Ô tô và ô nhiễm môi trường phần 3

Chương CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN NỒNG ĐỘ CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG KHÍ XẢ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 6.1 Giới thiệu Nồng độ chất ô nhiễm khí xả phụ thuộc vào đặc điểm động thông số điều chỉnh, vận hành Về đặc điểm, động kì cổ điển nói chung có mức độ phát ô nhiễm cao động kì trình tạo hỗn hợp không hoàn thiện Tuy nhiên, động kì đại phun nhiên liệu trực tiếp buồng cháy nghiên cứu phát triển khắc phục nhược điểm trở thành loại động có nhiều triển vọng tương lai Động Diesel có hiệu suất cao động đánh lửa cưỡng trình cháy khuếch tán làm việc với hệ số dư lượng không khí cao, sản phẩm cháy có chứa bồ hóng NOx, chất ô nhiễm mà việc xử lí đường xả ngày nhiều vướng mắc mặt kĩ thuật Động sử dụng nhiên liệu khí bắt đầu phát triển từ năm đầu thập niên 1990 có nhiều ưu điểm mặt phát sinh ô nhiễm Thực nghiệm đo động cho thấy động sử dụng khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) hay khí thiên nhiên (NGV) thỏa mãn dễ dàng tiêu chuẩn ô nhiễm môi trường khắt khe (tiêu chuẩn ULEV chẳng hạn) Tuy nhiên phát triển chủng loại động phụ thuộc nhiều điều kiện, đặc biệt điều kiện sở hạ tầng phục vụ cho việc cung cấp nhiên liệu khí Mức độ phát sinh ô nhiễm động phụ thuộc đáng kể vào điều kiện vận hành Việc điều chỉnh không phù hợp thông số công tác việc lựa chọn chế độ làm việc không hợp lí dẫn đến gia tăng đáng kể nồng độ chất ô nhiễm khí xả Luật môi trường ngày trở nên khắt khe buộc người ta phải áp dụng biện pháp xử lí khí xả sau thoát khỏi động xúc tác Tuy nhiên tỉ lệ biến đổi chất ô nhiễm ống xả xúc tác đạt giá trị yêu cầu nhiệt độ khí xả đạt giá trị định Vì cần phải làm giảm nồng độ chất ô nhiễm đến mức thấp trước xử lí xúc tác Tất điều chỉnh hay thay đổi kết cấu bên động gây ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm 6.2 Trường hợp động đánh lửa cưỡng 78 Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ chất ô nhiễm khí xả động đốt 6.2.1 Động hai kì Mặc dù có nhiều cải tiến kết cấu nhằm hạn chế hòa trộn khí cháy khí chưa cháy, đặc biệt động dùng chế hòa khí, không tránh khỏi thất thoát phận khí làm tăng phát sinh HC làm giảm tính kinh tế kĩ thuật động hai kì Thêm vào đó, làm việc tải cục bộ, dạng động dễ bỏ lửa làm tăng HC Một giải pháp làm giảm tổn thất nhiên liệu trình quét khí làm thay đổi phân bố độ đậm đặc hỗn hợp nhiên liệu không khí xy lanh cho có hỗn hợp nghèo thoát đường thải Một giải pháp khác có hiệu phun nhiên liệu vào buồng cháy cửa thải đóng Tuy nhiên với giải pháp người ta phải dùng bơm động dẫn động làm giảm công suất có ích động Mặt khác, so với động kì, thời gian cuối trình nén (sau đóng cửa nạp cửa thải) ngắn đòi hỏi phải phun nhiên liệu với tốc độ lớn, phận nhiên liệu bám lên thành buồng cháy làm tăng nồng độ HC khí xả Một giải pháp tiết kiệm phun nhiên liệu không khí áp suất cao trích giai đoạn nén Để tránh tượng bám nhiên liệu thành, người ta dùng vòi phun áp suất thấp đặt buồng cháy dự bị trước xúpáp nạp phun trực tiếp trước hỗn hợp đậm với tốc độ tương đối thấp Kĩ thuật quét khí cháy không khí cho phép hạn chế tối đa phát thải HC khí xả Kĩ thuật cho phép giảm từ 80% đến 90% nồng độ HC so với giá trị thông thường động hai kì cổ điển Nồng độ NOx khí xả động hai kì đại cao chút so với động kì cổ điển hiệu suất cháy cao làm việc với hỗn hợp nghèo 6.2.2 Động làm việc với hỗn hợp nghèo Động đánh lửa cưỡng làm việc với hỗn hợp nghèo nghiên cứu từ lâu nhằm giảm suất tiêu hao nhiên liệu dẫn đến giảm nồng độ CO2, chất 'ô nhiễm' quan tâm nhiều năm gần chất khí gây hiệu ứng nhà kính Khi động làm việc với hỗn hợp nghèo (hệ số dư lượng không khí a >1,25), nồng độ chất ô nhiễm (CO, HC, NOx) giảm Khi hệ số dư lượng không khí thay đổi từ a=1,0 đến a=1,4, suất tiêu hao nhiên liệu giảm 7%, nồng độ NOx giảm đến 85% so với động làm việc với hỗn hợp có a=1 kết hợp với việc giảm cách hợp lí góc đánh lửa sớm Tuy nhiên ưu điểm có điều kiện hỗn hợp gần nến đánh lửa bốc cháy lan tràn màng lửa diễn cách bình thường Điều đòi hỏi việc tổ chức tốt trình cháy phân bố hợp lí độ đậm đặc hỗn hợp buồng cháy Khi gia tăng hệ số dư lượng không khí hay làm bẩn hỗn hợp khí xả hồi lưu vượt giới hạn cho phép dẫn đến: 79 Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ chất ô nhiễm khí xả động đốt - giảm tốc độ cháy, điểm cực đại áp suất lệch phía giai đoạn giãn nở dù đánh lửa sớm - momen phát không dẫn tới làm việc không ổn định - thường xuyên bỏ lửa - gia tăng mức độ phát sinh HC - gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu tốc độ cháy giảm Những giải pháp cho phép động hoạt động gần giới hạn nghèo hỗn hợp chia làm ba loại: - Các giải pháp tác động trước hỗn hợp vào cylindre: chuẩn bị định lượng hỗn hợp nhiên liệu (chế hòa khí hay phun), hệ thống điều chỉnh hỗn hợp, thiết kế hợp lí đường nạp - Các biện pháp tác động bên động cơ: hình dạng buồng cháy, bố trí soupape nến đánh lửa - Các biện pháp tác động đường thải: thiết kế đường thải, trang bị xúc tác oxy hóa để hạn chế CO HC Để động làm việc với hỗn hợp nghèo người ta áp dụng giải pháp nạp phân lớp hỗn hợp nhiên liệu-không khí vào xy lanh động cho gần điểm đánh lửa, độ đậm đặc hỗn hợp cao giá trị trung bình để bén lửa bốc cháy Người ta thử nghiệm nhiều hệ thống tạo hỗn hợp phân lớp có hai dạng ứng dụng khả quan nhất: hệ thống buồng dự bị (dạng CVCC) hệ thống phun trực tiếp (dạng PROCO) - Hệ thống Honda CVCC dùng buồng cháy phụ nhỏ có soupape nạp riêng (hình 6.1) Hỗn hợp giàu nạp vào buồng cháy phụ hỗn hợp nghèo nạp vào buồng cháy qua soupape nạp thông thường Hỗn hợp giàu buồng cháy phụ đốt tia lửa điện Sản phẩm cháy có nhiệt độ cao thoát khỏi buồng cháy phụ tiếp tục đốt cháy hỗn hợp nghèo buồng cháy Hệ thống làm giảm nhiệt độ cực đại trình cháy, làm giảm NOx, đủ cao để oxy hóa HC Mặt khác, độ đậm đặc hỗn hợp thấp nên nồng độ CO khí xả giảm Động làm việc với hệ thống có suất tiêu hao nhiên liệu riêng thấp, công suất lít cylindre giảm Do từ năm 1986 không nghiên cứu thay vào đó, người ta nghiên cứu hệ thống tương tự chế hòa khí thay hệ thống phun Ở hệ thống này, vòi phun phun nhiên liệu có áp suất 3,5 MPa tạo nên vùng hỗn hợp giàu gần nến đánh lửa buồng cháy phụ có kích thước bé Hệ thống làm giảm NOx làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu Hỗn hợp giàu Hỗn hợp nghèo Họng 80 thông Nạp Nén Cháy Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ chất ô nhiễm khí xả động đốt Hình 6.1: Sơ đồ động tạo hỗn hợp phân lớp sử dụng buồng cháy phụ - Hệ thống Ford PROCO thực phân lớp hỗn hợp cách phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng cháy (hình 6.2) Hệ thống buồng cháy phụ sử dụng buồng cháy khoét lõm đỉnh piston Người ta sử dụng tia phun có góc phun rộng với hỗn hợp giàu phun vào cylindre vòi phun có độ xuyên thâu bé Hỗn hợp đốt nhờ tia lửa điện lan đến hỗn hợp chung quanh nghèo piston xuống nhờ cường độ xoáy lốc mạnh Vòi phun Hình 6.2: Sơ đồ động tạo hỗn hợp phân lớp phun trực tiếp PROCO - Hệ thống TEXACO TCCS: Khác với hệ thống PROCO, hệ thống phun nhiên liệu theo phương tiếp tuyến với buồng cháy hướng phía nến đánh lửa trình đánh lửa kéo dài Việc điều chỉnh tối ưu thời gian phun thời điểm đánh lửa cho phép khởi đầu trình cháy thời điểm mà hỗn hợp giàu đạt đến nến đánh lửa; màng lửa giữ lại với điều kiện nhiên liệu khuếch tán không khí chung quanh Hệ thống có nhược điểm giống động Diesel (hỗn hợp không đồng nhất) phát sinh nhiều hạt rắn khí xả Giải pháp hạn chế nhược điểm việc đánh lửa sử dụng lửa điện có lượng lớn (tăng khoảng cách hai điện cực, kéo dài thời gian đánh lửa), giảm tổn thất nhiệt nến đánh lửa (cực đánh lửa nhỏ, giảm đường kính nến đánh lửa từ 14 xuống 10mm) tăng số điểm đánh lửa Năng lượng đánh lửa (khoảng 10mJ) đủ để đảm bảo hoạt động ổn định mức độ phát sinh HC bé Bố trí hai nến đánh lửa 81 Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ chất ô nhiễm khí xả động đốt trong buồng cháy cho phép tăng xác suất đánh lửa, tăng lượng đánh lửa tốc độ cháy mà không làm tăng tổn thất nhiệt Nhưng giải pháp làm tăng giá thành làm giảm tuổi thọ hệ thống đánh lửa Những khuynh hướng khác dựa vào gia tăng cường độ rối buồng cháy động Bằng cách thay đổi dạng hình học buồng cháy, nguy màng lửa bị tắt giảm cách giảm tỉ số diện tích bề mặt/thể tích gia tăng cường độ rối trình nạp để gia tăng tốc độ cháy Sự cải tiến dạng buồng cháy cho phép giảm áp suất cực đại, giảm NOx người ta chưa tìm dạng buồng cháy lí tưởng thay đổi hình dạng buồng cháy dường không gây ảnh hưởng đến phát sinh HC Giải pháp làm tăng cường độ rối thiết kế đường nạp hợp lí Sự gia tăng cường độ xoáy lốc cho phép giảm khoảng thời gian từ lúc bật tia lửa điện đến hỗn hợp bắt đầu cháy thời gian cháy; giá trị có độ lớn tương đương với trình cháy cổ điển Giải pháp thứ hai trang bị hai soupape nạp cho cylindre hay lắp soupape nạp dẫn hướng Soupape đóng lại tải cục mở đầy tải Giải pháp cuối làm tăng cường độ rối động riêng rẽ thực tia khí cao tốc phun ống dẫn có tiết diện nhỏ ống nạp theo hướng tiếp tuyến với thành cylindre vị trí soupape nạp Hệ thống có hai bướm gió điều khiển cách riêng rẽ theo tải động Nó có ưu điểm không làm thay đổi dạng hình học buồng cháy, không cần thiết đánh lửa hai điểm cho phép động chạy chế độ không tải với độ đậm đặc thấp Sự gia tăng cường độ rối cách thêm tia khí cho phép dịch chuyển giới hạn cháy ổn định phía độ đậm đặc thấp (từ 0,95 xuống 0,75), cho phép nhận làm việc ổn định chế độ không tải Khi động làm việc với độ đậm đặc 0,7 thay 0,8, nồng độ NOx 1/6 nồng độ CO giảm 50% làm tăng HC Vận động rối buồng cháy cho phép sử dụng thuận lợi hệ thống hồi lưu khí xả: chẳng hạn cho phép tăng từ 20% lên 28% lượng khí xả hồi lưu để làm giảm NOx mà không làm tăng HC Khi dùng hệ thống phun tập trung trình tạo hỗn hợp cải thiện so với sử dụng hệ thống phun riêng rẽ thời gian bay hỗn hợp kéo dài Vì hệ thống cho phép giảm từ 10 đến 15% HC điều kiện làm việc với động phun riêng rẽ Khi tăng nhiệt độ khí nạp hỗn hợp chuẩn bị tốt bốc nhiên liệu diễn thuận lợi hơn: độ đậm đặc nhau, nồng độ HC giảm từ 20 đến 30% tăng nhiệt độ khí nạp từ 25 lên 80°C, làm tăng nồng độ NOx từ 35 lên 55% Do 70 đến 80% nồng độ CO HC liên quan đến hai phút chu trình khởi động nguội, theo qui trình FTP-75, sấy cục đường nạp giai đoạn xúc tác chưa 82 Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ chất ô nhiễm khí xả động đốt đạt nhiệt độ khởi động cho phép làm giảm nồng độ chất ô nhiễm Trong thực tế, người ta bố trí đường nạp động phun nhiều điểm phần tử cấp nhiệt để nâng nhiệt độ khu vực sấy lên khoảng 40 đến 50°C tia phun hướng khu vực Công suất điện cung cấp cho phần tử nhiệt giảm dần cắt hoàn toàn nhiệt độ nước làm mát khoảng 60-65°C Tốc độ lưu thông khí nạp ảnh hưởng đến mức độ phát sinh HC Tốc độ khống chế đường kính soupape nạp Khi giảm đường kính soupape nạp từ 35 đến 29mm mức độ phát sinh HC giảm từ 15 đến 25% Khi phun riêng rẽ, vị trí đặt vòi phun trường hợp cylindre có hai soupape nạp có ảnh hưởng lớn đến mức độ phát sinh HC momen động Tuy nhiên vị trí đặt vòi phun chủ yếu lựa chọn cho động khởi động dễ dàng Người ta nghiên cứu hệ thống để cải thiện việc chuẩn bị hỗn hợp trường hợp phun riêng rẽ sấy nóng hỗn hợp, phun khí nạp với tốc độ lớn, xé tia phun siêu âm Chất lượng xé tơi tia phun đóng vai trò quan trọng đến mức độ phát sinh ô nhiễm Những hạt nhiên liệu có đường kính bé bị theo dòng không khí ống xoắn đường nạp, giảm nguy va chạm vào thành Khi đường kính thủy lực hạt nhiên liệu khoảng 10 micron va chạm hạt nhiên liệu vào thành không xảy ra, đảm bảo phân bố tối ưu hỗn hợp nhiên liệu không khí cylindre Trong thực tế, chế hòa khí cho phép phân bố tốt hỗn hợp động làm việc tải thấp, ngược lại phun nhiên liệu đảm bảo phân bố tốt hỗn hợp động làm việc tải cao Thật vậy, chế độ tải thấp độ chân không đường nạp lớn, chất lượng xé tơi nhiên liệu sau khỏi vòi phun trường hợp chế hòa khí tốt hơn; ngược lại trường hợp tải cao, chất lương xé tơi nhiên liệu xấu nhiều so với trường hợp phun nhiên liệu Điều chỉnh góc độ phối khí có ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm Góc độ điều chỉnh cho giá trị áp suất cực đại, momen chế độ tải thấp tối ưu khả động làm việc ổn định chạy không tải với tốc độ thấp Tăng thời kì trùng điệp chế độ không tải làm tăng mức độ phát sinh ô nhiễm làm việc không ổn định động cơ, cải thiện tính động chế độ tốc độ cao đồng thời làm giảm NOx hỗn hợp nạp bị làm bẩn phận khí cháy đẩy vào đường nạp piston lên Sự gia tăng góc độ trùng điệp hợp lí làm giảm 80% nồng độ HC Lượng HC sản phẩm cháy thoát đường thải xem chứa hai bọng khí: bọng khí thứ tương ứng với thể tích chết gần soupape thải (các không gian chết quanh soupape, ren nến đánh lửa ) bọng khí thứ hai tương ứng với thể tích chết xa (khe hở segment ) Gia tăng góc độ trùng điệp loại trừ hoàn toàn bọng khí thứ hai đường xả Khi thời gian cháy giảm, nhiệt độ cháy tăng, mức độ phát sinh NOx gia tăng Giảm góc đánh lửa sớm số điều kiện làm việc động cho phép kéo dài thời gian cháy, nhiệt độ cháy giảm, thuận lợi cho việc giảm NOx Mặt khác, đánh lửa muộn làm gia tăng nhiệt độ khí thải tạo điều kiện thuận lợi cho việc đốt cháy thành phần HC có mặt khí xả 83 Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ chất ô nhiễm khí xả động đốt Gia tăng tỉ số S/D làm tăng tốc độ cháy tạo điều kiện dễ dàng cho bén lửa động làm việc với hệ số dư lượng không khí cao Điều có lợi trường hợp động làm việc với tải cục có lợi động làm việc tải cao Một phương án khác để làm tăng tốc độ cháy tốc độ lan tràn màng lửa tăng tỉ số nén (đến 18), điều kiện không xảy tượng kích nổ Tăng tỉ số nén có khuynh hướng tăng mức độ phát sinh NOx Khi động làm việc với hỗn hợp nghèo hay giàu, nồng độ NOx giảm mạnh (hình 6.3) Hoàn thiện việc chuẩn bị hỗn hợp bao hàm việc khống chế mức độ đậm đặc cylindre giai đoạn độ Phương án tốt phun nhiên liệu riêng rẽ kết hợp với sấy nóng vòi phun đường nạp Phương án cho phép cải thiện tính khởi động trạng thái nguội Mặt khác sấy nóng đường nạp có tác dụng đặc biệt việc tránh ngưng tụ nhiên liệu thành đường nạp (lớp nhiên liệu ngưng tụ bốc lại chế độ đầy tải làm tăng độ đậm đặc hỗn hợp) Làm mát riêng rẽ thân động nắp cylindre cho phép trì thân động nhiệt độ cao nắp cylindre điều cho phép thu hồi nhiệt độ thân máy tải thấp có tác dụng tích cực đến việc giảm HC NOx N=2000 v/ph Hình 6.3: Ảnh hưởng tỉ số nén đến mức độ phát sinh ô nhiễm suất tiêu hao nhiên liệu (động xăng cylindre, dung tích lít, l: độ đậm đặc hỗn hợp; be: suất tiêu hao nhiên liệu, we: công có ích, e: tỉ số nén, _ _ : e = 9,3; -.-: e =11,0; -: e =13,0; _: e =15,0) Khi động chuyển sang làm việc với hỗn hợp nghèo, lệch chu kì áp suất thị trung bình trở nên quan trọng: độ đậm đặc hỗn hợp l=0,8, áp suất có ích trung bình dao động cực đại 20kPa, dao động đạt 140kPa l=1,2 Do đó, để cải thiện tính phát lực động làm việc với hỗn hợp nghèo, người ta phải khống chế dao động momen (đo cảm biến gia tốc lắp bánh đà động cơ) cách điều chỉnh thời điểm bắt đầu phun thời gian phun nhờ hệ thống khép kín hay theo biểu đồ thiết lập trước Sự khống chế dao động momen cho phép giảm đến mức tối thiểu mức độ phát sinh HC, chất ô nhiễm tăng nhanh chóng theo làm việc không đồng động 84 Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ chất ô nhiễm khí xả động đốt 6.2.3 Ảnh hưởng chế độ vận hành động xăng 6.2.3.1 Cắt nhiên liệu giảm tốc Để hạn chế nồng độ HC giai đoạn động đóng vai trò phanh ô tô (khi giảm tốc cài li hợp), biện pháp tốt ngưng cung cấp nhiên liệu Tuy nhiên động tác dẫn tới điều bất lợi làm xuất hai điểm cực đại HC: đỉnh cực đại HC thời điểm cắt nhiên liệu điểm cực đại thứ hai cấp nhiên liệu trở lại Đối với động dùng chế hòa khí, để tránh giai đoạn độ động phát lực trở lại, người ta sử dụng hệ thống cho phép cung cấp thêm nhiên liệu dự trữ Nhiên liệu tích trữ hệ thống bù trừ giai đoạn giảm tốc Sự cung cấp nhiên liệu bổ sung cho phép trì độ đậm đặc hỗn hợp cách hợp lí thời điểm mở đột ngột bướm ga trở lại Đối với động phun nhiên liệu, người ta sử dụng hệ thống cho phép điều chỉnh lượng nhiên liệu phun vào đường nạp theo lưu lượng không khí Khi giảm tốc, bướm ga đóng lại, van giảm tốc mở để cung cấp không khí cho động người ta sử dụng lượng không khí để điều khiển lượng nhiên liệu Trong trường hợp đó, động hút thể tích khí lớn trường hợp động dùng chế hòa khí Hai điểm cực đại HC xuất giống trường hợp động dùng chế hòa khí 6.2.3.2 Dừng động đèn đỏ Chế độ dừng động hợp lí ô tô chạy thành phố làm giảm đồng thời mức độ phát sinh ô nhiễm suất tiêu hao nhiên liệu Thực nghiệm cho thấy thời gian dừng ô tô vượt giá trị cực đoan nên tắt động Nếu không xét đến suất tiêu hao nhiên liệu việc tắt động không đem lại lợi ích mặt giảm ô nhiễm trường hợp động có xúc tác đường xả Trung bình thời gian dừng cực đoan 50s Khi vượt thời gian nên tắt động động tác không làm giảm tuổi thọ máy khởi động bình điện 6.3 Trường hợp động Diesel Kĩ thuật tổ chức trình cháy động Diesel ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ phát sinh ô nhiễm Động Diesel phun trực tiếp, có suất tiêu hao nhiên liệu riêng thấp động có buồng cháy ngăn cách khoảng 10% mức độ phát sinh bồ hóng thấp động làm việc chế độ tải cục Tuy nhiên động phun trực tiếp làm việc ồn phát sinh nhiều chất ô nhiễm khác (NOx, HC) Vì vậy, ngày dạng buồng cháy dùng động ô tô tải hạng nặng Việc hạn chế mức độ phát sinh ô nhiễm tối ưu động Diesel cần phải cân đối nồng độ hai chất ô nhiễm NOx bồ hóng 85 Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ chất ô nhiễm khí xả động đốt 6.3.1 Ảnh hưởng góc phun sớm tối ưu hóa hệ thống phun Ảnh hưởng chất lượng hệ thống phun động phun trực tiếp lớn động phun gián tiếp phương diện phát sinh ô nhiễm, Trong hai trường hợp, thay đổi góc phun sớm có ảnh hưởng ngược phát sinh NOx, HC bồ hóng (hình 6.4) Tăng góc phun sớm làm tăng áp suất cực đại nhiệt độ trình cháy, làm tăng nồng độ NO Thông thường, động phun trực tiếp có góc phun sớm lớn nên phát sinh NO nhiều động có buồng cháy ngăn cách Giảm góc phun sớm biện pháp hữu hiệu làm giảm nồng độ NOx khí xả Tuy nhiên việc giảm góc phun sớm cần phải xem xét đến chế độ tốc độ chế độ tải để tránh gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu Mức độ phát ô nhiễm Bồ hóng NO HC Hình 6.4: Ảnh hưởng góc phun sớm đến Giảm góc phun sớm mức độ phát ô nhiễm động Diesel Phạm vi thay đổi ô tô từ 1000 đến 1600kg, động buồng cháy dự bị, không hồi lưu khí xả HC (%) NOx (%) độ góc quay trục khuỷu Góc phun tối ưu Muộn Sớm 86 Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ chất ô nhiễm khí xả động đốt Hình 6.5: Ảnh hưởng góc phun sớm đến mức độ phát sinh HC NOx (động buồng cháy dự bị, chu trình FTP-75) Mặt khác, tăng góc phun sớm, trình cháy trễ kéo dài, lượng nhiên liệu hòa trộn trước với hệ số dư lượng không khí lớn gia tăng Hỗn hợp khó bén lửa chúng thường cháy không hoàn toàn phát sinh nhiều CO Về mặt lí thuyết, tăng góc đánh lửa sớm làm giảm HC trình cháy diễn thuận lợi (hình 6.5), thực tế có tác dụng ngược lại Thật vậy, thời gian bén lửa kéo dài, nhiên liệu phun bám thành buồng cháy, nguồn phát sinh HC Đối với động phun trực tiếp, giảm góc phun sớm làm tăng độ khói làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu làm giảm nồng độ NOx thành phần SOF Đối với động Diesel cỡ lớn, giảm góc phun sớm làm giảm 50% nồng độ NO khí xả Đối với động có buồng cháy ngăn cách, giảm góc phun sớm làm làm tăng nồng độ HC làm giảm nồng độ NO bồ hóng, đặc biệt chế độ đầy tải Khi góc phun sớm thay đổi từ đến 23 độ trước ĐCT, lượng bồ hóng tăng gấp đôi theo chu trình thử FTP75 động buồng cháy ngăn cách có góc đánh lửa sớm bình thường 15 độ trước ĐCT Sự thay đổi góc phun sớm phù hợp theo tốc độ tải cho phép chọn vị trí điều chỉnh tối ưu hài hòa nồng độ chất ô nhiễm hiệu suất động Đối với động có buồng cháy dự bị, điều khiển góc đánh lửa sớm tối ưu hệ thống điện tử theo chế độ tốc độ chế độ tải cho phép giảm 15% nồng độ NOx 25% nồng độ bồ hóng theo chu trình thử FTP75 phạm vi gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu không đáng kể Tốc độ phun cao (nhờ tăng áp suất phun) có ảnh hưởng đến trình phát sinh ô nhiễm động phun trực tiếp Thật vậy, tăng tốc độ hòa trộn nhiên liệu không khí, lượng nhiên liệu cháy điều kiện hòa trộn trước gia tăng, nồng độ NOx tăng lượng bồ hóng giảm Tuy nhiên gia tăng áp suất phun (hơn 100MPa) làm tăng lượng hạt rắn tăng lượng phát sinh SOF Sử dụng vòi phun có nhiều lỗ phun đường kính bé làm tăng chất lượng hòa trộn không khí nhiên liệu kích thước hạt nhiên liệu giảm, hỗn hợp bốc cháy dễ dàng hơn, bù trừ phun trễ làm giảm NOx Với lượng phát thải NOx cho trước, gia tăng số lượng lỗ phun làm giảm nồng độ bồ hóng Đối với động phun trực tiếp, áp suất phun tối ưu thay đổi từ 75 đến 100MPa tùy theo chế độ động Vượt áp suất này, với lượng phát sinh NOx, lượng hạt rắn phát sinh giảm suất tiêu hao nhiên liệu độ ồn trình cháy gia tăng tăng đột ngột áp suất Điều khắc phục cách dùng tia phun mồi Quy luật phun có ảnh hưởng quan trọng đến trình phát sinh chất ô nhiễm Thời gian phun rút ngắn, áp suất phun cao cho phép gia tốc trình cung cấp nhiên liệu dẫn đến giảm lượng HC không cháy hết Các tiến kĩ thuật phun nhằm giảm mức độ phát sinh ô nhiễm bao gồm quy luật phun hai giai đoạn, quy luật phun 87 Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm động đốt Hình 7.6: Gia tăng nhiệt độ khởi động xúc tác theo thời gian sử dụng ô tô A Tác động chì Tác hại chì đến xúc tác nhiều hợp chất hóa học hình thành trình cháy gây (các oxyde, halogénure, sulfate) Tác hại chì phủ lên mặt chất xúc tác lớp kim loại trơ nhiệt độ cao chèn kín lỗ xốp nhiệt độ pháttính ônhiễm thấp Những chất halogène, chlor brome, chúng làm Mức giảmđộdần (g/mile) độ phát xúc tác chúngMức bị hấp thụ ônhiễm bề mặt kim loại quý (% giá trị ban đầu) HC CO 400 16 300 12 200 100 bình xăng pha chì 500 bình xăng pha chì bình xăng không pha chì 1000 1500 2000 bình xăng không pha chì 2500 3000 Quãng đường chạy (mile) Hình 7.6: Ảnh hưởng chì đến xúc tác chức Vì vậy, phải tránh việc sử dụng xăng pha chì động có ống xả xúc tác Tuy nhiên, xăng pha chì không hủy hoàn toàn hoạt tính xúc tác Tính xúc tác phục hồi lại phần sử dụng xăng không pha chì (hình 7.6) B Tác động phosphore Sự diện phosphore nhiên liệu gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến xúc tác Phosphore mặt gây sai lệch tín hiệu cảm biến lambda mặt khác, làm giảm hiệu xúc tác, việc oxy hóa CO 112 Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm động đốt Trong thực tế, nhiên liệu thông thường có hàm lượng phosphore nhỏ 0,02ppm Mặt khác, phosphore khí xả bắt nguồn từ chất chống mòn pha dầu bôi trơn (dialkyldithiophosphate kẽm) Tuy nhiên, hàm lượng không đủ gây tác hại đáng kể xúc tác C Tác động lưu huỳnh Lưu huỳnh diện xăng có tác hại làm trơ hóa dần xúc tác ba chức năng, đặc biệt điều kiện hỗn hợp tương đối giàu Tuy nhiên trơ hóa lưu huỳnh gây phục hồi sử dụng xăng có thành phần lưu huỳnh thấp Lưu huỳnh xăng gây tượng bất lợi khác: phát sinh bọng khí H2S số điều kiện làm việc, chẳng hạn khởi động trạng thái nguội hay chạy không tải sau giai đoạn giảm tốc Thật vậy, động làm việc với hỗn hợp tương đối nghèo, lưu huỳnh lưu trữ dạng sulfate, chủ yếu sulfate cerium Hợp chất sau biến thành H2S thành phần nhiên liệu-không khí tức thời chuyển sang giàu Để chống lại tượng này, người ta pha vào kim loại xúc tác hàm lượng kền bé Giải pháp áp dụng Mĩ không áp dụng Châu Âu độc tính kền D Lớp bám carbon Khi ô tô có xúc tác ba chức sử dụng thường xuyên quãng đường ngắn, lập lại thường xuyên trình khởi động, trình đòi hỏi hỗn hợp giàu, gây lớp than đáng kể bám ống xả xúc tác Khi cần nhiệt độ cao xúc tác khởi động Tuy nhiên tác động lớp than đến xúc tác khử đốt cháy nhiệt độ cao Bộ xúc tác trở lại tính ban đầu sau hết lớp than 7.2.2 Bộ xúc tác oxy hóa dùng cho động Diesel Bộ xúc tác oxy hóa Diesel chưa phổ biến rộng rãi xúc tác ba chức động xăng mức độ phát sinh ô nhiễm động Diesel CO HC nằm giới hạn cho phép, chưa cần thiết phải sử dụng thiết bị xử lí đường xả Mặt khác, xúc tác oxy hóa tác dụng NOx có tác dụng giới hạn bồ hóng 7.2.2.1 Đặc điểm xúc tác điều kiện sử dụng: Khí xả động Diesel có chứa bồ hóng lượng bé CO, HC hệ số dư lượng không khí lớn Trên nguyên tắc, xúc tác oxy hóa diễn thuận lợi Khó khăn liên quan đến nhiệt độ môi trường phản ứng thấp Hình 7.7 cho thấy nhiệt độ môi trường cần phải đạt đến 200°C xúc tác bắt đầu khởi động Vào khoảng 300°C, xúc tác bắt đầu oxy hóa đồng thời SO2 thành SO3 Các chất lưu huỳnh nhiên liệu tạo Đây tượng xấu làm gia tăng 113 Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm động đốt mức độ phát sinh hạt rắn (hình 7.8) Mặt khác, sau hình thành, SO3 biến thành acid sulfuric ngậm nước chất bị giữ lại phần lọc làm ảnh hưởng đáng kể đến tuổi thọ lọc Vì vậy, việc sử dụng xúc tác oxy hóa động Diesel cần phải kèm với việc sử dụng nhiên liệu có thành phần lưu huỳnh thấp Trên sở điều kiện kĩ thuật này, Liên Hiệp Châu Âu đề tiêu chuẩn giới hạn lưu huỳnh nhiên liệu Diesel không vượt 0,05% áp dụng từ ngày tháng 10 năm 1996 100 Tỉ lệ biến đổi CO (%) CO HC 75 SO2 50 25 Nhiệt độ khí (C) 100 200 300 400 Thành phố 500 600 700 Đường trường Hình 7.7: Biến thiên tỉ lệ oxy hóa theo nhiệt độ khí xả 100 Phát sinh bồ hóng (g/h) Thành phần lưu huỳnh 75 0,3% 0,15% 0,1% 50 0,05% 25 200 0% 300 600 400 500 Nhiệt độ khí vào xúc tác (°C) Hình 7.8: Ảnh hưởng thành phần lưu huỳnh nhiên liệu đến phát sinh hạt rắn theo nhiệt độ khí vào ống xả Về mặt kết cấu, kim loại quý dùng cho xúc tác oxy hóa Diesel chủ yếu Platine Palladium hợp kim hai chất này, Palladium ưa chuộng khó oxy hóa SO2 thành SO3 114 Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm động đốt Sự diện lưu huỳnh dầu Diesel, hàm lượng bé, gây ảnh hưởng đáng kể đến hoạt tính xúc tác, đặc biệt làm tăng nhiệt độ khởi động xúc tác (hình 7.9) Tuy nhiên xúc tác phục hồi đặc tính ban đầu động sử dụng nhiên liệu không chứa lưu huỳnh 60 Thành phần lưu huỳnh Tỉ lệ biến đổi HC (%) 40 0% 0,15% 0,05% 20 ∆T=25°C 160 180 200 220 240 Nhiệt độ khí vào xúc tác (°C) Hình 7.9: Ảnh hưởng thành phần lưu huỳnh nhiên liệu đến nhiệt độ khởi động xúc tác 7.2.2.2 Hiệu xúc tác oxy hóa Diesel Như nêu, việc sử dụng xúc tác oxy hóa phải kèm theo việc sử dụng nhiên liệu Diesel không chứa lưu huỳnh Thử nghiệm động ô tô nhẹ theo chu trình ECE+EUDC cho thấy xúc tác oxy hóa động Diesel làm giảm trung bình 35% CO, 30% HC, 25% hạt rắn hòa tan (SOF) 7.2.3 Khử oxyde nitơ môi trường có diện oxy Kĩ thuật thường gọi 'khử NOx' dùng động đánh lửa cưỡng làm việc với hỗn hợp nghèo động Diesel Nó đối tượng nghiên cứu nhiều công trình kĩ thuật chưa triển khai công nghiệp 'Khử NOx' vấn đề mấu chốt xử lí khí xả đường thải, ngày hệ thống hồi lưu khí xả làm giảm NOx trình cháy (nhưng gây nhược điểm tính kinh tế-kĩ thuật động cơ), chưa có giải pháp kĩ thuật nào khử NOx hai loại động vừa nêu, mà hai loại động lại động có nhiều ưu tính kinh tế-kĩ thuật Bộ xúc tác khử NOx chủ yếu giảm oxyde nitric NO, chất chiếm đại phận NOx Sự phân giải NO viết sau: 2NO -> N2 + O2 115 Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm động đốt Về phương diện nhiệt động học, phản ứng hoàn toàn xảy với tốc độ phản ứng thấp Tỉ lệ biến 100 đổi 75 CO Không phun Phun 50 25 50 150 250 350 450 Nhiệt độ (°C) 250 350 450 Nhiệt độ (°C) Tỉ lệ biến 30 đổi NOx 20 10 50 150 Tỉ lệ biến 100 đổi 75 HC 50 25 Hình 7.10: Ảnh hưởng việc phun hydrocarbure đường xả 450 50 150 250 đến hiệu khử NOx 350 Nhiệt độ (°C) Một phương án khác, áp dụng động tàu thủy cỡ lớn thêm chất phụ gia ammoniac hay uré (NH2-CO-NH2) khí xả xử lí toàn hợp chất nhận xúc tác oxyde titan phủ lớp oxyde vanadium, chất có khả hấp thụ mạnh chất khử Khi đó, phản ứng xúc tác tổng quát viết sau: NO + NH3 + 0,25O2 -> N2 + 1,5H2O 116 Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm động đốt Phản ứng cho phép loại trừ 70-80% NO chứa khí xả Tuy nhiên, kĩ thuật chưa áp dụng động ô tô (thời gian tiếp xúc cần thiết lớn, độc tính ammoniac ) Các nghiên cứu tiến hành theo hướng khử NO hydrocarbure có mặt hay cung cấp thêm vào khí xả Phản ứng khử viết sau: NO + Hydrocarbure > N2 + CO2 + H2O Phản ứng thực tế xảy với tỉ lệ biến đổi từ 40-80% nhờ xúc tác đồng phủ zéolithe hay platine phủ zéolithe Tuy nhiên, điều kiện khí xả động khác biệt nhiều so với điều kiện thí nghiệm tối ưu phản ứng vì: - Nhiệt độ khí xả thấp (150-250°C so với điều kiện thí nghiệm 400-500°C) - Nồng độ hydrocarbure không đủ (thấp điều kiện thí nghiệm từ 20-40 lần) Tuy điều kiện thực tế khác biệt nhiều so với điều kiện thí nghiệm phương pháp khử NOx hydrocarbure có nhiều hứa hẹn Hình 7.10 giới thiệu vài kết công bố năm gần Ngoài khó khăn vừa nêu, trước đưa xúc tác khử NOx hydrocarbure vào ứng dụng công nghiệp, người ta cần phải giải số vấn đề kĩ thuật khác chẳng hạn khống chế phản ứng tạo N2O kéo dài tính ổn định xúc tác theo thời gian Trong thực tế, xúc tác khử NOx động Diesel không cần phải đạt tính cao xúc tác ba chức Tỉ số biến đổi NOx chừng 3040% chấp nhận Cũng giống xúc tác khác, việc xử dụng xúc tác khử NOx đường xả động Diesel cần phải kèm với việc sử dụng nhiên liệu không chứa lưu huỳnh 7.3 Lọc hạt rắn Nhờ thành tựu nghiên cứu hoàn thiện việc tổ chức trình cháy động Diesel mà hai mươi năm qua, mức độ phát sinh hạt rắn động Diesel giảm nhiều Mức độ phát sinh bồ hóng động Diesel lắp ô tô du lịch Châu Âu giảm từ 0,50 g/km xuống 0,08g/km, thỏa mãn tiêu chuẩn ô nhiễm năm 1996 EU Với tốc độ tiến nghiên cứu trình cháy nâng cao tính chất nhiên liệu, năm tới đây, hệ động Diesel thỏa mãn tiêu chuẩn Euro 2000 (khoảng 0,05 g/km) Nghiên cứu hoàn thiện trình cháy làm giảm nồng độ bồ hóng điều kiện cháy bình thường Tránh tập trung nhiên liệu vùng có nhiệt độ cao điều kiện tiên để hạn chế mức độ phát sinh bồ hóng Tuy nhiên, phương tiện vận tải động thường xuyên tăng giảm tải vận hành nguyên nhân phát sinh bồ hóng động Diesel đại 117 Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm động đốt Cải tiến hình dạng buồng cháy, thay đổi thành phần nhiên liệu, pha chất phụ gia có nhiều tác dụng làm giảm nồng độ bồ hóng khí xả Giảm công suất động cách giảm nồng độ bồ hóng công suất động Diesel lớn hiệu kinh tế cao Các nhà khoa học sức tìm kiếm giải pháp hoàn thiện trình cháy động Diesel để giảm nồng độ bồ hóng khí xả đến mức thấp Tuy nhiên cho dù nồng độ bồ hóng khí xả Diesel giảm nhiều, mối quan tâm nhà khoa học bồ hóng dễ sâu vào phổi, bị giữ lại phế nang gây nhiều tác hại quan hô hấp Người ta thấy số hạt bụi có mặt khí hạt có kích thước tương ứng với hạt bồ hóng bị giữ lại phổi dễ dàng tồn thời gian dài Chính lẽ đó, việc lọc bồ hóng đường xả động Diesel quan tâm năm gần cho dù kĩ thuật phức tạp tốn Bồ hóng khí xả có kích thước bé Đa số hạt bồ hóng (hơn 90% số hạt) có đường kính trung bình khoảng 1µm Lọc hạt cỡ khó gây tổn thất lớn đường thải Hạt bồ hóng xốp, có khối lượng riêng trung bình khoảng 0,07g/cm3 nên lọc bị tắt nhanh Làm thường xuyên bồ hóng bám lõi lọc điều kiện cần thiết để đảm bảo lọc hoạt động bình thường Lọc bồ hóng tập trung giải hai vấn đề lựa chọn kĩ thuật lọc phương pháp tái sinh lọc 7.3.1 Kĩ thuật lọc bồ hóng Thành xốp Có nhiều phương án lọc bồ hóng khác nhìn chung chúng dựa nguyên tắc bẫy hạt bồ hóng Nút gốm Hình 7.11 : Lõi lọc Kĩ thuật lọc Hai mươi năm qua, nhiều công trình nghiên cứu lọc bồ hóng tiến hành chưa có loại lọc ứng dụng rộng rãi Giá thành lọc cao, hệ thống lọc phức tạp tuổi thọ lọc thấp Lọc chế tạo vật liệu gốm áp dụng từ năm 1981 Hiệu lọc chúng cao (có thể đạt 90%), phát triển loại lọc bị hạn chế chưa tìm hệ thống tái sinh tin cậy với giá thành hạ Thành lọc có bề dày 0,3mm, vật liệu có độ xốp 40÷50% với đường kính lỗ xốp trung bình 14µm Lõi lọc chế tạo thành dạng tổ ong làm kín đầu xen kẽ (hình 7.11) Khí xả vào đầu hở lọc, qua lỗ xốp thành bồ hóng bị giữ lại Trong lõi lọc đại, dây điện trở bố trí thành gốm để đốt bồ hóng trình tái sinh Lọc vật liệu gốm thường hay bị nứt hỏng ứng suất nhiệt tái sinh xung lực dòng khí thải 118 Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm động đốt Lọc gốm monolithe dạng lọc nghiên cứu thử nghiệm nhiều kể từ đề giải pháp lọc bồ hóng Lọc cải tạo từ gộp xúc tác ba chức cách làm kín xen kẽ đầu rãnh thông cho khí thải buộc phải qua lớp xốp thành gốm ngăn cách hai rãnh thông liền (hình 7.12) Phương pháp lọc gọi phương pháp 'thổi qua tường' (wall flow) Hiệu lọc cao (lớn 90%) trở lực đường xả lớn gradient nhiệt độ lõi lọc cao tái sinh lọc Vật liệu gốm thường sử dụng cordiérite (2MgO,2Al2O3,5SiO2) carbure silic (SiC) A Thành xốp B Khí xả Bồ hóng bị giữ lại Nút gốm Hình 7.12: Lõi lọc gốm Lọc sợi gốm chế tạo từ sợi silic hay hỗn hợp oxyde nhôm silic, cuộn thành lớp dày khoảng 10-12mm quanh ống kim loại có đường kính 40mm Khí xả di chuyển từ bên ống Lớp sợi tạo thành lưới lọc với đường kính trung bình lỗ khoảng 10 micron Dạng lọc có ưu điểm chịu ảnh hưởng ứng suất nhiệt khí, hiệu lọc vừa phải (75-80%) Lọc lưới sợi gốm vừa phát triển năm gần có nhiều hứa hẹn Những sợi gốm có đường kính chừng 10 micron đan lại thành (hình 7.13) mà dạng lỗ trống tối ưu hóa để đảm bảo hiệu lọc cao độ cứng vững chấp nhận Các dệt theo phương pháp cổ điển công nghệ dệt Hiệu lọc, độ chịu đựng gradient nhiệt rung động học lõi lọc tốt 119 Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm động đốt Hình 7.13: Lõi lọc lưới sợi gốm Lọc sợi thép mạ nhôm có quy trình chế tạo đơn giản Nó có ưu điểm chịu thay đổi nhiệt độ, rung động xung lực khí xả Thể tích lõi lọc kích thước sợi lọc xác định theo lưu lượng khí xả tổn thất áp suất cho phép Sợi thép sau mạ nhôm có bề dày 0,2mm tối ưu (hình 7.14) Lõi lọc kim loại xốp áp dụng năm gần Kim loại xốp có tên gọi Celmet, hợp kim Ni-Cr-Al, chịu đựng nhiệt độ 700oC 300 Tổn thất áp suất khoảng 1/10 so với lọc vật liệu gốm thông thường Lọc Celmet có đường kính lỗ xốp trung bình khoảng 500 µm (hình 7.15) Kích thước lỗ điều chỉnh cách gây biến dạng lõi lọc hay ghép chồng lên nhiều lọc đồng trục Thường lõi lọc gồm hai lưới lọc hình trụ bố trí đồng trục hai lõi lọc người ta bố trí điện trở để tái sinh lọc Khí xả vào không gian hai lưới thoát qua lỗ xốp chúng Bồ hóng bám thành lọc đốt định kì xạ điện trở Do không gian hai lưới lọc nhỏ nên công suất điện tiêu tốn cho điện trở đốt giảm 120 Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm động đốt Hình 7.14: Lõi lọc sợi thép mạ nhôm Lưới lọc tĩnh điện áp dụng thiết bị lọc bụi công nghiệp có nhiều triển vọng sử dụng lọc bồ hóng động Diesel Ưu điểm loại lọc kết hợp nguyên lí lọc lưới cổ điển lọc tĩnh điện Nó gồm lưới thép không rỉ, cách điện đặt xen kẽ Chúng nối cực âm, dương accu Khi dòng khí thải qua lưới, hạt bồ hóng kích thước lớn bị giữ lại hạt nhỏ thoát qua lọc bị nhiễm điện Những hạt sau bị giữ lại lực hút tĩnh điện lưới lọc phía sau có điện trái dấu (hình 7.16a) Điện áp lớn, hiệu lọc cao (hình 7.16b) Lọc cách ngưng tụ nước để hấp thụ bồ hóng nghiên cứu Khí xả qua lọc làm lạnh đến điểm ngưng tụ nước (khoảng 50oC) lưới gồm ống làm lạnh có đuờng kính bé Khi dòng khí xả qua, hạt bồ hóng bị giữ lại bề mặt giọt nước ngưng tụ Nước bồ hóng sau chứa vào bình ngưng định kì chúng lấy để xử lí Hình 7.15: Lọc celmet Lưới nhiễm điện âm Bình điện Lưới nhiễm điện âm Lưới lọc Bồ hóng Lưới nhiễm điện dương Cánh tản nhiệt Khí121 xả Khí Khí xả Lọc lưới Lọc tĩnh điện Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm động đốt Hình 7.16a: Lọc tĩnh điện Hiệu lọc (%) tầng Hình 7.16b: Ảnh hưởng điện áp đến hiệu lọc tĩnh điện tầng Thời gian hoạt động (phút) 7.3.2 Tái sinh lọc Như phân tích, trình sử dụng, lọc bị tắc nhanh nên phải tái sinh lọc để tránh tổn thất áp suất đường xả Khi hiệu lọc cao lọc nhanh bị tắc Lượng bồ hóng phát sinh trung bình ô tô Diesel du lịch 0,10g/km, lọc phải giữ lại 100g bồ hóng quãng đường 1000km Với khối lượng riêng bồ hóng ước chừng 0,075g/cm3, lượng bồ hóng vừa nêu chiếm thể tích 1,3 lít Đối với ô tô hạng nặng (xe tải, bus) khối lượng thể tích bồ hóng phát sinh quãng đường gấp 10 lần so với ô tô du lịch! Sự tích tụ bồ hóng lõi lọc gây trở lực đường xả làm giảm tính động (khi tổn thất áp suất bắt đầu vượt 100150 mbar) Các giải pháp thông thường đốt, rung, rửa hay dùng dòng khí thổi ngược Đốt bồ hóng phương pháp áp dụng rộng rãi Thực nghiệm cho thấy oxy hoá bồ hóng 122 Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm động đốt bắt đầu với tốc độ thấp 300°C gia tốc 400°C không khí hay dòng khí có chứa 10% oxy Bồ hóng bám lọc bị đốt cháy hoàn toàn nhiệt độ 540°C với điều kiện có đủ oxy Nhiệt độ tái sinh cao, thời gian đốt hoàn toàn bồ hóng giảm Nhiệt độ cao khí xả tạo nhờ thay đổi chế độ làm việc động cơ, tiết lưu đường nạp hay thêm thiết bị phụ sấy điện trở, vòi đốt, đuốc xúc tác Phương pháp gia nhiệt khí thải điện trở không triển vọng đòi hỏi công suất điện lớn Dùng vòi đốt nhiên liệu Diesel đường xả hay đuốc xúc tác để gia nhiệt dường có nhiều triển vọng Hình 7.17 giới thiệu đốt bồ hóng để tái sinh lọc Hệ thống làm việc cách tự động Trở lực đường xả đo liên tục ghi vào nhớ ECU Khi p ≥ pmax, ECU khởi động vòi đốt Nhiên liệu phun khí nén Ngọn lửa khơi mào tia lửa điện xuất hai điện cực đánh lửa ECU cắt nhiên liệu qua vòi đốt để kết thúc trình tái sinh áp suất đường xả nhỏ giá trị định trước Nguyên lí đuốc xúc tác phun nhiên liệu hydrocarbure (lỏng hay khí) vào xúc tác đặt đường xả Sự toả nhiệt oxy hóa lượng nhiên liệu làm tăng nhiệt độ khí để oxy hóa bồ hóng Hệ thống tái sinh kiểu đuốt xúc tác gồm tạo xúc tác đơn giản giá thành hạ Các nghiên cứu gần cho thấy số oxyde kim loại có khả làm giảm nhiệt độ xúc tác bồ hóng xuống xấp xỉ nhiệt độ khí xả động làm việc bình thường (350°C) Sự Oxy hoá graphite oxyde đồng chẳng hạn biểu diễn hai phản ứng sau: C + 2CuO → CO2 + 2Cu 2Cu + O2 → 2CuO Khí nén Khí xả động Giảm áp Khí xả Buồng hỗn hợp Van phun Böm N liệu Nhiên Bộ đánh lửa Bơm k.khí Nhiên liệu Hệ thống điều khiển Hình 7.17: Tái sinh lọc đốt bồ hóng Ngoài ra, chất hoạt tính xúc tác khác Oxide Vanadium V2O5 , Oxyde Cobal Co3O4/ CoO, Oxyde Cerium CeO2, Oxy kẽm ZnO, Oxyde Nikel NiO dùng để chế tạo xúc tác bồ hóng Hình 7.18 giới thiệu hiệu xúc tác 123 Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm động đốt chất khác bồ hóng Khi động Diesel làm việc với tải trung bình, nhiệt độ khí xả đạt đến giới hạn cần thiết cho trình xúc tác Trong trường hợp động làm việc chế độ tải thấp, cần gia nhiệt thêm cho khí thải lượng bổ sung thấp nhiều so với tái sinh lọc khác Bộ xúc tác có tác dụng đốt hydrocarbure nặng mà chất thoát dùng lọc bồ hóng thông thường Dựa vào tính chất xúc tác số hợp chất hóa học người ta đốt cháy lớp bồ hóng bám lõi lọc để tái sinh lọc Chất xúc tác tráng thành lõi lọc hay phun trước lọc Nó pha vào dầu Diesel dạng chất phụ gia Những chất cho phép làm giảm nhiệt độ tự cháy bồ hóng mà làm tăng tốc độ oxy hóa 100 80 V2O5 60 Co3O4 CuO NiO 40 20 100 200 300 400 500 600 700 Hình 7.18: Hiệu xúc tác bồ hóng Việc lắp đặt xúc tác lọc tương đối hiệu nhất, trường hợp mà gộp lọc làm sợi gốm hay sợi kim loại Tuy nhiên, trường hợp oxy hóa lưu huỳnh chứa nhiên liệu dẫn đến phát sinh SO3 acide sulfuric làm giảm tuổi thọ lọc Vì vậy, xúc tác có lợi dầu Diesel chứa hàm lượng lưu huỳnh thấp Một kĩ thuật tái sinh khác phun hóa chất trước lọc tiến hành trình tái sinh Phần lớn hóa chất có hoạt tính xúc tác riêng, chúng kích hoạt chất xúc tác chứa lọc hay làm gia tăng nhiệt độ tạo điều kiện thuận lợi cho xúc tác hoạt động Việc pha chất phụ gia vào dầu Diesel vừa làm giảm bồ hóng nguồn vừa tạo điều kiện thuận lợi để thực trình tái sinh lọc cách giảm nhiệt độ cháy bồ hóng Pha chất phụ gia vào nhiên liệu cho phép tái sinh lọc cách liên tục, không cần tác động đến động đến lọc Hình 7.19 giới thiệu dao động trở lực đường thải nhiệt độ đầu vào đầu lọc bồ hóng trường hợp dầu Diesel có pha chất phụ gia 124 Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm động đốt Trở lực (bar) Nhiệt độ khí (°C) Nhiệt độ trước lọc Nhiệt độ sau lọc Trở lực Thời gian (phút) Hình 7.19: Sử dụng chất phụ gia tái sinh lọc bồ hóng Bình điều hòa Máy nén Van Van điện từ Phần tử lọc Buồng không khí Khí xả Khoang chứa bò hóng Hình 7.20: Tái sinh lọc cách phun ngược không khí Tái sinh lọc phun ngược không khí nhà chế tạo ô tô quan tâm Trong trường hợp đó, lọc gồm lõi bố trí song song Xung khí nén thổi ngược thay phiên qua lõi lọc để làm lớp bồ hóng bám thành xốp Bồ hóng tách khỏi lọc chứa khoang bồ hóng đốt điện trở Hệ thống thổi khí ngược gồm van điện từ, vòi phun khí, bình chứa khí máy nén khí Áp suất khí nén cần thiết khoảng 0,8MPa Hệ thống làm việc cách tự động (hình 7.20) nhờ hệ thống 125 Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm động đốt điều khiển van điện từ van tiết lưu trước sau lọc Quá trình tái sinh lọc thực thường xuyên hay định kì 7.3.3 Viễn ảnh tương lai Lọc bồ hóng tiếp tục nghiên cứu nhằm làm giảm mức độ gây ô nhiễm khí xả động Diesel Tuy nhiên kĩ thuật có áp dụng cách rộng rãi tương lai hay không phụ thuộc vào tiến liên quan đến phát triển lõi lọc, bố trí hệ thống lọc ô tô phát triển chất phụ gia Điểm cuối dường quan trọng Trong trường hợp nào, việc sử dụng chất phụ gia nhiên liệu phải thỏa mãn tiêu chuẩn an toàn sức khỏe người 126 [...]... 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, HC Khi tăng tốc độ ô tô, nhờ sự rối của không khí phía sau xe, các chất ô nhiễm thải ra khỏi ống xả khuếch tán nhanh chóng trong không gian, làm giảm nồng độ cục bộ của chúng trong môi trường 91 Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động... các thông số của động cơ Như chúng ta đã biết, độ đậm đặc của hỗn hợp ảnh hưởng lớn đến mức độ phát sinh ô nhiễm: NOx đạt cực đại trong môi trường hơi nghèo; CO, HC đạt cực tiểu trong môi trường nghèo; sự xuất hiện bồ hóng diễn ra trong môi trường rất giàu (a ... mức độ phát sinh ô nhiễm Khi giảm mạnh giới hạn tốc độ, nồng độ NOx giảm vài phần trăm, làm tăng đôi chút CO, HC Khi tăng tốc độ ô tô, nhờ rối không khí phía sau xe, chất ô nhiễm thải khỏi ống... trình phun điều khiển góc phun sớm, mức độ phát ô nhiễm động giảm lần 6.4 Ảnh hưởng việc giới hạn tốc độ ô tô đến mức độ phát sinh ô nhiễm Khi ô tô hoạt động ổn định người ta thấy nồng độ CO đạt... chóng không gian, làm giảm nồng độ cục chúng môi trường 91 Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ chất ô nhiễm khí xả động đốt Trên xa lộ Châu Âu, tốc độ giới hạn 130 km/h Khi đại phận ô tô giảm