hồ đo nhiệt độ

Lựa chọn quy trình và chế độ thí nghiệm

Sơ đồ quy trình thí nghiệm

Tốc độ c/chừng Tốc độ t/bình Tốc độ cao

Tốc độ t/bình Tốc độ cao

Tốc độ c/chừng Tốc độ t/bình Tốc độ cao

Tốc độ c/chừngTốc độ t/bình Tốc độ cao

+ Vị trí 1: khoảng cách từ cửa xả đến vị trí ống phun không khí là 7 cm (P p =7 cm), khoảng cách từ van lưỡi gà tới vị trí đặt ống phun là 10 cm (L t cm), đường kính ống phun là 10 mm (D t mm)

+ Vị trí 2: khoảng cách từ cửa xả đến vị trí ống phun không khí là 15 cm (P p cm), khoảng cách từ van lưỡi gà tới vị trí đặt ống phun là 10 cm (L t cm), đường kính ống phun là 10 mm (D t mm)

+ Vị trí 3: khoảng cách từ cửa xả đến vị trí ống phun không khí là 30 cm (P p 0 cm), khoảng cách từ van lưỡi gà tới vị trí đặt ống phun là 10 cm (L t cm), đường kính ống phun là 10 mm (D t mm)

- Xe được đo ở 3 tốc độ động cơ khác nhau và chế độ không tải:

+ Tốc độ cầm chừng (garanty) 1100-1300 vòng/phút

+ Tốc độ động cơ trung bình 4000-6000 vòng/phút

+ Tốc độ động cơ tối đa 8000-10000 vòng/phút

Kết quả thí nghiệm và bình luận

- Trường hợp 1 : Nồng độ CO và HC đo được khi chưa gắn bộ xử lý khí thải SAI trên xe Jupiter V ở 3 tốc độ động cơ khác nhau (T/H 1):

Hình 7.13 Nồng độ CO và HC ở tốc độ 1250 vòng/phút khi chưa gắn SAI

Bảng 7.2: Thống kê 5 lần đo cho tốc độ cầm chừng khi chưa gắn SAI

Tốc độ cầm chừng (v/ph)

Bảng 7.3: Thống kê 5 lần đo cho tốc độ trung bình khi chưa gắn SAI

Tốc độ trung bình(v/ph)

Bảng 7.4: Thống kê 5 lần đo cho tốc độ cao chưa gắn SAI

- Trường hợp 2: Nồng độ CO và HC đo được khi có gắn bộ xử lý khí thải SAI trên xe

Jupiter V tại vị trí 1, ở 3 tốc độ động cơ khác nhau, chưa gắn bơm không khí (T/H 2):

Hình 7.16 Sơ đồ lắp hệ thống SAI

Hình 7.17 Sơ đồ lắp hệ thống SAI thực tế

Hình 7.18 Nồng độ CO và HC ở tốc độ 1330 vòng/phút khi có gắn SAI

Bảng 7.5: Thống kê 5 lần đo cho tốc độ cầm chừng khi có gắn SAI

Tốc độ cầm chừng(v/ph)

Máy đo tốc độ động cơ

Vị trí ống phun không khí

Bảng 7.6: Thống kê 5 lần đo cho tốc độ trung bình khi có gắn SAI

Bảng 7.7: Thống kê 5 lần đo cho tốc độ cao khi có gắn SAI

- Trường hợp 3: Nồng độ CO và HC đo được khi có gắn bộ xử lý khí thải SAI trên xe Jupiter V tại vị trí 1, ở 3 tốc độ động cơ khác nhau, có bơm không khí với lưu lượng là 10 lít/phút (T/H 3)

Hình 7.21 Sơ đồ lắp bơm không khí kết hợp với bộ SAI

Hình 7.22 Nồng độ CO và HC ở tốc độ 1170 vòng/phút khi có gắn SAI, có bơm không khí với lưu lượng 10 lít/phút

Bộ SAI Đo lưu lượng không khí

Bảng 7.8: Thống kê 5 lần đo cho tốc độ cầm chừng khi có gắn SAI và bơm không khí với lưu lượng 10 lít/phút

Bảng 7.9: Thống kê 5 lần đo cho tốc độ trung bình khi có gắn SAI và bơm không khí với lưu lượng 10 lít/phút

Bảng 7.10: Thống kê 5 lần đo cho tốc độ cao khi có gắn SAI và bơm không khí với lưu lượng 10 lít/phút

- Trường hợp 4: Nồng độ CO và HC đo được khi có gắn bộ xử lý khí thải SAI trên xe Jupiter V tại vị trí 1, ở 3 tốc độ động cơ khác nhau, có bơm không khí với lưu lượng là 20 lít/phút (T/H 4):

- Trường hợp 6: Nồng độ CO và HC đo được khi có gắn bộ xử lý khí thải SAI trên xe Jupiter V tại vị trí 2, ở 3 tốc độ động cơ khác nhau, chưa có bơm không khí (T/H 6)

Hình 7.31 Sơ đồ lắp hệ thống SAI với vị trí ống phun không khí cách cửa xả 15 cm

Hình 7.32 Sơ đồ lắp hệ thống SAI thực tế với vị trí ống phun không khí cách cửa xả 15 cm

Hình 7.33 Nồng độ CO và HC ở tốc độ 1200 vòng/phút khi có gắn SAI, khoảng cách từ cửa xả đến ống phun không khí là 15 cm

Bảng 7.17: Thống kê 5 lần đo cho tốc độ cầm chừng khi có gắn SAI , P p cm

Bảng 7.18: Thống kê 5 lần đo cho tốc độ trung bình khi có gắn SAI, P p cm

Bảng 7.18: Thống kê 5 lần đo cho tốc độ cao khi có gắn SAI, P p cm

- Trường hợp 7: Nồng độ CO và HC đo được khi có gắn bộ xử lý khí thải SAI trên xe Jupiter V tại vị trí 2, ở 3 tốc độ động cơ khác nhau, có bơm không khí với lưu lượng

Hình 7.36 Nồng độ CO và HC ở tốc độ 1190 vòng/phút khi có gắn SAI, có bơm không khí với lưu lượng 10 lít/phút, P p cm

Bảng 7.19: Thống kê 5 lần đo cho tốc độ cầm chừng khi có gắn SAI, P p cm, có bơm không khí với lưu lượng 10 lít/phút

Bảng 7.20: Thống kê 5 lần đo cho tốc độ trung bình khi có gắn SAI, P p cm, có bơm không khí với lưu lượng 10 lít/phút

Bảng 7.21: Thống kê 5 lần đo cho tốc độ cao khi có gắn SAI, P p cm, có bơm không khí với lưu lượng 10 lít/phút

Bảng 7.22: Thống kê 5 lần đo cho tốc độ cầm chưng khi có gắn SAI, P p cm, có bơm không khí với lưu lượng 20 lít/phút

Bảng 7.25: Thống kê 5 lần đo cho tốc độ cầm chừng khi có gắn SAI, P p cm, có bơm không khí với lưu lượng 30 lít/phút

- Trường hợp 10: Nồng độ CO và HC đo được khi có gắn bộ xử lý khí thải SAI trên xe Jupiter V tại vị trí 3, ở 3 tốc độ động cơ khác nhau, chưa có bơm không khí (T/H

Hình 7.45 Sơ đồ lắp hệ thống SAI với vị trí ống phun không khí cách cửa xả 30 cm

Hình 7.46 Sơ đồ lắp hệ thống SAI thực tế với vị trí ống phun không khí cách cửa xả 30 cm

Hình 7.47 Nồng độ CO và HC ở tốc độ 1350 vòng/phút khi có gắn SAI, chưa có bơm không khí, P p = 30 cm Bảng 7.28: Thống kê 5 lần đo cho tốc độ cầm chừng khi có gắn SAI, P p 0 cm, không có bơm không khí

Hình 7.48 Nồng độ CO và HC ở tốc độ 5000 vòng/phút khi có gắn SAI, chưa gắn bơm không khí, P p = 30 cm

Bảng 7.29: Thống kê 5 lần đo cho tốc độ trung bình khi có gắn SAI, P p 0 cm, không có bơm không khí

Hình 7.49 Nồng độ CO và HC ở tốc độ 9070 vòng/phút khi có gắn SAI, chưa có bơm không khí, P p = 30 cm Bảng 7.30: Thống kê 5 lần đo cho tốc độ cao khi có gắn SAI, P p 0 cm, không có bơm không khí

Hình 7.50 Nồng độ CO và HC ở tốc độ 1080 vòng/phút khi có gắn SAI, có bơm không khí với lưu lượng 10 lít/phút, P p = 30 cm Bảng 7.31: Thống kê 5 lần đo cho tốc độ cầm chừng khi có gắn SAI, P p 0 cm, có bơm không khí với lưu lượng 10 lít/phút

Hình 7.51 Nồng độ CO và HC ở tốc độ 4970 vòng/phút khi có gắn SAI, có bơm không khí với lưu lượng 10 lít/phút, P p = 30 cm

Bảng 7.32: Thống kê 5 lần đo cho tốc độ trung bình khi có gắn SAI, P p 0 cm, có bơm không khí với lưu lượng 10 lít/phút

Bảng 7.33: Thống kê 5 lần đo cho tốc độ cao khi có gắn SAI, P p 0 cm, có bơm không khí với lưu lượng 10 lít/phút

Hình 7.53 Nồng độ CO và HC ở tốc độ 1300 vòng/phút khi có gắn SAI, có bơm không khí với lưu lượng 20 lít/phút, P p = 30 cm Bảng 7.34: Thống kê 5 lần đo cho tốc độ cầm chừng khi có gắn SAI, P p 0 cm, có bơm không khí với lưu lượng 20 lít/phút

Bảng 7.35: Thống kê 5 lần đo cho tốc độ trung bình khi có gắn SAI, P p 0 cm, có bơm không khí với lưu lượng 20 lít/phút

Hình 7.55 Nồng độ CO và HC ở tốc độ 8970 vòng/phút khi có gắn SAI, có bơm không khí với lưu lượng 20 lít/phút, P p = 30 cm Bảng 7.36: Thống kê 5 lần đo cho tốc độ cao khi có gắn SAI, P p 0 cm, có bơm không khí với lưu lượng 20 lít/phút

Mô phỏng bộ phun không khí thứ cấp bằng phần mềm Fluent 6

Giới thiệu chung về phần mềm Fluent

Fluent sử dụng công nghệ lưới không cấu trúc, nghĩa là lưới có thể bao gồm các phần tử ở các hình dạng khác nhau như lưới tứ diện và tam giác cho mô phỏng 2D và Đầu vào 1 (inlet

1): thành phần các khí xả

2): không khí thứ cấp được phun vào Đầu ra (outlet)

112 lưới lục diện, tứ diện, đa diện, lăng trụ và kim tự tháp cho mô phỏng 3D Mô phỏng số và lời giải mạnh mẽ sẽ đảm bảo cho Fluent có kết quả chính xác Khả năng giải song song ở trên nền của NT, Linux và Unix có thể được dùng ở nhiều bộ xử lý trên máy đơn hoặc nhiều máy tính trên mạng

Hình 8.3 Giao diện phần mềm Fluent

Các chức năng chính của phần mềm Fluent:

+ Mô phỏng lưới, số hóa và xử lý song song

+ Mô phỏng truyền nhiệt, chuyển pha và bức xạ

+ Mô phỏng động lực học và lưới di chuyển

+ Mô phỏng chảy rối và âm học

+ Mô phỏng dòng phản ứng

Mô hình tính toán-ứng dụng Fluent

Mô hình được tạo ra, chia vùng biên và chia lưới thành phần tử lưới tứ diện bằng phần mềm Gambit với công cụ chia lưới thông minh Tgrid

Hình 8.4 Tạo mô hình và chia lưới trong Gambit Fluent sử dụng mô hình rối k- và dùng phương pháp phần tử khối – sai phân hữu hạn để giải gần đúng cho bài toán này Mô hình rối là một quy trình tính toán nhằm mục đích đóng kín hệ phương trình trung bình thời gian của dòng

Phương trình chuyển đổi năng lượng cho k là:

Phần mềm Gambit + Tạo mô hình + Chia lưới mô hình

Phần mềm Fluent + Nhập lưới và chỉnh sửa + Điều kiện biên

+ Tính chất của lưu chất + Tính toán và xử lý kết quả

Phương trình cho sự tiêu tán :

Trong đó: + k: động năng rối

+ : động năng rối được tao ra do sự chênh lệch vận tốc

+ : động năng rối được tạo ra do lực nâng

+ : sự giãn nở dao động do rối trong toàn bộ sự tiêu tán (

+ : nguồn xác định sử dụng

Sử dụng mô hình không hòa trộn trước (Non-Premixed Combustion) và hàm mật độ xác suất (PDF: Probability Density Function) trong Fluent cho bài toán mô phỏng

Mô hình cơ bản của không hòa trộn trước là đơn giản các giả thiết Trạng thái nhiệt hóa học tức thời của chất lỏng có quan hệ với một đại lượng bảo toàn được gọi là tỷ lệ hòa trộn Tỷ lệ hòa trộn được viết theo các số hạng của tỷ lệ khối lượng nguyên tử là:

Trong đó: + : tỷ lệ khối lượng nguyên tử thứ i

+ : tỷ lệ khối lượng nguyên tử thứ i của dòng ô xy hóa

+ : tỷ lệ khối lượng nguyên tử thứ i của dòng nhiên liệu

Trong trường bài toán này ta áp dụng công thức sau:

Trong đó: + : tỷ lệ lưu lượng khối lượng nhiên liệu

+ : tỷ lệ lưu lượng khối lượng ô xy hóa

Các phương trình chuyển đổi cho tỷ lệ hòa trộn: với giả thiết độ khuếch tán bằng nhau, các phương trình thành phần có thể giảm thành một phương trình đơn cho tỷ lệ hòa trộn Các số hạng nguồn phản ứng trong các phương trình thành phần bị lược bỏ, do đó thì được bảo toàn Giả thiết độ khuếch tán bằng nhau cho dòng chảy tầng, nó thì được chấp nhận cho dòng chảy rối do sự đối lưu rối thì bị chôn vùi bởi khuếch tán phân tử Phương trình tỷ lệ hòa trộn trung bình là:

Ngoài việc giải quyết vấn đề hòa trộn trung bình Fulent còn giải quyết phương trình bảo toàn phương sai tỷ lệ hòa trộn trung bình

Nhập phần trăm khối lượng thành phần khí xả trong bảng PDF bao gồm: CO,

CO 2 , H 2 O, H 2 , N 2 Dựa vào giáo trình “ Nguyên lý động cơ đốt trong” tác giả Nguyễn Tất Tiến, trang 69 ta có:

M CO =0,42 M o (kmol/kg nhiên liệu)

M CO2 = 0,42 M o (kmol/kg nhiên liệu)

M N2 =0,79 M o (kmol/kg nhiên liệu) Trong đó: + M o =0,512 (do nhiên liệu xăng)

+ : hệ số lượng dư không khí, tt tỷ lệ hòa trộn không khí và nhiên liệu thực tế, lt tỷ lệ hòa trộn không khí và nhiên liệu lý thuyết,

Do nhiên liệu là xăng nên chọn

+ k = do nhiên liệu là xăng nên chọn k =0,45

+ c =0,855 do nhiên liệu là xăng + h=0,145 do nhiên liệu là xăng

Khối lượng nhiên liệu được tính như sau: , chọn chế độ tốc độ trung bình cho việc mô phỏng nên lấy và số vòng quay động cơ n e E00 (vòng/phút) Lưu lượng không khí đi qua vào động cơ có thể tính gần đúng như sau:

Q a = (m 3 /phút) Trong đó: + n E00 (vòng/phút): số vòng quay động cơ (vòng/phút)

+ D0,03 cm 3 0,03.10 -6 m 3 : dung tích xy lanh (m 3 ) + : hiệu suất nạp

Ta tính được: Q a =0,2476 (m 3 /phút), khối lượng không khí

Q a =0,2476.1,09=0,2698 (Kg/phút) ( : khối lượng riêng không khí)=> = = (kg/phút)

Lưu lượng thể tích các thành phần khí xả:(

Lưu lượng khối lượng thành phần khí xả: m co (.0,601.10 -3 ,828.10 -3 (kg/phút) m co2 D 1,02.10 -3 D,088.10 -3 (kg/phút) m H2 =2.0,27 10 -3 =0,54.10 -3 (kg/phút) m H2O 1,361.10 -3 $,498.10 -3 (kg/phút) m N2 ( 7,463 10 -3 8,964.10 -3 (kg/phút)

Tổng lưu lượng khối lượng khí xả: m exh = m co + m co2 + m H2 + m H2O + m N2 )4,918.10 -3 (kg/phút)

=> Phần trăm khối lượng các thành phần khí xả:

Nhiệt độ của thành phần khí xả là 1000 o k

Hình 8.5 Nhập các giá trị cho bảng PDF Nhập điều kiện biên cho đầu vào 1 (inlet 1: thành phần khí xả):

+ Nhập giá trị 125000 (pa) cho Gauge Total Pressure (pascal)

+ Nhập giá trị -1 cho Z-Component of Flow Direction

+ Chọn Intensity and Hydraulic Diameter từ Specification Method

+ Nhập giá trị 10 cho Turbulent intensity (%)

+ Nhập giá trị 22 cho Hydraulic Diameter

Nhập điều kiện biên cho đầu vào 2 (inlet 2: không khí thứ cấp)

+ Nhập giá trị 0.00545 cho Mass Flow-Rate (kg/s) ( lưu lượng không khí thứ cấp là Q= 30 (lít/phút) 0.10 -3 (m 3 /phút) => m=Q 0.10 -3 1,09=3,27 10 -2 (kg/phút)= 0,545.10 -3 (Kg/s) )

+ Nhập giá trị -1 cho Z-Component of Flow Direction

+ Chọn Intensity and Hydraulic Diameter

Nhập điều kiện biên cho đầu ra:

+ Chọn Intensity and Hydraulic Diameter

Nhập điều kiện biên cho tường:

+ Chọn Mixed từ Thermal Conditions

+ Chọn steel từ Material Name

+ Nhập giá trị 2 vào mục Wall thickness (mm)

Kết quả mô phỏng và bình luận

Hình 8.6 Phân bố nhiệt độ (t=1s)

Hình 8.7 Phân bố tỷ lệ khối lượng CO (t= 1s)

Hình 8.8 Phân bố tỷ lệ khối lượng CO 2 (t= 1s)

Hình 8.9 Phân bố nhiệt độ tại đầu ra (t=1s)

Hình 8.10 Phân bố tỷ lệ khối lượng CO tại đầu ra (t= 1s)

Hình 8.11 Phân bố tỷ lệ khối lượng CO 2 tại đầu ra (t= 1s)

Nhiệt độ tại đầu ra tính toán cho 143 nút là:

Số nút Tọa độ x Tọa độ y Tọa độ z Nhiệt độ

Nhiệt độ trung bình cho đầu ra là 1000 0 K Đây là nhiệt độ thích hợp để giảm thời gian hoạt động cho catalyst

Tỷ lệ khối lượng khí CO tại đầu ra tính cho 143 nút như sau:

Số nút Tọa độ x Tọa độ y Tọa độ z Nhiệt độ

Số nút Tọa độ X Tọa độ y tọa độ Z % CO

So sánh với tỷ lệ phần trăm khối lượng đầu vào của khí CO là 0,057, qua tính toán mô phỏng tỷ lệ phần trăm khối lượng đầu ra của khí CO là 0,0447 phần trăm khối lượng CO giảm 21,5 % So với kết quả thực nghiệm % CO là 0,045, như vậy kết quả thực nghiệm và kết quả mô phỏng không khác nhau nhiều

Số nút Tọa độ X Tọa độ y tọa độ Z % CO

Tiêu đề	Nghiên cứu các giải pháp giảm phát thải khí độc hại trên xe gắn máy
Tác giả	Nguyễn Văn Thông
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Hữu Hưởng
Trường học	Đại học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Kỹ thuật Ô tô – Máy kéo
Thể loại	Luận văn Thạc sĩ
Năm xuất bản	2011
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	149
Dung lượng	5,18 MB