1.7. Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm của động cơ ôtô
1.7.2. Xử lí khí xả bằng bộ xúc tác
Việc xử lí khí xả động cơ đốt trong bằng bộ xúc tác đã đơc nghiên cứu và phát triển ở Mĩ cũng nh ở Châu Âu từ những năm 1960. Đầu tiên, ngời ta sử dụng các bộ xúc tác oxy hoá trên những động cơ hoạt động với hỗn hợp giàu. Sau
đó, hệ thống xúc tác lỡng tính đã đợc phát triển để xử lí khí xả. Hệ thống này bao gồm hệ xúc tác khử, bộ cung cấp không khí và bộ xúc tác oxy hoá. Bộ xúc tác “ba chức năng” đầu tiên đợc đa vào sử dụng từ năm 1975 trên động cơ đánh lửa cỡng bức làm việc với hệ số d lợng không khí λ xấp xỉ 1 và trở thành bộ xúc tác
đợc ứng dụng rộng rãi nhất hiện nay. Từ năm 1990, các bộ xúc tác mới đợc áp dụng trên động cơ đánh lửa cỡng bức làm việc với hỗn hợp nghèo, động cơ Diesel và động cơ 2 kì.
Dới đây là nguyên tắc chung và cấu tạo của bộ xúc tác “ba chức năng” (three way) là bộ xúc tác cho phép xử lí đồng thời CO, HC và NO- x bởi các phản ứng oxy hoá - khử (hai chất đầu tiên bị oxy hoá còn chất thứ ba bị khử).
Các phản ứng diễn ra trong bộ xúc tác gồm:
Phản ứng oxy hoá:
2
2 2
1O CO
CO+ →
O yH xCO y O
x H
Cx y 2 2 2
2
4 → +
+ +
Các phản ứng khử:
O H N H
NO 2 2 2
2
1 +
→ +
2
2 2
1N CO CO
NO+ → +
O yH xCO y N
x H
C y NO
x x y 2 2 2
2 4
2 2 + +
+
→
+
+
Hai phản ứng oxy hoá diễn ra khi hỗn hợp đậm λ nhỏ hơn hay bằng 1 (hỗn hợp nghèo). Trong khi đó, ba phản ứng phân huỷ NO diễn ra thuận lợi trong hỗn hợp giàu. Trong các phản ứng khử, ngời ta chỉ quan tâm đếm NO vì nó là thành phần chủ yếu trong NOx.
Trong cùng điều kiện về nhiệt độ, việc oxy hoá CO, HC và khử NOx (nghĩa là năm phản ứng kể trên phải diễn ra cùng lúc với tốc độ đủ lớn), chỉ có thể diễn ra một các đồng thời khi hệ số d lợng không khí của hỗn hợp nạp vào động cơ xấp xỉ bằng 1. Đó là lí do giải thích tại sao tất cả các ôtô có bộ xúc tác ba chức năng phải làm việc với tỉ lệ hỗn hợp cháy hoàn toàn lí thuyết và tỉ lệ này đợc điều chỉnh nhờ cảm biến lambda.
Mặt khác, việc duy trì thành phần hỗn hợp có λ = 1 ngoài việc tăng tỉ lệ biến
đổi các chất ô nhiễm nó còn hạn chế phản ứng “nhiễu” tạo N2O (protoxyde nitơ):
2
2NO+CO→N2O+CO O H O N H
NO 2 2 2
2 + → +
2 2
2NO+hydrocarbure→N2O+H O+CO
Cờng độ các phản ứng này bé nhất khi độ đậm đặc của hỗn hợp xấp xỉ bằng 1.
Hệ thống xúc tác bao gồm gộp đỡ (support) và lớp kim loại hoạt tính. Ngày nay, gộp bằng gốm hay kim loại liền một khối, gọi là monolithe, đợc dùng rộng rãi nhất. Gộp đỡ monolithe là những ống trụ tiết diện tròn hay ovale bên trong đợc chia nhỏ bởi những vách ngăn song song với trục. Mặt cắt ngang của bộ phận công tác vì vậy có dạng tổ ong với tiết diện tam giác hay vuông. Đối với động cơ có công
suất khoảng 100kW, tiết diện tổng cộng cần thiết của các phần tử công tác khoảng 130cm2 và thểtích tổng cộng gộp khoảng 2 3 lít (0,02 0,03dm ữ ữ 3/kW).
Vật liệu dùng phổ biến là: 2MgO, 2Al2O3, 5SiO2. Vật liệu này có u điểm là nhiệt độ nóng chảy cao (1400oC) do đó có thể chịu đựng đợc nhiệt độ khí xả và nhiệt độ xúc tác (đôi lúc lên tới 1100oC).
Gộp đỡ monolithe ngày nay có nhiều u thế hơn. Nó đợc chế tạo bằng thép lá không rỉ có bề dày rất bé. Ưu điểm của kim loại là dẫn nhiệt tốt cho phép giảm
đợc thời gian khởi động hệ thống xúc tác.
1.7.3. Lọc hạt rắn
Những năm gần đây nồng độ bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel giảm đi rất nhiều nhng nó vẫn là mối quan tâm của các nhà khoa học vì bồ hóng rất dễ đi sâu vào phổi, bị giữ lại ở phế nang gây nhiều tác hại đối với cơ quan hô hấp.
Bồ hóng trong khí xả có kích thớc rất bé. Đa số hạt bồ hóng (hơn 90% số hạt) có đờng kính trung bình khoảng 1 micromet. Lọc hạt cỡ này rất khó vì nó sẽ gây tổn thất lớn trên đờng thải. Hạt bồ hóng xốp, có khối lợng trung bình khoảng 0,07g/cm3 nên lọc bị tắc rất nhanh. Làm sạch thờng xuyên bồ hóng bám trên lõi lọc là điều kiện cần thiết để đảm bảo lọc hoạt động bình thờng. Lọc bồ hóng giải quyết hai vấn đề cơ bản đó là lựa chọn kĩ thuật lọc và phơng pháp tái sinh lọc.
1. Kĩ thuật lọc bồ hóng
Có nhiều phơng pháp lọc bồ hóng nhng nhìn chung chúng dựa trên cùng nguyên tắc là bẫy hạt bồ hóng.
Trong nhiều năm qua, nhiều công trình nghiên cứu về lọc bồ hóng đã đợc tiến hành nhng cha có một loại lọc nào đợc ứng dụng rộng rãi. Giá thành lọc vẫn cao, hệ thống lọc còn phức tạp và tuổi thọ của lọc còn thấp.
Lọc chế tạo bằng vật liệu gốm đã đợc áp dụng từ năm 1981. Hiệu quả lọc của chúng rất cao (có thể đạt 90%), nhng sự phát triển của loại lọc này còn bị hạn chế do cha tìm ra đợc một hệ thống tái sinh tin cậy với giá thành hạ. Thành lọc có bề dầy 0,3mm, vật liệu có độ xốp 40 ữ 50% với đờng kính lỗ xốp trung bình 14àm. Lõi lọc đợc chế tạo thành dạng tổ ong và đợc làm kín ở một đầu xen kẽ nhau (hình 1.12). Khí xả vào đầu hở của lọc, khi qua các lỗ xốp của thành bồ hóng bị giữ lại. Trong lõi lọc hiện đại, dây điện trở đợc bố trí trong thành gốm để đốt bồ hóng trong quá trình tái sinh. Lọc bằng vật liệu gốm thờng hay bị nứt hỏng do ứng suất nhiệt khi tái sinh và xung lực của dòng khí thải.
Lọc gốm monolithe là dạng lọc đợc nghiên cứu và thử nghiệm nhiều nhất kể từ khi đề ra giải pháp lọc bồ hóng. Lọc đợc cải tạo từ gộp của bộ xúc tác ba
chức năng bằng cách làm kín xen kẽ đầu các rãnh thông sao cho khí thải buộc phải qua lớp xốp của thành gốm ngăn cách hai rãnh thông liền nhau (hình 1.13).
Hình 1.12. Lõi lọc
Phơng pháp lọc này gọi là phơng pháp thổi qua tờng“ ” (wall flow). Hiệu quả của lọc rất cao (> 90%) nhng trở lực trên đờng xả lớn và độ chênh lệch (gradient) nhiệt độ trong lõi lọc cao khi tái sinh lọc. Vật liệu gốm thờng đợc sử dụng là (2MgO, 2Al2O3, 5SiO2) hoặc carbure silic (SiC).
Lọc sợi gốm đợc chế tạo từ sợi silic hay hỗn hợp oxyde nhôm và silic, đợc cuộn thành lớp dày khoảng 10 ữ 12mm quanh những ống bằng kim loại có đờng kính 40mm. Khí xả di chuyển từ bên trong ống ra ngoài. Lớp sợi này tạo thành lới lọc với đờng kính trung bình của lỗ khoảng 10 micrômet. Dạng lọc này có u
điểm là ít chịu ảnh hởng của ứng suất nhiệt và cơ khí, hiệu quả lọc vừa phải (75 ÷ 80%).
Hình 1.13. Lõi lọc gốm
Lõi lọc sợi gốm vừa mới đợc phát triển trong những năm gần đây nhng có rất nhiều hứa hẹn. Những sợi gốm có đờng kính chừng 10 micrômet đợc đan lại thành tấm (hình 1.14) mà dạng lỗ trống đợc tối u hoá để đảm bảo hiệu quả lọc cao nhất và độ cứng vững chấp nhận đợc. Các tấm này đợc dệt theo phơng pháp cổ điển của công nghệ dệt. Hiệu quả lọc, độ chịu đựng chênh lệch (gradient) nhiệt và rung động cơ học của lõi lọc này rất tốt.
Hình 1.14. Lõi lọc bằng lới sợi gốm.
Lọc bằng sợi thép mạ nhôm có quy trình chế tạo đơn giản hơn. Nó có u
điểm chịu đợc sự thay đổi nhiệt, rung động và xung lực khí xả. Thể tích của lõi lọc và kích thớc của sợi lọc đợc xác định theo lu lợng khí xả và tổn thất áp suất cho phép. Sợi thép mạ nhôm có bề dầy 0,2mm là tối u nhất (hình 1.15).
Hình 1.15. Lõi lọc bằng sợi thép mạ nhôm.
Lõi lọc bằng kim loại xốp đợc áp dụng trong những năm gần đây. Kim loại xốp có tên gọi là Celmet, đó là hợp kim Ni- Cr- Al, có thể chịu đựng đợc nhiệt độ
700oC trong 300 giờ. Tổn thất áp suất chỉ bằng 1/10 so với lọc bằng vật liệu gốm thông thờng. Lọc Celmet có đờng kính lỗ xốp trung bình khoảng 500 àm (hình 1.16). Kích thớc của lỗ có thể điều chỉnh bằng cách gây biến dạng lõi lọc hay ghép chồng lên nhau nhiều tấm lọc đồng trục. Thờng lõi lọc gồm hai lới lọc hình trụ đợc bố trí đồng trục và giữa hai lõi lọc này ngời ta bố trí một điện trở để tái sinh lọc. Khí xả vào không gian giữa hai lới và thoát qua các lỗ xốp của chúng. Bồ hóng bám trên thành lọc đợc đốt định kì bằng bức xạ của điện trở. Do không gian giữa hai lõi lọc nhỏ nên công suất điện tiêu tốn cho điện trở cũng giảm.
Hình 1.16. Lọc celmet.
2. Tái sinh lọc
Nh đã phân tích ở trên, trong quá trình sử dụng, lọc bị tắc rất nhanh nên phải tái sinh lọc để tránh tổn thất áp suất trên đờng xả. Khi hiệu quả lọc càng cao thì lọc càng nhanh bị tắc. Các biện pháp tái sinh thông thờng là đốt, rung, rửa hay dùng dòng khí thổi ngợc. Trong đó phơng pháp đốt bồ hóng đợc áp dụng rộng rãi nhất.
Hình 1.17 giới thiệu bộ đốt bồ hóng để tái sinh lọc. Hệ thống này làm việc một cách tự động. Trở lực trên đờng xả đợc đo liên tục và đợc ghi vào bộ nhớ ECU. Khi p ≥ pmax, ECU khởi động bộ đốt. Nhiên liệu đợc phun bằng khí nén.
Ngọn lửa đợc bắt đầu bằng tia lửa điện xuất hiện giữa hai điện cực của bộ đánh lửa. ECU cắt nhiên liệu qua vòi đốt để kết thúc quá trình tái sinh khi áp suất trên
đờng xả nhỏ hơn một giá trị định trớc.
Một biện pháp khác là tái sinh lọc bằng phun ngợc không khí cũng đợc các nhà chế tạo ôtô quan tâm. Trong trờng hợp đó, lọc gồm hai lõi lọc đợc bố trí song song. Xung khí nén đợc thổi ngợc và thay phiên nhau qua các lõi lọc để làm sạch lớp bồ hóng bám trên thành xốp. Bồ hóng tách ra khỏi lọc đợc chứa trong khoang bồ hóng và đợc đốt bằng điện trở.
Hình 1.17. Tái sinh lọc bằng đốt bồ hóng
Hệ thống thổi khí ngợc gồm một van điện từ, vòi phun khí, bình chứa khí và máy nén khí. p suất khí nén cần thiết khoảng 0,8Mpa. Hệ thống làm việc một á cách tự động (hình 1.18) nhờ hệ thống điều khiển van điện từ và các van tiết lu trớc và sau lọc. Quá trình tái sinh lọc có thể thực hiện thờng xuyên hay định kì.
Hình 1.18. Tái sinh lọc bằng cách phun ngợc không khí.
Chơng 2. Phơng pháp đo và thiết bị đo chất thải gây