Nghiên cứu xây dựng quan hệ giữa chế độ làm việc và phát thải của động cơ xe máy khi sử dụng xăng sinh học e15 và e20

LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập, nghiên cứu thực hiện đề tài và hoàn thành luận văn với nội dung “Nghiên cứu xây dựng quan hệ giữa chế độ làm việc và phát thải của động cơ xe máy khi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

ĐỖ VĂN ĐÍNH

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG QUAN HỆ GIỮA CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ XE MÁY KHI SỬ DỤNG XĂNG SINH HỌC E15 VÀ E20

LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT

KĨ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS PHẠM HỮU TUYẾN

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực

Hà Nội, tháng 04 năm 2014

Học viên

Đỗ Văn Đính

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập, nghiên cứu thực hiện đề tài và hoàn thành luận văn

với nội dung “Nghiên cứu xây dựng quan hệ giữa chế độ làm việc và phát thải

của động cơ xe máy khi sử dụng xăng sinh học E15 và E20”, em đã nhận được sự

quan tâm tạo điều kiện và giúp đỡ của các thầy, cô cũng như bạn bè, đồng nghiệp

Em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Hữu Tuyến đã tận tình hướng dẫn để

em hoàn thành Luận văn này

Em xin cảm ơn các thầy, cô công tác ở Bộ môn Động cơ đốt trong và Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực, trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tận tình giúp đỡ em trong thời gian qua

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong Hội đồng chấm luận văn đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để em có thể hoàn chỉnh Luận văn và định hướng nghiên cứu trong tương lai

Cảm ơn Ban giám hiệu trường Cao đẳng nghề Cơ điện và Xây dựng Bắc Ninh, lãnh đạo khoa Cơ khí động lực, bạn bè và các đồng nghiệp trong trường đã tạo điều kiện và động viên trong suốt quá trình học tập và hoàn thành Luận văn này

Học viên

Đỗ Văn Đính

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC BẢNG 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 8

LỜI NÓI ĐẦU 11

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHÁT THẢI TỪ ĐỘNG CƠ VÀ TÍNH TOÁN LƯỢNG PHÁT THẢI 15

1.1 Các chất độc hại trong khí thải động cơ 15

1.1.1 Sự hình thành các chất độc hại trong khí thải động cơ 15

1.1.2 Ảnh hưởng của chế độ làm việc tới hàm lượng các chất độc hại 18

1.1.3 Ảnh hưởng của các chất độc hại có trong khí thải động cơ đến môi trường và sức khỏe con người 19

1.1.4 Các biện pháp giảm phát thải độc hại 21

1.2 Vấn đề kiểm soát khí thải trên thế giới và ở Việt Nam 28

1.2.1 Kiểm soát khí thải trên thế giới 28

1.2.2 Vấn đề kiểm soát khí thải ở Việt Nam 30

1.3 Kiểm kê lượng phát thải từ động cơ đốt trong ra môi trường 32

1.3.1 Khái niệm hệ số phát thải 32

1.3.2 Phương pháp tính tổng lượng phát thải từ phương tiện cơ giới 33

1.3.3 Một số nghiên cứu tính toán xác định lượng phát thải tại Việt Nam 37

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN LƯỢNG PHÁT THẢI XE MÁY TỪ SỐ LIỆU ĐO LIÊN TỤC 41

2.1 Hệ thống thử nghiệm đo phát thải xe máy 41

2.1.1 Cấu tạo hệ thống 41

2.1.2 Nguyên lí làm việc 42

2.2 Cơ sở tính toán hàm lượng phát thải từ số liệu đo liên tục 50

2.2.1 Tính toán quy đổi hàm lượng phát thải từ phần triệu thể tích (ppm) sang khối lượng 50

2.2.2 Áp dụng các công thức tính toán với các thành phần phát thải 52

2.2.3 Phương pháp tính toán xây dựng quan hệ giữa hàm lượng phát thải và tốc độ của xe 55

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG QUAN HỆ GIỮA CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ XE MÁY KHI SỬ DỤNG XĂNG SINH HỌC E15 VÀ E20 62

3.1 Xe máy thử nghiệm 62

3.2 Nhiên liệu thử nghiệm 62

3.3 Chu trình thử nghiệm 63

3.4 Quan hệ giữa chế độ làm việc và hàm lượng phát thải 64

3.4.1 Quan hệ giữa chế độ làm việc của xe máy và hàm lượng phát thải khi sử dụng xăng RON92 64

3.4.2 Quan hệ giữa chế độ làm việc của xe máy và hàm lượng phát thải khi sử dụng xăng sinh học E15 69

3.4.3 Quan hệ giữa chế độ làm việc của xe máy và hàm lượng phát thải khi sử dụng xăng sinh học E20 74

3.4.4 Tổng hợp các phương trình quan hệ 78

3.4.5 Đánh giá phát thải xe máy khi sử dụng xăng sinh học 79

3.4.6 Đánh giá độ chính xác của các hàm số 82

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO 85

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CEMDC Chu trình thử cho xe máy được phát triển bởi Tổng cục Môi trường CECDC Chu trình thử cho xe hạng nhẹ được phát triển bởi Tổng cục Môi

trường

CD 20” Chassis Dynamometer 20” (Băng thử xe máy)

CO Khí thải Monoxit cacbon

CO2 Khí Cacbonnic

CVS Hệ thống lấy mẫu với thể tích không đổi (Constant Volume

Sampling) DOC Bộ xử lí xúc tác oxy hóa trên động cơ diesel (Diesel Oxidation

Catalyst)

E15 Xăng sinh học bao gồm 15% ethanol và 85% xăng RON92 (tính

theo thể tích) E20 Xăng sinh học bao gồm 20% ethanol và 80% xăng RON92 (tính

theo thể tích) ECE R40 Chu trình thử của Châu Âu cho xe máy theo tiêu chuẩn Euro II

GDP Tổng sản phẩm quốc nội (Gross Domestic Product)

Flm Diện tích làm mát

HC Khí thải Hydrocacbon

HMDC Chu trình thử trong thành phố Hà Nội cho xe máy được phát triển tại

Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Đại học Bách khoa Hà Nội LPG Khí dầu mỏ hóa lỏng LPG (Liquefied Petroleum Gas)

PM Phát thải dạng hạt

NOx Khí thải Oxit nitơ

SCR Bộ khử NOx bằng xúc tác có chọn lọc (Selective Catalytic

Reduction)

SOx Khí thải Oxit Lưu huỳnh

RON Trị số ốctan (Reseach Octane Number)

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

Vc Thể tích buồng cháy động cơ

λ Hệ số dư lượng không khí

ε Tỉ số nén

v Vận tốc

DANH MỤC CÁC BẢNG

Hình 1-10 Xây dựng đặc tính phát thải theo công suất có ích và tốc độ

động cơ từ kết quả thử nghiệm trên băng thử trong mô hình PHEM

36

Hình 2-9 Hàm lượng phát thải CO và tốc độ xe theo thời gian 55

Hình 2-13 Đồ thị thành phần CO-vận tốc theo thời gian sau khi dịch

Hình 2-17 Sơ đồ quá trình xây dựng quan hệ phát thải-tốc độ đối với xe

máy từ số liệu đo phát thải liên tục trên băng thử

61

Hình 3-15 Đồ thị quan hệ CO - v khi sử dụng E15 72

LỜI NÓI ĐẦU

1 Lí do chọn đề tài

Động cơ đốt trong là nguồn động lực chính trên các phương tiện giao thông vận tải, máy nông nghiệp, và đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác như xây dựng, khai khoáng… Tuy nhiên, động cơ đốt trong tiêu thụ một lượng lớn nhiên liệu dầu mỏ đang dần cạn kiệt Đồng thời, khí thải từ động cơ đốt trong ra môi trường có nhiều thành phần độc hại gây ô nhiễm môi trường, làm biến đổi khí hậu, ảnh hưởng tới sức khỏe con người

Hiện nay, trên thế giới có khoảng 750 triệu ô tô, hàng năm thải ra môi trường hàng trăm triệu tấn độc hại Riêng ở Việt Nam, cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội, tốc độ tăng của các phương tiện nêu trên khá cao Ví dụ, tốc độ tăng bình quân

xe máy của những năm 90 là 11,94% Tại thời điểm ngày 31 tháng 12 năm 1999

cả nước có 460.000 ô tô và 5.585.000 xe máy đang hoạt động Cuối năm 2003 tăng lên đến 500.000 ô tô, khoảng 11 triệu xe máy Cuối năm 2004 thì con số tương ứng

là 523.509 ô tô và 13 triệu xe máy theo số liệu của Cục Đăng kiểm Việt Nam Năm

2008, theo ước tính cả nước ta có khoảng 700.000 ô tô và 20 triệu xe máy Năm

2012 con số này đã lên tới khoảng 1,6 triệu ô tô và 30 triệu xe máy Phần lớn số ô

tô, xe máy tập trung ở các thành phố lớn như Hà Nội (12%), thành phố Hồ Chí Minh (30%)… gây ra ô nhiễm môi trường nặng nề [3]

Tốc độ tăng trung bình về số lượng ô tô, xe máy hiện nay là một trong những nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường cũng như tăng lượng tiêu thụ nhiên liệu Xét trên từng phương tiện tham gia giao thông thì lượng khí thải từ xe máy ra chỉ bằng 1/4 so với ô tô Tuy nhiên, Việt Nam là nước có số lượng xe máy tham gia giao thông chiếm tỉ lệ lớn, trong đó nhiều xe có chất lượng xuống cấp là nguồn đóng góp chính các loại khí ô nhiễm vào môi trường Không những vậy, hạ tầng giao thông chưa đáp ứng mật độ các loại phương tiện tham gia giao thông lớn nên tốc độ phương tiện sẽ giảm, xe chuyển sang chạy ở chế độ tĩnh nhiều hơn, lượng tiêu thụ nhiên liệu sẽ lớn hơn, và hệ số phát thải cũng tăng

Ô tô và xe máy ở Việt Nam gồm nhiều chủng loại, rất nhiều xe đã qua sử dụng lâu năm, có thiết kế cũ, chất lượng kĩ thuật thấp, mức tiêu thụ nhiên liệu và nồng độ các chất độc hại trong khí thải cao Do đó, vấn đề tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm môi trường do khí thải gây ra được nhà nước và các cơ quan chức năng rất quan tâm Một trong những giải pháp để khắc phục vấn đề này là nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học cho động cơ Ethanol (cồn hay cồn ethanol) là một loại nhiên liệu sinh học có nhiều tiềm năng đang được sử dụng khá rộng rãi dưới dạng hỗn hợp với xăng truyền thống thường gọi là xăng sinh học Ethanol là chất lỏng không màu, mùi thơm, dễ cháy, dễ hút ẩm, có độ phân cực mạnh được chế biến từ các nguồn nguyên liệu như ngô, mía, sắn… Nhiều nghiên cứu cho thấy sử dụng xăng sinh học trên động cơ đốt trong giúp cải thiện được chất lượng khí thải

Hàm lượng phát thải của phương tiện giao thông nói chung, của xe máy sử dụng xăng sinh học nói riêng phụ thuộc đặc trưng lái của phương tiện Cùng một chủng loại phương tiện, chất lượng phương tiện nhưng với người lái khác nhau thì lượng tiêu hao nhiên liệu khác nhau dẫn đến lượng phát thải cũng khác nhau; cùng một phương tiện nhưng đi trên các đoạn đường khác nhau, chất lượng đường giao thông khác nhau thì lượng phát thải khác nhau Đặc trưng lái là cơ sở quan trọng để xác định lượng tiêu hao nhiên liệu và lượng phát thải của phương tiện trên các đoạn đường nhất định

Với điều kiện giao thông ở Việt Nam, đặc biệt tại các thành phố lớn, chế độ làm việc của động cơ có những đặc thù riêng đã ảnh hưởng không nhỏ đến hệ số phát thải và tổng lượng phát thải hàng năm của động cơ Việc tính toán lượng phát thải của phương tiện trong điều kiện vận hành thực tế khi sử dụng nhiên liệu truyền thống đã được quan tâm Tuy nhiên, với xăng sinh học E15, E20 thì chưa có nghiên cứu nào được thực hiện

Với các lí do trên, em chọn đề tài “Nghiên cứu xây dựng quan hệ giữa chế

độ làm việc và phát thải của động cơ xe máy khi sử dụng xăng sinh học E15 và E20” nhằm xác định lượng phát thải của xe máy đang lưu hành tại Việt Nam theo

tốc độ khi sử dụng xăng sinh học E15 và E20 dựa trên kết quả đo phát thải liên tục

2.2 Đối tượng nghiên cứu

Xe máy thử nghiệm là xe Lead phun xăng điện tử của hãng Honda Nhiên liệu thử nghiệm là xăng RON92 thông thường, xăng sinh học E15 và E20 phối trộn

từ xăng RON92 thông thường và cồn E100

3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp thực nghiệm trên băng thử xe máy CD20”, sử dụng các kết quả

đo phát thải liên tục với hệ thống lấy mẫu thể tích không đổi CVS và hệ thống phân tích khí thải CEBII tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Thực nghiệm trên cùng một chu trình lái HMDC (Hanoi Motocrycle Driving Cycle) nhưng với mỗi loại nhiên liệu khác nhau (RON92, E15, E20), phát thải (HC,

CO, CO2, NOx) là khác nhau

Kết quả nghiên cứu đã đáp ứng được mục đích nghiên cứu của đề tài, đây là những kết quả bước đầu, được tiến hành trong bộ số liệu đo hạn chế, nên chưa phản

ánh được đầy đủ và toàn diện mối quan hệ giữa lượng phát thải với chế độ làm việc của động cơ Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ góp phần vào việc xác định lượng phát thải theo đặc điểm giao thông từng vùng, từng khu vực, ở từng thời điểm cụ thể tại Việt Nam Qua đó thúc đẩy nghiên cứu ứng dụng xăng sinh học có tỉ

lệ cồn ethanol lớn, tăng khả năng thay thế cho nhiên liệu truyền thống và giảm ô nhiễm môi trường

5 Nội dung chính của luận văn và đóng góp mới của tác giả

Nội dung chính của luận văn gồm:

 Nghiên cứu tổng quan về phát thải từ động cơ đốt trong và hệ số phát thải

 Tính toán hàm lượng phát thải từ số liệu đo liên tục

 Xây dựng mối quan hệ giữa lượng phát thải và chế độ làm việc của động cơ

 Đóng góp mới của tác giả: Xây dựng được hàm số quan hệ giữa hàm lượng phát thải và tốc độ của một đối tượng xe máy phun xăng điện tử khi sử dụng xăng thông thường RON92, xăng sinh học E15 và E20 trong điều kiện vận hành thực tế Qua đó có thể xác định được hệ số phát thải của đối tượng xe máy này

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHÁT THẢI TỪ ĐỘNG CƠ

VÀ TÍNH TOÁN LƯỢNG PHÁT THẢI

1.1 Các chất độc hại trong khí thải động cơ

1.1.1 Sự hình thành các chất độc hại trong khí thải động cơ

1.1.1.1 Sản phẩm của quá trình cháy trong động cơ đốt trong

Quá trình cháy trong động cơ đốt trong là quá trình oxy hóa nhiên liệu, giải phóng nhiệt năng, diễn ra trong buồng cháy động cơ theo những cơ chế hết sức phức tạp và chịu ảnh hưởng của nhiều thông số [1] Trong quá trình cháy sinh ra các hợp chất trung gian rất phức tạp Vấn đề này được nghiên cứu tỉ mỉ trong các công trình nghiên cứu về Lí thuyết động học phản ứng Sản phẩm cuối cùng của quá trình cháy gọi là sản phẩm cháy bao gồm các chất sau:

CO2, H2O, H2, CO, O2 (dư), -CHO (andehyt), HC (hydrocacbon), NOx, các chất thải dạng hạt (Particulate Matter viết tắt là PM), các hợp chất chứa chì Pb (đối với động cơ dùng xăng pha chì), các hợp chất chứa lưu huỳnh (chủ yếu đối với động

cơ diesel) Trong số này có một số thành phần có tính độc hại đối với môi trường và sức khỏe của con người nên được gọi là thành phần độc hại [3]

1.1.1.2 Sự hình thành các chất độc hại trong khí thải động cơ [3]

Quá trình cháy lí tưởng của hỗn hợp hydrocacbon với không khí chỉ sinh ra

CO2, H2O Nhưng do sự không đồng nhất của hỗn hợp cũng như do tính chất phức tạp của các hiện tượng lí hóa diễn ra trong quá trình cháy nên trong khí thải của động cơ đốt trong nói chung, của động cơ xe máy nói riêng luôn có chứa một hàm lượng đáng kể những chất độc hại như oxit nitơ (NO, NO2, N2O, gọi chung là NOx), monoxit cacbon (CO), các hydrocacbon chưa cháy (HC) và chất thải dạng hạt (Particulate matter hay PM, gồm bồ hóng, kim loại, hơi nhiên liệu và dầu bôi trơn ngưng tụ…) Nồng độ của các chất ô nhiễm có trong khí thải của động cơ phụ thuộc vào loại động cơ và chế độ vận hành động cơ

Trong khí thải của động cơ diesel, nồng độ CO rất bé chiếm tỉ lệ không đáng

kể, nồng độ HC chỉ bằng khoảng 20% nồng độ HC trong khí thải của động cơ xăng,

nhưng nồng độ NOx trong khí thải của hai loại động cơ có giá trị tương đương nhau Tuy nhiên, PM là chất gây ô nhiễm quan trọng trong khí thải của động cơ diesel, hàm lượng của nó không đáng kể trong khí thải của động cơ xăng Các thành phần độc hại có trong khí thải của động cơ được trình bày cụ thể như sau:

 CO: Monoxit cacbon là sản phẩm cháy của C trong nhiên liệu trong điều kiện thiếu oxy Monoxit cacbon ở dạng khí không màu, không mùi Khi kết hợp với sắt có trong sắc tố của máu sẽ tạo thành một hợp chất ngăn cản quá trình hấp thụ oxy của hemoglobin trong máu, làm giảm khả năng cung cấp oxy cho các tế bào trong cơ thể Monoxit cacbon được hình thành từ phản ứng sau:

2C + O2 = 2CO Monoxit cacbon rất độc, chỉ với một hàm lượng nhỏ trong không khí có thể gây tử vong cho người Hàm lượng cực đại cho phép [CO] = 33 mg/m3

 HC: (Hydrocacbon, đôi khi còn kí hiệu là CmHn) là các loại hydrocacbon có trong nhiên liệu hoặc dầu bôi trơn không cháy hết chứa trong khí thải Hydrocacbon

có rất nhiều loại Mỗi loại có mức độ độc hại khác nhau nên không thể đánh giá chung một cách trực tiếp Ví dụ, parafin và naphtalin có thể coi là vô hại Trái lại, các loại hydrocacbon thơm thường rất độc, ví dụ như hydrocacbon có nhân benzen

có thể gây ung thư Để đơn giản khi đưa ra các tiêu chuẩn về môi trường, người ta chỉ đưa ra thành phần hydrocacbon tổng cộng trong khí thải (Total Hydrocacbon viết tắt là TH) Hydrocacbon tồn tại trong khí quyển còn gây ra sương mù, gây tác hại cho mắt và niêm mạc đường hô hấp

 NOx: Oxit nitơ là sản phẩm oxy hóa nitơ có trong không khí (một thành phần của khí nạp mới vào động cơ) trong điều kiện nhiệt độ cao Do nitơ có nhiều hóa trị nên oxit nitơ tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, được gọi chung là NOx Trong khí thải của động cơ đốt trong NOx tồn tại ở hai dạng chủ yếu là NO2 và NO

- Trong thành phần của NOx, NO chiếm tới 90 – 98% tùy thuộc vào λ (hệ số

dư lượng không khí), phần còn lại là NO2 Cơ chế hình thành NO được mô tả dưới đây Trước hết, oxy bị phân hủy thành oxy nguyên tử do nhiệt độ cao:

O2 ↔ 2O

Tiếp theo là các phản ứng với sự tham gia của các nguyên tử có tính năng hoạt hóa cao:

N2 + O ↔ NO + N và

O2 + N ↔ NO + O Hai phản ứng này được gọi là chuỗi Zeldovich Ngoài ra, NO còn được hình thành từ phản ứng sau:

OH + N ↔ NO + H Thực nghiệm chứng tỏ, NO hình thành chủ yếu ở phía sau ngọn lửa trong vùng cháy và các phản ứng hình thành NO diễn ra rất chậm so với phản ứng hình thành CO NO là một khí không mùi, gây tác hại cho hoạt động của phổi, gây tổn thương niêm mạc Trong khí quyển, NO không ổn định nên bị oxy hóa tiếp thành

NO2 và kết hợp với hơi nước tạo thành axit nitơric HNO3 [NO] = 9 mg/m3

- NO2: peoxit nitơ là một khí có mùi gắt và mầu nâu đỏ Với một hàm lượng nhỏ cũng có thể gây tác hại cho phổi, niêm mạc Khi tác dụng với hơi nước sẽ tạo thành axit gây ăn mòn các chi tiết máy và đồ vật [NO2] = 9 mg/m3

 SO2: Là một khí không màu, có mùi gắt và gây tác hại đối với niêm mạc Khi kết hợp với nước tạo thành axit yếu H2SO3 [SO2] = 2 ml/m3

 CO2: Là sản phẩm cháy hoàn toàn của cacbon với oxy Tuy CO2 không độc đối với sức khỏe con người nhưng với nồng độ quá lớn sẽ gây ngạt, [CO2] = 9000 mg/m3 Ngoài ra, CO2 là thủ phạm chính gây ra hiệu ứng nhà kính

 PM: Theo định nghĩa của tổ chức bảo vệ môi trường bang Carlifornia thì PM

là những thực thể (trừ nước) của khí thải sau khi được hòa trộn với không khí (làm loãng) đạt nhiệt độ nhỏ hơn 51,7oC và được tách ra bằng một bộ lọc quy định Với định nghĩa như vậy, PM gồm các hạt rắn và các chất lỏng bám theo Các hạt rắn gồm: cacbon tự do và tro còn gọi là bồ hóng (soot), các chất phụ gia dầu bôi trơn, các hạt và vảy tróc do mài mòn… Chất lỏng bám theo gồm có các thành phần trong nhiên liệu và dầu bôi trơn Các hạt rắn gây độc hại với con người trước hết với đường hô hấp Ngoài ra còn một số loại hydrocacbon thơm bám vào muội than có

thể gây ung thư Đối với môi trường, PM còn là tác nhân gây sương mù, ảnh hưởng đến giao thông và sinh hoạt của con người

Ngoài ba thành phần độc hại chính nêu trên, trong khí thải động cơ xăng còn một số thành phần khác cần được quan tâm như andehyt và các chất chứa chì

 Andehyt: Có nhiều dạng khác nhau nhưng có chung một công thức tổng quát

là – CHO Andehyt có tác dụng gây tê và có mùi gắt Một số loại andehyt có thể gây ung thư Đối với formaldehyt, hàm lượng cực đại cho phép là 0,6 mg/m3

 Chì: Chì rất độc đối với tế bào sống, làm giảm khả năng hấp thụ oxy trong máu, gây ung thư [Pb] = 0,1 mg/m3

1.1.2 Ảnh hưởng của chế độ làm việc tới hàm lượng các chất độc hại [3]

Chế độ làm việc không ổn định thường gặp nhất ở động cơ ô tô và xe máy Khi động cơ làm việc ở chế độ không ổn định, các thành phần độc hại có trong khí thải sẽ thay đổi

1.1.2.1 Chế độ khởi động nguội

Khi động cơ khởi động nguội, hỗn hợp phải đậm, hệ số dư lượng không khí (λ) nhỏ, hỗn hợp cháy trong điều kiện thiếu oxy nên CO sinh ra lớn Đồng thời do nhiệt độ các chi tiết trong buồng cháy thấp nên nhiên liệu đọng bám lên thành vách xilanh và buồng cháy Trong quá trình giãn nở, màng nhiên liệu bay hơi làm tăng thành phần HC, trong khi lượng phát thải NOx nhỏ Trong quá trình hâm nóng sau khi khởi động, nhiệt độ động cơ tăng dần CO và HC giảm dần và NOx tăng dần

có sự khác biệt về các thành phần độc hại so với trạng thái làm việc ổn định

Đối với động cơ diesel không tăng áp, hầu như không có sự khác biệt trong quá trình tăng tốc Đối với động cơ diesel có tăng áp bằng tuốcbin khí thải, khi tăng tốc thường thiếu không khí nên có khói đen đồng nghĩa với lượng PM tăng

1.1.2.3 Chế độ giảm tốc

Hiện tượng giảm tốc xảy ra khi động cơ bị kéo, ví dụ như khi phanh xe hoặc

xe xuống dốc Trong động cơ xăng dùng bộ chế hòa khí, bướm ga đóng gần kín khi giảm tốc Khi đó, động cơ chạy không tải và có thể ở chế độ không tải với tốc độ vòng quay cao nên hỗn hợp rất đậm, lượng CO và đặc biệt là lượng HC có trong khí

thải rất lớn, tốn nhiên liệu và ô nhiễm môi trường nặng nề

Đối với động cơ phun xăng và động cơ xăng dùng bộ chế hòa khí điện tử, khi động cơ bị kéo, nhiên liệu sẽ bị cắt hoàn toàn Đối với động cơ diesel, khi động cơ

bị kéo, điều tốc giữ cho động cơ làm việc ở chế độ không tải Khi tốc độ vòng quay vượt quá một giá trị nào đó, điều tốc sẽ cắt hoàn toàn nhiên liệu

1.1.3 Ảnh hưởng của các chất độc hại có trong khí thải động cơ đến môi trường và sức khỏe con người

Dưới tác dụng của nhiệt độ và ánh sáng, trong môi trường sẽ xảy ra các phản ứng hóa học phân giải các chất độc hại Một số thành phần hòa tan vào nước, theo nước mưa rơi xuống làm ô nhiễm đất và nguồn nước, đồng thời xâm hại thảm thực vật Một số chất phân hủy nhanh như CO, NOx, SO2… nhưng cũng có một số chất

bị phân giải rất chậm như CH4, CO2… với nồng độ tích tụ ngày càng lớn gây ảnh hưởng rất nhiều đến khí hậu của trái đất thông qua hiệu ứng nhà kính, đặc biệt là khí

CO2, vì đây là thành phần chính trong sản phẩm cháy của nhiên liệu có chứa thành phần cacbon Sự tăng nhiệt độ của bầu khí quyển do các chất khí gây hiệu ứng nhà kính có thể được lí giải như sau:

Tầng khí quyển trái đất dày khoảng 16 km, trên đó cho đến khoảng 50 km là tầng bình lưu Trong tầng bình lưu, ngoài các khí thông thường còn có các chất khí như CO2, CH4, N2O, O3, CFC11, CFC12… (CFC11, CFC12 là những hợp chất của clo, flo và hydrocacbon dùng làm dung môi trong các máy lạnh) Những chất khí kể trên có tính chất đặc biệt làm cho tia mặt trời (gồm chủ yếu các sóng ngắn) đi qua chiếu xuống bề mặt trái đất Tại đây, một phần năng lượng biến thành nhiệt và phản

xạ lên tầng bình lưu ở dạng tia nhiệt (sóng dài) Khi gặp các chất khí nêu trên, tia

nhiệt bị hấp thụ và phản xạ lại Hiện tượng này gọi là hiệu ứng nhà kính, còn các

chất khí tạo ra hiệu ứng này gọi là khí nhà kính Nhờ có hiện tượng này mà trái đất

của chúng ta ấm áp với nhiệt độ trung bình khoảng 15oC thay vì -17oC Tuy nhiên, với tốc độ gia tăng ngày càng lớn của các hoạt động công nghiệp của con người, tốc

độ tích tụ các khí nhà kính trên tầng bình lưu ngày càng lớn hơn tốc độ phân hủy tự nhiên của chúng Vì vậy, lượng khí nhà kính trên tầng bình lưu ngày một nhiều lên làm cho hiệu ứng nhà kính ngày một mạnh lên Hậu quả là khí hậu trái đất biến đổi nhanh chóng, cụ thể là nhiệt độ trung bình tăng lên 0,7oC trong vòng 100 năm qua Theo dự đoán của các nhà khoa học, nếu với tốc độ tiêu thu năng lượng (đồng nghĩa với tốc độ phát thải CO2 vào tầng bình lưu) như hiện nay thì nhiệt độ trung bình của trái đất sẽ tăng từ 1,5 đến 4oC trong vòng 50 năm tới Nhiệt độ trái đất tăng sẽ làm băng ở hai cực của trái đất tan ra, nước biển dâng lên làm ngập nhiều thành phố, làng mạc và đồng bằng ven biển, ảnh hưởng đến đời sống của hàng trăm triệu người Theo đánh giá của Chương trình Phát triển Liên Hiệp Quốc (UNDP), Việt Nam nằm trong tốp 5 nước đứng đầu thế giới dễ bị tổn thương nhất đối với biến đổi khí hậu Nếu mực nước biển tăng 1 mét, thì ở Việt Nam sẽ mất 5% diện tích đất đai, 11% người mất nhà cửa, giảm 7% sản lượng nông nghiệp và 10% tổng thu nhập quốc nội GDP Nếu mực nước biển dâng lên từ 3 đến 5 mét, đồng nghĩa với việc

“có thể xảy ra thảm họa” ở Việt Nam [3]

Sự gia tăng của NOx, đặc biệt là N2O có nguy cơ làm gia tăng sự hủy hoại lớp ozone ở thượng tầng khí quyển, lớp khí rất cần thiết để lọc tia cực tím phát xạ từ ánh sáng mặt trời lên bề mặt trái đất Không những vậy, các chất khí có tính axit như SO2, NO2 bị oxy hóa thành axit sulfuric, axit nitric hòa tan trong mưa, trong tuyết, trong sương mù…làm hủy hoại thảm thực vật trên bề mặt trái đất (mưa axit), gây ăn mòn các công trình kim loại

Các chất độc hại trong khí thải động cơ còn ảnh hưởng đến sức khỏe con người, cụ thể như: CO kết hợp với sắt có trong sắc tố của máu sẽ tạo thành một hợp chất ngăn cản quá trình cung cấp oxy cho các tế bào trong cơ thể; HC gây tác hại cho mắt và niêm mạc đường hô hấp; NO gây tác hại cho hoạt động của phổi, gây tổn thương niêm mạc; SO2 có mùi gắt và gây tác hại đối với niêm mạc; CO2 tuy

không độc đối với sức khỏe con người nhưng với nồng độ quá lơn sẽ gây ngạt; một

số loại andehyt có thể gây ung thư; Chì rất độc đối với tế bào sống, làm giảm khả năng hấp thụ oxy trong máu, gây ung thư, làm giảm chỉ số thông minh [3]

Ở Việt Nam, tình trạng ô nhiễm môi trường do khí thải động cơ mặc dù chưa nghiêm trọng như ở các nước phát triển vì số lượng phương tiện giao thông vận tải

cơ giới chưa nhiều nhưng cũng đến mức đáng lo ngại Là nước đang phát triển nên việc kiểm soát lượng khí thải ở Việt Nam chưa thực sự nghiêm ngặt trong khí số lượng phương tiện giao thông đang không ngừng tăng Năm 2012, số lượng ô tô đang lưu hành trên toàn quốc lên tới khoảng 1,6 triệu chiếc, số lượng xe gắn máy khoảng 30 triệu chiếc [3] Với thực trạng như vậy, nếu không hạn chế được sự gia tăng ồ ạt của xe máy cũng như kiểm định chặt chẽ khí thải, thì tương lai ô nhiễm không khí trầm trọng tại các thành phố của Việt Nam là điều không thể tránh khỏi Không những vậy, tình trạng các xe cũ nát còn lưu hành xả ra khói đen mù mịt, lượng khí thải này chưa hề được kiểm soát và cũng chưa có lộ trình loại bỏ xe cũ

1.1.4 Các biện pháp giảm phát thải độc hại

Do những tác động không tốt đến sức khỏe con người và môi trường sống, rất nhiều biện pháp đã được nghiên cứu và sử dụng để hạn chế các thành phần độc hại trong khí thải động cơ đốt trong Các biện pháp giảm phát thải có thể chia thành hai nhóm chính sau đây:

1.1.4.1 Các biện pháp liên quan đến động cơ [3]

- Điều chỉnh chính xác λ:

+ Sử dụng bộ chế hòa khí điện tử hoặc hệ thống phun xăng thay cho bộ chế hòa khí thông thường

+ Dùng cảm biến λ

- Thiết kế hệ thống đánh lửa thích hợp: Sử dụng bugi kiểu mới

- Kết cấu buồng cháy phù hợp đảm bảo tỉ số Flm/Vc là nhỏ nhất

- Luân hồi khí thải: Là biện pháp rất hữu hiệu để giảm phát thải NOx Một phần khí xả được đưa ngược trở lại buồng cháy, do đó làm bẩn hỗn hợp cháy làm quá trình cháy diễn ra ở nhiệt độ thấp hơn, phản ứng giữa oxy và nitơ giảm

- Thiết kế động cơ dùng hỗn hợp nghèo:

+ Hình thành khí hỗn hợp phân lớp

+ Tạo xoáy lốc và rối trong buồng cháy

+ Thiết kế buồng cháy gọn, có tỉ số nén (ε) lớn và vị trí đặt bugi thích hợp + Thiết kế hệ thống nạp-thải tối ưu về khí động, lựa chọn góc phối khí tối ưu khi thiết kế mục đích để nạp đầy và thải sạch

- Hạn chế sử dụng động cơ ở chế độ tải nhỏ

- Sử dụng nhiên liệu thay thế: Ngoài việc giảm các thành phần độc hại thì đây cũng là sự lựa chọn có tiềm năng để đối phó với vấn đề cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch

Do các biện pháp về kết cấu động cơ và nhiên liệu chỉ đạt được hiệu quả nhất định trong giảm thiểu khí thải độc hại Mặt khác, những biện pháp này lại gặp phải

sự đối lập giữa giảm phát thải và tính kinh tế, các thành phần trong khí thải cũng không thể giảm được đồng thời Ví dụ, điều chỉnh chính xác λ chỉ hạn chế được hai thành phần độc hại là CO và HC nhưng không hạn chế được NOx; giảm tỉ số Flm/Vc

cũng chỉ giảm được thành phần HC; luân hồi khí thải để giảm NOx thì các thành phần PM, CO, HC lại tăng; thiết kế động cơ dùng hỗn hợp nghèo sẽ giảm được CO

và NOx nhưng lại tăng HC Vì vậy, để giảm được đồng thời các thành phần độc hại nhằm đảm bảo yêu cầu ngày càng khắt khe về tiêu chuẩn khí thải, phải sử dụng đến nhóm biện pháp thứ hai là xử lí khí thải

1.1.4.2 Các biện pháp xử lí khí thải [3]

- Hỗ trợ phản ứng trên đường thải: Thực chất của phương pháp này là cung cấp thêm oxy để oxy hóa tiếp tục các thành phần độc hại như CO, HC nhưng không làm giảm được NOx

- Xử lí nhiệt: Là phương pháp lưu giữ khí thải khá lâu ở trạng thái nhiệt độ cao để kéo dài thời gian phản ứng oxy hóa các thành phần độc hại như CO và HC Phương pháp này cũng không giảm được NOx

- Xử lí bằng xúc tác: Nguyên tắc của phương pháp này là nhờ các chất trung gian gọi là các chất xúc tác, tốc độ các phản ứng oxy hóa hoặc khử các thành phần độc hại tăng lên mà không cần nhiệt độ cao hơn 1000 K

 Bộ xử lí xúc tác hai đường (Two-Ways Catalytic Converter)

Thực chất của bộ xử lí hai đường gồm hai bộ xử lí xúc tác nối tiếp nhau Khí thải đến từ động cơ trước hết vào bộ xử lí khử NOx Sau đó, khí thải với thành phần

NOx đã được giảm thiểu đi tiếp vào bộ xử lí oxy hóa để giảm CO và HC

Hình 1-1 Bộ xử lí xúc tác hai đường

 Bộ xử lí xúc tác ba đường (Three-Ways Catalytic Converter)

Có tính chất ưu việt là có thể đồng thời xử lí tới 90% các chất độc hại chính

là CO, HC và NOx nên được dùng rộng rãi

+ Cấu tạo:

Hình 1-2 Bộ xử lí ba đường

Vỏ 1 của bộ xử lí thường làm bằng thép Giữa vỏ và lõi có một lớp đệm 3 bằng sợi vô cơ hoặc phoi thép để bù trừ giãn nở vì nhiệt Lõi 2 thường làm bằng gốm rỗng với chiều dày khoảng 0,2 mm và mật độ khoảng 80 lỗ/cm2 hoặc bằng

Bộ xử lí Khử NOx

Bộ xử lí Oxy hóa

thép lá cuộn lại để tạo ra các rãnh lưu thông cho khí thải lưu động qua Người ta phủ trên bề mặt của rãnh một lớp vật liệu trung gian 4 (wash-coast) bằng γ-Al2O3 có tác dụng làm tăng độ lồi lõm của bề mặt do đó tăng diện tích tham gia phản ứng (diện tích tiếp xúc đạt tới 15-25 m2/cm3) Bên trong lớp trung gian là lớp vật liệu xúc tác 5 bằng kim loại hiếm là platin và rodium với mật độ khoảng 1,5 đến 2 gam cho 1 dm3 thể tích lõi

Hiệu quả xử lí còn phụ thuộc vào nhiệt độ và các thành phần khác trong khí thải Vùng nhiệt độ làm việc của bộ xử lí từ 300oC đến 900oC Nếu trong sản phẩm cháy có tạp chất hoặc các chất phụ gia trong xăng hoặc dầu bôi trơn bám trên bề mặt hấp thụ của bộ xử lí thì hiệu quả xử lí sẽ giảm rất nhiều Cụ thể, động cơ có bộ

xử lí ba đường không được dùng xăng pha chì

 Bộ xử lí xúc tác hấp thụ NO x dùng cho hỗn hợp nghèo (NO x – Absorber)

Khi động cơ dùng hỗn hợp nghèo để giảm độc hại thì λ > 1 khá nhiều Nếu dùng bộ xử lí xúc tác ba đường thì không đạt hiệu quả cao (đòi hỏi λ = 1) Trong

trường hợp này, người ta có thể dùng bộ xử lí xúc tác hấp thụ NOx có nguyên tắc làm việc gồm 4 bước nêu trên hình 1-3 (ví dụ dùng cho động cơ phun xăng trực tiếp GDI)

Hấp thụ NOX (λ > 1) Giải phóng NOX (λ < 1)

2Ce2O3 + O2 → 4CeO2

BaO + 2NO +3/2O2 → Ba(NO3)2

BaO + 2NO2 + 1/2O2 → Ba(NO3)2

BaO + SO2 + 1/2O2 → BaSO4

Hình 1-3 Nguyên tắc xử lí hấp thụ NO x dùng cho động cơ hỗn hợp nghèo

Bước 1: Oxy hóa NO với xúc tác là kim loại hiếm như platin (Pt) tạo thành

 Bộ khử NO x bằng xúc tác có chọn lọc (Selective Catalytic Reduction - SCR)

+ Cấu tạo chung:

Bộ SCR bao gồm những phần chính sau: Thùng dung dịch urê, vòi phun urê, bơm dung dịch urê, bộ điều khiển ECU, bộ gia nhiệt thủy phân dung dịch urê tạo amoniac, bộ xúc tác khử NOx (hình 1-4)

+ Nguyên lí hoạt động:

Hình 1-4 Sơ đồ nguyên lí hoạt động của hệ thống SCR

Bơm sẽ hút dung dịch urê có nồng độ 32,5% và đưa đến vòi phun Khi có tín hiệu điều khiển từ ECU, vòi phun phun dung dịch urê vào đường thải của động cơ, hòa trộn với khí thải và được đưa đến bộ gia nhiệt thủy phân dụng dịch urê phía trước bộ xúc tác Dưới tác dụng của nhiệt độ từ 200oC trở lên, nước bay hơi và urê thủy phân thành amoniac theo các phương trình phản ứng dưới đây:

(NH2)2CONH3 + HNCO (1) HNCO + H2ONH3 + CO2 (2) Tiếp theo, amoniac thực hiện quá trình khử NOx trong bộ xúc tác Phản ứng đầu tiên là phản ứng khử NO thành N2 Thành phần chính của NOx trong khí thải động cơ diesel là NO, vì vậy phản ứng trên được gọi là phản ứng chuẩn:

4NH3 + 4NO + O2 = 4N2 + 6H2O (3) Phản ứng thứ hai xảy ra nhanh hơn phản ứng chuẩn Phản ứng này xảy ra khi

có sự cân bằng NO và NO2:

2NH3 + NO + NO2 = 2N2 + 3H2O (4) Phản ứng thứ ba là phản ứng chậm, xảy ra khi tỉ lệ NO2/NO>1

8NH3 + 6NO2 = 7N2 + 12H2O (5)

Hiệu quả khử NOx phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ và tỉ số NO2/NO trong khí thải động cơ Khi tỉ lệ NO2/NO>1 thì phản ứng xảy ra tương đối chậm Khi nhiệt độ của bộ SCR trong khoảng từ 200 đến 250oC, phản ứng (4) sẽ là phản ứng chính Khi nhiệt độ bộ SCR trong khoảng từ 250 đến 350oC, phản ứng (5) sẽ là phản ứng chính Khi nhiệt độ của bộ SCR lớn hơn 350oC, NO2 bị phân li thành NO,

vì vậy phản ứng (1) sẽ là phản ứng chính

 Bộ xử lí xúc tác oxy hóa trên động cơ diesel (Diesel Oxidation Catalyst DOC)

-+ Kết cấu của bộ xúc tác DOC:

Kết cấu chung của bộ xúc tác oxy hóa DOC tương tự như bộ xúc tác ba thành phần (hình 1-5) gồm: Phần vỏ thường làm bằng thép hoặc thép không gỉ, lớp đệm làm bằng sợi vô cơ hoặc phoi thép để bù trừ giãn nở vì nhiệt, phần lõi của bộ DOC thường được làm bằng gốm hoặc kim loại với cấu trúc dạng tổ ong trong đó khí thải đi qua các ống trong thân có đường kính khoảng 1mm

Hình 1-5 Cấu tạo bộ xúc tác DOC

+ Nguyên lí hoạt động của bộ DOC:

Bộ xử lí xúc tác oxy hóa dùng cho động cơ diesel được sử dụng với mục đích chính để giảm phát thải monoxit cacbon (CO), hydrocacbon (HC) tuy nhiên nó có thể giảm một phần PM trong khí thải Khí thải từ động cơ diesel được dẫn qua bộ xúc tác DOC, các chất CO, HC và hợp chất hữu cơ dễ hòa tan trong khí thải được oxy hóa Với sự có mặt của các chất xúc tác Platinum và Pladium, các phản ứng oxy hóa diễn ra dễ dàng ngay cả ở nhiệt độ thấp Các chất xúc tác làm giảm nhiệt độ

phản ứng oxy hóa của HC và CO từ 600oC xuống 250oC Các phản ứng oxy hóa gồm:

Hydrocacbon dạng khí và lỏng + O2 = CO2 + H2O

CO + 1/2O2 = CO2

Các hydrocacbon trong khí thải động cơ có thể ở dạng hơi hoặc ngưng tụ ở dạng lỏng và chiếm một phần đáng kể trong thành phần PM của khí thải Trong cả hai trạng thái này, các hydrocacbon đều được oxy hóa và chuyển thành CO2 và nước

1.2 Vấn đề kiểm soát khí thải trên thế giới và ở Việt Nam

1.2.1 Kiểm soát khí thải trên thế giới

Trước thực trạng ô nhiễm môi trường nặng nề với tốc độ ngày càng nhanh gây ra từ khí thải của động cơ đốt trong, nhiều quốc gia đã và đang nỗ lực tìm kiếm những giải pháp hiệu quả và an toàn nhất để giảm phát thải Đây là lí do ra đời của các tiêu chuẩn khí thải, một chiến lược nhằm bảo vệ môi trường sống và sức khỏe con người Khí thải là hiện tượng toàn thế giới chứ không riêng ở Việt Nam Những quy định của các nước, đặc biệt là các nước có lượng phát thải cao như: Mỹ, Trung Quốc, Ấn Độ, Braxin, Liên minh Châu Âu… ảnh hưởng đến không chỉ phạm vi riêng từng quốc gia mà tác động lên toàn cầu, vì dân số thế giới cùng hít thở chung một bầu khí quyển

Ở Mỹ, từ những năm cuối thập kỉ 50, đầu những năm thập kỉ 60 đã đưa ra các biện pháp để hạn chế khí thải của các phương tiện giao thông Hai bộ tiêu chuẩn đối với xe hạng nhẹ đã được đưa ra theo Luật chống ô nhiễm không khí sửa đổi (CAAA) năm 1990 Tiêu chuẩn cấp 1 được công bố ngày 05/6/1991 và giai đoạn áp dụng khoảng giữa năm 1994 đến 1999 Tiêu chuẩn cấp 2 đưa ra các yêu cầu nghiêm ngặt hơn tiêu chuẩn cấp 1 và một số thay đổi bổ sung cho các loại xe có trọng lượng lớn hơn (đến 8500 lbs) Các giới hạn phát thải cũng áp dụng cho tất cả các loại xe không phụ thuộc vào loại nhiên liệu sử dụng Nghĩa là, xe sử dụng nhiên liệu xăng, dầu diesel hoặc nhiên liệu thay thế tất cả phải đáp ứng các tiêu chuẩn như nhau

Bởi những phát minh sáng chế đầu tiên về động cơ đốt trong ra đời từ Châu

Âu nên lục địa này được coi là cái nôi của ngành công nghiệp ô tô thế giới Tuy nhiên, Châu Âu thực hiện các biện pháp để hạn chế khí thải của các phương tiện tham gia giao thông muộn hơn, vào khoảng cuối những năm 70 Nhưng đến năm

1987, dự luật hoàn chỉnh quy định giá trị nồng độ giới hạn của các loại khí thải mới được thông qua mà người ta vẫn thường gọi đó là Euro 0 Qua 22 năm, đã có thêm 5 tiêu tiêu chuẩn nữa được ban hành gồm có: Euro I năm 1991, Euro II năm 1996, Euro III năm 2000, Euro IV năm 2005 và Euro V năm 2009 Với mỗi tiêu chuẩn ra đời, nồng độ giới hạn của khí thải lại thấp hơn tiêu chuẩn trước Hệ thống tiêu chuẩn Euro được áp dụng cho tất cả các loại xe trên 4 bánh lắp động cơ đốt trong chạy bằng nhiên liệu xăng, dầu, LPG (Liquefied Petroleum Gas) và chia theo tính năng như: xe du lịch, xe công suất nhỏ, xe công suất lớn và xe buýt Mức độ phát sinh ô nhiễm cho phép đối với ô tô du lịch và ô tô tải hạng nhẹ theo quy trình thử ECE áp dụng ở cộng đồng Châu Âu cho ở bảng 1-1 [2]

Bảng 1-1 Tiêu chuẩn Châu Âu đối với ô tô con (loại M1*)

áp dụng

g/km Động cơ diesel

Euro 1C 7/1992 2,72 (3,16) - 0,97 (1,13) - 0,14

(0,18) Euro 2, IDI 01/1996 1,0 - 0,7 - 0,08 Euro 2, DI 01/1996a 1,0 - 0,8 - 0,10 Euro 3 01/2000 0,64 - 0,56 0,50 0,05 Euro 4 01/2005 0,50 - 0,30 0,25 0,025 Euro 5a 9/2009b 0,50 - 0,23 0,18 0,005f

Euro 5b 9/2011c 0,50 - 0,23 0,18 0,005fEuro 6 9/2014 0,50 - 0,17 0,08 0,005f

Động cơ xăng Euro 1C 7/1992 2,72 (3,16) - 0,97 (1,13) - -

*: Tại giai đoạn 1-4, xe khách ˃ 2.500 kg được chấp thuận như xe loại N1

C: Giá trị trong ngoặc là phù hợp với giới hạn sản xuất (COP)

a: Cho đến 30/9/1999 (sau thời hạn trên, động cơ ID phải đáp ứng các giới hạn IDI) b: 01/2011 cho tất cả các động cơ

c: 01/2013 cho tất cả các động cơ

d: NHMC = 0,068 g/h

e: Chỉ áp dụng cho xe sử dụng động cơ ID

f: 0,0045 g/km thủ tục đo PMP

Các quốc gia Đông Âu cũng áp dụng tiêu chuẩn ECE

Tại Nhật Bản, theo mô hình của Top Runner, sẽ chọn ra sản phẩm động cơ hoàn hảo nhất ở mỗi loại phương tiện làm tiêu chuẩn định mức tiêu thu nhiên liệu trung bình Đối với ô tô du lịch có sử dụng động cơ xăng, tiêu chuẩn Nhật Bản theo chu trình thử 10 chế độ và 11 chế độ ứng với các loại ô tô khác nhau

Loại 1: ô tô có trọng lượng ˂ 1305 kg

Loại 2: ô tô có trọng lượng từ 1305 đến 1760 kg

Loại 3: ô tô có trọng lượng ˃ 1760 kg

1.2.2 Vấn đề kiểm soát khí thải ở Việt Nam

Từ những năm 90 của thế kỉ trước, Việt Nam đã quan tâm tới vấn đề ô nhiễm môi trường do khí thải của các phương tiện tham gia giao thông gây ra Khí thải từ các phương tiện giao thông vận tải là một nguồn gây ô nhiễm không khí, đặc biệt đối với môi trường không khí ở các đô thị, nhất là các đô thị lớn Các chuyên gia môi trường đánh giá ô nhiễm không khí ở đô thị do giao thông vận tải gây ra chiếm

tỉ lệ khoảng 70% [2] Đường phố đô thị ở Việt Nam bị ô nhiễm do bụi, khí CO và hơi xăng, hơi dầu, phần lớn là do sự hoạt động của các phương tiện giao thông thải

ra Lưu lượng xe lớn và tình trạng tắc đường liên tục xảy ra càng làm cho ô nhiễm không khí trở nên trầm trọng hơn

Năm 1990, Việt Nam đã ban hành tiêu chuẩn TCVN 5123:1990 quy định về hàm lượng CO trong khí thải động cơ xăng ở chế độ không tải Năm 1991, Việt Nam ban hành tiêu chuẩn TCVN 5418:1991 quy định về độ khói trong khí thải động cơ diesel Tiêu chuẩn này được áp dụng cho tất cả các loại ô tô sử dụng động

cơ diesel Năm 1998, Chính phủ Việt Nam ban hành tiêu chuẩn TCVN 6438:1998 quy định lại cụ thể hơn giới hạn cho phép của các chất ô nhiễm trong khí thải của phương tiện vận tải Năm 2001, tiêu chuẩn TCVN 6438:2001 ra đời thay thế tiêu chuẩn TCVN 6348:1998 và TCVN 5947:1996 Năm 2003, tiêu chuẩn TCVN 7357:2003 quy định tiêu chuẩn giới hạn độc hại khi thử công nhận kiểu cho xe máy ứng với Euro I và Euro II

Năm 2010, Việt Nam ban hành Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 7357:2010 về

“Phương tiện giao thông đường bộ - khí thải gây ô nhiễm phát ra từ mô tô – yêu cầu

và phương pháp thử trong phê duyệt kiểu” và Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 7358:2010 về “Phương tiện giao thông đường bộ - khí thải gây ô nhiễm phát ra từ

xe máy lắp động cơ cháy cưỡng bức – yêu cầu và phương pháp thử trong phê duyệt kiểu” Tiêu chuẩn TCVN 7357:2010 áp dụng cho khí thải gây ô nhiễm phát ra từ động cơ đốt trong của mô tô hai, ba hoặc bốn bánh, có khối lượng bản thân nhỏ hơn 400kg, vận tốc thiết kế lớn nhất vượt quá 50km/h hoặc dung tích làm việc của xilanh lớn hơn 50cm3

Bảng 1-2 Giới hạn khí thải cho xe mô tô hai bánh (g/km) [18]

Mức Mô tô loại

Khối lượng Cacbon monoxit

L1 (CO)

Khối lượng Hydrocacbon

L2 (HC)

Khối lượng Oxit nitơ L3

Bảng 1-3 Giới hạn khí thải cho xe mô tô ba, bốn bánh (g/km) [18]

Mức Động cơ loại

Khối lượng Cacbon monoxit

L1 (CO)

Khối lượng Hydrocacbon

L2 (HC)

Khối lượng Oxit nitơ L3

(NOx)

A

(EURO II)

Cháy cưỡng bức 7,0 1,5 0,4 Cháy do nén 2,0 1,0 0,65

Trong khi đó, Tiêu chuẩn TCVN 7358:2010 áp dụng cho khí thải gây ô nhiễm phát ra từ xe máy hai bánh hoặc ba bánh lắp động cơ cháy cưỡng bức, có khối lượng không tải nhỏ hơn 400 kg, vận tốc thiết kế lớn nhất không vượt quá 50 km/h và dung tích làm việc của xi lanh không vượt quá 50cm3

Theo quy định tại Quyết định số 249/2005/QĐ-TTg ngày 10 tháng 10 năm

2005 của Thủ tướng Chính phủ, lộ trình áp dụng tiêu chuẩn Euro 2 đối với xe xơ giới được sản xuất, lắp ráp trong nước và nhập khẩu mới phải áp dụng các mức tiêu chuẩn khí thải theo các tiêu chuẩn Việt Nam tương đương mức Euro II đối với từng loại xe kể từ ngày 01 tháng 7 năm 2007 Đối với xe cơ giới mà kiểu loại đã được chứng nhận chất lượng, an toàn kĩ thuật và bảo vệ môi trường trước ngày 01 tháng 7 năm 2007 nhưng chưa được sản xuất, lắp ráp thì áp dụng các mức tiêu chuẩn khí thải theo các tiêu chuẩn Việt Nam tương đương mức Euro 2 đối với từng loại xe kể

từ ngày 01 tháng 7 năm 2008

1.3 Kiểm kê lượng phát thải từ động cơ đốt trong ra môi trường

1.3.1 Khái niệm hệ số phát thải

Hệ số phát thải của phương tiện giao thông là mức độ phát thải một thành phần độc hại nào đó trong khí thải của phương tiện (CO, HC, NOx, PM, CO2) tính trên mỗi km di chuyển hoặc trên mỗi đơn vị nhiên liệu tiêu thụ

Hệ số phát thải xây dựng từ các chu trình thử nghiệm, làm tiêu chuẩn so sánh

để đánh giá chất lượng xe trong thử nghiệm công nhận kiểu

Hệ số phát thải phụ thuộc vào các yếu tố như: chủng loại xe, chất lượng xe; đặc trưng phương tiện đi trên đường như: kĩ thuật của người điều khiển xe, đặc

điểm quãng đường phương tiện di chuyển, thời điểm tham gia giao thông, mật độ phương tiện tham gia giao thông… Trong số các yếu tố gây ảnh hưởng tới hệ số

phát thải có thể kể tới một yếu tố có ảnh hưởng rất lớn đó là đặc trưng lái Do có

đặc thù riêng nên phương tiện đi trên các vùng hay thành phố khác nhau có đặc trưng lái khác nhau Trên cùng đoạn đường di chuyển, với một loại xe khi lái theo

những chu trình lái khác nhau sẽ cho hệ số phát thải cũng như tiêu hao nhiên liệu

khác nhau

1.3.2 Phương pháp tính tổng lượng phát thải từ phương tiện cơ giới [2]

1.3.2.1 Công thức tính lượng phát thải

Để tính lượng phát thải từ một loại phương tiện cơ giới (xe máy, xe con, xe tải…) có thể sử dụng công thức sau:

E = ∑e abcd A abcd + ∑E C,b +∑ E V,b (1-1)

Trong đó:

E: Là tổng lượng phát thải (khối lượng/năm);

e: Là hệ số phát thải, (khối lượng/mức độ hoạt động của phương tiện);

A: Là lượng nhiên liệu tiêu thụ (khối lượng/năm) hoặc khoảng cách đi lại (quãng đường/năm);

EC: Là tổng lượng phát thải gia tăng khi động cơ khởi động nguội;

EV: Là tổng lượng phát thải gia tăng do nhiên liệu bốc hơi;

a,b,c,d: Là các hệ số phụ thuộc loại nhiên liệu sử dụng, chủng loại xe, biện pháp hạn chế phát thải của xe, loại đường, tốc độ xe

Tuy nhiên, lượng phát thải gia tăng do nhiên liệu bốc hơi và do khởi động nguội là không đáng kể Mặt khác, do phạm vi nghiên cứu của Luận văn, công thức đơn giản sau được sử dụng:

E i(tấn/năm) = e i(g/km) x L i(km/năm) x 10 -6 (1-2)

Trong đó:

Ei: Lượng phát thải trong một năm của xe thứ i (tấn/năm);

ei: Hàm lượng phát thải của xe thứ i (g/km);

Li: Số km xe thứ i đi được trong một năm (km)

Tổng lượng phát thải của các loại xe trong một vùng tính bằng công thức:

E (tấn/năm) = E i (tấn/năm) (1-3)

Từ các công thức (1-2) và (1-3), nhận thấy rằng để xác định lượng phát thải của các phương tiện trong một phạm vi nhất định cần biết hai thông số cơ bản là hàm lượng phát thải của xe (e, g/km) và số km xe đi được trong một năm (L)

1.3.2.2 Xác định quãng đường đi được của phương tiện L (km)

Để xác định quãng đường đi được của phương tiện, có thể sử dụng một trong các phương pháp sau:

Phương pháp 1: Theo dõi trực tiếp thông qua đồng hồ đo tốc độ đối với phương tiện

Phương pháp 2: Theo dõi thông qua lượng xe đi qua một quãng đường, một thành phố hoặc một vùng…

Phương pháp 3: Thông qua lượng nhiên liệu được bán ra, kết hợp với khả năng phát công suất, lượng nhiên liệu tiêu thụ của động cơ

Phương pháp thứ nhất có tính chính xác cao nhưng chỉ có thể áp dụng đối với số lượng động cơ ít nên thường chỉ áp dụng trong thực nghiệm nghiên cứu Với phương pháp thứ 2 và 3 có thể tính được số km đi được một cách định lượng và có thể áp dụng đối với quy mô rộng

1.3.2.3 Các mô hình tính toán phát thải theo chế độ làm việc của động cơ

a Mô hình phát thải liên tục (Instantaneous emission factor model)

Mô hình này tính toán phát thải theo

từng giây tương ứng với chế độ làm việc

thay đổi của động cơ Mô hình này cần có

trước đặc tính phát thải của động cơ tại các

Thông số vào cho mô hình sẽ là các chu trình lái gồm giá trị tốc độ theo thời gian

b Mô hình phát thải toàn bộ

Tính toán lượng phát thải ứng với giá trị trung bình của tốc độ trong một chu trình thử cụ thể (hình 1-7) Mô

hình này phù hợp với việc tính

lượng phát thải trung bình trong

một vùng

Hình 1-7 Tính toán phát thải NO x theo giá trị tốc độ trung bình của chu trình thử

c Mô hình DGV (Digitalisiertes Grazer Verfahren)

Mô hình này được phát triển bởi trường Đại học kĩ thuật Graz, Áo Đây là

mô hình phát thải liên tục, đặc tính phát thải được xây dựng theo tốc độ và gia tốc

đo được theo các chu trình lái xác định trên băng thử (hình 1-8) Với chu trình lái bất kì, mô hình sẽ tính toán vận

tốc và gia tốc theo từng giây và

xác định được lượng phát thải

NOx(g/km)

d Mô hình EMPA (Thụy Sỹ)

Mô hình phát thải liên tục này dựa

trên có đặc tính phát thải động cơ xây

dựng theo áp suất có ích trung bình và tốc

độ động cơ (hình 1-9)

Hình 1-9 Đặc tính phát thải CO 2 theo áp

suất có ích trung bình và tốc độ động cơ

Để mô phỏng phát thải theo các chu trình lái khác nhau cần xây dựng được thông số vào là biểu đồ áp suất có ích trung bình và tốc độ động cơ theo thời gian Các thông số ra là giá trị liên tục của các thành phần phát thải và suất tiêu hao nhiên liệu

e Mô hình PHEM

Hình 1-10 Xây dựng đặc tính phát thải theo công suất có ích và tốc độ động cơ từ

kết quả thử nghiệm trên băng thử trong mô hình PHEM

Mô hình PHEM được phát triển từ năm 2000 tại trường Đại học kĩ thuật Graz, Áo Đặc tính phát thải sử dụng trong mô hình này được xây dựng theo công suất có ích và tốc độ động cơ (hình 1-10)

Với chu trình lái cho trước, công suất của động cơ được tính toán theo từng giây từ các công suất cần thiết để thắng cản mặt đường, cản gió, để gia tốc xe, để bù cho các tổn hao của hệ truyền động từ động cơ đến bánh xe và các hệ thống phụ trợ trên xe Tốc độ động cơ được tính toán từ tốc độ của xe qua tỉ số truyền của hệ truyền động và kích thước bánh xe kết hợp với mô hình chuyển số Từ công suất và tốc độ động cơ tính toán được, phát thải được xác định từ đặc tính

1.3.3 Một số nghiên cứu tính toán xác định lượng phát thải tại Việt Nam

Để xây dựng bộ dữ liệu về hệ số phát thải của phương tiện giao thông, đánh giá được thực trạng phát thải của phương tiện giao thông Ở Việt Nam đã có một số nghiên cứu về xây dựng chu trình lái đặc trưng và tính toán phát thải từ một số loại phương tiện cơ giới Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã

thực hiện đề tài cấp thành phố “Xây dựng chu trình thử nghiệm khí thải và tiêu hao

nhiên liệu đặc trưng cho xe máy ở Hà Nội (HMDC driving cycle) và bộ dữ liệu hệ

số phát thải cho xe máy” năm 2009 Đề tài đã xây dựng được chu trình lái đặc trưng

cho xe máy trong thành phố Hà Nội

1.3.3.1 Chu trình HMDC

Chu trình HMDC có độ dài 1250 giây, quãng đường đi được là 7,076 km, tốc

độ di chuyển cực đại 39,41 km/h và tốc độ trung bình 20,4 km/h Chu trình thử này bao gồm các thông số cơ bản sau:

10) Tốc độ trung bình của toàn chu trình lái kể cả các giai đoạn không tải:

v1=20,4 (km/h);

2) Tốc độ trung bình của toàn chu trình lái không kể các giai đoạn không tải:

v2=23,1 (km/h);

3) Gia tốc trung bình của tất cả các giai đoạn gia tốc: a = 0,40 (m/s2);

4) Gia tốc trung bình của tất cả các đoạn giảm tốc: d = 0,44 (m/s2);

5) Độ dài trung bình của các cung đoạn của chu trình: c = 136,6 (s);

6) Tỉ lệ về thời gian của các giai đoạn không tải: pi = 13,2 (%);

7) Tỉ lệ về thời gian của các giai đoạn tăng tốc: pa = 36,4 (%);

8) Tỉ lệ về thời gian của các giai đoạn tốc độ không đổi: pc = 18,2 (%);

9) Tỉ lệ về thời gian của các giai đoạn giảm tốc: pd = 32,2 (%);

10) Căn bậc hai của trung bình bình phương các gia tốc: RMS = 0,431 (m/s2)

Gần đây Tổng cục Môi trường, Bộ Tài nguyên và Môi trường đã thực hiện những nghiên cứu về xây dựng chu trình lái đối với xe máy (CMCDE) và ô tô hạng nhẹ (CECDC) đồng thời đánh giá phát thải đối với các phương tiện này

Hình 1-12 Chu trình lái cho xe máy CEMDC

1.3.3.2 Chu trình ECE R40

Đây là chương trình thử của Châu Âu được áp dụng cho xe máy có khối

lượng nhỏ hơn 400 kg, tốc độ thiết kế tối đa lớn hơn 50 km/h, dung tích xilanh lớn

hơn 50cm3 Chương trình thử gồm 40 giây đầu chạy không tải và 6 chu trình lặp lại,

thời gian của mỗi chu trình là 195 giây, tổng thời gian chu trình là 780 giây, chiều

dài quãng đường là 4,052 km Các thông số cơ bản của chu trình gồm:

1) Tốc độ trung bình của toàn chu trình lái kể cả các giai đoạn không tải:

v1=18,7 (km/h);

2) Tốc độ trung bình của toàn chu trình lái không kể các giai đoạn không tải:

v2=27,1 (km/h);

3) Gia tốc trung bình của tất cả các giai đoạn gia tốc: a = 0,75 (m/s2);

4) Gia tốc trung bình của tất cả các đoạn giảm tốc: d = 0,75 (m/s2);

5) Độ dài trung bình của các cung đoạn của chu trình: c = 40,0 (s);

6) Tỉ lệ về thời gian của các giai đoạn không tải: pi = 30,8 (%);

7) Tỉ lệ về thời gian của các giai đoạn tăng tốc: pa = 18,5 (%);

8) Tỉ lệ về thời gian của các giai đoạn tốc độ không đổi: pc = 32,3 (%);

9) Tỉ lệ về thời gian của các giai đoạn giảm tốc: pd = 18,5 (%);

10) Căn bậc hai của trung bình bình phương các gia tốc: RMS = 0,770

(m/s2)