Tìm hiểu thiết bị phân tích thành phần khí thải động cơ đốt trong CEBII

Trong sự phái triển của loài người, con người luôn tìm hiểu, sáng tạo ra các thiết bị sản phẩm nhằm thoả mãn các nhu cầu của mình. Sự đi lại là một trong những nhu cầu thiết yếu dó. Chính vì vậy, động cơ, ô_tô đã ra đời phục vụ cho nhu cầu này. Cùng với sự phái triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật động cơ, ô_tô càng ngày càng hoàn thiện. Tuy nhiên ngoài những mặt tích cực còn có mặt tiêu cực đó là sự ô nhiễm do động cơ sinh ra. Sự ô nhiễm đó càng ngày càng nghiêm trọng ảnh hưởng tới môi trường sống của con người. Chính vì vậy, các nhà khoa học cùng với các nhà sản suất ngày nay đang nghiêm cứu, áp dụng các phương pháp mới để tăng hiệu quả, hiệu suất của động cơ cùng với việc giảm sự ô nhiễm do động cơ gây ra. Riêng tại Việt Nam, vấn đề này là một lĩnh vực gần như bị bỏ ngỏ, coi nhẹ mấy năm trước. Nhưng gần đây đặc biệt từ năm 1995 vấn đề này được chính phủ và các cơ quan chức năng quan tâm và đang nghiên cứu triển khai. Tại Việt Nam do đặc thù có nhiều chủng loại phương tiện đan xen nhau hoạt động, có nhiều xe cũ, đường xá chưa tốt, đặc biệt với trình độ chưa cao, công nghệ kỹ thuật còn lạc hậu, ý thức của người dân còn thấp, vì vậy vấn nạn về ô nhiễm môi trường do động cơ, ô_tô gây ra càng cấp bách và cần được giải quyết. Một trong những phương hướng giải quyết vấn nạn này là kiểm soát các loại động cơ, ô_tô đang hoạt động, kiểm soát các loại động cơ, ô_tô nhập khẩu và sản xuất phải đảm bảo thân thiện với môi trường. Như vậy cần có một hệ thống thiết bị đánh giá đo lường tình trạng khí thải của động cơ, đặc biệt cần có một lớp cán bộ kỹ sư đủ trình độ, khả năng sử dụng thiết bị, quản lý theo dõi tình trạng chung của các loại xe và phân tích sử lý các vấn đề liên quan. Với những suy nghĩ như vậy, em đã mạnh dạn xin được chọn đề tài : Tìm hiểu thiết bị phân tích thành phần khí thải động cơ đốt trong CEBII.

LỜI NÓI ĐẦU Trong sự phái triển của loài người, con người luôn tìm hiểu, sáng tạo ra các thiết bị sản phẩm nhằm thoả mãn các nhu cầu của mình. Sự đi lại là một trong những nhu cầu thiết yếu dó. Chính vì vậy, động cơ, ô_tô đã ra đời phục vụ cho nhu cầu này. Cùng với sự phái triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật động cơ, ô_tô càng ngày càng hoàn thiện. Tuy nhiên ngoài những mặt tích cực còn có mặt tiêu cực đó là sự ô nhiễm do động cơ sinh ra. Sự ô nhiễm đó càng ngày càng nghiêm trọng ảnh hưởng tới môi trường sống của con người. Chính vì vậy, các nhà khoa học cùng với các nhà sản suất ngày nay đang nghiêm cứu, áp dụng các phương pháp mới để tăng hiệu quả, hiệu suất của động cơ cùng với việc giảm sự ô nhiễm do động cơ gây ra. Riêng tại Việt Nam, vấn đề này là một lĩnh vực gần như bị bỏ ngỏ, coi nhẹ mấy năm trước. Nhưng gần đây đặc biệt từ năm 1995 vấn đề này được chính phủ và các cơ quan chức năng quan tâm và đang nghiên cứu triển khai. Tại Việt Nam do đặc thù có nhiều chủng loại phương tiện đan xen nhau hoạt động, có nhiều xe cũ, đường xá chưa tốt, đặc biệt với trình độ chưa cao, công nghệ kỹ thuật còn lạc hậu, ý thức của người dân còn thấp, vì vậy vấn nạn về ô nhiễm môi trường do động cơ, ô_tô gây ra càng cấp bách và cần được giải quyết. Một trong những phương hướng giải quyết vấn nạn này là kiểm soát các loại động cơ, ô_tô đang hoạt động, kiểm soát các loại động cơ, ô_tô nhập khẩu và sản xuất phải đảm bảo thân thiện với môi trường. Như vậy cần có một hệ thống thiết bị đánh giá đo lường tình trạng khí thải của động cơ, đặc biệt cần có một lớp cán bộ kỹ sư đủ trình độ, khả năng sử dụng thiết bị, quản lý theo dõi tình trạng chung của các loại xe và phân tích sử lý các vấn đề liên quan. Với những suy nghĩ như vậy, em đã mạnh dạn xin được chọn đề tài : Tìm hiểu thiết bị phân tích thành phần khí thải động cơ đốt trong CEBII. Với mục đích đi sâu tìm hiểu hệ thống hoá các kiến thức và phương pháp sử dụng thiết bị phân tích thành phần khí thải động cơ đốt trong CEBII. Tài liệu chủ yếu là tài liệu nước ngoài vì vậy bài luận của em có thể dùng để tham khảo cho chuyên ngành động cơ nói riêng và kỹ thuật nói chung, một phần nhỏ bé giúp các nhà sản xuất biết cách thức phân tích khí xả của động cơ. Trong đồ án tốt nghiệp của em gồm có ba phần chính : Chương I : Giới thiệu chung về hệ thống thử nghiệm khí thải. Chương II : Thiết bị phân tích khí thải CEBII. Chương III : Vận hành sử dụng thiêt bị. 1 Em xin chân thành cám ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Động Cơ, các kỹ sư bậc đàn anh cùng với các bạn sinh viên. Đặc biệt em xin cám ơn Thạc sỹ : Phạm Hữu Tuyến đã hướng dẫn em tận tình chu đáo giúp em hoàn thành bài luận văn này. Do trình độ, năng lực bản thân còn hạn chế cùng với thời gian có hạn, vì vậy em không tránh được những sai sót khi thực hiện bài luận văn này. Em rất mong nhận được sự góp ý của thầy cô và các bạn để bài luận văn được tốt hơn. Em xin chân thành cám ơn ! Hà Nội, ngày 29 tháng 5 năm 2005 Sinh viên : Đinh Quốc Vinh. 2 CHƯƠNG I NHỮNG VẤN ĐỀ VỀ Ô NHIỄM DO ĐỘNG CƠ SINH RA. 1.1 Vấn đề ô nhiễm môi trường: Cùng với sự phát triển của kinh tế, khoa học, kỹ thuật việc bảo vệ môi trường trở thành vấn đề quan trọng cấp bách của các quốc gia. Một trong những nguồn phát thải chất độc hại đó là phải kể đến khí thải của động cơ đốt trong. Theo các tài liệu báo cáo, hiện nay trên thế giới có 750 – 800 triệu ô_tô các loại thải ra hàng trăm triệu tấn chất độc hại vào môi trường hàng năm. Tại Việt Nam theo thống kê ngày 31 tháng 12 năm 1999 có : 460.000 ô_tô các loại và 5.585.000 xe máy. Hàng năm số lượng xe cộ và lượng chất độc hại do chúng thải ra còn tăng mạnh. Tốc độ tăng lượng xe cộ khoảng gần 12%. Vào năm 2005 ước tính lượng ô_tô lớn hơn 700.000 chiếc và lượng xe máy vào khoảng 15 triệu xe. Các phương tiện trên tập trung chủ yếu ở các thành phố lớn như : TP Hồ Chí Minh là 30% : TP Hà Nội là 12%. Sự tập trung lớn như vậy làm cho nồng độ chất độc hại rất cao (vượt qua nhiều lần nồng độ cho phép). Các chất độc hại này ảnh hưởng tới môi trường rất lớn, theo công bố liên hợp quốc (UNEP) ngày 17 tháng 11 năm 1999 tầng ÔZÔN bị thủng đã chiếm trên 22 triệu km 2 số người bị các bệnh càng ngày càng tăng, nhiều nơi có nồng độ các chất độc hại vượt quá nhiều lần mức độ cho phép như tại LONDON (ANH), Los Angeles, California (MỸ)… Với vấn nạn như vậy vào năm 1992 tại Rio Degianero (Braxin) đâ họp hội nghị thượng đỉnh lần thứ nhất cảnh báo về ô nhiễm môi trường. Vào năm 1997 họp hội nghị thượng đỉnh lần thứ hai tại Kyoto (Nhật) và đưa ra nghị định Kyoto. Năm 2002 họp hội nghị thượng đỉnh lần thứ ba tại Giohanexbot ( Nam Phi ). Và gần đây nghị định Kyoto đã được thực thi tại nhiều nước, cắt giảm lượng khí thải độc hại đến mức tốt thiểu. Cùng với sự cắt giảm lượng khí thải độc hại người ta cũng đưa ra các tiêu chuẩn thử nghiệm xe như : Tiêu chuẩn của Mỹ : Tiêu chuẩn của Châu Âu : Tiêu chuẩn của Nhật. 3 1.2 Sự hình thành các chất độc hại trong khí thải động cơ: Năng lượng cho động cơ hoạt động chính là năng lượng của phản ứng cháy nhiên liệu với không khí trong xylanh. 1.2.1 Sản phẩm cháy và nguồn gốc: Sản phẩm cháy của động cơ đốt trong gồm : - Cac bon nic (CO 2 ) : là sản phẩm khí, kết quả của quá trình cháy hoàn toàn các bon trong nhiên liệu. Nó không gây độc hại tới con người nhưng nó gây ra hiệu ứng nhà kính làm nhiệt độ toàn cầu nóng lên, ảnh hưởng gián tiếp tới con người. 4C n H m + (4n+m) O 2 =4n CO 2 + 2m H 2 O - Cac bon oxit (CO) : Sản phẩm khí không màu, không mùi sinh ra trong quá trình cháy không hoàn toàn các bon trong nhiên liệu, điều kiện cháy thiếu O 2 4 C n H m + (2n+m) O 2 = 4n CO + 2m H 2 O Hàm lượng CO cho phép [ CO ]= 33mg/m 3 . - Hydrocacbon (C n H m ) : là nhiên liệu và dầu bôi trơn cháy không hết, do hỗn hợp cháy quá đậm hoặc do điều kiện cháy không phù hợp. Hydrocacbon có loại không độc nhưng cũng có loại rất độc : • Loại không độc : Parafin (C n H 2n+2 ) • Loại rất độc : Benzen, cacbua thơm. Để đánh giá C n H m người ta đánh giá hàm lượng tổng cộng : Total Hydrocacbon. - Các oxit Nitơ (NO, NO 2, N 2 O 4 ) : được ký hiệu chung là NO x là sản phẩm cháy của N 2 với O 2 ở nhiệt độ cao (trên 1.100 0 C), (gồm có hai thành phần chủ yếu là NO và NO 2 ). - Oxit Nitơ (NO) : chiếm tỷ lệ lớn 95% đến 98%, NO rất độc cho con người, nó gây ra viêm đường niêm mạc, đường hô hấp nhưng NO không bền trong môi trường bình thường, khi NO gặp O 2 nó sẽ tạo ra phản ứng : 2 NO + O 2 = 2 NO 2 - Dioxit Nitơ ( NO 2 ) : có mùi gắt màu đỏ, cũng độc hại tới con người (viêm niêm mạc, viêm phổi), NO 2 khi gặp nước tạo ra Axít : NO 2 + H 2 O  HNO 3 HNO 3 gây ra ăn mòn chi tiết, khi quá nhiều HNO 3 trong môi trường có thể tạo ra mưa Axít. - Hợp chất Andehit (C-H-O) : là chất gây tê, gắt diệt khuẩn tốt và gây ra bệnh ung thư cho con người. - Oxit lưu huỳnh (SO, SO 2 ) : trong sản phẩm cháy chủ yếu chứa dioxit lưu huỳnh (SO 2 ), lưu huỳnh là tạp chất có trong nhiên liệu. Khi đốt cháy nhiên liệu lưu huỳnh bị phản úng : S + O 2 = SO 2 4 SO 2 độc với con người, gây sốc, hại cho niêm mạc và phổi. Khi gặp nước SO 2 tạo thành Axit H 2 SO 3 gây ăn mòn chi tiết và tạo ra mưa axit. SO 2 + H 2 O = H 2 SO 3 - P- M (Particulate – Matter) : P- M bao gồm các hạt rắn, nhiên liệu, các thành phần của nhiên liêu và dầu bôi trơn bám theo. Các hạt rắn có thể là : bồ hóng, muội than, muối sunfat hoặc vẩy kim loại. Các hạt rắn này rất có hại cho đường hô hấp của con người ngoài ra nếu quá nhiều có thể gây ra sương mù do bụi. - Ngoài các chất trên, sản phẩm cháy của động cơ đốt trong còn có H 2 O, O 2 , N 2 . Các chất này không gây độc hại cho con người và môi trường. - Mấy năm trước ơ nước ta còn dùng nhiên liệu pha chì (Pb), vì vậy sản phẩm cháy còn có hợp chất của chì. Chất này rất có hại cho con người, nó gây ra bệnh ưng thư. 1.2.2 Điều kiên hình thành các chất độc hại: 1.2.2.1 Đối với động cơ xăng: Với động cơ xăng các chất độc hại chủ yếu là CO, C n H m và NO x . - Điều kiện hình thành CO : CO được hình thành ở các chế độ khác nhau của λ o Khi hệ số dư lượng không khí nhỏ hơn 1 (λ < 1). Các phản ứng xảy ra trong điều kiện thiếu Oxi vì vậy sản phẩm cháy có nhiều CO, nhiều C n H m còn không cháy hết và ít NO x (vì tuy nhiệt độ cháy cao nhưng không có O 2 để phản ứng với N 2 ). Trong quá trình giãn nở, một phần CO phản ứng với H 2 O : 2CO + 2H 2 O  2CO 2 + H 2 o Khi hệ số dư lượng không khí lớn hơn 1 (λ > 1). Khi λ > 1 về lý thuyết là thừa không khí (O 2 ) tuy nhiên vẫn có vùng trong buồng cháy thiếu O 2 cục bộ ngoài ra tại những vùng sát vách, tại những khe kẽ do ảnh hưởng của hiệu ứng làm lạnh nên nhiên liệu không cháy triệt để. Vì vậy vẫn tồn tại CO khi λ >1. Tuy nhiên phần lớn CO sinh ra kết hợp với O 2 tạo thành CO 2 : 2CO + O 2 = 2CO 2 Khi λ > 1 khá nhiều, CO vẫn sinh ra là do cháy rớt, cháy tiếp phần nhiên liệu còn lại. Nhưng ta có thể nói khi λ tăng thì lượng CO giảm. - Điều kiện hình thành NO x : NO x được hình thành tại nhiệt độ cao và dư O 2 N 2 + O 2  NO x Khi λ < 1 do hỗn hợp đậm vì thế nhiệt độ cháy rất cao nhưng do thiếu O 2 nên lượng NO x thấp. Qua thực nghiệm người ta xác định NO x lớn nhất khi λ = 1,05 ÷ 1,1 5 Khi λ > 1 thừa O 2 nhưng nhiệt độ cháy thấp do hỗn hợp nhạt vì thế lượng NO x sinh ra giảm dần. o Cơ chế hình thành NO : NO chiếm khoảng 95% ÷ 98% tuỳ thuộc vào λ, phần còn lại là NO 2. O 2  2 O (phần tử va chạm vào nhau tạo ra nguyên tử hoạt tính) O + N 2 ↔ NO + N N + O 2 ↔ NO + O (Chuỗi phản ứng Zeldovic) Ngoài ra NO còn được hình thành từ gốc OH : OH + N ↔ NO + H Thực nghiệm chứng tỏ rằng NO hình thành chủ yếu ở phía sau ngọn lửa trong vùng cháy và các phản ứng hình thành NO diễn ra rất chạm so với việc hình thành CO o Cơ chế hình thành NO 2 : NO 2 được hình thành khi : NO + O = NO 2 NO + O 2 = NO 2 + O 1.2.2.2 Đối với động cơ diezen: Đặc điểm của động cơ diezen là có giới hạn cháy rất rộng (λ = 1,2 ÷ 10). Qua thực nghiệm người ta xác định các chất độc hại chủ yếu của động cơ diezen là CO, C n H m , NO x và P – M. - Điều kiện hình thành CO Khi λ lớn hơn 1 nhiều lần thì vẫn tồn tại CO vì vẫn có phần cục bộ thiếu O 2 , và vẫn còn nhiên liệu tại vùng khe kẽ không cháy triệt để vì hiệu ứng sát vách. Khi ta tăng λ lên ban đầu CO có giảm và đến giá trị nhỏ nhất (λ = 2). Nếu ta tiếp tục tăng λ thì lúc đó nhiệt độ cháy giảm làm cho tỷ lệ CO tái hợp với O 2 trong quá trình giãn nở giảm do đó lượng CO thải ra tăng. - Điều kiện hình thành C n H m Khi tăng λ thì nhiệt độ cháy giảm, do ảnh hưởng của hiệu ứng sát vách nên phần nhiên liệu không cháy được tăng lên. So với động cơ xăng thì động cơ diezen có lượng C n H m trong khí thải ít hơn. - Điều kiện hình thành NO x Khi ta tăng λ thì nhiệt độ cháy giảm vì vậy lượng NO x sinh ra cũng giảm. So với động cơ xăng thì lượng NO x của động cơ diezen ít hơn. Tỷ lệ thành phần NO 2 trong động cơ diezen nhỏ hơn động cơ xăng (với xăng NO 2 : 5% ÷ 15%, với diezen NO 2 : 1% ÷ 10%) - Điều kiện hình thành P – M 6 Nguyên nhân tạo ra P – M là do nhiên liệu cháy ở dạng hạt lỏng nhỏ ly ti tạo ra muội than (soot) hay các hạt vẩy tróc mòn của động cơ hoặc do các hạt muối sunfat, các hạt này thường có chất lỏng bám theo là nhiên liệu cháy không hết và dầu bôi trơn. Hạt P – M có kích thước 0,01μm ÷ 1μm (phần lớn có kích thước < 0,3μm) (Dễ hít vào đường hô hấp vì vậy rất hại cho sức khoẻ của con người). Khi ta tăng λ thì tỷ lệ nhiên liệu ít do đó ít tạo thành giọt làm cho ít tạo muội. Tuy nhiên khi λ > 3 thì lượng P – M không đổi là do các nguyên nhân khác chứ không phải do nhiên liệu. - Phương pháp hình thành hỗn hợp cũng ảnh hưởng tới lượng chất độc hại : Với hỗn hợp màng ảnh hưởng của hiệu ứng sát vách mạnh hơn so với hỗn hợp thể tích vì thế lượng C n H m cũng nhiều hơn. Nếu sử dụng buồng cháy ngăn cách thì giảm được lượng NO x vì khi cháy ở buồng cháy phụ nhiên liệu rất nhiều nhưng thiếu O 2 vì vậy NO x cũng không tạo ra nhiều. Khi cháy sang buồng cháy chính O 2 nhiều nhưng nhiệt độ không cao vì thế cũng khó sinh ra NO x . (NO x ở buồng cháy ngăn cách có khi chỉ bằng ½ so với buồng cháy thống nhất). Nếu tổ chức xoáy lốc và hoà trộn tốt thì lượng C n H m trong khí thải sẽ giảm. - Các chế độ làm việc của động cơ cũng ảnh hưởng tới thành phần chất độc hại: o Khởi động nguội Khi khởi động nguội lúc đó ta cần λ nhỏ, hỗn hợp rất đậm vì vậy lượng CO rất lớn, ngoài ra khi khởi động nguội nhiệt độ các chi tiết thấp do đó sự bay hơi nhiên liệu tồi dẫn đến khí thải nhiều muội và nhiều C n H m . Khi khởi động nhiệt độ thấp nên lượng NO x thấp. o Khi hâm nóng máy Nhiệt độ chi tiết tăng, λ không nhỏ như khi khởi động vì vậy lượng CO, C n H m trong khí thải giảm dần và NO x tăng dần. o Khi tăng tốc  Động cơ xăng dùng chế hoà khí Khi tăng tốc λ đậm đột ngột vì thế lượng CO, C n H m tăng đột ngột còn NO x thì giảm.  Động cơ phun xăng đa điểm Hệ thống luôn đảm bảo λ phù hợp kể cả khi tăng tốc do đó các thành phần độc hại khí xả thay đổi không đáng kể.  Động cơ diezen không tăng áp Khi thời gian phun thay đổi lượng nhiên liệu tăng nhưng không khí cũng kịp thời ùa vào làm cho thành phần các chất độc hại trong khí thải thay đổi không đáng kể.  Động cơ diezen có tăng áp 7 Do cản của tuabin máy nén nên không khí không đáp ứng kịp khi tăng tốc vì thế lượng CO, C n H m, P – M tăng và NO x giảm. o Khi giảm tốc hay khi động cơ bị kéo cưỡng bức  Động cơ xăng dùng chế hoà khí Khi giảm tốc hay khi động cơ bị kéo cưỡng bức nhiên liệu vào nhiều mà không khí vào ít làm cho hỗn hợp rất đậm dẫn đến lượng CO và C n H m trong khí thải rất lớn.  Động cơ phun xăng Đa số trường hợp là bộ điều khiển cắt phun nhiên liệu  Động cơ diezen Với động cơ diezen thì lúc đó bộ điều tốc sẽ bị kéo về vị trí không tải, nếu số vòng quay quá lớn thì bộ điều tốc sẽ kéo về vị trí cắt nhiên liệu. 8 CHƯƠNG II GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG THỬ NGHIỆM KHÍ THẢI 2.1 Sơ đồ và nguyên lý của hệ thống: 2.1.1 Giới thiệu chung về hệ thống thử nghiệm khí thải động cơ ôtô: - Chức năng của hệ thống thử nghiệm khí thải: Hệ thống thử nghiệm khí thải có chức năng chính là phân tích xác định thầnh phần nồng độ các chất độc hại có trong khí thải của động cơ ôtô theo các chu trình thử. Các kết quả thử được sử dụng để đăng ký chất lượng, nghiên cứu và phát triển. - Hệ thống bao gồm các cụm chi tiết chính sau: • Hệ thống băng thử động lực. • Hệ thống lấy mẫu khí thải. • Hệ thống điều khiển phân tích. - Các điểm đo trong hệ thống thử nghiệm: Hệ thống thử nghiệm cho phép lấy mẫu khí thải tại ba vị trí khác nhau: • Vị trí thứ nhất: Lấy mẫu khí thải ngay sau đường ống thải (Rawgas), khí thải lúc này chưa được làm loãng. Kết quả hiển thị giá trị thay đổi theo thời gian dùng cho nghiêm cứu và phát triển. • Vị trí thứ hai: Lấy mẫu khí thải đã được pha loãng trước ống Venturi, đo liên tục (Diluted). Kết quả cũng được hiển thị theo thời gian và cũng được dùng để nghiên cứu, phát triển. • Vị trí thứ ba: Lấy mẫu khí thải từ túi khí, người ta đo giá trị trung bình và giá trị này dùng để đăng ký chất lượng. - Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống: 9 Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống phân tích khí xả. 10