tiểu luận khí xả động cơ ô tô

Các thành phần độc hại chính trong khí thải bao gồm: Ô xít các bon CO: chủ yếu có trong khí thải động cơ xăng, được hình thành do hỗn hợp cháy giàu nhiên liệu, không đủ ô xi để chuyển h

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TÀO

Họ và tên học viên: Lê Hữu Tuyên

Lớp: Cao học K36

Hướng dẫn: PGS TS Trần Thanh Hải Tùng

MỤC LỤC

1.THÀNH PHẦN VÀ ĐẶC TÍNH PHÁT THẢI CỦA XE CƠ GIỚI 2

1.1 Thành phần phát thải 2

1.2 Đặc tính phát thải của xe cơ giới 3

1.2.1 Đặc tính phát thải CO 3

1.2.2 Đặc tính phát thải HC 3

1.2.3 Đặc tính phát thải NOx 5

1.2.4 Bụi hạt (PM) 5

1.2.5 Khói, ồn và mùi khó chịu 5

2 CƠ CHẾ HÌNH THÀNH HC CHƯA CHÁY 6

2.1 Sự phát sinh HC trong khí thải động cơ đốt trong 6

2.2 Cơ chế tôi màng lửa 7

3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH HC TRONG ĐỘNG CƠ XĂNG 8

3.1.Ảnh hưởng của tôi màng lửa trên thành buồng cháy 9

3.2 Ảnh hưởng của các không gian chết 9

3.3 Ảnh hưởng của sự hấp thụ và giải phóng HC ở màng dầu bôi trơn 11

3.4 Ảnh hưởng của chất lượng quá trình cháy 11

3.5 Ảnh hưởng của lớp muội than 12

3.6 Ảnh hưởng của sự oxy hóa HC trong kì giãn nở và thải 12

4 CÁC GIẢI PHÁP HẠN CHẾ PHÁT THẢI HC 13

4.1 Tổ chức tốt quá trình cháy nhằm giảm HC ngay tại nguồn (trong xy-lanh) 13

4.2 Xử lý khí thải 14

4.2.1 Cấu tạo bộ xúc tác 3 chức năng 14

4.2.2 Cơ chế hoạt động của bộ xúc tác 3 chức năng 17

4.3 Sử dụng kết hợp các hệ thống phụ trợ 18

4.4 Các giải pháp có liên quan đến nhiên liệu 19

4.4.1 Sử dụng nhiên liệu sinh học Error! Bookmark not defined. Kết luận 20

TÀI LIỆU THAM KHẢO 22

1.THÀNH PHẦN VÀ ĐẶC TÍNH PHÁT THẢI CỦA XE CƠ GIỚI

1.1 Thành phần phát thải

Xe cơ giới khi hoạt động thải ra các khí độc hại tới sức khỏe con người và môi trường sống chủ yếu qua ống xả, một phần do sự bay hơi nhiên liệu từ hệ thống nhiên liệu như bình chứa, caburetor, đường ống dẫn và và một phần khí cháy lọt xuống hộp các te - trục khuỷu Các thành phần độc hại chính trong khí thải bao gồm:

Ô xít các bon (CO): chủ yếu có trong khí thải động cơ xăng, được hình thành

do hỗn hợp cháy giàu nhiên liệu, không đủ ô xi để chuyển hóa cácbon thành CO2

Các Hyđrô cácbon (HC): chủ yếu có trong khí thải động cơ xăng do hỗn hợp

không được đốt cháy hoặc cháy một phần Ngoài ra, ở những xe không có các hệ thống kiểm soát khí thải thì một lượng đáng kể HC (đến 20 %) bị bay hơi từ hệ thống nhiên liệu khi xe ở các trạng thái vận hành khác nhau và một phần (khoảng 20 %)

do khí cháy lọt xuống hộp các te

Do hiện tượng khí quét nên ở những xe chạy bằng động cơ 2 kỳ, có khoảng 15-35% hỗn hợp không khí/nhiên liệu không cháy thoát ra ngoài Hiện tượng này càng trầm trọng khi sử dụng không đúng dầu 2T (dầu bôi trơn chuyên dùng cho xe

2 kỳ) và pha quá nhiều vào xăng

Các ô xít Ni tơ (NO X ): chủ yếu là ôxít Nitơ (NO) chiến đến 90 % và điôxít

Nitơ (NO2) được hình thành do sự kết hợp của Ni tơ và ôxi tự do ở nhiệt độ cao NOx có nhiều ở xe điêzen hạng nặng Trong khi đó, phát thải NOx ở xe điêzen hạng nhẹ chỉ bằng 50-70 % so với xe xăng cùng loại Phát thải NOx ở xe xăng 2 kỳ cũng

ít hơn so với xe xăng 4 kỳ

Bụi hạt, Particulate Mater (PM): có thành phần chính ở giữa là muội than

(mồhóng) và được bao bọc xung quanh bởi các hy đrô các bon nặng (từ dầu nhớt, nhiên liệu thừa) cùng với sun phát, hơi nước Hạt muội là các bon dạng graphít hình cầu có đường kính rất nhỏ, dưới 10 àm gọi là PM10 hoặc dưới 2,5 àm gọi là PM2,5 Bụi hạt gây ra khói và liên quan đến phát thải HC nhưng không tỷ lệ

Phát thải PM ở động cơ điêzen lớn gấp khoảng 5-6 lần so với động cơ xăng 4

Ô xít Lưu huỳnh (SO x ): có ít trong thành phần khí thải xe cơ giới nhưng lượng

phát thải từ động cơ điezen gấp khoảng 3 đến 4 lần so với động cơ xăng

Khí gây hiệu ứng nhà kính: Bao gồm CO2, N2O và CH4, trong đó chủ yếu là

đi ô xit các bon CO2 Đây là sản phẩm cháy bình thường của tất cả các loại động cơ đốt trong Muốn giảm CO2 phải sử dụng các biện pháp tiết kiệm nhiên liệu Xe điêzen phát thải CO2 ít hơn xe xăng cùng loại do tiết kiệm nhiên liệu hơn

Các độc tố trong nhiên liệu: bao gồm Benzen, Formalđêhít, Axetanđêhít, chì,

butađien

Khói, ồn và mùi khó chịu:

+ Khói là thành phần nhìn thấy được, chủ yếu có ở động cơ điênzen và động

cơ xăng 2 kỳ, được tạo ra do thành phần PM trong khí thải Khói đen do thành phần khí thải chủ yếu là muội than (thừa nhiên liệu) Khói xanh hoặc xám do có dầu bôi trơn lọt vào buồng cháy động cơ Còn khói xám do sự có mặt của hơi nước

+ Tiếng ồn, thường phát ra lớn ở động cơ điêzen do áp lực lớn được tạo ra trong xi lanh ở quá trình cháy

+ Mùi sinh ra từ khí thải động cơ xăng là do xăng thừa, còn ở động cơ điêzen

là do sự có mặt của các Aldehyde trong khí thải

1.2 Đặc tính phát thải của xe cơ giới

1.2.1 Đặc tính phát thải CO

CO chủ yếu có trong khí thải động cơ xăng, được tạo ra do đốt cháy hỗn hợp giàu nhiên liệu (tỷ số không khí/nhiên liệu λ <1), không đủ O2 để chuyển hoá C thành CO2 Một lượng nhỏ CO cũng có thể được hình thành trong điều kiện đốt nghèo do hiệu ứng động hoá học Phát thải CO có thể được kiểm soát bằng cách điều chỉnh hệ số λ

1.2.2 Đặc tính phát thải HC

HC chủ yếu phát thải từ động cơ chạy nhiên liệu xăng do hỗn hợp nhiên liệu thừa không được đốt cháy hoặc cháy một phần, do lọt khí xuống các te hoặc do sự

bay hơi của nhiên liệu trong hệ thống cung cấp nhiên liệu trên xe và khí nạp nhiên liệu vào xe

 Phát thải HC từ quá trình cháy

Trong quá trình cháy nguồn hình thành HC ở động cơ 4 kỳ là từ các khoảng trống, kẽ hở giữa pittông và thành xylanh ngay trên vòng găng hay lớp làm mát ngay sau thành buồng cháy do hỗn hợp không cháy được đẩy vào các khoảng trống này

và thoát ra ở kỳ xả Khi bỏ máy hoặc đốt nghèo (tốc độ ngọn lửa quá chậm để hoàn thành quá trình cháy hoặc quá trình cháy không xảy ra) cũng làm tăng HC HC tiếp tục được đốt cháy trong hệ thống xả nếu có O2 và nhiệt độ trên 6000C nên khi ở điều kiện hỗn hợp cháy lý tưởng, tạo ra nhiệt độ cao thì HC trong ống xả thấp hơn đáng

kể so với khi rời xylanh

Ở động cơ 2 kỳ thì hiện tượng “khí quét” và động cơ bỏ máy ở chế độ tải nhẹ làm tăng đáng kể phát thải HC Hiện tượng này càng trầm trọng khi sử dụng không đúng dầu bôi trơn chuyên dùng cho động cơ 2 kỳ và pha quá nhiều vào xăng

HC cũng có trong phát thải khí các te do hỗn hợp khí không cháy hoặc cháy một phần lọt qua vòng găng xuống hộp cacste được thông thẳng ra ngoài

 Phát thải bay hơi

Có một lượng lớn HC trong hơi xăng Phát thải bay hơi phụ thuộc chủ yếu vào mức độ bốc hơi của nhiên liệu và có thể ở các dạng sau:

- Thất thoát hàng ngày từ sự co giãn của hơi xăng trong bình chứa do thay đổi nhiệt độ không khí, vì vậy nó phụ thuộc vào phạm vi thay đổi nhiệt độ và thể tích hơi trong bình chứa

- Thất thoát từ hệ thống nhiên liệu do được hâm nóng sau khi đã tắt động cơ:

Bộ chế hòa khí cũng được hâm nóng và hơi xăng thoát ra ngoài

- Thất thoát từ hệ thống nhiên liệu trong quá trình vận hành

- Thất thoát trong quá trình nghỉ, do sự thẩm thấu qua vật liệu nhựa và cao

su trong hệ thống nhiên liệu

- Thất thoát trong lúc nạp nhiên liệu vào bình chứa

Động cơ diesel phát thải rất ít HC chủ yếu là do nhiên liệu và dầu nhớt không cháy hết, phần lớn ở chế độ tải nhẹ, hỗn hợp quá nghèo nên không cháy được Một nguồn khác sinh ra HC là cặn nhiên liệu ở thành buồng cháy hoặc trong các kẽ hở

do quá trình phun Aldehyde và xeton là hai chất phát thải cùng HC trong động cơ diesel

Muội sơ cấp được hình thành bởi phản ứng hóa học của các hydrocacbon dạng hơi như axetylen ở điều kiện nhiệt độ cao vừa phải và thiếu oxy Điều kiện này luôn tồn tại trong quá trình cháy được kiểm soát khi mà thành phần cháy phía trước ngọn lửa gần đạt lý tưởng với một bên là vùng giàu oxy và bên kia là vùng giàu nhiên liệu Muội sơ cấp sau đó được tích tụ lại thành chuỗi và đám Phần lớn muội hình thành trong quá trình cháy được đốt tiếp ở kỳ giãn nở

Hydrocacbon từ dầu nhớt không cháy đóng góp đáng kể lượng phát thải PM

ở xe hạng nặng chạy nhiên liệu diesel

1.2.5 Khói, ồn và mùi khó chịu

Khói là thành phần nhìn thấy được chủ yếu có ở khí thải động cơ diesel, bao gồm khói đen, khói xanh hoặc xám và khói trắng Khói đen là do thành phần muội trong PM Khói đen thường do phun quá nhiều nhiên liệu hoặc hòa trộn nhiên liệu

và không khí kém

2 CƠ CHẾ HÌNH THÀNH HC CHƯA CHÁY

2.1 Sự phát sinh HC trong khí thải động cơ đốt trong

Sự phát sinh hydrocarbure chưa cháy HC, hay nói một cách tổng quát hơn, sự hình thành các sản phẩm hữu cơ, là do quá trình cháy không hoàn toàn hoặc do một

bộ phận hỗn hợp nằm ngoài khu vực lan tràn màng lửa Điều này xảy ra do sự không đồng nhất của hỗn hợp hoặc do sự dập tắt màng lửa ở khu vực gần thành hay trong các không gian chết, nghĩa là ở khu vực có nhiệt độ thấp, khác với sự hình thành CO

và NOx diễn ra trong pha đồng nhất ở những khu vực có nhiệt độ cao

HC bao gồm các thành phần hydrocarbure rất khác biệt, có độc tính khác nhau đối với sức khỏe con người cũng như có tính phản ứng khác nhau trong quá trình biến đổi hóa học trong bầu khí quyển Thông thường HC chứa một bộ phận lớn méthane Thêm vào đó, chúng còn có các thành phần chứa oxygène có tính phản ứng cao hơn như aldehyde, cetone, phenol, alcool Nếu thành phần chứa carbon chỉ chiếm vài phần trăm trong HC của động cơ đánh lửa cưỡng bức thì aldehyde có thể đạt đến 10% trong HC động cơ Diesel và trong số aldehyde này, formaldehyde chiếm tới 20% tổng số thành phần chứa carbon

Hình 1: Biến thiên nồng độ một số hydrocarbure theo góc quay trục khuỷu Những chất còn lại trong hỗn hợp sau khi màng lửa đi qua không phải là nguồn phát sinh HC chính đo được trên đường xả của động cơ đốt trong Hình 4.11 biểu diễn sự biến thiên nồng độ các thành phần hydrocarbure theo góc quay trục khuỷu

đo được trên thành buồng cháy của động cơ một xylanh Chúng ta thấy rằng, ngay khi màng lửa đi qua, nồng độ HC đo được thấp hơn HC có mặt trong khí xả Vào cuối chu trình, nồng độ HC lại tăng lên Thật vậy, khi màng lửa đã lan đến khu vực gần thành thì nó bị dập tắt và chính HC thoát ra từ các vùng không bị cháy đóng vai trò chủ yếu trong việc làm tăng nồng độ HC

2.2 Cơ chế tôi màng lửa

Tôi màng lửa hay sự dập tắt màng lửa diễn ra khi nó tiếp xúc với thành buồng cháy Quá trình tôi màng lửa có thể xảy ra trong những điều kiện khác nhau: màng lửa bị làm lạnh khi tiếp xúc với thành trong quá trình dịch chuyển hoặc màng lửa bị dập tắt trong những không gian nhỏ liên thông với buồng cháy, chẳng hạn như khe

hở giữa pittông và thành xylanh

Khi màng lửa bị tôi, nó giải phóng một lớp mỏng hỗn hợp chưa cháy hay cháy không hoàn toàn trên các bề mặt tiếp xúc (culasse, piston, xylanh, soupape ) hay ở những không gian chết

Bề dày của vùng bị tôi phụ thuộc vào những yếu tố khác nhau: nhiệt độ và áp suất của hỗn hợp khí, tốc độ lan tràn màng lửa, hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, tình trạng bề mặt của thành buồng cháy, lớp muội than, nhiệt độ thành buồng cháy Người ta có thể sử dụng những công thức thực nghiệm để tính kích thước bé nhất của không gian chết để màng lửa có thể đi qua mà không bị dập tắt

Hình 2 Sự hình thành HC do tôi màng lửa trên thành buồng cháy

Quá trình tôi màng lửa diễn ra theo hai giai đoạn: trong giai đoạn đầu, màng lửa bị tắt khi nhiệt lượng hấp thụ vào thành buồng cháy cân bằng với nhiệt lượng do

màng lửa tỏa ra Vài giây sau khi tôi, do diễn ra sự khuếch tán hay sự oxy hóa nên nồng độ HC tại khu vực này nhỏ hơn nồng độ đo được khi tôi Mặt khác, những hydrocarbure thoát ra trong quá trình oxy hóa ban đầu do màng lửa bị dập tắt có thể

bị oxy hóa trong quá trình giãn nở hay thải

Cuối cùng lớp dầu bôi trơn trên mặt gương xylanh có thể hấp thụ hydrocarbure, nhất là các hydrocarbure trước khi bén lửa và thải HC ra hỗn hợp cháy trong kì giãn nở Quá trình hấp thụ và thải HC như vừa nêu đôi khi là nguồn phát sinh HC quan trọng trong khí xả động cơ đốt trong

3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH HC TRONG

ĐỘNG CƠ XĂNG

Khí xả động cơ xăng thường có chứa từ 1000 đến 3000 ppmC, tương ứng với khoảng từ 1 đến 2,5% lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ Như đã trình bày ở trên nồng độ HC tăng nhanh theo độ đậm đặc của hỗn hợp Tuy nhiên, khi độ đậm đặc của hỗn hợp quá thấp, HC cũng tăng do sự bỏ lửa hay do sự cháy không hoàn toàn diễn ra ở một số chu trình công tác Sự hình thành HC trong động cơ đánh lửa cưỡng bức có thể được giải thích theo các cơ chế sau đây:

- Sự tôi màng lửa khi tiếp xúc với thành tạo ra một lớp hỗn hợp không bị bén lửa trên mặt thành buồng cháy

- Hỗn hợp chứa trong các không gian chết không cháy được do màng lửa bị dập tắt

- Hơi nhiên liệu hấp thụ vào lớp dầu bôi trơn trên mặt gương xylanh trong giai đoạn nạp và nén và thải ra trong giai đoạn giãn nở và cháy

- Sự cháy không hoàn toàn diễn ra ở một số chu trình làm việc của động cơ (cháy cục bộ hay bỏ lửa) do sự thay đổi độ đậm đặc, thay đổi góc đánh lửa sớm hay hồi lưu khí xả, đặc biệt khi gia giảm tốc độ

Mặt khác, muội than trong buồng cháy cũng có thể gây ra sự gia tăng mức độ phát sinh ô nhiễm do sự thay đổi các cơ chế trên đây Tất cả những quá trình này (trừ trường hợp bỏ lửa) làm gia tăng nồng độ HC chưa cháy ở gần thành buồng cháy

chứ không phải trong toàn bộ thể tích buồng cháy Trong quá trình thải có thể xuất hiện hai đỉnh cực đại của nồng độ HC: đỉnh thứ nhất tương ứng với đại bộ phận HC sinh ra trong quá trình cháy chính, đỉnh thứ hai xuất hiện vào cuối kì thải ở thời điểm những bộ phận HC cuối cùng thoát ra khỏi xylanh trong điều kiện lưu lượng khí xả

đã giảm

3.1.Ảnh hưởng của tôi màng lửa trên thành buồng cháy

Bề dày của lớp bị tôi thay đổi từ 0,05 đến 0,4mm phụ thuộc vào chế độ tải của động cơ Khi tải càng thấp thì lớp bị tôi càng dày Sự hiện diện của aldehyde dạng HCHO hay CH3CHO trong lớp tôi chứng tỏ rằng khu vực lớp tôi là nơi diễn ra các phản ứng oxy hóa ở nhiệt độ thấp Sau khi màng lửa bị dập tắt, những phần tử HC

có mặt trong lớp tôi khuếch tán vào khối khí nhiệt độ cao trong buồng cháy và đại

bộ phận bị oxy hóa

Trạng thái bề mặt của thành buồng cháy cũng ảnh hưởng đến mức độ phát sinh HC: nồng độ HC có thể giảm đi 14% trong trường hợp thành buồng cháy được đánh bóng so với trường hợp thành buồng cháy ở dạng đúc thô Lớp muội than gây ảnh hưởng đến nồng độ HC tương tự như trường hợp thành buồng cháy nhám

3.2 Ảnh hưởng của các không gian chết

Các không gian này được xem là nguyên nhân chủ yếu phát sinh HC Các không gian chết quan trọng nhất là các khe hở giới hạn giữa piston, segment và cylindre Những không gian chết khác bao gồm chân ren và không gian quanh cực trung tâm của bougie, không gian quanh nấm và đế soupape, không gian giới hạn giữa nắp cylindre, thân máy và đệm culasse Ở thời điểm gia tăng áp suất trong quá trình nén, hỗn hợp nhiên liệu-không khí bị đẩy vào các không gian chết Do tỉ số giữa diện tích bề mặt và thể tích của các không gian chết lớn nên lượng khí dồn vào đây được làm mát nhanh chóng Trong giai đoạn cháy, áp suất tiếp tục tăng và một

bộ phận hỗn hợp mới lại được nén vào không gian chết Khi màng lửa lan đến các khu vực này, nó có thể lan tràn vào bên trong để đốt cháy hỗn hợp này hoặc nó bị tôi ngay trước khi vào trong không gian chết Khả năng màng lửa bị tôi phụ thuộc vào dạng hình học của lối vào không gian chết, thành phần của hỗn hợp chưa cháy

và trạng thái nhiệt động học của nó Thực nghiệm cho thấy sự tôi màng lửa diễn ra khi khe hở giữa piston và cylindre nhỏ hơn 0,18mm Sau khi màng lửa đến và bị tôi, khí cháy lại chui vào không gian chết cho đến khi áp suất bắt đầu giảm Khi áp suất trong không gian chết trở nên lớn hơn áp suất trong cylindre, bộ phận khí chứa trong các không gian này quay trở ngược lại cylindre

Vị trí của nến đánh lửa cũng ảnh hưởng đến mức độ phát sinh HC; nếu nến đánh lửa đặt gần các không gian chết thì trong không gian đó có chứa một bộ phận sản phẩm cháy; ngược lại, nếu nến đánh lửa đặt xa thì không gian chết chứa chủ yếu hỗn hợp khí chưa cháy Trong nhiều trường hợp, sự chênh lệch nồng độ HC có thể đạt đến 20%

Lọt khí carter là lượng khí lọt từ cylindre xuống carter trong quá trình nén và cháy do sự không kín khít của segment Lọt khí carter cũng là nguồn phát sinh HC nếu nó được thải trực tiếp ra khí quyển Ngày nay, ở hầu hết động cơ ô tô, lượng khí này được dẫn vào đường nạp để tăng tính kinh tế và giảm mức độ phát sinh HC Để lượng hỗn hợp chưa cháy chứa trong các không gian chết không quay ngược lại buồng cháy, trong một số trường hợp người ta có thể giảm độ kín khít của segment

để lượng khí này lọt xuống carter và bị đốt cháy khi quay vào lại cylindre theo đường nạp

Hình 3 Không gian chết trong buồng cháy