CÁC yếu tố ẢNH HƯỞNG đến NỒNG độ các CHẤT ô NHIỄM TRONG KHÍ xả ĐỘNG cơ XĂNG

* Mặc dù vậy nhưng vẫn có sự ô nhiễm được sinh ra do một số nguyên nhân tácđộng làm ảnh hưởng đến sự chính xác trong điều khiển như: Sự hư hỏng của cảm biếnnhiệt độ nước làm mát, cảm biế

Tiểu luận môn học: Ô TÔ VÀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG

Chính vì vậy, việc tìm hiểu các nguyên nhân gây ra các chất ô nhiễm trong khí xảđộng cơ đốt trong là việc làm quan trọng nhằm đưa ra các giải pháp thiết kế tối ưu đểhạn chế nồng độ các chất ô nhiễm

Trong nội dung bài tiểu luận này, nhóm chúng em nghiên cứu các nhân tố cơ bảnảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ xăng, các tiêu chuẩn về

ô nhiễm đối với khí xả động cơ xăng đang áp dụng tại Việt nam và một số nước trênthế giới Cụ thể phân công nghiên cứu như sau:

- Mai Hoàng Long: Nghiên cứu phần 2.6 Các tiêu chuẩn cho phép của các chất ô

nhiễm khí xả động cơ xăng, phần 3.5 Ảnh hưởng của nhiênliệu xăng đến mức độ phát ô nhiễm của động cơ xăng và phần3.8 Ảnh hưởng của việc giới hạn tốc độ đến sự hình thành cácchất ô nhiễm

- Võ Ngọc Khoa: Nghiên cứu các phần còn lại của tiểu luận

Quá trình nghiên cứu đã giúp chúng em hiểu rõ hơn về vấn đề ô nhiễm môitrường nói chung, các nguyên nhân gây ra ô nhiễm cũng như các chỉ tiêu đánh giá đốivới ô tô về ô nhiễm Chúng em rất cám ơn sự hướng dẫn nhiệt tình của Cô GVC ThS.Văn Thị Bông giúp chúng em hoàn thành tiểu luận này Chân thành cảm ơn quý bạncùng lớp đã đóng góp nhiều ý kiến quí báu, kịp thời

II GIỚI THIỆU CÁC CHẤT Ô NHIỄM:

Môi trường có vai trò rất quan trọng đối với con người, nó tác động trực tiếpđến môi trường sống và sinh họat của con người Chính vì vậy mà chúng ta cần phải

có ý thức đối với môi trường Có rất nhiều nguyên nhân gây ra ô nhiễm môi trườngtrong đó ô nhiễm do xe cơ giói là một trong nhưng nguyên nhân chính tác động trựctiếp đến môi trường

Trong quá trình hô hấp con người ta hít thở không khi trong lành để tồn tại vàphát triển Khí được xem là sạch khi các thành phần chủ yếu: N2=78,08%, O2=20.95%,Argon (Ar)=0.9325%, CO2=0.03%, Neon (Ne)=18,2.10-4%, He=5.2.10-4%, … Tuynhiên khi các chất đó vượt quá giới hạn cho phép thì không khí bị ô nhiễm gây nguyhiểm đến sức khỏe của con người Các chất độc hại trong khí thải ô tô Các chất chủyếu gây ra ô nhiễm môi trường phát ra từ động cơ:

Qua quá trình phản ứng ta thấy sự ô xy hóa phụ thuộc vào nồng độ của H2 và

OH Vì vậy trong điều kiện sử dụng bình thường nồng độ CO sinh ra ở động cơ xăngrất lớn

CO rất dễ tác dụng với hồng cầu trong máu và trở thành hợp chất bền vững Do

đó máu không có khả năng trao đổi oxy và con người sẽ bị chết do toàn bộ huyết quảntrong phổi bị tê liệt và chết ngạt Ở điều kiện nồng độ CO thấp cũng có thể gây nguyhiểm lâu dài đến sức khỏe của con người Vì CO nặng hơn không khí có xu hướnglắng xuống thấp Theo số liệu thống cơ của FEPA (năm 1992) tốc độ tăng nồng độ của

CO là 3%/năm Tại Việt Nam nồng độ CO ở TP.HCM là cao nhất so với nồng độ COtrung bình của cả nước.

2.2 CO 2 :

CO2 là sản phẩm cháy hoàn toàn của cacbon Một phần CO2 được hòa tan trongnước đại dương và được các thực vật giữ lại trong quá trình quang hợp Hơn ½ lượng

CO2 tồn tại trong khí quyển và nồng độ CO2 gia tăng mỗi năm khoảng 0.4% Chính nó

là tác nhân gây ra nhiệt độ cuả trái đất nóng lên theo hiệu ứng nhà kính làm thay đổikhí hậu và những thiên tai thảm họa

* Ở gần thành buồng cháy nguồn lữa bị dập tắt làm cho quá trình cháy diễn rakhông hoàn toàn trong vùng này đã làm phát sinh HC trong quá trình cháy

* Những vùng mà hỗn hợp có quá giàu nhiên liệu nhưng lượng O2 cung cấpthiếu dẫn đến hiện tượng cháy không hoàn toàn

Chất độc này khi hít vào gây tổn thương đường hô hấp, gây ung thư, rối loạnthần kinh

2.4 NO x :(NO, N 2 O, NO 2 )

Hình thành khi nhiệt độ của quá trình cháy cao, nhiệt độ khí thải lớn hơn 800oC.Đặc biệt đối với các ô tô có lắp bộ sử lí khí thải (Catalyst) để khử CnHm thì nhiệt độcủa khí xả tăng lên hơn 800oC sẽ tạo điều kiện thuận lợi phát sinh NOx NO là chấtkhông màu, không mùi, không vị được tạo ra do nitơ không khí tác dụng với oxy ởnhiệt độ cao và hỗn hợp quá nghèo NO không nguy hiểm lắm tuy nhiên khi nó kếthợp với ôxi môi trường sẽ tạo thành NO2, đây là chất khí màu nâu nhạt, mùi nồng, rấtháo nước Khi kết hợp với nước sẽ tạo ra acid phá hội hoa màu và gây nên các bệnh về

da, mắt, viêm đường hô hấp…

2.5 SO x (SO 2 , SO 3 ):

Là một chất háo nước dễ kết hợp với nước để tạo thành H2SO4 Đây là loại acidgây ra tác hại mũi, và đi vào đường hơ hấp gây tổn thương phổi, ho sặc, siễng, khĩthể…

2s.6 Tiêu chuẩn cho phép của các chất ơ nhiễm khí xả động cơ xăng

* Áp dụng tại Việt nam:

-1.5007.8003.300

1.2007.8003.300

6007.8003.300

1.50010.000

1.2007.800

-Độ khĩi

(%HSU)

- Tiêu chuẩn ban hành năm 2005

Cục Đăng kiểm Việt nam đã đề xuất với Bộ giao thông vận tảitrình Thủ tướng Chính phủ ban hành Quyết định số 249/QĐ-TTg, ngày 10tháng 10 năm 2005 về lộ trình áp dụng khí thải đối với phương tiện giaothông cơ giới đường bộ Trong đó, các mức tiêu chuẩn áp dụng đối vớiôtô đang lưu hành được qui định như bảng dưới

* Lộ trình áp dụng: Từ ngày 1/7/2006: Áp dụng mức 1 cho các phương

tiện mang biển soát hoặc có địa chỉ nơi thường trú của chủ phương tiệntrong đăng ký xe ôtô thuộc 05 thành phố: Hà nội, Tp.HCM, Hải Phòng,Đà Nẵng và Cần Thơ Từ ngày 1/7/2008 : Áp dụng mức 1 cho tất cả cácphương tiện vào kiểm định trên phạm vi toàn quốc

800 7800 3300

600 7800 3300

Theo lộ trình, giai đoạn 2005-2008, nước ta sẽ xây dựng tiêu chuẩn chất lượngkhí thải xe hơi phù hợp với Euro I trong hệ thống tiêu chuẩn châu Âu Đây là mộttrong những hệ thống tiêu chuẩn tiên tiến nhất, được áp dụng rộng rãi trên thế giới,gồm cả Trung Quốc và các nước Đông Nam Á.

Loại xe Tiêu chuẩn

* Các tiêu chuẩn châu Âu (Theo nguồn tài liệu European Union)

- Đối với xe khách dưới 6 chỗ

Xăng = diesel Xăng diesel

- Đối với xe khách trên 6 chỗ và xe tải dưới 3.5t

Loại 1: xe có trọng lượng dưới 1250Kg

Xăng, LPG, NG diesel

-diesel - 0.65 0.72 0.80 0.07 Euro 4 Xăng diesel 0.13 - 0.10 0.33 0.39 - 1.81 0.63 0.04 -

Hình 1 Nguyên

lý kết cấu động

cơ xăng hai thì

Đặcđiểm bôi trơnmột số chi tiếtcủa động cơxăng hai kìdùng một lượngdầu bôi trơnpha chung vớinhiên liệu Do vậy mà trong quá trình cháy xảy ra một phần dâu bôi trơn trong nhiênliệu cháy không hoàn toàn và sản phẩm của quá trình cháy có nồng độ HC tăng

Một trong các giải pháp làm giảm tổn thất nhiên liệu trong quá trình nạp nhiênliệu là làm thay đổi sự phân bố đậm đặc của hỗn hợp nhiên liệu không khí trong xi

lanh sao cho hỗn hợp nghèo mới thoát ra ngoài đường thải Như phun nhiên liệu vàotrong buồng cháy vào cuối quá trình nén khi cửa thải vừa đóng lại Tuy nhiên với giảipháp này người ta phải dùng một bơm do động cơ dẫn động đã làm công suất động cơ

bị mất đi bù vào lượng công để làm quay bơm này Mặt khác, thời gian nén của động

cơ hai kì ngắn hơn động cơ bốn kì Vì vậy cần phải cung cấp một lượng phun nhiênliệu áp suất cao và thơi gian ngắn đã làm phát sinh một lượng nhiên liệu bám trên vách

xi lanh và thành buồng cháy không được bốc hơi tốt nên quá trình cháy không hoàntoàn làm tăng nộng độ HC trong khí xả Một giải pháp tiết kiệm hơn phun nhiên liệubằng không khí với áp suất cao trích ra trong giai đoạn nén

3.2 KẾT CẤU BUỒNG CHÁY

Khi hệ thống phun xăng đánh lửa đảm bảo thời điểm phun xăng, đánh lửa vàlượng nhiên liệu phun vào thích hợp nhưng quá trình cháy xảy ra còn phụ thuộc vàokết cấu của buồng đốt Buồng cháy có khả năng tạo xoáy lốc để hỗn hợp chuyển độngtrong buồng cháy dạng chảy rối thì sẽ tăng sự đồng nhất của hỗn hợp giúp cho quátrình cháy xảy ra hoàn thiện hơn Tuy nhiên quá trình chảy rối đến một giới hạn nhấtđịnh, nếu quá trình rối vượt quá giới hạn thì làm quá nhiệt lan truyền trong buồngcháy và làm quá trình cháy diễn ra quá nhanh động cơ sẽ bị gõ trong quá trình cháy

Khi thiết kể đảm bảo sao cho khoảng cách chuyển động của màng lửa là ngắnnhất Đảm bảo quá trình cháy diễn ra nhanh giảm thời gian cháy xảy ra trong buồngđốt và sẽ giảm nhiệt độ của quá trình cháy giúp hạn chế sự phát sinh NOx

3.3 HỆ THỐNG ĐIỀU KHSIỂN ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH CHÁY KHÔNG HOÀN THIỆN:

3.3.1 HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU

Hệ thống cung cấp nhiên liệu có vai trò rất quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đếncông suất động cơ và phát sinh ô nhiễm môi trường Việc hòa trộn tỉ lệ không khí/nhiên liệu thích hợp do nhiều tín hiệu liên quan cung cấp để đưa ra điều khiển lượngphun nhiên liệu phù hợp theo điều khiện làm việc của động cơ Ngày nay hệ thốngnhiên liệu luôn được phát triển và ngày càng hoàn thiện Từ hệ thống điều khiển nhiênliệu bằng chế hòa khí điều khiển bằng cơ khí sang điều khiển phun nhiên liệu bằngđiện tử đã đảm bảo được lượng phun nhiên liệu và thời điểm phun chính xác theo điềukiện vận hành của ô tô đã góp phần đán kể vào việc tăng công suất của động cơ vàgiảm thiêu ô nhiễm của môi trường

* Mặc dù vậy nhưng vẫn có sự ô nhiễm được sinh ra do một số nguyên nhân tácđộng làm ảnh hưởng đến sự chính xác trong điều khiển như: Sự hư hỏng của cảm biếnnhiệt độ nước làm mát, cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến tốc độ động cơ, cảm biếnnhiệt độ khí nạp… Các tín hiệu cảm biến này bị hư sẽ ảnh hưởng đến tỉ lệ không khí/nhiên liệu Ví dụ như khi cảm biến nhiệt độ nước làm mát bị hư khi đó tín hiệu báo về

bộ điều khiển (ECU) không chính xác và ECU sẽ điều khiển tăng lượng nhiên liệucung cấp vào động cơ để làm giàu hỗn hợp nhiên liệu giúp động cơ dễ khỏi động khinhiệt độ động cơ thấp Khi đó hỗn hợp nhiên liệu sẽ rất giàu và quá trình cháy xảy rakhông hoàn toàn làm phát sinh HC trong khí xả và gây ô nhiễm môi trường

Hình 2 Van ISC điều khiên tăng lượng phun nhiên liệu khi nhiệt độ động cơ thấp

Một trường hợp cũng rất thường xảy ra trong động cơ xăng làm phát sinh nồng

độ HC rất cao đó là kim phun bị nhỏ giọt (đang ở trạng thái đóng nhưng kin phun bịnhỏ giọt mà không có sự điều khiển nào)

Bảng thống kê về sự phát sinh các chất ô nhiễm liên quan đế quá trình phát triểncông nghệ của hệ thống nhiên liệu:

3.3.2 HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA

Để đảm bảo quá trinh cháy xảy ra hoàn thiện bên cạnh hỗn hợp nhiên liệu đượchòa trộn đều cần phải có tia lửa đủ mạnh để kích thích quá trinh cháy xảy ra Đồngthời đánh lửa phải đúng thời điểm theo điều khiện làm việc của động cơ Hệ thốngđánh lửa điều khiển thời điểm đánh lửa phù hợp với điều khiện vận hành của ô tô sẽgiảm thiểu ô nhiễm môi trường và phát huy công suất tối đa của động cơ

Hình 3: Đặt tính ảnh hưởng thời điểm đánh lửa đến hiệu suất của động cơ

Việc điều khiển đánh lửa được chia làm hai giai đoạn cơ bản:

* Khiều khiển đánh lửa khi khởi động: khi động cơ khởi động việc đánh lửa xảy

ra tại một góc quay trục khuỷu cố định nào đó mà chưa tính đến chế độ hoạt động củađộng cơ (góc thời điểm đánh lửa ban đầu)

* Điều khiển đánh lửa sau khi khởi động: sau khi khỏi động tùy theo điều khiệnvận hành của ôtô mà góc đánh lửa của nó có thể thay đổi phù hộp

Khi đó góc đánh lửa thực tế sẽ bao gồm: góc thời điểm đánh lửa ban đầu + gócđánh lửa sớm cơ bản + góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh

GÓC THỜI ĐIỂM ĐÁNH LỬA BAN ĐẦU

GÓC ĐÁNH LỬA SỚM CƠ BẢN

GÓC ĐÁNH LỬA SỚM HIỆU CHỈNH

THỜI ĐIỂM ĐÁNH LỬA THỰC TẾ

Hình 4 Điều khiển góc đánh lửa sau khi khởi động

a) Điều khiển khi hâm nóng

Khi nhiệt độ nước làm mát thấp (nhiệt độ động cơ thấp) động cơ rất khó khởiđộng vì nhiên liệu hòa trộn khó bốc hơi và khi khởi động tốc độ vòng quay của động

cơ thấp Khi đó bên cạnh việc tăng lượng phun nhiên liệu(kim phun khởi động lạnh)thì hệ thống đánh lửa cũng nhận được các tín hiệu nhiệt độ động cơ, tốc độ động cơ, vịtrí piston, áp suất đường ống nạp, vị trí bươm ga để điều khiển tăng góc đánh lửa sớm.Khi nhiệt độ nước làm mát còn thấp và góc đánh lửa sớm điều khiển quá trỡ sẽ dẫnđến hiện tượng hốn hợp hòa khí trong buồng cháy cháy không hoàn toàn và khi đólượng HC trong khí thải sẽ tăng gây ô nhiễm môi trường

ĐIỀU CHỈNH KHI HÂM NÓNG

ĐIỀU CHỈNH KHI QUÁ NÓNG

ĐIỀU CHỈNH ỔN ĐỊNH KHÔNG TẢI

HIỆU CHỈNH PHẢN HỒI TỈ LỆ KHÍ -

NHIÊN LIỆU

HIỆU CHỈNH TIẾN GÕ HIỆU CHỈNH ĐIỀU KHIỂN MÔMEN

b) Khi nhiệt độ động cơ quá nóng

Khi nhiệt độ động cơ quá cao do động cơ làm việc ở tải lớn, góc đánh lửa quásớm khi đó quá trình cháy duy trì trong buồng cháy quá lâu làm nhiệt độ động cơ tăngnhanh khí đó rất dễ xảy ra hiện tượng nồng độ NOx tăng Khi đó để hạn chế hiệntượng này thì bộ điều chỉnh góc đánh lửa sớm sẽ điều khiển giảm góc đánh lửa sớm

c) Khi ở chế độ không tải

Ở chế độ không tải động cơ làm việc với góc đánh lửa sớm cơ bản(khoảng 10otrước điểm chết trên) và ở chế độ này thì hàm lượng các chất ô nhiễm phát ra là thấpnhất

d) Khi động cơ hoạt động không ổn định: do sự thay đổi lượng phun nhiên

liệu tăng giảm liên tục (Điều chỉnh phản hồi tỉ lệ khí-nhiên liệu)

Động cơ đặc biệt rất nhạy cảm với việc thay đổi lượng nhiên liệu phun vàobuồng cháy để thay đổi tốc độ của động cơ ở chế độ không tải Nếu như hệ thống đánhlửa không hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm phù hợp thì động cơ sẽ bị mất công suất doquá trình cháy xảy ra không hoàn thiện và hiện tượng phát sinh các chất ô nhiểm giatăng Để hạn chế hiện tượng này thì bộ điều khiển điện tử (ECU) sẽ điều khiển gócđánh lửa sớm vào khoảng 5o trước điểm chết trên và điều chỉnh lượng phun nhiên liệuphù hợp Tín hiệu chính để nhận biết được điều khiên làm việc của động cơ trong lúcnày là cảm biến oxy, cảm biến vị trí cánh bướm ga và cảm biến tốc độ Các tín hiệunày sẽ được gửi về bộ ECU và ECU sẽ điều khiển góc đánh lửa sớm và lượng phunnhiên liệu phù hợp với điều kiện làm việc của động cơ

09

60oCNhiệt độ nước làm

Hình 5 Điều chỉnh góc đánh lửa khi hâm nóng

Góc

đánh

lửa

sớm

Cảm biến oxy sẽ nhận biết được thành phân của hòa khí tức thời của động cơđang hoạt động Cảm biếm oxy được làm bằng chất ZrO2 có tính chất hấp thụ nhữngion oxy âm tính Cảm biến oxy này thực chất là một pin điện có sức điện động phụthuộc vào nồng độ của oxy trong khí thải với ZrO2 là chất điện phân Mặt trong củaZrO2 tiếp xúc với không khí, mặt ngoài tiếp xúc với oxy trong khí thải Ở mỗi mặt củaZrO2 được phủ một lớp plantin rất mỏng để dẫn điện Lớp plantin này rất mỏng và xốp

để oxy dễ khuyếch tán vào bên trong Khi khí thải chứa lượng oxy ít do hỗn hợp giàunhiên liệu thì số ion oxy tập trung ở điện cực tiếp xúc với khí thải ít hơn ion oxy tậptrung ở điện cực tiếp xúc không khí Sự chênh lệch số ion này sẽ tạo một tín hiệu điện

áp khoảng 600-900mV Khi sự chệch lệch số ion giữa hai điện cực nhỏ trong trườnghợp nghèo xăng thì điện áp phát ra khoảng 100-400 mV Và sự chệnh lệch này sẽ gửi

về ECU để điều khiển phun xăng và đánh lửa

Vì vậy khi chế độ làm việc của động cơ thay đổi mà góc đánh lửa sớm khôngthay đổi phù hợp thì sẽ làm tăng nồng độ các chất HC, CO, NOx trong khí thải

e) Khi bị kích nổ:

Kích nổ là hiện tượng hai màng lửa phát ra từ hai nguồn lan tràng với tốc độ rấtlớn trong buồng cháy(1000-1500)m/sec và va chạm nhau sinh ra tiếng gõ của động cơ.Hai nguồn lửa này là do tia lửa điện của bugi phát ra chúng ta có thể kiểm soát được

và nguồn lửa tự phát do nhiệt độ động cơ quá cao làm cho buội than trong buồng cháy

bị bốc cháy chúng ta không khiểm soát được Để tránh hiện tượng kích nổ bên cạnhviệc sử dụng nhiên liệu có tỉ số ốctan cao chúng ta còn có thể khống chế được bằngcách giảm góc đánh lửa sớm (Để tránh hiện tượng mất công suất của động cơ hệ thốngđiều khiển sẽ điều khiển góc đánh lửa sớm giảm nhanh góc đánh lửa sớm rồi tăng lên

từ từ hoặc loại diều khiển giảm dần từng giai đoạn)

Hiện tượng kích nổ xảy ra do nhiệt độ động cơ quá cao hoặc do nhiên liệu có tỉ

số octane thấp Khi đó trong khí thải nồng độ NOx tăng