Luận văn Nghiên cứu ảnh hưởng của lượng hyđrô thêm vào đường nạp đến hiệu suất và phát thải của động cơ diesel

p, thêm nữa động cơ hyđrô thường phải chạy với hỗn hợp nhạt ( > 1,8) để tránh các hiện tượng quá nóng, phát thải NOx cao, cháy sớm và cháy ngược nên công suất động cơ sẽ thấp hơn nhiều so động cơ xăng cùng dung tích xi lanh. Với động cơ chạy hoàn toàn nhiên liệu hyđrô, do hyđrô có tỷ trọng nhẹ, mật độ năng lượng thấp nên việc tích trữ, vận chuyển và cung cấp đủ hyđrô để động cơ làm việc liên tục như động cơ xăng cũng còn nhiều khó khăn. Chính vì vậy, việc sử dụng hỗn hợp hyđrô với các loại nhiên liệu khác đã trở thành một giải pháp tốt để nâng cao tính năng kinh tế, kỹ thuật và giảm phát thải của động cơ và được các nhà nghiên cứu rất quan tâm. Khi đó, hyđrô sẽ làm tăng tốc độ cháy của hỗn hợp, giúp cháy kiệt, từ đó nâng cao hiệu suất, giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm phát thải của động cơ chạy các loại nhiên liệu hóa thạch này. 1.3.4. Động cơ đốt trong bổ sung hyđrô Việc sử dụng khí hyđrô làm nhiên liệu bổ sung trong động cơ đốt trong là sử dụng một tỷ lệ nhỏ hyđrô kết hợp với nhiên liệu truyền thống để cải thiện 24 tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ. Trong động cơ chạy nhiên liệu lỏng như xăng và dầu diesel, việc bổ sung hyđrô thường được thực hiện bằng cách cấp hyđrô vào đường ống nạp của động cơ để tạo hỗn hợp với không khí nạp đi vào xi lanh, trong khi nhiên liệu chính vẫn được cấp theo cách bình thường nhưng với lưu lượng được điều chỉnh giảm để không làm hỗn hợp cháy đậm lên. Còn trong động cơ chạy nhiên liệu khí như khí thiên nhiên, biogas thì hyđrô có thể được cấp bằng hệ thống riêng hoặc được hỗn hợp với các khí này trong bình chứa trước khi cấp vào động cơ. Việc bổ sung khí hyđrô vào động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu hóa thạch sẽ tạo ra được hỗn hợp cháy là hỗn hợp của hyđrô, nhiên liệu hóa thạch và không khí. Do hyđrô có đặc điểm dễ bắt cháy, cháy nhanh và nhiệt độ cháy cao [3] nên khi cháy sẽ giúp đốt cháy kiệt nhiên liệu hóa thạch, góp phần tăng hiệu suất và giảm phát thải độc hại của động cơ. Mặt khác, do nhiên liệu hyđrô bổ sung chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ trong tổng nhiên liệu sử dụng của động cơ nên mặc dù có mật độ năng lượng thấp nhưng hyđrô sẽ ảnh hưởng không nhiều đến sự giảm công suất của động cơ. Thêm nữa, cũng do lượng hyđrô sử dụng nhỏ nên việc sản xuất, vận chuyển và cung cấp hyđrô để động cơ chạy liên tục sẽ không khó khăn như đối với động cơ chạy hoàn toàn nhiên liệu hyđrô. Đã có khá nhiều công trình nghiên cứu đã công bố cho thấy tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ bổ sung hyđrô được cải thiện đáng kể so với động cơ chạy chỉ nhiên liệu truyền thống. Đã có nhiều nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về việc sử dụng nhiên liệu kép hyđrô và diesel trong đó có hai phương pháp được áp dụng là [1,3]: - Hyđrô được sử dụng như một nhiên liệu bổ sung với tỷ lệ hyđrô sử dụng tương tự trong động cơ xăng - hyđrô, trong đó hyđrô thường được cấp vào đường nạp tạo hỗn hợp trước với khí nạp, còn diesel được phun bình thường nhưng với lưu lượng được điều chỉnh giảm tương ứng với phần H2 bổ sung. - Hyđrô được sử dụng là nhiên liệu chính (chiếm tỷ lệ lớn) còn nhiên liệu diesel được phun mồi khởi tạo quá trình cháy. 25 Trong hai phương pháp trên, phương pháp thứ nhất thường được sử dụng khi hyđrô được bổ sung với tỷ lệ nhỏ để cải thiện tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ, còn phương pháp thứ hai thì tương tự chạy thuần túy hyđrô nhưng trên động cơ diesel. Phương pháp này ít được sử dụng hơn so với dạng thứ nhất vì khó kiểm soát sự cháy sớm của hyđrô trong động cơ có tỷ số nén cao. Các kết quả nghiên cứu bổ sung hyđrô vào đường nạp trên động cơ diesel cho thấy hiệu suất, tiêu hao nhiên liệu và phát thải của động cơ được cải thiện đáng kể. Theo Toru Miyamoto và cộng sự [18], khi bổ sung hyđrô kết hợp điều chỉnh thời điểm phun diesel muộn đi một chút có thể giảm phát thải khói xuống 0% và NO xuống thấp hơn nhiều so với khi chạy chỉ với diesel trong khi công suất động cơ không giảm. Nghiên cứu của Santoso và cộng sự [19], Rajendra Prasath và cộng sự [20] cho thấy ở mọi chế độ tải hiệu suất nhiệt của động cơ cơ khi bổ sung hyđrô đều tăng so với khi không bổ sung hyđrô trong khi áp suất có ích trung bình của động cơ thay đổi ít. Phát thải CO, HC và độ khói giảm so với khi chạy với chỉ nhiên liệu diesel và mức thay đổi càng mạnh khi tỷ lệ H2 bổ sung càng tăng. Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ bổ sung H2 thấp hơn động cơ chạy chỉ với nhiên liệu diesel. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm của Saravanan và cộng sự [21] trên động cơ diesel một xi lanh bổ sung hyđrô bằng cách phun trực tiếp cho thấy khi sử dụng nhiên liệu thuần diesel thì độ khói thu được là 4,8 BSN (Bosch smoke Number) nhưng khi sử dụng kết hợp cả hyđrô thì độ khói giảm xuống còn 0,3 BSN. Hiệu suất nhiệt gia tăng từ 23,59 % với nhiên liệu diesel tới 29 % với sự bổ sung hyđrô. Kết quả này là do hyđrô đã cải thiện quá trình cháy của động cơ. Các chất phát thải như HC, CO và CO2 đều giảm mạnh, riêng NOx giảm từ 6,74 g/kWh xuống 3,14 g/kWh. 1.3.5. Tồn chứa và vận chuyển hyđrô Mặc dù hyđrô dễ cháy, có hiệu suất cháy cao và là lựa chọn tốt trong tương lai, tuy nhiên hiện tại việc sử dụng hyđrô làm nhiên liệu còn gặp nhiều 26 trở ngại như về mức độ an toàn trong quá trình sản xuất, lưu trữ và vận chuyển. hyđrô có nhiệt trị khối lượng (140,4 MJ/kg) lớn nhất trong các loại nhiên liệu, cao gấp ba lần so với xăng (44 MJ/kg). Ngược lại, nhiệt trị thể tích của hyđrô lại nhỏ (8491 MJ/m3 đối với hyđrô lỏng so với 31150 MJ/m3 của xăng). Hyđrô có mật độ thể tích nhỏ nên gây khó khăn trong quá trình tồn chứa khi sử dụng trên ô tô vì yêu cầu thể tích lớn. Hiện nay hyđrô được tồn chứa dưới ba dạng khí, lỏng và rắn trong đó phổ biến nhất là tồn chứa ở dạng khí. Khí hyđrô được nén vào bình chứa với áp suất khá cao từ 35 ÷ 70 MPa và nhiệt độ được giảm tới gần nhiệt độ hóa lỏng nhờ hệ thống làm lạnh hoặc sử dụng chất làm lạnh để tăng mật độ thể tích. Các bình chứa hyđrô nén yêu cầu có độ bền cao thường có dạng hình trụ bằng vật liệu thép hoặc vật liệu composite. Phương pháp này có nhược điểm là mật độ năng lượng vẫn thấp hơn so với nhiên liệu khoáng, tốn năng lượng trong quá trình nén áp suất cao và làm lạnh, độ an toàn không cao do áp suất nén cao và thời gian tiếp nhiên liệu từ bình nén áp suất cao và làm lạnh, độ an toàn không cao do áp suất nén cao và thời gian tiếp nhiên liệu từ bình chứa có áp suất cao đến bình có áp suất thấp kéo dài. Khi tồn chứa ở dạng lỏng, hyđrô được làm lạnh tới nhiệt độ 20K để hóa lỏng. Ở dạng lỏng thể tích và khối lượng bình chứa hyđrô nhỏ hơn nhiều so với tồn chứa ở dạng khí, áp suất trong bình chứa thấp hơn nền hình dạng bình chứa hyđrô nhỏ hơn nhiều so với tồn chứa ở dạng khí, áp suất trong bình chứa thấp nên hình dạng bình chứa có thể thiết kế phù hợp với không gian đặt bình, phù hợp khi sử dụng hyđrô trên ô tô, thời gian nạp hyđrô ngắn và thuận tiện trong vận chuyển, phân phối. Tuy nhiên, hạn chế của phương pháp này là tốn năng lượng trong quá trình làm lạnh, cần có hệ thống cách nhiệt tốt để tránh trao đổi nhiệt giữa bình chứa và môi trường, yêu cầu độ an toàn cao trong quá trình vận chuyển và quá trình nạp tại các trạm cần phải thực hiện một cách tự động do nhiệt độ rất thấp của hyđrô. Ở thể rắn, hyđrô được chứa dưới dạng hợp chất hydrid với các chất hóa học, kim loại hoặc cacbon nano ống. Các hợp chất này giải phóng hyđrô 27 nhờ phản ứng hóa học hoặc tác động của nhiệt độ. Đây là phương pháp tiềm năng trong tồn chứa hyđrô hiện đang được nghiên cứu để nâng cao mật độ năng lượng, giảm chi phí cũng như điều khiển được lưu lượng nhả hyđrô phù hợp với yêu cầu của thiết bị. 1.4. Nghiên cứu sử dụng hyđrô cho động cơ đốt trong dưới dạng lưỡng nhiên liệu 1.4.1. Sử dụng nhiên liệu hyđrô cho động cơ cháy do nén Theo [17, 18], khi bổ sung thêm khí hyđrô vào đường nạp cho động cơ cháy do nén nhận thấy: khi tăng lượng hyđrô chia sẻ với diesel, hiệu suất nhiệt của động cơ tăng rõ rệt ở các chế độ tải trung bình và tải cao trong khi đó lại giảm ở chế độ tải nhỏ; tất cả các chất ô nhiễm có nguồn gốc các bon như HC, CO, CO2 và PM đều giảm đáng kể ở tất cả các chế độ tải; phát thải NOx tăng lên cùng với bổ sung hyđrô ở chế độ tải trung bình và tải lớn do nhiệt độ tăng cao. Nhiệt độ và áp suất khí cháy trong xi lanh tăng lên rõ rệt cùng với tăng lượng hyđrô bổ sung vào đường nạp ở chế độ tải trung bình và tải lớn. Thời điểm bắt đầu cháy sẽ sớm hơn và tỷ lệ với lượng hyđrô bổ sung, ngoài ra khi lượng hyđrô chia sẻ lớn thì vấn đề tự phát hỏa của hỗn hợp không khí - hyđrô có thể xảy ra và kích nổ. Trong nghiên cứu của I.T.Yilmaz, M.Gumus [22], các tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng của lượng hyđrô thêm vào đường nạp đến hiệu suất và phát thải của động cơ diesel kiểu common rail. Nghiên cứu được thực hiện trên động cơ diesel 4 kỳ, 4 xi lanh, dung tích 1.461 lít và hệ thống cung cấp nhiên liệu kiểu common rail dưới 3 chế độ tải 50 Nm, 75 Nm và 100 Nm ở số vòng quay 1750 [v/ph]. Nhiên liệu diesel được phun trực tiếp vào buồng cháy trong khi hyđrô được nạp liên tục vào đường nạp ở hai chế độ lưu lượng 20 [lpm] và 40 [lpm]. Kết quả chỉ ra rằng: + Áp suất trong xi lanh tăng lên, điểm cực đại áp suất dịch chuyển gần điểm chết trên hơn theo tỷ lệ hyđrô bổ sung. 28 + Tốc độ tỏa nhiệt trong cả 2 chế độ lưu lượng cấp hyđrô bổ sung đều tăng sau chế độ phun mồi, nhưng lại giảm sau chế độ phun chính. + Tâm tỏa nhiệt dịch chuyển khỏi điểm chết trên khi bổ sung thêm hyđrô vào không khí nạp dưới điều kiện tải nhỏ. Nhưng lại không có sự khác biệt lớn giữa 2 động cơ khi làm việc ở chế độ tải lớn. + Bổ sung hyđrô vào đường nạp có ảnh hưởng quan trọng tới hiệu suất nhiệt có ích và suất tiêu hao nhiên liệu có ích, bên cạnh giảm đáng kể chất ô nhiễm có nguồn gốc các bon như HC, CO, CO2 và PM; mặc dù phát thải NOx có sự tăng nhẹ khi cấp 20 [lpm] ở chế độ tải 7 [N.m] nhưng ở các chế độ khác thì NOx không có sự sai khác so với động cơ dùng diesel thuần túy. Theo H.Koten [23], khi thực hiện nghiên cứu ảnh hưởng của việc thêm hyđrô đến hiệu suất và phát thải của động cơ diesel 4 xi lanh, làm mát bằng nước, ông nhận thấy: khi tăng lượng hyđrô bổ sung vào đường nạp ở tất cả các chế độ tải của động cơ, ta nhận thấy hiệu suất nhiệt có ích và suất tiêu hao nhiên liệu có ích đều được cải thiện đáng kể do tốc độ ngọn lửa cao của hyđrô và hình thành hỗn hợp đồng nhất trong xi lanh. Đối với sự phát thải Soot, HC và CO thì sự bổ sung hyđrô vào không khí nạp có ảnh hưởng tích cực, trong tất cả các trường hợp khi so sánh với động cơ dùng đơn nhiên liệu diesel. Theo Hayder A. Alrazen và các cộng sự [24], khi nghiên cứu tổng quan về ảnh hưởng của việc thêm hyđrô vào đường nạp của động cơ cháy do nén các tác giả nhận thấy: tỷ lệ không khí/nhiên liệu (A/F), tốc độ động cơ, và tải của động cơ đóng vai trò quan trọng tới hiệu suất và phát thải của động cơ diesel với sự bổ sung hyđrô. Hiệu suất nhiệt có ích, công suất có ích, áp suất có ích trung bình, và suất tiêu hao năng lượng có ích phụ thuộc nhiều vào điều kiện vận hành của động cơ khi thêm hyđrô. Khi thêm hyđrô thì các thành phần phát thải u-HC, CO, CO2, PM và soot là giảm đáng kể. Tuy nhiên, thành phần NOx lại tăng lên cùng với sự bổ sung hyđrô, nhưng vấn đề này có thể được kiểm soát bằng các giải pháp như thay đổi chiến lược phun, luân hồi khí xả EGR, phun 29 hơi nước vào thành xi lanh cũng như sử dụng các biện pháp xử lý sau nguồn phát sinh. Thông qua nghiên cứu tổng quan này, các tác giả nhận thấy khi bổ sung thêm hyđrô vào đường nạp có những tác động như sau: - Đa số các nghiên cứu liên quan đều cho rằng hiệu suất nhiệt có ích và công suất có ích tăng lên khi thêm hyđrô. Lý do của điều này là do thêm hyđrô vào nhiên liệu diesel làm giảm thời gian cháy, tăng áp suất và tốc độ tỏa nhiệt của khí cháy trong xi lanh bởi tăng tốc độ ngọn lửa hyđrô. Người ta nhận thấy rằng để đảm bảo an toàn cho động cơ thì cần lưu ý khi bổ sung khí hyđrô vào động cơ diesel ở tải cao. - Nhiều nghiên cứu cũng chỉ ra rằng suất tiêu hao năng lượng có ích cũng ảnh hưởng cùng với sự thay đổi tỷ lệ hyđrô thêm vào đường nạp. Ở chế độ tải cao, suất tiêu hao năng lượng có ích giảm khi tăng lượng hyđrô bổ sung, điều này là do tốc độ lan tràn ngọn lửa của hyđrô cao; nhưng lại tăng đều đặn khi giảm tải, và tăng lên rõ rệt khi vận hành cở chế độ tải nhỏ. - Đa số các tác giả cũng nhận định rằng khi thêm hyđrô vào đường nạp của động cơ diesel, nó ảnh hưởng tới áp suất có ích trung bình phụ thuộc vào vùng hỗn hợp. Cụ thể, nếu vùng hỗn hợp giàu, áp suất có ích trung bình giảm với sự tăng lượng hyđrô; trong khi đó, lại tăng lên ở các khu vực hỗn hợp nhiên liệu nghèo, điều này có thể lý giải là do sự có mặt của ô xy. 1.4.2. Sử dụng nhiên liệu hyđrô cho động cơ cháy cưỡng bức Theo Yaodong Du và các cộng sự [25] khi nghiên cứu ảnh hưởng của việc thêm khí hydro và tỷ lệ luân hồi khí xả EGR đến các đặc tính kỹ thuật và phát thải của động xăng nhận thấy: áp suất cực đại trong xi lanh tăng 9,8%, mô men xoắn có ích có thể tăng 11% khi bổ sung một lượng nhỏ hydro. Phát thải NOx có thể giảm khi sử dụng luân hồi khí xả, việc bổ sung thêm hydro có thể tăng tỷ lệ luân hồi EGR so với động cơ nguyên bản nên cho phép bướm ga mở rộng hơn điều này cải thiện hiệu suất và giảm phát thải NOx khoảng 54,8% so với động cơ nguyên bản. Ảnh hưởng của EGR đến phát thải CO và HC là không 30 lớn và sự phát thải CO và HC này có thể giảm một cách đáng kể khi bổ sung hydro. Phát thải CO, HC và NOx có thể được kiểm soát ở mức thấp hơn, mô men xoắn có ích có thể tăng lên và suất tiêu hao nhiên liệu có thể giảm đáng kể khi kiểm soát đồng thời lượng hydro bổ sung và tỷ lệ luân hồi EGR. 1.5. Kết luận chương 1 - Hyđrô đến nay đã được sản xuất lớn ở quy mô công nghiệp, phần lớn hyđrô sau khi chế biến được sử dụng tại chỗ ở các nhà máy lọc dầu, nhà máy hóa chất, chỉ một phần nhỏ được sản xuất với mục đích thương mại. Ở Việt Nam, nền kinh tế hyđrô còn khá mới mẻ với một số ít các nhà máy sản xuất hyđrô thương mại. - Khí hyđrô có khối lượng riêng rất nhỏ, mật độ năng lượng tính trên một đơn vị thể tích rất nhỏ nên để có thể sử dụng cho động cơ đốt trong cần thiết phải nén tới áp suất rất cao hoặc được hóa lỏng. Một giải pháp sử dụng khí hyđrô hoặc hỗn hợp khí giàu hyđrô khá đơn giản cho động cơ đốt trong, đó là cung cấp một lượng nhỏ khí hyđrô hoặc hỗn hợp khí giàu hyđrô vào đường nạp của động cơ hoặc vào xi lanh động cơ. Hyđrô trong trường hợp này đóng vai trò như một phụ gia nhiên liệu hoặc một chất xúc tác thúc đẩy quá trình cháy triệt để hơn. - Ảnh hưởng của việc thêm hyđrô vào đường nạp của động cơ cháy do nén thì các thành phần phát thải HC, CO, CO2, PM và soot là giảm đáng kể. Tuy nhiên, thành phần NOx lại tăng lên cùng với sự bổ sung hyđrô, nhưng vấn đề này có thể được kiểm soát bằng các giải pháp như chiến lược phun, luân hồi khí xả EGR, phun hơi nước vào thành xi lanh cũng như sử dụng các biện pháp xử lý sau nguồn phát sinh. - Hiệu quả của các động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - hy đrô với các hệ thống phun hy đrô khác nhau nhận thấy rằng giải pháp phun hy đrô vào họng nạp cho hiệu quả tốt hơn và giảm các thành phần phát thải so với công nghệ cung cấp hy đrô bằng các buarator và phun vào đường nạp. Nên trong nội dung 31 nghiên cứu của mình tác giả sử dụng 1 vòi phun để phun hy đrô vào trước xu páp nạp. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG LƯỠNG NHIÊN LIỆU 2.1. Vấn đề kiểm soát phát thải độc hại trong động cơ đốt trong 2.1.1. Đặc điểm phát thải độc hại của 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 c