CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ
2.1. Vấn đề kiểm soát phát thải độc hại trong động cơ đốt trong
Động cơ đốt trong là nguồn gây ô nhiễm lớn cho môi trường. Các thành phần độc hại chính phát thải từ động cơ gồm ô xít các bon (CO), hyđrôcacbon (HC), ô xít ni tơ (NOx), ô xít lưu huỳnh (SO2), khói đen và các chất thải dạng hạt khác. Các thành phần chất thải này không những gây tác hại trực tiếp cho sức khỏe con người mà về lâu về dài còn phá hoại cả thế giới sinh vật đang nuôi sống con người. Theo số liệu thống kê ở Mỹ năm 1997, các chất ô nhiễm phát thải từ các phương tiện vận tải trang bị động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu hóa thạch chiếm 40 ÷ 50% tổng hàm lượng HC trong không khí, 50% tổng hàm lượng NOx và 80 ÷ 90% tổng hàm lượng CO ở khu vực thành phố. Ở các nước phát triển khác như Châu Âu và Nhật Bản cũng xảy ra vấn đề tương tự. Trong những năm gần đây, số lượng phương tiện vận tải ngày càng tăng cao, trung bình hàng năm thế giới sản xuất và đưa vào sửa dụng thêm trên 40 triệu chiếc động cơ, nên càng làm vấn đề ô nhiễm môi trường thêm trầm trọng.
Các thành phần độc hại phát ra từ động cơ có thể từ 3 nguồn. Thứ nhất là khí thải trên đường ống xả. Đó là những khí độc hại phát sinh trong quá trình cháy nhiên liệu trong động cơ và thải ra ngoài thông qua đường ống xả. Khí
32
thải bao gồm những thành phần chính là Ni tơ (N2) và hơi nước chiếm khoảng 83%, các khí còn lại là ô xít carbon (CO), các bon níc (CO2), carbuahyđrô (HC), và các loại ô xít ni tơ (NOx). Thứ hai là các khí rò lọt bao gồm những khí rò lọt qua khe hở giữa pít tông và xi lanh, chủ yếu là N2 và O2 chiếm tới 90% phần còn lại là CO2, HC, hơi nước và một hàm lượng nhỏ CO và NOx. Thứ ba là các khí bay hơi gồm chủ yếu là hơi xăng (HC) bay hơi từ các thiết bị nhiên liệu.
Trong ba nguồn này thì khí thải từ đường ống thải là nguồn gây ô nhiễm chính của động cơ với các thành phần độc hại là CO, HC, NOx, khói và chất thải rắn.
Với động cơ xăng, các thành phần phát thải độc hại chủ yếu gồm CO, HC, NOx. Đối với nguồn khí rò lọt và khí bay hơi, thành phần độc hại chủ yếu là HC chiếm tỷ lệ nhỏ trong tổng phát thải HC của động cơ nên thường không được quan tâm nhiều.
Sự hình thành các chất độc hại trong khí thải động cơ liên quan đến quá trình cháy và đặc điểm của nhiên liệu sử dụng bởi vì quá trình cháy trong động cơ đốt trong là quá trình ô xi hoá nhiên liệu, giải phóng nhiệt năng và quá trình này diễn ra trong buồng cháy động cơ theo những cơ chế hết sức phức tạp và chịu ảnh hưởng của nhiều thông số như thành phần giữa không khí và nhiên liệu, điều kiện cháy… Ở điều kiện lý tưởng, sự đốt cháy hoàn toàn của nhiên liệu Hyđrôcacbon với Oxy trong không khí sẽ sinh ra sản phẩm cháy không độc hại như là CO2, H2O. Tuy nhiên, trong động cơ trạng thái cân bằng hoá học lý tưởng đối với sự cháy hoàn toàn có thể nói là không bao giờ xảy ra, bởi vì thời gian cho quá trình ôxy hoá bị giới hạn và sự thiếu đồng nhất ở trạng thái hơi của nhiên liệu trong không khí. Kết quả là trong sản vật cháy, ngoài các sản phẩm cháy hoàn toàn còn có các thành phần độc hại CO và HC. Thêm nữa, quá trình cháy diễn ra ở nhiệt độ cao trong môi trường có ô xy và ni tơ nên sẽ sinh ra chất độc hại NOx trong khí thải.
Nồng độ các thành phần trong khí thải thay đổi tuỳ thuộc vào kiểu loại động cơ, và đặc biệt là phụ thuộc vào điều kiện vận hành động cơ. Hàm lượng
33
CO tăng khi hệ số dư lượng không khí giảm. Nồng độ CO cao hơn với hỗn hợp giàu nhiên liệu hơn. Một nguyên nhân nữa là sự hoà trộn không đều giữa nhiên liệu và không khí hoặc nhiên liệu không hoàn toàn ở trạng thái hơi. Do vậy, mặc dù chung có thể > 1 nhưng vẫn có những khu vực cháy trong xi lanh thiếu không khí, dẫn đến sự tạo thành CO.
Chất thải Hyđrôcacbon chưa cháy HC cũng là do sự cháy không hoàn toàn của nhiên liệu trong xylanh động cơ gây ra. Nguồn chính của khí thải HC là do nhiên liệu thoát khỏi sự cháy trong buồng cháy của động cơ do quá trình chuyển tiếp nhiên liệu nạp, do các khe hở, do sự nén hỗn hợp chưa cháy vào các khe giữa đầu pít tông và xi lanh trong quá trình nén khi áp suất cao và sự giải phóng hỗn hợp này vào hỗn hợp đã cháy trong xi lanh ở thời kỳ giãn nở khi áp suất giảm.
Màng dầu bôi trơn cũng là nguyên nhân gây ra HC trong khí thải, màng dầu hấp thụ HC trong quá trình nén và giải phóng HC vào khí cháy trong quá trình giãn nở. Một phần Hyđrôcacbon này được ôxy hoá khi được trộn với khí đã cháy trong quá trình giãn nở và quá trình xả, phần còn lại thải ra ngoài cùng với khí thải nên gây ra sự phát thải HC. Mức độ ôxy hóa HC phụ thuộc vào các điều kiện và chế độ vận hành động cơ như là tỷ số giữa nhiên liệu và không khí, tốc độ động cơ, tải, góc đánh lửa… Sự đánh lửa muộn hơn thích hợp để ôxy hoá HC sau quá trình cháy. Nguồn phát sinh khác của HC là sự cháy không hoàn toàn trong một phần của chu kỳ vận hành của động cơ (hoặc là đốt cháy từng phần hoặc hiện tượng bỏ lửa hoàn toàn) xảy ra khi chất lượng đốt cháy kém. Hàm lượng HC chưa cháy trong khí thải chủ yếu phụ thuộc vào tỷ lệ không khí và nhiên liệu. Nồng độ của chúng tăng khi hỗn hợp đậm hơn, đặc biệt là với < 1. Đối với hỗn hợp quá nghèo thành phần khí xả HC cũng tăng do đốt cháy không hoàn toàn hoặc hiện tượng bỏ lửa trong một phần của các chu kỳ vận hành động cơ.
34
Các chất oxit nitơ NO, dioxit nitơ NO2, và protoxit nitơ N2O được gọi chung dưới cái tên NOx trong đó NO chiếm đa phần trên 80%. Khí thải NOx
được hình thành ở nhiệt độ cháy cao. Trong buồng cháy động cơ, dưới áp suất cao, bề dày màng lửa không đáng kể và tồn tại trong thời gian ngắn, do đó đại bộ phận NOx hình thành phía sau màng lửa, tức là sau khi hỗn hợp bị đốt cháy.
Nhân tố chính ảnh hưởng tới với sự hình thành NOx là nhiệt độ, ôxy và thời gian. Nhiệt độ cao, ô xy nhiều và thời gian dài thì NOx sẽ cao, tức là khi động cơ chạy toàn tải, tốc độ thấp và = 1,05 ÷ 1,1 thì NOx lớn.
2.1.2. Các biện pháp giảm phát thải độc hại
Việc nghiên cứu áp dụng các biện pháp hữu hiệu để giảm phát thải cho động cơ đã được quan tâm từ lâu. Nhìn chung các biện pháp giảm phát thải độc hại cho động cơ xăng hiện nay có thể được chia thành ba nhóm.
Nhóm thứ nhất: giảm phát thải tại nguồn phát sinh, nhóm này bao gồm các biện pháp giảm nồng độ độc hại khí thải từ xi lanh bằng cách tối ưu hoá chất lượng tạo hỗn hợp và đốt cháy nhiên liệu thông qua việc tối ưu hoá kết cấu động cơ. Các biện pháp công nghệ của nhóm này bao gồm cải tiến hệ thống phun nhiên liệu và tạo hỗn hợp, áp dụng hệ thống điều khiển điện tử trên động cơ, điều chỉnh chính xác tỉ lệ không khí - nhiên liệu và thiết kế hệ thống đánh lửa thích hợp trong động cơ xăng, tối ưu kết cấu buồng cháy, luân hồi khí thải, và một số công nghệ khác. Nhìn chung các động cơ hiện đại đều đã được tối ưu hóa kết cấu với việc sử dụng các thành tựu khoa học công nghệ tiên tiến cho phép giảm tối thiểu thành phần phát thải độc hại khí thải thoát ra khỏi xi lanh động cơ. Tuy nhiên, hàm lượng phát thải độc hại của động cơ vẫn chưa thể đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải ngày càng ngặt nghèo trong khi khó có thể giảm thêm được bằng cách áp dụng các biện pháp cải tiến kết cấu động cơ.
Nhóm thứ hai: Xử lý khí thải sau nguồn phát sinh, nhóm này bao gồm các biện pháp xử lý khí thải để chuyển đổi các thành phần độc hại của khí thải thành khí trơ trước khi thải ra ngoài môi trường bằng cách sử dụng các phương
35
pháp xử lý xúc tác trung hòa khí thải. Ở phương pháp này, các thành phần độc hại CO, HC được ô xi hóa tiếp trong các bộ xử lý xúc tác ô xi hóa; còn NOx
được chuyển thành N2 trong bộ xủa lý xúc tác giảm NOx hoặc việc ô xi hóa CO, HC, và giảm NOx được thực hiện đồng thời trong cùng một bộ xử lý xúc tác 3 chức năng trên động cơ xăng; khói bụi thì được xử lý trong các bộ xử lý xúc tác đặc biệt. Việc xử lý xúc tác khí thải cho phép giảm đến trên 95% hàm lượng các thành phần độc hại. Tuy nhiên, hiệu quả xử lý xúc tác này chỉ đạt được ở chế độ làm việc ổn định của động cơ khi bộ xử lý xúc tác đã nóng hoàn toàn.
Ở chế độ khởi động lạnh, chạy ấm máy, chạy không tải và chế độ chuyển tiếp, hiệu quả của bộ xủa lý xúc tác rất thấp làm tăng lượng phát thải độc hại vào môi trường.
Nhóm thứ ba: Liên quan đến sử dụng nhiên liệu sạch, bao gồm các biện pháp liên quan đến cách thức sử dụng nhiên liệu (pha phụ gia cải thiện nhiên liệu) và sử dụng nhiên liệu thay thế. Hiện nay, việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay thế trên các động cơ hiện hành ngày càng được quan tâm nhằm mục đích vừa để bù đắp phần nhiên liệu thiếu hụt do nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt và vừa để giảm phát thải cho động cơ. Do đó, yêu cầu đối với nhiên liệu thay thế là phải có trữ lượng lớn hoặc tái tạo được, đồng thời có khả năng cháy tốt, cháy kiệt và có nồng độ phát thải độc trong khí thải thấp.
Nhiên liệu thay thế có thể được phân thành hai nhóm, nhóm nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch và nhóm có nguồn gốc tái tạo. Nhóm nhiên liệu thay thế có nguồn gốc hóa thạch có thể gồm khí thiên nhiên (khí thiên nhiên nén CNG, khí thiên nhiên hóa lỏng LNG), khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG), dimethyl ether (DME) và một số khí khác. Các loại khí này có tỷ lệ các bon (C/H) nhỏ nên sản vật cháy chứa ít thành phần độc hại CO, HC và CO2 hơn so với khí thải của xăng và diesel [6, 11]. Nhóm nhiên liệu có nguồn gốc tái tạo có thể gồm khí sinh học (biogas), ethanol sinh học (bio-ethanol)/methanol sinh học (bio- methanol), hyđrô, dầu thực vật (vegetable oil), diesel sinh học (bio-diesel hay
36
FAME - Fatty Acid Methyl Ester), dầu thực vật/mỡ động vật hyđrô hóa (HVO - Hyđrôtreating Vegetable Oil) và sinh khối hóa lỏng (BTL - Bio-mass To Liquid). Các nhiên liệu tái tạo có ưu điểm nổi bật là có thể nuôi trồng chế biến được nên không bao giờ cạn, mặt khác các nhiên liệu này cũng có hàm lượng C nhỏ hơn so với nhiên liệu xăng và diesel và đặc biệt là khí hyđrô không chứa C nên phát thải độc hại thấp hơn.
Trong các loại nhiên liệu thay thế, khí hyđrô (H2) là loại khí có nhiệt trị khối lượng cao và khi cháy không gây phát thải các thành phần độc hại HC và CO như các loại nhiên liệu gốc hóa thạch, mặt khác, hyđrô có trữ lượng gần như vô tận trong thiên nhiên nên hiện nay được coi là nhiên liệu của tương lai và là nhiên liệu thay thế rất tiềm năng cho động cơ đốt trong [3]. Viễn cảnh lựa chọn nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong được giới thiệu trên hình 2.1.
Hình 2.1. Sự lựa chọn nhiên liệu thay thế