Động cơ đốt trong là một loại động cơ nhiệt tạo ra công cơ học bằng cách đốt nhiên liệu bên trong động cơ.
12 Chương 2 QUY TRÌNH ĐO CÁC CHỈ TIÊU Ô NHIỄM CỦA Ô TÔ Mức độ phát sinh các chất ô nhiễm phụ thuộc vào điều kiện vận hành cũng như tình trạng kĩ thuật của động cơ. Do đó, tùy theo tình trạng giao thông cũng như mức độ khắt khe của luật môi trường ở mỗi nước mà quy trình thử có khác nhau. Trên thực tế hiện nay tồn tại một số quy trình chuẩn của các nước công nghiệp phát triển và những quy trình đó được nhiều nước đang phát triển áp dụng như quy phạm chính thức để đo mức độ phát sinh ô nhiễm của ô tô ở nước mình. 2.1. Lịch sử phát triển Ô nhiễm môi trường do khí xả động cơ gây ra đã là mối quan tâm của của nhiều quốc gia từ lúc nền công nghiệp ô tô bắt đầu phát triển. Theo thời gian, danh sách các chất ô nhiễm ngày càng trở nên chi tiết hơn, giới hạn nồng độ của chúng trong khí xả ngày càng trở nên khắt khe hơn và ngày càng nhiều quốc gia hưởng ứng vấn đề chống ô nhiễm môi trường do khí xả ô tô gây ra. Theo trình tự thời gian, chúng ta có thể kể các quốc gia đã sớm đặt vấn đề ô nhiễm môi trường do khí xả động cơ gây ra như sau: - Đức : 1910 - Mĩ : 1959 - Pháp : 1963 - Nhật : 1966 Tiếp theo là những nước khác trong cộng đồng Châu Âu, Canada, Úc, các nước thuộc khối Đông Âu cũ, các nước Châu Á (Singapore, Đài Loan, Hàn Quốc .). 2.2. Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm Hiện nay chưa có một quy trình nào được áp dụng chung cho tất cả các nước để đo các chỉ tiêu ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong. Do đó trên thế giới tồn tại nhiều quy trình khác nhau, mỗi quy trình ứng với một tiêu chuẩn ô nhiễm xác định và không có quan hệ tương đương nào được xác lập giữa các tiêu chuẩn này. Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của mỗi nước căn cứ vào chế độ giao thông tiêu biểu của nước đó. Bảng 2.1 so sánh các thông số đặc trưng của một số quy trình được áp dụng rộng rãi nhất hiện nay. Bảng 2.1: So sánh các thông số đặc trưng của một số quy trình thử tiêu biểu Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô 13 Thông số Đơn vị ECE California FTP72 FTP75 Nhật 10 chế độ Nhật 11 chế độTốc độ trung bình (km/h) 18,7 35,6 31,5 34,1 17,7 30,6 Tốc độ trung bình (không kể thời gian không tải) (km/h) 27,1 41,7 38,3 41,6 24,1 39,1 Gia tốc trung bình (m/s2) 0,75 0,68 0,60 0,67 0,54 0,64 Giảm tốc trung bình (m/s2) 0,75 0,68 0,70 0,71 0,65 0,60 Thời gian trung bình của một chu kì thử (s) 45 117 66 70 50 94 Không tải (% thời gian) 30,8 14,6 17,8 18,0 26,7 21,7 Gia tốc (% thời gian) 18,5 31,4 33,5 33,1 24,4 34,2 Tốc độ không đổi (% thời gian) 32,3 21,9 20,1 20,4 23,7 13,3 Giảm tốc (% thời gian) 18,5 32,1 28,6 28,5 25,2 30,8 2.3. Cơ sở xây dựng các quy trình đo ô nhiễm Quy trình thử là quy phạm quốc gia, phụ thuộc vào điều kiện giao thông của mỗi nước. Nó dựa trên nhiều yếu tố, trong đó mật độ giao thông và chất lượng đường sá là hai yếu tố quan trọng nhất. - Mật độ giao thông: Mức độ ô nhiễm cục bộ bầu không khí là tổng hợp mức độ phát thải của tất cả những phương tiện vận tải trong khu vực khảo sát gây ra, nghĩa là mức độ ô nhiễm phụ thuộc vào mật độ ô tô. Ở những thành phố lớn, khi mức độ ô nhiễm vượt giới hạn báo động, người ta khuyến khích dân chúng sử dụng phương tiện vận tải công cộng để giảm bớt mật độ xe. Ở những nơi có mật độ lưu thông bé, ô tô không nhất thiết phải tuân thủ những quy định nghiêm ngặt về mức độ phát sinh ô nhiễm của những thành phố mật độ giao thông cao. - Điều kiện đường sá: Tùy vào chất lượng đường sá của mỗi nước mà chế độ hoạt động của các phương tiện khác nhau, do đó khả năng phát ô nhiễm của chúng cũng khác nhau. Tiêu chuẩn ô nhiễm vì vậy cũng cần xét đến yếu tố này. 2.4. Quy trình thử của một số nước 2.4.1. Quy trình thử của Mĩ a. Quy trình FTP 72 và FTP 75 2040 60 Vận tốc (m/s) Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô 14 a. b. Hình 2.1: Quy trình FTP 72 và FTP 75 Quy trình FTP 75 gồm ba giai đoạn. Hai giai đoạn đầu giống như chu trình FTP 72. Giai đoạn 3 giống như giai đoạn 1 của chu trình trước (hình 2.1b) và được khởi động lại sau khi đã dừng động cơ 10 phút kể từ lúc kết thúc giai đoạn 2. Quãng đường tương ứng tổng cộng là 17,86km với tốc độ trung bình 34,1km/h. Lượng khí ô nhiễm được đo riêng từng giai đoạn và kết quả chung được tính bằng g/km với các hệ số điều chỉnh 0,43 đối với giai đoạn đầu, 1 đối với giai đoạn 2 và 0,57 đối với giai đoạn 3. b. Quy trình California Đây là quy trình thử cũ được sử dụng từ năm 1968. Nó gồm 7 giai đoạn giống hệt nhau (hình 2.2) và cách bởi thời gian chạy không tải. Quy trình thử kéo dài trong 16 phút 19 giây. Động cơ khởi động ở trạng thái nguội sau khi dừng ít nhất 12 giờ ở điều kiện nhiệt độ môi trường. Quy trình này hiện nay đã được thay thế bằng các quy trình FTP trên đây. 979s0 50 100 km/h 20 40 60 0 400 Giai đoạn quá độ nóng Thời gian (s)Vận tốc (m/s) Quy trình FTP 72 (Federal Test Procedure) (hình 2.1a) bao gồm hai giai đoạn. Giai đoạn 1 kéo dài trong 505s, tương ứng với quãng đường 5,78km với tốc độ trung bình 41,2km/h. Giai đoạn 2 kéo dài trong 867s và được bắt đầu sau khi tạm dừng hoàn toàn động cơ trong 10 phút. Khi bắt đầu thử, động cơ được khởi động ở trạng thái nguội sau một đêm để ở nhiệt độ môi trường (20 °C). Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô 15 Hình 2.2: Quy trình thử của Bang California 2.4.2. Quy trình thử của Cộng đồng Châu Âu a. Quy trình thử thành phố ECE : Quy trình này được hình thành năm 1962 dựa vào điều kiện giao thông ở vùng Paris, rất khác biệt so với điều kiện giao thông ở California. Đến năm 1966, quy trình này được sử dụng chung cho Cộng đồng Châu Âu. Hình 2.3 trình bày diễn biến tốc độ của quy trình thử. Nó gồm 4 công đoạn y hệt nhau với quãng đường tổng cộng là 4,052km. b. Quy trình thử ngoại thành của Cộng đồng Châu Âu EUDC Quy trình EUDC được thực hiện bằng cách bổ sung thêm vào qui trình ECE một công đoạn thử tương ứng với chế độ vận hành của ô tô ở vùng ngoại thành (hình 2.3b). Công đoạn bổ sung có tốc độ cực đại là 120km/h, thời gian thử là 400s tương ứng một quãng đường 6,955km với tốc độ trung bình 62,6km/h. Công đoạn thử bổ sung này được tiến hành sau khi đã thực hiện chu trình ECE và được bắt đầu bằng một giai đoạn chạy không tải 20s. Mức độ ô nhiễm được cho theo đơn vị g/km thay vì g/lần thử. Số chu trình/lần thử : 4 Tốc độ trung bình (kể cà không tải) : 18,7 km/h Thời gian/chu trình : 195s Tốc độ trung bình (không kể không tải): 27,01 km/h Quãng đường thử : 1,013 km x 4 Tốc độ cực đại : 50 km/h 1: Số 1 2: Số 2 3: Số 3 ll : Chuyển sốK: Mở ly hợp PM: Điểm chếtR: Không tải Tốc độ (km/h) Thời gian Thời gian chu trình : 400s Quãng đường thử : 6,955 km Tốc độ trung bình : 62,6 km/h Tốc độ cực đại : 120 km/h a. Quy trình thử thành phố ECEb. Công đoạn bổ sung ngoại thành Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô 16 Hình 2.3: Quy trình thử ECE, EUDC của Cộng đồng Châu Âu 2.4.3. Quy trình thử của Nhật Bản a. Quy trình thử 10 chế độ Hình 2.4: Quy trình thử 10 chế độ của Nhật. Hình 2.5: Quy trình thử 11 chế độ của Nhật. Quy trình thử 10 chế độ ứng với điều kiện giao thông trong thành phố. Thời gian của mỗi công đoạn thử là 135s, ứng với quãng đường 0,664km với tốc độ trung bình 17,7km/h (hình 2.4). Quy trình thử được lập lại với 6 công đoạn như nhau. Nồng độ ô nhiễm được biểu diễn theo g/km. b. Quy trình thử 11 chế độ Qui trình này thể hiện chế độ giao thông trên xa lộ. Động cơ được khởi động nguội ở nhiệt độ khoảng từ 20 đến 30°C và chạy không tải trong 25s, sau đó tiến hành thử trong 120s tương ứng với quãng đường 1,021km với tốc độ trung bình 30,6km/h (hình 2.5). Mức độ phát sinh ô nhiễm của ô tô được tính theo g/lần thử. b. Quy trình thử 10-15 chế độ Hình 2.6: Quy trình thử 10-15 chế độ của Nhật Quy trình thử 10-15 chế độ ứng với điều kiện giao thông ở các vùng ngoại ô Nhật Bản. Quy trình này sử dụng 3 công đoạn của quy trình thử 10 chế độ trên đây và kéo dài thêm một đoạn có tốc độ cực đại 70km/h (hình 2.6). Quãng đường thử tương ứng dài 0 20 40 km/h 135s02040km/h 120s 600 20 40 km/h 100 200300 400 500600 660(s)60 80 Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô 17 4,16km trong thời gian 660s với tốc độ trung bình 22,7km/h. Quy trình này được áp dụng cho ô tô du lịch xuất xưởng sau tháng 11 năm 1991. Đến tháng 10 năm 1993 nó được áp dụng thêm cho xe tải dưới 2,5 tấn. 2.5. Nồng độ cho phép của các chất ô nhiễm trong khí xả ô tô 2.5.1. Các chất ô nhiễm thể khí 1. Hoa Kì Bảng 2.2 giới thiệu sự thay đổi về giới hạn nồng độ cho phép của các chất ô nhiễm trong khí xả ô tô ở Mĩ theo thời gian đối với ô tô du lịch. Giới hạn này được áp dụng ở hầu hết các Bang trừ California và Newyork (những Bang có yêu cầu khắt khe hơn) và đo theo quy trình FTP 75. Các bảng này cho thấy mức độ khắt khe của tiêu chuẩn tăng dần theo thời gian: nồng độ cho phép của CO từ 84 g/dặm năm 1960 giảm xuống còn 3,4 g/dặm hiện nay (giảm khoảng 25 lần); nồng độ HC cũng trong thời gian đó giảm từ 10,6 g/dặm xuống còn 0,25 g/dặm (giảm khoảng 40 lần); mức độ giảm NOx có thấp hơn, từ 4,1 xuống 0,4 (giảm khoảng 10 lần). Bảng 2.2: Tiêu chuẩn của Mĩ đối với ô tô du lịch (tính theo g/dặm, quy trình FTP 75) Năm CO HC NOx 1960 84 10,6 4,1 1968 51 6,3 0,4 1970 34 4,1 0,4 1972 28 3,0 0,4 1973 28 3,0 3,1 1975 15 1,5 3,1 1977 15 1,5 2,0 1980 7,0 0,41 2,0 1983 3,4 0,41 1,0 Dự kiến 3,4 0,25 0,4 2. Cộng đồng Châu Âu Hình 2.7 trình bày sự thay đổi theo thời gian về nồng độ cho phép của các chất ô nhiễm trong khí xả ô tô áp dụng ở các nước trong Cộng đồng Châu Âu. Trước năm 1984, tiêu chuẩn được tính chung đối với HC+NOx nhưng sau đó được quy định riêng cho từng chất. Q đị hEUTrước khi có quy định EUĐo thêm NOx Quy trình % giá trị trước khi quy định Ô tô cỡ trung 1130kg, 1400-2000 cm3 6050 4030 20 10CO (g/km) Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô 18 Hình 2.7 : Biến thiên nồng độ giới hạn cho phép theo thời gian của các chất ô nhiễm trong khí xả ô tô theo quy định của Cộng đồng Châu Âu Mức độ phát sinh ô nhiễm cho phép đối với xe du lịch và xe vận tải hạng nhẹ theo quy trình thử ECE áp dụng ở Cộng đồng Châu Âu cho ở bảng 2.3. Bảng 2.3: Tiêu chuẩn Cộng Đồng Châu Âu đối với xe tải hạng nhẹ Loại động cơ (V (lít) là thể tích xi lanh) CO (g/km) HC+NOx (g/km) NOx (g/km) Năm áp dụngXăng V>2,0 6,17 1,6 0,86 1988 Xăng 1,4≤V≤2,0 7,4 1,97 - 1991 Xăng V<1,4 4,6 1,23 - 1992 Diesel V>2,0 7,4 1,97 - 1988 Diesel 1,4≤V≤2,0 7,4 1,97 - 1991 Diesel V<1,4 4,6 1,23 - 1992 Các quốc gia Đông Âu cũ trước đây cũng áp dụng tiêu chuẩn của Cộng đồng Châu Âu ECE. 3. Nhật Bản - Đối với ô tô du lịch sử dụng động cơ xăng Tiêu chuẩn Nhật Bản theo chu trình thử 10 chế độ và 11 chế độ ứng với các loại ô tô khac nhau trình bày trên các bảng 2.4, 2.5, 2.6. Bảng 2.4: Tiêu chuẩn Nhật Bản đối với ô tô du lịch sử dụng động cơ xăng Năm CO (g/km) HC (g/km) NOx (g/km) 10 C.độ 11 C.độ 10 C.độ 11 C.độ 10 C.độ 11 C.độ Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô 19 1973 26 - 3,8 - 3,0 - 1975 2,7 20,81 0,39 2,33 1,6 2,7 1976 2,7 20,81 0,39 2,33 1,2 2,20 1978 2,7 20,81 0,39 2,33 0,48 1,47 1988 2,7 20,81 0,39 2,33 0,25 1,47 Bảng 2.5: Tiêu chuẩn Nhật Bản đối với ô tô du lịch sử dụng động cơ Diesel Năm CO (g/km) HC (g/km) NOx (g/km) 10 C.độ 11 C.độ 10 C.độ 11 C.độ 10 C.độ 11 C.độ 1974 - 680ppm - 670ppm - 590ppm1977 - 680ppm - 670ppm - 500ppm1979 - 680ppm - 670ppm - 450ppm1982 - 680ppm - 670ppm - 390ppm1983 - 680ppm - 670ppm - 610ppm1987 2,7(g/km) - 0,62(g/km) - 0,98(g/km) - Bảng 2.6: Tiêu chuẩn Nhật Bản đối với ô tô vận tải nhẹ sử dụng động cơ xăng hay GPL Năm CO (g/km) HC (g/km) NOx (g/km) 10 C.độ 11 C.độ 10 C.độ 11 C.độ 10 C.độ 11 C.độ1973 26 - 3,8 - 3,0 - 1975 17 31,83 2,7 4,16 2,3 4,9 1979 17 31,89 2,7 4,16 1,6 2,69 1981 17 31,83 2,7 4,16 1,26 2,33 1988 17 31,83 2,7 4,16 0,7 2,33 Các loại xe vận tải và ô tô buýt sử dụng động cơ Diesel tuân theo cùng tiêu chuẩn ô nhiễm của xe du lịch dùng động cơ Diesel. 4. Các nước khác Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô 20 Các nước đang phát triển sử dụng quy trình thử của các nước công nghiệp phát triển và ấn định mức độ phát sinh ô nhiễm cho phép phù hợp với điều kiện của nước mình. Quy trình thử và giới hạn cho phép về nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ ở một số nước đối với ô tô có tải trọng nhỏ hơn 2,7 tấn áp dụng ở một số nước được giới thiệu trong bảng 2.7. Chúng ta thấy các nước đang phát triển thường sử dụng các chu trình của Mĩ, Châu Âu và Nhật Bản. Tính khắt khe về giới hạn nồng độ các chất ô nhiễm tăng dần theo thời gian. Bảng 2.7: Quy trình thử và giới hạn ô nhiễm ở một số nước đang phát triển Nước Năm Quy trình CO (g/km) HC (g/km) NOx (g/km) Canada 1975 1987 1994 FTP 75 FTP 75 FTP 75 15,53 2,11 2,11 1,24 0,25 0,15 1,92 0,62 0,25 Úc và New Zealand 1976 1982 1986 FTP 72 FTP 72 FTP 75 24,20 22,00 9,30 2,10 1,91 0,93 1,90 1,73 1,90 Đài Loan 1987 1988 1989 ECE ECE FTP 75 14,31 14,31 2,11 4,69 4,69 0,25 (HC+NOx) (HC+NOx) 0,25 Singapore Israel Ả Rập Xê-út 1986 ECE Tiêu chuẩn Cộng đồng Châu Âu Hàn Quốc 1983 1984 1987(1) 1987(2) 10 C.độ 10 C.độ FTP 75 FTP 75 26 18 8 2,11 3,8 2,8 2,1 0,25 3,0 2,5 1,5 0,62 Mexico 1989 1990 1991 1993 FTP 75 FTP 75 FTP 75 FTP 75 21,9 18,52 6,96 2,11 1,99 1,79 0,70 0,25 2,29 1,99 1,39 0,62 Brazil 1988 1992 FTP 75 FTP 75 24 12 2,10 1,20 2,00 1,40 (1) Ô tô có động cơ V<800 cm3 (2) Ô tô <2,5 tấn, có động cơ V>800 cm3 2.5.2. Các quy định về nồng độ bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel Các quy định về nồng độ cho phép của các chất ô nhiễm dạng khí trong khí xả động cơ được áp dụng rất sớm so với các quy định về nồng độ bồ hóng. Tiêu chuẩn Liên Bang Hoa Kì quy định, theo chu trình đo 2.8, độ mờ không được vượt quá 20% khi gia tốc, 15% khi phanh và 50% ở một điểm bất kì của chu trình. Theo tiêu chuẩn Cộng đồng Châu Âu ở chế độ ổn định đầy tải, giới hạn của hệ số hấp thụ quang học theo lưu lượng của dòng khí xả cho ở bảng 2.8 hoặc hình 2.9. Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô 21 Tiêu chuẩn độ khói trong khí xả động cơ Diesel được đo theo các đơn vị khác nhau phụ thuộc từng nước: Hệ số hấp thụ quang học k (Cộng đồng Châu Âu, Úc, Brazil), độ mờ (Mĩ, Hàn Quốc), chỉ số Bosch (Nhật, Thụy Điển). Bảng 2.9 giới thiệu tiêu chuẩn độ khói của một số nước. Bảng 2.8: Giới hạn hệ số hấp thụ quang học theo lưu lượng khí xả của động cơ Diesel làm việc ở chế độ ổn định đầy tải (tiêu chuẩn EU) G(l/s) k(1/m) G(l/s) k(1/m) G(l/s) k(1/m) <42 2,260 95 1,535 150 1,225 45 2,190 100 1,495 155 1,205 50 2,080 105 1,465 160 1,190 55 1,985 110 1,425 165 1,170 60 1,900 115 1,395 170 1,155 65 1,840 120 1,370 175 1,140 70 1,775 125 1,345 180 1,125 75 1,720 130 1,320 185 1,110 80 1,665 135 1,300 190 1,095 85 1,620 140 1,270 195 1,080 90 1,575 145 1,250 >200 1,065 Hình 2.8: Tiêu chuẩn của Hoa Kì về độ khói trong khí xả động cơ Diesel Mức ga (%) Tốc độ (v/s) Thời gian (s) Độ mờ (%) [...]... (%HSU) Phương tiện động cơ xăng Phương tiện đăng ký lần đầu Phương tiện Phương Phương tiện động cơ Diesel tiện động động cơ cơ xăng Diesel Mức 1 Mức 2 Mức 1 Mức 2 4,5 Mức 1 6,5 Mức 2 6,0 Mức 3 4,5 - 1500 7800 3300 120 0 7800 3300 - - 120 0 7800 3300 - - - - - 85 72 - 72 50 _ 24 ... xả của phương tiện vận tải (bảng 2. 11) Bảng 2. 11 : Giới hạn tối đa cho phép của thành phần ô nhiễm trong khí thải của các phương tiện vận tải Phương tiện đang sử dụng Thành phần ô nhiễm trong khí thải CO (% thể tích) HC (ppm thể tích) : - Động cơ 4 kì - Động cơ 2 kì - Động cơ đặc biệt (có kết cấu khác với động cơ kiểu piston tịnh tiến) Độ khói (%HSU) Phương tiện động cơ xăng Phương tiện đăng ký lần.. .Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô Hình 2. 8: Tiêu chuẩn Cộng đồng Châu Âu 60 40 20 Hình 2. 9: Tiêu chuẩn của Cộng đồng Châu Âu về độ khói trong khí xả động cơ Diesel Bảng 2. 9: Tiêu chuẩn độ khói của động cơ Diesel áp dụng ở một số nước Quốc gia Năm Chế độ đo Tiêu chuẩn Cộng đồng Châu Âu 19 72 19 82 Gia tốc tự do (Xem hình 2. 9) Thụy Điển 19 72 Gia tốc có tải k . : - Động cơ 4 kì - 1500 120 0 - - 120 0 - - - Động cơ 2 kì - 7800 7800 - - 7800 - - - Động cơ đặc biệt (có kết cấu khác với động cơ kiểu piston. 1974 - 680ppm - 670ppm - 590ppm1977 - 680ppm - 670ppm - 500ppm1979 - 680ppm - 670ppm - 450ppm19 82 - 680ppm - 670ppm - 390ppm1983 - 680ppm - 670ppm - 610ppm1987