giáo trình động cơ đốt trong

Mặt khác, so với động cơ 4 kì, thời gian cuối của quá trình nén sau khi đóng cửa nạp và cửa thải rất ngắn đòi hỏi phải phun nhiên liệu với tốc độ lớn, do đó một bộ phận nhiên liệu bám lê

Chương 6 ĐẾN NỒNG ĐỘ CÁC CHẤT

Ô NHIỄM TRONG KHÍ XẢ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Động cơ Diesel có hiệu suất cao hơn động cơ đánh lửa cưỡng bức nhưng do quá trình cháy khuếch tán và làm việc với hệ số dư lượng không khí cao, trong sản phẩm cháy

có chứa bồ hóng và NOx, những chất ô nhiễm mà việc xử lí nó trên đường xả ngày nay vẫn còn nhiều vướng mắc về mặt kĩ thuật

Động cơ sử dụng nhiên liệu khí bắt đầu phát triển từ những năm đầu của thập niên

1990 có rất nhiều ưu điểm về mặt phát sinh ô nhiễm Thực nghiệm đo được trên những động cơ này cho thấy động cơ sử dụng khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) hay khí thiên nhiên (NGV) thỏa mãn dễ dàng các tiêu chuẩn ô nhiễm môi trường khắt khe nhất hiện nay (tiêu chuẩn ULEV chẳng hạn) Tuy nhiên sự phát triển chủng loại động cơ này phụ thuộc nhiều điều kiện, đặc biệt là điều kiện cơ sở hạ tầng phục vụ cho việc cung cấp nhiên liệu khí

Mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ cũng phụ thuộc đáng kể vào điều kiện vận hành Việc điều chỉnh không phù hợp các thông số công tác cũng như việc lựa chọn chế

độ làm việc không hợp lí dẫn đến sự gia tăng đáng kể nồng độ các chất ô nhiễm trong khí

xả

Luật môi trường ngày càng trở nên khắt khe buộc người ta phải áp dụng các biện pháp xử lí khí xả sau khi thoát ra khỏi động cơ bằng bộ xúc tác Tuy nhiên tỉ lệ biến đổi các chất ô nhiễm của ống xả xúc tác chỉ đạt được giá trị yêu cầu khi nhiệt độ khí xả đạt được giá trị nhất định Vì vậy cần phải làm giảm nồng độ các chất ô nhiễm đến mức thấp nhất trước khi xử lí ở bộ xúc tác Tất cả những điều chỉnh hay thay đổi kết cấu bên trong động cơ đều gây ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm

6.2 Trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức

6.2.1 Động cơ hai kì

Mặc dù có nhiều cải tiến về kết cấu nhằm hạn chế sự hòa trộn giữa khí cháy và khí chưa cháy, đặc biệt đối với động cơ dùng bộ chế hòa khí, nhưng vẫn không tránh khỏi sự thất thoát một bộ phận khí mới làm tăng sự phát sinh HC và làm giảm tính năng kinh tế kĩ thuật của động cơ hai kì Thêm vào đó, khi làm việc ở tải cục bộ, dạng động cơ này dễ bỏ lửa làm tăng HC

Một trong các giải pháp làm giảm tổn thất nhiên liệu trong quá trình quét khí là làm thay đổi sự phân bố độ đậm đặc của hỗn hợp nhiên liệu không khí trong xy lanh sao cho chỉ có hỗn hợp nghèo mới thoát ra đường thải Một giải pháp khác có hiệu quả hơn là phun nhiên liệu vào buồng cháy một khi cửa thải đã đóng Tuy nhiên với giải pháp này người ta phải dùng một bơm do động cơ dẫn động do đó nó làm giảm đi một ít công suất

có ích của động cơ Mặt khác, so với động cơ 4 kì, thời gian cuối của quá trình nén (sau khi đóng cửa nạp và cửa thải) rất ngắn đòi hỏi phải phun nhiên liệu với tốc độ lớn, do đó một bộ phận nhiên liệu bám lên thành buồng cháy làm tăng nồng độ HC trong khí xả Một giải pháp tiết kiệm hơn là phun nhiên liệu bằng không khí ở áp suất cao trích ra trong giai đoạn nén Để tránh hiện tượng bám nhiên liệu trên thành, người ta dùng một vòi phun áp suất thấp được đặt trong một buồng cháy dự bị trước xúpáp nạp phun trực tiếp trước một hỗn hợp rất đậm với tốc độ tương đối thấp

Kĩ thuật quét khí cháy bằng không khí cho phép hạn chế tối đa sự phát thải HC trong khí xả Kĩ thuật này cho phép giảm được từ 80% đến 90% nồng độ HC so với giá trị thông thường đối với động cơ hai kì cổ điển Nồng độ NOx trong khí xả của động cơ hai kì hiện đại cao hơn một chút so với động cơ 2 kì cổ điển do hiệu suất cháy cao hơn và làm việc với hỗn hợp nghèo hơn

6.2.2 Động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo

Động cơ đánh lửa cưỡng bức làm việc với hỗn hợp nghèo đã được nghiên cứu từ lâu nhằm giảm suất tiêu hao nhiên liệu dẫn đến giảm nồng độ CO2, chất 'ô nhiễm' được quan tâm nhiều trong những năm gần đây vì nó là chất khí gây hiệu ứng nhà kính

Khi động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo (hệ số dư lượng không khí a >1,25), nồng

độ các chất ô nhiễm chính (CO, HC, NOx) đều giảm Khi hệ số dư lượng không khí thay đổi từ a=1,0 đến a=1,4, suất tiêu hao nhiên liệu giảm đi 7%, nồng độ NOx có thể giảm đến 85% so với động cơ làm việc với hỗn hợp có a=1 nếu kết hợp với việc giảm một cách hợp

lí góc đánh lửa sớm Tuy nhiên ưu điểm này chỉ có được trong điều kiện hỗn hợp gần nến đánh lửa có thể bốc cháy và sự lan tràn màng lửa diễn ra một cách bình thường Điều này đòi hỏi việc tổ chức tốt quá trình cháy cũng như phân bố hợp lí độ đậm đặc của hỗn hợp trong buồng cháy

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

- giảm tốc độ cháy, điểm cực đại của áp suất sẽ lệch về phía giai đoạn giãn nở dù đánh lửa sớm hơn

- momen phát ra không đều dẫn tới sự làm việc không ổn định

- thường xuyên bỏ lửa

- gia tăng mức độ phát sinh HC

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

Những giải pháp cho phép động cơ hoạt động gần giới hạn nghèo của hỗn hợp có thể chia làm ba loại:

- Các giải pháp tác động trước khi hỗn hợp vào cylindre: chuẩn bị và 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 trong động cơ: hình dạng buồng cháy, bố trí soupape

độ đậm đặc của hỗn hợp cao hơn giá trị trung bình để có thể bén lửa và bốc cháy Người ta

đã thử nghiệm nhiều hệ thống tạo hỗn hợp phân lớp nhưng hiện nay chỉ có hai dạng được ứng dụng khả quan nhất: hệ thống buồng dự bị (dạng CVCC) và hệ thống phun trực tiếp (dạng PROCO)

- Hệ thống Honda CVCC dùng một buồng cháy phụ nhỏ có soupape nạp riêng (hình 6.1) Hỗn hợp giàu được nạp vào buồng cháy phụ còn hỗn hợp rất nghèo được nạp vào buồng cháy chính qua soupape nạp thông thường Hỗn hợp giàu trong buồng cháy phụ được đốt bằng tia lửa điện Sản phẩm cháy có nhiệt độ cao thoát ra khỏi buồng cháy phụ

và tiếp tục đốt cháy hỗn hợp nghèo trong buồng cháy chính Hệ thống này làm giảm nhiệt

độ cực đại của quá trình cháy, do đó làm giảm NOx, nhưng vẫn đủ cao để oxy hóa HC Mặt khác, do độ đậm đặc của hỗn hợp thấp nên nồng độ CO trong khí xả cũng giảm Động

cơ làm việc với hệ thống này có suất tiêu hao nhiên liệu riêng thấp, nhưng công suất lít của cylindre cũng giảm Do đó từ năm 1986 nó không còn được nghiên cứu nữa và thay vào đó, người ta nghiên cứu một hệ thống tương tự trong đó bộ chế hòa khí được thay thế bằng hệ thống phun Ở hệ thống mới này, vòi phun phun nhiên liệu có áp suất 3,5 MPa tạo nên vùng hỗn hợp giàu gần nến đánh lửa trong buồng cháy phụ có kích thước bé Hệ thống này làm giảm NOx nhưng làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu

Hỗn hợp giàu

Hỗn hợp nghèo Họng thông

Hình 6.1: Sơ đồ động cơ tạo hỗn hợp phân lớp sử dụng buồng cháy phụ

- Hệ thống Ford PROCO thực hiện sự phân lớp hỗn hợp bằng cách phun nhiên liệu trực tiếp vào trong buồng cháy (hình 6.2) Hệ thống này không có buồng cháy phụ nhưng

sử dụng một buồng cháy khoét lõm trên đỉnh piston Người ta sử dụng một tia phun có góc phun rất rộng với hỗn hợp giàu được phun vào giữa cylindre bởi một vòi phun có độ xuyên thâu bé Hỗn hợp này được đốt nhờ tia lửa điện và lan đến hỗn hợp chung quanh nghèo hơn ngay khi piston đi xuống nhờ cường độ xoáy lốc mạnh

Hình 6.2: Sơ đồ động cơ tạo hỗn hợp phân lớp phun trực tiếp PROCO

- Hệ thống TEXACO TCCS: Khác với hệ thống PROCO, hệ thống này phun nhiên liệu theo phương tiếp tuyến với buồng cháy và hướng về phía nến đánh lửa và quá trình đánh lửa được kéo dài Việc điều chỉnh tối ưu thời gian phun và thời điểm đánh lửa cho phép khởi đầu quá trình cháy ở thời điểm mà hỗn hợp giàu đạt đến nến đánh lửa; màng lửa được giữ lại ở đó với điều kiện nhiên liệu được khuếch tán ra không khí chung quanh Hệ thống này có những nhược điểm giống như động cơ Diesel (hỗn hợp không đồng nhất) và phát sinh nhiều hạt rắn trong khí xả

Giải pháp hạn chế nhược điểm của việc đánh lửa là sử dụng ngọn lửa điện có năng lượng lớn hơn (tăng khoảng cách giữa hai điện cực, kéo dài thời gian đánh lửa), giảm tổn thất nhiệt ở nến đánh lửa (cực đánh lửa nhỏ, giảm đường kính nến đánh lửa từ 14 xuống 10mm) và tăng số điểm đánh lửa Năng lượng đánh lửa hiện nay (khoảng 10mJ) là đủ để đảm bảo sự hoạt động ổn định và mức độ phát sinh HC bé nhất Bố trí hai nến đánh lửa

Vòi phun

trong buồng cháy cho phép tăng xác suất đánh lửa, tăng năng lượng đánh lửa và tốc độ cháy mà không làm tăng tổn thất nhiệt Nhưng giải pháp này làm tăng giá thành và làm giảm tuổi thọ của hệ thống đánh lửa

Những khuynh hướng khác dựa vào sự gia tăng cường độ rối trong buồng cháy động cơ Bằng cách thay đổi dạng hình học của buồng cháy, nguy cơ màng lửa bị tắt có thể giảm bằng cách giảm tỉ số diện tích bề mặt/thể tích và gia tăng cường độ rối trong quá trình nạp để gia tăng tốc độ cháy Sự cải tiến dạng buồng cháy cho phép giảm một ít áp suất cực đại, giảm NOx nhưng cho tới nay người ta chưa tìm được dạng buồng cháy lí tưởng nhất và sự thay đổi hình dạng buồng cháy dường như không gây ảnh hưởng đến sự phát sinh HC

Giải pháp đầu tiên làm tăng cường độ rối là 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 khi hỗn hợp bắt đầu cháy cũng như thời gian cháy; các giá trị này có độ lớn tương đương với quá trình cháy cổ điển

Giải pháp thứ hai là trang bị hai soupape nạp cho mỗi cylindre hay lắp trên soupape nạp một bản dẫn hướng Soupape này đóng lại ở tải cục bộ và mở khi đầy tải

Giải pháp cuối cùng làm tăng cường độ rối ở động cơ riêng rẽ là thực hiện một tia khí cao tốc phun trong một ống dẫn có tiết diện nhỏ hơn ống nạp chính theo hướng tiếp tuyến với thành cylindre ở vị trí soupape nạp Hệ thống này có hai bướm gió được điều khiển một cách riêng rẽ theo tải động cơ Nó có ưu điểm là không làm thay đổi dạng hình học của buồng cháy, không cần thiết đánh lửa hai điểm nhưng vẫn cho phép động cơ chạy

ở chế độ không tải với độ đậm đặc thấp

Sự gia tăng cường độ rối bằng cách thêm tia khí cho phép dịch chuyển giới hạn cháy ổn định về phía độ đậm đặc thấp hơn (từ 0,95 xuống 0,75), cho phép nhận được sự làm việc ổn định hơn ở chế độ không tải Khi động cơ làm việc với độ đậm đặc 0,7 thay vì 0,8, nồng độ NOx chỉ còn 1/6 và nồng độ CO giảm đi 50% nhưng làm tăng HC Vận động rối trong buồng cháy cũng cho phép sử dụng thuận lợi hệ thống hồi lưu khí xả: chẳng hạn

nó 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 quá trình tạo hỗn hợp được cải thiện hơn so với khi sử dụng hệ thống phun riêng rẽ vì thời gian bay hơi của hỗn hợp được kéo dài hơn Vì vậy hệ thống này cho phép giảm được từ 10 đến 15% HC trong cùng điều kiện làm việc với động cơ phun riêng rẽ

Khi tăng nhiệt độ khí nạp hỗn hợp cũng được chuẩn bị tốt hơn do sự bốc hơi nhiên liệu diễn ra thuận lợi hơn: cùng độ đậm đặc như nhau, nồng độ HC giảm từ 20 đến 30% khi tăng nhiệt độ khí nạp từ 25 lên 80°C, nhưng làm tăng nồng độ NOx từ 35 lên 55% Do

70 đến 80% nồng độ CO và HC liên quan đến hai phút đầu tiên của chu trình khởi động nguội, theo qui trình FTP-75, vì vậy sấy cục bộ đường nạp trong giai đoạn bộ xúc tác chưa

đạt được nhiệt độ khởi động sẽ cho phép làm giảm được nồng độ những chất ô nhiễm này Trong thực tế, người ta bố trí ở mỗi đường nạp của động cơ phun nhiều điểm những phần

tử cấp nhiệt để nâng nhiệt độ khu vực sấy lên khoảng 40 đến 50°C và các tia phun hướng

về các khu vực này Công suất điện cung cấp cho những phần tử nhiệt này giảm dần và cắt

đi hoàn toàn khi nhiệt độ nước làm mát khoảng 60-65°C Tốc độ lưu thông của khí nạp cũng ảnh hưởng đến mức độ phát sinh HC Tốc độ này được khống chế bởi đường kính soupape nạp Khi giảm đường kính soupape nạp từ 35 đến 29mm thì mức độ phát sinh HC giảm đi được từ 15 đến 25%

Khi phun riêng rẽ, vị trí đặt vòi phun trong trường hợp cylindre có hai soupape nạp

có ảnh hưởng lớn đến mức độ phát sinh HC cũng như momen của động cơ Tuy nhiên vị trí đặt vòi phun chủ yếu được lựa chọn sao cho động cơ có thể được khởi động dễ dàng Người ta cũng nghiên cứu những hệ thống để cải thiện việc chuẩn bị hỗn hợp trong trường hợp phun riêng rẽ như sấy nóng hỗn hợp, phun khí nạp với tốc độ lớn, xé tia phun bằng 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 sẽ bị cuốn theo dòng không khí trong ống xoắn của đường nạp, giảm nguy cơ va chạm vào thành Khi đường kính thủy lực của hạt nhiên liệu khoảng 10 micron thì sự va chạm của hạt nhiên liệu vào thành hầu như không xảy ra, đảm bảo sự phân bố tối ưu của hỗn hợp nhiên liệu không khí giữa các cylindre Trong thực tế, bộ chế hòa khí cho phép phân bố tốt hỗn hợp khi động cơ làm việc ở tải thấp, ngược lại phun nhiên liệu đảm bảo sự phân bố tốt hỗn hợp khi động cơ làm việc ở tải cao Thật vậy, ở chế độ tải thấp do độ chân không trên đường nạp lớn, chất lượng xé tơi nhiên liệu sau khi ra khỏi vòi phun trong trường hợp bộ chế hòa khí tốt hơn; ngược lại trong trường hợp tải cao, chất lương xé tơi nhiên liệu xấu đi rất nhiều so với trường hợp phun nhiên liệu

Điều chỉnh góc độ phối khí cũng có ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm Góc

độ này được điều chỉnh sao cho các giá trị áp suất cực đại, momen ở chế độ tải thấp tối ưu cũng như khả năng động cơ làm việc ổn định khi chạy không tải với tốc độ thấp Tăng thời

kì trùng điệp ở chế độ không tải làm tăng mức độ phát sinh ô nhiễm và sự làm việc không

ổn định của động cơ, nhưng nó cải thiện tính năng động cơ ở chế độ tốc độ cao đồng thời cũng làm giảm NOx do hỗn hợp nạp mới bị làm bẩn bởi một bộ phận khí cháy đẩy vào đường nạp khi piston đi lên Sự gia tăng góc độ trùng điệp hợp lí có thể làm giảm được 80% nồng độ HC Lượng HC trong sản phẩm cháy thoát ra đường thải có thể được xem chứa trong hai bọng khí: bọng khí thứ nhất tương ứng với những thể tích chết ở gần soupape thải (các không gian chết quanh soupape, ren nến đánh lửa ) và bọng khí thứ hai tương ứng với thể tích chết xa hơn (khe hở segment ) Gia tăng góc độ trùng điệp có thể loại trừ hoàn toàn bọng khí thứ hai ở đường xả

Khi thời gian cháy giảm, nhiệt độ cháy tăng, mức độ phát sinh NOx gia tăng Giảm góc đánh lửa sớm trong một số điều kiện làm việc của động cơ cho phép kéo dài thời gian cháy, do đó 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 trong khí xả

Gia tăng tỉ số S/D làm tăng tốc độ cháy và tạo điều kiện dễ dàng cho sự bén lửa do

đó động cơ có thể làm việc với hệ số dư lượng không khí cao hơn Điều này có lợi trong trường hợp động cơ làm việc với tải cục bộ nhưng ít có lợi khi động cơ làm việc ở tải cao

Một phương án khác để làm tăng tốc độ cháy và tốc độ lan tràn màng lửa là tăng tỉ

số nén (đến 18), trong điều kiện không xảy ra hiện tượng kích nổ Tăng tỉ số nén có khuynh hướng tăng mức độ phát sinh NOx Khi động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo hay giàu, nồng độ NOx đều giảm mạnh (hình 6.3)

Hoàn thiện việc chuẩn bị hỗn hợp bao hàm việc khống chế đúng mức độ đậm đặc trong mỗi cylindre ngay cả trong giai đoạn quá độ Phương án tốt nhất là phun nhiên liệu riêng rẽ kết hợp với sấy nóng vòi phun và đường nạp Phương án này còn cho phép cải thiện tính năng khởi động ở trạng thái nguội Mặt khác sấy nóng đường nạp còn có tác dụng đặc biệt trong việc tránh sự ngưng tụ nhiên liệu trên thành đường nạp (lớp nhiên liệu ngưng tụ này sẽ bốc hơi lại ở chế độ đầy tải làm tăng độ đậm đặc của hỗn hợp)

Làm mát riêng rẽ thân động cơ và nắp cylindre cho phép duy trì thân động cơ một nhiệt độ cao hơn nắp cylindre điều này cho phép thu hồi nhiệt độ thân máy ở tải thấp có tác dụng tích cực đến việc giảm HC và NOx

N=2000 v/ph

6.2.3 Ảnh hưởng của các chế độ vận hành động cơ xăng

6.2.3.1 Cắt nhiên liệu khi giảm tốc

Để hạn chế nồng độ HC trong giai đoạn động cơ đóng vai trò phanh ô tô (khi giảm tốc nhưng vẫn cài li hợp), biện pháp tốt nhất là ngưng cung cấp nhiên liệu Tuy nhiên động tác này có thể dẫn tới điều bất lợi là làm xuất hiện hai điểm cực đại HC: đỉnh cực đại

HC ở thời điểm cắt nhiên liệu và điểm cực đại thứ hai khi cấp nhiên liệu trở lại

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

Đối với động cơ phun nhiên liệu, người ta sử dụng một hệ thống cho phép điều chỉnh lượng nhiên liệu phun vào đường nạp theo lưu lượng không khí Khi giảm tốc, bướm ga đóng lại, một van giảm tốc mở ra để cung cấp không khí cho động cơ và người ta

sử dụng lượng không khí này để điều khiển lượng nhiên liệu Trong trường hợp đó, động

cơ hút một thể tích khí lớn hơn trong trường hợp động cơ dùng chế hòa khí Hai điểm cực đại của HC cũng xuất hiện giống như trong trường hợp động cơ dùng bộ chế hòa khí

6.2.3.2 Dừng động cơ ở đèn đỏ

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

6.3 Trường hợp động cơ Diesel

Kĩ thuật tổ chức quá trình cháy của động cơ Diesel ảnh hưởng trực tiếp đến mức

độ phát sinh ô nhiễm Động cơ Diesel phun trực tiếp, có suất tiêu hao nhiên liệu riêng thấp hơn động cơ có buồng cháy ngăn cách khoảng 10% và mức độ phát sinh bồ hóng cũng thấp hơn khi động cơ làm việc ở chế độ tải cục bộ Tuy nhiên động cơ phun trực tiếp làm việc ồn hơn và phát sinh nhiều chất ô nhiễm khác (NOx, HC) Vì vậy, ngày nay dạng buồng cháy này chỉ dùng đối với động cơ ô tô tải hạng nặng

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

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

Ảnh hưởng của chất lượng hệ thống phun đối với động cơ phun trực tiếp lớn hơn đối với động cơ phun gián tiếp về phương diện phát sinh ô nhiễm, Trong cả hai trường hợp, sự thay đổi góc phun sớm có ảnh hưởng ngược nhau đối với sự phát sinh NOx, HC và

bồ hóng (hình 6.4)

Tăng góc phun sớm làm tăng áp suất cực đại và nhiệt độ quá trình cháy, do đó làm tăng nồng độ NO Thông thường, động cơ phun trực tiếp có góc phun sớm lớn hơn nên phát sinh NO nhiều hơn động cơ có buồng cháy ngăn cách Giảm góc phun sớm là biện pháp hữu hiệu làm giảm nồng độ NOx trong khí xả Tuy nhiên việc giảm góc phun sớm cần phải xem xét đến chế độ tốc độ và chế độ tải để tránh sự gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu

Hình 6.4: Ảnh hưởng của góc phun sớm đến

mức độ phát ô nhiễm của động cơ Diesel Giảm góc phun sớm

Phạm vi thay đổi đối với ô tô từ

1000 đến 1600kg, động cơ buồng cháy dự bị, không hồi lưu khí xả

HC (%) NOx

(%)

độ góc quay trục khuỷu Góc phun tối ưu

Muộn Sớm

Hình 6.5: Ảnh hưởng của góc phun sớm đến mức độ phát sinh

HC và NO x (động cơ buồng cháy dự bị, chu trình FTP-75)

Mặt khác, khi tăng góc phun sớm, do quá trình cháy trễ kéo dài, lượng nhiên liệu hòa trộn trước với hệ số dư lượng không khí lớn gia tăng Hỗn hợp này khó bén lửa do đó chúng thường cháy không hoàn toàn và phát sinh nhiều CO Về mặt lí thuyết, tăng góc đánh lửa sớm có thể làm giảm HC do quá trình cháy có thể diễn ra thuận lợi hơn (hình 6.5), nhưng trên thực tế nó có tác dụng ngược lại Thật vậy, do thời gian bén lửa kéo dài, nhiên liệu phun ra có thể bám trên thành buồng cháy, đó là nguồn phát sinh HC

Đối với động cơ phun trực tiếp, sự giảm góc phun sớm làm tăng độ khói và cũng làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu nhưng làm giảm nồng độ NOx và thành phần SOF Đối với động cơ Diesel cỡ lớn, giảm góc phun sớm có thể làm giảm đi 50% nồng độ NO trong khí xả Đối với động cơ có buồng cháy ngăn cách, giảm góc phun sớm làm làm tăng nồng

độ HC nhưng làm giảm nồng độ NO và bồ hóng, đặc biệt là ở chế độ đầy tải Khi góc phun sớm thay đổi từ 8 đến 23 độ trước ĐCT, lượng bồ hóng tăng gấp đôi theo chu trình thử FTP75 đối với một động cơ 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 và tải cho phép chọn được vị trí điều chỉnh tối ưu hài hòa giữa nồng độ các chất ô nhiễm và hiệu suất động cơ Đối với động cơ có buồng cháy dự bị, sự điều khiển góc đánh lửa sớm tối ưu bằng hệ thống điện

tử theo chế độ tốc độ và chế độ tải cho phép giảm 15% nồng độ NOx và 25% nồng độ bồ hóng theo chu trình thử FTP75 trong 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 quá trình phát sinh ô nhiễm của động cơ phun trực tiếp Thật vậy, do tăng tốc độ hòa trộn nhiên liệu và không khí, lượng nhiên liệu cháy ở điều kiện hòa trộn trước gia tăng, do đó nồng độ NOx tăng nhưng lượng bồ hóng giảm Tuy nhiên sự gia tăng áp suất phun (hơn 100MPa) làm tăng lượng hạt rắn do tăng lượng phát sinh SOF Sử dụng vòi phun có nhiều lỗ phun đường kính bé làm tăng chất lượng hòa trộn không khí và nhiên liệu do kích thước hạt nhiên liệu giảm, hỗn hợp bốc cháy dễ dàng hơn, bù trừ được sự phun trễ do đó làm giảm NOx Với cùng lượng phát thải NOx cho trước, sự gia tăng số lượng lỗ phun làm giảm nồng độ bồ hóng

Đối với động cơ phun trực tiếp, áp suất phun tối ưu thay đổi từ 75 đến 100MPa tùy theo chế độ động cơ Vượt quá áp suất này, với cùng lượng phát sinh NOx, lượng hạt rắn phát sinh giảm nhưng suất tiêu hao nhiên liệu và độ ồn của quá trình cháy gia tăng do

sự tăng đột ngột của áp suất Điều này có thể khắc phục được bằng cách dùng một tia phun mồi

Quy luật phun cũng có ảnh hưởng quan trọng đến quá trình phát sinh các chất ô nhiễm Thời gian phun rút ngắn, áp suất phun cao cho phép gia tốc quá trình cung cấp nhiên liệu dẫn đến giảm lượng HC không cháy hết Các tiến bộ mới đây về kĩ thuật phun nhằm giảm mức độ phát sinh ô nhiễm bao gồm quy luật phun hai giai đoạn, quy luật phun

‘hình chữ nhật’ (phun đều đặn nhiên liệu và cắt nhanh khi kết thúc phun) để tránh hiện tượng phun rớt Phun rớt là nguyên nhân làm tăng hydrocacbure chưa cháy và hạt rắn trong khí xả động cơ

Đối với động cơ có buồng cháy ngăn cách, sự khống chế lưu lượng nhiên liệu kèm theo việc giảm góc phun sớm có thể làm giảm 30% lượng NOx trong khí thải nhưng làm tăng lượng HC lên 100%, CO lên 70% và bồ hóng lên 150% Để có thể đảm bảo qui luật phun phù hợp ở mọi chế độ làm việc của động cơ cả về phương diện phát ô nhiễm lẫn tính năng kinh tế-kĩ thuật, trên những động cơ thế hệ mới hiện nay người ta sử dụng cảm biến

λ lắp trên đường xả Kết hợp thông số cho bởi cảm biến này với các cảm biến áp suất, nhiệt độ khí nạp và tốc độ động cơ người ta co thể điều khiển chính xác thời điểm phun và lượng nhiên liệu cung cấp cho mỗi chu trình Giải pháp này đặc biệt có lợi đối với động cơ Diesel lắp trên ô tô nhằm giảm độ khói khi gia tốc

6.3.2 Ảnh hưởng của dạng hình học buồng cháy

Dạng buồng cháy hợp lí cho phép tránh được lớp nhiên liệu bám trên thành do đó giảm được nồng độ HC trong khí xả Đối với động cơ phun trực tiếp, biện pháp có hiệu quả nhất để làm giảm nồng độ bồ hóng là gia tăng cường độ rối và kết hợp với việc sử dụng vòi phun nhiều lỗ Buồng cháy tốt cần thỏa mãn các điều kiện sau đây:

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

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

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

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

Việc gia tăng áp suất trong buồng cháy đơn thuần có khuynh hướng thuận lợi cho

sự hình thành bồ hóng Tuy nhiên, sự gia tăng áp suất cực đại sẽ làm tăng đồng thời nhiệt

độ khí cháy cho phép gia tăng tốc độ oxy hóa bồ hóng nên lượng bồ hóng trong khí xả không tăng Sự gia tăng áp suất làm tăng độ ồn và sự phát sinh NOx

Đối với động cơ phun trực tiếp, tỉ lệ nén cao cho phép khởi động dễ dàng ở nhiệt

độ thấp Sự gia tăng tỉ số nén vừa phải đồng thời cũng làm giảm HC và thành phần SOF của hạt rắn Khi tỉ số nén tăng quá cao, động cơ sẽ phát sinh nhiều bồ hóng ở chế độ đầy tải Vì vậy ở động cơ có tỉ số nén lớn, cần phải thiết kế dạng buồng cháy tối ưu cho phép tăng cường sự dịch chuyển của dòng không khí thuận lợi cho việc đốt cháy bồ hóng

Để tăng cường tốc độ đốt cháy bồ hóng, người ta thiết kế thêm một buồng chứa không khí bổ sung ở động cơ phun trực tiếp Buồng không khí bổ sung này lưu trữ không khí trong kì nén và lượng không khí đó sẽ cung cấp lại cho buồng cháy động cơ ở kì giãn

nở để tạo điều kiện oxy hóa hạt bồ hóng Tuy nhiên, kết cấu này làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu Ở động cơ phun gián tiếp, buồng không khí bổ sung cho phép làm giảm 40% lượng bồ hóng phát sinh và làm gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu thêm 3%

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

6.3.3 Ảnh hưởng của vận động rối trong buồng cháy

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

Hướng tia phun trong buồng cháy dự bị cho phép điều chỉnh được tốc độ hòa trộn nhiên liệu-không khí, do đó cải thiện sự phát sinh bồ hóng Hướng tia phun cũng ảnh hưởng đến lượng nhiên liệu bám trên thành và đó là nguồn phát sinh HC Vị trí của vòi phun trong buồng cháy phụ cũng có ảnh hưởng đến sự hình thành NOx

6.3.4 Ảnh hưởng của chế độ làm việc của động cơ và chế độ quá độ Khi giảm tốc độ động cơ từ 750 đến 680 v/phút, nồng độ các chất ô nhiễm đều giảm khi đo theo chu trình FTP75: HC (-14%); CO(-2%); NO (-3%) và bồ hóng (-5%) Trong thử nghiệm động cơ theo chu trình tiêu chuẩn cũng như trong thực tế, sự thay đổi chế độ tốc độ là yếu tố làm gia tăng sự phát ô nhiễm Nồng độ bồ hóng trong khí xả động

cơ Diesel gia tăng rất mạnh khi gia tốc vì độ đậm đặc trung bình của hỗn hợp gia tăng Lượng gia tăng này càng lớn khi thời gian gia tốc càng dài Để giảm thời gian gia tốc, cần phải tối ưu hóa việc thiết kế động cơ để có thể:

- Giảm momen quán tính các bộ phận chuyển động quay

- Giảm thể tích các bộ phận nạp thải

- Giảm nhiệt dung riêng của hệ thống làm mát

- Gia tăng công suất dự trữ

6.3.5 Ảnh hưởng của chỉ số cétane của nhiên liệu

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

HC và bồ hóng

6.3.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ khí

Giảm nhiệt độ khí nạp sẽ làm giảm nhiệt độ cực đại của quá trình cháy và do đó nồng độ NOx cũng giảm Vì vậy, ở động cơ tăng áp người ta có khuynh hướng làm mát khí sau máy nén để đảm bảo nhiệt độ khí nạp không vượt quá 500C Nhưng sự làm mát khí nạp có thể kéo dài thời kì cháy trễ làm tăng mức độ phát sinh ô nhiễm như đã nêu (những giọt nhiên liệu bám vào thành cylindre làm tăng thành phần HC và bồ hóng trong khí xả) Khi khởi động động cơ ở trạng thái nguội, sự sấy buồng cháy hay sấy khí nạp là cần thiết

để làm giảm mức độ phát sinh HC và khói trắng Việc sấy nóng khí nạp có thể thực hiện nhờ nến điện hay bằng cách đốt trước một ít nhiên liệu trong khí nạp

Nhiệt độ của khí đường thải cũng ảnh hưởng đến sự phát sinh ô nhiễm, nhất là đối với thành phần HC Thật vậy, ở chế độ tải thấp, HC ngưng tụ trên đường thải rồi bốc hơi lại khi tăng tải làm tăng nồng độ HC Đường thải bằng vật liệu gốm cho phép tái oxyhóa

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

6.3.7 Ảnh hưởng của tăng áp

Monoxy carbon CO hình thành là do quá trình cháy thiếu không khí, đặc biệt là ở tải cao Do đó, tăng áp là biện pháp hữu hiệu làm giảm CO Lượng không khí thừa do tăng

áp đồng thời cũng cho phép tái đốt cháy bồ hóng, bù trừ lượng tăng bồ hóng do khí xả hồi lưu mang vào buồng cháy Hệ thống hồi lưu khí xả trong trường hợp động cơ tăng áp có thể làm giảm 50% lượng NOx mà không làm tăng bồ hóng

6.3.8 Ảnh hưởng của hệ thống hồi lưu khí xả

Mặc dù tỉ lệ khí hồi lưu lớn gây tác hại xấu đối với động cơ (tăng mài mòn) nhưng

nó có tác dụng đáng kể trong việc làm giảm NOx do giảm nhiệt độ cháy Đối với động cơ phun trực tiếp làm việc với nhiệt độ khí nạp từ 40-600C (làm việc ở các hầm mỏ), hệ thống hồi lưu khí xả có thể làm giảm 30% và 50% nồng độ NOx theo thứ tự Nếu làm ẩm thêm không khí nạp, cùng điều kiện làm việc như trên mức độ giảm NOx có thể đạt đến 50% và 85% theo thứ tự Tuy nhiên, hồi lưu khí xả có tác động xấu đối với các chất ô nhiễm khác: làm tăng nồng độ CO và bồ hóng, ngay cả khi thêm hơi nước Phun hơi nước cho phép hạn chế phản ứng cracking tạo bồ hóng nhờ giảm nhiệt độ cháy Đối với động cơ buồng cháy ngăn cách, nồng độ bồ hóng gia tăng trước hết chậm, sau đó tăng nhanh theo lượng nước phun vào buồng cháy phụ; biến thiên của nồng độ CO và HC cũng tương tự Hơi nước chỉ có tác dụng làm giảm nồng độ NO Sự điều chỉnh tỉ lệ khí xả hồi lưu cần được căn cứ theo tải và theo tốc độ Hệ thống điện tử cho phép điều chỉnh van hồi lưu khí xả theo các đường đặc tính chọn trước: cắt lượng khí xả hồi lưu khi động cơ nguội; sau đó lượng khí xả hồi lưu tăng dần phụ thuộc nhiệt độ nước làm mát, áp suất môi trường, lượng nhiên liệu cung cấp Mặt khác, hệ thống cũng cắt lượng khí hồi lưu ở chế độ gia tốc lớn để hạn chế nồng độ bồ hóng Hồi lưu khí xả tối ưu cho phép giảm được 40% NOx mà không

làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu cũng như không làm tăng CO và bồ hóng Kết hợp với tăng áp, hệ thống hồi lưu khí xả cho phép làm giảm đồng thời NOx, HC và bồ hóng

6.3.9 Điều khiển vòi phun và hệ thống hồi lưu khí xả

Việc điều chỉnh các thông số công tác động cơ thường có tác dụng mâu thuẫn nhau đối với các chất ô nhiễm khác nhau Tuy nhiên, do mức độ ảnh hưởng đó không đồng đều

ở các điểm làm việc khác nhau của động cơ nên ở mỗi chế độ công tác ta có thể lựa chọn một bộ thông số điều khiển tối ưu đối với các chất ô nhiễm HC, NOx và bồ hóng Việc điều khiển phức tạp như vậy chỉ có thể thực hiện được nhờ hệ thống điện tử Hệ thống điều khiển điện tử phải thỏa mãn các điều kiện sau:

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

- Có khả năng điều chỉnh theo nhiều thông số

- Mềm dẻo trong lập chương trình hệ thống điều khiển để có thể áp dụng trong các điều kiện sử dụng ô tô khác nhau (tùy theo yêu cầu của luật môi trường của từng quốc gia)

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

Thêm vào đó, hệ thống phải hoạt động tin cậy trong mọi tình huống, phải được bảo

vệ chống nhiễu và chống hỏng hóc, bảo trì dễ dàng nhờ hệ thống chẩn đoán nhanh

Khi hoạt động, máy tính điều khiển chuyên dụng nhận số liệu từ các cảm biến: vị trí thanh răng hay cần gia tốc, vị trí kim phun, tốc độ động cơ, nhiệt độ không khí nạp, nhiệt độ nhiên liệu, nhiệt độ nước làm mát, áp suất trong xilanh, Sau khi xử lí, máy tính phát tín hiệu điều khiển đến bộ phận chấp hành Bộ phận này sẽ tác động lên cơ cấu điều khiển lượng nhiên liệu chu trình, thời điểm bắt đầu phun, lượng khí xả hồi lưu, tỉ số truyền của hộp số Hệ thống điều khiển điện tử hoàn hảo như vậy cho phép làm giảm đồng thời nồng độ bồ hóng, NOx và tăng tính kinh tế của động cơ so với hệ thống điều khiển cơ khí, đặc biệt là kết hợp bộ điều khiển quá trình phun và điều khiển góc phun sớm, mức độ phát

ô nhiễm của động cơ có thể giảm đi 3 lần

6.4 Ảnh hưởng của 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 cực tiểu ở tốc độ 80÷90km/h, nồng độ HC giảm dần đến khi tốc độ đạt khoảng 100km/h sau đó tăng lên chậm còn nồng độ NOx tăng từ từ đến khi tốc độ động cơ đạt 70÷80km/h sau đó tăng mạnh, nhất là đối với động cơ có dung tích cylindre lớn Các kết quả đo đạc trên chu trình

có điều kiện thử gần với điều kiện vận hành thực tế cho thấy giới hạn tốc độ ít gây ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm Khi giảm mạnh giới hạn tốc độ, nồng độ NOx có thể giảm đi vài phần trăm, nhưng làm tăng đôi chút CO, 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

Trên xa lộ Châu Âu, tốc độ giới hạn là 130km/h Khi đại bộ phận ô tô giảm tốc độ

từ 119 đến 107km/h người ta thấy nồng độ các chất ô nhiễm trong bầu không khí quanh hệ thống xa lộ giảm đi đáng kể: -12% đối với CO; -1,7% đối với HC và -10,5% đối với NOx Một thí nghiệm khác được thực hiện bằng cách giảm tốc độ giới hạn từ 100 xuống 60km/h trên một bộ phận xa lộ người ta nhận thấy lượng NOx giảm đi 50% trong 6 tháng

6.5 Ảnh hưởng của nhiên liệu đến mức độ phát ô nhiễm

của động cơ

6.5.1 Nhiên liệu động cơ xăng

Việc điều chỉnh động cơ có ảnh hưởng đến lượng ô nhiễm phát sinh vì việc điều chỉnh này tác động đến cơ chế hình thành hay phân hủy các chất ô nhiễm trước khi thoát

ra ngoài khí quyển

Nhiên liệu cũng gây ảnh hưởng đến sự phát ô nhiễm, chủ yếu là do tỉ số không khí/nhiên liệu có thể bị thay đổi do sự thay đổi các đặc trưng hóa lí của chúng không phải lúc nào cũng được bù lại bởi sự điều chỉnh 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<0,6), điều kiện này diễn ra chung quanh hạt nhiên liệu trong buồng cháy động cơ Diesel

Các tính chất của nhiên liệu ô tô, nhiên liệu thông thường hay super thỏa mãn những đặc trưng yêu cầu của từng quốc gia Mỗi quốc gia có tiêu chuẩn riêng xác định phạm vi cho phép của khối lượng riêng, phạm vi chưng cất, sự bốc hơi, nồng độ lưu huỳnh

và nồng độ các chất phụ gia

6.5.1.1 Ảnh hưởng của khối lượng riêng nhiên liệu

Khối lượng riêng nhiên liệu có quan hệ chặt chẽ với thành phần các hydrocarbure tạo thành hỗn hợp nhiên liệu thường hay super, đặc biệt là tỉ lệ nguyên tử tổng quát carbon/hydrogène

Sự gia tăng khối lượng riêng của nhiên liệu có khuynh hướng làm nghèo hỗn hợp đối với động cơ dùng bộ chế hòa khí và ngược lại, làm giàu hỗn hợp đối với động cơ phun xăng Tuy nhiên, do phạm vi thay đổi khối lượng riêng nhiên liệu rất bé (từ 2,5 đến 4%), ảnh hưởng của nó đến mức độ phát ô nhiễm của động cơ đã điều chỉnh sẵn với một nhiên liệu cho trước không đáng kể

6.5.1.2 Ảnh hưởng của tỉ lệ hydrocarbure thơm

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

Hiện nay người ta có khuynh hướng gia tăng hàm lượng các chất hydrocarbure thơm trong nhiên liệu nhằm phổ biến nhiên liệu không chì Theo tiêu chuẩn Cộng Đồng Châu Âu, hàm lượng benzene trong nhiên liệu phải thấp hơn 5%

Hình 6.6: Ảnh hưởng của tỉ số không khí/nhiên liệu đến NO x

Các hydrocarbure thơm có tỉ số C/H cao hơn do đó khối lượng riêng lớn hơn Do nhiệt lượng tỏa ra đối với một đơn vị thể tích cao hơn nên nhiệt độ cháy của hỗn hợp tăng làm tăng NOx Hình 6.6 cho thấy ví dụ trên động cơ có tốc độ 1500 vòng/phút ở chế độ tải trung bình sự thay đổi NOx theo tỉ số không khí/nhiên liệu đối với alkylat không thơm và đối với nhiên liệu super thơm Chúng ta thấy ở vị trí phát ô nhiễm cực đại, alkylat làm giảm nồng độ ô nhiễm khoảng 20%

Mức độ phát sinh CO ít bị ảnh hưởng bởi hàm lượng hydrocarbure thơm Tuy nhiên, các hydrocarbure thơm có cấu tạo ổn định hơn parafine nên có động học phản ứng cháy chậm hơn Do đó trong cùng điều kiện cháy, sự phát sinh hydrocarbure chưa cháy của nhiên liệu chứa nhiều hydrocarbure thơm hơn sẽ cao hơn Khi chuyển từ nhiên liệu super thơm sang alkylat, mức độ phát sinh HC giảm đi 16% (hình 6.7)

Nồng độ

thể tích NOx (ppmx100)

a

Tốc độ: 1500 vg/phút

Áp suất có ích trung bình: 500kPa

Tì số nén: 11

Hình 6.7: Ảnh hưởng của tỉ số không khí/nhiên liệu

đến nồng độ HC trong khí xả

Mặt khác, các chất thơm trong nhiên liệu giữ vai trò phát sinh các hydrocarbure thơm đa nhân HAP, phènol và aldehyde thơm mà những chất này tăng theo các chất thơm còn formaldehyde thì giảm Sự phụ thuộc của HAP vào tỉ lệ các chất thơm trong nhiên liệu thay đổi một mặt theo HAP xem xét và mặt khác theo dạng chất thơm trong nhiên liệu: benzene ít ảnh hưởng đến HAP hình thành, HAP nhẹ (đến 4 nhân) gia tăng tuyến tính theo tỉ lệ các chất thơm trong nhiên liệu, những HAP nặng hơn (đến 5 nhân) (hình 6.8) không chịu ảnh hưởng bởi tỉ lệ này HAP đã có mặt trong nhiên liệu cũng ảnh hưởng đến mức độ phát sinh HAP trong khí xả

6.5.1.3 Ảnh hưởng của tính bay hơi

Tính bay hơi của nhiên liệu thường được đặc trưng bởi đường cong chưng cất và

áp suất hơi Reid (PVR) đo ở 37,8°C Đó là một đặc tính quan trọng đối với hoạt động của động cơ, nó ảnh hưởng đến thời gian khởi động động cơ ở trạng thái nguội, tính ưu việt khi gia tốc và tính ổn định khi làm việc ở chế độ không tải và khi chạy nóng

Những thành phần quá nặng (bay hơi ở nhiệt độ lớn hơn 200-220°C) có ảnh hưởng đến sự phát sinh hydrocrabure chưa cháy, do sự bốc hơi kém dẫn tới sự cháy không hoàn toàn với sự hình thành aldehydes và sự gia tăng HC

Nồng độ thể tích HC (ppmx100)

a

Tốc độ: 1500 vg/phút

Áp suất có ích trung bình: 500kPa

Tỉ số nén: 11

65 đến 80kPa

6.5.1.4 Ảnh hưởng của chỉ số octane

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

là khi hỗn hợp nghèo Nhưng trong thực tế, sự kích nổ trong điều kiện như vậy không diễn

ra

6.5.1.5 Ảnh hưởng của các chất phụ gia

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

Phát thải HAP (mg/kg nhiên liệu)

Thành phần cacbua hydro thơm Trong nhiên liệu (%V)

- Những chất phụ gia làm tăng chỉ số octane: Alkyle chì, méthylcyclopenta-diényl mangan tricarbonyle (MMT), ferrocène,

- Những chất phụ gia chống oxy hóa, ngăn chận sự hình thành oléphine gồm: phénylène diamin, aminophénol và phénol alkylé

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

- Màu và các chất phụ gia chống nhầm lẫn

Những chất phụ gia chì, dù rằng thành phần chlore và brome đảm bảo biến chì thành dạng halogene nhẹ, không đủ để loại trừ hoàn toàn những lớp bám trong buồng cháy Sự hiện diện của các lớp bám này dường như không gây ảnh hưởng đến nồng độ CO

và NOx nhưng làm tăng HC Chì không gây ảnh hưởng đến sự hình thành aldéhyde Những chất phụ gia mangan (MMT) gây ảnh hưởng xấu đến sự phát sinh HC và aldéhyde

Nếu sự phát sinh CO và NOx không bị ảnh hưởng, nồng độ HC tăng tuyến tính theo nồng độ MMT: sự chuyển đổi ở bộ xúc tác không hạn chế hoàn toàn được sự gia tăng này và bộ xúc tác dần dần bị bao phủ bởi lớp bám Mn3O4

Các chất phụ gia hữu cơ hay hữu cơ-kim loại (organometallique) thêm vào nhiên liệu để tác động đến các phản ứng cháy dường như không gây ảnh hưởng đến mức độ phát

ô nhiễm, các chất phụ gia chống các lớp bám cũng vậy Tuy nhiên, việc duy trì độ sạch trên đường nạp cho phép giữ được sự điều chỉnh ban đầu và sự ổn định về mức độ phát sinh CO ở chế độ không tải

6.5.1.6 Ảnh hưởng của việc sử dụng nhầm nhiên liệu

Từ 'nhầm’ nhiên liệu dùng để chỉ việc cung cấp không đúng nhiên liệu cho động

cơ, chẳng hạn cung cấp dầu Diesel cho động cơ đánh lửa cưỡng bức Trong thực tế thường diễn ra sự nhầm lẫn cung cấp nhiên liệu pha chì cho động cơ có ống xả xúc tác Sự 'đầu độc' bộ xúc tác do chì làm giảm dần hiệu quả của bộ xúc tác dẫn đến sự gia tăng HC và aldehyde ở phía sau ống xả Hình 6.9 cho thấy sự gia tăng nhanh chóng của HC và aldehyde ngay khi cung cấp nhiên liệu pha chì Mặt dù khi cung cấp lại xăng không chì, tính năng của bộ xúc tác được phục hồi trở lại nhưng không bao giờ đạt được hiệu quả ban đầu

Hình 6.9: Ảnh hưởng của việc sử dụng nhiên liệu không phù hợp

6.5.2 Ảnh hưởng của nhiên liệu Diesel

Chúng ta sẽ khảo sát sau đây ảnh hưởng của khối lượng riêng, chỉ số cetane, thành phần lưu huỳnh, các chất phụ gia đến mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ Diesel Các chất ô nhiễm quan tâm như động cơ đánh lửa cưỡng bức nhưng phải thêm vào những hạt rắn và các chất hữu cơ liên quan (SOF) là những chất ô nhiễm đặc biệt ở động cơ Diesel

6.5.2.1 Ảnh hưởng của khối lượng riêng

Sự gia tăng khối lượng riêng của dầu Diesel dẫn tới sự gia tăng nồng độ hạt rắn Hình 6.10 giới thiệu mức độ phát sinh hạt rắn tính theo gam/lít nhiên liệu theo khối lượng riêng ứng với động cơ V8, 10,4 lít chạy ở tốc độ 1700 vòng/phút và một động cơ tăng áp

14 lít, chạy ở 1700 vòng/phút Tương tự như vậy, nồng độ SOF cũng tăng theo khối lượng riêng

Quãng đường lăn bánh (x1000 dặm)

Quãng đường lăn bánh (x1000 dặm) g/dặm

Hình 6.10: Ảnh hưởng của khối lượng riêng nhiên liệu Diesel

6.5.2.2 Ảnh hưởng của thành phần thơm

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

6.5.2.3 Ảnh hưởng của chỉ số cétane

Kéo dài thời gian cháy trễ do giảm chỉ số cétane dẫn đến sự gia tăng HC, hạt rắn

và CO

Hình 6.11 giới thiệu ảnh hưởng của chỉ số cétane đến mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ phun gián tiếp: NOx ít bị ảnh hưởng bởi chỉ số cétane Đối với động cơ có buồng cháy ngăn cách, ảnh hưởng của chỉ số cétane chủ yếu đến bộ phận SOF dẫn xuất (extractible), thành phần hạt rắn không hòa tan dường như không bị ảnh hưởng

Chỉ số cétane cũng ảnh hưởng đến sự phát sinh khói xanh hay khói trắng, sương

mù trong khí xả gồm những hạt nhiên liệu không cháy, hiện tượng gặp khi khởi động hay khi làm việc trên cao áp suất giảm

6.5.2.4 Ảnh hưởng của thành phần lưu huỳnh

Thành phần lưu huỳnh là một trong những đặc trưng quan trong được qui định nghiêm ngặt đối với nhiên liệu Diesel Ở Pháp thành phần lưu huỳnh cho phép là 0,3% Ở Châu Âu, thành phần lưu huỳnh dao động từ 0,05% đến 0,65% Ở Thụy sĩ, thành phần lưu huỳnh giới hạn 0,2% còn ở California, người ta hướng tới giới hạn 0,05%

Đại bộ phận chất ô nhiễm do lưu huỳnh gây ra tồn tại dưới dạng SO2: Nhiên liệu chứa 0,3% lưu huỳnh thì ở trong khí xả có khoảng 100ppm SO2 Tuy nhiên, một bộ phận

SO2 (khoảng 2 đến 3%) bị oxy hóa thành SO3 và acide sulfurique

Mức độ phát

sinh bồ hóng

(kg bồ hóng/lít

nhiên liệu)

r (kg/dm 3 )

Động cơ phun gián tiếp

Tăng áp Không tăng áp Không tăng áp

Hình 6.11: Ảnh hưởng của chỉ số cetane đến mức độ phát ô nhiễm của động cơ

6.5.2.5 Ảnh hưởng của các chất phụ gia

1 Các chất phụ gia kim loại:

Các chất phụ gia kim loại dưới dạng muối acide được sử dụng để làm giảm mức độ phát sinh bồ hóng của động cơ Diesel

Những kim loại alcalino-terreux (Ca, Ba, Mg, Fe, Mn, Cu, Ni) thường được sử dụng làm chất phụ gia trong nhiên liệu Diesel Những alcalino-terreux, barium và calcium

có hiệu quả nhất đối với động cơ phun trực tiếp hay phun gián tiếp Hình 6.12 biểu diễn sự biến thiên của độ đen khí xả theo thành phần chất phụ gia

2 Các chất phụ gia hữu cơ:

Các chất phụ gia hữu cơ cho thêm vào nhiên liệu Diesel nhằm những mục đích khác nhau:

- để giảm thời kì cháy trễ

- như là chất ổn định, chống oxy hóa, nâng cao tính ổn định trong quá trình dự trữ

- như chất tẩy rửa bề mặt để duy trì độ sạch của vòi phun, đây là yếu tố rất quan trọng trong trường hợp động cơ có buồng cháy dự bị

Tỉ lệ chất phụ gia trong nhiên liệu(mol/lít/100

Tỉ lệ mật

độ khói (S/So)

Hình 6.12: Ảnh hưởng của các chất phụ gia kim loại đến độ khói

Hình 6.13 trình bày ảnh hưởng của chất phụ gia đến mức độ phát sinh bồ hóng đối vớI động cơ theo thời gian sử dụng

Hình 6.14 cho thấy ảnh hưởng của các chất phụ gia tẩy rửa bề mặt đến toàn bộ các chất ô nhiễm do động cơ buồng cháy ngăn cách gây ra

Nước có tác dụng làm giảm nhiệt độ dẫn đến giảm NOx; mặt khác, do kéo dài thời

kì cháy trễ, nó làm gia tăng lượng nhiên liệu cháy trong giai đoạn hòa trộn trước và giảm lượng bồ hóng hình thành chủ yếu trong giai đoạn cháy khuếch tán Điều này thấy rõ trên hình 6.15 Kết quả này trình bày tỉ lệ giảm mức độ phát sinh bồ hóng theo tải của động cơ một cylindre phun trực tiếp theo hai giá trị nồng độ nước trong dầu Người ta có thể làm giảm được 70% bồ hóng khi pha vào 10% nước

Hình 6.13: Ảnh hưởng của các chất phụ gia đến bồ hóng

Hình 6.14: Ảnh hưởng của chất phụ gia tẩy rửa bề mặt

Thành phần SOF hấp thụ bởi hạt rắn cũng gia tăng theo tỉ lệ nước Hydrocarbure chưa cháy gia tăng do giảm nhiệt độ cháy; sự gia tăng nhiệt độ khí nạp cũng không phải là một biện pháp kinh tế để bù trừ sự gia tăng HC Người ta nhận thấy rằng thành phần HAP

có mặt trong SOF tăng theo thành phần nước

Bồ hóng (g/dặm)

Quãng đường lăn bánh (/1000km)

Không pha chất phụ gia

Pha chất phụ gia Loại bỏ chất phụ gia

Nhiên liệu Nhiên liệu Nhiên liệu Nhiên liệu

Không pha phụ gia

HC (g/

lần thử) HC+NOx

(g/lần thử)

Hình 6.15: Ảnh hưởng của nồng độ nước trong dầu Diesel đến

mức độ phát sinh ô nhiễm

Sự pha nước vào nhiên liệu không phải là giải pháp hữu hiệu làm giảm ô nhiễm trong quá trình cháy Diesel vì nếu nó làm giảm NOx nhưng lại làm tăng HC và CO, việc làm giảm bồ hóng còn phụ thuộc vào chế độ tải của động cơ

Không khí/nhiên liệu Không khí/nhiên liệu

Nhiên liệu không nước

5% nước

10% nước 10%

nước

5% nước

Nhiên liệu không nước

5% nước 10% nước

5% nước 10% nước

104

ĐỘ GÂY Ô NHIỄM CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Trong chương này, chúng ta sẽ nghiên cứu những biện pháp làm giảm mức độ phát sinh ô nhiễm ngay trong quá trình cháy của động cơ đốt trong cũng như các giải pháp kĩ thuật xử lí ô nhiễm trên đường xả bằng bộ xúc tác hay lọc

7.1 Giảm mức độ phát sinh ô nhiễm ngay từ nguồn

Trong những thập niên tới, mối quan tâm hàng đầu của việc thiết kế động cơ là giảm mức độ phát sinh ô nhiễm ngay từ nguồn, nghĩa là trước khi ra khỏi soupape xả Vì vậy, nhà thiết kế động cơ không chỉ chú trọng đơn thuần về công suất hay tính kinh tế của động cơ mà phải cân nhắc giữa các chỉ tiêu đó và mức độ phát sinh ô nhiễm

7.1.1 Động cơ đánh lửa cưỡng bức

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

HC và CO Ảnh hưởng tổng quát của các yếu tố kết cấu và vận hành động cơ đến sự hình thành các chất ô nhiễm này đã được phân tích ở chương 6

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

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

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

- Tạo ra một tia khí tốc độ cao phun vào đường nạp phụ có kích thước nhỏ hơn đường ống nạp chính

Việc lựa chọn phương pháp phun nhiên liệu riêng rẽ cho từng cylindre hay phun tập trung ở cổ góp đường nạp phụ thuộc nhiều yếu tố (khả năng điều chỉnh, tính năng kinh tế-kỹ thuật, giá thành ) Phương pháp phun nhiên liệu cũng có ảnh hưởng đến sự hình thành các chất ô nhiễm Thật vậy, phương pháp phun tập trung có ưu điểm là thời gian dành cho việc bốc hơi nhiên liệu tương đối dài do đó hạn chế được hiện tượng ngưng tụ

nhiên liệu trên đường ống nạp, còn phương án phun riêng rẽ cho phép tránh được sự không đồng đều về thành phần hỗn hợp giữa các cylindre

Việc điều chỉnh góc độ phối khí cũng là một biện pháp làm hài hòa giữa tính năng của động cơ và mức độ phát ô nhiễm HC và NOx Gia tăng góc độ trùng điệp sẽ làm tăng lượng khí xả hồi lưu do đó làm giảm NOx Sự thay đổi quy luật phối khí cũng gây ảnh hưởng đến sự phát sinh HC Những động cơ mới ngày nay có khuynh hướng dùng nhiều soupape với trục cam có thể điều chỉnh được góc độ phối khí Giải pháp này cho phép giảm nồng độ HC và NOx từ 20 đến 25% so với động cơ kiểu cũ có cùng các tính năng kinh tế-kĩ thuật

Cuối cùng, đối với động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo, việc làm giảm nồng độ

NOx trong khí xả có thể được thực hiện riêng rẽ hay đồng thời hai giải pháp sau đây:

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

- Hồi lưu một bộ phận khí xả (EGR: Exhaust Gas Recirculation)

Ngày nay, hệ thống hồi lưu khí xả được dùng phổ biến trên tất cả loại động cơ đánh lửa cưỡng bức cổ điển hay động cơ thế hệ mới làm việc với hỗn hợp nghèo Nó cho phép làm bẩn hỗn hợp ở một số chế độ công tác của động cơ nhằm làm giảm nhiệt độ cháy

và do đó làm giảm được nồng độ NOx

Về mặt kết cấu nói chung, hệ thống hồi lưu khí xả gồm một van hồi lưu, một hệ thống điều khiển điện trợ lực khí nén và một bộ vi xử lí chuyên dụng Bộ vi xử lí này nhận tín hiệu từ các cảm biến về nhiệt độ nước làm mát, nhiệt độ khí nạp, tốc độ động cơ, lượng nhiên liệu cung cấp Sau khi xử lí thông tin nhờ các quan hệ lưu trữ sẵn trong bộ nhớ, bộ

vi xử lí phát tín hiệu để điều khiển hệ thống điện trợ lực khí nén đóng mở van hồi lưu để cho quay ngược một lượng khí xả thích hợp vào đường nạp

Hệ thống hồi lưu khí xả phải được điều chỉnh theo tốc độ và tải của động cơ để tránh xảy ra hiện tượng cháy không bình thường làm gia tăng HC trong khí xả Trong quá trình làm việc, van điều khiển khí xả hồi lưu có thể bị kẹt do sự ngưng tụ của sản phẩm cháy nên cần phải pha chất phụ gia tẩy rửa vào xăng

7.1.2 Động cơ Diesel Đối với động cơ Diesel các giải pháp kĩ thuật tối ưu làm giảm mức độ phát sinh ô nhiễm ngay trong buồng cháy cần phải được cân nhắc giữa nồng độ của các chất HC, NOx và bồ hóng trong khí xả

Như chúng ta đã phân tích ở chương 6, việc thay đổi góc phun sớm có ảnh hưởng trái ngược nhau đến nồng độ HC và NOx (hình 7.1)

Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm của động cơ đốt trong

106

Hình 7.1 : Ảnh hưởng của góc phun sớm đến sự hình thành

HC và NO x trong khí xả động cơ Diesel

Các nhà chế tạo động cơ Diesel đã đề ra nhiều biện pháp khác nhau về kĩ thuật phun và tổ chức quá trình cháy nhằm giới hạn nồng độ hai chất ô nhiễm này Các biện pháp chính là:

- Tăng tốc độ phun để làm giảm nồng độ bồ hóng do tăng tốc độ hòa trộn

nhiên liệu-không khí

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

- Điều chỉnh dạng quy luật phun (quan hệ lưu lượng-thời gian) theo khuynh hướng kết thúc nhanh quá trình phun để làm giảm HC

Đối với động cơ Diesel, dạng hình học của buồng cháy ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm quan trọng hơn là đối với động cơ xăng Cũng như động cơ xăng, hồi lưu khí xả là một trong những biện pháp hiệu quả nhất để giảm mức độ phát sinh NOx

trong động cơ Diesel Tuy nhiên, về mặt kết cấu, hệ thống hồi lưu khí xả trên động cơ Diesel phức tạp hơn vì độ chân không trên đường nạp quá bé không đủ sức mở van hồi lưu Vì vậy, ngoài bộ vi xử lí chuyên dụng, van điện từ trợ lực khí nén và van hồi lưu, hệ thống còn có một bơm tạo chân không (hình 7.2) Mặt khác, người ta cũng sử dụng thêm các phương pháp phụ sau đây để tăng độ chân không để hút khí xả vào đường nạp:

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

0 +2

Hình 7.2: Sơ đồ nguyên lí của hệ thống hồi lưu khí xả động cơ Diesel

Hiện nay, tỉ lệ khí xả hồi lưu của động cơ Diesel trên ô tô du lịch còn thấp Trong tương lai, chắc chắn tỉ lệ này phải tăng lên để thỏa mãn luật môi trường ngày càng trở nên khắt khe hơn Tuy nhiên, khí xả hồi lưu có thể làm tăng một ít nồng độ bồ hóng (hình 7.3)

và đó là điều cần phải xem xét Cũng như đối với động cơ đánh lửa cưỡng bức, khí xả hồi lưu là nguồn gây bẩn đường nạp và buồng cháy Vì vậy, việc sử dụng rộng rãi hệ thống hồi lưu khí xả trên động cơ Diesel cần phải đi song song với việc phát triển dầu Diesel có chứa chất tẩy

4 8 12

0,4 0,8

Phát sinh NOx (mg/g nhiên liệu)

Phát sinh bồ hóng (mg/g nhiên liệu)

Van hồi lưu khí xả

Bộ trao đổi không khí/không khí

Máy nén

Bộ vi xử lý

Tốc độ

Lưu lượng nhiên liệu Lọc khí

Lưu lượng kế Bơm hút Van điện/khí nén

Lọc

độ phát ô nhiễm ngay từ trong quá trình cháy

7.2 Xử lí khí xả bằng bộ xúc tác

Việc xử lí khí xả động cơ đốt trong bằng bộ xúc tác đã được nghiên cứu và phát triển ở Mĩ cũng như ở Châu Âu từ những năm 1960 Đầu tiên, người ta sử dụng các bộ xúc tác oxy hóa trên những động cơ hoạt động với hỗn hợp giàu Sau đó, hệ thống xúc tác lưỡng tính đã được phát triển để xử lí khí xả Hệ thống này bao gồm bộ xúc tác khử, bộ cung cấp không khí và bộ xúc tác oxy hóa Bộ xúc tác 'ba chức năng' đầu tiên được đưa vào sử dụng từ năm 1975 trên động cơ đánh lửa cưỡng bức làm việc với hệ số dư lượng không khí a xấp xỉ 1 và trở thành bộ xúc tác được ứng dụng rộng rãi nhất hiện nay Từ năm 1990, các bộ xúc tác mới được áp dụng trên động cơ đánh lửa cưỡng bức làm việc với hỗn hợp nghèo, động cơ Diesel và động cơ 2 kì

Trong khi chờ đợi những giải pháp kĩ thuật lí tưởng nhằm hạn chế triệt để các chất

ô nhiễm từ trong quá trình cháy thì việc xử lí khí xả bằng xúc tác là biện pháp hữu hiệu nhất để giảm mức độ phát sinh ô nhiễm của ô tô Người ta ước tính đến năm 2000-2005 sẽ

có hơn 80% ô tô lưu hành được trang bị bộ xúc tác

7.2.1 Bộ xúc tác ba chức năng

Bộ xúc tác 'ba chức năng' (three-way) là bộ xúc tác cho phép xử lí đồng thời CO,

HC và NOx bởi các phản ứng oxy hóa-khử (hai chất đầu tiên bị oxy hóa còn chất thứ ba bị khử)

7.2.1.1 Nguyên tắc chung và cấu tạo của bộ xúc tác

Hai phản ứng oxy hóa diễn ra khi độ đậm đặc f nhỏ hơn hay bằng 1 (hỗn hợp nghèo) Trong khi đó, ba phản ứng phân hủy NO diễn ra thuận lợi trong hỗn hợp giàu Trong các phản ứng khử, người ta chỉ quan tâm đến NO vì nó là thành phần chủ yếu trong

NOx

Trong cùng điều kiện về nhiệt độ, việc oxy hóa CO, HC và khử NOx (nghĩa là 5 phản ứng kể trên phải diễn ra cùng lúc với tốc độ đủ lớn), chỉ có thể diễn ra một cách đồng thời khi hệ số dư lượng không khí của hỗn hợp nạp vào động cơ xấp xỉ 1 Đó là lí do giải thích tại sao tất cả ô tô có bộ xúc tác ba chức năng phải làm việc với tỉ lệ hỗn hợp cháy hoàn toàn lí thuyết và tỉ lệ này được điều chỉnh nhờ cảm biến lambda Tỉ lệ biến đổi các chất ô nhiễm qua bộ xúc tác rất nhạy cảm đối với sự thay đổi tỉ lệ hỗn hợp (hình 7.4)

Mặt khác, việc duy trì thành phần hỗn hợp có f=1 ngoài việc tăng tỉ lệ biến đổi các chất ô nhiễm nó còn hạn chế phản ứng 'nhiễu' tạo N2O (protoxyde nitơ):

222

Cường độ các phản ứng này bé nhất khi độ đậm đặc của hỗn hợp xấp xỉ 1

Hình 7.4: Biến thiên hiệu quả ống xả xúc tác 3 chức năng theo độ lệch

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

20 40 60 80 100

0 -0,1

HC

CO

NOx NO ->N 2 O

Biến thiên tỉ số không khí/nhiên liệu Cháy hoàn toàn

lí thuyết

Hệ thống xúc tác bao gồm gộp đỡ (support) và lớp kim loại hoạt tính Ngày nay

gộp bằng gốm hay kim loại liền một khối, gọi là monolithe, được dùng rộng rãi nhất Gộp

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

Vật liệu gồm dùng phổ biến là cordiérite: 2MgO,2Al2O3,5SiO2 Vật liệu này có ưu điểm là nhiệt độ nóng chảy cao (1400°C) do đó nó có thể chịu đựng được nhiệt độ khí xả

và nhiệt độ xúc tác (đôi lúc lên đến 1100°C)

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

Lớp hoạt tính là nơi diễn ra các phản ứng xúc tác được chế tạo bằng những kim loại quý mạ thành lớp rất mỏng trên vật liệu nền (wash-coat) Vật liệu nền rất cần thiết vì gộp đỡ (kim loại hay gốm) có diện tích bề mặt riêng thấp Vật liệu nền chủ yếu là một lớp nhôm gamma, bề dày khoảng 20-50 micron được tráng trên bề mặt của rãnh gộp Sự hiện diện của nó cho phép làm tăng bề mặt riêng của gộp do đó thuận lợi cho hoạt tính xúc tác của kim loại quý Ngoài nhôm ra, vật liệu nền còn chứa những thành phần ổn định cũng như những kim loại khởi động cho hoạt tính xúc tác

Có 3 loại kim loại quý thường được dùng để tráng trên bề mặt của vật liệu nền: Platine, Palladium, Rhodium Hai chất đầu tiên (Pt, Pd) dùng cho các phản ứng xúc tác oxy hóa, trong khi đó Rh cần thiết cho phản ứng xúc tác khử NOx thành N2 Thành phần Pt/Pd được lựa chọn dựa trên một số yêu cầu về tính năng của bộ xúc tác: hiệu quả xúc tác

ở nhiệt độ thấp, độ bền, tuổi thọ Khối lượng kim loại quý dùng cho mỗi bộ xúc tác rất thấp, khoảng từ 1 đến 2 gam cho mỗi ô tô

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

7.2.1.2 Khởi động bộ xúc tác

Bộ xúc tác ba chức năng chỉ phát huy tác dụng khi nhiệt độ làm việc lớn hơn 250°C Khi vượt qua ngưỡng nhiệt độ này, tỉ số biến đổi những chất ô nhiễm của bộ xúc tác tăng rất nhanh, đạt tỉ lệ lớn hơn 90% Do đó, trên ô tô bộ xúc tác chỉ tác động sau một khoảng thời gian khởi động nhất định để nhiệt độ của bộ xúc tác đạt được giá trị ngưỡng này Trong khoảng thời gian đó, các chất ô nhiễm trong khí xả hầu như không được xử lí Thực nghiệm cho thấy bộ xúc tác đạt được nhiệt độ ngưỡng sau khi ô tô chạy được từ 1 đến 3 km trong thành phố

ở nhiệt độ tương đối thấp Vì vậy, trên động cơ, nhiệt độ khởi động bộ xúc tác có thể chênh lệch từ 10 đến 20 độ tùy theo thành phần nhiên liệu sử dụng

Một biện pháp dùng để giảm thời gian khởi động là sấy bộ xúc tác bằng điện Biện pháp này tốn kém, công suất cần thiết của thiết bị sấy tương đối cao (khoảng 5,5kW để đạt được nhiệt độ sấy từ 300 đến 350°C trong 15s)

7.2.1.3 Sự lão hóa bộ xúc tác

Tính hiệu quả của bộ xúc tác giảm dần theo thời gian sử dụng (hình 7.6) Nguyên nhân gây lão hóa này là do tác động đồng thời của các tác nhân hóa, lí, nhiệt và cơ học, trong đó tác nhân hóa học do nhiên liệu trực tiếp hay gián tiếp gây ra là quan trọng nhất

Hình 7.5: Nhiệt độ khởi động đối với các hợp chất hữu cơ khác nhau

500 600 700

800

Nhiệt độ khởi động (K)

Alcanes

Acétylène

Alcools Ethylène

Aromatique

Số nguyên tử Carbon

HCCONOx

10 100

Gia tăng nhiệt độ khởi động (C)

bộ xúc tác do chúng bị hấp thụ trên bề mặt kim loại quý

Hình 7.6: Ảnh hưởng của chì đến bộ xúc tác 3 chức năng

Vì vậy, phải tránh việc sử dụng xăng pha chì đối với động cơ có ống xả xúc tác Tuy nhiên, xăng pha chì không hủy hoàn toàn hoạt tính xúc tác Tính xúc tác có thể được phục hồi lại một phần khi sử dụng xăng không pha chì (hình 7.6)

B Tác động của phosphore

Sự hiện diện của phosphore trong nhiên liệu gây ảnh hưởng rất nghiêm trọng đến

bộ xúc tác Phosphore một mặt gây ra sự sai lệch tín hiệu của cảm biến lambda và mặt khác, làm giảm hiệu quả của bộ xúc tác, nhất là đối với việc oxy hóa CO

Quãng đường chạy (mile)

500 1000 1500 2000 2500 3000 100

200300400

4

8

12

16 2

1

0

Mức độ phát ônhiễm (% giá trị ban đầu)

Mức độ phát ônhiễm (g/mile)

HC CO

1 bình xăng pha chì

3 bình xăng không pha chì

1 bình xăng pha chì

3 bình xăng không pha chì

Trong thực tế, nhiên liệu thông thường có hàm lượng phosphore nhỏ hơn 0,02ppm Mặt khác, phosphore trong khí xả cũng có thể bắt nguồn từ chất chống mòn pha trong dầu bôi trơn (dialkyldithiophosphate kẽm) Tuy nhiên, hàm lượng đó không đủ gây ra những tác hại đáng kể đối với bộ xúc tác

C Tác động của lưu huỳnh

Lưu huỳnh hiện diện trong xăng có tác hại làm trơ hóa dần bộ xúc tác ba chức năng, đặc biệt là trong điều kiện hỗn hợp tương đối giàu Tuy nhiên sự trơ hóa do lưu huỳnh gây ra có thể phục hồi khi sử dụng xăng có thành phần lưu huỳnh rất thấp

Lưu huỳnh trong xăng còn có thể gây ra một hiện tượng bất lợi khác: phát sinh những bọng khí H2S trong một số điều kiện làm việc, chẳng hạn khi khởi động ở trạng thái nguội hay khi chạy không tải sau giai đoạn giảm tốc Thật vậy, khi động cơ làm việc với hỗn hợp tương đối nghèo, lưu huỳnh được lưu trữ dưới dạng sulfate, chủ yếu là sulfate cerium Hợp chất này sau đó biến thành H2S khi thành phần nhiên liệu-không khí tức thời chuyển sang giàu Để chống lại hiện tượng này, người ta pha vào kim loại xúc tác một hàm lượng kền rất bé Giải pháp này được áp dụng ở Mĩ nhưng không được áp dụng ở Châu Âu do độc tính của kền

7.2.2 Bộ xúc tác oxy hóa dùng cho động cơ Diesel

Bộ xúc tác oxy hóa Diesel hiện nay chưa được phổ biến rộng rãi như bộ xúc tác ba chức năng của động cơ xăng vì mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ Diesel về CO và

HC còn nằm trong giới hạn cho phép, chưa cần thiết phải sử dụng thiết bị xử lí trên đường

xả Mặt khác, bộ xúc tác oxy hóa không có tác dụng đối với NOx và chỉ có tác dụng rất giới hạn đối với bồ hóng

7.2.2.1 Đặc điểm của bộ xúc tác và điều kiện sử dụng:

Khí xả của động cơ Diesel có chứa bồ hóng và một lượng bé CO, HC do hệ số dư lượng không khí lớn Trên nguyên tắc, sự xúc tác oxy hóa diễn ra thuận lợi Khó khăn duy nhất 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 thì bộ xúc tác mới bắt đầu khởi động

Vào khoảng 300°C, bộ xúc tác bắt đầu oxy hóa đồng thời SO2 thành SO3 Các chất này do lưu huỳnh trong nhiên liệu tạo ra Đây là một hiện tượng rất xấu vì nó làm gia tăng

Hình 7.7: Biến thiên của tỉ lệ oxy hóa theo nhiệt độ khí xả

Hình 7.8: Ảnh hưởng của thành phần lưu huỳnh trong nhiên liệu

đến sự phát sinh hạt rắn theo nhiệt độ khí vào ống xả

Về mặt kết cấu, kim loại quý dùng cho bộ xúc tác oxy hóa Diesel chủ yếu là Platine và Palladium hoặc hợp kim của hai chất này, trong đó Palladium được ưa chuộng hơn vì nó khó oxy hóa SO2 thành SO3

25 50 75 100

CO HC

0,3%

Phát sinh bồ hóng (g/h)

Nhiệt độ khí vào bộ xúc tác (°C)

Thành phần lưu huỳnh

0,15%

0,1%

0,05%

0%

Sự hiện diện của lưu huỳnh trong dầu Diesel, ngay cả khi hàm lượng rất bé, cũng gây ảnh hưởng đáng kể đến hoạt tính của bộ xúc tác, đặc biệt là nó làm tăng nhiệt độ khởi động của bộ xúc tác (hình 7.9) Tuy nhiên bộ xúc tác có thể phục hồi được đặc tính ban đầu khi động cơ sử dụng nhiên liệu không chứa lưu huỳnh

Hình 7.9: Ảnh hưởng của thành phần lưu huỳnh trong nhiên liệu

đến nhiệt độ khởi động của bộ xúc tác

7.2.2.2 Hiệu quả của bộ xúc tác oxy hóa Diesel

Như trên đã nêu, việc sử dụng bộ xúc tác oxy hóa phải kèm theo việc sử dụng nhiên liệu Diesel không chứa lưu huỳnh Thử nghiệm động cơ ô tô nhẹ theo chu trình ECE+EUDC cho thấy bộ xúc tác oxy hóa trên động cơ Diesel có thể làm giảm trung bình 35% đối với CO, 30% đối với HC, 25% đối với hạt rắn hòa tan (SOF)

7.2.3 Khử oxyde nitơ trong môi trường có sự hiện diện của oxy

Kĩ thuật này thường được gọi là 'khử NOx' được dùng trên động cơ đánh lửa cưỡng bức làm việc với hỗn hợp nghèo và trên động cơ Diesel Nó là đối tượng nghiên cứu của rất nhiều công trình nhưng cho tới nay kĩ thuật đó vẫn chưa được triển khai trong công nghiệp 'Khử NOx' là vấn đề mấu chốt trong xử lí khí xả trên đường thải, vì ngày nay ngoài

hệ thống hồi lưu khí xả khả dĩ làm giảm NOx ngay trong quá trình cháy (nhưng gây ra những nhược điểm về tính kinh tế-kĩ thuật của động cơ), chưa có một giải pháp kĩ thuật nào nào khả dĩ khử được NOx đối với hai loại động cơ vừa nêu, mà chính hai loại động cơ

đó lại là những động cơ có rất nhiều ưu thế về tính năng kinh tế-kĩ thuật

Bộ xúc tác khử NOx chủ yếu là giảm oxyde nitric NO, chất chiếm đại bộ phận trong NOx Sự phân giải NO được viết như sau:

2NO -> N2 + O2

20 40 60

0,15%

0,05%

0%

∆T=25°C

NO + NH3 + 0,25O2 -> N2 + 1,5H2O

25 50 75 100

Tỉ lệ biến đổi

Nhiệt độ (°C)

10 20 30

Tỉ lệ biến đổi

Nhiệt độ (°C)

25 50 75 100

Tỉ lệ biến đổi

Nhiệt độ (°C)

Không phun Phun

CO

NOx

HC

Phản ứng trên cho phép loại trừ được 70-80% NO chứa trong khí xả Tuy nhiên, kĩ thuật này hiện nay chưa được áp dụng trên động cơ ô tô (thời gian tiếp xúc cần thiết lớn, độc tính của ammoniac )

Các nghiên cứu mới đây được tiến hành theo hướng khử NO bằng hydrocarbure đã

có mặt hay được cung cấp thêm vào trong khí xả Phản ứng khử được viết như sau:

NO + Hydrocarbure > N2 + CO2 + H2O Phản ứng trên thực tế xảy ra với tỉ lệ biến đổi từ 40-80% nhờ bộ xúc tác đồng phủ trên nền zéolithe hay platine phủ trên nền zéolithe Tuy nhiên, điều kiện trong khí xả động

cơ còn khác biệt nhiều so với điều kiện thí nghiệm tối ưu đối với phản ứng trên vì:

- Nhiệt độ khí xả quá thấp (150-250°C so với điều kiện thí nghiệm 400-500°C)

- Nồng độ hydrocarbure không đủ (thấp hơn điều kiện thí nghiệm từ 20-40 lần)

Tuy điều kiện thực tế còn khác biệt nhiều so với điều kiện thí nghiệm nhưng phương pháp khử NOx bằng hydrocarbure có rất nhiều hứa hẹn Hình 7.10 giới thiệu một vài kết quả được công bố trong những năm gần đây

Ngoài những khó khăn vừa nêu, trước khi đưa bộ xúc tác khử NOx bằng hydrocarbure vào ứng dụng trong công nghiệp, người ta cũng cần phải giải quyết một số vấn đề kĩ thuật khác chẳng hạn như khống chế phản ứng tạo N2O và kéo dài tính ổn định của bộ xúc tác theo thời gian Trong thực tế, bộ xúc tác khử NOx ở động cơ Diesel không cần phải đạt tính năng cao như bộ xúc tác ba chức năng Tỉ số biến đổi NOx chừng 30-40% là có thể chấp nhận được Cũng giống như các bộ xúc tác khác, việc xử dụng bộ xúc tác khử NOx trên đường xả động cơ Diesel cần phải đi kèm với việc sử dụng nhiên liệu không chứa lưu huỳnh

7.3 Lọc hạt rắn

Nhờ những thành tựu trong nghiên cứu hoàn thiện việc tổ chức quá trình cháy trong động cơ Diesel mà trong hai mươi năm qua, mức độ phát sinh hạt rắn của động cơ Diesel đã giảm đi rất nhiều Mức độ phát sinh bồ hóng của động cơ Diesel lắp trên ô tô du lịch ở Châu Âu đã giảm từ 0,50 g/km xuống 0,08g/km, thỏa mãn tiêu chuẩn ô nhiễm năm

1996 của EU Với tốc độ tiến bộ như hiện nay trong nghiên cứu quá trình cháy và nâng cao tính chất nhiên liệu, trong những năm tới đây, các thế hệ động cơ Diesel mới có thể thỏa mãn được tiêu chuẩn Euro 2000 (khoảng 0,05 g/km)

Nghiên cứu hoàn thiện quá trình cháy có thể làm giảm nồng độ bồ hóng trong điều kiện cháy bình thường Tránh tập trung nhiên liệu ở những vùng có nhiệt độ cao là điều kiện tiên quyết để hạn chế mức độ phát sinh bồ hóng Tuy nhiên, trên các phương tiện vận tải động cơ thường xuyên tăng giảm tải trong khi vận hành và đó là nguyên nhân cơ bản phát sinh bồ hóng trong động cơ Diesel hiện đại

Tuy nhiên cho dù nồng độ bồ hóng trong khí xả Diesel giảm đi nhiều, nó vẫn luôn

là mối quan tâm của các nhà khoa học vì bồ hóng rất dễ đi sâu vào phổi, bị giữ lại ở phế nang gây nhiều tác hại đối với cơ quan hô hấp Người ta thấy rằng trong số những hạt bụi

có mặt trong khí quyển thì những hạt có kích thước tương ứng với hạt bồ hóng bị giữ lại trong phổi dễ dàng nhất và tồn tại ở đó trong thời gian dài nhất

Chính vì lẽ đó, việc lọc bồ hóng trên đường xả của động cơ Diesel rất được quan tâm trong những năm gần đây cho dù kĩ thuật này còn phức tạp và tốn kém

Bồ hóng trong khí xả có kích thước rất bé Đa số hạt bồ hóng (hơn 90% số hạt) có đường kính trung bình khoảng 1µm Lọc hạt cỡ này rất khó vì nó sẽ gây tổn thất lớn trên đường thải Hạt bồ hóng xốp, có khối lượng riêng trung bình khoảng 0,07g/cm3 nên lọc bị tắt rất nhanh Làm sạch thường xuyên bồ hóng bám trên lõi lọc là điều kiện cần thiết để đảm bảo lọc hoạt động bình thường Lọc bồ hóng tập trung giải quyết hai vấn đề cơ bản đó

là lựa chọn kĩ thuật lọc và phương pháp tái sinh lọc

7.3.1 Kĩ thuật lọc

bồ hóng

Có nhiều phương án lọc bồ

hóng khác nhau nhưng nhìn chung

chúng dựa trên cùng nguyên tắc là

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 được chế tạo thành dạng tổ ong và được làm kín ở một đầu xen kẽ nhau (hình 7.11) Khí xả vào đầu hở của lọc, khi qua các lỗ xốp của thành bồ hóng bị giữ lại Trong lõi lọc hiện đại, dây điện trở được bố trí trong thành gốm để đốt bồ hóng trong quá trình tái sinh Lọc bằng vật liệu gốm thường hay bị nứt hỏng do ứng suất nhiệt khi tái sinh và xung lực của dòng khí thải

Thành xốp

Nút gốm