độ phát sinh HC.
2.2.2 Yếu tố ảnh hưởng đến hàm lượng các chất độc hại trong khí thải của động cơ đốt trong cơ đốt trong
Nói chung, nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như:
- Loại nhiên liệu sử dụng (xăng, LPG…)
- Đặc điểm của động cơ (động cơ 2 kỳ, động cơ 4 kỳ…)
- Chế độ vận hành (thay đổi tốc độ động cơ, cắt nhiên liệu khi giảm tốc, chế độ
dừng động cơ trên đường…)
2.2.2.1 Ảnh hưởng của nhiên liệu đến mức độ phát ô nhiễm
• Giới thiệu chung về xăng:
Xăng động cơ là hỗn hợp của nhiều hydrocacbon có nhiệt độ sôi nằm trong khoảng 20-215oC (chủ yếu từ C4-C10), một phần nhỏ các hợp chất phi hydrocacbon cùng các phụ gia khác nhằm đảm bảo các yêu cầu hoạt động của động cơ trong những điều kiện vận hành khác nhau cũng như trong điều kiện tồn chứa. Cả ba họ parafinic, naphtennic, aromatic đều có mặt trong nhiên liệu này. Nói chung, xăng động cơ thường được phối trộn từ nhiều nguồn khác nhau với thành phần phụ thuộc vào yêu cầu của loại xăng thương phẩm. Bên cạnh đó, tuỳ thuộc vào từng quốc gia, khu vực và tuỳ từng loại động cơ mà chỉ tiêu chất lượng của xăng (độ hoá hơi, trị số octan, tỷ trọng, hàm lượng S, hàm lượng benzen…) có thể thay đổi.
• Ảnh hưởng của khối lượng riêng nhiên liệu:
Khối lượng riêng của nhiên liệu có quan hệ chặt chẽ với thành phần các hydrocacbon tạo thành hỗn hợp nhiên liệu, đặc biệt là tỷ lệ carbon/hydrogene. Sự gia tăng khối lượng riêng của nhiên liệu có khuynh hướng làm nghèo hỗn hợp đối với
động cơ dùng bộ chế hoà khí và ngược lại, làm giàu hỗn hợp đối với động cơ phun nhiên liệu.
• Ảnh hưởng của tỷ lệ hydrocacbon thơm:
Sự có mặt của hydrocacbon thơm trong nhiên liệu có khả năng tăng tính chống kích nổ. Các hydrocacbon thơm có tỷ số C/H cao nên khối lượng riêng của chúng lớn. Do đó, nhiệt lượng toả ra trên một đơn vị thể tích cao nên nhiệt độ cháy của hỗn hợp
tăng làm tăng hàm lượng NOx trong khí xả. Còn mức độ phát sinh CO ít bị ảnh hưởng
bởi hàm lượng hydrocacbon thơm. Các hydrocacbon thơm có cấu tạo ổn định hơn các parafin nên phản ứng cháy xảy ra chậm hơn. Do đó, trong cùng điều kiện cháy, sự phát sinh hydrocacbon chưa cháy của nhiên liệu chứa nhiều hydrocacbon thơm sẽ cao hơn nhiều. Bên cạnh đó, các chất thơm trong nhiên liệu còn giữ vai trò phát sinh hydrocacbon thơm đa nhân (HAP), phenol, và aldehyde thơm…
• Ảnh hưởng của tính bay hơi:
Đây là một đặc tính quan trọng đối với hoạt động của động cơ, nó ảnh hưởng đến thời gian khởi động của động cơ ở trạng thái nguội, tính ưu việt khi gia tốc và tính ổn định khi làm việc ở chế độ không tải. Những thành phần quá nặng có ảnh hưởng đến sự phát sinh HC chưa cháy. Nguyên nhân là do quá trình bốc hơi kém nên cháy không hoàn toàn dẫn đến sự hình thành aldehyde và gia tăng HC. Những thành phần nhẹ hơn, cần thiết cho việc khởi động và làm việc ở trạng thái nguội sẽ ảnh hưởng đến sự phát ô nhiễm khí xả do tổn thất bay hơi. Tính bay hơi của nhiên liệu không gây ảnh
hưởng đến sự phát sinh NOx trong khí xả. Chỉ có CO và HC gia tăng theo PVR, nồng
độ CO và HC tăng khoảng 20% theo chu trình FPT khi PVR tăng từ 65-80kPa.
• Ảnh hưởng của trị số octan:
Chỉ số octan có ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm, đặc biệt khi động cơ bị kích nổ. Sự giảm chỉ số octan làm gia tăng tính kích nổ dẫn đến phát sinh NOx, nhất là khi hỗn hợp nghèo.
• Ảnh hưởng của chất phụ gia:
Những loại phụ gia pha vào nhiên liệu bao gồm:
- Phụ gia tăng chỉ số octan (alkyl chì, méthylcyclopenta-diényl mangan tricarbonyle (MMT),ferrocene…)
- Phụ gia chống oxy hoá (phenylene diamin, aminophenol…)
- Các chất màu và các chất phụ gia chống nhầm lẫn.
Sự hiện diện của phụ gia trong nhiên liệu ít ảnh hưởng đến mức độ phát sinh
CO và NOx nhưng lại có tác động đến sự phát sinh HC, aldehyde…
2.2.2.2 Ảnh hưởng của đặc điểm động cơ xăng (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nói chung, động cơ 2 kỳ có mức độ phát ô nhiễm cao hơn động cơ 4 kỳ do quá trình tạo hỗn hợp không hoàn thiện. Mặc dù có nhiều cải tiến về kết cấu nhằm hạn chế sự hoà trộn giữa khí cháy và khí chưa cháy, đặc biệt đối với động cơ dùng bộ chế hoà khí nhưng vẫn không tránh khỏi sự thất thoát một bộ phận khí mới làm tăng sự phát sinh HC dẫn đến giảm tính năng kinh tế của động cơ 2 kỳ. Những giải pháp nhằm giảm tổn thất nhiên liệu bao gồm: phân bố độ đậm đặc của hỗn hợp nhiên liệu-không khí, phun nhiên liệu vào buồng cháy khi cửa thải đã đóng…
Để giảm suất tiêu hao nhiên liệu cũng như giảm mức độ phát xả các chất ô nhiễm. Động cơ xăng làm việc với hỗn hợp nghèo cũng đã được nguyên cứu. Bên cạnh đó, còn nhiều tác động cũng được thực hiện như nạp phần lớp hỗn hợp nhiên liệu-không khí (hệ thống tạo hỗn hợp phân lớp dạng buồng dự bị CVCC, hay dạng phun trực tiếp PROCO, TEXACO TCCS), gia tăng cường độ rối trong buồng cháy, điều chỉnh góc độ phối khí…
2.2.2.3 Ảnh hưởng của các chế độ vận hành động cơ xăng
Để hạn chế nồng độ HC trong giai đoạn giảm tốc nhưng vẫn cài li hợp, biện pháp tốt nhất là ngưng cung cấp nhiên liệu. Tuy nhiên, động tác này có thể dẫn đến điều bất lợi là làm xuất hiện hai điểm cực đại HC: điểm thứ nhất tại thời điểm cắt nhiên liệu và điểm thứ hai khi cấp nhiên liệu trở lại. Việc dừng động cơ hợp lý khi phương tiện chạy trong thành phố có thể làm giảm đồng thời mức độ phát sinh ô nhiễm và suất tiêu hao nhiên liệu. Khi thời gian dừng vượt quá 50s thì nên tắt động cơ nếu động tác này không làm giảm tuổi thọ của máy khởi động và bình điện. Ngoài ra, sự thay đổi tốc độ động cơ cũng có ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm. Khi giảm mạnh tốc độ, nồng độ NOx có thể giảm đi vài phần trăm nhưng làm tăng đôi chút CO, HC. Còn khi tăng tốc, nhờ sự vận động rối của không khí phía sau xe nên nhanh chóng khuyếch tán chất ô nhiễm vào không khí dẫn đến làm giảm nồng độ cục bộ của chúng trong môi trường.
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.
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 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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: