• Nhóm thứ hai: Xử lý khí thải.
Đây là các biện pháp nhằm đảm bảo hàm lượng các chất độc hại có trong khí thải trước khi thải vào môi trường phải nhỏ hơn giới hạn cho phép đã được quy định trong các điều luật. Có rất nhiều cơng nghệ khác nhau để xử lý khí thải: Bộ xử lý khí thải kiểu xúc tác 3 đường (trung hịa 3 thành phần cơ bản trong khí thải là CO, HC và NOx); Bộ lọc PM, Bộ xử lý khí thải kiểu ơ-xy hóa dùng cho động cơ diesel, Bộ xử lý NOx kiểu tích lũy,…).
Trong khí thải động cơ diesel, có 2 chất độc hại chủ yếu cần loại bỏ là khí NOx và PM, do vậy xu hướng xử lý khí thải động cơ diesel ngồi việc sử dụng những cơng nghệ xử lý khí thải nêu trên cịn có một giải pháp khác rất hiệu quả, tiện dụng và được nhiều người tin dùng, đó chính là
17 Cơng nghệ xử lý khí thải xúc tác khử NOx chọn lọc SCR (Selective Catalytic Reduction). Xử lý NOx theo công nghệ SCR: Là hệ thống xúc tác khử NOx chọn lọc, được tích hợp hệ thống phun dung dịch DEF (Diesel Exhaust Fluid). Dung dịch xử lý khí thải DEF/Adblue có thành phần chính là 32,5% Ure ((NH2)2CO) với độ tinh khiết cao, 67,1% là nước tinh khiết và 0,4% là các chất phụ gia khác được phun trực tiếp vào dịng khí thải nóng, nhờ nhiệt độ cao làm hơi nước bốc hơi khiến ure trong dung dịch phân hủy thành amoniac và axit isoxianic, qua phản ứng hóa học sinh ra N2 và H2O thốt ra mơi trường.
Công nghệ SCR cho phép các phản ứng giảm NOx diễn ra trong quá trình đốt cháy nhiên liệu, được gọi là công nghệ “chọn lọc” vì nó làm giảm các mức NOx bằng cách sử dụng amoniac như một chất khử trong một hệ thống chất xúc tác. Phản ứng hóa học được gọi là “giảm”, trong đó dung dịch DEF là chất khử có phản ứng với NOx để chuyển các chất ơ nhiễm thành khí N2, nước và một lượng nhỏ CO2. DEF có thể bị phá vỡ nhanh để tạo ra ammonia oxy hóa trong dịng thải. Cơng nghệ SCR có thể đạt được mức giảm NOx lên tới 90%, đồng thời giảm lượng phát thải HC và CO từ 50- 90% và phát thải PM từ 30-50%. Các hệ thống SCR được kết hợp với bộ lọc muội than DPF để giảm lượng phát thải cho PM.
Hệ thống SCR cần phải bổ sung chất dung dịch xử lý khí thải Adblue theo định kỳ dựa trên hoạt động của xe. Dung dịch DEF nạp theo chu kỳ thay dầu động cơ, hoặc phụ thuộc vào điều kiện hoạt động, số giờ sử dụng, quãng đường đi, tải trọng và các yếu tố khác. Bộ SCR có ưu điểm là tối ưu hóa q trình cháy, nên khả năng tiết kiệm nhiên liệu/năng lượng tốt hơn, không ảnh hưởng đến độ bền động cơ; đặc biệt, ure khơng phải là loại hóa chất gây nguy hiểm cho sức khoẻ con người. Hệ thống SCR là một lựa chọn tốt cho vấn đề khí thải của xe ơ tơ.
18
Hình 2. 12: Cơng nghệ xử lý khí thải SCR trên ơ tơ
• Nhóm thứ ba: Sử dụng kết hợp các hệ thống phụ trợ.
Để phát huy hiệu quả của hai nhóm giải pháp trên cũng như hạn chế sự phát thải quá mức của động cơ ở một số chế độ làm việc, cần phải sử dụng thêm các hệ thống phụ trợ như: Hệ thống kiểm sốt vịng lặp kín (hồi lưu khí thải); hệ thống đảm bảo nhiệt độ khí nạp; hệ thống phun khí (ơ-xy) nhằm hỗ trợ phản ứng trên đường thải; hệ thống tự chẩn đoán – OBD (OnBoard Diagnostics)…
19 • Nhóm thứ tư: Các giải pháp có liên quan đến nhiên liệu.
Nhiên liệu có ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính ơ nhiễm khí thải của động cơ đốt trong. Có nhiều giải pháp giảm ơ nhiễm khí thải có liên quan đến nhiên liệu như: Đảm bảo sự phù hợp giữa động cơ và nhiên liệu (động cơ có tỷ số nén càng cao thì sử dụng xăng có chỉ số octan càng lớn); nâng cao chất lượng nhiên liệu (ít tạp chất và các phụ gia độc hại); sử dụng nhiên liệu xanh như biodiesel, dầu thực vật, cồn …, nhiên liệu thay thế như khí thiên nhiên nén CNG, khí hóa lỏng LPG, năng lượng tái tạo như Pin năng lượng mặt trời, full cell hoặc các dòng xe hybrid , xe điện hiện nay.
20
CHƯƠNG 3. NĂNG LƯỢNG TRUYỀN THỐNG SỬ DỤNG TRÊN Ô TÔ TÔ
3.1. Nhiên liệu xăng.
3.1.1. Các tính chất của nhiên liệu xăng.
- Xăng dễ bay hơi, dễ bốc cháy, có mùi đặc trưng. - Cơng thức hóa học: C4 – C12
- Khối lượng phân tử: 95-120
- Nhiệt trị thấp (LHV): 42.8 (MJ/kg) - Tỉ lệ A/F (kg/kg): 14.7
- Tỷ trọng d= từ 0.70 đến 0.75 (kg/𝑚3) - Nhiệt độ sôi từ 25 - 215°C
- Nhiệt độ tự cháy: 246-280 °C - Nhiệt hóa hơi (KJ/kg): 380-500 - Điểm chớp cháy: - 40℃
- Tỷ lệ hóa hơi(kg/l): 70
- Áp suất hơi Reid (áp suất tuyệt đối ở 37.8oC (100oF)): 60 - 90 (kPa)
- Chỉ số Octan: RON (90), MON (81-89)
- Thành phần (C, H, O) (%wt): 86,14,0
- Giới hạn nồng độ cháy, nổ trên (% hỗn hợp với khơng khí): 7.6
- Giới hạn nồng độ cháy, nổ dưới (% hỗn hợp với khơng khí): 1.2
3.1.2. Các yêu cầu đối với nhiên liệu xăng.
- Đảm bảo động cơ dễ khởi động và chạy ổn định trong mọi điều kiện thời tiết không bị đông đặc trong mọi điều kiện thời tiết.
- Thành phần đồng nhất bắt cháy nhanh có nhiệt trị cao. - Cung cấp đủ công suất thiết kế mà khơng bị gõ (kích nổ).
21 - Chất lượng khí xả động cơ theo tiêu chuẩn quy định.
- Chất lượng xăng ít bị thay đổi khi lưu trữ vận chuyển.
- Khơng ăn mịn kim loại, khơng tạo cặn muội ban lên các chi tiết trong buồng đốt.
3.1.3. Các chỉ tiêu chính đánh giá chất lượng nhiên liệu xăng.
Các chỉ tiêu chất lượng liên quan đến an tồn sức khỏe, mơi trường khơng được lớn hơn các mức quy định trong bảng sau:
Bảng 3. 1: Chỉ tiêu đánh giá chất lượng nhiên liệu xăng
Tên chỉ tiêu Mức giới hạn
1. Hàm lượng chì, g/l 0,013
2. Hàm lượng lưu huỳnh, mg/kg 500
3. Hàm lượng benzen, % thể tích 2,5
4. Hàm lượng hydrocacbon thơm, % thể tích 40
5. Hàm lượng olefin, % thể tích 38
6. Hàm lượng oxy, % khối lượng 2,7
• Tính chống kích nổ
Trị số octan của xăng thể hiện tính chống kích nổ của xăng: Xăng có trị số octan càng cao thì tính chống kích nổ càng cao.
- Nếu sử dụng xăng có trị số octan thấp cho xe có tỉ số nén cao sẽ gây hiện tượng cháy kích nổ.
- Nếu sử dụng xăng có trị số octan cao cho xe có tỉ số nén thấp thì xăng sẽ khó cháy hoặc cháy khơng hết tạo cặn than làm bẩn máy, hao xăng.
22 Xăng muốn cháy được trong máy thì phải bay hơi. Xăng bay hơi thích hợp thì sẽ cháy tốt trong máy. Nếu xăng bay hơi khơng thích hợp, máy sẽ khơng phát huy được hết công suất, hao xăng nhiều và gặp phải những sự cố kỹ thuật sau: Hiện tượng nghẹt xăng hay nút hơi, hiện tượng ngộp xăng (sặc xăng)
• Tính ổn định hóa học cao
Khả năng giữ vững bản chất hóa học chống lại ảnh hưởng của mơi trường xung quanh gọi là tính ổn định hóa học của xăng. Tính ổn định hóa học của xăng bị ảnh hưởng nhiều bởi các yếu tố: nhiệt độ, diện tiếp xúc với khơng khí, độ sạch và khô của vật chứa, mức độ tồn chứa và thời gian tồn chứa. Xăng có hàm lượng keo nhựa càng cao thì có tính ổn định hóa học càng thấp.
23
3.2. Nhiên liệu diesel.
3.2.1. Các tính chất của nhiên liệu diesel.
- Công thức phân tử: C10 – C15 - Khối lượng phân tử: 190 – 220 - Nhiệt trị thấp (LHV): 42.5 (MJ/kg) - Tỉ lệ A/F (kg/kg): 14.5
- Tỷ trọng: 840 (kg/𝑚3) - Nhiệt độ sôi từ 180 – 360°C - Nhiệt độ tự cháy: 250°C
- Nhiệt hóa hơi (KJ/kg): 250 – 290 - Điểm đóng băng(OC): -40 – -34 - Độ nhớt (mm2/s): 4.4
- Khơng hịa tan trong nước - Phần trăm khối lượng C: 86 - Phần trăm khối lượng H: 14 - Phần trăm khối lượng O: 0 - Trị số Cetan: 51
• Trị số cetan
Trong chu trình làm việc của động cơ diesel, nhiên liệu tự bốc cháy trong điều kiện nhiệt độ và áp suất tới hạn, khơng cần mồi lửa từ bugi. Vì thế tính chất quan trọng của nhiên liệu diesel là chất lượCng cháy của nó.
Trị số cetane đặc trưng cho tính tự cháy của nhiên liệu diesel. Do đó, số Cetane càng lớn thì tính tự cháy của nhiên liệu càng cao và ngược lại.
Trị số Cetane là chỉ tiêu chất lượng quan trọng nhất của nhiên liệu diesel, đặc trưng cho khả năng tự bốc cháy của nhiên liệu diesel. Trị số cetane là một đại lượng quy ước, có giá trị (là một số nguyên nhận giá trị từ 0 đến 100) bằng tỷ số phần trăm thể tích của n-cetane (C16H34) trong hỗn hợp với alpha-methyl naphthalene (C10H7CH3) sao cho hỗn hợp này có khả năng tự bốc cháy tương đương với mẫu nhiên liệu diesel trong điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn (theo quy ước thì alpha-methyl naphthalene có trị số cetane bằng 0 và n-heptane có trị số cetane bằng 100). Khi đó thành phần Cetane tính theo % hỗn hợp so sánh được coi là trị số Cetane cần xác định của dầu Diesel.
Trị số cetane yêu cầu thì dựa vào thiết kế và kích cỡ động cơ, tốc độ và tải tự nhiên, sự khởi động và điều kiện áp suất.
24
• Tính bay hơi
Cùng với đặc tính cháy, tính chất bay hơi của nhiên liệu diesel cũng quyết định một phần quan trọng của quá trình cháy của nhiên liệu trong động cơ.
Nếu sử dụng nhiên liệu có tính bay hơi tốt thì sau khi dược phun sương vào xi lanh thì nó sẽ trộn hịa tốt với khơng khí và kết quả là sự cháy nhanh chóng được bảo đãm, máy hoạt động tốt, thuận lợi.
Việc sử dụng nhiên liệu có tính bay hơi kém thì sẽ làm xuất hiện khả năng hiện tượng cháy khơng hồn tồn và động cơ nổ rung có tiếng gỏ lạ, làm lãng phí nhiên liệu, tăng khả năng mài mòn động cơ.
Việc sử dụng nhiên liệu có tính bay hơi cịn ảnh hưởng tới tính khởi động động cơ. Nếu sử dụng nhiên liệu có tính bay hơi tốt thì việc khởi động động cơ sẽ dễ dàng.
• Tính nhớt
Tính nhớt được hiểu là sự chống lại sự chảy của chất lỏng. Độ nhớt cao nghĩa là nhiên liệu đậm đặc và khơng chảy dễ dàng.
Nhiên liệu có độ nhớt khơng đúng (q cao hoặc quá thấp) có thể làm cho động cơ hoặc hệ thống nhiên liệu hư hỏng.
Dầu diesel phải có độ nhớt tương đối thấp vì nó phải lưu chuyển trong các đường ống và phải phun sương vào các xy lanh của động cơ. Dầu có độ nhờn cao khơng thể tạo thành sương khi phun ra khỏi kim phun. Những hạt nhiên liệu phun ra khỏi kim phun còn lớn sẽ cháy chậm hơi, nên hiệu suất động cơ sẽ giảm xuống. Tuy nhiên, nếu độ nhớt quá thấp, dầu diesel không thể làm trơn các bộ phận vận chuyển bên trong bơm cao áp cũng như kim phun. Do đó có thể làm hư hỏng các bộ phận này.
• Tính bơi trơn
Đặc tính bơi trơn của nhiên liệu diesel là quan trọng, đặc biệt là cho các máy bơm cao áp loại quay và loại phân phối. Trong những máy bơm, bộ phận chuyển động được bôi trơn bằng nhiên liệu khi nó di chuyển qua các máy bơm, khơng phải do dầu động cơ.
Nhiên liệu bơi trơn thấp có thể gây mịn cao và để lại vết xước trên các chi tiết. Nhiên liệu bơi trơn cao có thể giảm mài mịn và tuổi thọ linh kiện dài hơn.
25 Điểm chớp cháy được xác định bằng cách nung nóng nhiên liệu trong một buồng kín nhỏ cho tới khi hơi nhiên liệu cháy trên bề mặt chất lỏng. Nhiệt độ lúc này của nhiên liệu được gọi là điểm chớp cháy.
• Lượng lưu huỳnh
Hàm lượng lưu huỳnh trong diesel rất quan trọng, hàm lượng càng nhỏ càng tốt, hàm lượng cao sinh ra axit sunfuric gây ăn mòn động cơ, phá hỏng dầu nhớt bơi trơn, giảm tuổi thọ của động cơ.
• Tính dẫn điện
Nhiên liệu diesel là 1 dạng vật chất lỏng có tính điện, biểu hiện của đặc tính kĩ thuật này là ở chỗ khi nó dịch chuyển, cọ sát, va chạm vào thành đồ vật đựng hay ống dẫn hoặc khi ở trạng thái tĩnh có dịng khí hoặc dịng chất lỏng khác đi qua...đều có thể sinh ra các điện tích tĩnh và có thể dẫn đến sự phát sinh tia lửa điện gây ra cháy.
• Tính ổn định nhiệt
Truyền nhiệt là một đặc điểm của nhiên liệu diesel trong động cơ diesel. Chỉ một phần nhiên liệu được lưu thông và thực sự đốt. Phần còn lại của nhiên liệu được đưa trở lại bình xăng. Nhiệt độ nhiên liệu lúc này có thể cao hơn nhiệt độ mơi trường xung quanh.
Thiếu ổn định nhiệt của nhiên liệu diesel có thể dẫn đến sự hình thành các chất khơng hịa tan được sau đó có thể gây tắc lưới lọc
• Tính axit
Tính axit của nhiên liệu diesel nếu khơng được kiểm sốt, có thể dẫn đến giảm sự ổn định nhiên liệu, làm ăn mòn sắt thép và là nguyên nhân của sự hình thành mảng bám trong kim phun.
• Cặn cacbon
Cặn carbon là lượng cặn còn lại sau khi cho bay hơi và nhiệt phân nhiên liệu. Cặn cacbon gây nên sự chênh lệch nhiệt độ giữa các điểm có cặn và các điểm khơng có cặn. Cặn cacbon cũng là nguyên nhân gây ra khói màu đen và giảm hệ số tỏa nhiệt.
• Tro xỉ
Hàm lượng tro thấp là rất quan trọng trong việc làm giảm hao mòn của động cơ. Trong dầu chưng cất hàm lượng tro không vượt quá 0,01%.
26
3.2.2. Các yêu cầu đối với nhiên liệu diesel.
Các chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng nhất của nhiên liệu diesel bao gồm: nhiệt trị, tính tự bốc cháy, hàm lượng tạp chất và độ nhớt.
• Độ nhớt
Độ nhớt của nhiên liệu diesel có ảnh hưởng chủ yếu đến chất lượng q trình phun nhiên liệu. Độ nhớt quá cao làm cho các tia nhiên liệu khó phân tán thành các hạt nhỏ và có thể bám trên thành xylanh. Ngược lại, độ nhớt quá thấp lại làm cho các tia nhiên liệu quá ngắn, khơng bao trùm hết khơng gian của buồng đốt.
• Tính tự bốc cháy
Tính tự bốc cháy của nhiên liệu là tính chất liên quan đến khả năng tự phát hoả khi hỗn hợp nhiên liệu - khơng khí chịu tác dụng của áp suất và nhiệt độ đủ lớn.
• Hàm lượng tạp chất
Dầu diesel, đặc biệt là dầu cặn, thường chứa một lượng đáng kể tạp chất có nguồn gốc từ dầu mỏ (ví dụ: S, V, Na, P) hoặc từ mơi trường thâm nhập vào trong quá trình chế biến, vận chuyển, bảo quản và phân phối (ví dụ: nước, đất cát , ). Tạp chất cơ học trong nhiên liệu có ảnh hưởng đến hệ thống phun nhiên liệu của động cơ diesel một cách trực tiếp và nghiêm trọng hơn so với trường hợp động cơ xăng. Trong hệ thống phun nhiên liệu của động cơ diesel có những chi tiết được chế tạo với độ chính xác rất cao, như cặp piston-xylanh của bơm cao áp và đầu phun của vòi phun. Khe hở giữa các cặp chi tiết nói trên có trị số trung bình khoảng 0,003 mm và sự có mặt của các vật cứng với kích thước vài phần ngàn mm cũng có thể làm hệ thống phun nhiên liệu bị hư hỏng rất nhanh. Chính vì vậy, hệ thống lọc nhiên liệu của động cơ diesel thường phức tạp hơn đồng thời việc bảo trì chúng cũng có những u cầu khắt khe hơn. Đối với dầu cặn có độ nhớt và hàm lượng tạp chất cơ học cao, động cơ còn phải được trang bị hệ thống xử lý nhiên liệu có chức năng sấy nóng và loại bỏ những tạp chất có kích thước lớn trước khi nhiên liệu được đưa đến các bộ lọc thông dụng.
3.2.2. Các chỉ tiêu chính đánh giá chất lượng nhiên liệu diesel.