Tài liệu Tiểu luận môn học Ô TÔ VÀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN NỒNG ĐỘ CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG KHÍ XẢ ĐỘNG CƠ XĂNG doc

Nguyênnhân tạo nên HC trong khi thải là: * HC sinh ra do phản ứng cháy không hoàn toàn, do hỗn hợp không đạt, sự hòa trộn hỗn hợp hòa khí không phù hợp với điều khiện vận hành của động c

Giáo viên hướng dẫn :

Sinh viên thực hiện :



ĐỀ TÀI 1

I MỞ ĐẦU 3

II GIỚI THIỆU CÁC CHẤT Ô NHIỄM: 4

2.1 CO: 4

2.2 CO2: 5

2.3 HC: 5

2.4 NOx:(NO, N2O, NO2) 6

2.5 SOx(SO2, SO3): 6

III CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN NỒNG ĐỘ CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG KHÍ XẢ ĐỘNG CƠ XĂNG: 10

3.1 KẾT CẤU ĐỘNG CƠ 10

3.2 KẾT CẤU BUỒNG CHÁY 12

3.3 HỆ THỐNG ĐIỀU KHSIỂN ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH CHÁY KHÔNG HOÀN THIỆN: 12

3.4 TĂNG THỜI KỲ TRÙNG ĐIỆP CỦA XU PAP 20

3.5 ẢNH HƯỞNG CỦA NHIÊN LIỆU XĂNG ĐẾN MỨC ĐỘ PHÁT Ô NHIỄM CỦA ĐỘNG CƠ XĂNG 21

3.6 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO 27

3.7 KHI PHANH MÀ KHÔNG NGẮT LI HỢP 28

3.8 ẢNH HƯỞNG CỦA VIỆC GIỚI HẠN TỐC ĐỘ Ô TÔ ĐẾN MỨC ĐỘ PHÁT SINH Ô NHIỄM 28

3.9 ĐỘNG CƠ QUÁ CŨ 29

IV KẾT LUẬN 29

I MỞ ĐẦU

Ô nhiễm khí thải từ các loại xe cơ giới là nguồn gây ô nhiễm môi trườngkhông khí lớn nhất và nguy hại nhất, đặt biệt ở khu vực đô thị Hầu hết các chất

được tạo thành do quá trình đốt cháy nhiên liệu trong động cơ xe cơ giới

Chính vì vậy, việc tìm hiểu các nguyên nhân gây ra các chất ô nhiễm trongkhí xả động cơ đốt trong là việc làm quan trọng nhằm đưa ra các giải pháp thiết

kế tối ưu để hạn chế nồng độ các chất ô nhiễm

Trong nội dung bài tiểu luận này, nhóm chúng em nghiên cứu các nhân tố

cơ bản ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ xăng, cáctiêu chuẩn về ô nhiễm đối với khí xả động cơ xăng đang áp dụng tại Việt nam vàmột số nước trên thế giới Cụ thể phân công nghiên cứu như sau:

- Mai Hoàng Long: Nghiên cứu phần 2.6 Các tiêu chuẩn cho phép của các

chất ô nhiễm khí xả động cơ xăng, phần 3.5 Ảnh hưởngcủa nhiên liệu xăng đến mức độ phát ô nhiễm của động

cơ xăng và phần 3.8 Ảnh hưởng của việc giới hạn tốc

độ đến sự hình thành các chất ô nhiễm

- Võ Ngọc Khoa: Nghiên cứu các phần còn lại của tiểu luận

Quá trình nghiên cứu đã giúp chúng em hiểu rõ hơn về vấn đề ô nhiễm môitrường nói chung, các nguyên nhân gây ra ô nhiễm cũng như các chỉ tiêu đánhgiá đối với ô tô về ô nhiễm Chúng em rất cám ơn sự hướng dẫn nhiệt tình của

Cô GVC ThS Văn Thị Bông giúp chúng em hoàn thành tiểu luận này Chânthành cảm ơn quý bạn cùng lớp đã đóng góp nhiều ý kiến quí báu, kịp thời

II GIỚI THIỆU CÁC CHẤT Ô NHIỄM:

Môi trường có vai trò rất quan trọng đối với con người, nó tác động trựctiếp đến môi trường sống và sinh họat của con người Chính vì vậy mà chúng tacần phải có ý thức đối với môi trường Có rất nhiều nguyên nhân gây ra ônhiễm môi trường trong đó ô nhiễm do xe cơ giói là một trong nhưng nguyênnhân chính tác động trực tiếp đến môi trường

Trong quá trình hô hấp con người ta hít thở không khi trong lành để tồn

không khí bị ô nhiễm gây nguy hiểm đến sức khỏe của con người Các chất độchại trong khí thải ô tô Các chất chủ yếu gây ra ô nhiễm môi trường phát ra từđộng cơ:

2.1 CO:

CO được tạo ra ở động cơ xăng và động cơ diesel do sự đốt cháy không

Phản ứng cháy CO xảy ra theo cơ chế như sau:

Qua quá trình phản ứng ta thấy sự ô xy hóa phụ thuộc vào nồng độ của H2

và OH Vì vậy trong điều kiện sử dụng bình thường nồng độ CO sinh ra ở động

cơ xăng rất lớn

CO rất dễ tác dụng với hồng cầu trong máu và trở thành hợp chất bềnvững Do đó máu không có khả năng trao đổi oxy và con người sẽ bị chết dotoàn bộ huyết quản trong phổi bị tê liệt và chết ngạt Ở điều kiện nồng độ COthấp cũng có thể gây nguy hiểm lâu dài đến sức khỏe của con người Vì COnặng hơn không khí có xu hướng lắng xuống thấp Theo số liệu thống cơ củaFEPA (năm 1992) tốc độ tăng nồng độ của CO là 3%/năm Tại Việt Nam nồng

độ CO ở TP.HCM là cao nhất so với nồng độ CO trung bình của cả nước

2.2 CO2:

trong nước đại dương và được các thực vật giữ lại trong quá trình quang hợp

khoảng 0.4% Chính nó là tác nhân gây ra nhiệt độ cuả trái đất nóng lên theohiệu ứng nhà kính làm thay đổi khí hậu và những thiên tai thảm họa

2.3 HC:

Trong khí thải của động cơ có khoảng 200 loại HC khác nhau Nguyênnhân tạo nên HC trong khi thải là:

* HC sinh ra do phản ứng cháy không hoàn toàn, do hỗn hợp không đạt,

sự hòa trộn hỗn hợp hòa khí không phù hợp với điều khiện vận hành của động

cơ, xe cũ hệ thống nhiên liệu làm việc không chính xác

* Ở gần thành buồng cháy nguồn lữa bị dập tắt làm cho quá trình cháydiễn ra không hoàn toàn trong vùng này đã làm phát sinh HC trong quá trìnhcháy

cấp thiếu dẫn đến hiện tượng cháy không hoàn toàn

Chất độc này khi hít vào gây tổn thương đường hơ hấp, gây ung thư, rốiloạn thần kinh.

2.4 NOx:(NO, N2O, NO2)

Hình thành khi nhiệt độ của quá trình cháy cao, nhiệt độ khí thải lớn hơn

tác dụng với oxy ở nhiệt độ cao và hỗn hợp quá nghèo NO khơng nguy hiểm

khí màu nâu nhạt, mùi nồng, rất háo nước Khi kết hợp với nước sẽ tạo ra acidphá hội hoa màu và gây nên các bệnh về da, mắt, viêm đường hơ hấp…

2.5 SOx(SO2, SO3):

loại acid gây ra tác hại mũi, và đi vào đường hơ hấp gây tổn thương phổi, ho sặc,siễng, khĩ thể…

2s.6 Tiêu chuẩn cho phép của các chất ơ nhiễm khí xả động cơ xăng

* Áp dụng tại Việt nam:

-1.5007.8003.300

1.2007.8003.300

6007.8003.300

1.50010.000 1.2007.800

-Độ khĩi

- Tiêu chuẩn ban hành năm 2005

Cục Đăng kiểm Việt nam đã đề xuất với Bộ giao thông vận tải trình Thủtướng Chính phủ ban hành Quyết định số 249/QĐ-TTg, ngày 10 tháng 10 năm

2005 về lộ trình áp dụng khí thải đối với phương tiện giao thông cơ giới đường

bộ Trong đó, các mức tiêu chuẩn áp dụng đối với ôtô đang lưu hành được quiđịnh như bảng dưới

* Lộ trình áp dụng: Từ ngày 1/7/2006: Áp dụng mức 1 cho các phương tiện

mang biển soát hoặc có địa chỉ nơi thường trú của chủ phương tiện trong đăng

ký xe ôtô thuộc 05 thành phố: Hà nội, Tp.HCM, Hải Phòng, Đà Nẵng và CầnThơ Từ ngày 1/7/2008 : Áp dụng mức 1 cho tất cả các phương tiện vào kiểmđịnh trên phạm vi toàn quốc

800 7800 3300

600 7800 3300

4 Hệ số hấp thụ ánh sáng (m-1) 2,96 2,13 1,61

Theo lộ trình, giai đoạn 2005-2008, nước ta sẽ xây dựng tiêu chuẩn chất lượngkhí thải xe hơi phù hợp với Euro I trong hệ thống tiêu chuẩn châu Âu Đây là một trongnhững hệ thống tiêu chuẩn tiên tiến nhất, được áp dụng rộng rãi trên thế giới, gồm cảTrung Quốc và các nước Đông Nam Á.

Loại xe Tiêu chuẩn

* Các tiêu chuẩn châu Âu (Theo nguồn tài liệu European Union)

- Đối với xe khách dưới 6 chỗ

Xăng = diesel Xăng diesel

- Đối với xe khách trên 6 chỗ và xe tải dưới 3.5t

Loại 1: xe có trọng lượng dưới 1250Kg

III CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN NỒNG ĐỘ CÁC CHẤT Ô

NHIỄM TRONG KHÍ XẢ ĐỘNG CƠ XĂNG:

3.1 KẾT CẤU ĐỘNG CƠ

Do đặc điểm của động cơ xăng hai kì nên sự hòa trộn nhiên liệu cũng như

sự nạp hỗn hợp hòa khí và thải sản phẩm cháy có nhiều vấn đề cần được quantâm

Động cơ hai kì chỉ thực hiện hai hành trình nên khi piston của động cơ đi

từ điểm chết dưới lên điểm chết trên trong hành trình nén Khi piston vừa đóngkín cửa nạp nhưng của tải chưa đóng lại hoàn tòa đã làm một phần hỗn hơpnhiên liệu thất thoát ra ngoài và chạy ra đường ống xả Ống xả có nhiệt độ cao

và hỗn hợp nhiên liệu này bị bốc cháy và cháy không hoàn toàn tạo ra sản phẩmcháy có chứa CH, CO gây ô nhiễm môi trường

Hình 1 Nguyên lý kết cấu động cơ xăng hai thì

Đặc điểm bôi trơn một số chi tiết của động cơ xăng hai kì dùng mộtlượng dầu bôi trơn pha chung với nhiên liệu Do vậy mà trong quá trình cháyxảy ra một phần dâu bôi trơn trong nhiên liệu cháy không hoàn toàn và sảnphẩm của quá trình cháy có nồng độ HC tăng

Một trong các giải pháp làm giảm tổn thất nhiên liệu trong quá trình nạpnhiên liệu là làm thay đổi sự phân bố đậm đặc của hỗn hợp nhiên liệu không khítrong xi lanh sao cho hỗn hợp nghèo mới thoát ra ngoài đường thải Như phunnhiên liệu vào trong buồng cháy vào cuối quá trình nén khi cửa thải vừa đónglại Tuy nhiên với giải pháp này người ta phải dùng một bơm do động cơ dẫnđộng đã làm công suất động cơ bị mất đi bù vào lượng công để làm quay bơmnày Mặt khác, thời gian nén của động cơ hai kì ngắn hơn động cơ bốn kì Vì

vậy cần phải cung cấp một lượng phun nhiên liệu áp suất cao và thơi gian ngắn

đã làm phát sinh một lượng nhiên liệu bám trên vách xi lanh và thành buồngcháy không được bốc hơi tốt nên quá trình cháy không hoàn toàn làm tăng nộng

độ HC trong khí xả Một giải pháp tiết kiệm hơn phun nhiên liệu bằng không khívới áp suất cao trích ra trong giai đoạn nén

3.2 KẾT CẤU BUỒNG CHÁY

Khi hệ thống phun xăng đánh lửa đảm bảo thời điểm phun xăng, đánh lửa

và lượng nhiên liệu phun vào thích hợp nhưng quá trình cháy xảy ra còn phụthuộc vào kết cấu của buồng đốt Buồng cháy có khả năng tạo xoáy lốc để hỗnhợp chuyển động trong buồng cháy dạng chảy rối thì sẽ tăng sự đồng nhất củahỗn hợp giúp cho quá trình cháy xảy ra hoàn thiện hơn Tuy nhiên quá trìnhchảy rối đến một giới hạn nhất định, nếu quá trình rối vượt quá giới hạn thì làmquá nhiệt lan truyền trong buồng cháy và làm quá trình cháy diễn ra quá nhanhđộng cơ sẽ bị gõ trong quá trình cháy

Khi thiết kể đảm bảo sao cho khoảng cách chuyển động của màng lửa làngắn nhất Đảm bảo quá trình cháy diễn ra nhanh giảm thời gian cháy xảy ratrong buồng đốt và sẽ giảm nhiệt độ của quá trình cháy giúp hạn chế sự phátsinh NOx

3.3 HỆ THỐNG ĐIỀU KHSIỂN ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH

CHÁY KHÔNG HOÀN THIỆN:

3.3.1 HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU

Hệ thống cung cấp nhiên liệu có vai trò rất quan trọng ảnh hưởng trựctiếp đến công suất động cơ và phát sinh ô nhiễm môi trường Việc hòa trộn tỉ lệkhông khí /nhiên liệu thích hợp do nhiều tín hiệu liên quan cung cấp để đưa rađiều khiển lượng phun nhiên liệu phù hợp theo điều khiện làm việc của động cơ.Ngày nay hệ thống nhiên liệu luôn được phát triển và ngày càng hoàn thiện Từ

hệ thống điều khiển nhiên liệu bằng chế hòa khí điều khiển bằng cơ khí sangđiều khiển phun nhiên liệu bằng điện tử đã đảm bảo được lượng phun nhiên liệu

và thời điểm phun chính xác theo điều kiện vận hành của ô tô đã góp phần đán

kể vào việc tăng công suất của động cơ và giảm thiêu ô nhiễm của môi trường

* Mặc dù vậy nhưng vẫn có sự ô nhiễm được sinh ra do một số nguyênnhân tác động làm ảnh hưởng đến sự chính xác trong điều khiển như: Sự hưhỏng của cảm biến nhiệt độ nước làm mát, cảm biến vị trí bướm ga, cảm biếntốc độ động cơ, cảm biến nhiệt độ khí nạp… Các tín hiệu cảm biến này bị hư sẽảnh hưởng đến tỉ lệ không khí /nhiên liệu Ví dụ như khi cảm biến nhiệt độ nướclàm mát bị hư khi đó tín hiệu báo về bộ điều khiển (ECU) không chính xác vàECU sẽ điều khiển tăng lượng nhiên liệu cung cấp vào động cơ để làm giàu hỗnhợp nhiên liệu giúp động cơ dễ khỏi động khi nhiệt độ động cơ thấp Khi đó hỗnhợp nhiên liệu sẽ rất giàu và quá trình cháy xảy ra không hoàn toàn làm phátsinh HC trong khí xả và gây ô nhiễm môi trường

Hình 2 Van ISC điều khiên tăng lượng phun nhiên liệu khi nhiệt độ động

cơ thấp

Một trường hợp cũng rất thường xảy ra trong động cơ xăng làm phát sinhnồng độ HC rất cao đó là kim phun bị nhỏ giọt (đang ở trạng thái đóng nhưngkin phun bị nhỏ giọt mà không có sự điều khiển nào)

Bảng thống kê về sự phát sinh các chất ô nhiễm liên quan đế quá trìnhphát triển công nghệ của hệ thống nhiên liệu:

3.3.2 HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA

Để đảm bảo quá trinh cháy xảy ra hoàn thiện bên cạnh hỗn hợp nhiên liệuđược hòa trộn đều cần phải có tia lửa đủ mạnh để kích thích quá trinh cháy xảy

ra Đồng thời đánh lửa phải đúng thời điểm theo điều khiện làm việc của động

cơ Hệ thống đánh lửa điều khiển thời điểm đánh lửa phù hợp với điều khiện vậnhành của ô tô sẽ giảm thiểu ô nhiễm môi trường và phát huy công suất tối đacủa động cơ

Hình 3: Đặt tính ảnh hưởng thời điểm đánh lửa đến hiệu suất của động cơ

Việc điều khiển đánh lửa được chia làm hai giai đoạn cơ bản:

* Khiều khiển đánh lửa khi khởi động: khi động cơ khởi động việc đánhlửa xảy ra tại một góc quay trục khuỷu cố định nào đó mà chưa tính đến chế độhoạt động của động cơ (góc thời điểm đánh lửa ban đầu)

* Điều khiển đánh lửa sau khi khởi động: sau khi khỏi động tùy theo điềukhiện vận hành của ôtô mà góc đánh lửa của nó có thể thay đổi phù hộp

Khi đó góc đánh lửa thực tế sẽ bao gồm: góc thời điểm đánh lửa ban đầu+ góc đánh lửa sớm cơ bản + góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh

GÓC THỜI ĐIỂM ĐÁNH LỬA BAN ĐẦU

GÓC ĐÁNH LỬA SỚM CƠ BẢN

GÓC ĐÁNH LỬA SỚM HIỆU CHỈNH

THỜI ĐIỂM ĐÁNH LỬA THỰC TẾ

Hình 4 Điều khiển góc đánh lửa sau khi khởi động

a) Điều khiển khi hâm nóng

Khi nhiệt độ nước làm mát thấp (nhiệt độ động cơ thấp) động cơ rất khókhởi động vì nhiên liệu hòa trộn khó bốc hơi và khi khởi động tốc độ vòng quaycủa động cơ thấp Khi đó bên cạnh việc tăng lượng phun nhiên liệu(kim phunkhởi động lạnh) thì hệ thống đánh lửa cũng nhận được các tín hiệu nhiệt độ động

cơ, tốc độ động cơ, vị trí piston, áp suất đường ống nạp, vị trí bươm ga để điềukhiển tăng góc đánh lửa sớm Khi nhiệt độ nước làm mát còn thấp và góc đánhlửa sớm điều khiển quá trỡ sẽ dẫn đến hiện tượng hốn hợp hòa khí trong buồngcháy cháy không hoàn toàn và khi đó lượng HC trong khí thải sẽ tăng gây ônhiễm môi trường

ĐIỀU CHỈNH KHI HÂM NÓNG

ĐIỀU CHỈNH KHI QUÁ NÓNG

ĐIỀU CHỈNH ỔN ĐỊNH KHÔNG TẢI

b) Khi nhiệt độ động cơ quá nóng

Khi nhiệt độ động cơ quá cao do động cơ làm việc ở tải lớn, góc đánh lửaquá sớm khi đó quá trình cháy duy trì trong buồng cháy quá lâu làm nhiệt độđộng cơ tăng nhanh khí đó rất dễ xảy ra hiện tượng nồng độ NOx tăng Khi đó

để hạn chế hiện tượng này thì bộ điều chỉnh góc đánh lửa sớm sẽ điều khiểngiảm góc đánh lửa sớm

c) Khi ở chế độ không tải

Ở chế độ không tải động cơ làm việc với góc đánh lửa sớm cơ

nhiễm phát ra là thấp nhất

d) Khi động cơ hoạt động không ổn định: do sự thay đổi lượng phun

nhiên liệu tăng giảm liên tục (Điều chỉnh phản hồi tỉ lệ khí-nhiên liệu)

Động cơ đặc biệt rất nhạy cảm với việc thay đổi lượng nhiên liệu phunvào buồng cháy để thay đổi tốc độ của động cơ ở chế độ không tải Nếu như hệthống đánh lửa không hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm phù hợp thì động cơ sẽ bịmất công suất do quá trình cháy xảy ra không hoàn thiện và hiện tượng phát sinhcác chất ô nhiểm gia tăng Để hạn chế hiện tượng này thì bộ điều khiển điện tử

09

60oCNhiệt độ nước làm

Hình 5 Điều chỉnh góc đánh lửa khi hâm nóng

Góc

đánh

lửa

sớm

điều chỉnh lượng phun nhiên liệu phù hợp Tín hiệu chính để nhận biết đượcđiều khiên làm việc của động cơ trong lúc này là cảm biến oxy, cảm biến vị trícánh bướm ga và cảm biến tốc độ Các tín hiệu này sẽ được gửi về bộ ECU vàECU sẽ điều khiển góc đánh lửa sớm và lượng phun nhiên liệu phù hợp với điềukiện làm việc của động cơ

Cảm biến oxy sẽ nhận biết được thành phân của hòa khí tức thời của

hấp thụ những ion oxy âm tính Cảm biến oxy này thực chất là một pin điện có

dẫn điện Lớp plantin này rất mỏng và xốp để oxy dễ khuyếch tán vào bên trong.Khi khí thải chứa lượng oxy ít do hỗn hợp giàu nhiên liệu thì số ion oxy tậptrung ở điện cực tiếp xúc với khí thải ít hơn ion oxy tập trung ở điện cực tiếp xúckhông khí Sự chênh lệch số ion này sẽ tạo một tín hiệu điện áp khoảng 600-900mV Khi sự chệch lệch số ion giữa hai điện cực nhỏ trong trường hợp nghèoxăng thì điện áp phát ra khoảng 100-400 mV Và sự chệnh lệch này sẽ gửi vềECU để điều khiển phun xăng và đánh lửa

Vì vậy khi chế độ làm việc của động cơ thay đổi mà góc đánh lửa sớmkhông thay đổi phù hợp thì sẽ làm tăng nồng độ các chất HC, CO, NOx trongkhí thải

e) Khi bị kích nổ:

Kích nổ là hiện tượng hai màng lửa phát ra từ hai nguồn lan tràng với tốc

độ rất lớn trong buồng cháy(1000-1500)m/sec và va chạm nhau sinh ra tiếng gõcủa động cơ Hai nguồn lửa này là do tia lửa điện của bugi phát ra chúng ta cóthể kiểm soát được và nguồn lửa tự phát do nhiệt độ động cơ quá cao làm chobuội than trong buồng cháy bị bốc cháy chúng ta không khiểm soát được Đểtránh hiện tượng kích nổ bên cạnh việc sử dụng nhiên liệu có tỉ số ốctan caochúng ta còn có thể khống chế được bằng cách giảm góc đánh lửa sớm (Để tránh