Tìm hiểu thiết bị, thu thập,nghiên cứu và phân tích các số liệu kiểm định khí xả của động cơ của mộtsố loại ô tô lưu hành phổ biến tại Thanh Hóa

Sự thay đổi góc phun sớm phù hợp theo tốc độ và tải cho phép chọn được vịtrí điều chỉnh tối ưu hài hoà giừa nồng độ các chất ô nhiễm và hiệu suất động cơ.Đối với động cơ có buồng cháy dự

LỜI NÓI ĐẦU

Động cơ đốt trong đóng một vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân

Và là nguồn động lực chính của các phương tiện vận tải như: Ôtô, tàu thuỷ, tàuhoả, máy bay…hay các máy công tác như: máy phát điện, máy xây dựng, cácmáy công cụ trong công nghiệp, nông nghiệp… Tuy nhiên động cơ đốt trongcũng là nguồn gốc gây ra ô nhiễm môi trường

Trong tình hình thế giới phát triển nhanh như hiện nay, sản lượng côngnghiệp hằng năm ngày càng tăng nhanh thì nguồn năng lượng tiệu thụ trên thếgiới ngày càng lớn Động cơ đốt trong vẫn là nguồn cơ năng chính cho cácphương tiện hiện nay Chính vì vậy mà lượng sản phẩm khí thải từ động cơ đốttrong trên thế giới càng ngày càng tăng, gây ô nhiễm môi trường nặng nề ảnhhưởng trực tiếp biến đổi khí hậu ngày càng phức tạp, trái đất ngày càng nónglên, ảnh hưởng rất xấu tới sức khoẻ con người, gây nạn tuyệt chủng động thựcvật… trên toàn thế giới

Để giảm lượng độc hại phát ra từ sản phẩm khí thải của động cơ đốt trong

mà vẫn có thể duy trì được tốc độ phát triển của nền công nghiệp trên thế giới.Một số nước có nền công nghiệp phát triển hàng đầu trên thế giới, cũng là cácnước có lượng khí thải phát sinh độc hại gây ô nhiễm nhiều nhất trên thế giớinhư: Mỹ, Nhật Bản và một số nước Châu Âu đã đi đầu trong việc nghiên cứu vàđưa ra các biện pháp giảm thiểu lượng khí thải độc hại ra môi trường Bên cạnh

đó các nước này cũng đưa ra các tiêu chuẩn về nồng độ các chất độc hại trongkhí thải động cơ và bắt buộc các xe được sản xuất trong nước cũng như các xenhập khẩu đều phải tuân thủ các tiêu chuẩn khí thải

Để đánh giá chất lượng động cơ về phương diện khí thải, động cơ phải đượcthử nghiệm trong những điều kiện cụ thể và theo một chu trình thử nghiệm quyđịnh Hiện nay trên thế giới có nhiều chu trình thử như: Chu trình của Mỹ, NhậtBản, Châu Âu… ứng với mỗi chu trình của nước là một tiêu chuẩn khí thải Các

hệ thống tiêu chuẩn được xây dựng cho các loại động cơ khác nhau như: Động

cơ xăng, động cơ diesel, động cơ sử dụng nhiên liệu khí LPG… Ở Châu Âu áp

dụng một số chu trình thử như: ECE15, EUDC, NEDC… để thử nghiệm côngnhận kiểu cho các dòng xe mới Bắt đầu áp dụng tiêu chuẩn khí thải EURO 1vào năm 1992, EURO 2 vào năm 1996, EURO 3 vào năm 2000, EURO 4 vàonăm 2005 Các tiêu chuẩn ngày càng đòi hỏi khắt khe hơn về nồng độ các chấttrong khí thải động cơ.

Ở Việt Nam trước tình hình nền kinh tế đất nước đang bước vào giai đoạnđầu của những nước có nền kinh tế phát triển chúng ta cũng phải tuân theo xuhướng chung của thế giới đó là: Phát triển bền vững, tức là phát triển nhưng bảo

vệ môi trường Chính vì vậy mà nhà nước ta đã áp dụng chu trình thử và tiêuchuẩn Châu Âu để thử nghiệm và công nhận kiểu cho các dòng xe Đặc biệt nhànước ta đã bắt đầu áp dụng tiêu chuẩn EURO 2 từ ngày 01/07/2007 cho tất cảphương tiện vận tải trên đất nước ta

Từ những lý do trên và được sự đồng ý của thầy giáo hướng dẫn Thạc sĩ.Dương Mạnh Đức – Bộ môn Động lực – Khoa Cơ Điện – Trường ĐH Nông

Nghiệp Hà Nội em tiến hành thực hiện đề tài: “Tìm hiểu thiết bị, thu thập,

nghiên cứu và phân tích các số liệu kiểm định khí xả của động cơ của một

số loại ô tô lưu hành phổ biến tại Thanh Hóa”

Địa điểm thực hiện đề tài : “Trung tâm đăng kiểm xe cơ giới Thanh Hóa

3601S”

Mục đích của đề tài:

1 Tìm hiểu sơ đồ cấu tạo, tính năng kỹ thuật, phương pháp kiểm tra bằng cácthiết bị kiểm định khí xả của một số loại ôtô đang lưu hành rộng rãi tạiThanh Hóa

2 Tìm hiểu tác Hại của khí thải động cơ với con người và môi trường

3 Tìm hiểu và tập hợp hệ thống các chỉ tiêu đánh giá tình trạng kỹ thuật và độ

ô nhiễm môi trường của động cơ ô tô của Việt Nam và một số nước kháctrên thế giới

4 Thu thập, tập hợp, phân tích, đánh giá các số liệu kiểm tra của các loại động

cơ ô tô hiện đang lưu hành tại Thanh Hóa

Chương 1: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết

1.1 Cơ chế hình thành và tỷ lệ các chất khí thải:

Do có những điểm khác nhau về nhiên liệu, hình thành hỗn hợp và cháynên tỷ lệ các chất độc hại trong khí thải động cơ xăng và động cơ Diesel cũngkhác nhau

1.1.1 Động cơ xăng:

Hình 1-1 trình bày tỷ lệ trung bình tính theo khối lượng các chất độc hạitrong khí thải động cơ xăng theo chu trình thử đặc trưng của Châu Âu

Hình 1-1: Tỷ lệ ( khối lượng) các chất độc hại trong khí thải động cơ xăng.

Như vậy, các chất thải chính trong động cơ xăng là CO, CmHn và NOx.Nồng độ các thành phần độc hại nói trên phụ thuộc rất nhiều vào hệ số dưkhông khí α vmức độ đậm nhạt của hỗn hợp) được thể hiện rõ trên hình 1-2 Sauđây sẽ phân tích tỷ mỷ các quan hệ này

1.1.1.1 CO:

Mô-nô-xit-các-bon được hình thành từ phản ứng sau:

2C + O2 = 2CO

sẽ kết hợp với hơi nước vcó

trong sản phẩm cháy) để tạo

thành CO2

Hình 1-2: Đặc tính các thành phần độc hại theo hệ số dư không khí α

Từ khi nhiệt độ trong quá trình giãn nở < 1700K trở đi, nồng độ COkhông đổi Đây chính là nồng độ CO trong khí thải Sự thay đổi tổng hợp cácthành phần của phản ứng cháy Các bon được thể hiện trên hình 1-3.

Đối với trường hợp đốt hỗn hợp nghèovα > 1), CO còn hình thành trongquá trình giãn nở do cháy rớt, cụ thể cháy tiếp Cacbuahyđrô chưa cháy

1.1.1.2 C m H n :

Trên hình 1-2 thể hiện rõ CmHn đạt giá trị nhỏ nhất ở α = 1,1÷1,25 Nhữngvùng có giá trị ngoài vùng này có tỷ lệ nhiên liệu- không khí quá đậm hoặc quánhạt, có khi vượt ra ngoài giới hạn cháy nên nhiên liệu không cháy được Mặtkhác, đối với bất cứ α nào, trong buồng cháy cũng có những vùng đặc biệt màhỗn hợp không thể cháy được như:

- Lớp sát vách các chi tiết: Có nhiệt độ thấp nên khi màng lửa lan tràn

đến đây sẽ bị dập tắt, do đó nhiên liệu tại đây không được đốt cháy.Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng sát vách

- Vùng giữa các kẽ hẹp: Khe giữa đầu Piston và xy lanh…

Ngoài ra, trong quá trình nén thường hình thành màng dầu trên mặt gương

xy lanh Trong quá trình giãn nở áp suất giảm, màng dầu bay hơi làm tăng CmHn

Thành phần của CmHn rất đa dạng: Thành phần chủ yếu là cacbuahyđrôthơm vbenzene, toluen, êtyn benzene…) Ôlêphin vpropan, etan…) hay Paraphinvmetan…)…

1.1.1.3 NO x :

NOx hình thành từ phản ứng ôxy hoá nitơ trong điều kiện nhiệt độ cao củaquá trình cháy Thành phần của NOx phụ thuộc rất nhiều vào hệ số dư không khí

α tức nồng độ Oxy của hỗn hợp và nhiệt độ quá trình cháy, đạt giá trị cực đại tại

α = 1,05÷1,1 vxem hình 1-2) Tại đây nhiệt độ của quá trình cháy đủ lớn để Oxy

và Nitơ phân huỷ thành nguyên tử có tính năng hoạt hoá cao và cũng tại đâynồng độ Oxy đủ lớn bảo đảm đủ Ôxy cho phản ứng, do đó NOx đạt cực đại

Trước giá trị này, khi α tăng, nồng độ Oxy tăng, nên NOx tăng Sauk hi đạt cựcđại, khi α tăng hỗn hợp nhạt nhiệt độ của quá trình cháy giảm nên NOx giảm.Thành phần của NOx: NO chiếm tới 90 ÷ 98% tuỳ thuộc vào α phần còn lại

là NO2 Cơ chế hình thành NO được mô tả dưới đây, trước hết dưới nhiệt độ caoOxy bị phân huỷ thành Oxy nguyên tử

Tiếp theo là các phản ứng với sự tham gia của các nguyên tử có tính nănghoạt hoá cao:

Hai phản ứng này được gọi là chuỗi zeldovich Ngoài ra NO còn được hìnhthành từ phản ứng sau:

Thực nghiệm chứng tỏ, NO hình thành chủ yếu ở phía sau ngọn lửa trongvùng cháy và các phản ứng hình thành NO diễn ra rất chậm so với quá trình hìnhthành CO

Ngoài 3 thành phần độc hại chính trên trong khí thải động cơ đốt trong còn

có một số chất khác như: Anđêhít và các hợp chất chứa Chì

1.1.1.4 Anđêhít:

Anđêhít là loại cacbuahyđrô chứa Ôxy, điển hình là foocmolđêhit BangCaliphooclia của Mỹ là nơi đầu tiên đưa ra tiêu chuẩn hạn chế thành phầnAnđêhít trong khí thải

1.1.1.5 Các hợp chất chứa chì:

Để chống kích nổ trong động cơ xăng người ta thường pha vào xăng cáchợp chất phụ gia chứa Chì như: Tetraetin Chì có công thức hoá học làPbvC2H5)4 Do đó trong sản phẩm cháy của động cơ xăng vdùng xăng pha Chì)

có các hợp chất chứa Chì ở dạng hạt rắn rất nhỏ, tuy cũng có tác dụng rà khít

xupap với đế xupap nhưng cũng gây mài mòn các chi tiết của động cơ, đồng thờigây tác hại đối với môi trường và sức khoẻ con người Để giảm ảnh hưởng màimòn các chi tiết của động cơ, người ta pha vào xăng các hợp chất vô cơ củanhóm halogen vnhư clo và brôm) Các hợp chất này có tác dụng làm giảm nhiệt

độ sôi của Oxit Chì Sau phản ứng cháy các hợp chất của nhóm halogen với Chì

sẽ được thải ra khỏi buồng cháy dưới dạng khí

Do những tác hại nêu trên phụ gia pha Chì ngày càng ít được sử dụng.Nhiều nước đã thực hiện thành công cấm hoàn toàn xăng pha Chì như: Mỹ, NhậtBản, Canađa, Áo, Thuỵ Điển, Brazin, Clombia, Croatia, Thái Lan…Tại ViệtNam, quyết định sử dụng xăng không pha chì có hiệu lực từ ngày 01/07/2001

1.1.2 Động cơ Diesel:

Đặc điểm của hệ thống Diesel là hỗn hợp bên trong nên hệ số dư không khí

α so với động cơ xăng nằm trong một giới hạn rất rộng, cụ thể từ 1,2 đến 10 từtoàn tải đến không tải Chính vì giới hạn α rộng nên điều chỉnh tải bằng phươngpháp điều chỉnh α còn gọi là điều chỉnh chất Do đó khác với điều chỉnh lượngcủa động cơ xăng, trên đường nạp không có tiết lưu

Trên hình 1-4 thể hiện cơ chế hình thành chất thải độc hại ở động cơ Dieseltruyền thống không hình thành hỗn hợp trước Hình 1-5 trình bày đặc tính củacác thành phần độc hại chủ yếu trong động cơ Diesel phun trực tiếp theo hệ số

dư không khí α

Hình 1-4: Cơ chế hình thành các chất độc hại ở động cơ diesel truyền thống

không hình thành hỗn hợp trước

Qua hình 1-4 ta thấy lượng NOx hình thành nhiều nhất ở vùng cháy hoàntoàn α = 1 do nhiệt độ cao HC tồn tại nhiều ở vùng hỗn hợp nhạt do không đủkhông khí để nhiên liệu tự cháy Ở khu vực giữa tia phun chất thải dạng hạt hìnhthành nhiều nhất, đây chính là vùng bị oxi hoá trong lòng ngọn lửa bị khuếchtán Sau đây ta sẽ khảo sát tỷ mỷ những đặc tính này.

H ình 1-5: Đặc tính các thành phần độc hại của động cơ diesel theo α.

1.1.2.1 CO:

Trong khí thải động cơ Diesel, tuy α > 1 và khá lớn vthừa ôxy) nhưng vẫn

có thành phần CO mặc dù khá nhỏ là do vẫn có những vùng với α < 1 vthiếuôxy) Khi α tăng ban đầu CO giảm do nồng độ Ôxy tăng và đạt giá trị cực tiểutại Tiếp tục tăng α, CO tăng do tỷ lệ tái hợp của CO và Oxy trong quá trình giãn

nở giảm đi nên lượng CO còn lại trong khí thải tăng lên

1.1.2.2 C m H n :

Do α lớn nên CmHn trong động cơ Diesel so với động cơ xăng cũng nhỏ hơn.Khi α tăng, nhiệt độ cháy giảm nên phần nhiên liệu không cháy được CmHn sẽ tănglên Đối với phương pháp hỗn hợp màng, do hiệu ứng sát vách ảnh hưởng mạnh nênCmHn lớn hơn so với trường hợp hỗn hợp thể tích Nếu tổ chức xoáy lốc và hòa trộntốt trong quá trình hình thành hỗn hợp, thành phần CmHn sẽ giảm

1.1.2.3 NO x :

Khi α tăng, nhiệt độ cháy giảm nên thành phần NOx giảm vxem hình 2-4) So với

ở động cơ xăng thì thành phần NO2 trong NOx cao hơn, cụ thể chiếm 5 đến 15%.Phương pháp hình thành khi hỗn hợp có ảnh hưởng lớn đến hình thành NOx.Đối với buồng cháy ngăn cách, quá trình cháy diễn ra ở buồng cháy phụ vhạnchế không khí) rất thiếu ôxy nên mặc dù nhiệt độ lớn nhưng NOx vẫn nhỏ Khicháy ở buồng cháy chính, mặc dù α rất lớn, ôxy nhiều nhưng nhiệt độ quá trìnhcháy không lớn nên NOx cũng nhỏ Tổng hợp lại, NOx của động cơ buồng cháy

ngăn cách chỉ bằng khoảng

1

2 so với ở động cơ buồng cháy thống nhất

1.1.2.4 Chất thải dạng hạt:

Theo định nghĩa Tổ chức bảo vệ môi trường bang Caliphocnia thì P-M là

những thực thể (trừ nước) của khí thải sau khi được hoà trộn với không khí (làm

Với định nghĩa như vậy, P-M gồm các hạt rắn và các chất lỏng bám theo.Các hạt rắn gồm: các bon tự do và tro còn gọi là bồ hóng vsoot), các chất phụ giadầu bôi trơn, các hạt và vảy tróc do mài mòn… chất lỏng bám theo gồm có cácthành phần trong nhiên liệu và bôi trơn

Các hạt P-M có kích thước từ 0,01 đến 1μm Phần lớn hạt có kích thước nhỏm Phần lớn hạt có kích thước nhỏhơn 0,3μm Phần lớn hạt có kích thước nhỏm nên rất dễ bị hít vào và gây tổn thương cho đường hô hấp và phổi.Thành phần của P-M phụ thuộc rất nhiều vào chế độ làm việc của động cơ

và phương pháp hình thành khí hỗn hợp Thông thường P-M chứa [1]:

- 40% dầu bôi trơn

- 31% bồ hóng

- 14% các muối sunfat ngâm nước

- 7% nhiên liệu Diesel

- 8% các loại khác còn lại

1.1.2.5 Hợp chất chứa lưu huỳnh:

Trong khí thải có các hợp chất chứa lưu huỳnh là do trong nhiên liệu cònmột lượng tạp chất lưu huỳnh còn lại khi chưng cất dầu mỏ Trước năm 1996, ởChâu Âu qui định giới hạn hàm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu tính theo khốilượng [S] < 0,2% Sau năm 1996, giới hạn này càng ngặt nghèo hơn, [S] <0,05% Do nhiên liệu chưa lưu huỳnh nên trong khí thải có SO2, kết hợp với hơinước sẽ tạo thành axít Các hợp chất chứa lưu huỳnh trong khí thải là một trongnhững nguyên nhân gây ra mưa axít Các hợp chất chứa lưu huỳnh trong khí thải

là một trong những nguyên nhân gây ra mưa axit và tạo P-M thông qua các muốigốc sunfat

ở tải cục bộ, loại động cơ này dễ bỏ lửa làm tăng CmHn

Một trong những giải pháp làm tốn thất nhiên liệu trong quá trình quét khí

là làm thay đổi sự phân bố đậm đặc của hỗn hợp nhiên liệu không khí trong xylanh sao cho chỉ có hỗn hợp nghèo mới thoát ra đường thải Một giải pháp cóhiệu quả hơn là phun nhiên liệu vào buồng cháy một khi của thải đã đóng Tuynhiên với giải pháp này người ta phải dùng một bơm do động cơ dẫn động do đó

nó làm giảm bớt đi một ít công suất có ích của động cơ Mặt khác, so với động

cơ 4 kỳ, thời gian cuối của quá trình nén vsau khi đóng của nạp và của thải) rấtngắn đòi hỏi phải phun nhiên liệu với tốc độ lớn hơn, do đó một bộ phận nhiênliệu bám lên thành buồng cháy làm tăng nồng độ CmHn trong khí xả Một giảipháp tiết kiệm hơn là phun nhiên liệu bằng không khí ở áp suất ra trích ra trong

giai đoạn nén Để tránh hiện tượng bám nhiên liệu trên thành, người ta người tadùng một vòi phun áp suất thấp được đặt trong buồng cháy dự bị trước xupápnạp phun trực tiếp một hỗn hợp rất đậm với tốc độ tương đối thấp

Kỹ thuật quét khí cháy bằng không khí cho phép hạn chế tối đa sự phátthải CmHn trong khí xả động cơ Kỹ thuật này cho phép giảm từ 80% đến 90%nồng độ CmHn so với giá trị thông thường đối với động cơ 2 kỳ cổ điển Nồng độNOx trong khí xả động cơ 2 kỳ hiện đại cao hơn một chút so với động cơ 2 kỳ cổđiển do hiệu suất cháy cao hơn và làm việc với hỗn hợp nghèo hơn

1.2.1.2 Động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo:

Động cơ đánh lửa cưỡng bức vxăng) làm việc với hỗn hợp nghèo đã đượcnghiên cứu từ lâu nhằm giảm suất tiêu hao nhiên liệu dẫn đến làm giảm nồng độCO2, chất ô nhiễm được quan tâm nhiều trong những năm gần đây vì nó là chấtgây hiệu ứng nhà kính

Khi động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo vhệ số dư không khí α > 1,25), nồng

độ các chất ô nhiễm chính vCO, CmHn, NOx) đều giảm Khi hệ số dư không khíthay đổi từ α = 1,0 đến α = 1,4 suất tiêu hao nhiên liệu giảm 7%, nồng độ NOx cóthể giảm tới 85% so với động cơ làm việc với hỗn hợp có α = 1 nếu kết hợp vớiviệc giảm một cách hợp lý góc đánh lửa sớm Tuy nhiên, ưu điểm này chỉ có đượctrong điều kiện hỗn hợp gần nến đánh lửa có thể bốc cháy và sự lan tràn màng lửadiễn ra một cách bình thường Điều này đòi hỏi việc tổ chức tốt quá trình cháycũng như phân bố hợp lý độ đậm đặc của hỗn hợp trong buồng cháy

Khi gia tăng hệ số dư không khí hay làm bẩn hỗn hợp bằng khí xả hồi lưuvượt quá một giới hạn cho phép sẽ dẫn đến:

- Giảm tốc độ cháy, điểm cực đại của áp suất sẽ lệch về phía giai đoạn

giãn nở dù đánh lửa sớm hơn

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

- Thường xuyên bỏ lửa.

- Gia tăng mức độ phát sinh CmHn.

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

Những biện pháp cho phép động cơ hoạt động gần giới hạn nghèo của hỗnhợp có thể chia ra làm 3 loại:

- Các giải pháp tác động trước khi hỗn hợp vào xy lanh: Chuẩn bị và

định lượng hỗn hợp nhiên liệu vchế hoà khí hay phun), hệ thống điềuchỉnh hỗn hợp, thiết kế hợp lý đường nạp

- Các biện pháp tác động bên trong động cơ: Hình dạng buồng cháy, bố

1.2.1.3 Ảnh hưởng của chế độ vận hành của động cơ xăng:

a Cắt nhiên liệu khi giảm tốc:

Để hạn chế nồng độ CmHn trong giai đoạn động cơ đóng vai trò phanh ôtôvkhi giảm tốc nhưng vẫn cài ly hợp), biện pháp tốt nhất là ngưng cung cấp nhiênliệu Tuy nhiên, động tác này có thể dẫn tới những điều bất lợi là làm xuất hiệnhai điểm cực đại CmHn: Đỉnh cực đại CmHn ở thời điểm cắt nhiên liệu và điểmcực đại thứ 2 khi cấp nhiên liệu trở lại

Đối với động cơ dùng bộ chế hoà khí, để tránh giai đoạn quá độ khi động cơphát lực trở lại, người ta sử dụng một hệ thống cho phép cung cấp thêm nhiênliệu dự trữ Nhiên liệu này được tích trữ trong hệ thống bù trừ ở giai đoạn giảmtốc Sự cung cấp nhiên liệu bổ sung này cho phép duy trì được độ đậm đặc củahỗn hợp một cách hợp lý ở thời điểm mở đột ngột bướm ga trở lại

Đối với động cơ phun nhiên liệu,người ta sử dụng một hệ thống cho phépđiều chỉnh lượng nhiên liệu phun vào đường nạp theo lưu lượng không khí Khigiảm tốc, bướm ga đóng lại, một van giảm tốc mở ra để cung cấp không khí chođộng cơ và người ta sử dụng lượng không khí này để điều khiển lượng nhiênliệu Trong trường hợp đó, động cơ hút một thể tích khí lớn hơn trong trườnghợp động cơ dùng chế hoà khí Hai điểm cực đại của CmHn cũng xuất hiện giốngnhư trong trường hợp động cơ dùng bộ chế hoà khí.

b Tắt máy khi xe dừng ở đèn đỏ:

Chế độ dừng động cơ hợp lý khi ôtô chạy trong thành phố có thể làmgiảm đồng thời mức độ phát sinh ô nhiễm và suất tiêu hao nhiên liệu Thựcnghiệm cho thấy khi thời gian dừng ôtô vượt quá một giá trị cực đoan thì nên tắtđộng cơ Nếu không xét đến suất tiêu hao nhiên liệu thì việc tắt động cơ khôngđem lại lợi ích gì về mặt giảm ô nhiễm trong trường hợp động cơ có bộ xúc táctrên đường xả Trung bình thời gian dừng cực đoan là 50s Khi vượt quá thờigian này nên tắt động cơ nếu động tác này không làm giảm tuổi thọ của máy vàbình điện

1.2.2 Động cơ Diesel:

Kĩ thuật tổ chức quá trình cháy của động cơ Diesel ảnh hưởng trực tiếp đếnmức độ phát sinh ô nhiễm Động cơ Diesel phun trực tiếp, có suất tiêu hao nhiênliệu riêng thấp hơn so với động cơ có buồng cháy ngăn cách khoảng 10% vàmức độ phát sinh bồ hóng cũng thấp hơn khi động cơ làm việc ở tải cục bộ Tuynhiên, động cơ phun trực tiếp làm việc ồn hơn và phát sinh nhiều chất ô nhiễmkhác vNOx, CmHn) Vì vậy, ngày nay dạng buồng cháy này chỉ dùng với động cơôtô tải hạng nặng

Việc hạn chế mức độ phát sinh ô nhiễm tối ưu đối với động cơ Diesel cầnphải cân đối giữa nồng độ 2 chất ô nhiễm chính là NOx và bồ hóng

1.2.2.1 Ảnh hưởng của góc phun sớm và tối ưu hóa hệ thống phun:

Ảnh hưởng của chất lượng hệ thống phun đối với động cơ phun trực tiếp lớnhơn đối với động cơ phun gián tiếp về phương diện phát sinh ô nhiễm Trong cảhai trường hợp sự thay đổi góc phun sớm có ảnh hưởng ngược nhau đối với sựphát sinh NOx, CmHn và bồ hóng vhình1-6)

Hình 1-6: Ảnh hưởng của góc phun sớm tới mức độ phát sinh ô nhiễm.

Hình 1-7: Ảnh hưởng của góc phun sớm đến mức độ phát sinh C m H n và NO x

(động cơ có buồng cháy dự bị, chu trình FPT – 75)

Tăng góc phun sớm làm tăng áp suất cực đại và nhiệt độ của quá trình cháy,

do đó làm tăng nồng độ NOx Thông thường, động cơ phun trực tiếp có góc phunsớm lớn hơn nên phát sinh NOx nhiều hơn động cơ có buồng cháy ngăn cách.Giảm góc phun sớm là biện pháp hữu hiệu giảm NOx trong khí xả Tuy nhiênviệc giảm góc phun sớm cần phải xem xét đến chế độ tốc độ và chế độ tải đểtránh sự gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu

Mặt khác, khi tăng góc phun sớm, do quá trình cháy trễ kéo dài, lượng nhiênliệu hoà trộn trước với hệ số dư không khí lớn gia tăng Hỗn hợp này khó bénlửa do đó chúng thường cháy không hoàn toàn và phát sinh nhiều CO Về mặt lýthuyết, tăng góc đánh lửa sớm có thể làm giảm CmHn do quá trình cháy có thểdiễn ra thuận lợi hơn vhình 1-7), nhưng trên thực tế nó có tác dụng ngược lại.Thật vậy, do thời gian bén lửa kéo dài, nhiên liệu phun ra có thể bám trên thànhbuồng cháy, đó là nguồn phát sinh CmHn

Đối với động cơ phun trực tiếp, sự giảm góc phun làm tăng độ khói và cũng

là tăng suất tiêu hao nhiên liệu nhưng làm giảm nồng độ NOx Đối với động cơDiesel cỡ lớn, giảm góc phun sớm có thể làm giảm đi 50% nồng độ NO trongkhí xả Đối với động cơ có buồng cháy ngăn cách, giảm góc phun sớm làm tăngnồng độ HC nhưng làm giảm nồng độ NO và bồ hóng, đặc biệt là ở chế độ đầytải Khi góc phun sớm thay đổi từ 8 đến 20 độ trước ĐCT, lượng bồ hóng tănggấp đôi theo chu trình thử FTP75 đối với một động cơ buồng cháy ngăn cách cógóc đánh lửa sớm bình thường 15 độ trước ĐCT

Sự thay đổi góc phun sớm phù hợp theo tốc độ và tải cho phép chọn được vịtrí điều chỉnh tối ưu hài hoà giừa nồng độ các chất ô nhiễm và hiệu suất động cơ.Đối với động cơ có buồng cháy dự bị, sự điều khiển góc đánh lửa sớm tối ưubằng hệ thống điện từ theo chế độ tốc độ và chế độ tải cho phép giảm 15% nồng

độ NOx và 25% nồng độ bồ hóng theo chu trình FTP75 trong phạm vi gia tăngsuất tiêu hao nhiên liệu không đáng kể

Tốc độ phun cao vnhờ tăng áp suất phun) có ảnh hưởng đến quá trình phátsinh ô nhiễm của động co phun trực tiếp Thật vậy, do tăng tốc độ hoà trộn nhiên

liệu và không khí, lượng nhiên liệu cháy ở điều kiện hoà trộn trước gia tăng, do

đó nồng độ NOx tăng nhưng lượng bồ hóng giảm Sử dụng vòi phun có nhiều lỗphun đường kính bé làm tăng chất lượng hoà trộn không khí và nhiên liệu dokích thước hạt nhiên liệu giảm, hỗn hợp bốc cháy dễ dàng hơn, bù trừ được sựphun trễ do đó làm giảm NOx Với cùng lượng phát thải NOx cho trước, sự giatăng số lượng lỗ phun làm giảm nồng độ bồ hóng

Đối với động cơ phun trực tiếp, áp suất phun tối ưu thay đổi từ 75 đến10MPa tùy theo chế độ động cơ Vượt qua áp suất này, với cùng lượng phát sinhNOx, lượng hạt rắn phát sinh giảm nhưng suất tiêu hao nhiên liệu và độ ồn củaquá trình cháy gia tăng do sự tăng đột ngột của áp suất Điều này có thể khắcphục được bằng cách dùng một tia phun mồi

Quy luật phun cũng có ảnh hưởng quan trọng đến quá trình phát sinh cácchất ô nhiễm Thời gian phun rút ngắn, áp suất phun cao cho phép gia tốc quátrình cung cấp nhiên liệu dẫn đến giảm lượng HC không cháy hết Các tiến bộmới đây về kĩ thuật phun nhằm giảm mức độ phát sinh ô nhiễm bao gồm quyluật phun hai giai đoạn, quy luật phun ‘hình chữ nhật’ vphun đều đặn nhiên liệu

và cắt nhanh khi kết thúc phun) để tránh hiện tượng phun rớt Phun rớt lànguyên nhân làm tăng hydrocacbure chưa cháy và hạt rắn trong khí xả động cơ.Đối với động cơ có buồng cháy ngăn cách, sự khống chế lưu lượng nhiênliệu kèm theo việc giảm góc phun sớm có thể làm giảm 30% lượng NOx trongkhí thải nhưng làm tăng lượng HC lên 100%, CO lên 70% và bồ hóng lên 150%

Để có thể đảm bảo quy luật phun phù hợp ở mọi chế độ làm việc của động cơ cả

về phương diện phát ô nhiễm lẫn tính năng kinh tế-kĩ thuật, trên những động cơthể hiện mới hiện nay người ta sử dụng cảm biến λ lắp trên đường xả Kết hợpthông số cho bởi cảm biến này với các cảm biến áp suất, nhiệt độ khi nạp và tốc

độ động cơ người ta có thể điều khiển chính xác thời điểm phun và lượng nhiênliệu cung cấp cho mỗi chu trình Giải pháp này đặc biệt có lợi với động cơDiesel lắp trên ô tô nhằm giảm độ khói khi gia tốc

1.2.2.2 Ảnh hưởng của dạng hình học buồng cháy:

Dạng buồng cháy hợp lí cho phép tránh được lớp nhiên liệu bám trên thành

do đó giảm được nồng độ HC trong khí xả Đối với động cơ phun trực tiếp, biệnpháp có hiệu quả nhất để làm giảm nồng độ bồ hóng là gia tăng cường độ rối vàkết hợp với việc sử dụng vòi phun nhiều lỗ Buồng cháy tốt cần thoả mãn cácđiều kiện sau đây:

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

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

- Cường độ rối cao trong vùng phân bố tia nhiên liệu.

- Tiếp tục duy trì được vận động rối của dòng khí trong buồng cháy sau ĐCT.

Việc gia tăng áp suất trong buồng cháy đơn thuần có khuynh hướng thuậnlợi cho sự hình thành bồ hóng Tuy nhiên, sự gia tăng áp suất cực đại sẽ làmtăng đồng thời nhiệt độ khi cháy cho phép gia tăng tốc độ oxy hoá bồ hóng nênlượng bồ hóng trong khi xả không tăng Sự gia tăng áp suất làm tăng độ ồn và sựphát sinh NOx

Đối với động cơ phun trực tiếp, tỉ lệ nén cao cho phép khởi động dễ dàng ởnhiệt độ thấp Sư gia tăng tỉ số nén vừa phải đồng thời cũng làm giảm HC vàthành phần SOF của hạt rắn Khi tỉ số nén tăng quá cao, động cơ sẽ phát sinhnhiều bồ hóng ở chế độ đầy tải Vì vậy ở động cơ có tỉ số nén lớn, cần phải thiết

kế dạng buồng cháy tối ưu cho phép tăng cường sự dịch chuyển của dòng khôngkhí thuận lợi cho việc đốt cháy bồ hóng

Để tăng cường tốc độ đốt cháy bồ hóng, người ta thiết kế thêm một buồngchứa không khí bổ sung ở động cơ phun trực tiếp Buồng không khí bổ sung nàylưu trữ không khí tron khí nén và lương không khí đó sẽ cung cấp lại cho buồngcháy động cơ ở kì giãn nở để tạo điều kiện oxy hoá hạt bồ hóng Tuy nhiên, kếtcấu này làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu Ở động cơ phun gián tiếp, buồngkhông khí bổ sung cho phép làm tăng giảm 40% lượng bồ hóng phát sinh và làmtăng suất tiêu hao nhiên liệu thêm 3%

Đối với động cơ có buồng cháy ngăn cách, sự gia tăng tỉ lệ giữa thể tíchbuồng cháy phụ và buồn cháy chính cho phép giảm sự hình thành bồ hóng nhờtăng cường thêm không khí cho buồng cháy phụ Tiết diện đường thông giữa haibuồng cháy khống chế cường độ rối sinh ra ở thời điểm dịch chuyển lượng khícháy từ buồng cháy phụ sang buồng cháy chính Giảm nhỏ tiết diện này sẽ làmgiảm nồng độ bồ hóng ở chế độ đầy tải nhưng làm tăng lượng bồ hóng ở chế độtải cục bộ Trong thiết kế, tiết diện tối ưu của đường nối này được chọn ở chế độđầy tải.

1.2.2.3 Ảnh hưởng của vận động rối trong buồng máy:

Sự rối phát sinh trong quá trình nạp có ảnh hưởng trái ngược nhau giữa sựphát sinh NOx, tiếng ồn, HC và bồ hóng Để làm giảm mức độ ảnh hưởng của giaiđoạn hỗn hợp đậm đặc đến sự phát sinh bồ hóng trong cylindre, cần tăng hiệu quảcủa việc hòa trộn nhiên liệu-không khí ngay từ lúc bắt đầu giai đoạn cháy trễ vtăngcường xoáy lốc) Nhưng điều này gây nhược điểm là làm tăng áp suất cực đại trongbuồng cháy cùng với sự tăng tiếng ồn và mức độ phát sinh NOx

Hướng tia phun trong buồng cháy dự bị cho phép điều chỉnh được tốc độhòa trộn nhiên liệu-không khí, do đó cải thiện sự phát sinh bồ hóng Hướng tiaphun cũng ảnh hưởng đến nhiên liệu bám trên thành và đó là nguồn phát sinh

HC Vị trí của vòi phun trong buồng cháy phụ cũng có ảnh hưởng đến sự hìnhthành NOx

1.2.2.4 Ảnh hưởng của chế độ làm việc của động cơ và chế độ quá độ:

Khi giảm tốc độ động cơ từ 750 và 680 v/phút, nồng độ các chất ô nhiễmđều giảm khi đó theo chu trình FTP75: CmHnv-14%); COv-2%); NOv-3%) và bồhóng là v-5%) Trong thử nghiệm động cơ theo chu trình tiêu chuẩn và cũng nhưtrong thực tế, sự thay đổi chế độ tốc độ là yếu tố làm gia tăng sự phát ô nhiễm.Nồng độ bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel gia tăng rất mạnh khi gia tốc vì độđậm đặc trung bình của hỗn hợp gia tăng Lượng gia tăng này càng lớn khi thờigian gia tốc càng dài để giảm thời gian gia tốc, cần phải tối ưu hoá việc thiết kếđộng cơ để có thể:

- Giảm mômen quán tính các bộ phận chuyển động quay.

- Giảm thể tích các bộ phận nạp thải.

- Giảm nhiệt dung riêng của hệ thống làm mát

- Gia tăng công suất dự trữ.

1.2.2.5 Ảnh hưởng của trị số cetane của nhiên liệu:

Lượng bồ hóng giảm khi thời gian cháy trễ kéo dài, nghĩa là khi dùngnhiên liệu có chỉ số cetane thâp Tuy nhiên việc sử dụng nhiên liệu có chỉ sốcetane thấp có thể dẫn đến những nhược điểm quan trọng: Gia tăng độ ồn nếuquá trình cháy bắt đầu quá muộn, gia tăng lượng nhiên liệu bám trên thành xylanh và buồng cháy làm tăng mức độ phát sinh HC và bồ hóng

1.2.2.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ khí nạp:

Giảm nhiệt độ khí nạp sẽ làm giảm nhiệt độ cực đại của quá trình cháy và

do đó nồng độ NOx cũng giảm Vì vậy, ở động cơ tăng áp người ta có khuynhhướng làm mát khí sau máy nén để đảm bảo nhiệt độ khí nạp không vượt quámức 500C Nhưng sự làm mát khí nạp có thể kéo dài thời kỳ cháy trễ làm tăngmức độ phát sinh ô nhiễm như đã nêu vnhững giọt nhiên liệu bám vào thành xylanh làm tăng thành phần CmHn và bồ hóng trong khí xả) Khi khởi động động

cơ ở trạng thái nguội, sự sấy buồng cháy hay sấy khí nạp có thể thực hiện nhờnến điện hay bằng cách đốt trước một ít nhiên liệu trong khí nạp

Nhiệt độ của khí đường thải cũng ảnh hưởng đến sự phát sinh ô nhiễm,nhất là đối với thành phần CmHn Thật vậy, ở chế độ tải thấp, CmHn ngưng tụ trênđường thải rồi bốc hơi lại khi tăng tải làm tăng nồng độ CmHn Đường thải bằngvật liệu gốm cho phép tái oxy hoá bồ hóng và CmHn, nhưng làm tăng NOx Động

cơ Diesel phun trực tiếp có buồng cháy bằng vật liệu gốm, không làm mát chophép làm giảm được nồng độ các chất ô nhiễm ở chế độ tải thấp Nhưng khi tảicao, nồng độ NOx và bồ hóng đều tăng dù nhiệt độ thành buồng cháy cao chophép tái đốt cháy bồ hóng ở cuối chu trình

1.2.2.7 Ảnh hưởng của tăng áp:

Monoxy carbon CO hình thành là do quá trình cháy thiếu không khí, đặcbiệt là ở tải cao Do đó, tăng áp là biện pháp hữu hiệu làm giảm CO Lượngkhông khí thừa do tăng áp đồng thời cũng cho phép tái đốt cháy bồ hóng, bù trừlượng tăng bồ hóng do khí xả hồi lưu mang vào buồng cháy Hệ thống hồi lưukhí xả trong trường hợp động cơ tăng áp có thể giảm 50% lượng NOx mà khônglàm tăng bồ hóng

1.2.2.8 Ảnh hưởng của hệ thống hồi lưu khí xả:

Mặc dù tỷ lệ khí hồi lưu lớn gây tác hại xấu đối với động cơ vtăng mài mòn)nhưng nó có tác dụng đáng kể trong việc làm giảm NOx do giảm nhiệt độ cháy.Đối với động cơ phun trực tiếp làm việc với nhiệt độ khí nạp từ 40-600C vlàmviệc ở các hầm mỏ), hệ thống hồi lưu khí xả có thể làm giảm 30% và 50% nồng

độ NOx theo thứ tự Nếu làm ẩm thêm không khí nạp, cùng điều kiện làm việcnhư trên mức độ giảm NOx có thể đạt đến 50% và 85% theo thứ tự Tuy nhiên,hồi lưu khí xả có tác động xấu đối với các chất ô nhiễm khác: làm tăng nồng độ

CO và bồ hóng, ngay cả khi thêm hơi nước Phun hơi nước cho phép hạn chếphản ứng cracking tạo bồ hóng nhờ giảm nhiệt độ cháy Đối với động cơ buồngcháy ngăn cách, nồng độ bồ hóng gia tăng trước hết chậm, sau đó tăng nhanhtheo lượng nước phun vào buồng cháy phụ; biến thiên của nồng độ CO và HCcũng tương tự Hơi nước chỉ có tác dụng làm giảm nồng độ NO sự điều chỉnh tỷ

lệ khí xả hồi lưu cần được căn cứ theo tải và theo tốc độ Hệ thống điện tử chophép điều chỉnh van hồi lưu khí xả theo đường đặc tính chọn trước: Cắt lượngkhí xả hồi lưu khi động cơ nguội; sau đó lượng khí xả hồi lưu tăng dần phụthuộc nhiệt độ nước làm mát, áp suất môi trường, lượng nhiên liệu cung cấp.Mặt khác, hệ thống cũng cắt lượng khí hồi lưu ở chế độ gia tốc lớn để hạn chếnồng độ bồ hóng Hồi lưu khí xả tối ưu cho phép giảm được 40% NOx màkhông làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu cũng như không làm tăng CO và bồhóng Kết hợp với tăng áp, hệ thống hồi lưu khí xả cho phép làm giảm đồng thờiNOx, CmHn và bồ hóng

1.2.2.9 Điều khiển vòi phun và hệ thống hồi lưu khí xả:

Việc điều chỉnh các thông số công tác động cơ thường có tác dụng mâuthuẫn nhau đối với các chất ô nhiễm khác nhau Tuy nhiên, do mức độ ảnhhưởng đó không đồng đều ở các điểm làm việc khác nhau của động cơ nên ởmỗi chế độ công tác ta có thể lựa chọn một bộ thống số điều khiển tối ưu đối vớicác chất ô nhiễm CmHn, NOx và bồ hóng Việc điều khiển phức tạp như vậy chỉ

có thể thực hiện được nhờ hệ thống điện tử Hệ thống điều khiển điện tử phảithoả mãn các điều kiện sau:

- Độ chính xác cao và nhạy, làm việc ổn định theo thời gian

- Có khả năng điều chỉnh theo nhiều thông số

- Mềm dẻo trong lập chương trình hệ thống điều khiển để có thể áp dụng

trong các điều kiện sử dụng ô tô khác nhau vtuỳ theo yêu cầu của luậtmôi trường của từng quốc gia)

- Thực hiện việc điều chỉnh động cơ theo từng chỉ tiêu cho trước

Thêm vào đó, hệ thống phải hoạt động tin cậy trong mọi tình huống, phảiđược bảo vệ chống nhiễu và chống hỏng hóc, bảo trì dễ dàng nhờ hệ thống chẩnđoán nhanh

Khi hoạt động, máy tính điều khiển chuyên dụng nhận số liệu từ các cảmbiến: Ví trí thanh răng hay cần gia tốc, vị trí kim phun, tốc độ động cơ, nhiệt độkhông khí nạp, nhiệt độ nhiên liệu, nhiệt độ nước làm mát, áp suất trong xy lanh,

… Sau khi xử lý, máy tính phát tín hiệu điều khiển đến bộ phận chấp hành Bộphận này sẽ tác động lên cơ cấu điều khiển lượng nhiên liệu chu trình, thời điểmbắt đầu phun, lượng khí xả hồi lưu, tỷ số truyền của hộp số Hệ thống điều khiểnđiện tử hoàn hảo như vậy cho phép làm giảm đồng thời nồng độ bồ hóng, NOx

và tăng tính kính tế của động cơ so với hệ thống điều khiển cơ khí, đặc biệt làkết hợp bộ phận điều khiển quá trình phun và điều khiển góc phun sớm, mức độphát ô nhiễm của động cơ có thể giảm đi 3 lần

1.2.3 Ảnh hưởng của việc giới hạn tốc độ ô tô đến thành phần khí thải:

Khi ô tô hoạt động ổn định người ta thấy nồng độ CO đạt cực tiểu ở tốc

độ 80÷90Km/h, nồng độ CmHn giảm dần đến khi tốc độ đạt khoảng 100Km/h sau

đó tăng lên chậm còn nồng độ NOx tăng từ từ đến khi tốc độ động cơ đạt70÷80Km/h sau đó tăng mạnh, nhất là đối với động cơ có dung tích xy lanh lớn.Các kết quả đo đạc trên chu trình có điều kiện thử gần với điều kiện vận hànhthực tế cho thấy giới hạn tốc độ ít gây ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm.Khi giảm mạnh giới hạn tốc độ, nồng độ NOx có thể giảm đi vài phần trăm,nhưng làm tăng đôi chút CO, CmHn Khi tăng tốc độ ô tô, nhờ sự rối của khôngkhí phía sau xe, các chất ô nhiễm thải ra khỏi ống xả khuếch tán nhanh chóngtrong không gian, làm giảm nồng độ cục bộ của chúng trong môi trường

Trên xa lộ Châu Âu, tốc độ giới hạn là 130Km/h Khi đại bộ phận ô tôgiảm tốc độ từ 119 xuống 107Km/h người ta thấy nồng độ các chất ô nhiễmtrong bầu không khí quanh hệ thống xa lộ giảm đi đáng kể từ: -12% đối với CO,-1,7% đối với CmHn và -10,5% đối với NOx Một thí nghiệm khác được thựchiện bằng cách giảm tốc độ từ giới hạn 100Km/h xuống còn 60Km/h trên một

bộ phận xa lộ người ta thấy lượng NOx giảm đi 50% trong 6 tháng

1.2.4 Ảnh hưởng của nhiên liệu thành phần khí thải:

1.2.4.1 Nhiên liệu động cơ xăng:

Việc điều chỉnh động cơ có ảnh hưởng đến mức độ ô nhiễm môi trườngphát sinh vì việc điều chỉnh này tác động đến cơ chế hình thành hay phân huỷcác chất ô nhiễm trước khi thoát ra ngoài khí quyển

Nhiên liệu cũng gây ảnh hưởng đến sự phát sinh ô nhiễm, chủ yếu là do tỷ

số không khí/nhiên liệu có thể bị thay đổi do sự thay đổi các đặc trưng hoá lýcủa chúng không phải lúc nào cũng được bù lại bởi sự điều chỉnh các thông sốcủa động cơ Như chúng ta đã biết, độ đậm đặc của hỗn hợp ảnh hưởng lớn đếnmức độ phát sinh ô nhiễm: NOx đạt cực đại trong môi trường hơi nghèo; CO,CmHn đạt cực tiểu trong môi trường nghèo; sự xuất hiện bồ hóng diễn ra trong

môi trường giàu vα < 0.6), điều kiện này diễn ra chung quanh hạt nhiên liệutrong buồng cháy động cơ Diesel

Các tính chất của nhiên liệu ô tô, nhiên liệu thường hay super thoả mãnnhững đặc trưng yêu cầu của từng quốc gia Mỗi quốc gia có tiêu chuẩn riêngxác định phạm vi cho phép của khối lượng riêng, phạm vi chưng cất, sự bốc hơi,nồng độ lưu huỳnh và nồng độ các chất phụ gia

Ảnh hưởng của khối lượng riêng nhiên liệu:

Khối lượng riêng nhiên liệu có quan hệ chặt chẽ với thành phầnhydrocacbure tạo thành hỗn hợp nhiên liệu thường hay super, đặc biệt là tỷ lệnguyên tử tổng quát carbon/hydrogene

Sự gia tăng khối lượng riêng của nhiên liệu có khuynh hướng làm nghèo hỗnhợp đối với động cơ dùng bộ chế hoà khí và ngược lại, làm giàu hỗn hợp đối vớiđộng cơ phun xăng Tuy nhiên, do phạm vi thay đổi khối lượng riêng nhiên liệu rất

bé vtừ 2,5 đến 4%), ảnh hưởng của nó đến mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ đãđiều chỉnh sẵn với một nhiên liệu cho trước không đáng kể

Ảnh hưởng của tỷ lệ hydrocacbure thơm:

Các hydrocacbure thơm có chỉ số octane nghiên cứu RON > 100 và chỉ sốoctane động cơ MON thường lớn hơn 90 Do đó thêm thành phần hydrocacburethơm vào nhiên liệu là một biện pháp làm tăng tính chống kích nổ của nhiên liệuhiện đại

Hiện nay người ta có khuynh hướng gia tăng hàm lượng các chấthydrocacbure thơm trong nhiên liệu nhằm phổ biến nhiên liệu không chì Theotiêu chuẩn Cộng Đồng Châu Âu, hàm lượng benzene trong nhiên liệu phải thấphơn 5%

Hình 1-8: Ảnh hưởng của tỷ số không khí/nhiên liệu đến NO x

Các hydrocacbure thơm có tỷ số C/H cao hơn do đó khối lượng riêng lớnhơn Do nhiệt lượng toả ra đối với một đơn vị thể tích cao hơn nên nhiệt độ cháycủa hỗn hợp tăng làm tăng NOx Hình 1-8 cho thấy ví dụ trên động cơ có tốc độ

1500 vòng/phút ở chế độ tải trung bình sự thay đổi NOx theo tỷ số khôngkhí/nhiên liệu đối với alkylat không thơm và đối với nhiên liệu super thơm.Chúng ta thấy ở vị trí phát ô nhiễm cực đại, alkylat làm giảm nồng độ ô nhiễmkhoảng 20%

Mức độ phát sinh CO ít bị ảnh hưởng bởi hàm lượng hydrocacbure thơm.Tuy nhiên, các hydrocacbure

thơm có cấu tạo ổn định hơn

parafine nên có động học phản

ứng cháy chậm hơn Do đó,

trong cùng điều kiện cháy, sự

phát sinh hydrocacbure thơm

hơn sẽ cao hơn

Hình 1-9: Ảnh hưởng của tỷ số không khí/nhiên liệu đến nồng độ C m H n trong khí xả.

Khi chuyển từ nhiên liệu super thơm sang alkylat, mức độ phát sinh CmHn giảm

đi 16% vhình1-9)

Mặt khác, các chất thơm trong nhiên liệu giữ một vai trò phát sinh cáchydrocacbure thơm đa nhân HAP, phenol và aldehit thơm mà những chất nàytăng theo các chất thơm còn formandehit thì giảm Sự phụ thuộc của HAP vào tỷ

lệ các chất thơm trong nhiên liệu thay đổi một mặt theo HAP xem xét và mặtkhác theo dạng chất thơm trong nhiên liệu: benzene ít ảnh hưởng đến HAP hìnhthành, HAP nhẹ vđến 4 nhân) gia tăng tuyến tính theo tỷ lệ các chất thơm trongnhiên liệu, những HAP nặng hơn vđến 5 nhân) vhình 1-10) không chịu ảnhhưởng bởi tỷ lệ này HAP đã có mặt trong nhiên liệu cũng ảnh hưởng đến mức

độ phát sinh HAP trong khí xả

Hình 1-10: Ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu thơm

đến mức độ phát sinh HAP.

Ảnh hưỏng của tính bay hơi:

Tính bay hơi của nhiên liệu thường được đặc trưng bởi đường cong chưngcất và áp suất hơi Reid vPVR) đo ở 37,80C Đó là một đặc tính quan trọng đốivới hoạt động của động cơ, nó ảnh hưởng đến thời gian khởi động động cơ ở

trạng thái nguội, tính ưu việt khi gia tốc và tính ổn định khi làm việc ở chế độkhông tải và khi chạy nóng.

Những thành phần quá nặng vbay hơi ở nhiệt độ lớn hơn 200-2200C) có ảnhhưởng đến sự phát sinh hydrocacbure chưa cháy, do sự bốc hơi kém dẫn tới sựcháy không hoàn toàn với sự hình thành aldehydes và sự gia tăng CmHn

Những thành phần nhẹ hơn, cần thiết cho việc khởi động và làm việc ở trạngthái nguội, ảnh hưởng đến sự phát ô nhiễm của khí xả và nhất là ảnh hưởng đếntổn thất do bay hơi Tính chất bay hơi tiêu chuẩn của nhiên liệu phụ thuộc vàođiều kiện khí hậu và mùa Chẳng hạn ở Pháp, tính bay hơi của nhiên liệu đượcqui định như sau:

Ảnh hưởng của chỉ số octane:

Chỉ số octane có ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm, đặc biệt khiđộng cơ bị kích nổ Sự giảm chỉ số octane dẫn đến sự gia tăng tính kích nổ, do

đó làm tăng NOx nhất là khi hỗn hợp nghèo Nhưng trong thực tế, sự kích nổtrong điều kiện như vậy không diễn ra

Ảnh hưởng của các chất phụ gia:

Người ta pha vào nhiên liệu ô tô nhiều chất phụ gia:

- Những chất phụ gia làm tăng chỉ số octane: Alkyle chì,methylcyclopentan-dienyl mangan tricarbonyle vMMT), ferrocene…

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

- Những chất phụ gia làm sạch bề mặt đường ống nạp do hơi dầu bôi trơn vànhững chất không bị lọc gió giữ lại trên đường nạp

- Màu và các chất phụ gia chống nhầm lẫn

Những chất phụ gia chì, dù rằng thành phần chlore và brome đảm bảo biếnchì thành dạng halogene nhẹ, không đủ để loại trừ hoàn toàn những lớp chấtbám trong buồng cháy Sự hiện diện của các lớp bám này dường như không gâyảnh hưởng đến nồng độ CO và NOx nhưng làm tăng HC Chì không gây ảnhhưởng đến sự hình thành aldehyde Những chất phụ gia mangan vMMT) gây ảnhhưởng xấu đến sự phát sinh CmHn và aldehyde

Nếu sự phát sinh CO và NOx không bị ảnh hưởng, nồng độ CmHn tăng tuyếntính theo nồng độ MMT: Sự chuyển đổi ở bộ xúc tác không hạn chế hoàn toànđược sự gia tăng này và bộ xúc tác dần dần bị bao phủ bởi lớp bám Mn3O4.Các chất phụ gia hữu cơ hay hữu cơ-kim loại vorganometallique) thêm vàonhiên liệu để tác động đến các phản ứng cháy dường như không gây ảnh hưởngđến mức độ phát sinh ô nhiễm, các chất phụ gia chống các lớp bám cũng vậy.Tuy nhiên, việc duy trì độ sạch trên đường nạp cho phép giữ được sự điều chỉnhban đầu và sự ổn định về mức độ phát sinh CO ở chế độ không tải

1.2.4.2 Ảnh hưởng của nhiên liệu Diesel:

Chúng ta sẽ khảo sát sau đây ảnh hưởng của khối lượng riêng, chỉ số octane,thành phần lưu huỳnh, các chất phụ gia đến mức độ phát sinh ô nhiễm của động

cơ Diesel Các chất ô nhiễm quan tâm như động cơ đánh lửa cưỡng bức nhưngphải thêm vào những hạt rắn và các chất hữu cơ liên quan vSOF) là những chất ônhiễm đặc biệt ở động cơ Diesel

Ảnh hưởng của khối lượng riêng:

Sự gia tăng khối lượng riêng của dầu Diesel dẫn tới sự gia tăng nồng độhạt rắn Hình 1-11 giới thiệu mức

độ phát sinh hạt rắn tính theo

gam/lít nhiên liệu theo khối lượng

riêng ứng với động cơ V8 v10,4lít)

chạy ở tốc độ 1700 vòng/phút và

một động cơ tăng áp 14lít, chạy ở

1700 vòng/phút

Hình 1-11: Ảnh hưởng của khối lượng cũng tăng theo khối lượng riêng

Ảnh hưởng của thành phần dầu thơm:

Thành phần thơm của nhiên liệu Diesel ảnh hưởng trực tiếp đến chỉ sốcetane Nhiên liệu không cháy hết, hạt rắn, SOF gia tăng theo hàm lượng thơm.Nồng độ NOx ít bị ảnh hưởng Động cơ Diesel phun trực tiếp, ít bị ảnh hưởngbởi thành phần thơm

Ảnh hưởng của chỉ số Cetane:

Kéo dài thời gian cháy trễ do giảm chỉ số cetane dẫn đến sự gia tăngCmHn, hạt rắn và CO

Hình 1-12 giới thiệu ảnh hưởng của chỉ số cetane đến mức độ phát sinh ônhiễm của động cơ phun gián tiếp: NOx ít ảnh hưởng bởi chỉ số cetane Đối vớiđộng cơ có buồng cháy ngăn cách, ảnh hưởng của chỉ số cetane chủ yếu đến bộphận SOF dẫn xuất vextractible), thành phần hạt rắn không hoà tan dường nhưkhông bị ảnh hưởng

Chỉ số cetane cũng ảnh hưởng đến sự phát sinh khói xanh hay khói trắng,sương mù trong khí xả gồm những hạt nhiên liệu không cháy, hiện tượng gặpkhi khởi động hay khi làm việc trên cao áp suất giảm

Hình1-12: Ảnh hưởng của chỉ số cetane đến mức độ phát ô nhiễm của động cơ Diesel phun gián tiếp.

Ảnh hưởng của thành phần lưu huỳnh:

Thành phần lưu huỳnh là một trong những đặc trưng quan trọng được quyđịnh nghiêm ngặt đối với nhiên liệu Diesel Ở Pháp thành phần lưu huỳnh chophép là 0,3% Ở Châu Âu, thành phần lưu huỳnh dao động từ 0,05÷0,06% ỞThụy Sĩ, thành phần lưu huỳnh giới hạn 0,2% còn ở California, người ta hướngtới giới hạn 0,05%

Đại bộ phận chất ô nhiễm do lưu huỳnh gây ra tồn tại dưới dạng SO2 Tuynhiên, một bộ phận SO2 vkhoảng 2÷3%) bị ôxy hoá thành SO3 và axit sunfuric

1.3 Các biện pháp kỹ thuật làm giảm nồng độ độc hại:

1.3.1 Giảm nồng độ độc hại ngay từ khâu thiết kế động cơ :

Trong những thập niên tới, mỗi 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 khỏisoupape xả Vì vậy, nhà thiết kế động cơ không chỉ chú trọng đơn thuần về côngsuất hay tính kinh tế của động cơ mà phải cân nhắc giữa các chỉ tiêu đó và mức

độ phát sinh ô nhiễm

1.3.1.1 Động cơ đánh lửa cưỡng bức:

Đối với động cơ đánh lửa cưỡng bức, ba chất ô nhiễm chính cần quan tâm

là NOx, CmHn và CO

Ở động cơ thế hệ mới làm việc với hỗn hợp nghèo, người ta khống chế thêmvận động rối của hỗn hợp nhiên liệu-không khí trong quá trình cháy để làm giảmnồng độ các chất ô nhiễm, đặc biệt là CmHn Sự tăng cường chuyển động rối sẽ làmtăng tốc độ lan tràn màng lửa và hạn chế việc xuất hiện những vùng ‘chết’ vgầnthành buồng cháy) Gia tăng vận động rối có thể thực hiện bằng cách:

- Gia tăng vận động xoáy lốc của hỗn hợp trên đường ống nạp

- Sử dụng hai soupape nạp khi động cơ làm việc ở chế độ toàn tải và mộtsoupape khi làm việc ở tải cục bộ

- Tạo ra một tia khí tốc độc cao phun vào đường nạp phụ có kích thướcnhỏ hơn đường ống nạp chính

Việc lựa chọn phương pháp phun nhiên liệu riêng rẽ cho từng cylindrehay phun tập trung ở cổ góp đường nạp phụ thuộc nhiều yếu tố vkhả năng điềuchỉnh, tính năng kinh tế-kỹ thuật, giá thành…) Phương pháp phun nhiên liệucũng có ảnh huởng đến sự hình thành các việc bốc hơi nhiên liệu tương đối dài

do đó hạn chế được hiện tượng ngưng tụ nhiên liệu trên đường ống nạp, cònphương án phun riêng rẽ cho phép tránh được sự không đồng đều về thành phầnhỗn hợp giữa các cylindre

Việc điều chỉnh góc độ phối khí cũng là một biện pháp làm hài hoà giữa tínhnăng của động cơ và mức độ phát ô nhiễm CmHn và NOx Gia tăng góc độ trùngđiệp sẽ làm tăng lượng khí xả hồi lưu do đó làm giảm NOx Sự thay đổi quy luậtphối khí cũng gây ảnh hưởng đến sự phát sinh CmHn Những động cơ mới ngàynay có khuynh hướng dùng nhiều soupape với trục cam có thể điều chỉnh đượcgóc độ phối khí Giải pháp này cho phép giảm nồng độ CmHn và NOx từ 20 đến25% so với động cơ kiểu cũ có cùng các tính năng kinh tế-kĩ thuật

Cuối cùng, đối với động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo, việc làm giảmnồng độ NOx trong khí xả có thể được thực hiện riêng rẽ hay đồng thời hai giảipháp sau đây:

- Tổ chức quá trình cháy với độ đậm đặc rất thấp vf=0,60-0,70)

- Hồi lưu một bộ phận khí xả vEGR: Exhaust Gas Recirculation).

Ngày nay, hệ thống hồi lưu khí xả được dùng phổ biến trên tất cả loại động

cơ đánh lửa cưỡng bức cổ điển hay động cơ thế hệ mới làm việc với hỗn hợpnghèo Nó cho phép làm bẩn hỗn hợp ở một số chế độ công tác của động cơnhằm làm giảm nhiệt độ cháy và do đó làm giảm được nồng độ NOx

Về mặt kế cấu nói chung,hệ thống hồi lưu khí xả gồm một van hồi lưu,một hệ thống điều khiển điện trợ lực khí nén và một bộ vi xử lí chuyên dụng Bộ

vi xử lí này nhận tín hiệu từ các cảm biến về nhiệt độ nước làm mát, nhiệt độ khínạp, tốc độ động cơ, lượng nhiên liệu cung cấp… Sau khi xử lí thông tin nhờ cácquan hệ lưu trữ sẵn trong bộ nhớ, bộ vi xử lí phát tín hiệu để điều khiển hệ thốngđiện trợ lực khí nén đóng mở van hồi lưu để cho quay ngược một lượng khí xảthích hợp vào đường nạp

Hệ thống hồi lưu khí xả phải được điều chỉnh theo tốc độ và tải của động

cơ để tránh xảy ra hiện tượng cháy không bình thường làm gia tăng CmHn trongkhí xả Trong quá trình làm việc, van điều khiển khí xả hồi lưu có thể bị kẹt do

sự ngưng tụ của sản phẩm cháy nên cần phải pha chất phụ gia tẩy rửa vào xăng

1.3.1.2 Động cơ Diesel:

Đối với động cơ Diezel các giải

pháp kĩ thuật tối ưu làm giảm mức

độ phát sinh ô nhiễm ngay trong

buồng cháy cần phải được cân nhắc

giữa nồng độ của các chất CmHn,

NOx và bồ hóng trong khí xả

Như chúng ta đã phân tích ở

mục 1.2, việc thay đổi góc phun

sớm có ảnh hưởng trái ngược nhau

đến nồng độ CmHn và NOx vhình

1-13)

Hình1-13: Ảnh hưởng của góc phun sớm đến NO x và C m H n trong khí xả

Các nhà chế tạo động cơ Diezel đã đề ra nhiều biện pháp khác nhau về kĩthuật phun và tổ chức quá trình cháy nhằm giới hạn nồng độ hai chấy ô nhiễmnày Các biện pháp chính là:

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

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

- Điều chỉnh dạng quy luật phun vquan hệ lưu lượng-thời gian) theokhuynh hướng kết thúc nhanh quá trình phun để làm giảm CmHn

Đối với động cơ Diezel, dạng hình học của buồng cháy ảnh hưởng đến mức

độ phát sinh ô nhiễm quan trọng hơn là đối với động cơ xăng Cũng như động

cơ xăng, hồi lưu khí xả là một trong những biện pháp hiệu quả nhất để giảmmức độ phát sinh NOx trong động cơ Diezel Tuy nhiên, về mặt kết cấu, hệthống hồi lưu khí xả trên động cơ Diezel phức tạp hơn vì độ chân không trênđường nạp quá bé không đủ sức mở van hồi lưu, hệ thống còn có một bơm tạochân không vhình 1-14) Mặt khác, người ta cũng sử dụng thêm các phươngpháp phụ sau đây để tăng độ chân không để hút khí xả vào đường nạp:

- Tiết lưu trên đường nạp để tạo ra độ chân không cần thiết

- Sử dụng một bơm đặc biệt để hút khí xả

- Trích khí cháy hồi lưu ở trước turbine và sau khi đã qua lọc

Hình 1-14: Sơ đồ nguyên lí của hệ thống hồi lưu khí xả động cơ Diezel

Hiện nay, tỉ lệ khí xả hồi lưu của động cơ Diezel trên ô tô du lịch cònthấp Trong tương lai,

chắc chắn tỉ lệ này phải

tăng lên để thoả mãn luật

môi trường ngày càng trở

nên khắt khe hơn Tuy

nhiên, khí xả hồi lưu có

buồng cháy Vì vây, việc sử dụng rộng rãi hệ thống hồi lưu khí xả trên động cơDiezel cần phải đi song song với việc phát triển dầu Diezel có chứa chất tẩy.

Cuối cùng, trong tương lai, việc hoàn thiện bộ điều chỉnh điện tử tổ hợp,tác động cùng lúc đến nhiều thông số: góc phun sớm, lượng nhiên liệu chu trình,lượng khí xả hồi lưu…lắp trên xe du lịch cũng như xe vận tải sẽ góp phần đáng

kể vào việc làm giảm mức độ phát ô nhiễm ngay từ trong quá trình cháy

1.3.2 Xử lý khí xả bằng bộ xúc tác:

Việc xử lí khí xả 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 hoá trên những động cơ hoạt động với hỗn hợp giàu.Sau đó, hệ thống xúc tác lưỡng tính đã được phát triển để xử lí khí xả Hệ thốngnày bao gồm bộ xúc tác khử, bộ cung cấp không khí và bộ xúc tác oxy hoá Bộxúc tác ‘ba chức năng’ đầu tiên được đưa vào sử dụng từ năm 1975 trên động cơđánh lửa cưỡng bức làm việc với hệ số dư lượng không khí a xấp xỉ 1 và trởthành bộ xúc tác được ứng dụng rộng rãi nhất hiện nay Từ năm 1990, các bộxúc tác mới được áp dụng trên động cơ đánh lửa cưỡng bức làm việc với hỗnhợp nghèo, động cơ Dizel và động cơ 2 kì

Trong khi chờ đợi những giải pháp kĩ thuật lí tưởng nhằm hạn chế triệt để cácchất ô nhiễm từ trong quá trình cháy thì việc xử lí khí xả bằng xúc tác là biện pháphữu hiệu nhất để giảm mức độ phát sinh ô nhiễm của ô tô Người ta ước tính đếnnăm 2000-2005 sẽ có hơn 80% ô tô lưu hành được trang bị bộ xúc tác

1.3.2.1 Bộ xúc tác ba chức năng:

Bộ xúc tác ‘ba chức năng’ vthree-way) là bộ xúc tác cho phép xử lí đồngthời CO, CmHn và NOx bởi các phản ứng oxy hoá-khử vhai chất đầu tiên bị oxyhoá còn chất thứ ba bị khử)

Các phản ứng chính diễn ra trong bộ xúc tác gồm:

Hai phản ứng oxy hoá diễn ra khi độ đậm đặc f nhỏ hơn hay bằng 1 hỗnvhỗn hợp nghèo) Trong khi đó, ba phản ứng phân huỷ NO diễn ra thuận lợitrong hỗn hợp giàu Trong các phản ứng khử, người ta chỉ quan tâm đến NO vì

nó là thành phần chủ yếu trong NOx

Trong cùng điều kiện về nhiệt độ, việc oxy hoá CO, CmHn và khử NOxvnghĩa là 5 phản ứng kể trên phải diễn ra cùng lúc với tốc độ đủ lớn), chỉ có thểdiễn ra một cách đồng thời khi hệ số dư lượng không khí của hỗn hợp nạp vàođộng cơ xấp xỉ 1 Đó là lí do giải thích tại sao tất cả ô tô có bộ xúc tác ba chứcnăng phải làm việc với tỉ lệ hỗn hợp cháy hoàn toàn lí thuyết và tỉ lệ này đượcđiều chỉnh nhờ cảm biến lambda Tỉ lệ biến đổi các chất ô nhiễm qua bộ xúc tácrất nhạy cảm đối với sự thay đổi tỉ lệ hỗn hợp vhình1-16)

Mặt khác, việc duy trì thành phần hỗn hợp có f=1 ngoài việc tăng tỉ lệ biếnđổi các chất ô nhiễm nó còn hạn chế phản ứng ‘nhiễu’ tạo N2O vprotoxy nitơ):

2NO +CO → N2O +CO2

2NO +H2 → N2O +H2O

2NO +hydrocarbure → N2O +H2O +CO2

Hình 1-16: Biến

thiên hiệu quả ống xả xúc tác 3 chức năng theo độ

lệch của tỉ số không khí/nhiên liệu so với giá trị cháy hoàn toàn lí thuyết.

Hệ thống xúc tác bao gồm gộp đỡ vsupport) và lớp kim loại hoạt tính Ngày nay gộp bằng gốm hay kim loại liền một khối, gọi là monolithe, được dùng rộg rãi nhất Gộp đỡ nonolithe là những ống trụ tiết diện tròn hay ovale

bên trong được chia nhỏ bởi những vách ngăn song song với trụ Mặt cắt ngangcủa bộ phận công tác vì vậy có dạng tổ ong với tiết diện tam giác hay vuông.Đối với động cơ có công suất khoảng 100kW, tiết diện tổng cộng cần thiết củacác phần tử công tác khoảng 130cm2 và thể tích tổng cộng của monolithekhoảng 2-3 lít v0,02-0,03 dm3/kW)

Vật liệu gồm dùng phổ biến là cordierte:2MgO, 2Al2O3, 5SiO2 Vật liệu này

có ưu điểm là nhiệt độ nóng chảy cao v14000C)

Gộp đỡ monolithe kim loại ngày nay có nhiều ưu thế hơn Nó được chế tạobằng thép lá không rỉ có bề dày rất bé Ưu thế của kim loại là dẫn nhiệt tốt chophép giảm được thời gian khởi động hệ thống xúc tác

Lớp hoạt tính là nơi diễn ra các phản ứng xúc tác được chết tạo bằng nhữngkim loại quý mạ thành lớp rất mỏng trên vật liệu nền vwash-coat) Vật liệu nềnrất cần thiết vì gộp đỡ vkim loại hay gốm) có diện tích bề mặt riêng thấp Vật

liệu nền chủ yếu là một lớp nhôm gamma, bề dày khoảng 20-50 micromet đượctráng trên bề mặt của rãnh gộp Sự hiện diện của nó cho phép làm tăng bề mặtriêng của gộp do đó thuận lợi cho hoạt tính xúc tác của kim loại quý Ngoàinhôm ra, vật liệu nền còn chứa những thành phần ổn định cũng như những kimloại khởi động cho hoạt tính xúc tác.

Có 3 loại kim loại quý thường được dùng để tráng trên bề mặt của vật liệu nền:Platine, Palladium, Rhodium Hai chất đầu tiên vPt, Pd).dùng cho các phản ứng xúctác oxy hoá, trong khi đó Rh cần thiết có cho phản ứng xúc tác khử NOx thành N2.Thành phần Pt/Pd được lựa chọn dựa trên một số yêu cầu về tính năng của bộ xúctác: hiệu quả xúc tác ở nhiệt độ thấp, độ bền, tuổi thọ… Khối lượng kim loại quýdùng cho mỗi bộ xúc tác rất thấp, khoảng từ 1 đến 2 gam cho mỗi ô tô

Ngoài ra, bộ xúc tác cũng chứa những chất khác như kền, cérium, lanthane,baryum, zirconium, sắt,silicium…với hàm lượng bé Những chất này tăng cườngthêm hoạt tính xúc tác,tính ổn định và chống sự lão hoá của kim loại quý

1.3.2.2 Bộ xúc tác oxy hóa dùng cho động cơ Diesel:

Khí xả của động cơ Diesel có chứa bồ hóng và một lượng bé CO, CmHn do

hệ số dư không khí α lớn Trên nguyên tắc, sự xúc tác ôxy hoá diễn ra thuận lợi.Khó khăn duy nhất liên quan đến nhiệt độ môi trường phản ứng thấp Hình 1-17cho thấy nhiệt độ môi trường cần phải đạt đến 2000C thì bộ xúc tác mới bắt đầukhởi động

Vào khoảng 3000C, bộ xúc tác bắt đầu ôxy hoá đồng thời SO2 thành SO3.Các chất này do lưu huỳnh trong nhiên liệu tạo ra Đây là một hiện tượng rất xấu

vì nó làm gia tăng mức độ phát sinh hạt rắn vhình1-18) Mặt khác, sau khi hìnhthành, SO3 có thể biến thành H2SO4 ngậm nước và chất này bị giữ lại một phầntrên lọc làm ảnh hưởng rất đáng kể đến tuổi thọ của lọc Vì vậy, việc sử dụng bộxúc tác oxy hoá trên động cơ Diesel cần phải đi kèm với việc sử dụng nhiên liệu

có thành phần lưu huỳnh rất thấp Trên có sở điều kiện kỹ thuật này, Liên HiệpChâu Âu đã đề ra tiêu chuẩn giới hạn lưu huỳnh trong nhiên liệu Diesel khôngđược vượt quá 0,05% áp dụng từ ngày 1 tháng 10 năm 1996

Hình 1-17: Biến thiên tỷ lệ ôxy hoá theo nhiệt độ khí xả.

Ảnh hưởng của thành phần lưu huỳnh trong nhiên

liệu đến sự phát sinh hạt rắn theo nhiệt độ khí xả

Về mặt kết cấu, kim loại quý dụng cho bộ xúc tác ôxy hoá Diesel chủ yếu

là Platine và Palladium hoặc hợp kim của hai chất này, trong đó Palladium được

ưa chuộng hơn vì nó khó ôxy hoá SO2 thành SO3

1.3.3 Lọc hạt rắn (bồ hóng):

Có nhiều phương án lọc bồ hóng khác nhau nhưng nhìn chung chúng dựatrên cùng nguyên tắc là bẫy hạt bồ hóng Sau đây là một số phương pháp lọc:Lọc gốm monolithe: Lọc được cải tạo từ gộp của bộ xúc tác ba chức năngbằng cách làm kín xen kẽ đầu các rãnh thông sao cho khí thải buộc phải qua lớp

Hình 1-19: Lõi lọc gốm.

xốp của thành gốm ngăn cách hai rãnh thông liền nhau vhình 1-19)

Phương pháp lọc này gọi là phương pháp ‘thổi qua tường’ vwall flow) Hiệuquả của lọc rất cao vlớn hơn 90%) nhưng trở lực trên đường xả lớn và gradientnhiệt độ trong lõi lọc cao khi tái sinh lọc Vật liệu gốm thường được sử dụng làcordierite v2MgO, 2Al2O3, 5SiO2) hoặc carbure silíc vSiC)

Lọc sợi gốm được chế tạo từ sợi silic hay hỗn hợp oxyde nhôm và silic,được cuộn thành lớp dày khoảng 10-12mm quanh những ống bằng kim loại cóđường kính 40mm Khí xả di chuyển từ bên trong ống ra ngoài Lớp sợi này tạothành lưới lọc với đường kính trung bình của lỗ khoảng 10micromet Dạng lọcnày có ưu điểm là ít chịu ảnh hưởng của ứng suất nhiệt và cơ khí, hiệu quả lọcvừa phải v75-80%)

Lọc lưới sợi gốm vừa mới được phát triển trong những năm gần đây nhưng

có rất nhiều hứa hẹn Những sợi gốm có đường kính chừng 10 µm được đan lạithành tấm vhình 1-20) mà dạng lỗ trống được tối ưu hoá để đảm bảo hiệu quả lọc

cao nhất và độ cứng vững chấp nhận được Các tấm này được dệt theo phươngpháp cổ điển của công nghệ dệt Hiệu quả lọc, độ chịu đựng gradient nhiệt vàrung động cơ học của lõi lọc này rất tốt.

Hình 1-20: Lõi lọc bằng lưới sợi gốm.

Lõi lọc bằng kim loại xốp được áp dụng trong những năm gần đây Kim loạixốp có tên gọi là Celmet, đó là hợp kim Ni-Cr-Al, có thể chịu đựng được nhiệt

độ 7000C trong 300 giờ Tổn thất áp suất chỉ bằng khoảng 1/10 so với lọc bằngvật liệu gốm thông thường Lọc Celmet có đường kính lỗ xốp trung bình khoảng500μm Phần lớn hạt có kích thước nhỏm vhình 1-21) Kích thước lỗ có thể điều chỉnh bằng cách gây biến dạng lõilọc hay ghép chồng lên nhau nhiều tấm lọc đồng trục Thường lõi lọc gồm hailưới lọc hình trụ đuợc bố trí đồng trụ và giữa hai lõi lọc này người ta bố trí mộtđiện trở để tái sinh lọc Khí xả vào

không gian giữa hai lưới và thoát qua

các lỗ xốp của chúng Bồ hóng bám

trên thành lọc được đốt định kì bằng

bức xạ của điện trở Do không gian giữa

hai lưới lọc nhỏ nên công suất điện tiêu

tốn cho điện trở đốt cũng giảm Hình 1-21: Lọc celmet