Giáo trình Ô tô và ô nhiễm môi trường - Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong

cơ nên ở mỗi chế độ công tác ta có thể lựa chọn một bộ thông số điều khiển tối ưu đối với các chất ô nhiễm HC, NOx và bồ hóng. Việc điều khiển phức tạp như vậy chỉ có thể thực hiện được nhờ hệ thống điện tử. Hệ thống điều khiển điện tử phải thỏa mãn các điều kiện sau: - Độ chính xác cao và nhạy, làm việc ổn định theo thời gian. - Có khả năng điều chỉnh theo nhiều thông số - Mềm dẻo trong lập chương trình hệ thống điều khiển để có thể áp dụng trong các điều kiện sử dụng ô tô khác nhau (tùy theo yêu cầu của luật môi trường của từng quốc gia) - Thực hiện việc điều chỉnh động cơ theo những chỉ tiêu cho trước Thêm vào đó, hệ thống phải hoạt động tin cậy trong mọi tình huống, phải được bảo vệ chống nhiễu và chống hỏng hóc, bảo trì dễ dàng nhờ hệ thống chẩn đoán nhanh. Khi hoạt động, máy tính điều khiển chuyên dụng nhận số liệu từ các cảm biến: vị trí thanh răng hay cần gia tốc, vị trí kim phun, tốc độ động cơ, nhiệt độ không khí nạp, nhiệt độ nhiên liệu, nhiệt độ nước làm mát, áp suất trong xilanh,.... Sau khi xử lí, máy tính phát tín hiệu điều khiển đến bộ phận chấp hành. Bộ phận này sẽ tác động lên cơ cấu điều khiển lượng nhiên liệu chu trình, thời điểm bắt đầu phun, lượng khí xả hồi lưu, tỉ số truyền của hộp số. Hệ thống điều khiển điện tử hoàn hảo như vậy cho phép làm giảm đồng thời nồng độ bồ hóng, NOx và tăng tính kinh tế của động cơ so với hệ thống điều khiển cơ khí, đặc biệt là kết hợp bộ điều khiển quá trình phun và điều khiển góc phun sớm, mức độ phát ô nhiễm của động cơ có thể giảm đi 3 lần. 6.4. Ảnh hưởng của việc giới hạn tốc độ ô tô đến mức độ phát sinh ô nhiễm Khi ô tô hoạt động ổn định người ta thấy nồng độ CO đạt cực tiểu ở tốc độ 80÷90km/h, nồng độ HC giảm dần đến khi tốc độ đạt khoảng 100km/h sau đó tăng lên chậm còn nồng độ NOx tăng từ từ đến khi tốc độ động cơ đạt 70÷80km/h sau đó tăng mạnh, nhất là đối với động cơ có dung tích cylindre lớn. Các kết quả đo đạc trên chu trình có điều kiện thử gần với điều kiện vận hành thực tế cho thấy giới hạn tốc độ ít gây ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm. Khi giảm mạnh giới hạn tốc độ, nồng độ NOx có thể giảm đi vài phần trăm, nhưng làm tăng đôi chút CO, HC. Khi tăng tốc độ ô tô, nhờ sự rối của không khí phía sau xe, các chất ô nhiễm thải ra khỏi ống xả khuếch tán nhanh chóng trong không gian, làm giảm nồng độ cục bộ của chúng trong môi trường. Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 92 Trên xa lộ Châu Âu, tốc độ giới hạn là 130km/h. Khi đại bộ phận ô tô giảm tốc độ từ 119 đến 107km/h người ta thấy nồng độ các chất ô nhiễm trong bầu không khí quanh hệ thống xa lộ giảm đi đáng kể: -12% đối với CO; -1,7% đối với HC và -10,5% đối với NOx. Một thí nghiệm khác được thực hiện bằng cách giảm tốc độ giới hạn từ 100 xuống 60km/h trên một bộ phận xa lộ người ta nhận thấy lượng NOx giảm đi 50% trong 6 tháng. 6.5. Ảnh hưởng của nhiên liệu đến mức độ phát ô nhiễm của động cơ 6.5.1. Nhiên liệu động cơ xăng Việc điều chỉnh động cơ có ảnh hưởng đến lượng ô nhiễm phát sinh vì việc điều chỉnh này tác động đến cơ chế hình thành hay phân hủy các chất ô nhiễm trước khi thoát ra ngoài khí quyển. Nhiên liệu cũng gây ảnh hưởng đến sự phát ô nhiễm, chủ yếu là do tỉ số không khí/nhiên liệu có thể bị thay đổi do sự thay đổi các đặc trưng hóa lí của chúng không phải lúc nào cũng được bù lại bởi sự điều chỉnh các thông số của động cơ. Như chúng ta đã biết, độ đậm đặc của hỗn hợp ảnh hưởng lớn đến mức độ phát sinh ô nhiễm: NOx đạt cực đại trong môi trường hơi nghèo; CO, HC đạt cực tiểu trong môi trường nghèo; sự xuất hiện bồ hóng diễn ra trong môi trường rất giàu (a<0,6), điều kiện này diễn ra chung quanh hạt nhiên liệu trong buồng cháy động cơ Diesel. Các tính chất của nhiên liệu ô tô, nhiên liệu thông thường hay super thỏa mãn những đặc trưng yêu cầu của từng quốc gia. Mỗi quốc gia có tiêu chuẩn riêng xác định phạm vi cho phép của khối lượng riêng, phạm vi chưng cất, sự bốc hơi, nồng độ lưu huỳnh và nồng độ các chất phụ gia. 6.5.1.1. Ảnh hưởng của khối lượng riêng nhiên liệu Khối lượng riêng nhiên liệu có quan hệ chặt chẽ với thành phần các hydrocarbure tạo thành hỗn hợp nhiên liệu thường hay super, đặc biệt là tỉ lệ nguyên tử tổng quát carbon/hydrogène. Sự gia tăng khối lượng riêng của nhiên liệu có khuynh hướng làm nghèo hỗn hợp đối với động cơ dùng bộ chế hòa khí và ngược lại, làm giàu hỗn hợp đối với động cơ phun xăng. Tuy nhiên, do phạm vi thay đổi khối lượng riêng nhiên liệu rất bé (từ 2,5 đến 4%), ảnh hưởng của nó đến mức độ phát ô nhiễm của động cơ đã điều chỉnh sẵn với một nhiên liệu cho trước không đáng kể. 6.5.1.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ hydrocarbure thơm Các hydrocarbure thơm có chỉ số octane nghiên cứu RON>100 và chỉ số octane động cơ MON thường lớn hơn 90. Do đó thêm thành phần hydrocarbure thơm vào nhiên liệu là một biện pháp làm tăng tính chống kích nổ của nhiên liệu hiện đại. Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 93 Hiện nay người ta có khuynh hướng gia tăng hàm lượng các chất hydrocarbure thơm trong nhiên liệu nhằm phổ biến nhiên liệu không chì. Theo tiêu chuẩn Cộng Đồng Châu Âu, hàm lượng benzene trong nhiên liệu phải thấp hơn 5%. Hình 6.6: Ảnh hưởng của tỉ số không khí/nhiên liệu đến NOx Các hydrocarbure thơm có tỉ số C/H cao hơn do đó khối lượng riêng lớn hơn. Do nhiệt lượng tỏa ra đối với một đơn vị thể tích cao hơn nên nhiệt độ cháy của hỗn hợp tăng làm tăng NOx. Hình 6.6 cho thấy ví dụ trên động cơ có tốc độ 1500 vòng/phút ở chế độ tải trung bình sự thay đổi NOx theo tỉ số không khí/nhiên liệu đối với alkylat không thơm và đối với nhiên liệu super thơm. Chúng ta thấy ở vị trí phát ô nhiễm cực đại, alkylat làm giảm nồng độ ô nhiễm khoảng 20%. Mức độ phát sinh CO ít bị ảnh hưởng bởi hàm lượng hydrocarbure thơm. Tuy nhiên, các hydrocarbure thơm có cấu tạo ổn định hơn parafine nên có động học phản ứng cháy chậm hơn. Do đó trong cùng điều kiện cháy, sự phát sinh hydrocarbure chưa cháy của nhiên liệu chứa nhiều hydrocarbure thơm hơn sẽ cao hơn. Khi chuyển từ nhiên liệu super thơm sang alkylat, mức độ phát sinh HC giảm đi 16% (hình 6.7). Nồng độ thể tích NOx (ppmx100) a Tốc độ: 1500 vg/phút Áp suất có ích trung bình: 500kPa Tì số nén: 11 Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 94 Hình 6.7: Ảnh hưởng của tỉ số không khí/nhiên liệu đến nồng độ HC trong khí xả Mặt khác, các chất thơm trong nhiên liệu giữ vai trò phát sinh các hydrocarbure thơm đa nhân HAP, phènol và aldehyde thơm mà những chất này tăng theo các chất thơm còn formaldehyde thì giảm. Sự phụ thuộc của HAP vào tỉ lệ các chất thơm trong nhiên liệu thay đổi một mặt theo HAP xem xét và mặt khác theo dạng chất thơm trong nhiên liệu: benzene ít ảnh hưởng đến HAP hình thành, HAP nhẹ (đến 4 nhân) gia tăng tuyến tính theo tỉ lệ các chất thơm trong nhiên liệu, những HAP nặng hơn (đến 5 nhân) (hình 6.8) không chịu ảnh hưởng bởi tỉ lệ này. HAP đã có mặt trong nhiên liệu cũng ảnh hưởng đến mức độ phát sinh HAP trong khí xả. 6.5.1.3. Ảnh hưởng của tính bay hơi Tính bay hơi của nhiên liệu thường được đặc trưng bởi đường cong chưng cất và áp suất hơi Reid (PVR) đo ở 37,8°C. Đó là một đặc tính quan trọng đối với hoạt động của động cơ, nó ảnh hưởng đến thời gian khởi động động cơ ở trạng thái nguội, tính ưu việt khi gia tốc và tính ổn định khi làm việc ở chế độ không tải và khi chạy nóng. Những thành phần quá nặng (bay hơi ở nhiệt độ lớn hơn 200-220°C) có ảnh hưởng đến sự phát sinh hydrocrabure chưa cháy, do sự bốc hơi kém dẫn tới sự cháy không hoàn toàn với sự hình thành aldehydes và sự gia tăng HC. Nồng độ thể tích HC (ppmx100) a Tốc độ: 1500 vg/phút Áp suất có ích trung bình: 500kPa Tỉ số nén: 11 Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 95 Hình 6.8: Ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu thơm đến mức độ phát sinh HAP Những thành phần nhẹ hơn, cần thiết cho việc khởi động và làm việc ở trạng thái nguộI, ảnh hưởng đến sự phát ô nhiễm của khí xả và nhất là ảnh hưởng đến tổn thất do bay hơi. Tính chất bay hơi tiêu chuẩn của nhiên liệu phụ thuộc vào điều kiện khí hậu và mùa. Chẳng hạn ở Pháp, tính chất bay hơi của nhiên liệu được qui định như sau: - 45<=PVR<=79 kPa (từ 20/6 đến 9/9) - 50<=PVR<=86 kPa (từ 10/4 đến 19/6 và từ 10/9 đến 31/10) - 55<=PVR<=99 kPa (từ 01/11 đến 9/4) Chính những thành phần dễ bay hơi nhất, đặc biệt là cặp butane-pentane gây ảnh hưởng đến PVR. Cặp này nhẹ, thường có nhiều hơn qui định trong quá trình lọc dầu, được pha vào nhiên liệu đến giới hạn tối đa cho phép để tận dụng chỉ số octane cao của nó (butane có chỉ số RON = 94) nhằm bù trừ việc giảm hàm lượng chì. 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 FTP khi PVR tăng từ 65 đến 80kPa. 6.5.1.4. Ảnh hưởng của chỉ số octane Chỉ số octane có ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm, đặc biệt khi động cơ bị kích nổ. Sự giảm chỉ số octane dẫn đến sự gia tăng tính kích nổ, do đó làm tăng NOx nhất là khi hỗn hợp nghèo. Nhưng trong thực tế, sự kích nổ trong điều kiện như vậy không diễn ra. 6.5.1.5. Ảnh hưởng của các chất phụ gia Người ta pha vào nhiên liệu ô tô nhiều chất phụ gia: Phát thải HAP (mg/kg nhiên liệu) Thành phần cacbua hydro thơm Trong nhiên liệu (%V) Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 96 - Những chất phụ gia làm tăng chỉ số octane: Alkyle chì, méthylcyclopenta-diényl mangan tricarbonyle (MMT), ferrocène,... - Những chất phụ gia chống oxy hóa, ngăn chận sự hình thành oléphine gồm: phénylène diamin, aminophénol và phénol alkylé. - Những chất phụ gia làm sạch bề mặt đường ống nạp do hơi dầu bôi trơn và những chất không bị lọc gió giữ lại trên đường nạp. - Màu và các chất phụ gia chống nhầm lẫn. Những chất phụ gia chì, dù rằng thành phần chlore và brome đảm bảo biến chì thành dạng halogene nhẹ, không đủ để loại trừ hoàn toàn những lớp bám trong buồng cháy. Sự hiện diện của các lớp bám này dường như không gây ảnh hưởng đến nồng độ CO và NOx nhưng làm tăng HC. Chì không gây ảnh hưởng đến sự hình thành aldéhyde. Những chất phụ gia mangan (MMT) gây ảnh hưởng xấu đến sự phát sinh HC và aldéhyde. Nếu sự phát sinh CO và NOx không bị ảnh hưởng, nồng độ HC tăng tuyến tính theo nồng độ MMT: sự chuyển đổi ở bộ xúc tác không hạn chế hoàn toàn được sự gia tăng này và bộ xúc tác dần dần bị bao phủ bởi lớp bám Mn3O4. Các chất phụ gia hữu cơ hay hữu cơ-kim loại (organometallique) thêm vào nhiên liệu để tác động đến các phản ứng cháy dường như không gây ảnh hưởng đến mức độ phát ô nhiễm, các chất phụ gia chống các lớp bám cũng vậy. Tuy nhiên, việc duy trì độ sạch trên đường nạp cho phép giữ được sự điều chỉnh ban đầu và sự ổn định về mức độ phát sinh CO ở chế độ không tải. 6.5.1.6. Ảnh hưởng của việc sử dụng nhầm nhiên liệu Từ 'nhầm’ nhiên liệu dùng để chỉ việc cung cấp không đúng nhiên liệu cho động cơ, chẳng hạn cung cấp dầu Diesel cho động cơ đánh lửa cưỡng bức. Trong thực tế thường diễn ra sự nhầm lẫn cung cấp nhiên liệu pha chì cho động cơ có ống xả xúc tác. Sự 'đầu độc' bộ xúc tác do chì làm giảm dần hiệu quả của bộ xúc tác dẫn đến sự gia tăng HC và aldehyde ở phía sau ống xả. Hình 6.9 cho thấy sự gia tăng nhanh chóng của HC và aldehyde ngay khi cung cấp nhiên liệu pha chì. Mặt dù khi cung cấp lại xăng không chì, tính năng của bộ xúc tác được phục hồi trở lại nhưng không bao giờ đạt được hiệu quả ban đầu. Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 97 Hình 6.9: Ảnh hưởng của việc sử dụng nhiên liệu không phù hợp 6.5.2. Ảnh hưởng của nhiên liệu Diesel Chúng ta sẽ khảo sát sau đây ảnh hưởng của khối lượng riêng, chỉ số cetane, thành phần lưu huỳnh, các chất phụ gia đến mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ Diesel. Các chất ô nhiễm quan tâm như động cơ đánh lửa cưỡng bức nhưng phải thêm vào những hạt rắn và các chất hữu cơ liên quan (SOF) là những chất ô nhiễm đặc biệt ở động cơ Diesel. 6.5.2.1. Ảnh hưởng của khối lượng riêng Sự gia tăng khối lượng riêng của dầu Diesel dẫn tới sự gia tăng nồng độ hạt rắn. Hình 6.10 giới thiệu mức độ phát sinh hạt rắn tính theo gam/lít nhiên liệu theo khối lượng riêng ứng với động cơ V8, 10,4 lít chạy ở tốc độ 1700 vòng/phút và một động cơ tăng áp 14 lít, chạy ở 1700 vòng/phút. Tương tự như vậy, nồng độ SOF cũng tăng theo khối lượng riêng. Quãng đường lăn bánh (x1000 dặm) Quãng đường lăn bánh (x1000 dặm) g/dặm g/dặm Xăng pha chì Xăng không pha chì Không có bộ xúc tác Không có bộ xúc tác Xăng pha chì Xăng không pha chì Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 98 Hình 6.10: Ảnh hưởng của khối lượng riêng nhiên liệu Diesel 6.5.2.2. Ảnh hưởng của thành phần thơm Thành phần thơm của nhiên liệu Diesel ảnh hưởng trực tiếp đến chỉ số cetane. Nhiên liệu không cháy hết, hạt rắn, SOF gia tăng theo hàm lượng thơm. Nồng độ NOx ít bị ảnh hưởng. Động cơ Diesel phun trực tiếp, ít bị ảnh hưởng bởi thành phần thơm 6.5.2.3. Ảnh hưởng của chỉ số cétane Kéo dài thời gian cháy trễ do giảm chỉ số cétane dẫn đến sự gia tăng HC, hạt rắn và CO. Hình 6.11 giới thiệu ảnh hưởng của chỉ số cétane đến mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ phun gián tiếp: NOx ít bị ảnh hưởng bởi chỉ số cétane. Đối với động cơ có buồng cháy ngăn cách, ảnh hưởng của chỉ số cétane chủ yếu đến bộ phận SOF dẫn xuất (extractible), thành phần hạt rắn không hòa tan dường như không bị ảnh hưởng. Chỉ số cétane cũng ảnh hưởng đến sự phát sinh khói xanh hay khói trắng, sương mù trong khí xả gồm những hạt nhiên liệu không cháy, hiện tượng gặp khi khởi động hay khi làm việc trên cao áp suất giảm. 6.5.2.4. Ảnh hưởng của thành phần lưu huỳnh Thành phần lưu huỳnh là một trong những đặc trưng quan trong được qui định nghiêm ngặt đối với nhiên liệu Diesel. Ở Pháp thành phần lưu huỳnh cho phép là 0,3%. Ở Châu Âu, thành phần lưu huỳnh dao động từ 0,05% đến 0,65%. Ở Thụy sĩ, thành phần lưu huỳnh giới hạn 0,2% còn ở California, người ta hướng tới giới hạn 0,05%. Đại bộ phận chất ô nhiễm do lưu huỳnh gây ra tồn tại dưới dạng SO2: Nhiên liệu chứa 0,3% lưu huỳnh thì ở trong khí xả có khoảng 100ppm SO2. Tuy nhiên, một bộ phận SO2 (khoảng 2 đến 3%) bị oxy hóa thành SO3 và acide sulfurique. Mức độ phát sinh bồ hóng (kg bồ hóng/lít nhiên liệu) r (kg/dm3) Động cơ phun gián tiếp Tăng áp Không tăng áp Không tăng áp Tăng áp Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 99 Hình 6.11: Ảnh hưởng của chỉ số cetane đến mức độ phát ô nhiễm của động cơ Diesel phun gián tiếp 6.5.2.5. Ảnh hưởng của các chất phụ gia 1. Các chất phụ gia kim loại: Các chất phụ gia kim loại dưới dạng muối acide được sử dụng để làm giảm mức độ phát sinh bồ hóng của động cơ Diesel. Những kim loại alcalino-terreux (Ca, Ba, Mg, Fe, Mn, Cu, Ni) thường được sử dụng làm chất phụ gia trong nhiên liệu Diesel. Những alcalino-terreux, barium và calcium có hiệu quả nhất đối với động cơ phun trực tiếp hay phun gián tiếp. Hình 6.12 biểu diễn sự biến thiên của độ đen khí xả theo thành phần chất phụ gia. 2. Các chất phụ gia hữu cơ: Các chất phụ gia hữu cơ cho thêm vào nhiên liệu Diesel nhằm những mục đích khác nhau: - để giảm thời kì cháy trễ - như là chất ổn định, chống oxy hóa, nâng cao tính ổn định trong quá trình dự trữ - như chất tẩy rửa bề mặt để duy trì độ sạch của vòi phun, đây là yếu tố rất quan trọng trong trường hợp động cơ có buồng cháy dự bị. Tỉ lệ chất phụ gia trong nhiên liệu(mol/lít/100 Tỉ lệ mật độ khói (S/So) Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 100 Hình 6.12: Ảnh hưởng của các chất phụ gia kim loại đến độ khói Hình 6.13 trình bày ảnh hưởng của chất phụ gia đến mức độ phát sinh bồ hóng đối vớI động cơ theo thời gian sử dụng. Hình 6.14 cho thấy ảnh hưởng của các chất phụ gia tẩy rửa bề mặt đến toàn bộ các chất ô nhiễm do động cơ buồng cháy ngăn cách gây ra. 3. Thêm nước: Sự pha thêm nước vào nhiên liệu được nghiên cứu rất nhiều vì phương pháp này dường như là một trong những biện pháp rất hiếm hoi làm giảm đồng thời sự phát sinh NOx và bồ hóng, trong khi những phương pháp khác thường tác động ngược nhau đối với chiều biến thiên của hai chất ô nhiễm này. Người ta đề nghị nhiều giải pháp: cung cấp nước dạng emulsion trong dầu Diesel, phun trực tiếp nước trong cylindre hay phun trong dòng khí nạp. Giải pháp đầu tiên dường như có hiệu quả nhất. Nước có tác dụng làm giảm nhiệt độ dẫn đến giảm NOx; mặt khác, do kéo dài thời kì cháy trễ, nó làm gia tăng lượng nhiên liệu cháy trong giai đoạn hòa trộn trước và giảm lượng bồ hóng hình thành chủ yếu trong giai đoạn cháy khuếch tán. Điều này thấy rõ trên hình 6.15. Kết quả này trình bày tỉ lệ giảm mức độ phát sinh bồ hóng theo tải của động cơ một cylindre phun trực tiếp theo hai giá trị nồng độ nước trong dầu. Người ta có thể làm giảm được 70% bồ hóng khi pha vào 10% nước. Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 101 Hình 6.13: Ảnh hưởng của các chất phụ gia đến bồ hóng Hình 6.14: Ảnh hưởng của chất phụ gia tẩy rửa bề mặt Thành phần SOF hấp thụ bởi hạt rắn cũng gia tăng theo tỉ lệ nước. Hydrocarbure chưa cháy gia tăng do giảm nhiệt độ cháy; sự gia tăng nhiệt độ khí nạp cũng không phải là một biện pháp kinh tế để bù trừ sự gia tăng HC. Người ta nhận thấy rằng thành phần HAP có mặt trong SOF tăng theo thành phần nước. Bồ hóng (g/dặm) Quãng đường lăn bánh (/1000km) Không pha chất phụ gia Pha chất phụ gia Loại bỏ chất phụ gia Nhiên liệu Nhiên liệu Nhiên liệu Nhiên liệu Không pha phụ gia Có phụ gia Bồ hóng (g/lần thử) CO(g/ lần thử) HC (g/ lần thử) HC+NOx (g/lần thử) Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 102 Hình 6.15: Ảnh hưởng của nồng độ nước trong dầu Diesel đến mức độ phát sinh ô nhiễm Sự pha nước vào nhiên liệu không phải là giải pháp hữu hiệu làm giảm ô nhiễm trong quá trình cháy Diesel vì nếu nó làm giảm NOx nhưng lại làm tăng HC và CO, việc làm giảm bồ hóng còn phụ thuộc vào chế độ tải của động cơ. Không khí/nhiên liệu Không khí/nhiên liệu % tải % tải Nhiên liệu không nước 5% nước 10% nước10% nước 5% nước Nhiên liệu không nước Mức độ giảm bồ hóng (%) Mức độ giảm SOF (%) 5% nước 10% nước 5% nước 10% nước 104 Chương 7 CÁC BIỆN PHÁP KĨ THUẬT LÀM GIẢM MỨC ĐỘ GÂY Ô NHIỄM CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Trong chương này, chúng ta sẽ nghiên cứu những biện pháp làm giảm mức độ phát sinh ô nhiễm ngay trong quá trình cháy của động cơ đốt trong cũng như các giải pháp kĩ thuật xử lí ô nhiễm trên đường xả bằng bộ xúc tác hay lọc. 7.1. Giảm mức độ phát sinh ô nhiễm ngay từ nguồn Trong những thập niên tới, mối quan tâm hàng đầu của việc thiết kế động cơ là giảm mức độ phát sinh ô nhiễm ngay từ nguồn, nghĩa là trước khi ra khỏi soupape xả. Vì vậy, nhà thiết kế động cơ không chỉ chú trọng đơn thuần về công suất hay tính kinh tế của động cơ mà phải cân nhắc giữa các chỉ tiêu đó và mức độ phát sinh ô nhiễm. 7.1.1. Động cơ đánh lửa cưỡng bức Đối với động cơ đánh lửa cưỡng bức, ba chất ô nhiễm chính cần quan tâm là NOx, HC và CO. Ảnh hưởng tổng quát của các yếu tố kết cấu và vận hành động cơ đến sự hình thành các chất ô nhiễm này đã được phân tích ở chương 6. Ở động cơ thế hệ mới làm việc với hỗn hợp nghèo, người ta khống chế thêm vận động rối của hỗn hợp nhiên liệu-không khí trong quá trình cháy để làm giảm nồng độ các chất ô nhiễm, đặc biệt là HC. Sự tăng cường chuyển động rối sẽ làm tăng tốc độ lan tràn màng lửa và hạn chế việc xuất hiện những vùng 'chết' (gần thành buồng cháy). Gia tăng vận động rối có thể thực hiện bằng cách: - Gia tăng vận động xoáy lốc của hỗn hợp trên đường ống nạp. - Sử dụng hai soupape nạp khi động cơ làm việc ở chế độ toàn tải và một soupape khi làm việc ở tải cục bộ - Tạo ra một tia khí tốc độ cao phun vào đường nạp phụ có kích thước nhỏ hơn đường ống nạp chính. Việc lựa chọn phương pháp phun nhiên liệu riêng rẽ cho từng cylindre hay phun tập trung ở cổ góp đường nạp phụ thuộc nhiều yếu tố (khả năng điều chỉnh, tính năng kinh tế-kỹ thuật, giá thành...). Phương pháp phun nhiên liệu cũng có ảnh hưởng đến sự hình thành các chất ô nhiễm. Thật vậy, phương pháp phun tập trung có ưu điểm là thời gian dành cho việc bốc hơi nhiên liệu tương đối dài do đó hạn chế được hiện tượng ngưng tụ Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm của động cơ đốt trong 105 nhiên liệu trên đường ống nạp, còn phương án phun riêng rẽ cho phép tránh được sự không đồng đều về thành phần hỗn hợp giữa các cylindre. Việc điều chỉnh góc độ phối khí cũng là một biện pháp làm hài hòa giữa tính năng của động cơ và mức độ phát ô nhiễm HC và NOx. Gia tăng góc độ trùng điệp sẽ làm tăng lượng khí xả hồi lưu do đó làm giảm NOx. Sự thay đổi quy luật phối khí cũng gây ảnh hưởng đến sự phát sinh HC. Những động cơ mới ngày nay có khuynh hướng dùng nhiều soupape với trục cam có thể điều chỉnh được góc độ phối khí. Giải pháp này cho phép giảm nồng độ HC và NOx từ 20 đến 25% so với động cơ kiểu cũ có cùng các tính năng kinh tế-kĩ thuật. Cuối cùng, đối với động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo, việc làm giảm nồng độ NOx trong khí xả có thể được thực hiện riêng rẽ hay đồng thời hai giải pháp sau đây: - Tổ chức quá trình trình cháy với độ đậm đặc rất thấp (f = 0,60-0,70). - Hồi lưu một bộ phận khí xả (EGR: Exhaust Gas Recirculation) Ngày nay, hệ thống hồi lưu khí xả được dùng phổ biến trên tất cả loại động cơ đánh lửa cưỡng bức cổ điển hay động cơ thế hệ mới làm việc với hỗn hợp nghèo. Nó cho phép làm bẩn hỗn hợp ở một số chế độ công tác của động cơ nhằm làm giảm nhiệt độ cháy và do đó làm giảm được nồng độ NOx. Về mặt kết cấu nói chung, hệ thống hồi lưu khí xả gồm một van hồi lưu, một hệ thống điều khiển điện trợ lực khí nén và một bộ vi xử lí chuyên dụng. Bộ vi xử lí này nhận tín hiệu từ các cảm biến về nhiệt độ nước làm mát, nhiệt độ khí nạp, tốc độ động cơ, lượng nhiên liệu cung cấp... Sau khi xử lí thông tin nhờ các quan hệ lưu trữ sẵn trong bộ nhớ, bộ vi xử lí phát tín hiệu để điều khiển hệ thống điện trợ lực khí nén đóng mở van hồi lưu để cho quay ngược một lượng khí xả thích hợp vào đường nạp. Hệ thống hồi lưu khí xả phải được điều chỉnh theo tốc độ và tải của động cơ để tránh xảy ra hiện tượng cháy không bình thường làm gia tăng HC trong khí xả. Trong quá trình làm việc, van điều khiển khí xả hồi lưu có thể bị kẹt do sự ngưng tụ của sản phẩm cháy nên cần phải pha chất phụ gia tẩy rửa vào xăng. 7.1.2. Động cơ Diesel Đối với động cơ Diesel các giải pháp kĩ thuật tối ưu làm giảm mức độ phát sinh ô nhiễm ngay trong buồng cháy cần phải được cân nhắc giữa nồng độ của các chất HC, NOx và bồ hóng trong khí xả. Như chúng ta đã phân tích ở chương 6, việc thay đổi góc phun sớm có ảnh hưởng trái ngược nhau đến nồng độ HC và NOx (hình 7.1). Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm của động cơ đốt trong 106 Hình 7.1 : Ảnh hưởng của góc phun sớm đến sự hình thành HC và NOx trong khí xả động cơ Diesel Các nhà chế tạo động cơ Diesel đã đề ra nhiều biện pháp khác nhau về kĩ thuật phun và tổ chức quá trình cháy nhằm giới hạn nồng độ hai chất ô nhiễm này. Các biện pháp chính là: - Tăng tốc độ phun để làm giảm nồng độ bồ hóng do tăng tốc độ hòa trộn nhiên liệu-không khí. - Tăng áp suất phun, đặc biệt là đối với động cơ phun trực tiếp. - Điều chỉnh dạng quy luật phun (quan hệ lưu lượng-thời gian) theo khuynh hướng kết thúc nhanh quá trình phun để làm giảm HC. Đối với động cơ Diesel, dạng hình học của buồng cháy ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm quan trọng hơn là đối với động cơ xăng. Cũng như động cơ xăng, hồi lưu khí xả là một trong những biện pháp hiệu quả nhất để giảm mức độ phát sinh NOx trong động cơ Diesel. Tuy nhiên, về mặt kết cấu, hệ thống hồi lưu khí xả trên động cơ Diesel phức tạp hơn vì độ chân không trên đường nạp quá bé không đủ sức mở van hồi lưu. Vì vậy, ngoài bộ vi xử lí chuyên dụng, van điện từ trợ lực khí nén và van hồi lưu, hệ thống còn có một bơm tạo chân không (hình 7.2). Mặt khác, người ta cũng sử dụng thêm các phương pháp phụ sau đây để tăng độ chân không để hút khí xả vào đường nạp: - Tiết lưu trên đườ