a. Điều chỉnh để hạn chế lượng nhiên liệu chu trình
Khi động cơ làm việc ở chế độ tải cực đại, tức là λ rất nhỏ thì lƣợng phát thải NOX rất cao (kể cả CO và PM). Để cho động cơ không làm việc tại các chế độ tải
cực đại thì có thể điều chỉnh cơ cấu hạn chế lƣợng nhiên liệu theo chu trình của
bơm cao áp về phía giảm nhiên liệu, do đó có thể giảm đƣợc tỷ lệ NOX nhƣng biện
pháp này lại làm giảm công suất cực đại của động cơ.
b. Lựa chọn phương pháp hình thành hỗn hợp thích hợp
Ở động cơ diesel có hai phƣơng pháp hình thành hỗn hợp đó là: hình thành hỗn hợp trong buồng cháy thống nhất (phun trực tiếp) và hình thành hỗn hợp trong buồng cháy ngăn cách (phun gián tiếp).
Mỗi loại buồng cháy đều có ƣu nhƣợc điểm riêng: ở buồng cháy ngăn cách tỷ
lệ NOX thấp hơn nhiều so với buồng cháy thống nhất, ngoài ra các yếu tố về áp suất
phun, quy luật phun, hƣớng tia phun, kết cấu của vòi phun đƣợc thể hiện nhƣ trên
Hình 1.6 cũng ảnh hƣởng đến lƣợng phát thải NOX cũng nhƣ các thành phần phát thải độc hại khác.
c. Lựa chọn góc phun sớm thích hợp
Nếu góc phun sớm càng giảm (phun muộn đi) thì nhiệt độ quá trình cháy giảm
theo do đó NOX cũng giảm. Phƣơng pháp này đƣợc áp dụng khá phổ biến để giảm
phát thải NOX nhƣng nó sẽ làm giảm q trình cháy và làm giảm cƣờng độ ơxy hóa
muội than dẫn đến công suất động cơ giảm, tỷ lệ phát thải PM tăng lên.
d. Dùng hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử
Hệ thống nhiên liệu điều khiển điện tử đƣợc dùng phổ biến trên các động cơ
a) b)
Hình 1.6. a) Vịi phun thơng thường;
hiện đại. So với hệ thống phun nhiên liệu cơ khí thì hệ thống nhiên liệu phun điện tử có khả năng liên kết và sử lý đƣợc nhiều tín hiệu trong miền đ c tính làm việc của động cơ để đạt đƣợc các thơng số tối ƣu. Nhờ đó mà hệ thống nhiên liệu điện tử có thể làm giảm đƣợc các thành phần độc hại trong khí thải tới mức thấp nhất có thể.
e. Dùng nhiên liệu thay thế
Sử dụng nhiên liệu thay thế là một phƣơng hƣớng nghiên cứu và áp dụng quan trọng trong việc giảm ô nhiêm môi trƣờng của phát thải động cơ diesel. Hiện nay trên động cơ diesel sử dụng hai loại nhiên liệu thay thế sau:
- Diesel sinh học (Biodiesel) thay cho diesel hoá thạch, nhƣ methanol, dầu thực vật, mỡ động vật… Động cơ diesel dùng Methanol có phát thải P.M rất thấp.
- Nhiên liệu kép (Dua Fuel) nhƣ diesel.gas, nhiên liệu chủ yếu (có thể tới 99%) là khí thiên nhiên đốt bởi nhiên liệu diesel phun mồi (có thể chỉ 1%).
f. Phương hướng phát triển động cơ diesel tiêu thụ ít nhiên liệu, khí thải ít độc hại
Để phát triển động cơ theo hƣớng này thì khi thiết kế động cơ cần phải:
- Dùng nhiều xupáp, có thể thiết kế vị trí vịi phun cũng nhƣ đƣờng nạp thích hợp hơn nh m cải thiện đƣợc q trình hình thành hỗn hợp.
- Hồn thiện hệ thống phun nhiên liệu, gồm có:
+ Tăng áp suất phun đối với động cơ buồng cháy thống nhất: dùng bơm - vòi phun hay hệ thống nhiên liệu Common Rail (CR).
+ Điều chỉnh quy luật phun đối với hệ thống CR, tổ chức phun làm nhiều giai đoạn nhƣ phun mồi (để giảm tốc độ tăng áp suất, động cơ làm việc êm hơn), phun chính, phun sau.
- Làm mát khí luân hồi. - Tối ƣu hệ thống tăng áp.
- Thiết kế hệ thống nạp điều chỉnh đƣợc chế độ xốy và rối của mơi chất. - Cải thiện chất lƣợng nhiên liệu nhƣ tăng chỉ số Xê-tan, giảm hàm lƣợng
hyđrocacbon thơm và đ c biệt là giảm hàm lƣợng tạp chất lƣu huỳnh để giảm PM.
g. Luân hồi khí thải (EGR)
Hình 1.7. Sơ đồ động cơ sử dụng hệ thống EGR
1. Động cơ; 2. Bình tiêu âm; 3.Đường thải; 4. Đường luân hồi khí thải; 5. Bộ điều khiển; 6.Van tiết lưu khí thải; 7. Đường nạp;
Luân hồi khí thải là biện pháp làm giảm đáng kể lƣợng NOX trong khí thải
động cơ nói chung và trên động cơ diesel nói riêng. M c dù ln hồi khí thải làm
giảm NOX nhƣng lại làm tăng lƣợng PM, HC, CO, tăng tiêu hao nhiên liệu cũng
nhƣ tăng khả năng mài mòn các chi tiết và ảnh hƣởng đến độ bền của động cơ. Nhƣng tỷ lệ luân hồi ở động cơ diesel có thể cao hơn, cụ thể ở buồng cháy thống nhất có thể tới 60% và buồng cháy ngăn cách tới 30%. Nếu khí luân hồi đƣợc làm
mát thì tỷ lệ NOX có thể giảm hơn nữa. Vì vậy hiện nay, luân hồi khí thải đƣợc
nhgiên cứu và phát triển mạnh mẽ trên động cơ diesel.
Biện pháp luân hồi khí thải sẽ đƣợc nghiên cứu sâu trong các nội dung tiếp theo của luận văn.
1.2.2.2. Giải pháp liên quan đến xử lý khí thải
a. Dùng bộ xúc tác hấp thụ NOX dùng cho hỗn hợp nghèo LNT
Hệ thống LNT là hệ thống làm giảm khí thải NOX với hiệu suất cao, lớn hơn
90%. B ng cách phun nhiên liệu vào hệ thống LNT để giải phóng một số muối
nitơrát nh m làm giảm NOX cũng nhƣ cách dùng các kim loại quý để hấp thụ các
khí thải từ động cơ. 1 2 3 4 5 6 7 4 3 1
Hình 1.8. Sơ đồ hệ thống LNT
Trên Hình 1.8 thể hiện sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống
LNT [12]. Cấu tạo hệ thống LNT gồm 2 buồng xúc tác:
- Buồng thứ nhất: có một van khí thải và một đƣờng ống nối tắt (bypass).
- Buồng thứ hai (buồng xử lý): đƣợc chia thành các buồng nhỏ gồm có buồng
chứa chất ơxy hố (1) (dung tích 7 lít), buồng chuyển hố (2) (dung tích 7 lít) và buồng chứa bộ xúc tác LNT (3) (dung tích 14 lít). Trong các buồng có chứa chất xúc tác.
Các chất xúc tác trong các bình đƣợc làm từ các kim loại q có thành phần
cho các bình nhƣ sau: 50g Pt/305mm3 với buồng chứa chất ôxy hoá, 60g Pt/Rh
/305mm3 với buồng có chứa chất chuyển hoá, 50g Pt/305mm3 với buồng có chứa
chất xúc tác LNT. Các kim loại quý này đƣợc phủ lên trên bề m t của kim loại kiềm và kiểm thổ, các kim loại kiềm và kiềm thổ dùng chủ yếu là Kali (K) và Bari (Ba).
b. Dùng bộ xử lý xúc tác khử NOx (SCR)
Đây là phƣơng pháp khử liên tục NOX, dƣới tác dụng của chất xúc tác làm cho
NOx bị khử và hoàn nguyên thành N2 và H2O. Chất xúc tác thƣờng dùng là NH3. Do
lƣợng xúc tác cần thiết rất lớn nên bộ xử lý và các thiết bị đi kèm rất cồng kềnh, vì
vậy bộ xử lý dùng NH3 thƣờng dùng cho các trạm động lực t nh tại.
Hiện nay, hãng Simens đã thay thế NH3 b ng Urê ở dạng lỏng trong bộ xử lý
Hình 1.9. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống SCR[13]
Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống SCR nhƣ thể hiện trên Hình 1.9 trên
sơ đồ gồm hai phần chính: hệ thống phun Urê và bộ xúc tác chính SCR, trong đó lõi bộ xúc tác chính SCR đƣợc chế tạo b ng các vật liệu sau:
- Vanadium là chất xúc tác kim loại, thơng thƣờng kích thƣớc của chúng tƣơng đối lớn, hiệu suất chuyển đổi thấp bởi hàm lƣợng của chúng trong bộ xúc tác rất nhỏ. Hạn chế của vật liệu này là không thể hoạt động ở nhiệt độ cao.
- Zeolite là hợp kim xúc tác đƣợc bảo vệ bởi một lớp là nền Ceramic, hiệu suất chuyển đổi tƣơng đối cao cho một đơn vị thể tích. Thành phần của Zeolite gồm các hợp kim của các kim loại: Cu và Fe chịu đƣợc nhiệt độ cao. Hợp kim Fe chiếm
thành phần lớn trong Zeolite vì chúng làm việc đƣợc ở nhiệt độ cao gần 6000C và
cho hiệu suất tƣơng đối cao.
- Hợp kim của Cu rất có hiệu quả cho bộ xử lý khí thải khi hoạt động ở nhiệt
độ thấp 4500C. Bên cạnh đó bố trí hợp kim Fe đ t trƣớc hợp kim Cu, hợp kim Cu
hoạt động có hiệu quả ở nhiệt độ thấp và hợp kim Fe hoạt động ở nhiệt độ cao. Chính nhờ vậy bộ xử lý khí thải SCR làm việc trong một dải nhiệt độ rộng bởi vì có sự kết hợp một loạt hệ thống các hợp kim. Hơn nữa sự kết hợp các hệ thống cho phép làm giảm bớt khí thải ở nhiệt độ cao.