CHƯƠNG 6: SẢN PHẨM CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ XĂNG,
6.1 Tổng về ô nhiễm môi trường
6.3.2.4 Aûnh hưởng của nhiệt độ buồng cháy
- Nhiệt độ buồng cháy sẽ tỷ lệ thuận với lượng hỗn hợp được đốt cháy, vì vậy khi mở lớn bướm ga, hỗn hợp vào động cơ tăng, nhiệt độ buồng cháy tăng và lượng NOX
tăng ngay cả khi <1.
6.3.3 Cơ chế hình thành CO:
- Lượng CO trong khí thải động cơ chịu ảnh hưởng chính
+ Trường hợp hỗn hợp nghèo: (>1) trên lý thuyết khi lượng dư không khí lớn thì khí thải sẽ là CO2 và H2O. Tuy nhiên, với (>1) hỗn hợp nghèo, khi nhiên liệu vào buồng đốt sẽ không được hoà trộn và phân bố đều tạo nên các vùng cục bộ trong buồng đốt làm cho sự cháy không hoàn toàn. Từ đó sinh ra lượng CO cao trong khí thải.
+ Trong điều kiện nhiệt độ cao phản ứng phân giải sản phẩm cháy sẽ xảy ra làm gia tăng lượng CO trong khí thải.
- Khi động cơ làm việc ở tải nhỏ, điều kiện cháy của hỗn hợp không tốt, tạo ra các vùng cháy không hoàn toàn, dẫn đến nồng độ CO trong khí thải cao bất chấp có sự điều chỉnh hệ số dư lượng không khí quanh giá trị cháy hoàn toàn. Do vậy, khi ô tô hoạt động trong thành phố thì sự phát sinh CO là đáng quan tâm nhất, vì ôtô thường xuyên làm việc ở tải thấp.
Biểu đồ 13:- Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí đến nồng độ CO
(trích chương 4, “ôtô và ô nhiễm môi trường” Bùi Văn Ga)
6.3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành CO:
6.3.4.1 Ảnh hưởng của áp suất nạp:
- Ơû cùng số vòng quay động cơ, góc đánh lửa sớm, và hệ số khí sót. Nếu giảm áp suất nạp sẽ làm tăng khả năng cháy không hoàn toàn, vì vậy sẽ làm tăng nồng độ CO trong sản phẩm cháy.
- Sự tăng, giảm áp suất nạp luôn xảy ra. Tuy nhiên,
Biểu đồ 14 : quan hệ giữa nồng độ CO và (trích chương 4, “ôtô và ô nhiễm môi trường” Bùi Văn Ga)
- Biểu đồ 14 cho thấy nồng độ CO tăng rất nhiều theo độ đậm đặc với:
= 0.75 CO = 0.5%
=1.2 CO = 2.1%
6.3.4.3 Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm :
Sự tăng, giảm góc đánh lửa sớm () sẽ làm ảnh hưởng đến sự hình thành CO trong khí xả.
- Khi góc đánh lửa sớm giảm, quá trình cháy sẽ kéo dài trên đường giãn nở, áp suất giảm tại đây. Điều đó làm cho điều kiện cháy xấu đi, làm tăng khả năng cháy không hoàn toàn, do đó sẽ làm tăng nồng độ CO trong khí xả.
Biểu đồ 15 :Quan hệ giữa nồng độ CO và góc ẹLS
(trích chương 4, “ôtô và ô nhiễm môi trường” Bùi
6.3.4.4 Ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu:
Biểu đồ 16 :Quan hệ giữa các loại nhiên liệu về sự phát sinh CO
(trích chương 4, “ôtô và ô nhiễm môi trường” Bùi Vaên Ga)
- Nồng độ CO sẽ tăng, giảm phụ thuộc vào sự có mặt của lượng C chứa trong nhiên liệu.
- Biểu đồ 16 cho thấy nồng độ CO tăng khi C trong nhieõn lieọu taờng.
6.3.4.5 Aûnh hưởng của hệ số khí sót :
- Khi hệ số khí sót tăng, nhiệt độ cháy sẽ giảm, làm giảm tôc độ phân giải CO2 thành CO, do đó sẽ làm giảm nồng độ CO trong khí thải (CO+ O2 = CO2 )
- Vì vậy, trên động cơ hiện đại được lắp thêm hệ thống hồi lưu khí xả EGR nhằm khống chế nồng độ NOX, đồng thời làm giảm nồng độ CO (ở chế độ tải thấp) thải ra môi trường.
(trích chương 4, “ôtô và ô nhiễm môi trường” Bùi Văn Ga)
6.3.5 Cơ chế hình thành hydrocarbua : (HC)
Trên động cơ HC hình thành chủ yếu do sự đốt cháy không hoàn tòan hỗn hợp trong buồng cháy hoặc cháy khoâng heát.
6.3.5.1 Cơ chế hình thành hydruacacbua chưa cháy : Do sự hình thành các vùng dập tắt màng lửa, nên lửa không lan đến được hay khi lan đến thì nhiệt độ giảm hỗn hợp tại những vùng đó không cháy được.
Do sự trùng điệp của xupáp, sẽ có môt lượng nhiên liệu vừa nạp vào đã được thải ra ngoài.
Với tỷ lệ hỗn hợp không thích hợp (giàu hoặc nghèo) sẽ làm cho một phần hỗn hợp không cháy được hoặc cháy không hoàn toàn bị thải ra ngoài.
Những điều kiện trên làm cho lượng HC không cháy đựơc bị thải ra ngoài trong kỳ thải.
6.3.5.2 Cơ chế hình thành HC trong quá trình cháy:
Nồng độ HC tăng nhanh theo độ đậm đặc của hỗn hợp. Tuy nhiên, khi hỗn hợp có độ đậm đặc quá thấp cũng làm tăng HC trong khí thải do sự cháy không hoàn toàn của động cơ.
* Hình thành các vùng dập tắt:
- Vùng dập tắt là những vùng có màng lửa không lan đến được (những không gian chết trong buồng đốt: khe hở giữa piston, xecmăng với xi lanh, quanh nắp và đế xupáp, giữa nắp thân máy với đệm nắp máy). Trong các
không hoàn toàn trước khi được thải ra môi trường qua đường thải.
- Các vùng này được xem là nguồn chủ yếu phát sinh HC. Do đó để giảm lượng HC thải ra môi trường phải làm giảm các không gian chết trong buồng đốt của động cơ.
- Vì vậy việc thiết kế hợp lý buồng cháy, piston, xecmăng, đệm, cuylass…. sẽ làm giảm đáng kể lượng HC trong khí thải.
* Sự hình thành HC ở màng dầu bôi trơn:
- Ngoài các không gian chết ra, màng dầu bôi trơn bám vào thành xylanh cũng làm phát sinh lượng HC đáng keồ.
Ở thời kỳ nạp, màng dầu bôi trơn được tráng lên bề mặt của xylanh sẽ hấp thụ hơi hydrocacbua bão hoà, khi cháy hết nhiên liệu sự giải phóng hơi nhiên liệu từ màng dầu bôi trơn vào khí cháy bắt đầu. Qúa trình này tiếp tục trong kỳ giản nở và thải, góp phần làm tăng lượng HC trong khí thải.
Ngoài ra, sự hiện diện của muội than trong buồng cháy cũng làm gia tăng sự phát sinh HC trong khí thải.
6.3.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành HC:
6.3.6.1 Ảnh hưởng của quá trình cháy:
Sự dập tắt màng lửa có ảnh hưởng rất lớn đến sự hình thành HC trong quá trình cháy, do có sự dập tắt màng lửa lan tràn, làm cho quá trình cháy diễn ra không hoàn toàn. Do vậy sẽ hình thành và thải ra môi trường một lượng HC rất lớn.
6.3.6.2 Ảnh hưởng của lớp muội than:
Muội than đựơc sinh ra trong buồng cháy là do một lượng dầu bôi trơn bị cháy hay lượng oxit chì có trong thiên nhiên bị cháy. Aûnh hưởng của chúng đến sự hình thành HC trong khí thải rất phứt tạp.
Nếu các khe hở (không gian chết) nhỏ: lớp muội than sẽ không cho hỗn hợp vào các không gian này nhiều, sẽ làm giảm lượng HC cháy không hết.
Nếu các không gian này lớn: lớp muội than sẽ làm giảm tiết diện lối ra, dẫn đến tăng sự dập tắt
6.3.6.4 Aûnh hưởng của áp suất nén :
Khi tăng, giảm ga đột ngột, sẽ có sự tăng giảm tốc. Đối với trường hợp giảm tốc, lượng hỗn hợp vào buồng cháy ít nhưng đậm, dẫn đến áp suất nén thấp.
Hỗn hợp sẽ cháy không kịp làm phát sinh lượng HC trong buồng đốt lớn.
6.3.7 Cơ chế hình thành chì:
Chì tồn tại trong xăng dưới dạng tetraetylchì Pb(C2H5)4
với công dụng làm tăng chỉ số octan của xăng.
- Thông thường lượng Pb có trong xăng: 0.15 - 0,4 g/lít có khi lên đến 0,7 -0,8 g/lít (TCVN: 0,15g/lít)
- Lượng tetraetyl chì này khi cháy trong buồng đốt sẽ sinh ra Pb và theo khí thải ra ngoài dưới dạng hạt nhỏ.
Pb(C2H5)4 + 13O2 Pb + CO2 + 10H2O
- Lượng chì có trong xăng còn ảnh hưởng trực tiếp đến các thiết bị khác như cảm biến oxy bầu lọc xúc tác…
- Để khắc phục điều này, người ta dùng những chất phụ gia chống kích nổ khác không có gốc chì để thay theá.
6.3.8 Sự hình thành các axít: H2S03, H2S04:
- Trong quá trình cháy, lượng S02, S03, H20 sẽ hình thành nhử sau:
Đối với H20:
Phản ứng xảy ra như sau: (Ví dụ C8H8)
2C8H8 + 25O2 16CO2 + 18H2O
Đối với SO2, SO3
Lượng S có trong nhiên liệu khi cháy sẽ sinh ra SO2, SO3 nhử sau.
S + O2 SO2
2SO2 + O2 2SO3
- Như vậy lượng H2SO3, H2SO4 sẽ được hình thành như sau:
SO2 + H2O H2SO3
SO3 + H2O H2SO
Những axít này hoạt động rất mạnh.
các nhà sản xuất ôtô phải luôn tìm cách cải tiến công nghệ sản xuất, cải tiến kỹ thuật và tối ưu hóa quá trình cháy trong động cơ đốt trong nhằm mục đích kéo giảm nồng độ khí thải độc hại từ các loại động cơ đốt trong nói chung và các loại ôtô nói riêng ra môi trường. Những tiến bộ mới đây trong việc nạp hỗn hợp vào buồng đốt nhờ áp dụng các thành tựu của kỹ thuật vi điều khiển, hay các biện pháp cải tiến và xử lý khí thải từ động cơ đã tạo nên một cơ sở cho chúng ta có thể lạc quan về một viễn cảnh môi trường có thể sẽ được cải thiện tốt hơn trong tương lai, khi mà số lượng ôtô trên thế giới sẽ tăng đột biến do đời sống kinh tế – xã hội đã được cải thiện đáng kể. Ngoài ra, việc thay đổi loại nhiên liệu dùng trên các động cơ truyền thống sang sử các loại nhiên liệu như khí gas hoặc nghiên cứu sản xuất các loại động cơ sử dụng năng lượng mặt trời, động cơ hybrid, động cơ vừa có thể sử dụng được nhiên liệu lỏng vừa sử dụng được nhiên liệu khí...cũng là các giải pháp về mặt công nghệ góp phần đáng kể vào việc kéo giảm nồng độ khí thải độc hại từ ôtô ra môi trường. Trong phạm vi chương này, chúng tôi xin cung cấp một số công nghệ cũng như các giải pháp về quản lý chất lượng nhiên liệu đã, đang và có thể sẽ được ứng dụng trên các loại ôtô nhằm mục đích góp phần bảo vệ môi trường sống của chúng ta.
6.4.1 Các giải pháp từ động cơ:
Đây là giải pháp nhằm nghiên cứu, xử lý quá trình cháy sao cho đạt được điều kiện cháy ít gây ô nhiễm nhất nhưng công suất động cơ không giảm, cụ thể là các giải pháp: làm tăng lượng khí nạp bằng cách: nghiên cứu cải tiến đường ống nạp sao cho bớt tạo trở lực cho dòng khí nạp, tăng áp dòng khí nạp, ứng dụng kỹ thuật vi điều khiển vào việc điều khiên các xuppap, chế tạo đỉnh piston lõm nhằm tạo ra sự hòa trộn tốt giữa khí nạp và nhiên luệu, ứng dụng kỹ thuật vi điều khiển vào điều khiển đánh lửa, phun nhiên liệu, cải tiến cách thức nạp nhiên liệu...nhằm tạo ra hỗn hợp đốt nghèo trong động cơ và cháy hoàn toàn.
6.4.2 Các giải pháp ngoài động cơ:
Đây là các giải pháp nghiên cứu nhằm xử lý các
6.4.3 Giới thiệu một số giải pháp kỹ thuật điển hình:
Đối với ôtô, không những giảm những chất thải có hại mà còn đáp ứng các tiêu chuẩn khác như: độ bền, độ an toàn, độ tin cậy, tiêu hao nhiên liệu...
Các biện pháp làm sạch khí thải về cơ bản là giống nhau, nhưng thiết bị thì thay đổi tùy theo nước, còn quy định về khí thải thì thay đổi theo vùng.
6.4.3.1 Giải pháp về cải thiện động cơ:
Động cơ đã được cải tiến rất nhiều để các đặc tính của động cơ về công suất và tiêu hao nhiên liệu không bị xấu đi qua thời gian sử dụng, hạn chế tới mức thấp nhất sự sản sinh khí thải độc hại. Các biện pháp dưới đây không phải là được áp dụng cho tất cả các loại động cơ, tuy nhiên, hầu hết các biện pháp phù hợp với từng loại động cơ đã được áp dụng.
* Sử dụng vùng rối:
Vùng rối trong buồng đốt tạo ra dòng rối mạnh mẽ, bắt đầu từ cuối kỳ nén đến đầu kỳ nổ. Dòng rối này làm tăng tốc độ cháy giúp hỗn hợp không – khí nhiên liệu cháy hoàn toàn, giảm lượng CO và HC.
* Tạo ra xoáy lốc:
Cửa nạp được làm cong, tạo ra dòng xoáy thích hợp cho hỗn hợp không khí – nhiên liệu được hút vào trong kỳ nạp, cho đến mép ngoài của buồng đốt.
Dòng xoáy này tiếp tục từ kỳ nén đến kỳ nổ tạo ra hiệu quả tương tự vùng rối.
* Khái quát: bộ lọc khí xả làm cho các chất độc hại (CO, HC, NOx) phản ứng với các chất vô hại (H2O, N2, CO2) khi luồng khí xả chạy qua.
Các chất: platin, palađi, rôđi…
được sử dụng trong bộ lọc để làm chất xúc tác.
* Các loại bộ lọc khí xả:
chất xúc tác ôxy hóa: ôxy
hóa HC và CO tạo thành H2O hoặc CO2 không độc hại.
* Chất xúc tác khử ôxy: tách oxy ra khỏi NOx để trở thành N2 vô hại.
* Chất xúc tác oxy hóa/khử ôxy: thực hiện cả hai chức năng trên. Bộ xúc tác ôxy hóa/khử oxy được dùng trên ôtô đươc gọi là bộ lọc khí xả ba thành phần (TWC). Vì có ba chất độc hại: CO, HC, NOx được chuyển hóa đồng thời thành chất không độc hại. Ngày nay, bộ xúc tác oxy hóa/khử oxy được dùng hầu hết cho các loại ôtô.
* Hoạt động của các chất xúc tác phụ thuộc nhiệt độ:
đối với chất xúc tác, mức độ làm sạch phụ thuộc vào nhiệt độ.
Như biểu đồ dưới đây, tỷ lệ làm sạch gần đạt đến 100%
và khí xả được làm sạch có hiệu quả nhất khi nhiệt độ xúc tác nâng cao trên 4000C.
Xe được trang bị bộ lọc khí xả sử dụng xăng không chỡ, vỡ neỏu duứng xaờng pha chì thì sẽ dính lên bề mặt của bộ lọc khí xả và cảm biến ôxy, làm giảm
Nhôm hoặc chất xúc tác được phủ lên các thanh ghi có nhiều lỗ. Khí xả độc hại đi qua các lỗ này và được làm sạch.
TWC hoạt động có hiệu quả nhất với tỷ lệ hỗn hợp không khớ – nhieõn lieọu gaàn nhử lyự thuyết. Vì vậy cần có hệ thống thông tin phản hồi về tỷ lệ hỗn hợp không khí – nhiên liệu để giữ cho tỷ lệ này gần với tyỷ leọ lyự thuyeỏt.
Hệ thống thông tin phản hồi về tỷ lệ hỗn hợp không khí – nhiên liệu theo dõi lượng ôxy trong khí xả bằng cách sử dụng cảm biến ôxy gắn trên đường ống
xả. Khi đó, lượng nhiên liệu được ECU của động cơ điều chỉnh để kiểm soát tỷ lệ hỗn hợp không khí – nhiên liệu, giúp cho TWC làm việc có hiệu quả.
6.4.3.3 Giải pháp dùng hệ thống giảm chấn động cánh bướm ga:
* Sự cần thiết: khi bướm ga đóng vào thời điểm động cơ chạy với tốc độ cao thì sẽ tạo ra áp suất chân không rất mạnh trên đường ống nạp, một phaàn nhieõn lieọu bũ dớnh vào thành trong của đường ống sẽ bị bay hơi, làm cho hỗn hợp không khí – nhiên liệu trở nên quá giàu. Đồng thời do lượng không khí nạp giảm, sự cháy không hoàn toàn hoặc hiện tượng bỏ máy xuất hiện và một lượng lớn khí chưa cháy thải ra qua khí xả. Để ngăn ngừa hiện tượng cháy không hoàn toàn hoặc bỏ máy, cần sử dụng một giảm chấn để tránh đóng bướm ga đột ngột.
* Hoạt động: trong khi động cơ giảm tốc độ, thanh nối của bướm ga tiếp xúc với bộ giảm chấn. Vì thế, bướm ga được
* Sự cần thiết:
Hệ thống này có tác dụng ngừng cung cấp nhiên liệu khi giảm tốc, từ đó làm giảm lượng CO và HC.
Nó cũng ngăn chặn trường hợp cháy trong ống xả, giảm lượng tiêu hao nhiên liệu trong thời gian giảm toác.
* Hoạt động:
ECU của động cơ ngừng phun nhiên liệu tùy theo tốc độ của động cơ và góc mở của bướm ga.
6.4.3.5 Giải pháp dùng hệ thống tuần hoàn khí xả (EGR):
* Sự cần thiết:
Hệ thống EGR đưa một phần khí xả vào tái tuần hoàn trong hệ thống nạp khí.
Khi khí xả được trộn lẫn với hỗn hợp không khí – nhiên liệu thì sự lan truyền ngọn lửa trong buồng đốt bị chậm lại, bởi vì phần lớn khí xả là trơ (không cháy được).
Nhiệt độ cháy cũng giảm xuống để giảm lượng NOx sinh ra, vì khí trơ hấp thụ nhiệt tỏa ra.
* Hoạt động:
- Khi áp suất chân không tác dụng lên van EGR, van này mở ra và khí xả được tái tuần hoàn.
- Aùp suất chân không tác động lên van EGR lại được điều khiển theo nhiệt độ chất làm
mát động cơ hoặc góc mở bướm ga.
- Khi động cơ chạy không tải: áp suất chân không không tác động lên cửa EGR, vì thế khí xả không tuần hoàn.
- Bướm ga nằm giữa cửa EGR và EGR “R”: áp suất chân không của cửa EGR tác động đến van EGR, làm cho van này mở ra. Aùp suất chân không được điều khiển bằng bộ điều biến và cho tái tuần hoàn khí xả với một tỷ lệ nhaỏt ủũnh.
- Khi bướm ga mở trên cửa EGR “R”: áp suất chân không của cửa EGR tác động lên van EGR, làm cho van này mở ra. Vì áp suất chân không của cửa “R” tác động đến bộ điều biến, nên áp suất chân không tác động đến van EGR trở nên lớn hơn nên khoảng mở của van EGR cũng lớn hơn.
- Bướm ga mở hoàn toàn: khí xả không tái tuần hoàn vì áp suất chân không tác động lên van EGR nhỏ hơn mức cần thiết để mở van.
Ngoài ra, trên ôtô ngày nay còn sử dụng hệ thống
“thông gió cưỡng bức cho trục khuỷu”: áp suất chân không của đường ống nạp sẽ hút một lượng lớn khí chưa cháy lọt qua khe hở giữa xec – măng và thành xilanh quay về đường ống nạp và đốt cháy nó, hệ thống “kiểm soát hơi nhiên liệu”: tạm thời hấp thụ hơi nhiên liệu vào bộ lọc than hoạt tính và dẫn nó vào động cơ để đốt cháy nó, nhờ thế mà ngăn không cho hơi nhiên liệu từ bình chứa