Các giải pháp giảm độ độc hại trong khí thải của động cơ đốt trong

2.1.3 .Tác hại của khí thải của động cơ đốt trong

2.2. Gải pháp giảm độc hại trên động cơ xăng

2.2.3. Các giải pháp giảm độ độc hại trong khí thải của động cơ đốt trong

Điều gì sẽ xảy ra với tình trạng ô nhiễm môi trường do phương tiện trên thế giới nói chung, đặc biệt ở Châu Á nếu chúng ta không hành động gì? Lo ngại về mức độ ô nhiễm không khí ngày càng tăng do phương tiện cơ giới đường bộ gây ra tại các thành phố lớn Châu Á, Ngân hàng Phát triển Châu Á đã khởi xướng một dự án về Giảm thiểu Khí thải Phương tiện vào tháng 11 năm 2000. Dự án đã thu thập những kinh nghiệm tốt nhất và phổ biến các thông tin về chính sách giảm thiểu khí thải từ các khu vực khác nhau trên thế giới. Đây là một cổng thông tin về kinh nghiệm giảm thiểu khí thải phương tiện ở các cấp độ: quốc tế, khu vực, quốc gia và thành phố. Dự

án đã trở thành diễn đàn chia sẽ kinh nghiệm giữa các nước Châu Á qua năm cuộc hội thảo:

Chất lượng nhiên liệu, Nhiên liệu thay thế, và Công nghệ tiên tiến cho phương tiện tổ chức vào ngày 2-4/05/2001 tại Niu Đêli, Ấn Độ.

Giảm thiểu khí thải từ xe hai-ba bánh tổ chức vào ngày 5-7/09/2001 tại Hà Nội, Việt Nam.

Tăng cường Kiểm tra và Bảo dưỡng phương tiện tổ chức vào ngày 7- 9/11/2001 tại Trùng Khánh, Trung Quốc.

Quy hoạch giao thông, Quản lý nhu cầu đi lại và chất lượng không khí tổ chức vào ngày 26-27/02/2002 tại Manila, Philippin.

Hội thảo tổng kết về giảm thiểu khí thải phương tiện tổ chức vào ngày 28/02- 01/03/2002 tại Manila, Philippin.

Nói chung, chiến lược giảm thiểu ô nhiễm từ nguồn di động của dự án bao gồm những giải pháp tổng thể về kiểm soát ô nhiễm phương tiện riêng cho từng vùng như sau:

Nâng cao công nghệ phương tiện và tiêu chuẩn khí thải cho xe mới và cả xe đang lưu hành.

Kiểm tra, bảo dưỡng và các chiến lược khác nhằm giảm thiểu khí thải phương tiện đang lưu hành.

Sử dụng những nguồn nhiên liệu sạch hơn kết hợp với xây dựng những tiêu chuẩn nhiên liệu (xăng, Diesel, nhiên liệu thay thế)

Quy hoạch mạng lưới giao thông công cộng.

Bên cạnh đó, dự án còn đề xuất cần tạo dựng môi trường cho các giải pháp hữu hiệu lâu dài như sự hỗ trợ của hệ thống thể chế và luật pháp, xây dựng năng lực cho các cơ quan chịu trách nhiệm xây dựng và triển khai chiến lược giảm thiểu khí thải phương tiện, nâng cao nhận thức về tầm quan trọng của vấn đề ô nhiễm không khí cho mọi người…

Tuy có khó khăn nhưng kinh nghiệm trong và ngoài Châu Á cho thấy hoàn toàn có thể tiến hành các biện pháp hiệu quả để giảm thiểu khí thải phương tiện. Thành công trong việc loại bỏ xăng pha chì, từng bước áp dụng Diesel có hàm lượng

S thấp, áp dụng tiêu chuẩn khí thải chặt chẽ hơn cho phương tiện ở nhiều nước Châu Á và các thử nghiệm trong quản lý nguồn ô nhiễm di động… tất cả nói lên rằng chúng ta có thể tạo ra sự khác biệt.

2.2.3.1 Nâng cao chất lượng của nhiên liệu truyền thống

Việc nâng cao chất lượng của nhiên liệu truyền thống gồm các bước chính và các bước phụ. Các bước chính là loại bỏ việc pha nước chì vào xăng, nhanh chóng giảm hàm lượng lưu huỳnh trong xăng và bổ sung các phụ gia. Các bước phụ là làm giảm áp suất hơi Reid và thành phần benzen trong xăng.

Các chất ô nhiễm đáng lưu ý nhất của động cơ xăng là CO, HC, NOx, hợp chất chì và một số chất độc khác (benzen, formaldehyt…). Mỗi loại chất thải này đều có thể bị chi phối bởi thành phần của loại xăng mà động cơ đang sử dụng. Xét về ảnh hưởng đến khí thải thì đặc tính quan trọng nhất của xăng là hàm lượng chì, hàm lượng lưu huỳnh, tính bay hơi và thành phần benzen. Đối với mỗi thành phần, nên có những chính sách riêng như sau:

Loại bỏ phụ gia chì: Từ đầu những năm 1970, đã có xu hướng giảm dần phụ gia chì trong xăng và tiến tới loại bỏ hoàn toàn. Hiện có khoảng 85% lượng xăng được bán ra trên thế giới là xăng không chì. Tất cả các động cơ xăng hiện đại được sản xuất ngày nay đều có thể hoạt động tốt bằng nhiên liệu xăng không chì và có khoảng 90% những động cơ này có lắp bộ chuyển đổi xúc tác để sử dụng riêng cho nhiên liệu không chì.

Giảm hàm lượng lưu huỳnh (S): Dựa vào nghiên cứu về Ô tô/Nhiên liệu, người ta thấy lượng NOx có thể giảm đi 3% khi hàm lượng S giảm đi 100ppm đối với những xe có lắp bộ chuyển đổi xúc tác. Đối với các loại xe của Mỹ hiện nay và tương lai chạy xăng chứa 330ppm S thì thành phần khí thải sẽ tăng 40% hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) và 150% NOx so với khí thải của nhiên liệu chỉ chứa khoảng 30ppm S. Do có tác dụng như vậy nên không hề ngạc nhiên là tại sao Nhật Bản đã sử dụng xăng có hàm lượng S tiêu chuẩn dưới 30ppm trong nhiều năm nay. Mới đây, EU còn đề nghị hạ hàm lượng S xuống còn tối đa là 10ppm. Để phát huy hết công năng

của công nghệ xúc tác tiên tiến mới nhất, hàm lượng S cần được khống chế ở mức thấp nhất.

Giảm áp suất hơi: Một thông số quan trọng khác của nhiên liệu là áp suất hơi. Áp suất hơi cho mỗi mùa phải thấp ở mức có thể để giảm sự bốc hơi ở các hệ thống phân phối và từ xe đang lưu hành. Nhưng nó cũng phải đủ lớn để có thể khởi động nguội được an toàn. Áp suất hơi của xăng cần phải được giảm đến mức tối đa là 60kPa khi nhiệt độ vượt quá 20oC, nhiệt độ thông thường ở những nước nhiệt đới hoặc bán nhiệt đới, như nhiều nước ở Châu Á.

Giảm hàm lượng benzen: Benzen là HC thơm, thường tồn tại ở dạng khí trong khí xả phương tiện. Tỷ lệ benzen trong khí thải rất khác nhau tuỳ theo công nghệ kiểm soát (sử dụng xúc tác…), thành phần và đặc tính của nhiên liệu (hàm lượng benzen, tốc độ bay hơi…) nhưng thường là 1%. EU đang thực hiện hàm lượng benzen trong xăng tối đa là 1% (theo thể tích).

Thêm các chất oxy hoá: Trộn một tỷ lệ nhỏ các hợp chất oxy hoá như methanol, ethanol, MTBE (methyl tert-butyl ether) vào xăng sẽ có tác dụng giảm dung năng của nhiên liệu nhưng lại làm tăng khả năng chống kích nổ của nó. Điều này dẫn đến giảm được phụ gia chì và các hợp chất thơm có hại trong xăng.

MTBE có thể được bổ sung vào xăng đến 2,7% mà không làm tăng lượng NOx. Khi bổ sung chất oxy hoá này vào xăng sẽ xảy ra hai tác động trái ngược nhau: làm cho xăng gầy hơn dẫn đến làm tăng NOx và làm giảm nhiệt độ cháy dẫn đến làm giảm NOx. Với lượng lớn hơn 2,7% thì tác động làm giảm nhiệt độ cháy phổ biến hơn. Mặc dù, theo quan điểm ngăn ngừa ô nhiễm không khí, việc sử dụng MTBE được coi là rất hấp dẫn thì mới đây ở Mỹ người ta lại thấy rằng việc rò rỉ hoặc lan tràn MTBE ra ngoài là mối đe doạ nguy hiểm đối với nguồn nước uống. Điều đó dẫn đến xu hướng sẽ cấm dùng MTBE trong xăng trong tương lai.

Ethanol có thể được bổ xung vào xăng đến 2,1% ôxy mà không làm tăng đáng kể NOx nhưng quá mức đó NOx sẽ bắt đầu tăng. Số liệu thử nghiệm trên 100 xe của Cục bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ chứng tỏ rằng lượng ôxy 2,7% hoặc cao hơn có thể làm tăng khí thải NOx lên 3-4%. Nghiên cứu Ô tô/Nhiên liệu kết luận rằng NOx tăng

khoảng 5% nếu lượng ethanol bổ sung là 10% (3,5% ôxy). Vì ethanol dễ bay hơi hơn so với xăng nên khả năng bay hơi của nhiên liệu gốc phải được điều chỉnh để ngăn sự tăng khả năng bay hơi của nhiên liệu. Thông thường, lượng bay hơi sẽ tăng khoảng 1psi khi ethanol được bổ sung vào xăng.

- Thay đổi những đặc tính khác của xăng: Theo nghiên cứu Ô tô/Nhiên liệu, khí thải NOx sẽ giảm xuống nhờ vào việc hạ thấp lượng olephin và sẽ tăng khi nhiệt độ T90 được hạ xuống nhưng chỉ tăng rất ít khi hàm lượng các chất thơm giảm đi. Nói chung, việc giảm chất thơm và hạ T90 theo thống kê sẽ làm giảm đáng kể lượng HC (không chứa methan) và CO. Khi giảm hàm lượng các chất thơm từ 45% xuống 20% làm cho lượng benzen giảm đi 42% nhưng lượng formaldehyt lại tăng 23%, acetandehyt tăng 20% và butadien-1,3 tăng khoảng 10%. Giảm olephin từ 20% xuống 5% làm giảm butadien-1,3 khoảng 31% nhưng lại gây ảnh hưởng đến những chất độc hại khác. Hạ nhiệt độ T90 từ 360oF xuống 280oF sẽ làm giảm đáng kể lượng benzen, butadien-1,3 (37%), formaldehyt (27%) và acetandehyt (23%).

2.2.3.2 Sử dụng các nhiên liệu thay thế hay các nguồn nhiên liệu sạch

Trước sự tăng giá dầu mỏ và vấn đề ô nhiễm môi trường ngày càng trầm trọng. Các nhà nghiên cứu đã nghĩ đến những giải pháp thay thế nguồn động lực dùng động cơ xăng và động cơ Diesel bằng các loại động cơ khác như động cơ điện, động cơ hydro, động cơ hybrid, động cơ sử dụng nhiên liệu thay thế như khí thiên nhiên (NGV), khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG), biodiesel, DME (Dymethylether), ethanol, methanol, nhiên liệu tổng hợp chiết suất từ than đá…

- Động cơ chạy bằng nhiên liệu lỏng thay thế:

Các loại nhiên liệu lỏng thay thế quan tâm hiện nay là cồn, colza, dimethyl ether (DME), biodiesel, methanol...có nguồn gốc từ thực vật. Do thành phần cacbon trong các loại nhiên liệu này thấp nên quá trình cháy ít sinh ra các chất ô nhiễm có gốc cacbon, đặc biệt là chất khí gây hiệu ứng nhà kính CO2.

+ Methanol: Methanol có khả năng cháy cao, nhiệt độ ngọn lửa thấp dẫn đến phát sinh ít NOx. Xe hạng nhẹ chạy methanol phát xả NOx, CO tương tự như xe chạy xăng, lượng VOC bằng khoảng một nửa nhưng lượng formaldehyt cao hơn xăng và các

nhiên liệu thay thế khác. Cản trở cơ bản của việc sử dụng rộng rãi nhiên liệu này là giá thành cao và không ổn định, ít có khả năng cạnh tranh được với nhiên liệu thông thường trừ khi giá dầu thế giới tăng lên.

+ Ethanol: Đối với động cơ chạy xăng chuyển sang dùng ethanol thì lượng VOC và CO giảm nhưng NOx tăng chút ít. Mức giảm khi dùng ethanol nguyên chất phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu. Ethanol sản xuất từ ngô có khí hiệu ứng nhà kính thấp hơn 15% so với xăng, trong khi ethanol được sản xuất từ củi rừng (E-100) có khí thải thấp hơn 60-75% so với xăng thông thường. Ở Brazin có chương trình khuyến khích sử dụng nhiên liệu ethanol để chạy xe mang tên “Prooalcool” đã thu hút sự chú ý của toàn thế giới nhờ thành công của nó.

+ Diesel sinh học: Diesel sinh học dù là hỗn hợp hay nguyên chất đều làm giảm được lượng CO, HC và độ khói. Nhưng nhiều nghiên cứu lại cho thấy lượng NOx

tăng khi dùng Diesel sinh học, nếu so với nhiên liệu Diesel ở điều kiện động cơ bình thường. Bên cạnh đó, Diesel sinh học còn làm mềm và thoái hoá một số chất đàn hồi nhất định và hợp chất cao su tự nhiên theo thời gian. Sử dụng với hàm lượng cao có thể ảnh hưởng đến các bộ phận của hệ thống nhiên liệu (vòi, gioăng…). Giá thành cao là cản trở chính để Diesel sinh học có thể trở thành nhiên liệu thay thế hấp dẫn.

- Động cơ chạy bằng khí thiên nhiên:

Khí thiên nhiên là nhiên liệu sạch, rẻ và có sẵn ở nhiều nước trên thế giới. So với động cơ xăng, động cơ chạy bằng khí thiên nhiên có hàm lượng CO, HC, NOx, VOC trong khí xả thấp hơn. Động cơ NGV hạng nhẹ có trang bị hệ thống kiểm soát nhiên liệu điện tử hiện đại và bộ xúc tác ba chức năng đã đạt được mức khí thải NOx

thấp hơn 75% so với tiêu chuẩn ngặt nghèo về khí thải của Bang Califonia của Mỹ. So với động cơ Diesel, động cơ NGV có khí thải NOx thấp hơn một chút và bụi hạt thì thấp hơn nhiều, trừ khi động cơ Diesel chạy bằng nhiên liệu có hàm lượng S cực thấp và có bộ lọc bụi hạt. Với hiệu suất năng lượng tương đương, khí thải hiệu ứng nhà kính từ NGV thấp hơn khoảng 15-20% so với xe chạy bằng xăng và tương đương với xe chạy Diesel. Những khó khăn khiến cho nguồn năng lượng này chưa được áp dụng rộng rãi trên các phương tiện vận tải là vấn đề lưu trữ khí thiên nhiên,

thiếu hạ tầng vận chuyển và kho chứa, thời gian nạp nhiên liệu tăng và quãng đường xe chạy ngắn…

- Động cơ chạy bằng khí dầu hóa lỏng (LPG):

Là loại nhiên liệu dùng cho động cơ đánh lửa cưỡng bức, LPG cũng có nhiều đặc tính và lợi thế giống như khí tự nhiên. Ngoài ra, nó còn được lưu trữ dễ dàng trên xe. Kỹ thuật động cơ cho xe chạy LPG tương tự như NGV nhưng chi phí chuyển đổi xe chạy xăng sang chạy LPG rẻ hơn, chủ yếu là do giá thành bình chứa khí thấp hơn. Theo số liệu thống kê năm 2001 thì thế giới có khoảng một tỉ phương tiện giao thông, trong đó hơn 8 triệu phương tiện sử dụng nhiên liệu LPG. Từ lâu LPG đã được sử dụng trên các phương tiện vận tải ở các nước phát triển như Áo, Hoa Kỳ, Hà Lan, Canada, Ý, Nhật Bản, Hàn Quốc, Thái Lan,…và ngày càng được khuyến khích nhân rộng trên nhiều quốc gia khác. Ở Nhật Bản, 260.000 xe taxi- chiếm 94% đội xe taxi của nước này đang dùng LPG. Nhiều xe taxi chạy Diesel ở Hồng Kông cũng đã chuyển sang chạy LPG. Đến nay, tổng mức tiêu thụ LPG trên thế giới là 191,216 triệu tấn, trong đó lĩnh vực vận tải tiêu thụ khoảng 11,8 triệu tấn, chiếm 6% tổng mức tiêu thụ LPG trên toàn cầu. Hiện nay, lượng cung LPG đã vượt cầu ở các nước có chế biến dầu mỏ nên giá thành rẻ hơn so với các nhiên liệu khác.

- Động cơ chạy bằng điện:

Động cơ chạy điện về nguyên tắc là động cơ sạch tuyệt đối đối với môi trường không khí. Nếu nguồn điện dùng cho động cơ được sản xuất từ các nguồn năng lượng tái sinh (năng lượng thủy điện, năng lượng mặt trời...) thì động cơ dùng điện là phương tiện lý tưởng nhất về mặt ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên nếu nguồn điện được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch thì ưu điểm này bị hạn chế nếu xét về mức độ phát ô nhiễm tổng thể. Nhược điểm quan trọng của loại động cơ này là giá thành ban đầu cao (cao hơn 30-40% so với động cơ dùng động cơ nhiệt truyền thống).

- Động cơ chạy bằng pile nhiên liệu:

Nỗi lo cạn kiệt dầu mỏ đã khiến các nhà khoa học không ngừng tìm kiếm những nguồn năng lượng bổ sung. Một trong những giải pháp của nguồn năng lượng sạch cung cấp cho động cơ trong tương lai là pile nhiên liệu. Pile nhiên liệu là hệ

thống điện hóa biến đổi trực tiếp hóa năng của nhiên liệu thành điện năng. Do không có quá trình cháy xảy ra nên sản phẩm hoạt động của pile nhiên liệu là điện, nhiệt và hơi nước, do đó có thể xem nó là động cơ sạch tuyệt đối theo nghĩa phát thải chất ô nhiễm trong khí xả. Động cơ chạy bằng pile nhiên liệu chỉ nạp nhiên liệu hydrogen nên khó khăn chủ yếu liên quan đến việc lưu trữ hydrogen.

- Động cơ hybrid:

Trong khi giải pháp sử dụng động cơ chạy hoàn toàn bằng điện còn nhiều bất cập thì động cơ lai sử dụng động cơ điện và động cơ nhiệt tỏ ra ưu thế hơn. Động cơ lai điện_nhiệt ngoài ưu điểm có mức độ phát sinh ô nhiễm thấp còn có hiệu suất sử dụng năng lượng cao.

2.2.3.3 Cải thiện các tính năng của động cơ và tối ưu hóa quá trình cháy

Đây là biện pháp đồng thời cắt giảm mức độ phát sinh ô nhiễm ngay tại nguồn, nghĩa là trước khi ra khỏi soupape xả và tiết kiệm nhiên liệu. Xu hướng này được các hãng sản xuất động cơ Đức và Nhật đặc biệt chú trọng.

Ở những động cơ thế hệ mới, người ta tăng cường vận động rối của hỗn hợp nhiên liệu-không khí trong quá trình cháy để làm giảm nồng độ các chất ô nhiễm, đặc biệt là HC. Việc tăng cường chuyển động rối sẽ làm tăng tốc độ lan tràn màng lửa và