Tài liệu Hệ thống kiểm soát khí thải pdf

-1- Các khí độc hại do ôtô sinh ra Mô tả 1. Hệ thống kiểm soát khí xả là gì ? Hệ thống kiểm soát khí xả giúp hạn chế lượng khí thải có hại cho con người và môi trường. 2. Khí thải là gì ? Thuật ngữ khí thải dùng để chỉ nhiên liệu bay hơi từ thùng nhiên liệu, khí lọt ra qua khe giữa píttông và thành xy-lanh, và khí xả. Khí thải có hại cho môi trường và con người vì chúng có những chất độc như CO (cacbon oxit), HC (hyđrôcacbon) và NOx (nitơ oxit) Xe có động cơ điêzen không những thải ra các khí như CO, HC và NOx mà còn có các hạt cácbon, chúng cũng có tác động đến môi trường và con người. (1) CO (cácbon oxit) ã CO được sinh ra khi lượng ôxy đưa vào buồng đốt không đủ (cháy không hoàn toàn) 2C (cácbon) + O2 (ôxy) = 2CO (cácbon ôxít) ã Khi CO được hít vào trong cơ thể, nó hoà tan vào máu và làm hạn chế khả năng vận chuyển ôxy của máu. Hít vào một lượng lớn CO có thể dẫn đến tử vong. (2) HC (hydrôcácbon) ã HC được sinh ra trong quá trình đốt cháy không hoàn toàn, cũng như CO. Ngoài ra HC còn sinh ra trong các trường hợp sau: <1> Khi nhiệt độ ở khu vực dập lửa thấp, chưa đạt tới nhiệt độ bốc cháy. <2> Khí nạp thổi qua trong thời gian lặp của xupáp. Hỗn hợp không khí-nhiên liệu càng giàu, càng sinh ra nhiều HC. Hỗn hợp càng nghèo, càng ít sinh ra HC. Lượng HC sinh ra càng trở nên lớn hơn khi hỗn hợp không khí-nhiên liệu quá nghèo, vì nó không cháy được. ã Khi HC được hít vào cơ thể, nó trở thành tác nhân gây ung thư. Nó cũng gây ra hiện tượng sương khói quang hoá. -2- (3) NOx (nitơ oxit) ã NOx được sinh ra do nitơ và ôxy trong hỗn hợp không khí-nhiên liệu, khi nhiệt độ của buồng đốt tăng cao trên 1800 oC . Nhiệt độ của buồng đốt càng cao, lượng NOx sản ra càng nhiều. Khi hỗn hợp không khí-nhiên liệu nghèo, NOx sinh ra nhiều hơn vì tỷ lệ ôxy trong hỗn hợp không khí-nhiên liệu cao hơn. Như vậy, lượng NOx được sinh ra tuỳ theo hai yếu tố: nhiệt độ cháy và hàm lượng ôxy. N2 (nitơ) + O2 (ôxy) = 2 NO (NO2,N2 .NOx) Khi NOx được hít vào cơ thể, nó gây kích thích mũi và họng. Nó cũng gây ra hiện tượng sương khói quang hoá. (1/2) 1. Khí xả Khí xả được thải ra qua ống xả. Theo lí thuyết, khi đốt cháy xăng thì chỉ sinh ra CO 2 (cácbon điôxit) và H 2 O (hơi nước). Tuy nhiên, không phải toàn bộ xăng đều tham gia phản ứng như lí thuyết, do ảnh hưởng của các yếu tố như tỷ lệ hỗn hợp không khí-nhiên liệu, nitơ trong không khí, nhiệt độ cháy, thời gian cháy . Đó là nguyên nhân sinh ra các khí độc hại như CO, HC hoặc NOx. 2. Nhiên liệu bay hơi Hơi nhiên liệu thoát ra từ thùng nhiên liệu, bộ chế hoà khí . và đi vào khí quyển. Thành phần chủ yếu của nó là HC. 3. Khí lọt Khí lọt qua khe hở giữa pittông và thành xy-lanh và đi vào hộp trục khuỷu. Thành phần chủ yếu của nó là nhiên liệu và khí chưa cháy (HC). (2/2) -3- Nguyên lí sản sinh ra khí xả Tỷ lệ hỗn hợp không khí-nhiên liệu lí thuyết Tỷ lệ hỗn hợp không khí-nhiên liệu lí thuyết là tỷ lệ của lượng nhiên liệu và không khí (chứa ôxy) tối thiểu cần thiết để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu. Xăng là hỗn hợp của một số dạng hyđrôcacbon, trong đó chủ yếu là ốctan (C8H18). 2C8H18 + 15 O 2 = 16CO 2 + 18 H 2 O Để đốt cháy 1g ốctan và sản sinh ra nước và cacbondiôxít thì cần đến 15g không khí. Trên thực tế, nhiên liệu không phải là ốctan thuần chất mà là ôctan và các HC khác nhau. Vì vậy, tỷ lệ hỗn hợp không khí-nhiên liệu lí thuyết là 14,7 (1/1) Biểu đồ sản sinh CO/HC/NOx Biểu đồ bên trái cho thấy quan hệ giữa tỷ lệ hỗn hợp không khí-nhiên liệu và lượng CO/HC/NOx sinh ra. 1. Đậm hơn CO/HC : tăng NOx : giảm 2. Nhạt hơn CO : Giảm HC : Giảm Tuy nhiên, lượng này sẽ tăng lên vì động cơ nổ không tốt khi hỗn hợp không khí-nhiên liệu quá nghèo. NOx: Khí này được sinh ra nhiều nhất khi hỗn hợp không khí-nhiên liệu hơi nghèo hơn so với tỷ lệ lí thuyết. Nhưng khi hỗn hợp lại nghèo hơn nữa thì lượng khí này sẽ giảm vì nhiệt độ cháy giảm. Lượng khí CO/HC/NOx tăng lên trong các điều kiện sau đây: 3. Trong khi động cơ còn lạnh Lượng khí CO/HC tăng lên vì động cơ được cung cấp hỗn hợp không khí-nhiên liệu giàu. 4. Khi tải lớn Lượng khí thải tăng vì lượng không khí cũng như nhiên liệu đều tăng. ã Lượng CO/HC tăng vì động cơ được cung cấp hỗn hợp không khí-nhiên liệu giàu ã Lượng NOx tăng vì nhiệt độ cháy lên cao. GợI ý PPM : Viết tắt của Một Phần Triệu, được sử dụng làm đơn vị nồng độ. (1/1) -4- Các Tiêu chuẩn về Khí thải Mô tả Các quy định kiểm soát khí thải Ngày nay hầu hết các nước trên thế giới đều có những quy định nhằm ngăn ngừa ô nhiễm không khí vì khí thải. Những quy định này được gọi là quy định về khí thải. Phương pháp đo cũng như trị số tiêu chuẩn có thay đổi tuỳ theo từng nước. Sự khác nhau về chế độ đo được giới thiệu một cách đại thể như sau . Đ Hoa kỳ (Chế độ đo LA#4) Chế độ mô phỏng vận hành tổng hợp ở vùng ngoại ô Los Angeles. Chế độ này gần giống với điều kiện vận hành xe thực tế. Đ EU (Chế độ EU mới) Chế độ đo này được bổ sung chế độ vận hành trên đường cao tốc, trong đó NOx được quy định rất nghiêm ngặt. Đ Nhật Bản (chế độ 10.15) Mô phỏng chế độ vận hành xe trong thành phố có đèn tín hiệu giao thông. (1/2) Đo nồng độ và tổng trọng lượng Có hai phương pháp đo khí thải ã Đo nồng độ Đo hàm lượng phần trăm của CO/HC/NOx có trong khí thải ã Đo tổng trọng lượng Để đo tổng trọng lượng, mô phỏng chế độ vận hành thực sự như trong minh hoạ, và đo lượng CO/HC/NOx thải ra trong thử nghiệm. Trong những năm gần đây, phương pháp đo tổng lượng trở thành phương pháp chủ yếu. Lượng khí độc hại do xe thải ra có ý nghĩa quan trọng hơn phần trăm khí độc hại. (2/2) -5- Hệ thống kiểm soát khí xả Mô tả Phải có trình độ công nghệ cao mới có thể bảo đảm rằng tổng lượng các thành phần (CO/HC/NOx) trong khí thải đáp ứng các quy định về khí thải. Đối với xe ôtô thực sự, không những phải giảm những chất này mà còn phải đáp ứng các tiêu chuẩn khác như độ bền, độ tin cậy, an toàn và tiêu hao nhiên liệu. Các biện pháp làm sạch khí thải được liệt kê trong bảng bên trái đây, nhưng thiết bị thì thay đổi tuỳ theo từng nước, còn quy định về khí thải thì thay đổi theo vùng. (1/1) Cải thiện động cơ Động cơ đã được cải tiến rất nhiều để các đặc tính của động cơ về công suất và tiêu hao nhiên liệu không bị xấu đi qua thời gian sử dụng, hạn chế đến mức tối thiểu sự sản sinh khí độc hại. Các biện pháp dưới đây không phải là được áp dụng cho tất cả các kiểu động cơ, tuy nhiên, hầu hết các biện pháp thích hợp cho từng động cơ thì đã được sử dụng. 1. Cấu tạo của buồng đốt và cải thiện hệ thống nạp khí (1) Sử dụng vùng rối Vùng rối trong buồng đốt tạo ra dòng rối mạnh mẽ, bắt đầu từ cuối kỳ nén đến đầu kỳ nổ. Dòng rối này làm tăng tốc độ cháy, giúp hỗn hợp không khí-nhiên liệu cháy hoàn toàn, giảm lượng CO và HC. (2) Tạo ra xoáy lốc Cửa nạp được làm cong, tạo ra dòng xoáy thích hợp cho hỗn hợp không khí-nhiên liệu được hút vào trong kỳ nạp, cho đến mép ngoài của buồng đốt. Dòng xoáy này tiếp tục từ kỳ nén cho đến kỳ nổ, tạo ra hiệu quả tương tự vùng rối. 2. Sử dụng EFI, ESA và DIS Đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp không khí-nhiên liệu và giảm khí xả nhờ có sử dụng EFI (điều khiển phun nhiên liệu điện tử) để tạo ra hỗn hợp không khí-nhiên liệu thích hợp, và sử dụng ESA (Đánh lửa sớm điện tử), DIS (hệ thống đánh lửa trực tiếp) để điều khiển định thời đánh lửa chính xác theo điều kiện vận hành. (1/1) -6- Bộ lọc khí xả 1. Khái quát Bộ lọc khí xả làm cho các chất độc hại (CO, HC, NOx) phản ứng hoá học với các chất vô hại (H 2 O, CO 2 , N 2 ) khi luồng khí xả đi qua. Nói chung, platin, palađi, iriđi, rôđi . được sử dụng làm chất xúc tác trong ôtô. (1) Các loại bộ lọc khí xả ã Chất xúc tác ôxy hoá: oxy hoá HC hoặc CO và tạo thành H2O hoặc CO2 không độc hại. ã Chất xúc tác khử ôxy: tách ôxy ra khỏi NOx và tạo thành N2 vô hại. ã Chất xúc tác oxy hoá/khử ôxy: thực hiện cả hai chức năng trên. (Bộ xúc tác ôxy hoá/khử ôxy dùng cho ôtô được gọi là Bộ lọc khí xả 3 thành phần (TWC) vì rằng có ba chất độc hại CO, HC và NOx được chuyển hoá đồng thời thành chất không độc hại. Ngày nay, chất xúc tác ôxy hoá/khử ôxy được sử dụng cho hầu hết các ôtô. (1/3) (2) Hoạt động của chất xúc tác phụ thuộc nhiệt độ. Đối với chất xúc tác, mức độ làm sạch thay đổi theo nhiệt độ. Như biểu đồ cho thấy, tỷ lệ làm sạch gần đạt đến 100% và khí xả được làm sạch có hiệu quả nhất khi nhiệt độ chất xúc tác nâng cao trên 400 oC . CHú ý: Xe được trang bị bộ lọc khí xả sử dụng xăng không chì, vì nếu dùng xăng pha chì thì chì sẽ dính lên bề mặt của bộ lọc khí xả và cảm biến ôxy, làm giảm tác dụng của nó. (1/3) -7- (3) Hệ thống lọc khí xả 3 thành phần (TWC) TWC là hệ thống ôxy hoá CO và HC trong khí xả và đồng thời khử ôxy của NOx để biến chúng thành CO2, H2O và N2. Gần đây, kiểu liền khối được sử dụng như trên minh hoạ. Alumin hoặc chất xúc tác được phủ lên các thanh ghi có nhiều lỗ. Các chất độc hại đi qua những lỗ này và được làm sạch. Có hai kiểu khối, kiểu gốm và kiểu kim loại. Thanh ghi càng mỏng, khả năng làm sạch càng cao. (2/3) TWC hoạt động có hiệu quả nhất với tỷ lệ hỗn hợp không khí-nhiên liệu gần như lí thuyết. Vì vậy, cần có hệ thống thông tin phản hồi về tỷ lệ hỗn hợp không khí-nhiên liệu để giữ cho tỷ lệ này gần với tỷ lệ lí thuyết. Hệ thống thông tin phản hồi về hỗn hợp không khí-nhiên liệu theo dõi lượng ôxy trong khí xả bằng cách sử dụng cảm biến ôxy gắn trong đường ống xả. Khi đó, lượng nhiên liệu được ECU của động cơ điều chỉnh để kiểm soát tỷ lệ hỗn hợp không khí-nhiên liệu, giúp cho TWC làm việc có hiệu quả. (3/3) -8- Hệ thống giảm chấn (DP) 1. Sự cần thiết Khi bướm ga đóng vào thời điểm động cơ đang chạy với tốc độ cao thì sẽ tạo ra áp suất chân không rất mạnh trong đường ống nạp. Một phần nhiên liệu bị dính vào thành trong của đường ống sẽ bay hơi, làm cho hỗn hợp không khí-nhiên liệu trở nên quá giàu. Đồng thời, do lượng không khí nạp giảm, sự cháy không hoàn toàn hoặc hiện tượng bỏ máy xuất hiện, và một lượng lớn khí chưa cháy được thải ra qua khí xả. Để ngăn ngừa hiện tượng cháy không hoàn toàn hoặc bỏ máy, cần sử dụng bộ giảm chấn để tránh đóng bướm ga một cách đột ngột. 2. Hoạt động Trong khi động cơ giảm tốc độ, thanh nối của bướm ga tiếp xúc với bộ giảm chấn. Vì thế, bướm ga được đóng từ từ, theo mức độ không khí lọt ra qua bộ giảm chấn. Khi bướm ga mở, bộ giảm chấn lại trở về vị trí ban đầu của nó. (1/1) Hệ thống cắt nhiên liệu khi giảm tốc độ 1. Sự cần thiết Hệ thống này có tác dụng ngừng phun nhiên liệu trong khi giảm tốc độ, và giảm lượng CO và HC. Nó cũng ngăn ngừa hiện tượng cháy trong ống xả, giảm lượng tiêu hao nhiên liệu trong thời gian giảm tốc. 2. Hoạt động ECU của động cơ ngừng phun nhiên liệu tuỳ theo tốc độ của động cơ và góc mở của bướm ga. (1/1) -9- Hệ thống tuần hoàn khí xả (EGR) 1. Sự cần thiết Hệ thống EGR đưa một phần khí xả vào tái tuần hoàn trong hệ thống nạp khí. Khi khí xả được trộn lẫn với hỗn hợp không khí-nhiên liệu thì sự lan truyền ngọn lửa trong buồng đốt bị chậm lại, bởi vì phần lớn khí xả là trơ (không cháy được). Nhiệt độ cháy cũng giảm xuống để giảm lượng NOx sinh ra, vì khí trơ hấp thụ nhiệt toả ra. 2. Hoạt động ã Khi áp suất chân không tác động lên van của EGR, van này mở ra và khí xả được tái tuần hoàn. ã áp suất chân không tác động lên van EGR lại được điều khiển theo nhiệt độ chất làm mát động cơ hoặc góc mở của bướm ga. ã Khi động cơ nguội Khi động cơ nguội, BVSV mở về phía khí quyển nên khí xả không tái tuần hoàn được, vì không có áp suất chân không tác động lên van của EGR. -10- ã Khi chạy không tải. áp suất chân không không tác động đến cửa của EGR, vì thế khí xả không tuần hoàn. ã Bướm ga nằm giữa cửa EGR và EGR R. áp suất chân không của cửa EGR tác động đến van EGR, làm cho van này mở ra. áp suất chân không được điều khiển bằng bộ điều biến và cho tái tuần hoàn khí xả với một tỷ lệ không đổi. [...]... Một phần khí được hút từ nắp đậy nắp quy lát vào phía trước của bướm ga (phía bộ lọc khí) khi lượng khí lọt thực tế lớn hơn lượng khí có thể đi qua van của PCV (1/1) -14- Hệ thống kiểm soát hơi nhiên liệu (EVAP) 1 Sự cần thiết Hệ thống kiểm soát thải hơi nhiên liệu (EVAP) tạm thời hấp thụ hơi nhiên liệu vào bộ lọc than hoạt tính và dẫn nó vào động cơ để đốt cháy, nhờ thế mà ngăn không cho nhiên liệu bay... hợp không khí- nhiên liệu, và hoạt động của hệ thống kiểm soát khí xả Có thể xác định rằng động cơ và hệ thống kiểm soát khí thải làm việc bình thường khi CO và HC nằm trong giới hạn tiêu chuẩn, và động cơ chạy êm Khi động cơ chạy không êm hoặc mức HC cao thì nguyên nhân có thể là động cơ bỏ máy Nguyên nhân làm động cơ bỏ máy là tỷ lệ hỗn hợp không khí- nhiên liệu không thích hợp, nén kém, hệ thống đánh... chiều (2) và van chân không của nắp bình nhiên liệu được mở ra để hút không khí từ bên ngoài vào bình nhiên liệu khi trong thùng có áp suất chân không (do nhiệt độ bên ngoài thấp ) THAM KHảO Hệ thống kiểm soát thải hơi nhiên liệu (EVAP) dùng cho các kiểu động cơ ở Bắc Mỹ Các kiểu động cơ ở Bắc Mỹ có đặc tính chống thoát hơi nhiên liệu khi nạp thêm nhiên liệu vào thùng, bằng cách tạm thời hấp thụ lượng... một phần khí xả quay lại phía nạp, vào cuối kỳ xả EGR được thực hiện bằng cách hút lượng khí xả hồi lại này vào trong xy-lanh cùng với hỗn hợp không khí- nhiên liệu, trong kỳ nạp Hệ thống VVT-i sử dụng ECU của động cơ để thay đổi thời điểm mở xupáp Hãy tham khảo phần hệ thống điều khiển động cơ để biết thêm chi tiết (2/2) Hệ thống thông gió cưỡng bức cho hộp trục khuỷu (PCV) 1 Sự cần thiết Khí lọt bao... ga mở hoàn toàn Khí xả không tái tuần hoàn vì áp suất chân không tác động lên van EGR nhỏ hơn áp suất cần thiết để mở van (1/2) -11- 3 Tác dụng EGR bên trong của Hệ thống VVT-i (Van nạp biến thiên thông minh) Một phần khí xả được hút vào trong kỳ nạp, nhờ có thời gian trùng lặp của xupáp nạp và xupáp xả Hệ thống VVT-i kiểm soát thời điểm đóng mở xupáp để chủ động điều chỉnh EGR Hệ thống VVT-i nhanh... khí- nhiên liệu không thích hợp, nén kém, hệ thống đánh lửa trục trặc, hệ thống kiểm soát khí xả trục trặc ã Để đáp ứng các quy định 2 Trường hợp có TWC/cảm biến ôxy ã Không cần thiết phải điều chỉnh mức CO vì hệ thống điều khiển của động cơ đã điều chỉnh tăng hoặc giảm lượng nhiên liệu phun ra từ vòi phun để làm cho tỷ lệ hỗn hợp không khí- nhiên liệu gần giống với tỷ lệ lí thuyết, bằng cách sử dụng tín hiệu... thiết Khí lọt bao gồm một lượng khá lớn khí chưa cháy, lọt qua khe hở giữa xéc măng và thành xy lanh rồi đi vào hộp trục khuỷu (PCV) Hệ thống PCV buộc lượng khí lọt này quay về hệ thống khí nạp và đốt cháy nó áp suất chân không của đường ống nạp được sử dụng để hút khí lọt vào Bởi vậy, van PCV được lắp giữa đường ống nạp và nắp đậy nắp quy lát Nhìn chung, lượng khí lọt sẽ tăng lên khi động cơ mang tải... còn có một chức năng chẩn đoán -15- Hoạt động ã Khi mở nắp bình nhiên liệu không khí được hút vào trong một cái buồng ở phía trên của van ORVR ã Khi nạp thêm nhiên liệu Van ORVR mở, và hơi nhiên liệu đi vào bộ lọc than hoạt tính khi áp suất trong bình nhiên liệu tăng lên do nạp nhiên liệu vào (1/1) -16- Kiểm tra và điều chỉnh CO/HC Kiểm tra và điều chỉnh CO/HC 1 Sự cần thiết ã Xác định tình trạng động... cho nhiên liệu bay hơi từ thùng nhiên liệu lọt ra ngoài khí quyển 2 Hoạt động Hơi nhiên liệu bốc lên từ bình nhiên liệu, đi qua van một chiều (1) và đi vào bộ lọc than hoạt tính Than sẽ hấp thụ hơi nhiên liệu Lượng hơi được hấp thụ này sẽ được hút từ cửa lọc của cổ họng gió vào xy lanh để đốt cháy khi động cơ đang chạy Trong một số kiểu động cơ, ECU điều khiển dòng khí bằng cách điều chỉnh độ mở của VSV... được sấy đủ nóng, hỗn hợp không khí- nhiên liệu giàu, tỷ lệ động cơ bỏ máy cao 3 Trường hợp không có TWC/cảm biến ôxy ã Cần thiết phải điều chỉnh mức CO trong giới hạn tiêu chuẩn để đáp ứng các quy định và sử dụng động cơ trong điều kiện tốt ã Hỗn hợp không khí- nhiên liệu giàu khi hàm lượng CO/HC cao và động cơ chạy êm Cần phải điều chỉnh lượng CO để giữ sạch cho khí thải, cho dù động cơ làm việc tốt . -1- Các khí độc hại do ôtô sinh ra Mô tả 1. Hệ thống kiểm soát khí xả là gì ? Hệ thống kiểm soát khí xả giúp hạn chế lượng khí thải có hại cho. của hỗn hợp không khí- nhiên liệu, và hoạt động của hệ thống kiểm soát khí xả. Có thể xác định rằng động cơ và hệ thống kiểm soát khí thải làm việc bình