công nghệ xử lý khí thải ôtô

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NƠNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ – CƠNG NGHỆ  Mơn học: Động ô tô nâng cao Giảng viên: Nguyễn Văn Tuấn Anh TIỂU LUẬN MƠN HỌC CƠNG NGHỆ XỬ LÝ KHÍ THẢI Ô TÔ MỤC LỤC I PHẦN GIỚI THIỆU Cùng với phát triển kinh tế xã hội, hiên nước ta có khoảng 1.5 triệu oto 40 triệu phương tiện xe máy lưu thông Ví dụ xe chạy 10km/ngày thải trung bình 250g CO2/km Như ngày có khoảng triệu CO2 thải từ xe hơi, số vô khủng khiếp Đây nguyên nhân gây hiệu ứng nhà kính Theo chun gia ngun nhân gây nhiễm môi trường ảnh hưởng đến sức khỏe người chất thải phương tiện giao thông chuyển đổi khí thải xúc tác anh hùng thầm lặng Ngồi khí thải có nhiều thành phần đọc hại NO x, Khí CxHy khí CO… Đặc biệt CO mơi trường xảy phản ứng hóa học tạo khí Nitrat, HC tạo khí độc hại mơi trường, gây ngộ độc cho người chí bị ngạt thở Đối với động diesel gây bụi hóa học hít thở vào người gây ngộ độc cho phổi bệnh tim mạch *Các chất gây nhiễm chủ yếu từ khí thải động cơ: CO ( Monoxyde carbon): -Hình thành q trình oxi hóa khơng hồn tồn nhiên liệu CO có tác hại ngăn cản dịch chuyển hồng cầu máu làm phận khác thiếu oxi Dẫn đến ngạt thở.Con người hít phải nhiều khí bị giảm khả hấp thụ oxy NOx ( Họ oxit nito): -NOx hình thành oxi tác dụng với N2 nhiệt độ cao (trên 1100oc) NOx có tác hại theo đường hơ hấp đến phổi gây viêm hủy hoại tế bào quan hơ hấp Hydro cacbon (HC) -Hình thành q trình cháy khơng hồn tồn q trình cháy khơng bình thường Gây tác hại đến sức khỏe người chủ yếu hydro cacbon thơm gây ung thư, rối loạn hệ tiêu hóa, hệ thần kinh, ảnh hưởng đến gan Oxit lưu huỳnh: -Hình thành từ lưu huỳnh có sẵn nhiên liệu Chất làm giảm khả đề kháng thể làm tăng cường độ độc hại chất ô nhiễm khác BỒ hóng: -Là chất khí thải đặc biệt quan trọng khí thải diesel Nó tồn dạng hạt rắn có kích thước trung bình 0.3mm dễ xâm nhập vào phổi gây trở ngại cho quan hô hấp, nguyên nhân gây bệnh ung thư hydro cacbon thơm hấp thụ bề mặt chúng trình hình thành Chì: -Có mặt khí xả Pb(C2H5)4 pha xăng để chóng tính kích nổ nhiên liệu Tồn dạng hạt có đường kính bé nên dễ xâm nhập vào thể qua da theo đường hô hấp gây xáo trộn trao đổi ion não , gây trở ngại cho tổng hợp enzyme để tổng hợp hồng cầu *Hiện nhằm hạn chế khí độc hại thải gây nhiễm trường khơng khí, đặc biệt thị lớn góp phần xây dựng mơi trường bảo vệ sức khỏe người Bộ GTVT tải định ban hành việc quy định tiêu chuẩn khí thải EURO (từ ngày 01 tháng 01 năm 2017) xe ô tô , xe mô tô bánh sản xuất, lắp ráp nhập *Tiêu chuẩn khí thải động diesel: *Tiêu chuẩn khí thải động xăng: II CẤU TẠO BỘ XỬ LÝ KHÍ THẢI BA THÀNH PHẦN BXLKT xúc tác thành phần bố trí nằm đường ống thảy động giảm âm, gần đường ống thải để tận dụng nhiệt lượng cho phản ứng hóa học(nhiệt độ lý tưởng 200- 3000°C), vật liệu chế tạo thép khơng gỉ,hình trụ tròn ovan, hai đầu có lắp mặt bích để nối đường ống trung gian hệ thống thải.Cấu tạo bên BXLKT xúc tác thành phần gồm có phần lõi lớp phủ xúc Bộ phận quan trọng BXLKT xúc tác thành phần phần lõi Dựa vào phần lõi chia xúc tác thành phần thành loại:    Dạng lõi dạng viên gốm, Dạng lõi gốm nguyên khối, Dạng lõi kim loại Lõi gồm viên gốm dạng hình cầu o Vật liệu chế tạo từ gốm chịu nhiệt cao( cordierite 2MgO.2Al2.5SiO2), có hệ số hấp thụ nhiệt thấp nhiệt độ nóng chảy cao( khoảng 14000°C) Các viên gốm có đường kính khoảng 2-3 mm phủ bề mặt ngồi oxit nhơm, chúng có khả chống mòn chịu ma sát tốt nhiệt luyện nhiệt độ khoảng 1000°C gọi lớp Sau phủ bề mặt vật liệu o o quý Platin (Pt), Paladi (Pd) Rođi (Rh) thấm trực tiếp bề mặt viên gốm Ưu điểm : dẫn nhiệt tốt , nhiệt độ nóng chảy cao dể chế tạo, Nhược điểm : viên gốm xếp khích nên giảm bề mặt tiếp xúc , kích thước lớn Dạng lõi nguyên khối o o o Dạng lõi gốm nguyên khối thường có cấu trúc tổ ong, gồm nhiều rãnh nhỏ li ti kích cỡ milimet xếp song song với dòng chảy khí thải Lõi gốm làm từ vật liệu chịu nhiệt cordierit, rãnh nhỏ song song có tiết diện ngang hình tam giác hình vng Các rãnh dẫn khí thải phủ lớp ơxit nhơm (AL2O3) xốp, mấp mơ dày khoảng 0,02 mm Sau lõi gốm thấm kim loại quý bạch kim – Pt (platinum), Paladi – Pd (palladium) Rodi (rhodium) Ưu điểm : diện tích tiếp xúc lớn, nhiệt độ nóng chảy cao, xúc tác nhanh nâng hiệu xuất làm việc, gọn nhẹ, Nhược điểm: khó chế tạo, … Lõi kim loại o o o Gồm thép phẳng thép dập lượng sóng có độ dài từ 0.04-0.05 mm xếp thành lớp Sau chúng cuộn tròn hình dạng chữ S hình tròn Phổ biến lõi kim loại chia thành hai phần riêng biệt, hai phần có khoảng trống nhỏ Lõi thép phủ Al2O3 có độ xốp cao sau thấm kim loại quý Pt, Pd Rh So với hai loại lõi loại lõi kim loại có nhiều ưu điểm vượt trội diện tích tiết diện sử dụng có ích rãnh dẫn khí thải lớn khoảng 10÷15 %, độ bền cao hơn, trở lực (mức độ cản trở chuyển động dòng khí) khí thải thấp Nhưng công nghệ chế tạo lõi kim loại phức tạp hơn, khối lượng lớn giá thành đắt 15% Có hai loại : đốt cháy bụi giữ lại bụi qua lọc trước xúc tác Có lọc đốt bụi bụi lọc chặn o o o o BXLKT thành phần dạng thép thẳng thép dập lượng sóng Dùng động diesel động hoạt động sinh hạt bụi Ưu điểm: gọn nhẹ, chịu nhiệt tốt dẫn nhiệt tốt có chắn để lọc bụi nhiệt độ mau đạt đến mức làm việc nên tăng hiệu xuất làm việc,… Nhược điểm : giá thành cao, khó chế tạo,… NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG Bộ xúc tác khí thải chức III Bộ xúc tác giá ba chức có lớp chủ động olatin (Pt), rhodium (Rd) paladi (Pd) Tên gọi “bộ xúc tác giá ba chức năng” có nghĩa ba biến đổi hóa học dồng thời xảy vỏ bọc Tùy thuộc nhiệt độ vận hành, xúc tác biến đổi lên đến 98% NOx , CO HC thành CO2, H2O N2 phạm vi λ = 0.995 … 1,005 ( cửa sổ lamda) • NOx khử thành nito ( phòng thích oxy O2) • CO oxy hóa thành CO2 (tiêu thụ oxy O2) • Hợp HC với oxy hóa thành CO2 H2O ( tiêu thụ oxy ) Chỉ hệ số dư lượng khơng khí λ gần mơi có thành phần khí thải mà lượng oxy phóng thích từ khử nito oxide đủ để oxy hóa hồn tồn lượng HC CO khí thải thành CO2 H2O Hòa khí đậm (λ1.005) dẫn tới gia tăng nito oxide Vì phạm vi vận hành định với λ>>1, thí dụ động phun trực tiếp, cần xúc tác lưu giữ NOx tạm thời Phạm vi hoạt động nhiệt độ tối ưu xúc tác nằm khoảng 400°C đến 800°C Bộ xúc tác đạt tỷ lệ biên dổi 50 % nhiệt độ cao 300°C ( điểm tối (“light offpoint)/nhiệt độ khởi động) Khoảng thời gian từ khởi động lạnh đạt nhiệt độ rút ngắn đáng kể lắp đặt xúc tác gần dộng cơ, làm nóng xúc tác, dùng ống dẫn khí thải có lớp cách nhiệt khe khơng khí, dời thời điểm đánh lửa lùi mạnh lại (đến 15°C) phun khơng khí thứ cấp Trền 800°C lớp phủ chất chủ động xúc tác bị lão hóa nhiệt Nếu nhiệt độ xúc tác tăng đến 1000°C, xúc tác bị phá hủy nhiệt Diều xảy ra, chẳng hạn tượng lửa( bỏ lửa ) Trong trường hợp này, hydrocarbon chưa 10 cháy sẻ vào xúc tác bị đốt cháy oxy dư lưu giữ Để lớp chủ động xúc tác khơng tác dụng ( bị ức chế xúc tác ) lớp kết tủa bám trên, xe phép đổ xăng khơng chì lưu huỳnh Chất cặn dầu động cháy, thí dụ vòng xec măng piston bị hư hay xi lanh bị mòn, đọng lại lớp chủ động xúc tác làm giảm tác dụng xúc tác Điều chỉnh thành phần hòa khí ( xúc tác có điều chỉnh ) Trong trường hợp này, cảm biến oxy giám sát thành phần hòa khí khoản dung sai hẹp λ = 1± 0.005 (cửa sổ λ) thông qua lượng oxy dư khí thải Trong tỉ lệ biến đổi đạt từ 94% đến 98% xú tác có hệ thống tạo hòa khí điều chỉnh, xe đời cũ đạt tỉ lệ biến đổi trung bình 60% với hệ thống tạo hòa khí điều chỉnh Với phương pháp điều chỉnh hệ số dư lượng khơng khí lamda (λ) Cảm biến oxy cảm biến λ (bộ nhận11 phát tín hiệu) găn trước xúc tác Tùy theo hàm lượng oxy dư khí thải, cảm biến oxy cung cấp tín hiệu điện áp tương ứng cho điều khiển Bộ điều khiển điều chỉnh rút ngắn thời gian phun nhiên liệu hàm lượng oxy khí thải thấp (hòa khí đậm) Nếu hàm lượng oxy dư khí thải cáo (hòa khí nhạt) thời gian phung nhiên liệu kéo dài với tỷ lệ thích hợp Việc điều chỉnh lắp lại với tần số quy định để khkoong ảnh hưởng đến độ chạy êm động Điều kiện để điều chỉnh λ: • Nhiệt dộ cảm biến cao 300°C • Động chạy khơng tải phạm vi tải phần • Nhiệt độ động cào 40°C Cảm biến oxy thứ hại (cảm biến giám sat) đặt sau xúc tác để kiểm tra chức hoạt động xúc tác Điều chỉnh thích ứng hệ số dư lượng khơng khí lamda Thí dụ lượng oxy dư khí thải thường xuyên thấp phạm vi tải trọng ddihj, có nghĩa hòa khí q đậm, lượng phun cho phạm vi tải trọng giảm bớt lưu trữ điều khiển trị số điều khiển đặt trước Qua đại lượng gây nhiễu hiệu chỉnh lại phạm vi điều chỉnh định, chẳng hạn áp suât hệ thống nhiên liệu sai, trị số nhiệt độ khơng đúng, dộng bị lão hóa, rò khơng khí Đồng thời, thời gian đáp ứng hệ điều chỉnh λ rút ngắn chất lượng khí thải thiện 12 Bộ xúc tác oxy hóa ( DOC ) Bộ có cấu tạo hoạt động tương tự xúc tác giá chức Trong hydrocarbon (HC) chưa cháy carbon monoxida (CO) oxy hóa Vì thành phần oxy dư khí thải dộng diesel cao, nito oxida (NOx) khơng thể khử Vì thế động diesel cần dùng xúc tác oxy hóa (bộ xúc tác hai chức năng) Những nhiệm vụ chủ yếu : Oxy hóa phát thải HC CO carbon monixide (CO) hydrocarbon (HC) oxy hóa để trở thành carbon dioxide (CO2) nược (H2O) Sự cháy oxy hóa băt đầu xyar từ nhiệt dộ giới hạn định ( nhiệt dộ khơi động ) Tùy thuộc vào thành phần khí thải, luw lượng mức pha tạp chất xúc tác, nhiệt độ giới hạn vào khoảng 170°C đến 200°C Bắt đầu nhiệt dộ tỷ lệ oxy hóa tăng đến 90% Giảm khối lượng hạt phát thải từ động diesel bao gồm phần hydrocarbon tự tác khỏi tâm hạt nhiệt độ tăng cao Q trình oxy hóa hydrocarbon làm giảm khối lượng hạt hydrocarbon làm giảm khối lượng hạt khoảng 15% đến 30% Bộ phận gia nhiệt: Bên cạnh kèm theo phận gia nhiệt nâng cao nhiệt độ khí thải tái sinh lọc tác Với mục đích tăng nhiệt độ khí 13 thải , nhiên liệu bổ sung trực tiếp buồng đốt qua vời phun đặt cum ống xả giúp nâng cao phát tán CO HC Nhiệt lượng từ phản ứng oxy hóa CO HC dùng để nâng cao nhiệt độ khí thải IV DPF Vị trí làm việc DPF đặt sau lọc DOC để tận dụng nhiệt từ DOC để đốt cháy bồ hóng • Cấu tạo Cấu tạo chủ yếu bao gồm vỏ kim loại chịu nhiệt giống DOC bên lọc lọc tổ ơng Bộ 14 • • lọc tổ ong làm từ cordierite, Silicon carbide, phủ lớp chất xúc tác Bộ lọc phổ biến làm cordierite Bộ lọc Cordierite cung cấp hiệu lọc tuyệt vời, tương đối rẻ tiền (so với lọc dòng chảy tường Sic) Hạn chế lớn cordierite có điểm nóng chảy tương đối thấp Bộ lọc hạt silicon carbide (bộ lọc dòng chảy tường Sic) có điểm nóng chảy hiệu suất lọc cao (có thể lên tới 95%) so với cordierite, chúng thường đắt lọc dòng chảy tường cordierite Ngun lý làm việc Khí thải từ ống xả vào lọc, mắc vào thành lọc Dòng chảy tường DPF thường loại bỏ bồ hóng 85% hơn, số điều kiện định phù hợp đạt hiệu gần 100% Một số lọc sử dụng lần, dành cho xử lý thay tích lũy đầy tro Các loại khác thiết kế để đốt cháy hạt tích lũy thụ động thông qua việc sử dụng chất xúc tác phương tiện hoạt động đầu đốt nhiên liệu làm nóng lọc đến nhiệt độ đốt cháy; động lập trình để chạy lọc đầy Điều gọi "tái tạo lọc“ 15 Sự tái tạo Q trình đốt cháy bồ hóng (Lưu ý tất hệ thống có DPF xi dòng phép nhiệt sinh từ DOC khí thải động đốt cháy muội than.) Có ba loại tái sinh khác nhau: • • • Tự phát: Nhiệt sinh từ nhiệt thải sử dụng để đốt cháy muội than Chủ động: đèn DPF sáng, điều cần làm tiếp tục chạy xe đèn tắt (tái tạo tự phát ) Qúa trình tái tạo bị ngắt quảng xe quãn đường ngắn, nhiệt đột không lên 600 độ C, tái tạo tự phát Lúc đèn DPF sáng nhấp nháy, đến lúc đó, cần đến dịch vụ để sửa chữa Dịch vụ: sử dụng công cụ quét để chạy tái tạo thủ công Phải sử dụng công cụ quét cụ thể tương thích nhà sản xuất Bị động ( Tự phát) Bồ hóng bị đốt cháy nhiệt độ DPF lên tới 600 độ C 1112 độ F Kiểu tái sinh diễn tự động phương tiện sử dụng thường xuyên cho chuyến trung bình đến dài Điều có ích xe điều khiển mạnh DPF hưởng lợi từ nhiều luồng khí thải nóng Lái xe nhanh giúp tạo nhiệt độ khí thải cao với lợi ích buộc số chất thải tro khỏi hệ thống xả 16 Chủ động Nếu hệ thống quản lý động phát xe không sử dụng theo cách cho phép tái tạo thụ động phát mức áp suất sau lọc DPF cao bình thường (do tích tụ bồ hóng nhiều) Đèn báo DPF sáng, lúc xe cần chạy đoạn đường dài trung bình để đốt cháy DPF (tái tạo tự phát) Nếu xe chạy đoạn đường ngắn, liên lục dẫn đến đèn báo DPF sáng nhấp nháy, bắt đầu trình tái tạo chủ động Trong trình tái sinh, diesel đưa vào buồng đốt kỳ xả, cho phép qua mà khơng bị cháy, qua cửa xả vào DPF, nơi đốt cháy cách sử dụng lượng oxy dư thừa khơng sử dụng Trong q trình tái sinh chủ động này, nhiệt độ lõi DPF vượt 600 độ C 1112 độ F Dịch vụ 17 Nếu đèn cảnh báo DFP bị bỏ qua, tức lượng bồ hóng tiếp tục bám thành lọc, đạt đến ngưỡng mà cách thay lọc DPF biện pháp khác phục hiệu Ngồi cách khác vệ sinh DPF Trường hợp tái sinh DPF thất bại thực nhiễm bồ hóng q mức, có lựa chọn khác việc làm hóa chất thực Quá trình bao gồm sử dụng số hóa chất đắt tiền quy trình phải thực xác theo hướng dẫn nhà sản xuất khoảng đến Sau trình làm này, việc tái sinh hồn tồn phải thực để loại bỏ hoàn toàn đốt cháy hóa chất từ bên DPF Nhược điểm điều khơng phải lúc thành cơng q trình tốn mà khách hàng phải trả tiền • • • Lợi DPF giảm 85% lượng khí thải PM DPF giảm 60 đến 80% lượng khí thải hydrocarbon carbon monoxide có hại cho mơi trường DPF làm giảm tác động nguy hiểm khí thải người tổn thương phổi, suy thoái đường thở 18 • • • • Bất lợi Bộ lọc yêu cầu bảo trì nhiều chuyển đổi xúc tác Tro, sản phẩm phụ tích tụ Điều làm tăng áp lực sau lọc, không tái sinh thành công dẫn đến việc tải nhiều bồ hóng Tại thời điểm này, tái tạo khơng phải lựa chọn việc thay DPF cần thiết Tro tích tụ DPF ảnh hưởng trực tiếp đến mức tiêu thụ nhiên liệu Các lọc nóng gây nguy an tồn cháy nổ V Công nghệ SCR SCR( selective catalytic reduction): Giảm xúc tác chọn lọc (SCR) công nghệ kiểm sốt khí thải hoạt động tiên tiến, bơm chất khử chất lỏng thông qua chất xúc tác đặc biệt vào dòng khí thải động diesel.Nguồn chất khử thường urê cấp tơ, gọi Diesel Waste Fluid (DEF) DEF tạo phản ứng hóa học chuyển đổi oxit nitơ thành nitơ, nước lượng nhỏ carbon dioxide (CO2), thành phần tự nhiên khơng khí hít thở, sau thải qua ống xả xe Công nghệ SCR thiết kế phép phản ứng khử nitơ oxit (NOx) diễn mơi trường oxy hóa Nó gọi "chọn lọc" làm giảm nồng độ NOx sử dụng amoniac làm chất khử hệ thống xúc tác Phản ứng hóa học gọi "khử" DEF chất khử phản ứng với NOx để chuyển chất ô nhiễm thành nitơ, nước lượng nhỏ CO2 DEF nhanh chóng bị phá vỡ để tạo amoniac oxy hóa 19 dòng khí thải Chỉ riêng cơng nghệ SCR đạt mức giảm NOx lên tới 90 % Phương Trình Phản Ứng Khử Nox: • (NH2)2CO + NO + O2 → N2 + H2O + CO2 • (NH2)2CO + NO2 → 1⁄2 N2 +  H2O + CO2 Những điều cần ý: • Một khía cạnh độc đáo xe máy có hệ thống SCR nhu cầu bổ sung Diesel Waste Fluid (DEF) sở định kỳ DEF vận chuyển bể chứa tàu phải người vận hành bổ sung định kỳ dựa hoạt động xe Đối với xe hạng nhẹ, DEF nạp khoảng thường xảy khoảng thời gian thay đổi dầu đề nghị, DEF bổ sung cho xe hạng nặng off-road máy móc thiết bị khác tùy thuộc vào điều kiện hoạt động, sử dụng, dặm du lịch, tải yếu tố cân nhắc khác Ưu điểm :Lọc 90% khí NOx đốt cháy nhiên liệu, hiệu xuất cao chất xúc tác dể tìm, khơng gây  20 độc hại thay bảo trì dể dàng, tiết kiệm nhiên liệu, nâng cao công suất động  Nhược điểm: Bộ lọc scr chiếm nhiều không gian gầm xe thích hợp cho loại xe tải xe có gầm cao,xe thương mại, thích hợp cho động diesel 21 ... *Tiêu chuẩn khí thải động diesel: *Tiêu chuẩn khí thải động xăng: II CẤU TẠO BỘ XỬ LÝ KHÍ THẢI BA THÀNH PHẦN BXLKT xúc tác thành phần bố trí nằm đường ống thảy động giảm âm, gần đường ống thải để... chất thải phương tiện giao thông chuyển đổi khí thải xúc tác anh hùng thầm lặng Ngồi khí thải có nhiều thành phần đọc hại NO x, Khí CxHy khí CO… Đặc biệt CO mơi trường xảy phản ứng hóa học tạo khí. .. khơng khí λ gần mơi có thành phần khí thải mà lượng oxy phóng thích từ khử nito oxide đủ để oxy hóa hồn tồn lượng HC CO khí thải thành CO2 H2O Hòa khí đậm (λ