Ô tô và ô nhiễm môi trường

PhamCongDat · 24/5/16

Chương 1 TÁC HẠI CỦA CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG KHÍ XẢ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG1.1. Giới thiệu

Quá trình cháy lí tưởng của hỗn hợp hydrocarbure với không khí chỉ sinh ra CO2, H2O và N2. Tuy nhiên, do sự không đồng nhất của hỗn hợp một cách lí tưởng cũng như do tính chất phức tạp của các hiện tượng lí hóa diễn ra trong quá trình cháy nên trong khí xả động cơ đốt trong luôn có chứa một hàm lượng đáng kể những chất độc hại như oxyde nitơ (NO, NO2, N2O, gọi chung là NOx), monoxyde carbon (CO), các hydrocarbure chưa cháy (HC) và các hạt rắn, đặc biệt là bồ hóng. Nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả phụ thuộc vào loại động cơ và chế độ vận hành. Ở động cơ Diesel, nồng độ CO rất bé, chiếm tỉ lệ không đáng kể; nồng độ HC chỉ bằng khoảng 20% nồng độ HC của động cơ xăng còn nồng độ NOx của hai loại động cơ có giá trị tương đương nhau. Trái lại, bồ hóng là chất ô nhiễm quan trọng trong khí xả động cơ Diesel, nhưng hàm lượng của nó không đáng kể trong khí xả động cơ xăng. Những tạp chất, đặc biệt là lưu huỳnh, và các chất phụ gia trong nhiên liệu cũng có ảnh hưởng đến thành phần các chất ô nhiễm trong sản phẩm cháy. Thông thường xăng thương mại có chứa khoảng 600ppm lưu huỳnh. Thành phần lưu huỳnh có thể lên đến 0,5% đối với dầu Diesel. Trong quá trình cháy, lưu huỳnh bị oxy hoá thành SO2, sau đó một bộ phận SO2 bị oxy hoá tiếp thành SO3, chất có thể kết hợp với nước để tạo ra H2SO4. Mặt khác, để tăng tính chống kích nổ của nhiên liệu, người ta pha thêm Thétraétyle chì Pb(C2H5)4 vào xăng. Sau khi cháy, những hạt chì có đường kính cực bé thoát ra theo khí xả, lơ lửng trong không khí và trở thành chất ô nhiễm đối với bầu khí quyển, nhất là ở khu vực thành phố có mật độ giao thông cao. Một trong những thông số có tính tổng quát ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ là hệ số dư lượng không khí a. Hình 1.1 trình bày một cách định tính sự phụ thuộc của nồng độ NO, CO và HC trong khí xả theo a. Động cơ đánh lửa cưỡng bức thường làm việc với hệ số dư lượng không khí a ≈ 1. Theo đồ thị này thì động cơ làm
Hình 1.1: Biến thiên nồng độ các chất
ô nhiễm theo hệ số dư lượng không khí 0,8 1 1,2 CO HC NOx a
Chương 1: Tác hại của các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 6 việc với hỗn hợp nghèo có mức độ phát sinh ô nhiễm thấp hơn. Tuy nhiên, nếu hỗn hợp quá nghèo thì tốc độ cháy thấp, đôi lúc diễn ra tình trạng bỏ lửa và đó là những nguyên nhân làm gia tăng nồng độ HC. Nhiệt độ cực đại của quá trình cháy cũng là một nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến thành phần các chất ô nhiễm vì nó ảnh hưởng mạnh đến động học phản ứng, đặc biệt là các phản ứng tạo NOx và bồ hóng. Nói chung tất cả những thông số kết cấu hay vận hành nào của động cơ có tác động đến thành phần hỗn hợp và nhiệt độ cháy đều gây ảnh hưởng trực tiếp hay gián tiếp đến sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí xả. Trong thực tế cuộc sống, do hàm lượng các chất độc hại trong khí xả động cơ đốt trong bé nên người sử dụng ít quan tâm tới sự nguy hiểm trước mắt do nó gây ra. Tuy nhiên sự phân tích các dữ liệu về sự thay đổi thành phần không khí trong những năm gần đây (bảng 1.1) đã cho thấy sự gia tăng rất đáng ngại của các chất ô nhiễm. Nếu không có những biện pháp hạn chế sự gia tăng này một cách kịp thời, những thế hệ tương lai sẽ phải đương đầu với một môi trường sống rất khắc nghiệt. Bảo vệ môi trường không phải chỉ là yêu cầu của từng nước, từng khu vực mà nó có ý nghĩa trên phạm vi toàn cầu. Tùy theo điều kiện của mỗi quốc gia, luật lệ cũng như tiêu chuẩn về ô nhiễm môi trường được áp dụng ở những thời điểm và với mức độ khắt khe khác nhau. Ô nhiễm môi trường do động cơ phát ra được các nhà khoa học quan tâm từ đầu thế kỉ 20 và nó bắt đầu thành luật ở một số nước vào những năm 50. Ở nước ta, luật bảo vệ môi trường có hiệu lực từ ngày 10-1-1994 và Chính phủ đã ban hành Nghị định số 175/CP ngày 18-10-1994 để hướng dẫn việc thi hành Luật bảo vệ môi trường.
1.2. Ô nhiễm không khí là gì? Chúng ta có thể tham khảo định nghĩa sau đây do Cộng đồng Châu Âu đưa ra vào năm 1967: "Không khí gọi là ô nhiễm khi thành phần của nó bị thay đổi hay khi có sự hiện
diện của những chất lạ gây ra những tác hại mà khoa học chứng minh được hay gây ra sự
khó chịu đối với con người". Theo định nghĩa đó thì: - Các chất gây ô nhiễm có thể gây nguy hại đến tự nhiên và con người mà khoa học ở thời điểm đó nhận biết được hay chỉ đơn thuần gây ra sự khó chịu chẳng hạn như mùi hôi, màu sắc... - Danh sách các chất ô nhiễm cũng như giới hạn về nồng độ cho phép của chúng trong các nguồn phát thải có thể thay đổi theo thời gian.
Chương 1: Tác hại của các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 7 Đến nay, người ta đã xác định được các chất ô nhiễm trong không khí mà phần lớn những chất đó có mặt trong khí xả của động cơ đốt trong. Bảng 1.1 dưới đây cho thấy sự gia tăng nồng độ một cách đáng ngại của một số chất ô nhiễm trong bầu khí quyển:
Bảng 1.1 : Sự gia tăng của các chất ô nhiễm trong khí quyển Chất ô nhiễm Thời kì tiền công nghiệp (ppm) Hiện nay (ppm) Tốc độ tăng (%/năm) CO2 270 340 0,4 N2O 0,28 0,30 0,25 CO 0,05 0,13 3 SO2 0,001 0,002 2 Tùy theo chính sách năng lượng của mỗi nước, sự phân bố tỉ lệ phát sinh ô nhiễm của các nguồn khác nhau không đòng nhất. Bảng 1.2 và 1.3 giới thiệu tỉ lệ phát thải CO, HC và NOx ở Nhật và ở Mĩ.
Bảng 1.2: Tỉ lệ phát thải các chất ô nhiễm ở Nhật (tính theo %) Nguồn phát ô nhiễm CO HC NOx Ô tô 93,0 57,3 39 Sản xuất điện năng 0,1 0,1 21,5 Quá trình cháy trong công nghiệp 0,0 26,4 31,3 Các quá trình cháy khác 6,3 0,7 0,8 Công nghiệp dầu mỏ - 14,8 5,1 Các hoạt động khác 0,6 0,7 2,6
Tổng cộng 100 100 100
Bảng 1.3: Tỉ lệ phát thải các chất ô nhiễm ở Mĩ (tính theo %) Nguồn phát ô nhiễm CO HC NOx Ô tô 64,7 45,7 36,6 Các phương tiện giao thông khác 9,0 7,2 10,5 Quá trình cháy công nghiệp 9,1 16,8 42,8
Chương 1: Tác hại của các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 8 Công nghiệp dầu mỏ 5,2 5,3 1,7 Các hoạt động khác 12,0 25,0 8,4
Tổng cộng 100 100 100
1.3. Tác hại của các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ
1.3.1. Đối với sức khỏe con người
- CO : Monoxyde carbon là sản phẩm khí không màu, không mùi, không vị, sinh ra do ô xy hoá không hoàn toàn carbon trong nhiên liệu trong điều kiện thiếu oxygène. CO ngăn cản sự dịch chuyển của hồng cầu trong máu làm cho các bộ phận của cơ thể bị thiếu oxygène. Nạn nhân bị tử vong khi 70% số hồng cầu bị khống chế (khi nồng độ CO trong không khí lớn hơn 1000ppm). Ở nồng độ thấp hơn, CO cũng có thể gây nguy hiểm lâu dài đối với con người: khi 20% hồng cầu bị khống chế, nạn nhân bị nhức đầu, chóng mặt, buồn nôn và khi tỉ số này lên đến 50%, não bộ con người bắt đầu bị ảnh hưởng mạnh.
- NOx: NOx là họ các oxyde nitơ, trong đó NO chiếm đại bộ phận. NOx được hình thành do N2 tác dụng với O2 ở điều kiện nhiệt độ cao (vượt quá 1100°C). Monoxyde nitơ (x=1) không nguy hiểm mấy, nhưng nó là cơ sở để tạo ra dioxyde nitơ (x=2). NO2 là chất khí màu hơi hồng, có mùi, khứu giác có thể phát hiện khi nồng độ của nó trong không khí đạt khoảng 0,12ppm. NO2 là chất khó hòa tan, do đó nó có thể theo đường hô hấp đi sâu vào phổi gây viêm và làm hủy hoại các tế bào của cơ quan hô hấp. Nạn nhân bị mất ngủ, ho, khó thở. Protoxyde nitơ N2O là chất cơ sở tạo ra ozone ở hạ tầng khí quyển.
- Hydocarbure: Hydrocarbure (HC) có mặt trong khí thải do quá trình cháy không hoàn toàn khi hỗn hợp giàu, hoặc do hiện tượng cháy không bình thường. Chúng gây tác hại đến sức khỏe con người chủ yếu là do các hydrocarbure thơm. Từ lâu người ta đã xác định được vai trò của benzen trong căn bệnh ung thư máu (leucémie) khi nồng độ của nó lớn hơn 40ppm hoặc gây rối loạn hệ thần kinh khi nồng độ lớn hơn 1g/m3, đôi khi nó là nguyên nhân gây các bệnh về gan. - SO2: Oxyde lưu huỳnh là một chất háu nước, vì vậy nó rất dễ hòa tan vào nước mũi, bị oxy hóa thành H2SO4 và muối amonium rồi đi theo đường hô hấp vào sâu trong phổi. Mặt khác, SO2 làm giảm khả năng đề kháng của cơ thể và làm tăng cường độ tác hại của các chất ô nhiễm khác đối với nạn nhân.
- Bồ hóng: Bồ hóng là chất ô nhiễm đặc biệt quan trọng trong khí xả động cơ Diesel. Nó tồn tại dưới dạng những hạt rắn có đường kính trung bình khoảng 0,3mm nên rất dễ xâm nhập sâu vào phổi. Sự nguy hiểm của bồ hóng, ngoài việc gây trở ngại cho cơ quan hô hấp như bất kì một tạp chất cơ học nào khác có mặt trong không khí, nó còn là
Chương 1: Tác hại của các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 9 nguyên nhân gây ra bệnh ung thư do các hydrocarbure thơm mạch vòng (HAP) hấp thụ trên bề mặt của chúng trong qua trình hình thành.
- Chì: Chì có mặt trong khí xả do Thétraétyl chì Pb(C2H5)4 được pha vào xăng để tăng tính chống kích nổ của nhiên liệu. Sự pha trộn chất phụ gia này vào xăng hiện nay vẫn còn là đề tài bàn cãi của giới khoa học. Chì trong khí xả động cơ tồn tại dưới dạng những hạt có đường kính cực bé nên rất dễ xâm nhập vào cơ thể qua da hoặc theo đường hô hấp. Khi đã vào được trong cơ thể, khoảng từ 30 đến 40% lượng chì này đi vào máu. Sự hiện hiện của chì gây xáo trộn sự trao đổi ion ở não, gây trở ngại cho sự tổng hợp enzyme để hình thành hồng cầu, và đặc biệt hơn nữa, nó tác động lên hệ thần kinh làm trẻ em chậm phát triển trí tuệ. Chì bắt đầu gây nguy hiểm đối với con người khi nồng độ của nó trong máu vượt quá 200 đến 250mg/lít.
1.3.2. Đối với môi trường
1. Thay đổi nhiệt độ khí quyển Sự hiện diện của các chất ô nhiễm, đặc biệt là những chất khí gây hiệu ứng nhà kính, trong không khí trước hết ảnh hưởng đến quá trình cân bằng nhiệt của bầu khí quyển. Trong số những chất khí gây hiệu ứng nhà kính, người ta quan tâm đến khí carbonic CO2 vì nó là thành phần chính trong sản phẩm cháy của nhiên liệu có chứa thành phần carbon. Sự gia tăng nhiệt độ bầu khí quyển do sự hiện diện của các chất khí gây hiệu ứng nhà kính có thể được giải thích như sau: Quả đất nhận năng lượng từ mặt trời và bức xạ lại ra không gian một phần nhiệt lượng mà nó nhận được. Phổ bức xạ nhiệt của mặt trời và vỏ trái đất trình bày trên các hình 1.4 và hình 1.5. Bức xạ mặt trời đạt cực đại trong vùng ánh sáng thấy được (có bước sóng trong khoảng 0,4-0,73mm) còn bức xạ cực đại của vỏ trái đất nằm trong vùng hồng ngoại (7-15mm). Các chất khí khác nhau có dải hấp thụ bức xạ khác nhau. Do đó, thành phần các chất khí có mặt trong khí quyển có ảnh hưởng đến sự trao đổi nhiệt giữa mặt trời, quả đất và không gian. Carbonic là chất khí có dải hấp thụ bức xạ cực đại ứng với bước sóng 15mm, vì vậy nó được xem như trong suốt đối với bức xạ mặt trời nhưng là chất hấp thụ quan trọng đối với tia bức xạ hồng ngoại từ mặt đất. Một phần nhiệt lượng do lớp khí CO2 giữ lại sẽ bức xạ ngược lại về trái đất (hình 1.6) làm nóng thêm bầu khí quyển theo hiệu ứng nhà kính (Serre). 0,4 0,73 l(mm)
Vùng
thấy
được 0,73 10 20 30 0oC 30oC
Hồng ngoại l(mm)
Chương 1: Tác hại của các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 10
Hình 1.4: Phổ bức xạ từ mặt trời Hình 1.5: Phổ bức xạ từ mặt đất
Hình 1.6: Hiệu ứng nhà kính Với tốc độ gia tăng nồng độ khí carbonic trong bầu khí quyển như hiện nay, người ta dự đoán vào khoảng giữa thế kỉ 22, nồng độ khí carbonic có thể tăng lên gấp đôi. Khi đó, theo dự tính của các nhà khoa học, sẽ xảy ra sự thay đổi quan trọng đối với sự cân bằng nhiệt trên quả đất: - Nhiệt độ bầu khí quyển sẽ tăng lên từ 2 đến 3°C. - Một phần băng ở vùng Bắc cực và Nam cực sẽ tan làm tăng chiều cao mực nước biển. - Làm thay đổi chế độ mưa gió và sa mạc hóa thêm bề mặt trái đất.
2. Ảnh hưởng đến sinh thái Sự gia tăng của NO

Chương 2 QUY TRÌNH ĐO CÁC CHỈ TIÊU Ô NHIỄM CỦA Ô TÔ

Mức độ phát sinh các chất ô nhiễm phụ thuộc vào điều kiện vận hành cũng như tình trạng kĩ thuật của động cơ. Do đó, tùy theo tình trạng giao thông cũng như mức độ khắt khe của luật môi trường ở mỗi nước mà quy trình thử có khác nhau. Trên thực tế hiện nay tồn tại một số quy trình chuẩn của các nước công nghiệp phát triển và những quy trình đó được nhiều nước đang phát triển áp dụng như quy phạm chính thức để đo mức độ phát sinh ô nhiễm của ô tô ở nước mình.
2.1. Lịch sử phát triển Ô nhiễm môi trường do khí xả động cơ gây ra đã là mối quan tâm của của nhiều quốc gia từ lúc nền công nghiệp ô tô bắt đầu phát triển. Theo thời gian, danh sách các chất ô nhiễm ngày càng trở nên chi tiết hơn, giới hạn nồng độ của chúng trong khí xả ngày càng trở nên khắt khe hơn và ngày càng nhiều quốc gia hưởng ứng vấn đề chống ô nhiễm môi trường do khí xả ô tô gây ra. Theo trình tự thời gian, chúng ta có thể kể các quốc gia đã sớm đặt vấn đề ô nhiễm môi trường do khí xả động cơ gây ra như sau: - Đức : 1910 - Mĩ : 1959 - Pháp : 1963 - Nhật : 1966 Tiếp theo là những nước khác trong cộng đồng Châu Âu, Canada, Úc, các nước thuộc khối Đông Âu cũ, các nước Châu Á (Singapore, Đài Loan, Hàn Quốc...).
2.2. Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm Hiện nay chưa có một quy trình nào được áp dụng chung cho tất cả các nước để đo các chỉ tiêu ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong. Do đó trên thế giới tồn tại nhiều quy trình khác nhau, mỗi quy trình ứng với một tiêu chuẩn ô nhiễm xác định và không có quan hệ tương đương nào được xác lập giữa các tiêu chuẩn này. Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của mỗi nước căn cứ vào chế độ giao thông tiêu biểu của nước đó. Bảng 2.1 so sánh các thông số đặc trưng của một số quy trình được áp dụng rộng rãi nhất hiện nay.
Bảng 2.1: So sánh các thông số đặc trưng của một số quy trình thử tiêu biểu
Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô 13
Thông số Đơn vị ECE California FTP72 FTP75 Nhật 10
chế độ
Nhật 11
chế độ Tốc độ trung bình (km/h) 18,7 35,6 31,5 34,1 17,7 30,6 Tốc độ trung bình (không kể thời gian không tải) (km/h) 27,1 41,7 38,3 41,6 24,1 39,1 Gia tốc trung bình (m/s2) 0,75 0,68 0,60 0,67 0,54 0,64 Giảm tốc trung bình (m/s2) 0,75 0,68 0,70 0,71 0,65 0,60 Thời gian trung bình của một chu kì thử (s) 45 117 66 70 50 94 Không tải (% thời gian) 30,8 14,6 17,8 18,0 26,7 21,7 Gia tốc (% thời gian) 18,5 31,4 33,5 33,1 24,4 34,2 Tốc độ không đổi (% thời gian) 32,3 21,9 20,1 20,4 23,7 13,3 Giảm tốc (% thời gian) 18,5 32,1 28,6 28,5 25,2 30,8
2.3. Cơ sở xây dựng các quy trình đo ô nhiễm Quy trình thử là quy phạm quốc gia, phụ thuộc vào điều kiện giao thông của mỗi nước. Nó dựa trên nhiều yếu tố, trong đó mật độ giao thông và chất lượng đường sá là hai yếu tố quan trọng nhất. - Mật độ giao thông: Mức độ ô nhiễm cục bộ bầu không khí là tổng hợp mức độ phát thải của tất cả những phương tiện vận tải trong khu vực khảo sát gây ra, nghĩa là mức độ ô nhiễm phụ thuộc vào mật độ ô tô. Ở những thành phố lớn, khi mức độ ô nhiễm vượt giới hạn báo động, người ta khuyến khích dân chúng sử dụng phương tiện vận tải công cộng để giảm bớt mật độ xe. Ở những nơi có mật độ lưu thông bé, ô tô không nhất thiết phải tuân thủ những quy định nghiêm ngặt về mức độ phát sinh ô nhiễm của những thành phố mật độ giao thông cao. - Điều kiện đường sá: Tùy vào chất lượng đường sá của mỗi nước mà chế độ hoạt động của các phương tiện khác nhau, do đó khả năng phát ô nhiễm của chúng cũng khác nhau. Tiêu chuẩn ô nhiễm vì vậy cũng cần xét đến yếu tố này.
2.4. Quy trình thử của một số nước
2.4.1. Quy trình thử của Mĩ
a. Quy trình FTP 72 và FTP 75 20 40 60
Vận tốc (m/s)
Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô 14
a.
b.
Hình 2.1: Quy trình FTP 72 và FTP 75 Quy trình FTP 75 gồm ba giai đoạn. Hai giai đoạn đầu giống như chu trình FTP 72. Giai đoạn 3 giống như giai đoạn 1 của chu trình trước (hình 2.1b) và được khởi động lại sau khi đã dừng động cơ 10 phút kể từ lúc kết thúc giai đoạn 2. Quãng đường tương ứng tổng cộng là 17,86km với tốc độ trung bình 34,1km/h. Lượng khí ô nhiễm được đo riêng từng giai đoạn và kết quả chung được tính bằng g/km với các hệ số điều chỉnh 0,43 đối với giai đoạn đầu, 1 đối với giai đoạn 2 và 0,57 đối với giai đoạn 3.
b. Quy trình California Đây là quy trình thử cũ được sử dụng từ năm 1968. Nó gồm 7 giai đoạn giống hệt nhau (hình 2.2) và cách bởi thời gian chạy không tải. Quy trình thử kéo dài trong 16 phút 19 giây. Động cơ khởi động ở trạng thái nguội sau khi dừng ít nhất 12 giờ ở điều kiện nhiệt độ môi trường. Quy trình này hiện nay đã được thay thế bằng các quy trình FTP trên đây. 979s 0 50 100 km/h 20 40 60 0 400
Giai đoạn quá độ nóng
Thời gian (s)
Vận tốc (m/s) Quy trình FTP 72 (Federal Test Procedure) (hình 2.1a) bao gồm hai giai đoạn. Giai đoạn 1 kéo dài trong 505s, tương ứng với quãng đường 5,78km với tốc độ trung bình 41,2km/h. Giai đoạn 2 kéo dài trong 867s và được bắt đầu sau khi tạm dừng hoàn toàn động cơ trong 10 phút. Khi bắt đầu thử, động cơ được khởi động ở trạng thái nguội sau một đêm để ở nhiệt độ môi trường (20 °C).
Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô 15
Hình 2.2: Quy trình thử của Bang California
2.4.2. Quy trình thử của Cộng đồng Châu Âu
a. Quy trình thử thành phố ECE : Quy trình này được hình thành năm 1962 dựa vào điều kiện giao thông ở vùng Paris, rất khác biệt so với điều kiện giao thông ở California. Đến năm 1966, quy trình này được sử dụng chung cho Cộng đồng Châu Âu. Hình 2.3 trình bày diễn biến tốc độ của quy trình thử. Nó gồm 4 công đoạn y hệt nhau với quãng đường tổng cộng là 4,052km.
b. Quy trình thử ngoại thành của Cộng đồng Châu Âu EUDC Quy trình EUDC được thực hiện bằng cách bổ sung thêm vào qui trình ECE một công đoạn thử tương ứng với chế độ vận hành của ô tô ở vùng ngoại thành (hình 2.3b). Công đoạn bổ sung có tốc độ cực đại là 120km/h, thời gian thử là 400s tương ứng một quãng đường 6,955km với tốc độ trung bình 62,6km/h. Công đoạn thử bổ sung này được tiến hành sau khi đã thực hiện chu trình ECE và được bắt đầu bằng một giai đoạn chạy không tải 20s. Mức độ ô nhiễm được cho theo đơn vị g/km thay vì g/lần thử.
Số chu trình/lần thử : 4 Tốc độ trung bình (kể cà không tải) : 18,7 km/h
Thời gian/chu trình : 195s Tốc độ trung bình (không kể không tải): 27,01 km/h
Quãng đường thử : 1,013 km x 4 Tốc độ cực đại : 50 km/h
1: Số 1
2: Số 2
3: Số 3
ll : Chuyển số
K: Mở ly hợp
PM: Điểm chết
R: Không tải
Tốc độ (km/h)
Thời gian
Thời gian chu trình : 400s
Quãng đường thử : 6,955 km
Tốc độ trung bình : 62,6 km/h
Tốc độ cực đại : 120 km/h a. Quy trình thử thành phố ECE b. Công đoạn bổ sung ngoại thành
Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô 16
Hình 2.3: Quy trình thử ECE, EUDC của Cộng đồng Châu Âu
2.4.3. Quy trình thử của Nhật Bản
a. Quy trình thử 10 chế độ
Hình 2.4: Quy trình thử 10 chế độ của Nhật. Hình 2.5: Quy trình thử 11 chế độ của Nhật. Quy trình thử 10 chế độ ứng với điều kiện giao thông trong thành phố. Thời gian của mỗi công đoạn thử là 135s, ứng với quãng đường 0,664km với tốc độ trung bình 17,7km/h (hình 2.4). Quy trình thử được lập lại với 6 công đoạn như nhau. Nồng độ ô nhiễm được biểu diễn theo g/km.
b. Quy trình thử 11 chế độ Qui trình này thể hiện chế độ giao thông trên xa lộ. Động cơ được khởi động nguội ở nhiệt độ khoảng từ 20 đến 30°C và chạy không tải trong 25s, sau đó tiến hành thử trong 120s tương ứng với quãng đường 1,021km với tốc độ trung bình 30,6km/h (hình 2.5). Mức độ phát sinh ô nhiễm của ô tô được tính theo g/lần thử.
b. Quy trình thử 10-15 chế độ
Hình 2.6: Quy trình thử 10-15 chế độ của Nhật Quy trình thử 10-15 chế độ ứng với điều kiện giao thông ở các vùng ngoại ô Nhật Bản. Quy trình này sử dụng 3 công đoạn của quy trình thử 10 chế độ trên đây và kéo dài thêm một đoạn có tốc độ cực đại 70km/h (hình 2.6). Quãng đường thử tương ứng dài 0 20 40 km/h 135s 0 20 40 km/h 120s 60 0 20 40 km/h 100 200 300 400 500 600 660(s) 60 80
Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô 17 4,16km trong thời gian 660s với tốc độ trung bình 22,7km/h. Quy trình này được áp dụng cho ô tô du lịch xuất xưởng sau tháng 11 năm 1991. Đến tháng 10 năm 1993 nó được áp dụng thêm cho xe tải dưới 2,5 tấn.
2.5. Nồng độ cho phép của các chất ô nhiễm trong khí xả ô tô
2.5.1. Các chất ô nhiễm thể khí
1. Hoa Kì Bảng 2.2 giới thiệu sự thay đổi về giới hạn nồng độ cho phép của các chất ô nhiễm trong khí xả ô tô ở Mĩ theo thời gian đối với ô tô du lịch. Giới hạn này được áp dụng ở hầu hết các Bang trừ California và Newyork (những Bang có yêu cầu khắt khe hơn) và đo theo quy trình FTP 75. Các bảng này cho thấy mức độ khắt khe của tiêu chuẩn tăng dần theo thời gian: nồng độ cho phép của CO từ 84 g/dặm năm 1960 giảm xuống còn 3,4 g/dặm hiện nay (giảm khoảng 25 lần); nồng độ HC cũng trong thời gian đó giảm từ 10,6 g/dặm xuống còn 0,25 g/dặm (giảm khoảng 40 lần); mức độ giảm NOx có thấp hơn, từ 4,1 xuống 0,4 (giảm khoảng 10 lần).
Bảng 2.2: Tiêu chuẩn của Mĩ đối với ô tô du lịch (tính theo g/dặm, quy trình FTP 75) Năm CO HC NOx 1960 84 10,6 4,1 1968 51 6,3 0,4 1970 34 4,1 0,4 1972 28 3,0 0,4 1973 28 3,0 3,1 1975 15 1,5 3,1 1977 15 1,5 2,0 1980 7,0 0,41 2,0 1983 3,4 0,41 1,0 Dự kiến 3,4 0,25 0,4
2. Cộng đồng Châu Âu Hình 2.7 trình bày sự thay đổi theo thời gian về nồng độ cho phép của các chất ô nhiễm trong khí xả ô tô áp dụng ở các nước trong Cộng đồng Châu Âu. Trước năm 1984, tiêu chuẩn được tính chung đối với HC+NOx nhưng sau đó được quy định riêng cho từng chất.
Q đị h EU
Trước khi có
quy định EU
Đo thêm NO
x Quy trình
% giá trị trước
khi quy định
60 Ô tô cỡ trung 1130kg, 1400-2000 cm3
50
40
30
20
10
CO (g/km)
Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô 18
Hình 2.7 : Biến thiên nồng độ giới hạn cho phép theo thời gian của các chất ô nhiễm
trong khí xả ô tô theo quy định của Cộng đồng Châu Âu Mức độ phát sinh ô nhiễm cho phép đối với xe du lịch và xe vận tải hạng nhẹ theo quy trình thử ECE áp dụng ở Cộng đồng Châu Âu cho ở bảng 2.3.
Bảng 2.3: Tiêu chuẩn Cộng Đồng Châu Âu đối với xe tải hạng nhẹ
Loại động cơ
(V (lít) là thể tích
xi lanh)
CO
(g/km)
HC+NO
x
(g/km)
NO
x
(g/km)
Năm áp dụng
Xăng V>2,0 6,17 1,6 0,86 1988
Xăng 1,4≤V≤2,0 7,4 1,97 - 1991
Xăng V<1,4 4,6 1,23 - 1992
Diesel V>2,0 7,4 1,97 - 1988
Diesel 1,4≤V≤2,0 7,4 1,97 - 1991
Diesel V<1,4 4,6 1,23 - 1992 Các quốc gia Đông Âu cũ trước đây cũng áp dụng tiêu chuẩn của Cộng đồng Châu Âu ECE.
3. Nhật Bản
- Đối với ô tô du lịch sử dụng động cơ xăng Tiêu chuẩn Nhật Bản theo chu trình thử 10 chế độ và 11 chế độ ứng với các loại ô tô khac nhau trình bày trên các bảng 2.4, 2.5, 2.6.
Bảng 2.4: Tiêu chuẩn Nhật Bản đối với ô tô du lịch sử dụng động cơ xăng
Năm CO (g/km) HC (g/km) NOx (g/km)
10 C.độ 11 C.độ 10 C.độ 11 C.độ 10 C.độ 11 C.độ
Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô 19
1973 26 - 3,8 - 3,0 -
1975 2,7 20,81 0,39 2,33 1,6 2,7
1976 2,7 20,81 0,39 2,33 1,2 2,20
1978 2,7 20,81 0,39 2,33 0,48 1,47
1988 2,7 20,81 0,39 2,33 0,25 1,47
Bảng 2.5: Tiêu chuẩn Nhật Bản đối với ô tô du lịch sử dụng động cơ Diesel
Năm CO (g/km) HC (g/km) NOx (g/km)
10 C.độ 11 C.độ 10 C.độ 11 C.độ 10 C.độ 11 C.độ
1974 - 680ppm - 670ppm - 590ppm
1977 - 680ppm - 670ppm - 500ppm
1979 - 680ppm - 670ppm - 450ppm
1982 - 680ppm - 670ppm - 390ppm
1983 - 680ppm - 670ppm - 610ppm
1987 2,7(g/km) - 0,62(g/km) - 0,98(g/km) -
Bảng 2.6: Tiêu chuẩn Nhật Bản đối với ô tô vận tải nhẹ sử dụng động cơ xăng hay GPL Năm CO (g/km) HC (g/km) NOx (g/km) 10 C.độ 11 C.độ 10 C.độ 11 C.độ 10 C.độ 11 C.độ 1973 26 - 3,8 - 3,0 - 1975 17 31,83 2,7 4,16 2,3 4,9 1979 17 31,89 2,7 4,16 1,6 2,69 1981 17 31,83 2,7 4,16 1,26 2,33 1988 17 31,83 2,7 4,16 0,7 2,33 Các loại xe vận tải và ô tô buýt sử dụng động cơ Diesel tuân theo cùng tiêu chuẩn ô nhiễm của xe du lịch dùng động cơ Diesel.
4. Các nước khác
Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô 20 Các nước đang phát triển sử dụng quy trình thử của các nước công nghiệp phát triển và ấn định mức độ phát sinh ô nhiễm cho phép phù hợp với điều kiện của nước mình. Quy trình thử và giới hạn cho phép về nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ ở một số nước đối với ô tô có tải trọng nhỏ hơn 2,7 tấn áp dụng ở một số nước được giới thiệu trong bảng 2.7. Chúng ta thấy các nước đang phát triển thường sử dụng các chu trình của Mĩ, Châu Âu và Nhật Bản. Tính khắt khe về giới hạn nồng độ các chất ô nhiễm tăng dần theo thời gian.
Bảng 2.7: Quy trình thử và giới hạn ô nhiễm ở một số nước đang phát triển
Nước Năm Quy trình CO
(g/km)
HC
(g/km)
NO
x
(g/km)
Canada 1975
1987
1994
FTP 75
FTP 75
FTP 75
15,53
2,11
2,11
1,24
0,25
0,15
1,92
0,62
0,25
Úc và
New
Zealand
1976
1982
1986
FTP 72
FTP 72
FTP 75
24,20
22,00
9,30
2,10
1,91
0,93
1,90
1,73
1,90
Đài Loan 1987
1988
1989
ECE
ECE
FTP 75
14,31
14,31
2,11
4,69
4,69
0,25
(HC+NOx)
(HC+NOx)
0,25
Singapore
Israel
Ả Rập Xê-út
1986 ECE Tiêu chuẩn Cộng đồng Châu Âu
Hàn Quốc 1983
1984
1987(1)
1987(2)
10 C.độ
10 C.độ
FTP 75
FTP 75
26
18
8
2,11
3,8
2,8
2,1
0,25
3,0
2,5
1,5
0,62
Mexico 1989
1990
1991
1993
FTP 75
FTP 75
FTP 75
FTP 75
21,9
18,52
6,96
2,11
1,99
1,79
0,70
0,25
2,29
1,99
1,39
0,62
Brazil 1988
1992
FTP 75
FTP 75
24
12
2,10
1,20
2,00
1,40
(1) Ô tô có động cơ V<800 cm3 (2) Ô tô <2,5 tấn, có động cơ V>800 cm3
2.5.2. Các quy định về nồng độ bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel Các quy định về nồng độ cho phép của các chất ô nhiễm dạng khí trong khí xả động cơ được áp dụng rất sớm so với các quy định về nồng độ bồ hóng. Tiêu chuẩn Liên Bang Hoa Kì quy định, theo chu trình đo 2.8, độ mờ không được vượt quá 20% khi gia tốc, 15% khi phanh và 50% ở một điểm bất kì của chu trình. Theo tiêu chuẩn Cộng đồng Châu Âu ở chế độ ổn định đầy tải, giới hạn của hệ số hấp thụ quang học theo lưu lượng của dòng khí xả cho ở bảng 2.8 hoặc hình 2.9.
Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô 21 Tiêu chuẩn độ khói trong khí xả động cơ Diesel được đo theo các đơn vị khác nhau phụ thuộc từng nước: Hệ số hấp thụ quang học k (Cộng đồng Châu Âu, Úc, Brazil), độ mờ (Mĩ, Hàn Quốc), chỉ số Bosch (Nhật, Thụy Điển). Bảng 2.9 giới thiệu tiêu chuẩn độ khói của một số nước.
Bảng 2.8: Giới hạn hệ số hấp thụ quang học theo lưu lượng khí xả
của động cơ Diesel làm việc ở chế độ ổn định đầy tải (tiêu chuẩn EU)
G(l/s) k(1/m) G(l/s) k(1/m) G(l/s) k(1/m)
<42 2,260 95 1,535 150 1,225
45 2,190 100 1,495 155 1,205
50 2,080 105 1,465 160 1,190
55 1,985 110 1,425 165 1,170
60 1,900 115 1,395 170 1,155
65 1,840 120 1,370 175 1,140
70 1,775 125 1,345 180 1,125
75 1,720 130 1,320 185 1,110
80 1,665 135 1,300 190 1,095
85 1,620 140 1,270 195 1,080
90 1,575 145 1,250 >200 1,065
Hình 2.8: Tiêu chuẩn của Hoa Kì về độ khói trong
khí xả động cơ Diesel
Mức ga (%) Tốc độ (v/s)
Thời gian (s)
Độ
mờ
(%)
Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô 22
Hình 2.8: Tiêu chuẩn Cộng đồng Châu Âu
Hình 2.9: Tiêu chuẩn của Cộng đồng Châu Âu về độ khói trong
khí xả động cơ Diesel
Bảng 2.9: Tiêu chuẩn độ khói của động cơ Diesel áp dụng ở một số nước
Quốc gia Năm Chế độ đo Tiêu chuẩn
Cộng đồng
Châu Âu
1972
1982
Gia tốc tự do
(Xem hình 2.9)
k <0,5 m-1
(Xem hình 2.9)
Thụy Điển 1972 Gia tốc có tải 3,5 đ.v. Bosch
Mĩ 1981 (Xem hình 2.8) (Xem hình 2.8)
Nhật 1972
1975
1984
Đầy tải
Gia tốc không tải
Đầy tải
Độ mờ 50%
Độ mờ 50%
4 đ.v. Bosch
Hàn Quốc 1980 Đầy tải Độ mờ 50%
2.6. Quy trình kiểm tra định kì mức độ phát sinh ô nhiễm của ô tô Các quy định trên đây được áp dụng từ lúc ô tô xuất xưởng đến khi đã qua một thời gian sử dụng nhất định và quy trình đo được thực hiện ở những trung tâm kiểm định theo quy phạm nhà nước. Ở Mĩ, các tiêu chuẩn đó được áp dụng cho đến khi ô tô đạt được 80.000 km. Để thỏa mãn các quy định của tiêu chuẩn, trong quá trình sử dụng, ô tô phải được bảo trì tốt. Tuy nhiên khi qua tay người sử dụng ô tô không phải lúc nào cũng được bảo trì đúng kĩ thuật. Thống kê ở Mĩ cho thấy chỉ có 33% ô tô được bảo trì tốt, số còn lại bị điều chỉnh không đúng qui định hoặc bị thay thế các bộ phận không đúng tiêu chuẩn. Tình trạng bảo trì ô tô sử dụng ở các quốc gia có nền công nghiệp chưa phát triển chắc chắn còn tồi hơn nhiều. Điều này làm nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả gia tăng vượt quá giới hạn cho phép của các quy định. Để đánh giá định kì mức độ phát ô nhiễm của ô tô đã qua sử dụng, người ta áp dụng các quy trình kiểm tra sơ bộ.
Bảng 2.10: Tiêu chuẩn ô nhiễm của ô tô ở chế độ không tải
20
40
60
Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô 23
Quốc gia Loại xe Chất ô nhiễm Giới hạn
Cộng đồng
Châu Âu
Du lịch, vận tải
Mô tô
CO
CO
3,5%
4,5%
Thụy Sĩ
Ô tô tải <0,76t hay khách <9 chỗ
Ô tô tải >0,76t hay khách >9 chỗ
Mô tô
CO
HC
CO
HC
CO
0,5%V
100ppmV
1%V
200ppmV
3,5%V
Hoa Kì Ô tô nhẹ CO
HC
1,2%V
220ppmV
Canada Ô tô nhẹ CO 0,5%
Nhật Bản Ô tô nhẹ
- Động cơ 4 kì
- Động cơ 2 kì
CO
HC
HC
4,5%
1200ppmV
7800ppmV
Hàn Quốc Ô tô nhẹ CO
HC
4,5%V
1200ppmV
Đài Loan Ô tô nhẹ CO
HC
3,5%V
900ppmV
2.6.1. Quy định về kiểm tra sơ bộ mức độ phát ô nhiễm của ô tô
ở các nước phát triển Phần lớn các tiểu bang ở Mĩ đã sử dụng quy trình kiểm tra đơn giản để đánh giá mức độ phát ô nhiễm của ô tô đã qua sử dụng. Quy trình đo được thực hiện ở chế độ không tải với các tiêu chuẩn quy định đối với nồng độ CO, HC và độ mờ của khí xả động cơ Diesel. Định kì hằng năm hay cứ hai năm một lần, tất cả ô tô phải qua kiểm tra ô nhiễm bằng quy trình này. Bảng 2.10 giới thiệu tiêu chuẩn ô nhiễm của ô tô đo ở chế độ không tải ở một số nước. Cộng hòa Liên Bang Đức là nước đi đầu ở Châu Âu về kiểm tra định kì tình hình ô nhiễm của ô tô. Quy trình kiểm tra được thực hiện bằng cách đo nồng độ CO ở chế độ không tải. Tiếp theo là các nước Thụy Sĩ, Áo, Thụy Điển, Hà Lan. Ở Thụy Sĩ, từ năm 1986 trở đi, cứ một năm hay ba năm một lần, ô tô phải qua kiểm tra thành phần CO, CO2 và HC ở chế độ không tải. Ở Áo, từ năm 1985, hằng năm ô tô buộc phải qua kiểm tra HC ở chế độ không tải (<600ppm) và độ mờ của khí xả động cơ Diesel ở chế độ gia tốc tự do. Ở Anh, kiểm tra nồng độ CO ở chế độ không tải bắt buộc đối với ô tô hằng năm. Giới hạn cho phép của CO là 4,5%. Ở Thụy Điển, hằng năm ô tô phải qua kiểm tra định kì. Nồng độ CO ở chế độ không tải phải nhỏ hơn 5,5% và độ khói của khí xả Diesel không được vượt quá 4,5 đơn vị Bosch ở chế độ đầy tải. Thụy điển cũng đề nghị quy trình thử INCOLL, trong đó không cần băng thử ru-lô mà dùng quán tính của các bộ phận quay tự do sau động cơ (bánh đà, ly hợp, các bánh răng của hộp tốc độ...) làm tải khi tăng tốc tự do. Ở Hà Lan, tất cả ô tô đã qua sử dụng quá ba năm đều phải qua kiểm tra ô nhiễm dựa trên việc đo nồng độ CO ở chế độ không tải.
Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô 24
2.6.2. Tiêu chuẩn Việt Nam - Năm 1990, Chính phủ Việt Nam đã ban hành tiêu chuẩn (TCVN 5123-90) quy định về hàm lượng CO trong khí xả động cơ xăng ở chế độ không tải. Tiêu chuẩn này được áp dụng cho tất cả ô tô chạy xăng có khối lượng lớn hơn 400 kg. Hàm lượng CO được đo trực tiếp trong ống xả, cách miệng xả 300mm, ở hai chế độ tốc độ: nmin và 0,6ndm (ndm là tốc độ định mức). Hàm lượng CO không được vượt quá 3,5% ở chế độ nmin và 2,0% ở chế độ 0,6ndm. - Năm 1991, Chính phủ Việt Nam ban hành tiêu chuẩn TCVN 5418-91 quy định về độ khói trong khí xả động cơ Diesel. Tiêu chuẩn này được áp dụng cho tất cả các loại ô tô dùng động cơ Diesel. Độ khói của khí xả đo ở chế độ gia tốc tự do không được vượt quá 40% HSU (động cơ không tăng áp) và 50% HSU (động cơ tăng áp). - Năm 1998, Chính phủ Việt Nam ban hành tiêu chuẩn TCVN 6438-98 quy định lại cụ thể hơn giới hạn cho phép của các chất ô nhiễm trong khí xả của phương tiện vận tải (bảng 2.11).
Bảng 2.11 : Giới hạn tối đa cho phép của thành phần ô nhiễm trong khí thải
của các phương tiện vận tải
Thành phần ô nhiễm
Phương tiện đang sử dụng Phương tiện đăng ký
lần đầu
trong khí thải Phương tiện
động cơ xăng

Chương 3 CƠ CHẾ HÌNH THÀNH NOX TRONG QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT
TRONG3.1. Giới thiệu NOx là tên gọi chung của oxyde nitơ gồm các chất NO, NO2 và N2O hình thành do sự kết hợp giữa oxy và nitơ ở điều kiện nhiệt độ cao. Chất ô nhiễm này ngày càng được quan tâm và trong một số trường hợp, nó là chất ô nhiễm chính làm giới hạn tính năng kỹ thuật của động cơ. Thật vậy, một trong những xu hướng nâng cao tính kinh tế của động cơ ngày nay là áp dụng kỹ thuật chế hòa khí phân lớp cho động cơ làm việc với hỗn hớp nghèo. Trong điều kiện đó, NOx là đối tượng chính của việc xử lý ô nhiễm. Mặt khác, việc xử lý NOx trong điều kiện đó gặp nhiều khó khăn vì bộ xúc tác ba chức năng chỉ hoạt động có hiệu quả khi a = 1. Các giải pháp kỹ thuật khác nhằm hạn chế NOx ngay trong quá trình cháy cũng đã được áp dụng trên động cơ hiện đại: giải pháp hồi lưu khí xả, giải pháp thay đổi thời kỳ trùng điệp của góc độ phối khí. Vì vậy, việc hiểu biết tường tận cơ chế hình thành NOx để tìm biện pháp hạn chế nồng độ của chúng ngay trong quá trình cháy là cần thiết. Mức độ phát sinh ô nhiễm trung bình của quá trình cháy nhiên liệu hydrocarbure như sau: Chất ô nhiễm Lượng phát sinh (g/kg nhiên liệu) NOx 20 CO 200 HC 25 Bồ hóng 2÷5 Đây là số liệu mang tính chất trung bình ở điều kiện cháy của hỗn hợp có hệ số dư lượng không khí a=1. Tuy nhiên trong những điều kiện cháy đặc biệt ở áp suất và nhiệt độ cao với hệ số dư lượng không khí lớn thì tỉ lệ thành phần các chất ô nhiễm cho trong bảng trên đây thay đổi theo hướng gia tăng NOx.
3.2. Tác hại của Oxyde Nitơ
Chương 3: Cơ chế hình thành NOx trong quá trình cháy của động cơ đốt trong 27 Oxyde nitơ có thể phát sinh do các quá trình tự nhiên hay do hoạt động công nghiệp. NOx trong khí quyển do các quá trình tự nhiên sinh ra ước chừng 50.107 tấn. Nó phân bố đều trên mặt địa cầu với nồng độ khoảng 2 ÷ 10µg/m3, gọi là nồng độ nền. NOx do hoạt động của con người tạo ra, tập trung chính ở vùng thành thị và các khu công nghiệp, chiếm khoảng 1/10 lượng NOx trong tự nhiên hiện nay.
3.2.1. Ảnh hưởng của NOx đến sức khỏe con người NOx có thể đi sâu vào phổi con người do ít hòa tan trong nước. Khi vào được trong phổi, 80% lượng NOx bị giữ lại (đối với SO2, cơ quan này chỉ giữ lại khoảng 5%). Trong các chất của NOx, độc tính của NO2 cao hơn rất nhiều lần so với NO. NOx chủ yếu do quá trình cháy gây ra. Ngoài các quá trình cháy công nghiệp và gia dụng, trong sinh hoạt, con người còn chịu đựng ảnh hưởng trực tiếp của NOx do khói thuốc lá gây ra. Tùy theo loại thuốc lá, khi hút một điếu thuốc người hút đã đưa vào phổi từ 100 đến 600µg NOx, trong đó hơn 5% là NO2. Với thuốc lá nâu thông thường, trung bình mỗi điếu sinh ra 350µg NOx . Nếu người hút thuốc hít 8 lần, mỗi lần 2s với dung tích 35ml và khoảng thời gian giữa hai lần hít là 60s, chúng ta tính được nồng độ NOx trung bình là 933ppm theo thể tích trong toàn bộ khói thuốc. Nhưng mỗi lần hít vào, khói thuốc lá hòa tan vào phổi có thể tích 3500ml, nghĩa là đã làm loãng đi 100 lần, nồng độ NOx trung bình trong phổi khoảng 9,3ppm đối với người chủ động hút thuốc lá. Đối với người thụ động chịu ảnh hưởng của thuốc lá (người hít không khí trong không gian bị ô nhiễm bởi khói thuốc lá) ảnh hưởng này nhỏ nhưng cũng đáng kể. Tính trung bình theo số liệu trên đây thì trong một phòng kín có thể tích 50m3, khi người ta hút một gói 20 điếu thuốc, thì nồng độ NOx trong phòng đạt khoảng 0,1ppm do người hút thải ra. Nếu tính luôn phần khói thuốc thoát ra giữa hai lần hít, người ta ước chừng nồng độ NOx trong phòng gấp 2÷5 lần so với nồng độ trên đây, nghĩa là 0,2 ÷ 0,5ppm.
3.2.2. Ảnh hưởng của NOx đến thực vật NOx chỉ ảnh hưởng đến thực vật khi nồng độ của nó đủ lớn. Người ta thấy ở vùng đô thị hóa cao, nồng độ NOx đạt khoảng 3,93ppm, sự quang hợp của thực vật chỉ giảm đi 25%. Thí nghiệm đặt cây dưa leo trong không khí có nồng độ NOx 0,75ppm trong hai tháng cho thấy không bị ảnh hưởng gì. Những thí nghiệm khác được thực hiện trên cà chua và đậu Hà Lan đặt trong môi trường không khí nhân tạo với nồng độ NOx cao hơn 10 lần so với nồng độ của chúng trong không khí khi bị ô nhiễm nặng nhất cho thấy các loại cây này không bị hư hại gì nhưng nồng độ nitơ tổng cộng trong môi trường gia tăng. Các thí nghiệm trên cây cam trồng trong không gian nhà kính với 4 điều kiện môi trường không khí như sau: a. Không khí nguyên thủy nơi làm thí nghiệm b. Không khí được lọc c. Không khí lọc + NO2 với nồng độ môi trường d. Không khí lọc + 2 lần nồng độ NO2 trong môi trường
Chương 3: Cơ chế hình thành NOx trong quá trình cháy của động cơ đốt trong 28 Thí nghiệm được tiến hành bằng cách cân lá rụng và trái cây thu hoạch được trong thời gian cho trước trên một số cành xác định. Người ta thấy rằng lá cây trong điều kiện c có khuynh hướng rụng nhiều hơn cây trong điều kiện b; Lượng lá rụng nhiều nhất trong môi trường không khí d nhưng lượng trái cây thu hoạch được tối ưu nhất trong môi trường c. Những thí nghiệm khác được tiến hành bằng cách đặt cam trong môi trường không khí ô nhiễm nặng hơn, có nồng độ NO2 từ 0,5 đến 1ppm, kéo dài trong 35 ngày cho thấy lá cây bị vàng và rụng nghiêm trọng. Vì vậy thực vật chỉ bị tác hại khi nồng độ NOx đủ lớn và thời gian đủ dài (2÷10ppm; 4÷20µg/m3 trong nhiều ngày). Oxyde nitơ không gây tác hại đến thực vật với nồng độ của chúng hiện nay trong khí quyển. Chỉ có sự tham dự của NOx vào các phản ứng hóa quang mới được xem là nguy hiểm vì NOx tác dụng với một số chất khác có mặt trong không khí trong những điều kiện nhất định tạo ra những chất nguy hiểm đối với thực vật. Chẳng hạn dưới tác dụng của tia cực tím trong môi trường có chứa hydrocarbure, NOx có thể tạo ra những hợp chất nguy hiểm đối với thực vật gấp ngàn lần hơn so với chính bản thân NOx.
3.2.3. Ảnh hưởng đến quang hợp
Hình 3.1: Ảnh hưởng của NO đến Hình 3.2: Ảnh hưởng của NO2 đến
quang hợp quang hợp Khi nồng độ NOx lớn hơn 0,5 ÷ 0,7ppm chúng sẽ làm giảm sự quang hợp. Hình 3.1 và 3.2 cho thấy rằng NO và NO2 làm giảm sự quang hợp với nhiều mức độ khác nhau đối với cùng thời gian tác động. Sự giảm quang hợp đạt đến trạng thái cân bằng đối với NO nhanh hơn đối với NO2 và sau khi môi trường hết ô nhiễm, sự quay trở lại trạng thái ban đầu đối với NO nhanh hơn đối với NO2. Trong những vùng đô thị hóa cao (nồng độ NOx đạt khoảng 3,93ppm), sự quang hợp có thể bị giảm đi 25%.
3.3. Cơ chế hình thành Oxyde Nitơ
3.3.1. Cơ chế hình thành monoxyde nitơ Trong họ NOx thì NO chiếm tỉ lệ lớn nhất. NOx chủ yếu do N2 trong không khí nạp
0 100 200
0
40
80
20
60
100
t(s)
Tỉ lệ gia tăng CO2
9ppm
8ppm
2,5ppm
Ảnh hưởng Phục hồi
0 100 200
0
40
80
20
60
100
t(s)
Tỉ lệ gia tăng CO2
5,8ppm
3,2ppm
1,6ppm
Ảnh hưởng Phục hồi
Chương 3: Cơ chế hình thành NOx trong quá trình cháy của động cơ đốt trong 29 vào động cơ tạo ra. Nhiên liệu xăng hay Diesel chứa rất ít nitơ nên ảnh hưởng của chúng đến nồng độ NOx không đáng kể. Nhiên liệu nặng sử dụng ở động cơ tàu thủy tốc độ thấp có chứa khoảng vài phần nghìn nitơ (tỉ lệ khối lượng) nên có thể phát sinh một lượng nhỏ NOx trong khí xả. Sự hình thành NO do oxy hóa nitơ trong không khí có thể được mô tả bởi cơ chế Zeldovich. Trong điều kiện hệ số dư lượng không khí xấp xỉ 1, những phản ứng chính tạo thành và phân hủy NO là: (3.1) (3.2) (3.3) Phản ứng (3.3) xảy ra khi hỗn hợp rất giàu. NO tạo thành trong màng lửa và trong sản phẩm cháy phía sau màng lửa. Trong động cơ, quá trình cháy diễn ra trong điều kiện áp suất cao, vùng phản ứng rất mỏng (khoảng 0,1mm) và thời gian cháy rất ngắn; thêm vào đó, áp suất trong xilanh tăng trong quá trình cháy, điều này làm nhiệt độ của bộ phận khí cháy trước cao hơn nhiệt độ đạt được ngay sau khi ra khỏi khu vực màng lửa nên đại bộ phận NO hình thành trong khu vực sau màng lửa. Hình 3.3: Sự phụ thuộc nồng độ NO theo nhiệt độ Sự hình thành NO phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt độ (hình 3.3). Hình 3.4 cho thấy mức độ tiến triển của phản ứng: (3.4) Phản ứng tạo NO có tốc độ thấp hơn nhiều so với phản ứng cháy. Nồng độ NO cũng phụ thuộc mạnh vào nồng độ oxy. Vì vậy trong điều kiện nhiệt độ cao và nồng độ O2 lớn thì nồng độ NO trong sản phẩm cháy cũng lớn.
3.3.2. Sự hình thành dioxide nitơ Nồng độ NO2 có thể bỏ qua so với NO nếu tính toán theo nhiệt động học cân bằng trong điều kiện nhiệt độ bình thường của ngọn lửa. Kết quả này có thể áp dụng gần đúng trong trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức. Đối với động cơ Diesel, người ta thấy có đến 30% NOx dưới dạng NO2. Dioxyde nitơ NO2 được hình thành từ monoxyde nitơ NO và các chất trung gian của sản
10 20
0,5
1,0
2500
2800 2600
3000K
t(ms)
X/X
e 2800 v/phút 0 200 400 10 30 2400 2000 1000 pme(kPa) 20
NO2/NO(%) O N NO N + +
→←
2 N O NO O + +
→←
2 N OH NO H + +
→← NO HO NO OH + +
→←
2 2 N O NO
2 2 + → ← 2
Chương 3: Cơ chế hình thành NOx trong quá trình cháy của động cơ đốt trong 30 vật cháy theo phản ứng sau: (3.5)
Hình 3.4: Biến thiên tỉ số NO2/NO theo tải của
động cơ Diesel Trong điều kiện nhiệt độ cao, NO2 tạo thành có thể phân giải theo phản ứng: (3.6) Trong trường hợp NO2 sinh ra trong ngọn lửa bị làm mát ngay bởi môi chất có nhiệt độ thấp thì phản ứng (3.6) bị khống chế, nghĩa là NO2 tiếp tục tồn tại trong sản vật cháy. Vì vậy khi động cơ xăng làm việc kéo dài ở chế độ không tải thì nồng độ NO2 trong khí xả sẽ gia tăng. Tương tự như vậy, khi động cơ Diesel làm việc ở chế độ tải thấp thì phản ứng ngược biến đổi NO2 thành NO cũng bị khống chế bởi các vùng không khí có nhiệt độ thấp. Dioxyde nitơ cũng hình thành trên đường xả khi tốc độ thải thấp và có sự hiện diện của oxy. Hình 3.4 cho thấy biến thiên của tỉ lệ NO2/NOx trên đường xả động cơ Diesel theo chế độ tải. Tỉ lệ này càng cao khi tải càng thấp. NO2 là chất độc khí nhất trong họ NOx vì vậy việc tổ chức tốt quá trình cháy để giảm tốc độ phản ứng tạo thành và tăng tốc độ phản ứng phân giải chất ô nhiễm này có ý nghĩa quan trọng.
3.3.3. Sự hình thành protoxyde nitơ Protoxyde nitơ N2O chủ yếu hình thành từ các chất trung gian NH và NCO khi chúng tác dụng với NO: (3.7) (3.8) N2O chủ yếu được hình thành ở vùng oxy hóa có nồng độ nguyên tử H cao, mà hydrogène là chất tạo ra sự phân hủy mạnh protoxyde nitơ theo phản ứng: (3.9) (3.10) Chính vì vậy N2O chỉ chiếm tỉ lệ rất thấp trong khí xả của động cơ đốt trong (khoảng 3 ÷ 8ppmV).
3.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành Oxyde Nitơ
3.4.1. Trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức Những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến sự hình thành NO là hệ số dư lượng không khí của hỗn hợp, hệ số khí sót và góc đánh lửa sớm. Ảnh hưởng của tính chất nhiên liệu đến nồng độ NO có thể bỏ qua so với ảnh hưởng của các yếu tố này. NO O NO O
2 2 + + → ← NH NO N O H + +
→←
2 NCO NO N O CO + +
→←
2 N O H NH NO
2 + + → ← N O H N OH
2 2 + + → ←
Chương 3: Cơ chế hình thành NOx trong quá trình cháy của động cơ đốt trong 31
1. Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí Hình 3.5 minh họa ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí đến mức độ phát sinh NO. Nhiệt độ cháy đạt giá trị cực đại tương ứng với hệ số dư lượng không khí khoảng 0,9, nghĩa là khi hỗn hợp hơi giàu. Tuy nhiên trong điều kiện đó nồng độ O2 thấp nên nồng độ NO không đạt giá trị lớn nhất. Khi hệ số dư lượng không khí tăng, ảnh hưởng của sự gia tăng áp suất riêng O2 đến nồng độ NO lớn hơn ảnh hưởng của sự giảm nhiệt độ cháy nên NO đạt giá trị cực đại ứng với hệ số dư lượng không khí khoảng 1,1 (hỗn hợp hơi nghèo). Nếu độ đậm đặc của hỗn hợp tiếp tục giảm thì tốc độ của phản ứng tạo thành NO cũng giảm do nhiệt độ cháy thấp. Điều ấy giải thích sự giảm nồng độ NOx khi tăng hệ số dư lượng không khí.
Hình 3.5: Biến thiên nồng độ NO theo
Hệ số dư lượng không khí
2. Ảnh hưởng của hệ số khí sót Trước khi cháy, hỗn hợp trong xi lanh bao gồm không khí, hơi nhiên liệu và khí sót. Khí sót có mặt trong hỗn hợp là do khí cháy của chu trình trước còn sót lại trong xy lanh hay do hồi lưu khí xả. Khi không có sự hồi lưu, lượng khí sót trong xi lanh phụ thuộc vào tải, góc độ phối khí và đặc biệt là khoảng trùng điệp giữa các soupape thải và nạp. Khi khoảng trùng điệp tăng thì lượng khí sót tăng làm giảm nồng độ NO. Mặt khác, lượng khí sót còn phụ thuộc vào chế độ động cơ, độ đậm đặc của hỗn hợp và tỉ số nén. Khí sót giữ vai trò làm bẩn hỗn hợp, do đó làm giảm nhiệt độ cháy dẫn đến sự giảm nồng độ NOx. Tuy nhiên, khi hệ số khí sót gia tăng quá lớn, động cơ sẽ làm việc không ổn định làm giảm tính kinh tế và tăng nồng độ HC. Hình 3.6 trình bày ảnh hưởng của tỉ lệ khí xả hồi lưu đến nồng độ NO ứng với các độ đậm đặc khác nhau của hỗn hợp. Nồng độ các chất ô nhiễm giảm mạnh theo sự gia tăng của tỉ lệ khí xả hồi lưu cho đến khi tỉ lệ này đạt 15 ÷ 20%, đây là tỉ lệ khí sót lớn nhất chấp nhận được đối với động cơ làm việc ở tải cục bộ. Nhiệt độ cháy giảm khi gia tăng lượng khí sót trong hỗn hợp là do sự gia tăng của nhiệt dung riêng môi chất.
0,8 1,0 1,2 1,4
1000
2000
3000
4000
NO(ppm)
50
1000
2000
3000
NO(ppm)
Góc đánh lửa sớm
17
16
A/F=15
40 30 20 10 0
a
10 20
1000
2000
3000 NO(ppm)
EGR(%)
17
16
A/F=15
Chương 3: Cơ chế hình thành NOx trong quá trình cháy của động cơ đốt trong 32
Hình 3.6: Ảnh hưởng của tỉ lệ khí xả
hồi lưu đến nồng độ NO
Hình 3.7: Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm
đến nồng độ NO Sự gia tăng tỉ lệ khí sót vượt quá giới hạn cho phép làm giảm chất lượng quá trình cháy dẫn đến sự cháy không hoàn toàn và động cơ làm việc không ổn định do bỏ lửa. Vì vậy, luợng khí sót tối ưu cần phải cân nhắc giữa sự giảm nồng độ NO và sự gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu. Điều này chỉ có thể thực hiện một cách tự động nhờ hệ thống điều khiển điện tử cho phép điều khiển lượng khí xả hồi lưu tối ưu ứng với mỗi chế độ vận hành của động cơ.
3. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm Góc đánh lửa sớm có ảnh hưởng mạnh đến sự phát sinh NO (hình 3.7). Khi tăng góc đánh lửa sớm, điểm bắt đầu cháy xuất hiện sớm hơn trong chu trình công tác, áp suất cực đại xuất hiện gần ĐCT hơn do đó giá trị của nó cao hơn. Vì vậy, tăng góc đánh lửa sớm cũng làm tăng nhiệt độ cực đại. Mặt khác, vì thời điểm cháy bắt đầu sớm hơn nên thời gian tồn tại của khí cháy ở nhiệt độ cao cũng kéo dài. Hai yếu tố này đều tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành NO. Tóm lại, tăng góc đánh lửa sớm làm tăng nồng độ NO trong khí xả. Trong điều kiện vận hành bình thường của động cơ, giảm góc đánh lửa 10 độ có thể làm giảm nồng độ NO từ 20 ÷ 30% ở cùng áp suất cực đại của động cơ.
3.4.2. Trường hợp động cơ Diesel Khác với động cơ đánh lửa cưỡng bức, do đặc điểm của quá trình tạo hỗn hợp không đồng nhất, quá trình cháy trong động cơ Diesel gồm hai giai đoạn: giai đoạn cháy đồng nhất diễn ra ngay sau kì cháy trễ và giai đoạn cháy khuếch tán. Sự phân bố nhiệt độ và thành phần khí cháy trong không gian buồng cháy là không đồng nhất. Đối với quá trình cháy hòa trộn trước, thành phần hỗn hợp có thể thay đổi trong phạm vi rộng; trong khi đó, đối với quá trình cháy khuếch tán, màng lửa xuất hiện ở những khu vực cục bộ có thành phần hỗn hợp gần với giá trị cháy hoàn toàn lí thuyết. Cũng như trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức, nhiệt độ cực đại là yếu tố ảnh hưởng lớn đến sự hình thành NO trong quá trình cháy của động cơ Diesel. Trong mọi loại động cơ, sản phẩm cháy của bộ phận nhiên liệu cháy trước tiên trong chu trình đóng vai trò quan trọng nhất đối với sự hình thành NO vì sau khi hình thành, bộ phận sản phẩm cháy đó bị nén làm nhiệt độ gia tăng do đó làm tăng nồng độ NO. Mặt khác, do quá trình cháy khuếch tán, trong buồng cháy động cơ Diesel luôn tồn tại những khu vực hay các ‘túi’ không khí có nhiệt độ thấp. Nhờ bộ phận không khí này mà NO hình thành trong buồng cháy động cơ Diesel được làm mát (gọi là sự ‘tôi’ NO) nhanh chóng hơn trong trương hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức và do đó NO ít có khuynh
Chương 3: Cơ chế hình thành NOx trong quá trình cháy của động cơ đốt trong 33 hướng bị phân giải hơn. Các quan sát thực nghiệm cho thấy hầu hết NO được hình thành trong khoảng 200 góc quay trục khuỷu từ lúc bắt đầu cháy. Do đó, khi giảm góc phun sớm, điểm bắt đầu cháy lùi gần ĐCT hơn, điều kiện hình thành NO cũng bắt đầu trễ hơn và nồng độ của nó giảm do nhiệt độ cực đại thấp. Đối với động cơ Diesel cỡ lớn, giảm góc phun sớm có thể làm giảm đến 50% nồng độ NO trong khí xả trong phạm vi gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu chấp nhận được. Đối với động cơ Diesel nói chung, nồng độ NOx tăng theo độ đậm đặc trung bình (hình 3.8). Tuy nhiên nồng độ NOx giảm theo độ đậm đặc chậm hơn trong trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức do sự phân bố không đồng nhất của nhiên liệu. Trong quá trình cháy của động cơ Diesel, độ đậm đặc trung bình phụ thuộc trực tiếp vào lượng nhiên liệu chu trình. Do đó, ở chế độ tải lớn nghĩa là áp suất cực đại cao, nồng độ NO tăng. Ở động cơ Diesel phun gián tiếp, một bộ phận nhỏ NO hình thành trong buồng cháy chính (khoảng 35%) còn phần lớn được hình thành trong buồng cháy dự bị (khoảng 65%). Quá trình cháy trong buồng cháy phụ nói chung diễn ra trong điều kiện độ đậm đặc trung bình rất lớn, trừ trường hợp tải thấp, do đó nồng độ NO trong buồng cháy này cao. Thời gian dành cho sự phân giải NO trong hỗn hợp đậm đặc của buồng cháy dự bị rút ngắn vì ngay sau khi hình thành, nó được chuyển sang buồng cháy chính và ở đó, các phản ứng phân giải NO bị khống chế vì chúng được hòa trộn với không khí có nhiệt độ thấp. Hình 3.8: Ảnh hưởng độ đăm đặc trung
bình đến nồng độ NOx trong động cơ Diesel Hình 3.8 trình bày biến thiên của nồng độ NOx và NO trong khí xả theo độ đậm đặc trung bình đối với động cơ Diesel phun trực tiếp, tốc độ 1000v/phút và góc phun sớm 270 trước ĐTC. Cũng như trong trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức, sự hồi lưu khí xả làm giảm NO do làm giảm nhiệt độ khí cháy. Tuy nhiên, ở động cơ Diesel ảnh hưởng của khí xả hồi lưu đến NO phụ thuộc mạnh vào chế độ tải. Ở chế độ tải cao, khí thải chứa nhiều CO2 và hơi nước, hỗn hợp có nhiệt dung riêng lớn, còn ở chế độ tải thấp, khí hồi lưu chủ yếu là nitơ có nhiệt dung riêng bé. Ở động cơ Diesel tăng áp, sự gia tăng áp suất dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ khí cháy, do đó làm tăng nồng độ NO.

Chương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong4.2.5. Ảnh hưởng của hệ số khí sót
Hình 4.10 trình bày ảnh hưởng của hệ số khí sót xb đến nồng độ CO trong khí xả
động cơ Toyota. Khi tăng hệ số khí sót, nhiệt độ cháy giảm làm giảm tốc độ phản ứng
phân giải CO2 thành CO do đó nồng độ CO trong sản phẩm cháy giảm. Vì vậy, hệ thống
hồi lưu khí xả EGR lắp trên các động cơ hiện đại để khống chế nồng độ NOx đồng thời
cũng góp phần làm giảm nồng độ CO ở chế độ tải thấp.
4.3. Cơ chế hình thành hydrocarbure chưa cháy HC
4.3.1. Sự phát sinh hydrocarbure chưa cháy trong khí xả động đốt trong
Sự phát sinh hydrocarbure chưa cháy HC, hay nói một cách tổng quát hơn, sự hình
thành các sản phẩm hữu cơ, là do quá trình cháy không hoàn toàn hoặc do một bộ phận
hỗn hợp nằm ngoài khu vực lan tràn màng lửa. Điều này xảy ra do sự không đồng nhất của
hỗn hợp hoặc do sự dập tắt màng lửa ở khu vực gần thành hay trong các không gian chết,
nghĩa là ở khu vực có nhiệt độ thấp, khác với sự hình thành CO và NOx diễn ra trong pha
đồng nhất ở những khu vực có nhiệt độ cao.
Hình 4.11: Biến thiên nồng độ một số hydrocarbure
theo góc quay trục khuỷu
HC bao gồm các thành phần hydrocarbure rất khác biệt, có độc tính khác nhau đối
với sức khỏe con người cũng như có tính phản ứng khác nhau trong quá trình biến đổi hóa
học trong bầu khí quyển. Thông thường HC chứa một bộ phận lớn méthane. Thêm vào đó,
chúng còn có các thành phần chứa oxygène có tính phản ứng cao hơn như aldehyde,
cetone, phenol, alcool... Nếu thành phần chứa carbon chỉ chiếm vài phần trăm trong HC
của động cơ đánh lửa cưỡng bức thì aldehyde có thể đạt đến 10% trong HC động cơ
Diesel và trong số aldehyde này, formaldehyde chiếm tới 20% tổng số thành phần chứa
carbon.
Đánh lửa
Mở soupape xả
Đóng soupape xả
C3H8
C2H4
CH4
0 100 200 300 400
1
10
102
103
104
Độ góc quay trục khuỷu sau ĐCT
Nồng độ trong
khí xả
Chương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
47
Những chất còn lại trong hỗn hợp sau khi màng lửa đi qua không phải là nguồn
phát sinh HC chính đo được trên đường xả của động cơ đốt trong. Hình 4.11 biểu diễn sự
biến thiên nồng độ các thành phần hydrocarbure theo góc quay trục khuỷu đo được trên
thành buồng cháy của động cơ một cylindre. Chúng ta thấy rằng, ngay khi màng lửa đi
qua, nồng độ HC đo được thấp hơn HC có mặt trong khí xả. Vào cuối chu trình, nồng độ
HC lại tăng lên. Thật vậy, khi màng lửa đã lan đến khu vực gần thành thì nó bị dập tắt và
chính HC thoát ra từ các vùng không bị cháy đóng vai trò chủ yếu trong việc làm tăng
nồng độ HC.
4.3.2. Cơ chế tôi màng lửa
Tôi màng lửa hay sự dập tắt màng lửa diễn ra khi nó tiếp xúc với thành buồng
cháy. Quá trình tôi màng lửa có thể xảy ra trong những điều kiện khác nhau: màng lửa bị
làm lạnh khi tiếp xúc với thành trong quá trình dịch chuyển hoặc màng lửa bị dập tắt trong
những không gian nhỏ liên thông với buồng cháy, chẳng hạn như khe hở giữa piston và
thành cylindre (hình 4.12).
Hình 4.12: Sự hình thành HC do tôi màng lửa
trên thành buồng cháy
Khi màng lửa bị tôi, nó giải phóng một lớp mỏng hỗn hợp chưa cháy hay cháy
không hoàn toàn trên các bề mặt tiếp xúc (culasse, piston, cylindre, soupape...) hay ở
những không gian chết.
Bề dày của vùng bị tôi phụ thuộc vào những yếu tố khác nhau: nhiệt độ và áp suất
của hỗn hợp khí, tốc độ lan tràn màng lửa, hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, tình trạng bề
mặt của thành buồng cháy, lớp muội than, nhiệt độ thành buồng cháy... Người ta có thể sử
dụng những công thức thực nghiệm để tính kích thước bé nhất của không gian chết để
màng lửa có thể đi qua mà không bị dập tắt.
Quá trình tôi màng lửa diễn ra theo hai giai đoạn: trong giai đoạn đầu, màng lửa bị
tắt khi nhiệt lượng hấp thụ vào thành buồng cháy cân bằng với nhiệt lượng do màng lửa
tỏa ra. Vài giây sau khi tôi, do diễn ra sự khuếch tán hay sự oxy hóa nên nồng độ HC tại
khu vực này nhỏ hơn nồng độ đo được khi tôi. Mặt khác, những hydrocarbure thoát ra
trong quá trình oxy hóa ban đầu do màng lửa bị dập tắt có thể bị oxy hóa trong quá trình
Sản phẩm
cháy
Hỗn hợp
Vùng chưa cháy
màng lửa
bị kẹt
Chương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
48
giãn nở hay thải.
Cuối cùng lớp dầu bôi trơn trên mặt gương cylindre có thể hấp thụ hydrocarbure,
nhất là các hydrocarbure trước khi bén lửa và thải HC ra hỗn hợp cháy trong kì giãn nở.
Quá trình hấp thụ và thải HC như vừa nêu đôi khi là nguồn phát sinh HC quan trọng trong
khí xả động cơ đốt trong.
4.4. Sự phát sinh HC trong quá trình cháy của động cơ
đánh lửa cưỡng bức
Khí xả động cơ xăng thường có chứa từ 1000 đến 3000ppmC, tương ứng với
khoảng từ 1 đến 2,5% lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ. Như đã trình bày trên hình
1.1, nồng độ HC tăng nhanh theo độ đậm đặc của hỗn hợp. Tuy nhiên, khi độ đậm đặc của
hỗn hợp quá thấp, HC cũng tăng do sự bỏ lửa hay do sự cháy không hoàn toàn diễn ra ở
một số chu trình công tác. Sự hình thành HC trong động cơ đánh lửa cưỡng bức có thể
được giải thích theo các cơ chế sau đây (hình 4.13):
- Sự tôi màng lửa khi tiếp xúc với thành tạo ra một lớp hỗn hợp không bị bén lửa
trên mặt thành buồng cháy.
- Hỗn hợp chứa trong các không gian chết không cháy được do màng lửa bị dập
tắt.
- Hơi nhiên liệu hấp thụ vào lớp dầu bôi trơn trên mặt gương cylindre trong giai
đoạn nạp và nén và thải ra trong giai đoạn giãn nở và cháy.
- Sự cháy không hoàn toàn diễn ra ở một số chu trình làm việc của động cơ (cháy
cục bộ hay bỏ lửa) do sự thay đổi độ đậm đặc, thay đổi góc đánh lửa sớm hay hồi lưu khí
xả, đặc biệt khi gia giảm tốc độ.
Mặt khác, muội than trong buồng cháy cũng có thể gây ra sự gia tăng mức độ phát
sinh ô nhiễm do sự thay đổi các cơ chế trên đây. Tất cả những quá trình này (trừ trường
hợp bỏ lửa) làm gia tăng nồng độ HC chưa cháy ở gần thành buồng cháy chứ không phải
trong toàn bộ thể tích buồng cháy. Trong quá trình thải có thể xuất hiện hai đỉnh cực đại
của nồng độ HC: đỉnh thứ nhất tương ứng với đại bộ phận HC sinh ra trong quá trình cháy
chính, đỉnh thứ hai xuất hiện vào cuối kì thải ở thời điểm những bộ phận HC cuối cùng
thoát ra khỏi cylindre trong điều kiện lưu lượng khí xả đã giảm.
Lớp dầu bôi
trơn hấp thụ
HC
Lớp muội than
hấp thụ HC
Hỗn hợp chưa
cháy bị nén
vào không
gian chết
Màng lửa
Hỗn hợp cháy
không hoàn
toàn là nguồn
phát sinh HC
HC trên thành
cylindre bị
kéo theo dòng
khí xả
Lớp muội than
giải phóng HC
NÉN
CHÁY
Chương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
49
Hình 4.13: Sơ đồ các nguồn phát sinh HC
4.4.1. Tôi màng lửa trên thành buồng cháy
Bề dày của lớp bị tôi thay đổi từ 0,05 đến 0,4mm phụ thuộc vào chế độ tải của
động cơ. Khi tải càng thấp thì lớp bị tôi càng dày. Sự hiện diện của aldehyde dạng HCHO
hay CH3CHO trong lớp tôi chứng tỏ rằng khu vực lớp tôi là nơi diễn ra các phản ứng oxy
hóa ở nhiệt độ thấp. Sau khi màng lửa bị dập tắt, những phần tử HC có mặt trong lớp tôi
khuếch tán vào khối khí nhiệt độ cao trong buồng cháy và đại bộ phận bị oxy hóa.
Trạng thái bề mặt của thành buồng cháy cũng ảnh hưởng đến mức độ phát sinh
HC: nồng độ HC có thể giảm đi 14% trong trường hợp thành buồng cháy được đánh bóng
so với trường hợp thành buồng cháy ở dạng đúc thô. Lớp muội than gây ảnh hưởng đến
nồng độ HC tương tự như trường hợp thành buồng cháy nhám.
4.4.2. Ảnh hưởng của các không gian chết
Các không gian này được xem là nguyên nhân chủ yếu phát sinh HC. Các không
gian chết quan trọng nhất là các khe hở giới hạn giữa piston, segment và cylindre (hình
4.15). Những không gian chết khác bao gồm chân ren và không gian quanh cực trung tâm
của bougie, không gian quanh nấm và đế soupape, không gian giới hạn giữa nắp cylindre,
thân máy và đệm culasse. Ở thời điểm gia tăng áp suất trong quá trình nén, hỗn hợp nhiên
liệu-không khí bị đẩy vào các không gian chết. Do tỉ số giữa diện tích bề mặt và thể tích
của các không gian chết lớn nên lượng khí dồn vào đây được làm mát nhanh chóng. Trong
giai đoạn cháy, áp suất tiếp tục tăng và một bộ phận hỗn hợp mới lại được nén vào không
gian chết. Khi màng lửa lan đến các khu vực này, nó có thể lan tràn vào bên trong để đốt
cháy hỗn hợp này hoặc nó bị tôi ngay trước khi vào trong không gian chết. Khả năng
màng lửa bị tôi phụ thuộc vào dạng hình học của lối vào không gian chết, thành phần của
hỗn hợp chưa cháy và trạng thái nhiệt động học của nó. Thực nghiệm cho thấy sự tôi màng
lửa diễn ra khi khe hở giữa piston và cylindre nhỏ hơn 0,18mm. Sau khi màng lửa đến và
Chương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
50
bị tôi, khí cháy lại chui vào không gian chết cho đến khi áp suất bắt đầu giảm. Khi áp suất
trong không gian chết trở nên lớn hơn áp suất trong cylindre, bộ phận khí chứa trong các
không gian này quay trở ngược lại cylindre.
Hình 4.15 thể hiện những không gian chết quan trọng nhất, đó là thể tích bao gồm
giữa piston, segment và thành cylindre. Nó bao gồm một loạt các thể tích nối liền nhau bởi
những khe hẹp như khe hở segment, không gian giới hạn giữa hai segment liên tiếp...
Dạng hình học của các không gian chết này thay đổi khi segment dịch chuyển trong rãnh
để che kín mặt trên hay mặt dưới rãnh segment. Các không gian chết vừa nêu có thể chứa
từ 5 đến 10% hỗn hợp trong cylindre và bộ phận hỗn hợp này không cháy được trong quá
trình cháy chính. Trong giai đoạn giãn nở, khi quay ngược lại cylindre, một bộ phận HC
chứa trong không gian chết bị oxy hóa, phần còn lại (hơn 50%) thoát ra ngoài theo khí xả.
Thực nghiệm cho thấy hơn 80% HC chứa trong sản phẩm cháy do các không gian chết của
nhóm piston-segment-cylindre gây ra; 13% lượng HC do không gian chết của đệm culasse
2% do không gian chết của bougie. Giảm khoảng cách giữa segment thứ nhất so với đỉnh
piston có thể làm giảm nồng độ HC từ 47 đến 74% so với giá trị bình thường tùy theo điều
kiện làm việc của động cơ.
Vị trí của nến đánh lửa cũng ảnh hưởng đến mức độ phát sinh HC; nếu nến đánh
lửa đặt gần các không gian chết thì trong không gian đó có chứa một bộ phận sản phẩm
cháy; ngược lại, nếu nến đánh lửa đặt xa thì không gian chết chứa chủ yếu hỗn hợp khí
chưa cháy. Trong nhiều trường hợp, sự chênh lệch nồng độ HC có thể đạt đến 20%.
Lọt khí carter là lượng khí lọt từ cylindre xuống carter trong quá trình nén và cháy
do sự không kín khít của segment. Lọt khí carter cũng là nguồn phát sinh HC nếu nó được
thải trực tiếp ra khí quyển. Ngày nay, ở hầu hết động cơ ô tô, lượng khí này được dẫn vào
đường nạp để tăng tính kinh tế và giảm mức độ phát sinh HC. Để lượng hỗn hợp chưa
cháy chứa trong các không gian chết không quay ngược lại buồng cháy, trong một số
trường hợp người ta có thể giảm độ kín khít của segment để lượng khí này lọt xuống carter
và bị đốt cháy khi quay vào lại cylindre theo đường nạp.
Hình 4.15: Nguồn phát sinh HC trong động cơ đánh lửa cưỡng bức
Không gian chết
giữa đế và nấm
soupape
Không gian chết
ở chân ren
bougie
Không gian chết
ở đệm culasse
Không gian chết
giữa segment và
rãnh segment
Chương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
51
Vì vậy, việc thiết kế hợp lí buồng cháy, lựa chọn hợp lí dạng piston, segment, đệm
culasse để giảm các không gian chết, lựa chọn vị trí đặt bougie tốt sẽ làm giảm đáng kể
nồng độ HC trong khí xả.
4.4.3. Sự hấp thụ và giải phóng HC ở màng dầu bôi trơn
Pha dầu bôi trơn vào nhiên liệu, như trường hợp động cơ 2 kì, sẽ làm gia tăng mức
độ phát sinh HC. Khi pha thêm 5% dầu bôi trơn vào nhiên liệu thì nồng độ HC trong khí
xả có thể tăng gấp đôi hay gấp ba so với trường hợp động cơ làm việc với nhiên nhiên
không pha dầu bôi trơn.
Cơ chế làm tăng HC khi pha dầu bôi trơn vào nhiên liệu có thể giải thích như sau.
Trong giai đoạn nạp, màng dầu bôi trơn được tráng trên mặt gương cylindre ở trạng thái
bão hòa hơi hydrocarbon ở áp suất nạp. Khi cháy hết nhiên liệu, sự giải phóng hơi nhiên
liệu từ màng dầu bôi trơn vào khí cháy bắt đầu và đồng thời quá trình này tiếp tục trong kì
giãn nở và thải. Trong quá trình đó, một bộ phận hơi này sẽ hòa trộn với khí cháy ở nhiệt
độ cao và bị oxy hóa; một bộ phận khác hòa trộn với hỗn hợp khí cháy nhiệt độ thấp,
không bị oxy hóa, góp phần làm tăng HC. Luợng HC này tăng theo độ hòa tan của nhiên
liệu trong dầu bôi trơn.
Sự hiện diện của muội than trong buồng cháy cũng ảnh hưởng đến sự phát sinh
HC. Thực tế cho thấy HC có khuynh hướng gia tăng theo mức độ tiêu thụ dầu bôi trơn. Vì
vậy, lựa chọn dạng segment dầu hợp lý sẽ làm giảm mức độ tiêu thụ dầu bôi trơn đồng
thời làm giảm mức độ phát sinh HC.
4.4.4. Ảnh hưởng của chất lượng quá trình cháy
Sự dập tắt màng lửa khi nó lan đến gần thành là một trong những nguyên nhân làm
gia tăng HC trong khí xả động cơ. Màng lửa có thể bị tắt khi áp suất và nhiệt độ giảm
xuống nhanh. Hiện tượng này diễn ra ở chế độ không tải hay tải nhỏ và tốc độ thấp với
thành phần khí sót cao. Ngay cả khi động cơ được điều chỉnh tốt ở chế độ làm việc bình
thường, sự dập tắt màng lửa cũng diễn ra ở chế độ quá độ (gia tốc hay giảm tốc).
4.4.5. Ảnh hưởng của lớp muội than
Sự hình thành lớp muội than (oxyde chì đối với động cơ sử dụng nhiên liệu pha chì
hay là lớp than do dầu bôi trơn bị cháy) xuất hiện trong buồng cháy khi ô tô chạy được
khoảng vài ngàn cây số, cũng góp phần làm gia tăng HC.
Cơ chế làm tăng HC do sự hiện diện của muội than khá phức tạp. Sự hấp thụ và
giải phóng HC ở lớp muội than cũng giống như màng dầu. Mặt khác, nếu kích thước ban
đầu của các không gian chết hẹp, lớp bồ hóng làm giảm lượng hỗn hợp khí chưa cháy
chứa trong các không gian này vì vậy làm giảm HC. Ngược lại, nếu các không gian này
nguyên thủy đủ lớn, sự bám bồ hóng làm giảm tiết diện lối vào, tăng khả năng dập tắt
màng lửa do đó làm tăng mức độ phát sinh HC.
Chương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
52
4.4.6. Ảnh hưởng của sự oxy hóa HC trong kì giãn nở và thải
Lượng hydrocarbure không tham gia vào quá trình cháy chính trong thực tế lớn
hơn nhiều so với lượng hydrocarbure đo được trong khí xả động cơ. Thật vậy, sau khi
thoát ra khỏi các không gian chết, nhiên liệu chưa cháy khuếch tán vào khối sản phẩm
cháy ở nhiệt độ cao và tại đây chúng bị oxy hóa một cách nhanh chóng. Sự oxy hóa này
càng thuận lợi khi lượng oxy trong sản vật cháy càng nhiều (hỗn hợp nghèo).
Hydrocarbure ở thể khí bị oxy hóa khi nó tồn tại trong môi trường có nhiệt độ khoảng
600°C (nhiệt độ thông thường của nấm soupape xả) ít nhất là 50ms. Lượng HC thải ra bao
gồm nhiên liệu chưa cháy hết và các sản phẩm cháy không hoàn toàn. Mặt khác, quá trình
oxy hóa cũng tiếp tục diễn ra trên đường xả làm giảm thêm nồng độ HC sau khi chúng
thoát ra khỏi buồng cháy. Vì vậy những điều kiện vận hành của động cơ làm gia tăng nhiệt
độ khí xả (hỗn hợp có độ đậm đặc xấp xỉ 1, động cơ làm việc với tốc độ cao, đánh lửa
muộn, tỉ số nén cao...) và thời gian tồn tại của hỗn hợp trong buồng cháy dài (tải thấp) sẽ
làm gia tăng tỉ lệ HC bị oxy hóa. Giảm góc đánh lửa sớm làm tăng nhiệt độ hỗn hợp khí ở
cuối quá trình giãn nở tạo điều kiện thuận lợi cho việc oxy hóa HC trên đường thải. Về
mặt kỹ thuật, để tăng khả năng oxy hóa HC trên đường thải cần làm giảm tổn thất nhiệt ở
soupape và cổ góp bằng cách gia tăng tiết diện lưu thông và cách nhiệt đoạn đầu đường
thải, chẳng hạn như phủ một lớp vật liệu gốm trên thành ống.
4.5. Trường hợp động cơ Diesel
4.5.1. Đặc điểm phát sinh HC trong quá trình cháy động cơ Diesel
Do nguyên lí làm việc của động cơ Diesel, thời gian lưu lại của nhiên liệu trong
buồng cháy ngắn hơn trong động cơ đánh lửa cưỡng bức nên thời gian dành cho việc hình
thành sản phẩm cháy không hoàn toàn cũng rút ngắn làm giảm thành phần hydrocarbure
cháy không hoàn toàn trong khí xả.
Do nhiên liệu Diesel chứa hydrocarbure có điểm sôi cao, nghĩa là khối lượng phân
tử cao, sự phân hủy nhiệt diễn ra ngay từ lúc phun nhiên liệu. Điều này là tăng tính phức
tạp của thành phần hydrocarbure cháy không hoàn toàn trong khí xả.
Quá trình cháy trong động cơ Diesel là một quá trình phức tạp, trong quá trình đó
diễn ra đồng thời sự bay hơi nhiên liệu và hòa trộn nhiên liệu với không khí và sản phẩm
cháy. Khi độ đậm đặc trung bình của hỗn hợp quá lớn hoặc quá bé đều làm giảm khả năng
tự cháy và lan tràn màng lửa. Trong trường hợp đó nhiên liệu sẽ được tiêu thụ từng phần
trong những phản ứng oxy hóa diễn ra chậm ở giai đoạn giãn nở sau khi hòa trộn thêm
không khí.
Chúng ta có thể chia ra hai khu vực đối với bộ phận nhiên liệu được phun vào
buồng cháy trong giai đoạn cháy trễ: khu vực hỗn hợp quá nghèo do pha trộn với không
khí quá nhanh và khu vực hỗn hợp quá giàu do pha trộn với không khí quá chậm. Trong
trường hợp đó, chủ yếu là khu vực hỗn hợp quá nghèo diễn ra sự cháy không hoàn toàn
Chương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
53
còn khu vực hỗn hợp quá giàu sẽ tiếp tục cháy khi hòa trộn thêm không khí.
Đối với bộ phận nhiên liệu phun sau giai đoạn cháy trễ, sự oxy hóa nhiên liệu hay
các sản phẩm phân hủy nhiệt diễn ra nhanh chóng khi chúng dịch chuyển trong khối khí ở
nhiệt độ cao. Tuy nhiên sự hòa trộn không đồng đều có thể làm cho hỗn hợp quá giàu cục
bộ hay dẫn đến sự làm mát đột ngột làm tắt màng lửa, sinh ra các sản phẩm cháy không
hoàn toàn trong khí xả.
Mức độ phát sinh HC trong động cơ Diesel phụ thuộc nhiều vào điều kiện vận
hành; ở chế độ không tải hay tải thấp, nồng độ HC cao hơn ở chế độ đầy tải. Thêm vào đó,
khi thay đổi tải đột ngột có thể gây ra sự thay đổi mạnh các điều kiện cháy dẫn đến sự gia
tăng HC do những chu trình bỏ lửa.
Cuối cùng, khác với động cơ đánh lửa cưỡng bức, không gian chết trong động cơ
Diesel không gây ảnh hưởng quan trọng đến nồng độ HC trong khí xả vì trong quá trình
nén và giai đoạn đầu của quá trình cháy, các không gian chết chỉ chứa không khí và khí
sót. Ảnh hưởng của lớp dầu bôi trơn trên mặt gương cylindre, ảnh hưởng của lớp muội
than trên thành buồng cháy cũng như ảnh hưởng của sự tôi màng lửa đối với sự hình thành
HC trong động cơ Diesel cũng không đáng kể so với trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng
bức.
4.5.2. Phát sinh HC trong trường hợp hỗn hợp quá nghèo
Sự phân bố không đồng đều nhiên liệu trong cylindre ngay lúc bắt đầu phun được
giới thiệu trên hình 4.16. Trong dòng xoáy lốc, sự tự cháy diễn ra trong khu vực có độ
đậm đặc hơi thấp hơn 1. Bộ phận nhiên liệu ở ngoài rìa tia nằm ngoài giới hạn dưới của sự
tự bén lửa do đó chúng không thể tự cháy cũng không thể duy trì màng lửa. Khu vực đó
chỉ có thể là vị trí sản sinh các phản ứng chậm dẫn đến sản phẩm cháy không hoàn toàn.
Do đó trong vùng này có mặt nhiên liệu chưa cháy hết, những sản vật phân giải từ nhiên
liệu, những sản phẩm oxy hóa cục bộ (CO, aldehyde và những oxyde khác) và một bộ
phận của những sản phẩm này có mặt trong khí xả. Tầm quan trọng của những
hydrocarbure chưa cháy từ những khu vực nghèo này phụ thuộc vào lượng nhiên liệu phun
vào động cơ trong thời kì cháy trễ, phụ thuộc vào tỉ lệ không khí kéo theo vào tia trong
giai đoạn này và những điều kiện lí hóa ảnh hưởng đến sự tự cháy trong cylindre.
Vòi phun
Không khí
xoáy lốc
Giới hạn tia
nhiên liệu
Điểm đánh
lửa
HC trong vùng
hỗn hợp quá
nghèo
f >1
f = 0
f = fL
f =1
Chương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
54
Hình 4.16: Phân bố độ đậm đặc trong tia phun Diesel
Vì vậy nồng độ HC trong khí xả và độ dài của giai đoạn cháy trễ có quan hệ mật
thiết với nhau, hay nói cách khác mức độ phát sinh HC có liên quan đến chỉ số cetane của
nhiên liệu. Những thay đổi điều kiện vận hành của động cơ làm kéo dài thời kì cháy trễ sẽ
làm gia tăng nồng độ HC.
4.5.3. Phát sinh HC trong trường hợp hỗn hợp quá giàu
Có hai nguyên nhân dẫn đến sự phát sinh HC do hỗn hợp quá giàu. Nguyên nhân
thứ nhất do nhiên liệu rời khỏi vòi phun với tốc độ thấp và thời gian phun kéo dài. Nguồn
phát sinh HC chính trong trường hợp này là không gian chết ở mũi vòi phun và sự phun
rớt do sự đóng kim phun không dứt khoát. Nguyên nhân thứ hai là do sự thừa nhiên liệu
trong buồng cháy do hỗn hợp quá đậm.
Vào cuối giai đoạn phun, lỗ phun (không gian chết) ở mũi vòi phun chứa đầy nhiên
liệu. Trong giai đoạn cháy và giãn nở, nhiên liệu được sấy nóng và một bộ phận bốc hơi
thoát ra khỏi lỗ phun (ở pha lỏng và hơi) và đi vào cylindre với tốc độ thấp và hòa trộn
chậm với không khí, do đó chúng không bị đốt cháy trong giai đoạn cháy chính. Ở động
cơ phun trực tiếp, thời gian của giai đoạn cháy trễ bé, mức độ phát sinh HC tỉ lệ với thể
tích không gian chết ở mũi vòi phun. Tuy nhiên, không phải toàn bộ thể tích nhiên liệu
chứa trong không gian chết đều có mặt trong khí xả. Ví dụ 1mm3 không gian chết trong
buồng cháy động cơ phát sinh khoảng 350ppmC trong khí xả, trong khi đó 1mm3 nhiên
liệu cho 1660ppmC. Sự chênh lệch này là do một bộ phận hydrocarbure nặng tiếp tục lưu
lại trong vòi phun và một bộ phận hydrocarbure nhẹ bị oxy hóa khi thoát ra khỏi không
gian chết. Trong động cơ có buồng cháy dự bị cơ chế này cũng diễn ra tương tự nhưng với
mức độ thấp hơn.
Ở động cơ phun trực tiếp, hiện tượng nhả khói đen làm giới hạn khả năng tăng độ
đậm đặc trung bình của hỗn hợp ở chế độ toàn tải. Ở chế độ tải thấp, tốc độ phun bé và
lượng nhiên liệu phun vào nhỏ, do đó động lượng của tia phun bé làm giảm lượng không
khí kéo theo vào tia nên độ đậm đặc cục bộ rất cao. Trong điều kiện quá độ khi gia tốc,
hỗn hợp trong buồng cháy có thể rất đậm đặc. Trong trường hợp đó, dù tỉ lệ nhiên liệukhông khí tổng quát trong toàn buồng cháy thấp nhưng độ đậm đặc cục bộ rất cao trong
giai đoạn giãn nở và thải. Khi độ đậm đặc cục bộ vượt quá 0,9 thì nồng độ HC sẽ gia tăng
đột ngột. Ảnh hưởng tương tự như vậy cũng diễn ra trong động cơ có buồng cháy dự bị.
Tuy nhiên cơ chế này chỉ gây ảnh hưởng đến nồng độ HC khi gia tốc và nó gây ảnh hưởng
đến nồng độ HC ít hơn khi hỗn hợp nghèo ở chế độ không tải hay tải thấp.
4.5.4. Phát sinh HC do tôi ngọn lửa và hỗn hợp không tự bốc cháy
Như động cơ đánh lửa cưỡng bức, sự tôi ngọn lửa diễn ra gần thành và đó chính là
nguồn phát sinh HC. Hiện tượng này phụ thuộc đặc biệt vào khu vực va chạm giữa tia
Chương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
55
nhiên liệu và thành buồng cháy. Sự bỏ lửa dẫn đến sự gia tăng mạnh nồng độ HC hiếm khi
xảy ra đối với động cơ làm việc bình thường. Nó chỉ diễn ra khi động cơ có tỉ số nén thấp
và phun trễ. Mặt khác, sự bỏ lửa cũng xảy ra khi khởi động động cơ Diesel ở trạng thái
nguội với sự hình thành khói trắng (chủ yếu là do những hạt nhiên liệu không cháy tạoChương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
46
4.2.5. Ảnh hưởng của hệ số khí sót
Hình 4.10 trình bày ảnh hưởng của hệ số khí sót xb đến nồng độ CO trong khí xả
động cơ Toyota. Khi tăng hệ số khí sót, nhiệt độ cháy giảm làm giảm tốc độ phản ứng
phân giải CO2 thành CO do đó nồng độ CO trong sản phẩm cháy giảm. Vì vậy, hệ thống
hồi lưu khí xả EGR lắp trên các động cơ hiện đại để khống chế nồng độ NOx đồng thời
cũng góp phần làm giảm nồng độ CO ở chế độ tải thấp.
4.3. Cơ chế hình thành hydrocarbure chưa cháy HC
4.3.1. Sự phát sinh hydrocarbure chưa cháy trong khí xả động đốt trong
Sự phát sinh hydrocarbure chưa cháy HC, hay nói một cách tổng quát hơn, sự hình
thành các sản phẩm hữu cơ, là do quá trình cháy không hoàn toàn hoặc do một bộ phận
hỗn hợp nằm ngoài khu vực lan tràn màng lửa. Điều này xảy ra do sự không đồng nhất của
hỗn hợp hoặc do sự dập tắt màng lửa ở khu vực gần thành hay trong các không gian chết,
nghĩa là ở khu vực có nhiệt độ thấp, khác với sự hình thành CO và NOx diễn ra trong pha
đồng nhất ở những khu vực có nhiệt độ cao.
Hình 4.11: Biến thiên nồng độ một số hydrocarbure
theo góc quay trục khuỷu
HC bao gồm các thành phần hydrocarbure rất khác biệt, có độc tính khác nhau đối
với sức khỏe con người cũng như có tính phản ứng khác nhau trong quá trình biến đổi hóa
học trong bầu khí quyển. Thông thường HC chứa một bộ phận lớn méthane. Thêm vào đó,
chúng còn có các thành phần chứa oxygène có tính phản ứng cao hơn như aldehyde,
cetone, phenol, alcool... Nếu thành phần chứa carbon chỉ chiếm vài phần trăm trong HC
của động cơ đánh lửa cưỡng bức thì aldehyde có thể đạt đến 10% trong HC động cơ
Diesel và trong số aldehyde này, formaldehyde chiếm tới 20% tổng số thành phần chứa
carbon.
Đánh lửa
Mở soupape xả
Đóng soupape xả
C3H8
C2H4
CH4
0 100 200 300 400
1
10
102
103
104
Độ góc quay trục khuỷu sau ĐCT
Nồng độ trong
khí xả
Chương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
47
Những chất còn lại trong hỗn hợp sau khi màng lửa đi qua không phải là nguồn
phát sinh HC chính đo được trên đường xả của động cơ đốt trong. Hình 4.11 biểu diễn sự
biến thiên nồng độ các thành phần hydrocarbure theo góc quay trục khuỷu đo được trên
thành buồng cháy của động cơ một cylindre. Chúng ta thấy rằng, ngay khi màng lửa đi
qua, nồng độ HC đo được thấp hơn HC có mặt trong khí xả. Vào cuối chu trình, nồng độ
HC lại tăng lên. Thật vậy, khi màng lửa đã lan đến khu vực gần thành thì nó bị dập tắt và
chính HC thoát ra từ các vùng không bị cháy đóng vai trò chủ yếu trong việc làm tăng
nồng độ HC.
4.3.2. Cơ chế tôi màng lửa
Tôi màng lửa hay sự dập tắt màng lửa diễn ra khi nó tiếp xúc với thành buồng
cháy. Quá trình tôi màng lửa có thể xảy ra trong những điều kiện khác nhau: màng lửa bị
làm lạnh khi tiếp xúc với thành trong quá trình dịch chuyển hoặc màng lửa bị dập tắt trong
những không gian nhỏ liên thông với buồng cháy, chẳng hạn như khe hở giữa piston và
thành cylindre (hình 4.12).
Hình 4.12: Sự hình thành HC do tôi màng lửa
trên thành buồng cháy
Khi màng lửa bị tôi, nó giải phóng một lớp mỏng hỗn hợp chưa cháy hay cháy
không hoàn toàn trên các bề mặt tiếp xúc (culasse, piston, cylindre, soupape...) hay ở
những không gian chết.
Bề dày của vùng bị tôi phụ thuộc vào những yếu tố khác nhau: nhiệt độ và áp suất
của hỗn hợp khí, tốc độ lan tràn màng lửa, hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, tình trạng bề
mặt của thành buồng cháy, lớp muội than, nhiệt độ thành buồng cháy... Người ta có thể sử
dụng những công thức thực nghiệm để tính kích thước bé nhất của không gian chết để
màng lửa có thể đi qua mà không bị dập tắt.
Quá trình tôi màng lửa diễn ra theo hai giai đoạn: trong giai đoạn đầu, màng lửa bị
tắt khi nhiệt lượng hấp thụ vào thành buồng cháy cân bằng với nhiệt lượng do màng lửa
tỏa ra. Vài giây sau khi tôi, do diễn ra sự khuếch tán hay sự oxy hóa nên nồng độ HC tại
khu vực này nhỏ hơn nồng độ đo được khi tôi. Mặt khác, những hydrocarbure thoát ra
trong quá trình oxy hóa ban đầu do màng lửa bị dập tắt có thể bị oxy hóa trong quá trình
Sản phẩm
cháy
Hỗn hợp
Vùng chưa cháy
màng lửa
bị kẹt
Chương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
48
giãn nở hay thải.
Cuối cùng lớp dầu bôi trơn trên mặt gương cylindre có thể hấp thụ hydrocarbure,
nhất là các hydrocarbure trước khi bén lửa và thải HC ra hỗn hợp cháy trong kì giãn nở.
Quá trình hấp thụ và thải HC như vừa nêu đôi khi là nguồn phát sinh HC quan trọng trong
khí xả động cơ đốt trong.
4.4. Sự phát sinh HC trong quá trình cháy của động cơ
đánh lửa cưỡng bức
Khí xả động cơ xăng thường có chứa từ 1000 đến 3000ppmC, tương ứng với
khoảng từ 1 đến 2,5% lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ. Như đã trình bày trên hình
1.1, nồng độ HC tăng nhanh theo độ đậm đặc của hỗn hợp. Tuy nhiên, khi độ đậm đặc của
hỗn hợp quá thấp, HC cũng tăng do sự bỏ lửa hay do sự cháy không hoàn toàn diễn ra ở
một số chu trình công tác. Sự hình thành HC trong động cơ đánh lửa cưỡng bức có thể
được giải thích theo các cơ chế sau đây (hình 4.13):
- Sự tôi màng lửa khi tiếp xúc với thành tạo ra một lớp hỗn hợp không bị bén lửa
trên mặt thành buồng cháy.
- Hỗn hợp chứa trong các không gian chết không cháy được do màng lửa bị dập
tắt.
- Hơi nhiên liệu hấp thụ vào lớp dầu bôi trơn trên mặt gương cylindre trong giai
đoạn nạp và nén và thải ra trong giai đoạn giãn nở và cháy.
- Sự cháy không hoàn toàn diễn ra ở một số chu trình làm việc của động cơ (cháy
cục bộ hay bỏ lửa) do sự thay đổi độ đậm đặc, thay đổi góc đánh lửa sớm hay hồi lưu khí
xả, đặc biệt khi gia giảm tốc độ.
Mặt khác, muội than trong buồng cháy cũng có thể gây ra sự gia tăng mức độ phát
sinh ô nhiễm do sự thay đổi các cơ chế trên đây. Tất cả những quá trình này (trừ trường
hợp bỏ lửa) làm gia tăng nồng độ HC chưa cháy ở gần thành buồng cháy chứ không phải
trong toàn bộ thể tích buồng cháy. Trong quá trình thải có thể xuất hiện hai đỉnh cực đại
của nồng độ HC: đỉnh thứ nhất tương ứng với đại bộ phận HC sinh ra trong quá trình cháy
chính, đỉnh thứ hai xuất hiện vào cuối kì thải ở thời điểm những bộ phận HC cuối cùng
thoát ra khỏi cylindre trong điều kiện lưu lượng khí xả đã giảm.
Lớp dầu bôi
trơn hấp thụ
HC
Lớp muội than
hấp thụ HC
Hỗn hợp chưa
cháy bị nén
vào không
gian chết
Màng lửa
Hỗn hợp cháy
không hoàn
toàn là nguồn
phát sinh HC
HC trên thành
cylindre bị
kéo theo dòng
khí xả
Lớp muội than
giải phóng HC
NÉN
CHÁY
Chương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
49
Hình 4.13: Sơ đồ các nguồn phát sinh HC
4.4.1. Tôi màng lửa trên thành buồng cháy
Bề dày của lớp bị tôi thay đổi từ 0,05 đến 0,4mm phụ thuộc vào chế độ tải của
động cơ. Khi tải càng thấp thì lớp bị tôi càng dày. Sự hiện diện của aldehyde dạng HCHO
hay CH3CHO trong lớp tôi chứng tỏ rằng khu vực lớp tôi là nơi diễn ra các phản ứng oxy
hóa ở nhiệt độ thấp. Sau khi màng lửa bị dập tắt, những phần tử HC có mặt trong lớp tôi
khuếch tán vào khối khí nhiệt độ cao trong buồng cháy và đại bộ phận bị oxy hóa.
Trạng thái bề mặt của thành buồng cháy cũng ảnh hưởng đến mức độ phát sinh
HC: nồng độ HC có thể giảm đi 14% trong trường hợp thành buồng cháy được đánh bóng
so với trường hợp thành buồng cháy ở dạng đúc thô. Lớp muội than gây ảnh hưởng đến
nồng độ HC tương tự như trường hợp thành buồng cháy nhám.
4.4.2. Ảnh hưởng của các không gian chết
Các không gian này được xem là nguyên nhân chủ yếu phát sinh HC. Các không
gian chết quan trọng nhất là các khe hở giới hạn giữa piston, segment và cylindre (hình
4.15). Những không gian chết khác bao gồm chân ren và không gian quanh cực trung tâm
của bougie, không gian quanh nấm và đế soupape, không gian giới hạn giữa nắp cylindre,
thân máy và đệm culasse. Ở thời điểm gia tăng áp suất trong quá trình nén, hỗn hợp nhiên
liệu-không khí bị đẩy vào các không gian chết. Do tỉ số giữa diện tích bề mặt và thể tích
của các không gian chết lớn nên lượng khí dồn vào đây được làm mát nhanh chóng. Trong
giai đoạn cháy, áp suất tiếp tục tăng và một bộ phận hỗn hợp mới lại được nén vào không
gian chết. Khi màng lửa lan đến các khu vực này, nó có thể lan tràn vào bên trong để đốt
cháy hỗn hợp này hoặc nó bị tôi ngay trước khi vào trong không gian chết. Khả năng
màng lửa bị tôi phụ thuộc vào dạng hình học của lối vào không gian chết, thành phần của
hỗn hợp chưa cháy và trạng thái nhiệt động học của nó. Thực nghiệm cho thấy sự tôi màng
lửa diễn ra khi khe hở giữa piston và cylindre nhỏ hơn 0,18mm. Sau khi màng lửa đến và
Chương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
50
bị tôi, khí cháy lại chui vào không gian chết cho đến khi áp suất bắt đầu giảm. Khi áp suất
trong không gian chết trở nên lớn hơn áp suất trong cylindre, bộ phận khí chứa trong các
không gian này quay trở ngược lại cylindre.
Hình 4.15 thể hiện những không gian chết quan trọng nhất, đó là thể tích bao gồm
giữa piston, segment và thành cylindre. Nó bao gồm một loạt các thể tích nối liền nhau bởi
những khe hẹp như khe hở segment, không gian giới hạn giữa hai segment liên tiếp...
Dạng hình học của các không gian chết này thay đổi khi segment dịch chuyển trong rãnh
để che kín mặt trên hay mặt dưới rãnh segment. Các không gian chết vừa nêu có thể chứa
từ 5 đến 10% hỗn hợp trong cylindre và bộ phận hỗn hợp này không cháy được trong quá
trình cháy chính. Trong giai đoạn giãn nở, khi quay ngược lại cylindre, một bộ phận HC
chứa trong không gian chết bị oxy hóa, phần còn lại (hơn 50%) thoát ra ngoài theo khí xả.
Thực nghiệm cho thấy hơn 80% HC chứa trong sản phẩm cháy do các không gian chết của
nhóm piston-segment-cylindre gây ra; 13% lượng HC do không gian chết của đệm culasse
2% do không gian chết của bougie. Giảm khoảng cách giữa segment thứ nhất so với đỉnh
piston có thể làm giảm nồng độ HC từ 47 đến 74% so với giá trị bình thường tùy theo điều
kiện làm việc của động cơ.
Vị trí của nến đánh lửa cũng ảnh hưởng đến mức độ phát sinh HC; nếu nến đánh
lửa đặt gần các không gian chết thì trong không gian đó có chứa một bộ phận sản phẩm
cháy; ngược lại, nếu nến đánh lửa đặt xa thì không gian chết chứa chủ yếu hỗn hợp khí
chưa cháy. Trong nhiều trường hợp, sự chênh lệch nồng độ HC có thể đạt đến 20%.
Lọt khí carter là lượng khí lọt từ cylindre xuống carter trong quá trình nén và cháy
do sự không kín khít của segment. Lọt khí carter cũng là nguồn phát sinh HC nếu nó được
thải trực tiếp ra khí quyển. Ngày nay, ở hầu hết động cơ ô tô, lượng khí này được dẫn vào
đường nạp để tăng tính kinh tế và giảm mức độ phát sinh HC. Để lượng hỗn hợp chưa
cháy chứa trong các không gian chết không quay ngược lại buồng cháy, trong một số
trường hợp người ta có thể giảm độ kín khít của segment để lượng khí này lọt xuống carter
và bị đốt cháy khi quay vào lại cylindre theo đường nạp.
Hình 4.15: Nguồn phát sinh HC trong động cơ đánh lửa cưỡng bức
Không gian chết
giữa đế và nấm
soupape
Không gian chết
ở chân ren
bougie
Không gian chết
ở đệm culasse
Không gian chết
giữa segment và
rãnh segment
Chương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
51
Vì vậy, việc thiết kế hợp lí buồng cháy, lựa chọn hợp lí dạng piston, segment, đệm
culasse để giảm các không gian chết, lựa chọn vị trí đặt bougie tốt sẽ làm giảm đáng kể
nồng độ HC trong khí xả.
4.4.3. Sự hấp thụ và giải phóng HC ở màng dầu bôi trơn
Pha dầu bôi trơn vào nhiên liệu, như trường hợp động cơ 2 kì, sẽ làm gia tăng mức
độ phát sinh HC. Khi pha thêm 5% dầu bôi trơn vào nhiên liệu thì nồng độ HC trong khí
xả có thể tăng gấp đôi hay gấp ba so với trường hợp động cơ làm việc với nhiên nhiên
không pha dầu bôi trơn.
Cơ chế làm tăng HC khi pha dầu bôi trơn vào nhiên liệu có thể giải thích như sau.
Trong giai đoạn nạp, màng dầu bôi trơn được tráng trên mặt gương cylindre ở trạng thái
bão hòa hơi hydrocarbon ở áp suất nạp. Khi cháy hết nhiên liệu, sự giải phóng hơi nhiên
liệu từ màng dầu bôi trơn vào khí cháy bắt đầu và đồng thời quá trình này tiếp tục trong kì
giãn nở và thải. Trong quá trình đó, một bộ phận hơi này sẽ hòa trộn với khí cháy ở nhiệt
độ cao và bị oxy hóa; một bộ phận khác hòa trộn với hỗn hợp khí cháy nhiệt độ thấp,
không bị oxy hóa, góp phần làm tăng HC. Luợng HC này tăng theo độ hòa tan của nhiên
liệu trong dầu bôi trơn.
Sự hiện diện của muội than trong buồng cháy cũng ảnh hưởng đến sự phát sinh
HC. Thực tế cho thấy HC có khuynh hướng gia tăng theo mức độ tiêu thụ dầu bôi trơn. Vì
vậy, lựa chọn dạng segment dầu hợp lý sẽ làm giảm mức độ tiêu thụ dầu bôi trơn đồng
thời làm giảm mức độ phát sinh HC.
4.4.4. Ảnh hưởng của chất lượng quá trình cháy
Sự dập tắt màng lửa khi nó lan đến gần thành là một trong những nguyên nhân làm
gia tăng HC trong khí xả động cơ. Màng lửa có thể bị tắt khi áp suất và nhiệt độ giảm
xuống nhanh. Hiện tượng này diễn ra ở chế độ không tải hay tải nhỏ và tốc độ thấp với
thành phần khí sót cao. Ngay cả khi động cơ được điều chỉnh tốt ở chế độ làm việc bình
thường, sự dập tắt màng lửa cũng diễn ra ở chế độ quá độ (gia tốc hay giảm tốc).
4.4.5. Ảnh hưởng của lớp muội than
Sự hình thành lớp muội than (oxyde chì đối với động cơ sử dụng nhiên liệu pha chì
hay là lớp than do dầu bôi trơn bị cháy) xuất hiện trong buồng cháy khi ô tô chạy được
khoảng vài ngàn cây số, cũng góp phần làm gia tăng HC.
Cơ chế làm tăng HC do sự hiện diện của muội than khá phức tạp. Sự hấp thụ và
giải phóng HC ở lớp muội than cũng giống như màng dầu. Mặt khác, nếu kích thước ban
đầu của các không gian chết hẹp, lớp bồ hóng làm giảm lượng hỗn hợp khí chưa cháy
chứa trong các không gian này vì vậy làm giảm HC. Ngược lại, nếu các không gian này
nguyên thủy đủ lớn, sự bám bồ hóng làm giảm tiết diện lối vào, tăng khả năng dập tắt
màng lửa do đó làm tăng mức độ phát sinh HC.
Chương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
52
4.4.6. Ảnh hưởng của sự oxy hóa HC trong kì giãn nở và thải
Lượng hydrocarbure không tham gia vào quá trình cháy chính trong thực tế lớn
hơn nhiều so với lượng hydrocarbure đo được trong khí xả động cơ. Thật vậy, sau khi
thoát ra khỏi các không gian chết, nhiên liệu chưa cháy khuếch tán vào khối sản phẩm
cháy ở nhiệt độ cao và tại đây chúng bị oxy hóa một cách nhanh chóng. Sự oxy hóa này
càng thuận lợi khi lượng oxy trong sản vật cháy càng nhiều (hỗn hợp nghèo).
Hydrocarbure ở thể khí bị oxy hóa khi nó tồn tại trong môi trường có nhiệt độ khoảng
600°C (nhiệt độ thông thường của nấm soupape xả) ít nhất là 50ms. Lượng HC thải ra bao
gồm nhiên liệu chưa cháy hết và các sản phẩm cháy không hoàn toàn. Mặt khác, quá trình
oxy hóa cũng tiếp tục diễn ra trên đường xả làm giảm thêm nồng độ HC sau khi chúng
thoát ra khỏi buồng cháy. Vì vậy những điều kiện vận hành của động cơ làm gia tăng nhiệt
độ khí xả (hỗn hợp có độ đậm đặc xấp xỉ 1, động cơ làm việc với tốc độ cao, đánh lửa
muộn, tỉ số nén cao...) và thời gian tồn tại của hỗn hợp trong buồng cháy dài (tải thấp) sẽ
làm gia tăng tỉ lệ HC bị oxy hóa. Giảm góc đánh lửa sớm làm tăng nhiệt độ hỗn hợp khí ở
cuối quá trình giãn nở tạo điều kiện thuận lợi cho việc oxy hóa HC trên đường thải. Về
mặt kỹ thuật, để tăng khả năng oxy hóa HC trên đường thải cần làm giảm tổn thất nhiệt ở
soupape và cổ góp bằng cách gia tăng tiết diện lưu thông và cách nhiệt đoạn đầu đường
thải, chẳng hạn như phủ một lớp vật liệu gốm trên thành ống.
4.5. Trường hợp động cơ Diesel
4.5.1. Đặc điểm phát sinh HC trong quá trình cháy động cơ Diesel
Do nguyên lí làm việc của động cơ Diesel, thời gian lưu lại của nhiên liệu trong
buồng cháy ngắn hơn trong động cơ đánh lửa cưỡng bức nên thời gian dành cho việc hình
thành sản phẩm cháy không hoàn toàn cũng rút ngắn làm giảm thành phần hydrocarbure
cháy không hoàn toàn trong khí xả.
Do nhiên liệu Diesel chứa hydrocarbure có điểm sôi cao, nghĩa là khối lượng phân
tử cao, sự phân hủy nhiệt diễn ra ngay từ lúc phun nhiên liệu. Điều này là tăng tính phức
tạp của thành phần hydrocarbure cháy không hoàn toàn trong khí xả.
Quá trình cháy trong động cơ Diesel là một quá trình phức tạp, trong quá trình đó
diễn ra đồng thời sự bay hơi nhiên liệu và hòa trộn nhiên liệu với không khí và sản phẩm
cháy. Khi độ đậm đặc trung bình của hỗn hợp quá lớn hoặc quá bé đều làm giảm khả năng
tự cháy và lan tràn màng lửa. Trong trường hợp đó nhiên liệu sẽ được tiêu thụ từng phần
trong những phản ứng oxy hóa diễn ra chậm ở giai đoạn giãn nở sau khi hòa trộn thêm
không khí.
Chúng ta có thể chia ra hai khu vực đối với bộ phận nhiên liệu được phun vào
buồng cháy trong giai đoạn cháy trễ: khu vực hỗn hợp quá nghèo do pha trộn với không
khí quá nhanh và khu vực hỗn hợp quá giàu do pha trộn với không khí quá chậm. Trong
trường hợp đó, chủ yếu là khu vực hỗn hợp quá nghèo diễn ra sự cháy không hoàn toàn
Chương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
53
còn khu vực hỗn hợp quá giàu sẽ tiếp tục cháy khi hòa trộn thêm không khí.
Đối với bộ phận nhiên liệu phun sau giai đoạn cháy trễ, sự oxy hóa nhiên liệu hay
các sản phẩm phân hủy nhiệt diễn ra nhanh chóng khi chúng dịch chuyển trong khối khí ở
nhiệt độ cao. Tuy nhiên sự hòa trộn không đồng đều có thể làm cho hỗn hợp quá giàu cục
bộ hay dẫn đến sự làm mát đột ngột làm tắt màng lửa, sinh ra các sản phẩm cháy không
hoàn toàn trong khí xả.
Mức độ phát sinh HC trong động cơ Diesel phụ thuộc nhiều vào điều kiện vận
hành; ở chế độ không tải hay tải thấp, nồng độ HC cao hơn ở chế độ đầy tải. Thêm vào đó,
khi thay đổi tải đột ngột có thể gây ra sự thay đổi mạnh các điều kiện cháy dẫn đến sự gia
tăng HC do những chu trình bỏ lửa.
Cuối cùng, khác với động cơ đánh lửa cưỡng bức, không gian chết trong động cơ
Diesel không gây ảnh hưởng quan trọng đến nồng độ HC trong khí xả vì trong quá trình
nén và giai đoạn đầu của quá trình cháy, các không gian chết chỉ chứa không khí và khí
sót. Ảnh hưởng của lớp dầu bôi trơn trên mặt gương cylindre, ảnh hưởng của lớp muội
than trên thành buồng cháy cũng như ảnh hưởng của sự tôi màng lửa đối với sự hình thành
HC trong động cơ Diesel cũng không đáng kể so với trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng
bức.
4.5.2. Phát sinh HC trong trường hợp hỗn hợp quá nghèo
Sự phân bố không đồng đều nhiên liệu trong cylindre ngay lúc bắt đầu phun được
giới thiệu trên hình 4.16. Trong dòng xoáy lốc, sự tự cháy diễn ra trong khu vực có độ
đậm đặc hơi thấp hơn 1. Bộ phận nhiên liệu ở ngoài rìa tia nằm ngoài giới hạn dưới của sự
tự bén lửa do đó chúng không thể tự cháy cũng không thể duy trì màng lửa. Khu vực đó
chỉ có thể là vị trí sản sinh các phản ứng chậm dẫn đến sản phẩm cháy không hoàn toàn.
Do đó trong vùng này có mặt nhiên liệu chưa cháy hết, những sản vật phân giải từ nhiên
liệu, những sản phẩm oxy hóa cục bộ (CO, aldehyde và những oxyde khác) và một bộ
phận của những sản phẩm này có mặt trong khí xả. Tầm quan trọng của những
hydrocarbure chưa cháy từ những khu vực nghèo này phụ thuộc vào lượng nhiên liệu phun
vào động cơ trong thời kì cháy trễ, phụ thuộc vào tỉ lệ không khí kéo theo vào tia trong
giai đoạn này và những điều kiện lí hóa ảnh hưởng đến sự tự cháy trong cylindre.
Vòi phun
Không khí
xoáy lốc
Giới hạn tia
nhiên liệu
Điểm đánh
lửa
HC trong vùng
hỗn hợp quá
nghèo
f >1
f = 0
f = fL
f =1
Chương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
54
Hình 4.16: Phân bố độ đậm đặc trong tia phun Diesel
Vì vậy nồng độ HC trong khí xả và độ dài của giai đoạn cháy trễ có quan hệ mật
thiết với nhau, hay nói cách khác mức độ phát sinh HC có liên quan đến chỉ số cetane của
nhiên liệu. Những thay đổi điều kiện vận hành của động cơ làm kéo dài thời kì cháy trễ sẽ
làm gia tăng nồng độ HC.
4.5.3. Phát sinh HC trong trường hợp hỗn hợp quá giàu
Có hai nguyên nhân dẫn đến sự phát sinh HC do hỗn hợp quá giàu. Nguyên nhân
thứ nhất do nhiên liệu rời khỏi vòi phun với tốc độ thấp và thời gian phun kéo dài. Nguồn
phát sinh HC chính trong trường hợp này là không gian chết ở mũi vòi phun và sự phun
rớt do sự đóng kim phun không dứt khoát. Nguyên nhân thứ hai là do sự thừa nhiên liệu
trong buồng cháy do hỗn hợp quá đậm.
Vào cuối giai đoạn phun, lỗ phun (không gian chết) ở mũi vòi phun chứa đầy nhiên
liệu. Trong giai đoạn cháy và giãn nở, nhiên liệu được sấy nóng và một bộ phận bốc hơi
thoát ra khỏi lỗ phun (ở pha lỏng và hơi) và đi vào cylindre với tốc độ thấp và hòa trộn
chậm với không khí, do đó chúng không bị đốt cháy trong giai đoạn cháy chính. Ở động
cơ phun trực tiếp, thời gian của giai đoạn cháy trễ bé, mức độ phát sinh HC tỉ lệ với thể
tích không gian chết ở mũi vòi phun. Tuy nhiên, không phải toàn bộ thể tích nhiên liệu
chứa trong không gian chết đều có mặt trong khí xả. Ví dụ 1mm3 không gian chết trong
buồng cháy động cơ phát sinh khoảng 350ppmC trong khí xả, trong khi đó 1mm3 nhiên
liệu cho 1660ppmC. Sự chênh lệch này là do một bộ phận hydrocarbure nặng tiếp tục lưu
lại trong vòi phun và một bộ phận hydrocarbure nhẹ bị oxy hóa khi thoát ra khỏi không
gian chết. Trong động cơ có buồng cháy dự bị cơ chế này cũng diễn ra tương tự nhưng với
mức độ thấp hơn.
Ở động cơ phun trực tiếp, hiện tượng nhả khói đen làm giới hạn khả năng tăng độ
đậm đặc trung bình của hỗn hợp ở chế độ toàn tải. Ở chế độ tải thấp, tốc độ phun bé và
lượng nhiên liệu phun vào nhỏ, do đó động lượng của tia phun bé làm giảm lượng không
khí kéo theo vào tia nên độ đậm đặc cục bộ rất cao. Trong điều kiện quá độ khi gia tốc,
hỗn hợp trong buồng cháy có thể rất đậm đặc. Trong trường hợp đó, dù tỉ lệ nhiên liệukhông khí tổng quát trong toàn buồng cháy thấp nhưng độ đậm đặc cục bộ rất cao trong
giai đoạn giãn nở và thải. Khi độ đậm đặc cục bộ vượt quá 0,9 thì nồng độ HC sẽ gia tăng
đột ngột. Ảnh hưởng tương tự như vậy cũng diễn ra trong động cơ có buồng cháy dự bị.
Tuy nhiên cơ chế này chỉ gây ảnh hưởng đến nồng độ HC khi gia tốc và nó gây ảnh hưởng
đến nồng độ HC ít hơn khi hỗn hợp nghèo ở chế độ không tải hay tải thấp.
4.5.4. Phát sinh HC do tôi ngọn lửa và hỗn hợp không tự bốc cháy
Như động cơ đánh lửa cưỡng bức, sự tôi ngọn lửa diễn ra gần thành và đó chính là
nguồn phát sinh HC. Hiện tượng này phụ thuộc đặc biệt vào khu vực va chạm giữa tia
Chương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
55
nhiên liệu và thành buồng cháy. Sự bỏ lửa dẫn đến sự gia tăng mạnh nồng độ HC hiếm khi
xảy ra đối với động cơ làm việc bình thường. Nó chỉ diễn ra khi động cơ có tỉ số nén thấp
và phun trễ. Mặt khác, sự bỏ lửa cũng xảy ra khi khởi động động cơ Diesel ở trạng thái
nguội với sự hình thành khói trắng (chủ yếu là do những hạt nhiên liệu không cháy tạo

Chương 5 CƠ CHẾ HÌNH THÀNH BỒ HÓNG TRONG QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL5.1. Giới thiệu: Bồ hóng là chất ô nhiễm đặc biệt quan trọng trong khí xả động cơ Diesel. Tuy từ lâu người ta đã nhận biết được tác hại của chúng nhưng việc nghiên cứu sự hình thành chất ô nhiễm này trong khí xả động cơ Diesel chỉ mới thực sự phát triển từ những năm 1970 dựa vào những thành tựu của kỹ thuật quang học. Sự nguy hiểm của bồ hóng đối với sức khỏe con người đã được đề cập đến ở chương 1. Các HAP, kể cả các nitro-HAP và dinitro-HAP hấp thụ trong bồ hóng Diesel đều có khả năng gây đột biến tế bào và gây ung thư đường hô hấp. Ngoài ra, bồ hóng cũng có khả năng gây ung thư da nếu nạn nhân tiếp xúc thường xuyên với chúng và gây bệnh tụ máu dẫn đến những tác động nguy hiểm đến hệ tim mạch. Trong môi trường, các hạt bồ hóng trong không khí có tác dụng hấp thụ và khuếch tán ánh sáng mặt trời, làm giảm độ trong suốt của khí quyển và do đó làm giảm tầm nhìn. So với nông thôn, ở đô thị bức xạ mặt trời đo được trên mặt đất nhỏ hơn khoảng 15-20%. Khi nồng độ bồ hóng trong không khí đạt khoảng 0,1mg/m3 thì tầm nhìn xa chỉ còn 12km (so với tầm nhìn xa cực đại 36km), nhất là trong các đô thị có độ phát tán tầm thấp yếu và trên các trục lộ có sự tập trung phương tiện Diesel ở giờ cao điểm (nếu có khoảng 20% xe vận tải Diesel trong luồng thì tầm nhìn giảm từ 25-30%). Điều này gây mất an toàn giao thông. Ngoài ra, khi bồ hóng bám vào lá cây xanh thì khả năng quang hợp của lá cây bị giảm, làm cây cối dễ bị héo chết. Bồ hóng bám vào các công trình xây dựng sẽ gây ra sự ăn mòn kim loại... Quá trình cháy khuếch tán trong động cơ Diesel rất thuận lợi cho việc hình thành bồ hóng. Thật vậy, sự cháy của hạt nhiên liệu lỏng trong khi chúng dịch chuyển trong buồng cháy cũng như sự tập trung cục bộ hơi nhiên liệu ở những vùng có nhiệt độ cao là nguyên nhân chính sản sinh bồ hóng. Bồ hóng trong khí xả là một trong những yếu tố chính giới hạn khả năng ứng dụng của động cơ Diesel hiện nay. Mặc dù các nhà khoa học và các nhà sản xuất ô tô đã quan tâm rất nhiều đến việc nghiên cứu vấn đề này nhưng đến nay người ta vẫn chưa tìm ra được một giải pháp kỹ thuật nào hữu hiệu nhằm hạn chế nồng độ bồ hóng trong giới hạn cho phép của các quy định về bảo vệ môi trường. Hai hướng nghiên cứu chính hiện nay là: 1- Cải thiện và tổ chức tốt quá trình cháy trong động cơ DieselChương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel 58 2- Lọc bồ hóng trên đường ống xả Giải pháp xử lý bồ hóng trên đường ống xả gặp rất nhiều khó khăn trong thực tế, nhất là giải quyết vấn đề tái sinh lõi lọc để giảm trở lực trên đường thải và việc nâng cao tuổi thọ các bộ lọc. Vì vậy, giải pháp có tính cơ bản của vấn đề bồ hóng chỉ có thể rút ra được trên cơ sở nghiên cứu tường tận quá trình hình thành chất ô nhiễm này để tìm cách hạn chế chúng ngay từ trong buồng cháy động cơ. Nghiên cứu sự hình thành bồ hóng bằng mô hình toán học hiện đang phát triển rất mạnh song song với các nghiên cứu về thực nghiệm. Phương pháp mô hình hóa có nhiều ưu điểm hơn vì việc đo đạc cục bộ trong buồng cháy rất phức tạp. Tất nhiên, kết quả của những nghiên cứu về thực nghiệm là không thể thiếu để kiểm chứng mô hình toán học. Động cơ Diesel cho tới nay vẫn là loại động cơ đốt trong được sử dụng rộng rãi nhờ tính kinh tế của nó cao. Tuy nhiên, với sự cạnh tranh của các loại động cơ đánh lửa cưỡng bức hiện đại, viễn ảnh áp dụng của loại động cơ này trên các phương tiện vận tải trong tương lai phụ thuộc nhiều vào kỹ thuật làm giảm nồng độ bồ hóng trong khí xả.5.2. Hình thành bồ hóng trong ngọn lửa khuếch tán Quá trình cháy khuếch tác được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp vì nó an toàn. Tuy nhiên do đặc điểm phân bố nhiên liệu không đồng nhất, việc khống chế quá trình cháy của nó gặp nhiều khó khăn hơn so với qua trình cháy của hỗn hợp đồng nhất. Cũng chính vì sự phân bố hỗn hợp không đồng nhất mà trong sản phẩm cháy của ngọn lửa khuếch tán luôn tồn tại những sản phẩm cháy không hoàn toàn mặc dù hỗn hợp tổng quát rất loãng. Trong số những sản phẩm cháy không hoàn toàn này người ta đặc biệt quan tâm đến bồ hóng. Sự hình thành bồ hóng trong ngọn lửa khuếch tán trước tiên phụ thuộc vào nhiên
liệu. Nhiên liệu có thành phần C càng cao thì nồng độ bồ hóng càng lớn. Hình 5.1 so sánh nồng độ bồ hóng đo trên trục ngọn lửa khuếch tán của 3 loại nhiên liệu khác nhau: butane, propane và méthane với cùng điều kiện ban đầu (tốc độ phun 90m/s, đường kính lỗ phun 3mm). Nồng độ được biểu diễn thông qua bề dày đặc trưng của bồ hóng fv.L (L: chiều dài quang trình). Chúng ta thấy nồng độ bồ hóng trong sản phẩm cháy của ngọn lửa butane lớn nhất và nồng độ này thấp nhất trong ngọn lửa méthane.Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel 59 Yếu tố thứ hai ảnh hưởng đến nồng độ bồ hóng là nồng độ nhiên liệu và nồng độ
oxygène. Thật vậy, sự hình thành bồ hóng chủ yếu là do quá trình cháy không hoàn toàn của nhiên liệu. Khi hỗn hợp nghèo và được phân bố đồng nhất thì nồng độ bồ hóng rất bé, có thể bỏ qua. Nồng độ oxygène ảnh hưởng đến sự oxy hóa bồ hóng sau khi chúng được hình thành do đó cũng ảnh hưởng đến nồng độ bồ hóng cuối cùng có mặt trong sản phẩm cháy. Hình 5.2a, b biểu diễn biến thiên của nồng độ nhiên liệu và oxygène theo chiều cao ngọn lửa propane có tốc độ phun ban đầu 90m/s và đường kính lỗ phun là 3mm.Hình 5.1: Ảnh hưởng của nhiên liệu đến mức độ phát sinh bồ hóng trong ngọn lửa khuếch tán a. b.
Hình 5.2: Biến thiên của nồng độ nhiên liệu (a) và oxygène (b) theo chiều cao
ngọn lửa khuếch tán propane
Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel 60
Hình 5.3: Profil nhiệt độ trong ngọn lửa propane Hình 5.4: Phân bố fv.L
trong ngọn lửa propane Yếu tố thứ ba ảnh hưởng đến sự hình thành bồ hóng là sự phân bố nhiệt độ trong ngọn lửa. Nhiệt độ cao ở vùng giàu nhiên liệu sẽ thuận lợi cho việc hình thành bồ hóng. Ngược lại nhiệt độ cao ở vùng thừa oxygène sẽ thuận lợi cho việc oxy hóa bồ hóng. Nồng độ bồ hóng thoát ra khỏi ngọn lửa khuếch tán là hiệu số giữa lượng bồ hóng hình thành và lượng bồ hóng bị oxy hóa. Hình 5.3 giới thiệu profil nhiệt độ trong ngọn lửa khuếch tán propane nghiên cứu. Tóm lại, nồng độ bồ hóng có mặt trong khí cháy sau khi thoát ra khỏi ngọn lửa khuếch tán phụ thuộc vào 4 yếu tố cơ bản: thành phần nhiên liệu, nồng độ nhiên liệu,
nồng độ oxygène và sự phân bố nhiệt độ trong ngọn lửa. Hình 5 trình bày sự phân bố nồng độ bồ hóng trong ngọn lửa khuếch tán. Hình này cho thấy nồng độ bồ hóng đạt cực đại ở vùng nhiệt độ cao và giàu nhiên liệu. Ảnh hưởng của các yếu tố trên có thể được minh họa thông qua nghiên cứu biến thiên đường kính hạt bồ hóng trong ngọn lửa propane. Hình 5.5 biểu diễn biến thiên đường kính hạt bồ hóng theo phương hướng kính của ngọn lửa. Những hạt bồ hóng có đường kính bé tập trung ở những vùng có nhiệt độ và độ đậm đặc đều cao. Khi tăng chiều cao ngọn lửa, vị trí hình thành bồ hóng dịch chuyển ra xa trục. Ở độ cao x=400mm, điểm cực tiểu của đường kính biến mất và đường kính của hạt tăng đều đặn từ trục ra ngoài rìa ngọn lửa. Kết quả phân tích khí trên hình 5.2a cho thấy ở khu vực này, nồng độ nhiên liệu rất thấp không đủ điều kiện để hình thành các hạt bồ hóng mới.Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel 61
Hình 5.5: Biến thiên hướng kính của đường kính hạt bồ hóng
Hình 5.6: Biến thiên đường kính hạt bồ hóng trên trục ngọn lửa theo chiều cao Do hiện tượng phát triển hạt bồ hóng sau khi hình thành nên những hạt có đường kính lớn phân tán ra ngoài khu vực hình thành bồ hóng. Kết quả thực nghiệm này cho thấy sự hình thành bồ hóng đòi hỏi phải có đồng thời hai điều kiện cơ bản đó là nhiệt độ cao và hỗn hợp đậm đặc. Kết luận này được kiểm chứng bằng sự biến thiên đường kính hạt theo chiều cao ngọn lửa cho trên hình 5.6. Thật vậy, chúng ta thấy đường kính hạt đầu tiên giảm theo chiều cao cùng với sự gia tăng của nhiệt độ trên trục ngọn lửa đến độ cao 450mm. Khi qua khỏi độ cao này, nhiệt độ trong ngọn lửa vẫn còn cao nhưng nồng độ
Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel 62 nhiên liệu bắt đầu giảm, quá trình hình thành bồ hóng chấm dứt, đường kính hạt gia tăng do hiện tượng hấp thụ bề mặt và liên kết hạt.5.3. Bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel Trong khí xả động cơ đốt trong, ngoài các chất khí độc như CO, NOx, HnCm, SOx... còn có các hạt rắn tồn tại 3 dạng sau: các hạt chì của xăng pha chì, hạt sunphát của tạp chất lưu huỳnh trong nhiên liệu và hạt bồ hóng. Khi hoạt động bình thường, trong khí xả động cơ xăng có rất ít bồ hóng. Lượng bồ hóng chỉ đáng kể khi nó làm việc với hỗn hợp đậm đặc. Còn ở động cơ Diesel, do quá trình cháy khuếch tán như đã phân tích trên đây, bồ hóng là chất ô nhiễn đặc biệt quan trọng và là thành phần chủ yếu tồn tại dưới dạng hạt rắn trong khí xả.1. Thành phần hạt bồ hóng Ngày nay, người ta đã biết rõ bồ hóng bao gồm các thành phần chính sau đây: - Carbon: Thành phần này ít nhiều phụ thuộc vào nhiệt độ cháy và hệ số dư lượng không khí trung bình, đặc biệt là khi động cơ hoạt động ở chế độ đầy tải hoặc quá tải. - Dầu bôi trơn không cháy: Đối với động cơ cũ thành phần này chiếm tỉ lệ lớn. Lượng dầu bôi trơn bị tiêu hao và lượng hạt bồ hóng có quan hệ với nhau. - Nhiên liệu chưa cháy hoặc cháy không hoàn toàn: Thành phần này phụ thuộc vào nhiệt độ và hệ số dư lượng không khí. - Sun phát: do lưu huỳnh trong nhiên liệu bị oxy hóa và tạo thành SO2 hoặc SO4. - Các chất khác: lưu huỳnh, calci, sắt, silicon, chromium, phosphor, các hợp chất calci từ dầu bôi trơn. Thành phần hạt bồ hóng còn phụ thuộc vào tính chất nhiên liệu, đặc điểm của quá trình cháy, dạng động cơ cũng như thời hạn sử dụng của động cơ (cũ hay mới). Thành phần bồ hóng trong sản phẩm cháy của nhiên liệu có thành phần lưu huỳnh cao khác với thành phần bồ hóng trong sản phẩm cháy của nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh thấp. Hình 5.7 so sánh thành phần bồ hóng của hai loại nhiên liệu Diesel có thành phần lưu huỳnh 0.26% và 0.05%. Đối với động cơ đã qua sử dụng trên 10 năm, thành phần bồ hóng có chứa đến 40% dầu bôi trơn không cháy hết như hình 5.8.Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel 63Nhi ên l i Œu:US-2D
0.26wt% Sul fer.NÒng Ç¶ bÒ hóng
t°ng c¶ng:0.30g/HP_h
DÀu bôi
t rÖn 0. 10
Håt
Carbon
0.11
HC
0.03
Sunphát
0.06Nhi ên l i Œu:"Low Sul ferFuel "
0.05wt% Sul fer.NÒng Ç¶ bÒ hóng
t°ng c¶ng:0.075g/HP_hSunphát
0.008
HC
0.007DÀu bôi
t rÖn
0. 017 Håt
Carbon
0. 043Hình 5.7: Thành phần hạt bồ hóng theo tính chất nhiên liệuSunphát
14%Carbon
31%
ChÃtkhác
8%HC
7%DÀu bôit rÖn
40%Hình 5.8: Thành phần hạt bồ hóng của động cơ đã sử dụng trên 10 năm Kết quả nghiên cứu thực nghiệm về sự phân bố kích thước hạt cho thấy bồ hóng trong khí xả tồn tại dưới hai dạng: dạng đơn và dạng tích tụ. Dạng đơn (gam kích thước nhỏ) tồn tại ở nhiệt độ trên 5000C. Ở dạng này, các hạt bồ hóng là sự kết hợp của các hạt sơ cấp hình cầu (mỗi một hạt sơ cấp hình cầu này chứa khoảng 105-106 nguyên tử carbon). Dạng đơn này còn được gọi là thành phần không hòa tan ISF (Insoluble Fraction) hay thành phần rắn SOL (Solid). Dạng tích tụ (gam kích thước lớn) do các bồ hóng liên kết lại với nhau và tồn tại ở nhiệt độ thấp hơn 5000C. Các hạt bồ hóng này được bao bọc bởi các thành phần hữu cơ nặng ngưng tụ và hấp thụ trên bề mặt hạt: HC chưa cháy, HC bị oxy hóa (keton, ester, ether, axít hữu cơ), và các hydrocarbure thơm đa nhân HAP (Hydrocarbures Aromatiques Polynucléaires). Thể tích tụ này có thể còn có thêm các hạt khác như SO2, NO2, SO4. Những hạt này còn được gọi là thành phần hữu cơ hòa tan SOFChương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel 64 (Soluble Organic Fraction). Trong khí xả động cơ Diesel thành phần SOF có thể chiếm từ 5%-80%.
Hình 5.9: Cấu trúc chuỗi bồ hóng Hình 5.10: Dạng những hạt sơ cấp
Hình 5.11: Mô hình cấu trúc dạng hạt sơ cấp Hình 5.12: Cấu trúc tinh thể graphit2. Cấu trúc hạt bồ hóng Hình 5.9 và 5.10 trình bày ảnh chụp khuếch đại của chuỗi và hạt sơ cấp tạo thành hạt bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel. Một cách tổng quát có thể nói hạt bồ hóng mà người ta thường gọi hình thành do sự liên kết của nhiều hạt sơ cấp hình cầu thành từng khối hoặc chuỗi. Mỗi hạt bồ hóng (khối hay chuỗi) có thể chứa đến 4000 hạt hình cầu sơ cấp. Các hạt sơ cấp có đường kính từ 10 đến 80nm và đại bộ phận hạt nằm trong khoảng 15-30nm, đường kính trung bình của các hạt bồ hóng nằm trong khoảng 100-150nm, có khi lên đến 500-1000nm. Cấu trúc tinh thể của hạt bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel có dạng tương tự như graphit (hình 5.11) nhưng ít đều đặn hơn. Mỗi hạt sơ cấp hình cầu là một tập hợp khoảng 1000 mầm tinh thể, có dạng phiến mỏng được xếp đồng tâm quanh tâm của mỗi hạt cầu, tương tự như cấu trúc hạt carbon đen. Những nguyên tử carbon kết nối với nhau0.67nm
0.335nm a
c
bChương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel 65 theo các phiến lục giác phẳng cách nhau 0,34-0,36nm (chỉ lớn hơn một chút so với graphit: 0,33nm). Các phiến này kết hợp với nhau tạo thành các mầm tinh thể (từ 2-5 phiến) với cấu trúc giống như carbon đen. Những mầm tinh này lại sắp xếp lại theo các hướng song song với mặt hạt cầu với kết cấu siêu tĩnh để tạo thành các hạt.5.4. Tình hình nghiên cứu và các quy định về nồng độ
bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel hiện nay5.4.1. Tình hình nghiên cứu bồ hóng Nghiên cứu bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel hiện nay tập trung vào các hướng chính sau đây:1- Nghiên cứu sự hình thành bồ hóng bên trong buồng cháy động cơ Trên cơ sở hiểu biết tường tận quá trình hình thành bồ hóng chúng ta có thể nghiên cứu tổ chức quá trình cháy, xác định chế độ làm việc tối ưu của động cơ cũng như xác định chất lượng nhiên liệu và các chất phụ gia chống ô nhiễm để đảm bảo cháy sạch nhiên liệu, làm giảm nồng độ bồ hóng trong sản phẩm cháy. Việc nghiên cứu quá trình tạo bồ hóng trong động cơ thường xuất phát từ các mô hình ngọn lửa khuếch tán bên ngoài động cơ. Theo hướng này có rất nhiều công trình nghiên cứu về mô hình hóa quá trình cháy và tạo bồ hóng trong các ngọn lửa khuếch tán một pha và hai pha. Đặc biệt, sự phát triển đồng dạng toán học về quá trình cháy đã cho phép thiết lập mô hình tổng quát cho nhiều hệ thống cháy khác nhau để từ đó có thể mô hình hóa quá trình tạo bồ hóng bên trong buồng cháy động cơ Diesel. Tesner và Magnussen đã đưa ra mô hình tạo bồ hóng hai giai đoạn. Các mô hình tạo bồ hóng khác cũng đã được tổng kết trong các tài liệu của Morel, Kenedy, Lee... Tính đúng đắn của mô hình của Morel và của Tesner-Magnussen đã được Bùi Văn Ga kiểm nghiệm trên các ngọn lửa rối và khuếch tán một pha và hai pha. Đối với động cơ Diesel, mô hình nhiều khu vực ("multi-zone") dựa trên quy luật thực nghiệm của khí kéo theo vào tia nhiên liệu và sự phân bố nhiên liệu trong tia để tính toán nhiệt độ trung bình trong mỗi khu vực và từ đó tính toán quá trình cháy và tạo bồ hóng trong động cơ Diesel đã cho phép xây dựng các phần mềm đa phương chạy trên các máy tính mini như KIVA2, KIVA3 và TURBO-KIVA.
2- Nghiên cứu xử lý bồ hóng trên đường xả động cơ Hướng nghiên cứu này chủ yếu tập trung hoàn thiện 2 giải pháp: - Xử lý bồ hóng bằng kỹ thuật lọc và tái sinh lọc - Xử lý bồ hóng bằng bộ xúc tác oxy hóaChương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel 66 Trong chương 7 chúng ta sẽ nghiên cứu các giải pháp này. Tuy các nhà khoa học và công nghệ đã có nhiều cải tiến và hoàn thiện các bộ lọc nhưng cho đến nay vẫn chưa có được một giải pháp tối ưu nào tỏ ra hữu hiệu cho vấn đề xử lý bồ hóng trên đường xả.5.4.2. Các quy định về nồng độ bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel Hiện nay, quy trình kiểm tra tiêu chuẩn của mỗi nước phụ thuộc vào chế độ vận hành của ô tô ở một thành phố mà nước đó chọn làm tiêu biểu. Các nước đang phát triển thường chọn chế độ thử của những nước công nghiệp phát triển để áp dụng ở nước mình vớI một ít điều chỉnh cho phù hợp với tình hình thực tế. Từ năm 1970, các nước trên thế giới đã thiết lập tiêu chuẩn độ khói cho các loại xe tải và xe bus Diesel như các hình 5.13 (Cộng đồng Châu Âu, loại xe có trọng lượng toàn bộ trên 3500kg), hình 5.14 (Mĩ, loại xe có trọng lượng toàn bộ trên 3850kg) và hình 5.15 (Nhật, loại xe có trọng lượng toàn bộ trên 2500kg). Ở Việt Nam, Nhà Nước đã ban hành các tiêu chuẩn TCVN 5418-91 và TCVN 6438-98 về độ khói trong khí xả động cơ Diesel (xem chương 2).5.5. Cơ chế tạo bồ hóng trong buồng cháy động cơ Diesel Các nghiên cứu cơ bản về quá trình hình thành bồ hóng trong các ngọn lửa và trong buồng cháy động cơ Diesel đã được đề cập nhiều trong các tài liệu gần đây với 5 cơ chế hình thành hạt bồ hóng điển hình: 1. Polyme hóa qua acétylène và polyacétylène 2. Khởi tạo các hydrocarbure thơm đa nhân (HAP) 3. Ngưng tụ và graphit hóa các cấu trúc HAP 4. Tạo hạt qua các tác nhân ion hóa và hợp thành các phân tử nặng 5. Tạo hạt qua các tác nhân trung tính và phát triển bề mặt hợp thành các thành phần nặng.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1970 1974 1978 1982 1986 1990 1994 1998 2002Næm dÜÖng l Î ch
ñ¶ khói(g/ HP/ h)Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel 67
Hình 5.13: Tiêu chuẩn châu Âu về độ khói của ô tô Diesel ở các mốc thời gian khác nhau0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1970 1974 1978 1982 1986 1990 1994 1998 2002Næm dÜÖng l Î ch
ñ¶ khói(g/ HP/ h)Hình 5.14: Tiêu chuẩn của Mĩ về độ khói của ô tô Diesel ở các mốc thời gian khác nhau0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1970 1974 1978 1982 1986 1990 1994 1998 2002Næm dÜÖng l Î ch
ñ¶ khói(g/ HP/ h)Hình 5.15: Tiêu chuẩn Nhật Bản về độ khói của ô tô Diesel ở các mốc thời gian khác nhau Hiện nay người ta thường mô tả sự hình thành bồ hóng qua 4 giai đoạn được tóm tắt trên hình 5.16.Nhiên liệu+Không khíTạo hạt nhân Phân hủy nhiệt
Các hạt cơ bản AxêtylenPhát triển bề
mặt
các hạt
cơ bảnCác hạt bồ hóng
ban đầuPhát triển bề mặt
các hạt bồ hóng ban đầuCác hạt
bồ hóngHợp dính
Ngưng tụ
Phát triển bề mặt
Liên kết hạt
Oxy hóa
Oxy hóa
Oxy hóaChương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel 68
Hình 5.16: Quá trình tạo bồ hóng trong động cơ Diesel5.5.1. Hình thành hạt bồ hóng Vật chất của pha ngưng tụ đầu tiên phát triển từ những phân tử nhiên liệu thông qua các sản phẩm của sự oxy hóa hoặc các sản phẩm phân hủy nhiệt (pyrolyse). Những sản phẩn này gồm những hydrocarbure không bão hòa khác nhau, đặc biệt là acétylène và các đồng vị bậc cao của nó, và những HAP. Hai dạng phần tử này được coi như là nhân tố chính trong sự hình thành bồ hóng. Phản ứng ngưng tụ của những phân tử thể khí dẫn đến sự hình thành các hạt nhân bồ hóng đầu tiên có đường kính rất bé (d<2nm), đây là các hạt cơ sở được hợp thành bởi một lượng lớn các gốc tinh thể đơn lẻ có kích thước từ 20 - 30A0.Hình 5.17a: Cơ chế trung gian về động hóa học của sự tạo thành bồ hóng
từ các phân tử aromatics.C2H+C4H2 C C H C .C C C H H
C2H2 C C H C C C C H H C C2H2 H C H C C C H
. C C C H C

Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ DieselCơ chế tổng quát về sự tạo thành hạt nhân bồ hóng ở nhiệt độ thấp và trung bình
được trình bày trên hình 5.17a,b. Ở nhiệt độ thấp (<1700K), hydrocarbure thơm có thể
sinh ra bồ hóng một cách trực tiếp và nhanh chóng biến thành cấu trúc gần graphite. Khi
nhiệt độ cao hơn 1800K, một cơ chế hình thành bồ hóng khác diễn ra chậm hơn và ít trực
tiếp hơn, trước hết qua trung gian những thành phần HC có khối lượng phân tử nhỏ và sau
đó bị polymer hóa thành những phần tử kém bão hòa có khối lượng phân tử lớn hơn. Đây
là các mầm cơ bản để hình thành các hạt nhân bồ hóng.
Theo Borghi, sự hình thành bồ hóng qua trung gian các aromatics được viết như
sau:
Aromatic→(khử hydro) →Alcanes (CH4, C2H6...) →Các gốc Alcolyles (CH 3 . ,
C2H5
.
...→Alcenes (C2H4)→Alcynes (C2H2) →(khử hydro) → Các gốc C2H. và sau đó :
C2H. + C2H2 → C4H2 + H.
C2H và Diacetylene C4H2 lại tiếp tục tác dụng với nhau như hình 5.17a và cơ chế
tiếp tục kéo dài. Ở mỗi một chu trình đều có sự tham gia của C2H2.
5.5.2. Phát triển hạt bồ hóng
Quá trình phát triển của hạt bồ hóng bao gồm sự phát triển bề mặt, ngưng tụ và sự
liên kết hạt. Sự phát triển bề mặt diễn ra do các chất thể khí ngưng tụ trên hạt rắn và biến
thành một bộ phận của hạt. Các phản ứng phát triển bề mặt dẫn đến sự gia tăng nồng độ bồ
hóng fv nhưng không làm thay đổi số lượng hạt. Ngược lại sự phát triển bằng con đường
liên kết và hợp dính các hạt với nhau làm giảm số lượng hạt nhưng nồng độ bồ hóng
không thay đổi. Khi sự phát triển bề mặt hạt kết thúc, quá trình liên kết hạt thành chuỗi và
cụm vẫn có thể xảy ra. Khi đó lực tĩnh điện của chúng có vai trò quan trọng và là yếu tố
chính tạo ra sự hợp dính này.
Tóm lại, trong buồng cháy động cơ liên tục xảy ra qua trình tạo hạt nhân, phát triển
bề mặt và liên kết hạt. Ở mỗi giai đoạn, khi nhiệt độ đủ cao, hạt bồ hóng bị oxy hóa một
bộ phận hay toàn phần.
5.5.3. Quá trình oxy hóa hạt bồ hóng
Quá trình oxy hóa có thể diễn ra ngay lúc hình thành các phân tử hoạt tính, hạt
nhân và hạt bồ hóng (hình 5.16). Thực nghiệm cho thấy phần lớn bồ hóng bị oxy hóa
trong xy lanh trước khi quá trình thải bắt đầu. Tốc độ oxy hóa bồ hóng trong động cơ phụ
thuộc vào sự khuếch tán của các chất tham gia cũng như động học phản ứng.
Có rất nhiều chất bên trong sản phẩm cháy hay ở gần ngọn lửa có thể oxy hóa bồ
hóng như O2, O, OH, CO2, và H2O. Khi áp suất riêng của oxygène cao, sự oxy hóa bồ
hóng có thể tuân theo công thức gần đúng dựa trên các nghiên cứu về oxy hóa của
pyrographite. Sự oxy hóa bồ hóng bởi OH tác động trên bề mặt hạt. Trong khi đó, sự oxy
bồ hóng do oxygène tác động trên bề mặt hạt diễn ra chậm hơn nên nó có thời gian xuyênChương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel71
sâu vào bên trong để oxy hóa và phân hủy hạt bồ hóng. Theo những kết quả gần đây, trong
điều kiện áp suất môi trường và hỗn hợp giàu thì sự oxy hóa bồ hóng bởi gốc OH
quan trọng hơn so với sự oxy hóa của O hay O2.
Như vậy, rõ ràng hạt bồ hóng hình thành là sản phẩm của các quá trình: tạo hạt cơ
sở, hình thành hạt bồ hóng, phát triển và oxy hóa hạt bồ hóng. Tốc độ tạo bồ hóng
trong quá trình cháy là hiệu số giữa tốc độ sản sinh và tốc độ oxy hóa bồ hóng. Cơ chế
hình thành bồ hóng phụ thuộc chủ yếu vào nồng độ nhiên liệu, oxygène và nhiệt độ quá
trình cháy.5.6. Mô hình hóa quá trình tạo bồ hóng trong động cơ Diesel5.6.1. Giới thiệu
Động học phản ứng hình thành bồ hóng khác với động học phản ứng hình thành các
chất khác trong sản phẩm cháy. Giả thuyết động học phản ứng nhanh không thể áp dụng
trong tính toán nồng độ bồ hóng. Trong quá trình cháy khuếch tán, sự phân bố nhiên liệu
không đồng đều và chính vùng tập trung nhiên liệu ở biên giới của các mặt tiếp giáp là khu
vực sản sinh bồ hóng. Tốc độ sản sinh bồ hóng phụ thuộc nồng độ nhiên liệu còn tốc độ
cháy bồ hóng phụ thuộc nồng độ oxygène.
Nồng độ bồ hóng tại một điểm trong ngọn lửa được xác định bởi sự tương tác của
hai hiện tượng lí hóa: đối lưu-khuếch tán, khống chế sự dịch chuyển của các phần tử trong
dòng chảy và sản sinh-tiêu tán, khống chế sự sinh ra hay mất đi của các phần tử trong quá
trình cháy. Nồng độ bồ hóng được xác định theo định luật bảo toàn phần tử trong dòng
chảy:
d m Y
dx
i m Y m
i i o o
( & . )& ' . &,< > '= + (5.1)
Trong trường hợp môi trường bên ngoài không chứa bồ hóng, Yio = 0. Do vậy ta có:
d m Y
dx m
i
i
( & . )< > = & ' (5.2)
Trong đó tốc độ sản sinh trung bình của phần tử i được tính trên một đơn vị thể tích
và thời gian được xác định theo biểu thức:& ' . .
m R R i i = π 2 max (5.3)
Mô hình hóa quá trình tạo bồ hóng chủ yếu là tìm mối quan hệ giữa tốc độ tạo bồ
hóng m i
.
' với các thông số khác của dòng chảy rối để khép kín hệ phương trình. Theo
hướng này, hiện nay tồn tại nhiều mô hình tạo bồ hóng. Sau đây là một số mô hình tiêu
biểu.Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel72
5.6.2 Mô hình hóa sự sản sinh bồ hóng
Những nghiên cứu thực nghiệm cho thấy sự hình thành bồ hóng được tiến hành
qua trung gian của những hydrocarbure thơm đa nhân (HAP) và sự phát triển của hạt bồ
hóng là do phản ứng giữa những phân tử hydrocarbure thơm và acétylène. Mô hình động
hóa học HAP mô tả sự hình thành bồ hóng theo cơ chế này do Frenklach thiết lập bao gồm
khoảng 1000 phản ứng thuận nghịch được khởi động bởi 18 phản ứng chính ban đầu.
Nghiệm số hoàn chỉnh của mô hình này vì vậy rất phức tạp.
Theo Tesner-Magnussen, bồ hóng được hình thành trong quá trình cháy của
hydrocarbure được tiến hành qua hai giai đoạn, đầu tiên là việc hình thành các nhân cơ sở,
và giai đoạn sau là việc hình thành bồ hóng từ các nhân này. Tốc độ sản sinh các nhân cơ
sở được tính theo biểu thức:
R n f g n g nN n f o b o , = + − − ( ) (hạt/m3/s) (5.4)
trong đó:
n
o : Tốc độ sản sinh hạt cơ sở ban đầu:
n a c
E
o o f = − RT⎛⎜⎝⎞⎟⎠exp (hạt/m3/s) (5.5)
ao : Hằng số
cf : Nồng độ nhiên liệu (kg/m3).
E : Năng lượng kích hoạt
R : Hằng số khí vạn năng
T : Nhiệt độ tuyệt đối của khí
f
b : Hệ số tăng nhánh tuyến tính
g : Hệ số đứt nhánh tuyến tính
go : Hệ số đứt nhánh của hạt bồ hóng
n : Nồng độ hạt cơ sở (hạt/m3)
N : Nồng độ hạt bồ hóng (hạt/m3)
Tốc độ sản sinh bồ hóng được viết như sau:
R m a bN n kg m s s f p , = − ( ) ( / / ) 3 (5.6)
Với m
p : Khối lượng một hạt bồ hóng (kg/ hạt).
a,b : Các hằng số
Ngoài ra còn có các mô hình mô tả sự sản sinh bồ hóng khác như:
- Mô hình Khan:
R s,f = − K p T φf f 3 exp / ( ) 20000 (5.7)Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel73
f
f : Độ đậm đặc của nhiên liệu trong vùng hình thành bồ hóng
pf : Áp suất cục bộ của nhiên liệu
T : Nhiệt độ khí cháy
K : Hằng số tỉ lệ
- Mô hình Hiroyasu và Kadota:
R s,f = − KP T exp / ( 10000 b ) (5.8)
P : Áp suất khí
Tb : Nhiệt độ khí cháy
K : Hằng số tỉ lệ
- Mô hình Morel

)R
s,f =
−
+A R
A T
f Y
f
o
1
2
1 4 76
2
exp /
,
(5.9)
A
1, A2 : Các hằng số
R
f : Tốc độ cháy của nhiên liệu
T
f : Nhiệt độ ngọn lửa
Y
O2 : Nồng độ oxy có mặt trong vùng cháy
5.6.3. Mô hình hóa sự oxy hóa bồ hóng
Thực nghiệm cho thấy rằng tốc độ cháy bề mặt của bồ hóng tương đương với tốc
độ cháy bề mặt của graphite. Do đó công thức thực nghiệm của Nagle và StriclandConstable thường được dùng trong tính toán tốc độ oxy hoá bề mặt graphite cũng được
dùng để tính toán sự oxy hóa bồ hóng. Theo đó, tốc độ oxy hoá bề mặt bồ hóng Rs,c được
viết như sau:
R
c
d
k P
s c s k P k P
s s
A o
z o
, B o
.= ( )+
+ −⎛⎜⎜⎝⎞⎟⎟⎠720
1
2 1
2
2ρ
χ
χ (kgm-3 s-1 ) (5.10)
trong đó các hằng số được xác định như sau:Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel74
k T)
k T)
k T)
k T)
A B T Z= −
= −
= −
=⎧⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎩
−20 15100
4 4610 7640
15110 48800
21 3 2060
3
5
exp( /
, . exp( /
, . exp( /
, exp( /
(5.11)
P
O2 là áp suất riêng của oxy tính bằng atmχ =
+1
1
2
kk
T P
B
o
(5.12)
Ngoài ra, còn có nhiều mô hình tính toán tốc độ oxy hóa bồ hóng như:
- Mô hình Lee:
R P T T
c
s c o d
s
s s
,
, . . . exp( / ). = − 6 51 10 19800 5 1 2 2 − /ρ(kgm-3s-1) (5.13)
- Mô hình Magnussen:
R P T
P T
c
s c d
o
o
s
s s
,
, . . exp( / )
, . . exp( / )= .−
+ −1 83 10 29000
1 3 10 10 29300
8 2
10 2
2
2 ρ(kgm-3s-1) (5.14)
- Mô hình Jones:
R P P T T
s c O H O ,= 1 4 / / / 2 . . exp( / ) 1 2 1 2 2 − −19000 (kgm-3s-1) (5.15)
- Mô hình Hiroyasu và Kadota:
R
cd
P T
s c
s
s s
, = − 6 O2 .exp( / ) 20000ρ(kgm-3s-1) (5.16)
- Mô hình Morel:
R B
c
d
B T P
s c
s
s s
, f O= − 1 2 exp( / ). 1 2 /
2ρ(kgm-3s-1) (5.17)
B
1, B2 : Các hằng số
- Mô hình "eddy-dissipation" của Magnussen:Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel75
Dựa trên cùng nguyên tắc mô tả quá trình cháy khuếch tán của nhiên liệu,
Magnussen đưa ra mô hình "eddy-dissipation" ứng dụng trong quá trình cháy của bồ hóng.
Theo mô hình này, tốc độ cháy bồ hóng được tính theo quan hệ sau đây:
R A c
s c s , . = k⎛⎜⎝⎞⎟⎠
ε(kgm-3s-1) (5.18)
trong đó : A : Hằng số
c
s : Nồng độ bồ hóng ( kg/m3)
k : Động năng rối (m2/s2)
e : Tốc độ tiêu tán động năng rối (m2/s2)
Quan hệ này được áp dụng trong vùng có thừa oxygène. Trong trường hợp thiếu
oxygène, Magnussen đề nghị tính tốc độ cháy bồ hóng theo công thức:
R A
c
r k
c r
c r c r
s c
o s
s s
s s f f
,
. =⎛⎜⎝⎞⎟⎠
+⎛⎜⎝⎞⎟⎠2 ε(kgm-3s-1) (5.19)
r
s, rf theo thứ tự là lượng oxygène cần thiết để đốt cháy hoàn toàn một kg bồ hóng
và một kg nhiên liệu (kg/kg) theo lí thuyết; cO2 là nồng độ oxygène (kg/m3). Tốc độ cháy
bồ hóng là giá trị nhỏ nhất trong hai giá trị tính theo (5.18) và (5.19). Tốc độ hình thành bồ
hóng cuối cùng được xác định bởi biểu thức:
R
s = Rs,f - Rs,c (kgm-3s-1) (5.20)
5.6.4. Xây dựng mô hình tạo bồ hóng trong buồng cháy động cơ Diesel
Việc tính toán và xây dựng mô hình tạo bồ hóng trong buồng cháy động cơ Diesel
cần được thực hiện đồng thời với mô hình quá trình cháy khuếch tán. Sơ đồ lôgic của mô
hình tính toán được trình bày như trên hình 5.18. Kết hợp với mô hình ngọn lửa khuếch
tán bên ngoài động cơ, chúng ta có thể xây dựng được mô hình quá trình cháy của ngọn
lửa bên trong động cơ theo các điều kiện ban đầu ở góc quay trục khuỷu αi. Như vậy, ở
mỗi bước góc quay trục khuỷu xác định, chúng ta có được nồng độ nhiên liệu, nồng độ
oxygène và nhiệt độ cục bộ. Từ đó nồng độ bồ hóng được xác định nhờ các mô hình vừa
trình bày trên đây.
Đối với quá trình cháy trong động cơ Diesel, hiện nay người ta có thể áp dụng
nhiều mô hình khác nhau để tính toán nồng độ bồ hóng. Tuy nhiên, trong các mô hình đó,
mô hình Tesner-Magnussen thể hiện được đầy đủ bản chất của quá trình lí hóa hình thành
bồ hóng trong ngọn lửa khuếch tán nhất.Mô hình nhiệt động
học trong cylindre
Quy luật
phun nhiên liệuĐiều kiện ban đầu ở góc
quay trục khuỷu αi
Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel76Hình 5.18: Sơ đồ tính toán quá trình cháy và tạo bồ hóng
trong động cơ Diesel phun trực tiếpTrong tính toán nồng độ bồ hóng theo mô hình Tesner-Magnussen, năng lượng
kích hoạt E (quyết định tốc độ sản sinh bồ hóng) và hệ số oxy hóa A (quyết định tốc độ
oxy hóa bồ hóng) sẽ được chọn tùy thuộc vào loại động cơ và loại buồng cháy. Hình 5.19
trình bày một số kết quả so sánh giữa tính toán và thực nghiệm nồng độ bồ hóng trong
buồng cháy động cơ Diesel transparent Lombardini LDA-100. Nồng độ bồ hóng trong
buồng cháy động cơ được đo bằng phương pháp hỏa kế lưỡng sắc. Sự hình thành bồ hóng
được tính theo mô hình Tesner-Magnussen và quá trình cháy được tính toán theo mô hình
ngọn lửa khuếch tán.
Sự phù hợp giữa mô hình và thực nghiệm ở đây cho thấy mô hình TesnerMagnussen có thể được áp dụng để tính toán sự hình thành bồ hóng trong buồng cháy
động cơ Diesel.
fv
L.108
Tính toán
Thực nghiệm
n=1000 v/ph
pa=1,333 barChương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel77
1000 v/ph
pa=1.333bar
5 0
10
15
20
25
30
35
40
-20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70G óc quay t røc khu›u (Ç¶)
N°ng Ç¶ t h‹ t í ch bÒ hóng FvL
FvL[m]*E+8_Thí nghiêm
FvL[m]*E+8_Tính toán

Chương 6 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG
ĐẾN NỒNG ĐỘ CÁC CHẤT
Ô NHIỄM TRONG KHÍ XẢ
ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG6.1. Giới thiệu

Nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả phụ thuộc vào đặc điểm động cơ cũng như các thông số điều chỉnh, vận hành. Về đặc điểm, động cơ 2 kì cổ điển nói chung có mức độ phát ô nhiễm cao hơn động cơ 4 kì do quá trình tạo hỗn hợp không hoàn thiện. Tuy nhiên, động cơ 2 kì hiện đại phun nhiên liệu trực tiếp trong buồng cháy đang được nghiên cứu phát triển sẽ khắc phục được nhược điểm này và trở thành loại động cơ có nhiều triển vọng trong tương lai. Động cơ Diesel có hiệu suất cao hơn động cơ đánh lửa cưỡng bức nhưng do quá trình cháy khuếch tán và làm việc với hệ số dư lượng không khí cao, trong sản phẩm cháy có chứa bồ hóng và NOx, những chất ô nhiễm mà việc xử lí nó trên đường xả ngày nay vẫn còn nhiều vướng mắc về mặt kĩ thuật. Động cơ sử dụng nhiên liệu khí bắt đầu phát triển từ những năm đầu của thập niên 1990 có rất nhiều ưu điểm về mặt phát sinh ô nhiễm. Thực nghiệm đo được trên những động cơ này cho thấy động cơ sử dụng khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) hay khí thiên nhiên (NGV) thỏa mãn dễ dàng các tiêu chuẩn ô nhiễm môi trường khắt khe nhất hiện nay (tiêu chuẩn ULEV chẳng hạn). Tuy nhiên sự phát triển chủng loại động cơ này phụ thuộc nhiều điều kiện, đặc biệt là điều kiện cơ sở hạ tầng phục vụ cho việc cung cấp nhiên liệu khí. Mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ cũng phụ thuộc đáng kể vào điều kiện vận hành. Việc điều chỉnh không phù hợp các thông số công tác cũng nhưviệc lựa chọn chế độ làm việc không hợp lí dẫn đến sự gia tăng đáng kể nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả. Luật môi trường ngày càng trở nên khắt khe buộc người ta phải áp dụng các biện pháp xử lí khí xả sau khi thoát ra khỏi động cơ bằng bộ xúc tác. Tuy nhiên tỉ lệ biến đổi các chất ô nhiễm của ống xả xúc tác chỉ đạt được giá trị yêu cầu khi nhiệt độ khí xả đạt được giá trị nhất định. Vì vậy cần phải làm giảm nồng độ các chất ô nhiễm đến mức thấp nhất trước khi xử lí ở bộ xúc tác. Tất cả những điều chỉnh hay thay đổi kết cấu bên trong động cơ đều gây ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm.
6.2. Trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 79
6.2.1. Động cơ hai kì Mặc dù có nhiều cải tiến về kết cấu nhằm hạn chế sự hòa trộn giữa khí cháy và khí chưa cháy, đặc biệt đối với động cơ dùng bộ chế hòa khí, nhưng vẫn không tránh khỏi sự thất thoát một bộ phận khí mới làm tăng sự phát sinh HC và làm giảm tính năng kinh tế kĩ thuật của động cơ hai kì. Thêm vào đó, khi làm việc ở tải cục bộ, dạng động cơ này dễ bỏ lửa làm tăng HC. Một trong các giải pháp làm giảm tổn thất nhiên liệu trong quá trình quét khí là làm thay đổi sự phân bố độ đậm đặc của hỗn hợp nhiên liệu không khí trong xy lanh sao cho chỉ có hỗn hợp nghèo mới thoát ra đường thải. Một giải pháp khác có hiệu quả hơn là phun nhiên liệu vào buồng cháy một khi cửa thải đã đóng. Tuy nhiên với giải pháp này người ta phải dùng một bơm do động cơ dẫn động do đó nó làm giảm đi một ít công suất có ích của động cơ. Mặt khác, so với động cơ 4 kì, thời gian cuối của quá trình nén (sau khi đóng cửa nạp và cửa thải) rất ngắn đòi hỏi phải phun nhiên liệu với tốc độ lớn, do đó một bộ phận nhiên liệu bám lên thành buồng cháy làm tăng nồng độ HC trong khí xả. Một giải pháp tiết kiệm hơn là phun nhiên liệu bằng không khí ở áp suất cao trích ra trong giai đoạn nén. Để tránh hiện tượng bám nhiên liệu trên thành, người ta dùng một vòi phun áp suất thấp được đặt trong một buồng cháy dự bị trước xúpáp nạp phun trực tiếp trước một hỗn hợp rất đậm với tốc độ tương đối thấp. Kĩ thuật quét khí cháy bằng không khí cho phép hạn chế tối đa sự phát thải HC trong khí xả. Kĩ thuật này cho phép giảm được từ 80% đến 90% nồng độ HC so với giá trị thông thường đối với động cơ hai kì cổ điển. Nồng độ NOx trong khí xả của động cơ hai kì hiện đại cao hơn một chút so với động cơ 2 kì cổ điển do hiệu suất cháy cao hơn và làm việc với hỗn hợp nghèo hơn.
6.2.2. Động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo Động cơ đánh lửa cưỡng bức làm việc với hỗn hợp nghèo đã được nghiên cứu từ lâu nhằm giảm suất tiêu hao nhiên liệu dẫn đến giảm nồng độ CO2, chất 'ô nhiễm' được quan tâm nhiều trong những năm gần đây vì nó là chất khí gây hiệu ứng nhà kính. Khi động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo (hệ số dư lượng không khí a >1,25), nồng độ các chất ô nhiễm chính (CO, HC, NOx) đều giảm. Khi hệ số dư lượng không khí thay đổi từ a=1,0 đến a=1,4, suất tiêu hao nhiên liệu giảm đi 7%, nồng độ NOx có thể giảm đến 85% so với động cơ làm việc với hỗn hợp có a=1 nếu kết hợp với việc giảm một cách hợp lí góc đánh lửa sớm. Tuy nhiên ưu điểm này chỉ có được trong điều kiện hỗn hợp gần nến đánh lửa có thể bốc cháy và sự lan tràn màng lửa diễn ra một cách bình thường. Điều này đòi hỏi việc tổ chức tốt quá trình cháy cũng như phân bố hợp lí độ đậm đặc của hỗn hợp trong buồng cháy. Khi gia tăng hệ số dư lượng không khí hay làm bẩn hỗn hợp bằng khí xả hồi lưu vượt quá một giới hạn cho phép sẽ dẫn đến:
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 80 - giảm tốc độ cháy, điểm cực đại của áp suất sẽ lệch về phía giai đoạn giãn nở dù đánh lửa sớm hơn - momen phát ra không đều dẫn tới sự làm việc không ổn định - thường xuyên bỏ lửa - gia tăng mức độ phát sinh HC - gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu do tốc độ cháy giảm Những giải pháp cho phép động cơ hoạt động gần giới hạn nghèo của hỗn hợp có thể chia làm ba loại: - Các giải pháp tác động trước khi hỗn hợp vào cylindre: chuẩn bị và định lượng hỗn hợp nhiên liệu (chế hòa khí hay phun), hệ thống điều chỉnh hỗn hợp, thiết kế hợp lí đường nạp - Các biện pháp tác động bên trong động cơ: hình dạng buồng cháy, bố trí soupape và nến đánh lửa - Các biện pháp tác động trên đường thải: thiết kế đường thải, trang bị bộ xúc tác oxy hóa để hạn chế CO và HC Để động cơ có thể làm việc với hỗn hợp nghèo người ta áp dụng giải pháp nạp phân lớp hỗn hợp nhiên liệu-không khí vào xy lanh động cơ sao cho ở gần điểm đánh lửa, độ đậm đặc của hỗn hợp cao hơn giá trị trung bình để có thể bén lửa và bốc cháy. Người ta đã thử nghiệm nhiều hệ thống tạo hỗn hợp phân lớp nhưng hiện nay chỉ có hai dạng được ứng dụng khả quan nhất: hệ thống buồng dự bị (dạng CVCC) và hệ thống phun trực tiếp (dạng PROCO) - Hệ thống Honda CVCC dùng một buồng cháy phụ nhỏ có soupape nạp riêng (hình 6.1). Hỗn hợp giàu được nạp vào buồng cháy phụ còn hỗn hợp rất nghèo được nạp vào buồng cháy chính qua soupape nạp thông thường. Hỗn hợp giàu trong buồng cháy phụ được đốt bằng tia lửa điện. Sản phẩm cháy có nhiệt độ cao thoát ra khỏi buồng cháy phụ và tiếp tục đốt cháy hỗn hợp nghèo trong buồng cháy chính. Hệ thống này làm giảm nhiệt độ cực đại của quá trình cháy, do đó làm giảm NOx, nhưng vẫn đủ cao để oxy hóa HC. Mặt khác, do độ đậm đặc của hỗn hợp thấp nên nồng độ CO trong khí xả cũng giảm. Động cơ làm việc với hệ thống này có suất tiêu hao nhiên liệu riêng thấp, nhưng công suất lít của cylindre cũng giảm. Do đó từ năm 1986 nó không còn được nghiên cứu nữa và thay vào đó, người ta nghiên cứu một hệ thống tương tự trong đó bộ chế hòa khí được thay thế bằng hệ thống phun. Ở hệ thống mới này, vòi phun phun nhiên liệu có áp suất 3,5 MPa tạo nên vùng hỗn hợp giàu gần nến đánh lửa trong buồng cháy phụ có kích thước bé. Hệ thống này làm giảm NOx nhưng làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu.
Hỗn hợp
giàu
Hỗn hợp
nghèo
Họng
thông Nạp Nén Cháy
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 81
Hình 6.1: Sơ đồ động cơ tạo hỗn hợp phân lớp sử dụng buồng cháy phụ - Hệ thống Ford PROCO thực hiện sự phân lớp hỗn hợp bằng cách phun nhiên liệu trực tiếp vào trong buồng cháy (hình 6.2). Hệ thống này không có buồng cháy phụ nhưng sử dụng một buồng cháy khoét lõm trên đỉnh piston. Người ta sử dụng một tia phun có góc phun rất rộng với hỗn hợp giàu được phun vào giữa cylindre bởi một vòi phun có độ xuyên thâu bé. Hỗn hợp này được đốt nhờ tia lửa điện và lan đến hỗn hợp chung quanh nghèo hơn ngay khi piston đi xuống nhờ cường độ xoáy lốc mạnh.
Hình 6.2: Sơ đồ động cơ tạo hỗn hợp phân lớp phun trực tiếp PROCO - Hệ thống TEXACO TCCS: Khác với hệ thống PROCO, hệ thống này phun nhiên liệu theo phương tiếp tuyến với buồng cháy và hướng về phía nến đánh lửa và quá trình đánh lửa được kéo dài. Việc điều chỉnh tối ưu thời gian phun và thời điểm đánh lửa cho phép khởi đầu quá trình cháy ở thời điểm mà hỗn hợp giàu đạt đến nến đánh lửa; màng lửa được giữ lại ở đó với điều kiện nhiên liệu được khuếch tán ra không khí chung quanh. Hệ thống này có những nhược điểm giống như động cơ Diesel (hỗn hợp không đồng nhất) và phát sinh nhiều hạt rắn trong khí xả. Giải pháp hạn chế nhược điểm của việc đánh lửa là sử dụng ngọn lửa điện có năng lượng lớn hơn (tăng khoảng cách giữa hai điện cực, kéo dài thời gian đánh lửa), giảm tổn thất nhiệt ở nến đánh lửa (cực đánh lửa nhỏ, giảm đường kính nến đánh lửa từ 14 xuống 10mm) và tăng số điểm đánh lửa. Năng lượng đánh lửa hiện nay (khoảng 10mJ) là đủ để đảm bảo sự hoạt động ổn định và mức độ phát sinh HC bé nhất. Bố trí hai nến đánh lửa
Vòi phun
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 82 trong buồng cháy cho phép tăng xác suất đánh lửa, tăng năng lượng đánh lửa và tốc độ cháy mà không làm tăng tổn thất nhiệt. Nhưng giải pháp này làm tăng giá thành và làm giảm tuổi thọ của hệ thống đánh lửa. Những khuynh hướng khác dựa vào sự gia tăng cường độ rối trong buồng cháy động cơ. Bằng cách thay đổi dạng hình học của buồng cháy, nguy cơ màng lửa bị tắt có thể giảm bằng cách giảm tỉ số diện tích bề mặt/thể tích và gia tăng cường độ rối trong quá trình nạp để gia tăng tốc độ cháy. Sự cải tiến dạng buồng cháy cho phép giảm một ít áp suất cực đại, giảm NOx nhưng cho tới nay người ta chưa tìm được dạng buồng cháy lí tưởng nhất và sự thay đổi hình dạng buồng cháy dường như không gây ảnh hưởng đến sự phát sinh HC. Giải pháp đầu tiên làm tăng cường độ rối là thiết kế đường nạp hợp lí. Sự gia tăng cường độ xoáy lốc cho phép giảm khoảng thời gian từ lúc bật tia lửa điện đến khi hỗn hợp bắt đầu cháy cũng như thời gian cháy; các giá trị này có độ lớn tương đương với quá trình cháy cổ điển. Giải pháp thứ hai là trang bị hai soupape nạp cho mỗi cylindre hay lắp trên soupape nạp một bản dẫn hướng. Soupape này đóng lại ở tải cục bộ và mở khi đầy tải. Giải pháp cuối cùng làm tăng cường độ rối ở động cơ riêng rẽ là thực hiện một tia khí cao tốc phun trong một ống dẫn có tiết diện nhỏ hơn ống nạp chính theo hướng tiếp tuyến với thành cylindre ở vị trí soupape nạp. Hệ thống này có hai bướm gió được điều khiển một cách riêng rẽ theo tải động cơ. Nó có ưu điểm là không làm thay đổi dạng hình học của buồng cháy, không cần thiết đánh lửa hai điểm nhưng vẫn cho phép động cơ chạy ở chế độ không tải với độ đậm đặc thấp. Sự gia tăng cường độ rối bằng cách thêm tia khí cho phép dịch chuyển giới hạn cháy ổn định về phía độ đậm đặc thấp hơn (từ 0,95 xuống 0,75), cho phép nhận được sự làm việc ổn định hơn ở chế độ không tải. Khi động cơ làm việc với độ đậm đặc 0,7 thay vì 0,8, nồng độ NOx chỉ còn 1/6 và nồng độ CO giảm đi 50% nhưng làm tăng HC. Vận động rối trong buồng cháy cũng cho phép sử dụng thuận lợi hệ thống hồi lưu khí xả: chẳng hạn nó cho phép tăng từ 20% lên 28% lượng khí xả hồi lưu để làm giảm NOx mà không làm tăng HC. Khi dùng hệ thống phun tập trung quá trình tạo hỗn hợp được cải thiện hơn so với khi sử dụng hệ thống phun riêng rẽ vì thời gian bay hơi của hỗn hợp được kéo dài hơn. Vì vậy hệ thống này cho phép giảm được từ 10 đến 15% HC trong cùng điều kiện làm việc với động cơ phun riêng rẽ. Khi tăng nhiệt độ khí nạp hỗn hợp cũng được chuẩn bị tốt hơn do sự bốc hơi nhiên liệu diễn ra thuận lợi hơn: cùng độ đậm đặc như nhau, nồng độ HC giảm từ 20 đến 30% khi tăng nhiệt độ khí nạp từ 25 lên 80°C, nhưng làm tăng nồng độ NOx từ 35 lên 55%. Do 70 đến 80% nồng độ CO và HC liên quan đến hai phút đầu tiên của chu trình khởi động nguội, theo qui trình FTP-75, vì vậy sấy cục bộ đường nạp trong giai đoạn bộ xúc tác chưa
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 83 đạt được nhiệt độ khởi động sẽ cho phép làm giảm được nồng độ những chất ô nhiễm này. Trong thực tế, người ta bố trí ở mỗi đường nạp của động cơ phun nhiều điểm những phần tử cấp nhiệt để nâng nhiệt độ khu vực sấy lên khoảng 40 đến 50°C và các tia phun hướng về các khu vực này. Công suất điện cung cấp cho những phần tử nhiệt này giảm dần và cắt đi hoàn toàn khi nhiệt độ nước làm mát khoảng 60-65°C. Tốc độ lưu thông của khí nạp cũng ảnh hưởng đến mức độ phát sinh HC. Tốc độ này được khống chế bởi đường kính soupape nạp. Khi giảm đường kính soupape nạp từ 35 đến 29mm thì mức độ phát sinh HC giảm đi được từ 15 đến 25%. Khi phun riêng rẽ, vị trí đặt vòi phun trong trường hợp cylindre có hai soupape nạp có ảnh hưởng lớn đến mức độ phát sinh HC cũng như momen của động cơ. Tuy nhiên vị trí đặt vòi phun chủ yếu được lựa chọn sao cho động cơ có thể được khởi động dễ dàng. Người ta cũng nghiên cứu những hệ thống để cải thiện việc chuẩn bị hỗn hợp trong trường hợp phun riêng rẽ như sấy nóng hỗn hợp, phun khí nạp với tốc độ lớn, xé tia phun bằng siêu âm... Chất lượng xé tơi tia phun đóng vai trò quan trọng đến mức độ phát sinh ô nhiễm. Những hạt nhiên liệu có đường kính bé sẽ bị cuốn theo dòng không khí trong ống xoắn của đường nạp, giảm nguy cơ va chạm vào thành. Khi đường kính thủy lực của hạt nhiên liệu khoảng 10 micron thì sự va chạm của hạt nhiên liệu vào thành hầu như không xảy ra, đảm bảo sự phân bố tối ưu của hỗn hợp nhiên liệu không khí giữa các cylindre. Trong thực tế, bộ chế hòa khí cho phép phân bố tốt hỗn hợp khi động cơ làm việc ở tải thấp, ngược lại phun nhiên liệu đảm bảo sự phân bố tốt hỗn hợp khi động cơ làm việc ở tải cao. Thật vậy, ở chế độ tải thấp do độ chân không trên đường nạp lớn, chất lượng xé tơi nhiên liệu sau khi ra khỏi vòi phun trong trường hợp bộ chế hòa khí tốt hơn; ngược lại trong trường hợp tải cao, chất lương xé tơi nhiên liệu xấu đi rất nhiều so với trường hợp phun nhiên liệu. Điều chỉnh góc độ phối khí cũng có ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm. Góc độ này được điều chỉnh sao cho các giá trị áp suất cực đại, momen ở chế độ tải thấp tối ưu cũng như khả năng động cơ làm việc ổn định khi chạy không tải với tốc độ thấp. Tăng thời kì trùng điệp ở chế độ không tải làm tăng mức độ phát sinh ô nhiễm và sự làm việc không ổn định của động cơ, nhưng nó cải thiện tính năng động cơ ở chế độ tốc độ cao đồng thời cũng làm giảm NOx do hỗn hợp nạp mới bị làm bẩn bởi một bộ phận khí cháy đẩy vào đường nạp khi piston đi lên. Sự gia tăng góc độ trùng điệp hợp lí có thể làm giảm được 80% nồng độ HC. Lượng HC trong sản phẩm cháy thoát ra đường thải có thể được xem chứa trong hai bọng khí: bọng khí thứ nhất tương ứng với những thể tích chết ở gần soupape thải (các không gian chết quanh soupape, ren nến đánh lửa...) và bọng khí thứ hai tương ứng với thể tích chết xa hơn (khe hở segment...). Gia tăng góc độ trùng điệp có thể loại trừ hoàn toàn bọng khí thứ hai ở đường xả. Khi thời gian cháy giảm, nhiệt độ cháy tăng, mức độ phát sinh NOx gia tăng. Giảm góc đánh lửa sớm trong một số điều kiện làm việc của động cơ cho phép kéo dài thời gian cháy, do đó nhiệt độ cháy giảm, thuận lợi cho việc giảm NOx. Mặt khác, đánh lửa muộn làm gia tăng nhiệt độ khí thải tạo điều kiện thuận lợi cho việc đốt cháy thành phần HC có mặt trong khí xả.
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 84 Gia tăng tỉ số S/D làm tăng tốc độ cháy và tạo điều kiện dễ dàng cho sự bén lửa do đó động cơ có thể làm việc với hệ số dư lượng không khí cao hơn. Điều này có lợi trong trường hợp động cơ làm việc với tải cục bộ nhưng ít có lợi khi động cơ làm việc ở tải cao. Một phương án khác để làm tăng tốc độ cháy và tốc độ lan tràn màng lửa là tăng tỉ số nén (đến 18), trong điều kiện không xảy ra hiện tượng kích nổ. Tăng tỉ số nén có khuynh hướng tăng mức độ phát sinh NOx. Khi động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo hay giàu, nồng độ NOx đều giảm mạnh (hình 6.3). Hoàn thiện việc chuẩn bị hỗn hợp bao hàm việc khống chế đúng mức độ đậm đặc trong mỗi cylindre ngay cả trong giai đoạn quá độ. Phương án tốt nhất là phun nhiên liệu riêng rẽ kết hợp với sấy nóng vòi phun và đường nạp. Phương án này còn cho phép cải thiện tính năng khởi động ở trạng thái nguội. Mặt khác sấy nóng đường nạp còn có tác dụng đặc biệt trong việc tránh sự ngưng tụ nhiên liệu trên thành đường nạp (lớp nhiên liệu ngưng tụ này sẽ bốc hơi lại ở chế độ đầy tải làm tăng độ đậm đặc của hỗn hợp). Làm mát riêng rẽ thân động cơ và nắp cylindre cho phép duy trì thân động cơ một nhiệt độ cao hơn nắp cylindre điều này cho phép thu hồi nhiệt độ thân máy ở tải thấp có tác dụng tích cực đến việc giảm HC và NOx.
Hình 6.3: Ảnh hưởng của tỉ số nén đến mức độ phát sinh ô nhiễm và suất tiêu hao nhiên liệu
(động cơ xăng 4 cylindre, dung tích 2 lít, l: độ đậm đặc của hỗn hợp; be: suất tiêu hao nhiên liệu,
we
: công có ích, e: tỉ số nén, _ _ : e = 9,3; -.-: e =11,0; ---: e =13,0; ___: e =15,0) Khi động cơ chuyển sang làm việc với hỗn hợp nghèo, sự lệch chu kì của áp suất chỉ thị trung bình sẽ trở nên quan trọng: nếu độ đậm đặc của hỗn hợp l=0,8, áp suất có ích trung bình dao động cực đại 20kPa, dao động này có thể đạt 140kPa khi l=1,2. Do đó, để cải thiện tính năng phát lực của động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo, người ta phải khống chế sự dao động của momen (đo được bằng cảm biến gia tốc lắp trên bánh đà của động cơ) bằng cách điều chỉnh thời điểm bắt đầu phun và thời gian phun nhờ một hệ thống khép kín hay theo biểu đồ thiết lập trước. Sự khống chế dao động momen cũng cho phép giảm đến mức tối thiểu mức độ phát sinh HC, chất ô nhiễm tăng nhanh chóng theo sự làm việc không đồng đều của động cơ. N=2000 v/ph
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 85
6.2.3 Ảnh hưởng của các chế độ vận hành động cơ xăng
6.2.3.1. Cắt nhiên liệu khi giảm tốc Để hạn chế nồng độ HC trong giai đoạn động cơ đóng vai trò phanh ô tô (khi giảm tốc nhưng vẫn cài li hợp), biện pháp tốt nhất là ngưng cung cấp nhiên liệu. Tuy nhiên động tác này có thể dẫn tới điều bất lợi là làm xuất hiện hai điểm cực đại HC: đỉnh cực đại HC ở thời điểm cắt nhiên liệu và điểm cực đại thứ hai khi cấp nhiên liệu trở lại. Đối với động cơ dùng bộ chế hòa khí, để tránh giai đoạn quá độ khi động cơ phát lực trở lại, người ta sử dụng một hệ thống cho phép cung cấp thêm nhiên liệu dự trữ. Nhiên liệu này được tích trữ trong hệ thống bù trừ ở giai đoạn giảm tốc. Sự cung cấp nhiên liệu bổ sung này cho phép duy trì được độ đậm đặc của hỗn hợp một cách hợp lí ở thời điểm mở đột ngột bướm ga trở lại. Đối với động cơ phun nhiên liệu, người ta sử dụng một hệ thống cho phép điều chỉnh lượng nhiên liệu phun vào đường nạp theo lưu lượng không khí. Khi giảm tốc, bướm ga đóng lại, một van giảm tốc mở ra để cung cấp không khí cho động cơ và người ta sử dụng lượng không khí này để điều khiển lượng nhiên liệu. Trong trường hợp đó, động cơ hút một thể tích khí lớn hơn trong trường hợp động cơ dùng chế hòa khí. Hai điểm cực đại của HC cũng xuất hiện giống như trong trường hợp động cơ dùng bộ chế hòa khí.
6.2.3.2. Dừng động cơ ở đèn đỏ Chế độ dừng động cơ hợp lí khi ô tô chạy trong thành phố có thể làm giảm đồng thời mức độ phát sinh ô nhiễm và suất tiêu hao nhiên liệu. Thực nghiệm cho thấy khi thời gian dừng ô tô vượt quá một giá trị cực đoan thì nên tắt động cơ. Nếu không xét đến suất tiêu hao nhiên liệu thì việc tắt động cơ không đem lại lợi ích gì về mặt giảm ô nhiễm trong trường hợp động cơ có bộ xúc tác trên đường xả. Trung bình thời gian dừng cực đoan là 50s. Khi vượt quá thời gian này nên tắt động cơ nếu động tác này không làm giảm tuổi thọ của máy khởi động và bình điện.
6.3. Trường hợp động cơ Diesel Kĩ thuật tổ chức quá trình cháy của động cơ Diesel ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ phát sinh ô nhiễm. Động cơ Diesel phun trực tiếp, có suất tiêu hao nhiên liệu riêng thấp hơn động cơ có buồng cháy ngăn cách khoảng 10% và mức độ phát sinh bồ hóng cũng thấp hơn khi động cơ làm việc ở chế độ tải cục bộ. Tuy nhiên động cơ phun trực tiếp làm việc ồn hơn và phát sinh nhiều chất ô nhiễm khác (NOx, HC). Vì vậy, ngày nay dạng buồng cháy này chỉ dùng đối với động cơ ô tô tải hạng nặng. Việc hạn chế mức độ phát sinh ô nhiễm tối ưu đối với động cơ Diesel cần phải cân đối giữa nồng độ hai chất ô nhiễm chính đó là NOx và bồ hóng.
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 86
6.3.1. Ảnh hưởng của góc phun sớm và tối ưu hóa hệ thống phun Ảnh hưởng của chất lượng hệ thống phun đối với động cơ phun trực tiếp lớn hơn đối với động cơ phun gián tiếp về phương diện phát sinh ô nhiễm,. Trong cả hai trường hợp, sự thay đổi góc phun sớm có ảnh hưởng ngược nhau đối với sự phát sinh NOx, HC và bồ hóng (hình 6.4). Tăng góc phun sớm làm tăng áp suất cực đại và nhiệt độ quá trình cháy, do đó làm tăng nồng độ NO. Thông thường, động cơ phun trực tiếp có góc phun sớm lớn hơn nên phát sinh NO nhiều hơn động cơ có buồng cháy ngăn cách. Giảm góc phun sớm là biện pháp hữu hiệu làm giảm nồng độ NOx trong khí xả. Tuy nhiên việc giảm góc phun sớm cần phải xem xét đến chế độ tốc độ và chế độ tải để tránh sự gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu.
Hình 6.4: Ảnh hưởng của góc phun sớm đến
mức độ phát ô nhiễm của động cơ Diesel
Giảm góc phun sớm
Mức độ phát
ô nhiễm NO HC Bồ hóng
Phạm vi thay đổi đối với ô tô từ
1000 đến 1600kg, động cơ buồng
cháy dự bị, không hồi lưu khí xả HC NOx (%) (%)
độ góc quay trục khuỷu
Góc phun tối ưu
Sớm Muộn
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 87
Hình 6.5: Ảnh hưởng của góc phun sớm đến mức độ phát sinh
HC và NO
x (động cơ buồng cháy dự bị, chu trình FTP-75) Mặt khác, khi tăng góc phun sớm, do quá trình cháy trễ kéo dài, lượng nhiên liệu hòa trộn trước với hệ số dư lượng không khí lớn gia tăng. Hỗn hợp này khó bén lửa do đó chúng thường cháy không hoàn toàn và phát sinh nhiều CO. Về mặt lí thuyết, tăng góc đánh lửa sớm có thể làm giảm HC do quá trình cháy có thể diễn ra thuận lợi hơn (hình 6.5), nhưng trên thực tế nó có tác dụng ngược lại. Thật vậy, do thời gian bén lửa kéo dài, nhiên liệu phun ra có thể bám trên thành buồng cháy, đó là nguồn phát sinh HC. Đối với động cơ phun trực tiếp, sự giảm góc phun sớm làm tăng độ khói và cũng làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu nhưng làm giảm nồng độ NOx và thành phần SOF. Đối với động cơ Diesel cỡ lớn, giảm góc phun sớm có thể làm giảm đi 50% nồng độ NO trong khí xả. Đối với động cơ có buồng cháy ngăn cách, giảm góc phun sớm làm làm tăng nồng độ HC nhưng làm giảm nồng độ NO và bồ hóng, đặc biệt là ở chế độ đầy tải. Khi góc phun sớm thay đổi từ 8 đến 23 độ trước ĐCT, lượng bồ hóng tăng gấp đôi theo chu trình thử FTP75 đối với một động cơ buồng cháy ngăn cách có góc đánh lửa sớm bình thường 15 độ trước ĐCT. Sự thay đổi góc phun sớm phù hợp theo tốc độ và tải cho phép chọn được vị trí điều chỉnh tối ưu hài hòa giữa nồng độ các chất ô nhiễm và hiệu suất động cơ. Đối với động cơ có buồng cháy dự bị, sự điều khiển góc đánh lửa sớm tối ưu bằng hệ thống điện tử theo chế độ tốc độ và chế độ tải cho phép giảm 15% nồng độ NOx và 25% nồng độ bồ hóng theo chu trình thử FTP75 trong phạm vi gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu không đáng kể. Tốc độ phun cao (nhờ tăng áp suất phun) có ảnh hưởng đến quá trình phát sinh ô nhiễm của động cơ phun trực tiếp. Thật vậy, do tăng tốc độ hòa trộn nhiên liệu và không khí, lượng nhiên liệu cháy ở điều kiện hòa trộn trước gia tăng, do đó nồng độ NOx tăng nhưng lượng bồ hóng giảm. Tuy nhiên sự gia tăng áp suất phun (hơn 100MPa) làm tăng lượng hạt rắn do tăng lượng phát sinh SOF. Sử dụng vòi phun có nhiều lỗ phun đường kính bé làm tăng chất lượng hòa trộn không khí và nhiên liệu do kích thước hạt nhiên liệu giảm, hỗn hợp bốc cháy dễ dàng hơn, bù trừ được sự phun trễ do đó làm giảm NOx. Với cùng lượng phát thải NOx cho trước, sự gia tăng số lượng lỗ phun làm giảm nồng độ bồ hóng. Đối với động cơ phun trực tiếp, áp suất phun tối ưu thay đổi từ 75 đến 100MPa tùy theo chế độ động cơ. Vượt quá áp suất này, với cùng lượng phát sinh NOx, lượng hạt rắn phát sinh giảm nhưng suất tiêu hao nhiên liệu và độ ồn của quá trình cháy gia tăng do sự tăng đột ngột của áp suất. Điều này có thể khắc phục được bằng cách dùng một tia phun mồi. Quy luật phun cũng có ảnh hưởng quan trọng đến quá trình phát sinh các chất ô nhiễm. Thời gian phun rút ngắn, áp suất phun cao cho phép gia tốc quá trình cung cấp nhiên liệu dẫn đến giảm lượng HC không cháy hết. Các tiến bộ mới đây về kĩ thuật phun nhằm giảm mức độ phát sinh ô nhiễm bao gồm quy luật phun hai giai đoạn, quy luật phun
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 88 ‘hình chữ nhật’ (phun đều đặn nhiên liệu và cắt nhanh khi kết thúc phun) để tránh hiện tượng phun rớt. Phun rớt là nguyên nhân làm tăng hydrocacbure chưa cháy và hạt rắn trong khí xả động cơ. Đối với động cơ có buồng cháy ngăn cách, sự khống chế lưu lượng nhiên liệu kèm theo việc giảm góc phun sớm có thể làm giảm 30% lượng NOx trong khí thải nhưng làm tăng lượng HC lên 100%, CO lên 70% và bồ hóng lên 150%. Để có thể đảm bảo qui luật phun phù hợp ở mọi chế độ làm việc của động cơ cả về phương diện phát ô nhiễm lẫn tính năng kinh tế-kĩ thuật, trên những động cơ thế hệ mới hiện nay người ta sử dụng cảm biến
λ lắp trên đường xả. Kết hợp thông số cho bởi cảm biến này với các cảm biến áp suất, nhiệt độ khí nạp và tốc độ động cơ người ta co thể điều khiển chính xác thời điểm phun và lượng nhiên liệu cung cấp cho mỗi chu trình. Giải pháp này đặc biệt có lợi đối với động cơ Diesel lắp trên ô tô nhằm giảm độ khói khi gia tốc.
6.3.2. Ảnh hưởng của dạng hình học buồng cháy Dạng buồng cháy hợp lí cho phép tránh được lớp nhiên liệu bám trên thành do đó giảm được nồng độ HC trong khí xả. Đối với động cơ phun trực tiếp, biện pháp có hiệu quả nhất để làm giảm nồng độ bồ hóng là gia tăng cường độ rối và kết hợp với việc sử dụng vòi phun nhiều lỗ. Buồng cháy tốt cần thỏa mãn các điều kiện sau đây: - Hành trình tự do của tia nhiên liệu trong buồng cháy lớn. - Bề mặt buồng cháy trên piston đủ lớn để tránh sự giao thoa của các tia phun. - Cường độ rối cao trong vùng phân bố tia nhiên liệu. - Tiếp tục duy trì được vận động rối của dòng khí trong buồng cháy sau ĐCT. Việc gia tăng áp suất trong buồng cháy đơn thuần có khuynh hướng thuận lợi cho sự hình thành bồ hóng. Tuy nhiên, sự gia tăng áp suất cực đại sẽ làm tăng đồng thời nhiệt độ khí cháy cho phép gia tăng tốc độ oxy hóa bồ hóng nên lượng bồ hóng trong khí xả không tăng. Sự gia tăng áp suất làm tăng độ ồn và sự phát sinh NOx. Đối với động cơ phun trực tiếp, tỉ lệ nén cao cho phép khởi động dễ dàng ở nhiệt độ thấp. Sự gia tăng tỉ số nén vừa phải đồng thời cũng làm giảm HC và thành phần SOF của hạt rắn. Khi tỉ số nén tăng quá cao, động cơ sẽ phát sinh nhiều bồ hóng ở chế độ đầy tải. Vì vậy ở động cơ có tỉ số nén lớn, cần phải thiết kế dạng buồng cháy tối ưu cho phép tăng cường sự dịch chuyển của dòng không khí thuận lợi cho việc đốt cháy bồ hóng. Để tăng cường tốc độ đốt cháy bồ hóng, người ta thiết kế thêm một buồng chứa không khí bổ sung ở động cơ phun trực tiếp. Buồng không khí bổ sung này lưu trữ không khí trong kì nén và lượng không khí đó sẽ cung cấp lại cho buồng cháy động cơ ở kì giãn nở để tạo điều kiện oxy hóa hạt bồ hóng. Tuy nhiên, kết cấu này làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu. Ở động cơ phun gián tiếp, buồng không khí bổ sung cho phép làm giảm 40% lượng bồ hóng phát sinh và làm gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu thêm 3%.
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 89 Đối với động cơ có buồng cháy ngăn cách, sự gia tăng tỉ lệ giữa thể tích buồng cháy phụ và buồng cháy chính cho phép giảm sự hình thành bồ hóng nhờ tăng cường thêm không khí cho buồng cháy phụ. Tiết diện đường thông giữa hai buồng cháy khống chế cường độ rối sinh ra ở thời điểm dịch chuyển lượng khí cháy từ buồng cháy phụ sang buồng cháy chính. Giảm nhỏ tiết diện này sẽ làm giảm nồng độ bồ hóng ở chế độ đầy tải nhưng làm tăng lượng bồ hóng ở chế độ tải cục bộ. Trong thiết kế, tiết diện tối ưu của đường nối này được chọn ở chế độ đầy tải.
6.3.3. Ảnh hưởng của vận động rối trong buồng cháy Sự rối phát sinh trong quá trình nạp có ảnh hưởng trái ngược nhau giữa sự phát sinh NOx, tiếng ồn, HC và bồ hóng. Để làm giảm mức độ ảnh hưởng của giai đoạn hỗn hợp đậm đặc đến sự phát sinh bồ hóng trong cylindre, cần tăng hiệu quả của việc hòa trộn nhiên liệu-không khí ngay từ lúc bắt đầu giai đoạn cháy trễ (tăng cường xoáy lốc). Nhưng điều này gây nhược điểm là làm tăng áp suất cực đại trong buồng cháy cùng với sự tăng tiếng ồn và mức độ phát sinh NOx. Hướng tia phun trong buồng cháy dự bị cho phép điều chỉnh được tốc độ hòa trộn nhiên liệu-không khí, do đó cải thiện sự phát sinh bồ hóng. Hướng tia phun cũng ảnh hưởng đến lượng nhiên liệu bám trên thành và đó là nguồn phát sinh HC. Vị trí của vòi phun trong buồng cháy phụ cũng có ảnh hưởng đến sự hình thành NOx.
6.3.4. Ảnh hưởng của chế độ làm việc của động cơ và chế độ quá độ Khi giảm tốc độ động cơ từ 750 đến 680 v/phút, nồng độ các chất ô nhiễm đều giảm khi đo theo chu trình FTP75: HC (-14%); CO(-2%); NO (-3%) và bồ hóng (-5%). Trong thử nghiệm động cơ theo chu trình tiêu chuẩn cũng như trong thực tế, sự thay đổi chế độ tốc độ là yếu tố làm gia tăng sự phát ô nhiễm. Nồng độ bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel gia tăng rất mạnh khi gia tốc vì độ đậm đặc trung bình của hỗn hợp gia tăng. Lượng gia tăng này càng lớn khi thời gian gia tốc càng dài. Để giảm thời gian gia tốc, cần phải tối ưu hóa việc thiết kế động cơ để có thể: - Giảm momen quán tính các bộ phận chuyển động quay - Giảm thể tích các bộ phận nạp thải - Giảm nhiệt dung riêng của hệ thống làm mát - Gia tăng công suất dự trữ
6.3.5. Ảnh hưởng của chỉ số cétane của nhiên liệu Lượng bồ hóng giảm khi thời gian cháy trễ kéo dài, nghĩa là khi dùng nhiên liệu có chỉ số cétane thấp. Tuy nhiên việc sử dụng nhiên liệu có chỉ số cétane thấp có thể dẫn đến những nhược điểm quan trọng: gia tăng độ ồn nếu quá trình cháy bắt đầu quá muộn, gia tăng lượng nhiên liệu bám trên thành cylindre và buồng cháy làm tăng mức độ phát sinh HC và bồ hóng.
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 90
6.3.6. Ảnh hưởng của nhiệt độ khí Giảm nhiệt độ khí nạp sẽ làm giảm nhiệt độ cực đại của quá trình cháy và do đó nồng độ NOx cũng giảm. Vì vậy, ở động cơ tăng áp người ta có khuynh hướng làm mát khí sau máy nén để đảm bảo nhiệt độ khí nạp không vượt quá 500C. Nhưng sự làm mát khí nạp có thể kéo dài thời kì cháy trễ làm tăng mức độ phát sinh ô nhiễm như đã nêu (những giọt nhiên liệu bám vào thành cylindre làm tăng thành phần HC và bồ hóng trong khí xả). Khi khởi động động cơ ở trạng thái nguội, sự sấy buồng cháy hay sấy khí nạp là cần thiết để làm giảm mức độ phát sinh HC và khói trắng. Việc sấy nóng khí nạp có thể thực hiện nhờ nến điện hay bằng cách đốt trước một ít nhiên liệu trong khí nạp. Nhiệt độ của khí đường thải cũng ảnh hưởng đến sự phát sinh ô nhiễm, nhất là đối với thành phần HC. Thật vậy, ở chế độ tải thấp, HC ngưng tụ trên đường thải rồi bốc hơi lại khi tăng tải làm tăng nồng độ HC. Đường thải bằng vật liệu gốm cho phép tái oxyhóa bồ hóng và HC, nhưng làm tăng NOx. Động cơ Diesel phun trực tiếp có buồng cháy bằng vật liệu gốm, không làm mát cho phép làm giảm được nồng độ các chất ô nhiễm ở chế độ tải thấp. Nhưng khi tải cao, nồng độ NOx và bồ hóng đều tăng dù nhiệt độ thành buồng cháy cao cho phép tái đốt cháy bồ hóng ở cuối chu trình.
6.3.7. Ảnh hưởng của tăng áp Monoxy carbon CO hình thành là do quá trình cháy thiếu không khí, đặc biệt là ở tải cao. Do đó, tăng áp là biện pháp hữu hiệu làm giảm CO. Lượng không khí thừa do tăng áp đồng thời cũng cho phép tái đốt cháy bồ hóng, bù trừ lượng tăng bồ hóng do khí xả hồi lưu mang vào buồng cháy. Hệ thống hồi lưu khí xả trong trường hợp động cơ tăng áp có thể làm giảm 50% lượng NOx mà không làm tăng bồ hóng.
6.3.8. Ảnh hưởng của hệ thống hồi lưu khí xả Mặc dù tỉ lệ khí hồi lưu lớn gây tác hại xấu đối với động cơ (tăng mài mòn) nhưng nó có tác dụng đáng kể trong việc làm giảm NOx do giảm nhiệt độ cháy. Đối với động cơ phun trực tiếp làm việc với nhiệt độ khí nạp từ 40-600C (làm việc ở các hầm mỏ), hệ thống hồi lưu khí xả có thể làm giảm 30% và 50% nồng độ NOx theo thứ tự. Nếu làm ẩm thêm không khí nạp, cùng điều kiện làm việc như trên mức độ giảm NOx có thể đạt đến 50% và 85% theo thứ tự. Tuy nhiên, hồi lưu khí xả có tác động xấu đối với các chất ô nhiễm khác: làm tăng nồng độ CO và bồ hóng, ngay cả khi thêm hơi nước. Phun hơi nước cho phép hạn chế phản ứng cracking tạo bồ hóng nhờ giảm nhiệt độ cháy. Đối với động cơ buồng cháy ngăn cách, nồng độ bồ hóng gia tăng trước hết chậm, sau đó tăng nhanh theo lượng nước phun vào buồng cháy phụ; biến thiên của nồng độ CO và HC cũng tương tự. Hơi nước chỉ có tác dụng làm giảm nồng độ NO. Sự điều chỉnh tỉ lệ khí xả hồi lưu cần được căn cứ theo tải và theo tốc độ. Hệ thống điện tử cho phép điều chỉnh van hồi lưu khí xả theo các đường đặc tính chọn trước: cắt lượng khí xả hồi lưu khi động cơ nguội; sau đó lượng khí xả hồi lưu tăng dần phụ thuộc nhiệt độ nước làm mát, áp suất môi trường, lượng nhiên liệu cung cấp. Mặt khác, hệ thống cũng cắt lượng khí hồi lưu ở chế độ gia tốc lớn để hạn chế nồng độ bồ hóng. Hồi lưu khí xả tối ưu cho phép giảm được 40% NOx mà không
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 91 làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu cũng như không làm tăng CO và bồ hóng. Kết hợp với tăng áp, hệ thống hồi lưu khí xả cho phép làm giảm đồng thời NOx, HC và bồ hóng.
6.3.9. Điều khiển vòi phun và hệ thống hồi lưu khí xả Việc điều chỉnh các thông số công tác động cơ thường có tác dụng mâu thuẫn nhau đối với các chất ô nhiễm khác nhau. Tuy nhiên, do mức độ ảnh hưởng đó không đồng đều ở các điểm làm việc khác nhau của động 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

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 NO
x 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 đường nạp để tạo ra độ chân không cần thiết - Sử dụng một bơm đặc biệt để hút khí xả - Trích khí cháy hồi lưu ở trước turbine và sau khi đã qua lọc
100
200
100
200
+4 +2 0 -2 -4 -6
NOx
HC
Góc bắt đầu
phun tối ưu Trễ Sớm Gqtk
Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm của động cơ đốt trong 107
Hình 7.2: Sơ đồ nguyên lí của hệ thống hồi lưu khí xả động cơ Diesel Hiện nay, tỉ lệ khí xả hồi lưu của động cơ Diesel trên ô tô du lịch còn thấp. Trong tương lai, chắc chắn tỉ lệ này phải tăng lên để thỏa mãn luật môi trường ngày càng trở nên khắt khe hơn. Tuy nhiên, khí xả hồi lưu có thể làm tăng một ít nồng độ bồ hóng (hình 7.3) và đó là điều cần phải xem xét. Cũng như đối với động cơ đánh lửa cưỡng bức, khí xả hồi lưu là nguồn gây bẩn đường nạp và buồng cháy. Vì vậy, việc sử dụng rộng rãi hệ thống hồi lưu khí xả trên động cơ Diesel cần phải đi song song với việc phát triển dầu Diesel có chứa chất tẩy.
8 4
12
0,4
0,8
0%
10% 20% 30%
Phát sinh NOx
(mg/g nhiên liệu)
Phát sinh bồ hóng
(mg/g nhiên liệu)
Tỉ lệ khí xả hồi lưu
Van hồi lưu
khí xả
Bộ trao đổi
không khí/không khí
Máy nén
Tốc Bộ vi xử lý
độ
Lưu lượng
nhiên liệu
Lọc khí
Lưu lượng kế
Bơm hút
Van điện/khí nén
Lọc
Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm của động cơ đốt trong 108
Hình 7.3: Ảnh hưởng của tỉ lệ khí xả hồi lưu đến mức độ
phát sinh NOx và hạt rắn Cuối cùng, trong tương lai, việc hoàn thiện bộ điều chỉnh điện tử tổ hợp, tác động cùng lúc đến nhiều thông số: góc phun sớm, lượng nhiên liệu chu trình, lượng khí xả hồi lưu... lắp trên xe du lịch cũng như xe vận tải sẽ góp phần đáng kể vào việc làm giảm mức độ phát ô nhiễm ngay từ trong quá trình cháy.
7.2. Xử lí khí xả bằng bộ xúc tác Việc xử lí khí xả động cơ đốt trong bằng bộ xúc tác đã được nghiên cứu và phát triển ở Mĩ cũng như ở Châu Âu từ những năm 1960. Đầu tiên, người ta sử dụng các bộ xúc tác oxy hóa trên những động cơ hoạt động với hỗn hợp giàu. Sau đó, hệ thống xúc tác lưỡng tính đã được phát triển để xử lí khí xả. Hệ thống này bao gồm bộ xúc tác khử, bộ cung cấp không khí và bộ xúc tác oxy hóa. Bộ xúc tác 'ba chức năng' đầu tiên được đưa vào sử dụng từ năm 1975 trên động cơ đánh lửa cưỡng bức làm việc với hệ số dư lượng không khí a xấp xỉ 1 và trở thành bộ xúc tác được ứng dụng rộng rãi nhất hiện nay. Từ năm 1990, các bộ xúc tác mới được áp dụng trên động cơ đánh lửa cưỡng bức làm việc với hỗn hợp nghèo, động cơ Diesel và động cơ 2 kì. Trong khi chờ đợi những giải pháp kĩ thuật lí tưởng nhằm hạn chế triệt để các chất ô nhiễm từ trong quá trình cháy thì việc xử lí khí xả bằng xúc tác là biện pháp hữu hiệu nhất để giảm mức độ phát sinh ô nhiễm của ô tô. Người ta ước tính đến năm 2000-2005 sẽ có hơn 80% ô tô lưu hành được trang bị bộ xúc tác.
7.2.1. Bộ xúc tác ba chức năng Bộ xúc tác 'ba chức năng' (three-way) là bộ xúc tác cho phép xử lí đồng thời CO, HC và NOx bởi các phản ứng oxy hóa-khử (hai chất đầu tiên bị oxy hóa còn chất thứ ba bị khử).
7.2.1.1. Nguyên tắc chung và cấu tạo của bộ xúc tác Các phản ứng chính diễn ra trong bộ xúc tác gồm: Oxy hóa CO O CO C H x y O xCO y H O
x y
+ →
+ +⎛⎜⎝⎞⎟⎠
→ +⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎩ 12 4 2
2 2
2 2 2
Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm của động cơ đốt trong 109
Khº NO H N H O NO CO N CO x y NO C H x y N xCO y H O
x y
+ → +
+ → +
+⎛⎜⎝⎞⎟⎠
+ → +⎛⎜⎝⎞⎟⎠
+ +⎧⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎩
2 2 2
2 2
2 2 2 1212 2 2 4 2 Hai phản ứng oxy hóa diễn ra khi độ đậm đặc f nhỏ hơn hay bằng 1 (hỗn hợp nghèo). Trong khi đó, ba phản ứng phân hủy NO diễn ra thuận lợi trong hỗn hợp giàu. Trong các phản ứng khử, người ta chỉ quan tâm đến NO vì nó là thành phần chủ yếu trong NOx. Trong cùng điều kiện về nhiệt độ, việc oxy hóa CO, HC và khử NOx (nghĩa là 5 phản ứng kể trên phải diễn ra cùng lúc với tốc độ đủ lớn), chỉ có thể diễn ra một cách đồng thời khi hệ số dư lượng không khí của hỗn hợp nạp vào động cơ xấp xỉ 1. Đó là lí do giải thích tại sao tất cả ô tô có bộ xúc tác ba chức năng phải làm việc với tỉ lệ hỗn hợp cháy hoàn toàn lí thuyết và tỉ lệ này được điều chỉnh nhờ cảm biến lambda. Tỉ lệ biến đổi các chất ô nhiễm qua bộ xúc tác rất nhạy cảm đối với sự thay đổi tỉ lệ hỗn hợp (hình 7.4). Mặt khác, việc duy trì thành phần hỗn hợp có f=1 ngoài việc tăng tỉ lệ biến đổi các chất ô nhiễm nó còn hạn chế phản ứng 'nhiễu' tạo N2O (protoxyde nitơ): 2 2 2
2 2
2 2 2
2 2 2 NO CO N O CO NO H N O H O NO hydrocarbure N O H O CO
+ → +
+ → +
+ → + + Cường độ các phản ứng này bé nhất khi độ đậm đặc của hỗn hợp xấp xỉ 1.
Hình 7.4: Biến thiên hiệu quả ống xả xúc tác 3 chức năng theo độ lệch
của tỉ số không khí/nhiên liệu so với giá trị cháy hoàn toàn lí thuyết
20
40
60
80
100
-0,2 -0,1 0 0,1 0,2
HC
CO
NOx
NO--->N2O
Biến thiên tỉ số
Cháy hoàn toàn không khí/nhiên liệu
lí thuyết
Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm của động cơ đốt trong 110 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, được dùng rộng rãi nhất. Gộp đỡ monolithe là những ống trụ tiết diện tròn hay ovale bên trong được 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 thể tích tổng cộng của monolithe khoảng 2-3 lít (0,02-0,03 dm3/kW). Vật liệu gồm dùng phổ biến là cordiérite: 2MgO,2Al2O3,5SiO2. Vật liệu này có ưu điểm là nhiệt độ nóng chảy cao (1400°C) do đó nó có thể chịu đựng được nhiệt độ khí xả và nhiệt độ xúc tác (đôi lúc lên đến 1100°C). Gộp đỡ monolithe kim loại ngày nay có nhiều ưu thế hơn. Nó được chế tạo bằng thép lá không rỉ có bề dày rất bé. Ưu điểm của kim loại là dẫn nhiệt tốt cho phép giảm được thời gian khởi động hệ thống xúc tác. Lớp hoạt tính là nơi diễn ra các phản ứng xúc tác được chế tạo bằng những kim loại quý mạ thành lớp rất mỏng trên vật liệu nền (wash-coat). Vật liệu nền rất cần thiết vì gộp đỡ (kim loại hay gốm) có diện tích bề mặt riêng thấp. Vật liệu nền chủ yếu là một lớp nhôm gamma, bề dày khoảng 20-50 micron được tráng trên bề mặt của rãnh gộp. Sự hiện diện của nó cho phép làm tăng bề mặt riêng của gộp do đó thuận lợi cho hoạt tính xúc tác của kim loại quý. Ngoài nhôm ra, vật liệu nền còn chứa những thành phần ổn định cũng như những kim loại khởi động cho hoạt tính xúc tác. Có 3 loại kim loại quý thường được dùng để tráng trên bề mặt của vật liệu nền: Platine, Palladium, Rhodium. Hai chất đầu tiên (Pt, Pd) dùng cho các phản ứng xúc tác oxy hóa, trong khi đó Rh cần thiết cho phản ứng xúc tác khử NOx thành N2. Thành phần Pt/Pd được lựa chọn dựa trên một số yêu cầu về tính năng của bộ xúc tác: hiệu quả xúc tác ở nhiệt độ thấp, độ bền, tuổi thọ... Khối lượng kim loại quý dùng cho mỗi bộ xúc tác rất thấp, khoảng từ 1 đến 2 gam cho mỗi ô tô. Ngoài ra, bộ xúc tác cũng chứa những chất khác như kền, cérium, lanthane, baryum, zirconium, sắt, silicium... với hàm lượng bé. Những chất này tăng cường thêm hoạt tính xúc tác, tính ổn định và chống sự lão hóa của kim loại quý.
7.2.1.2. Khởi động bộ xúc tác Bộ xúc tác ba chức năng chỉ phát huy tác dụng khi nhiệt độ làm việc lớn hơn 250°C. Khi vượt qua ngưỡng nhiệt độ này, tỉ số biến đổi những chất ô nhiễm của bộ xúc tác tăng rất nhanh, đạt tỉ lệ lớn hơn 90%. Do đó, trên ô tô bộ xúc tác chỉ tác động sau một khoảng thời gian khởi động nhất định để nhiệt độ của bộ xúc tác đạt được giá trị ngưỡng này. Trong khoảng thời gian đó, các chất ô nhiễm trong khí xả hầu như không được xử lí. Thực nghiệm cho thấy bộ xúc tác đạt được nhiệt độ ngưỡng sau khi ô tô chạy được từ 1 đến 3 km trong thành phố.
Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm của động cơ đốt trong 111 Nhiệt độ khởi động bộ xúc tác được định nghĩa là nhiệt độ mà ở đó tỉ lệ biến đổi các chất ô nhiễm đạt 50%. Hình 7.5 cho thấy nhiệt độ khởi động của bộ xúc tác có thể thay đối theo thành phần hóa học của hỗn hợp cần xử lí. Nói chung alkane chuỗi ngắn, đặc biệt là méthane là những hydrocarbure khó oxy hóa nhất; những hydrocarbure thơm, alcène, có thể oxy hóa ở nhiệt độ tương đối thấp. Vì vậy, trên động cơ, nhiệt độ khởi động bộ xúc tác có thể chênh lệch từ 10 đến 20 độ tùy theo thành phần nhiên liệu sử dụng. Một biện pháp dùng để giảm thời gian khởi động là sấy bộ xúc tác bằng điện. Biện pháp này tốn kém, công suất cần thiết của thiết bị sấy tương đối cao (khoảng 5,5kW để đạt được nhiệt độ sấy từ 300 đến 350°C trong 15s).
7.2.1.3. Sự lão hóa bộ xúc tác Tính hiệu quả của bộ xúc tác giảm dần theo thời gian sử dụng (hình 7.6). Nguyên nhân gây lão hóa này là do tác động đồng thời của các tác nhân hóa, lí, nhiệt và cơ học, trong đó tác nhân hóa học do nhiên liệu trực tiếp hay gián tiếp gây ra là quan trọng nhất.
Hình 7.5: Nhiệt độ khởi động đối với các hợp chất hữu cơ khác nhau
2 4 6 8
500
600
700
800
Nhiệt độ
khởi động (K) Alcanes Acétylène Alcools Ethylène Aromatique
Số nguyên tử Carbon HC CO NOx
10
100
0,5 1 5 10 50 100
Gia tăng nhiệt độ
khởi động (C)
Thời gian sử dụng (h)
Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm của động cơ đốt trong 112
Hình 7.6: Gia tăng nhiệt độ khởi động của bộ xúc tác theo thời gian sử dụng ô tô
A. Tác động của chì Tác hại của chì đến bộ xúc tác có thể do nhiều hợp chất hóa học của nó hình thành trong quá trình cháy gây ra (các oxyde, halogénure, sulfate). Tác hại của chì là phủ lên mặt chất xúc tác một lớp kim loại trơ ở nhiệt độ cao và chèn kín các lỗ xốp ở nhiệt độ thấp. Những chất halogène, chlor và brome, chính chúng cũng làm giảm dần tính năng của bộ xúc tác do chúng bị hấp thụ trên bề mặt kim loại quý.
Hình 7.6: Ảnh hưởng của chì đến bộ xúc tác 3 chức năng Vì vậy, phải tránh việc sử dụng xăng pha chì đối với động cơ có ống xả xúc tác. Tuy nhiên, xăng pha chì không hủy hoàn toàn hoạt tính xúc tác. Tính xúc tác có thể được phục hồi lại một phần khi sử dụng xăng không pha chì (hình 7.6)
B. Tác động của phosphore Sự hiện diện của phosphore trong nhiên liệu gây ảnh hưởng rất nghiêm trọng đến bộ xúc tác. Phosphore một mặt gây ra sự sai lệch tín hiệu của cảm biến lambda và mặt khác, làm giảm hiệu quả của bộ xúc tác, nhất là đối với việc oxy hóa CO.
Quãng đường chạy (mile) 500 1000 1500 2000 2500 3000 100 200 300 400 4 8 12 16 2 1 0
Mức độ phát ônhiễm
(% giá trị ban đầu)
Mức độ phát ônhiễm
(g/mile) HC CO
1 bình
xăng
pha chì
3 bình
xăng không
pha chì
1 bình
xăng
pha chì
3 bình
xăng không
pha chì
Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm của động cơ đốt trong 113 Trong thực tế, nhiên liệu thông thường có hàm lượng phosphore nhỏ hơn 0,02ppm. Mặt khác, phosphore trong khí xả cũng có thể bắt nguồn từ chất chống mòn pha trong dầu bôi trơn (dialkyldithiophosphate kẽm). Tuy nhiên, hàm lượng đó không đủ gây ra những tác hại đáng kể đối với bộ xúc tác.
C. Tác động của lưu huỳnh Lưu huỳnh hiện diện trong xăng có tác hại làm trơ hóa dần bộ xúc tác ba chức năng, đặc biệt là trong điều kiện hỗn hợp tương đối giàu. Tuy nhiên sự trơ hóa do lưu huỳnh gây ra có thể phục hồi khi sử dụng xăng có thành phần lưu huỳnh rất thấp. Lưu huỳnh trong xăng còn có thể gây ra một hiện tượng bất lợi khác: phát sinh những bọng khí H2S trong một số điều kiện làm việc, chẳng hạn khi khởi động ở trạng thái nguội hay khi chạy không tải sau giai đoạn giảm tốc. Thật vậy, khi động cơ làm việc với hỗn hợp tương đối nghèo, lưu huỳnh được lưu trữ dưới dạng sulfate, chủ yếu là sulfate cerium. Hợp chất này sau đó biến thành H2S khi thành phần nhiên liệu-không khí tức thời chuyển sang giàu. Để chống lại hiện tượng này, người ta pha vào kim loại xúc tác một hàm lượng kền rất bé. Giải pháp này được áp dụng ở Mĩ nhưng không được áp dụng ở Châu Âu do độc tính của kền.
D. Lớp bám carbon Khi ô tô có bộ xúc tác ba chức năng được sử dụng thường xuyên trên những quãng đường ngắn, sự lập lại thường xuyên quá trình khởi động, quá trình đòi hỏi hỗn hợp giàu, có thể gây ra một lớp than đáng kể bám trên ống xả xúc tác. Khi đó cần một nhiệt độ cao thì bộ xúc tác mới khởi động được. Tuy nhiên tác động của lớp than đến bộ xúc tác có thể khử đi khi đốt cháy nó bằng nhiệt độ cao. Bộ xúc tác trở lại tính năng ban đầu sau khi hết lớp than.
7.2.2. Bộ xúc tác oxy hóa dùng cho động cơ Diesel Bộ xúc tác oxy hóa Diesel hiện nay chưa được phổ biến rộng rãi như bộ xúc tác ba chức năng của động cơ xăng vì mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ Diesel về CO và HC còn nằm trong giới hạn cho phép, chưa cần thiết phải sử dụng thiết bị xử lí trên đường xả. Mặt khác, bộ xúc tác oxy hóa không có tác dụng đối với NOx và chỉ có tác dụng rất giới hạn đối với bồ hóng.
7.2.2.1. Đặc điểm của bộ xúc tác và điều kiện sử dụng: Khí xả của động cơ Diesel có chứa bồ hóng và một lượng bé CO, HC do hệ số dư lượng không khí lớn. Trên nguyên tắc, sự xúc tác oxy hóa diễn ra thuận lợi. Khó khăn duy nhất liên quan đến nhiệt độ môi trường phản ứng thấp. Hình 7.7 cho thấy nhiệt độ môi trường cần phải đạt đến 200°C thì bộ xúc tác mới bắt đầu khởi động. Vào khoảng 300°C, bộ xúc tác bắt đầu oxy hóa đồng thời SO2 thành SO3. Các chất này do lưu huỳnh trong nhiên liệu tạo ra. Đây là một hiện tượng rất xấu vì nó làm gia tăng
Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm của động cơ đốt trong 114 mức độ phát sinh hạt rắn (hình 7.8). Mặt khác, sau khi hình thành, SO3 có thể biến thành acid sulfuric ngậm nước và chất này bị giữ lại một phần trên lọc làm ảnh hưởng rất đáng kể đến tuổi thọ của lọc. Vì vậy, việc sử dụng bộ xúc tác oxy hóa trên động cơ Diesel cần phải đi kèm với việc sử dụng nhiên liệu có thành phần lưu huỳnh rất thấp. Trên cơ sở điều kiện kĩ thuật này, Liên Hiệp Châu Âu đã đề ra tiêu chuẩn giới hạn lưu huỳnh trong nhiên liệu Diesel không được vượt quá 0,05% áp dụng từ ngày 1 tháng 10 năm 1996.
Hình 7.7: Biến thiên của tỉ lệ oxy hóa theo nhiệt độ khí xả
Hình 7.8: Ảnh hưởng của thành phần lưu huỳnh trong nhiên liệu
đến sự phát sinh hạt rắn theo nhiệt độ khí vào ống xả Về mặt kết cấu, kim loại quý dùng cho bộ xúc tác oxy hóa Diesel chủ yếu là Platine và Palladium hoặc hợp kim của hai chất này, trong đó Palladium được ưa chuộng hơn vì nó khó oxy hóa SO2 thành SO3.
25
50
75
100
100 200 300 400 500 600 700
CO
HC
SO2
Tỉ lệ biến đổi
CO (%)
Nhiệt độ khí (C)
Thành phố Đường trường
25
50
75
100
200 300 400 500 600
0,3%
Phát sinh bồ
hóng (g/h)
Nhiệt độ khí vào bộ xúc tác (°C)
Thành phần
lưu huỳnh
0,15%
0,1%
0,05%
0%
Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm của động cơ đốt trong 115 Sự hiện diện của lưu huỳnh trong dầu Diesel, ngay cả khi hàm lượng rất bé, cũng gây ảnh hưởng đáng kể đến hoạt tính của bộ xúc tác, đặc biệt là nó làm tăng nhiệt độ khởi động của bộ xúc tác (hình 7.9). Tuy nhiên bộ xúc tác có thể phục hồi được đặc tính ban đầu khi động cơ sử dụng nhiên liệu không chứa lưu huỳnh.
Hình 7.9: Ảnh hưởng của thành phần lưu huỳnh trong nhiên liệu
đến nhiệt độ khởi động của bộ xúc tác
7.2.2.2. Hiệu quả của bộ xúc tác oxy hóa Diesel Như trên đã nêu, việc sử dụng bộ xúc tác oxy hóa phải kèm theo việc sử dụng nhiên liệu Diesel không chứa lưu huỳnh. Thử nghiệm động cơ ô tô nhẹ theo chu trình ECE+EUDC cho thấy bộ xúc tác oxy hóa trên động cơ Diesel có thể làm giảm trung bình 35% đối với CO, 30% đối với HC, 25% đối với hạt rắn hòa tan (SOF).
7.2.3. Khử oxyde nitơ trong môi trường có sự hiện diện của oxy Kĩ thuật này thường được gọi là 'khử NOx' được dùng trên động cơ đánh lửa cưỡng bức làm việc với hỗn hợp nghèo và trên động cơ Diesel. Nó là đối tượng nghiên cứu của rất nhiều công trình nhưng cho tới nay kĩ thuật đó vẫn chưa được triển khai trong công nghiệp. 'Khử NOx' là vấn đề mấu chốt trong xử lí khí xả trên đường thải, vì ngày nay ngoài hệ thống hồi lưu khí xả khả dĩ làm giảm NOx ngay trong quá trình cháy (nhưng gây ra những nhược điểm về tính kinh tế-kĩ thuật của động cơ), chưa có một giải pháp kĩ thuật nào nào khả dĩ khử được NOx đối với hai loại động cơ vừa nêu, mà chính hai loại động cơ đó lại là những động cơ có rất nhiều ưu thế về tính năng kinh tế-kĩ thuật. Bộ xúc tác khử NOx chủ yếu là giảm oxyde nitric NO, chất chiếm đại bộ phận trong NOx. Sự phân giải NO được viết như sau: 2NO ---> N2 + O2
20
40
60
160 180 200 220 240
Tỉ lệ biến đổi
HC (%)
Nhiệt độ khí vào bộ xúc tác (°C)
Thành phần
lưu huỳnh
0% 0,05% 0,15%
∆T=25°C
Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm của động cơ đốt trong 116 Về phương diện nhiệt động học, phản ứng trên hoàn toàn có thể xảy ra nhưng với tốc độ phản ứng rất thấp.
Hình 7.10: Ảnh hưởng của việc phun hydrocarbure trên đường xả
đến hiệu quả khử NOx Một phương án khác, đã được áp dụng trên động cơ tàu thủy cỡ lớn là thêm chất phụ gia ammoniac hay uré (NH2-CO-NH2) trong khí xả và xử lí toàn bộ hợp chất nhận được trên bộ xúc tác nền oxyde titan phủ lớp oxyde vanadium, chất có khả năng hấp thụ mạnh những chất khử. Khi đó, phản ứng xúc tác tổng quát được viết như sau: NO + NH3 + 0,25O2 ---> N2 + 1,5H2O
25
50
75
100
50 150 250 350 450
Tỉ lệ biến
đổi
Nhiệt độ (°C)
10
20
30
50 150 250 350 450
Tỉ lệ biến
đổi
Nhiệt độ (°C)
25
50
75
100
50 150 250 350 450
Tỉ lệ biến
đổi
Nhiệt độ (°C)
Không phun
Phun CO NOx HC
Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm của động cơ đốt trong 117 Phản ứng trên cho phép loại trừ được 70-80% NO chứa trong khí xả. Tuy nhiên, kĩ thuật này hiện nay chưa được áp dụng trên động cơ ô tô (thời gian tiếp xúc cần thiết lớn, độc tính của ammoniac...) Các nghiên cứu mới đây được tiến hành theo hướng khử NO bằng hydrocarbure đã có mặt hay được cung cấp thêm vào trong khí xả. Phản ứng khử được viết như sau: NO + Hydrocarbure ----> N2 + CO2 + H2O Phản ứng trên thực tế xảy ra với tỉ lệ biến đổi từ 40-80% nhờ bộ xúc tác đồng phủ trên nền zéolithe hay platine phủ trên nền zéolithe. Tuy nhiên, điều kiện trong khí xả động cơ còn khác biệt nhiều so với điều kiện thí nghiệm tối ưu đối với phản ứng trên vì: - Nhiệt độ khí xả quá thấp (150-250°C so với điều kiện thí nghiệm 400-500°C). - Nồng độ hydrocarbure không đủ (thấp hơn điều kiện thí nghiệm từ 20-40 lần). Tuy điều kiện thực tế còn khác biệt nhiều so với điều kiện thí nghiệm nhưng phương pháp khử NOx bằng hydrocarbure có rất nhiều hứa hẹn. Hình 7.10 giới thiệu một vài kết quả được công bố trong những năm gần đây. Ngoài những khó khăn vừa nêu, trước khi đưa bộ xúc tác khử NOx bằng hydrocarbure vào ứng dụng trong công nghiệp, người ta cũng cần phải giải quyết một số vấn đề kĩ thuật khác chẳng hạn như khống chế phản ứng tạo N2O và kéo dài tính ổn định của bộ xúc tác theo thời gian. Trong thực tế, bộ xúc tác khử NOx ở động cơ Diesel không cần phải đạt tính năng cao như bộ xúc tác ba chức năng. Tỉ số biến đổi NOx chừng 30- 40% là có thể chấp nhận được. Cũng giống như các bộ xúc tác khác, việc xử dụng bộ xúc tác khử NOx trên đường xả động cơ Diesel cần phải đi kèm với việc sử dụng nhiên liệu không chứa lưu huỳnh.
7.3. Lọc hạt rắn Nhờ những thành tựu trong nghiên cứu hoàn thiện việc tổ chức quá trình cháy trong động cơ Diesel mà trong hai mươi năm qua, mức độ phát sinh hạt rắn của động cơ Diesel đã giảm đi rất nhiều. Mức độ phát sinh bồ hóng của động cơ Diesel lắp trên ô tô du lịch ở Châu Âu đã giảm từ 0,50 g/km xuống 0,08g/km, thỏa mãn tiêu chuẩn ô nhiễm năm 1996 của EU. Với tốc độ tiến bộ như hiện nay trong nghiên cứu quá trình cháy và nâng cao tính chất nhiên liệu, trong những năm tới đây, các thế hệ động cơ Diesel mới có thể thỏa mãn được tiêu chuẩn Euro 2000 (khoảng 0,05 g/km). Nghiên cứu hoàn thiện quá trình cháy có thể làm giảm nồng độ bồ hóng trong điều kiện cháy bình thường. Tránh tập trung nhiên liệu ở những vùng có nhiệt độ cao là điều kiện tiên quyết để hạn chế mức độ phát sinh bồ hóng. Tuy nhiên, trên các phương tiện vận tải động cơ thường xuyên tăng giảm tải trong khi vận hành và đó là nguyên nhân cơ bản phát sinh bồ hóng trong động cơ Diesel hiện đại.
Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm của động cơ đốt trong 118 Cải tiến hình dạng buồng cháy, thay đổi thành phần nhiên liệu, pha các chất phụ gia... có ít nhiều tác dụng làm giảm nồng độ bồ hóng trong khí xả. Giảm công suất động cơ cũng là cách giảm nồng độ bồ hóng nhưng công suất động cơ Diesel càng lớn thì hiệu quả kinh tế càng cao. Các nhà khoa học đã và đang ra sức tìm kiếm các giải pháp hoàn thiện quá trình cháy trong động cơ Diesel để giảm nồng độ bồ hóng trong khí xả đến mức thấp nhất. Tuy nhiên cho dù nồng độ bồ hóng trong khí xả Diesel giảm đi nhiều, nó vẫn luôn 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. Người ta thấy rằng trong số những hạt bụi có mặt trong khí quyển thì những hạt có kích thước tương ứng với hạt bồ hóng bị giữ lại trong phổi dễ dàng nhất và tồn tại ở đó trong thời gian dài nhất. Chính vì lẽ đó, việc lọc bồ hóng trên đường xả của động cơ Diesel rất được quan tâm trong những năm gần đây cho dù kĩ thuật này còn phức tạp và tốn kém. Bồ hóng trong khí xả có kích thước rất bé. Đa số hạt bồ hóng (hơn 90% số hạt) có đường kính trung bình khoảng 1µm. Lọc hạt cỡ này rất khó vì nó sẽ gây tổn thất lớn trên đường thải. Hạt bồ hóng xốp, có khối lượng riêng trung bình khoảng 0,07g/cm3 nên lọc bị tắt rất nhanh. Làm sạch thường xuyên bồ hóng bám trên lõi lọc là điều kiện cần thiết để đảm bảo lọc hoạt động bình thường. Lọc bồ hóng tập trung giải quyết hai vấn đề cơ bản đó là lựa chọn kĩ thuật lọc và phương pháp tái sinh lọc.
7.3.1. Kĩ thuật lọc
bồ hóng Có nhiều phương án lọc bồ hóng khác nhau nhưng nhìn chung chúng dựa trên cùng nguyên tắc là bẫy hạt bồ hóng.
Hình 7.11 : Lõi lọc
1. Kĩ thuật lọc Hai mươi năm qua, nhiều công trình nghiên cứu về lọc bồ hóng đã được tiến hành nhưng chưa có một loại lọc nào được ứng dụng rộng rãi. Giá thành lọc vẫn còn cao, hệ thống lọc còn phức tạp và tuổi thọ của lọc thấp. Lọc chế tạo bằng vật liệu gốm đã được áp dụng từ năm 1981. Hiệu quả lọc của chúng rất cao (có thể đạt 90%), nhưng sự phát triển loại lọc này còn bị hạn chế do chưa tìm ra được một hệ thống tái sinh tin cậy với giá thành hạ. Thành lọc có bề dày 0,3mm, vật liệu có độ xốp 40÷50% với đường kính lỗ xốp trung bình 14µm. Lõi lọc được chế tạo thành dạng tổ ong và được làm kín ở một đầu xen kẽ nhau (hình 7.11). 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 được bố trí trong thành gốm để đốt bồ hóng trong quá trình tái sinh. Lọc bằng vật liệu gốm thường hay bị nứt hỏng do ứng suất nhiệt khi tái sinh và xung lực của dòng khí thải.
Thành xốp
Nút gốm
Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm của động cơ đốt trong 119 Lọc gốm monolithe là dạng lọc được nghiên cứu và thử nghiệm nhiều nhất kể từ khi đề ra giải pháp lọc bồ hóng. Lọc được 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 7.12). Phương pháp lọc này gọi là phương pháp 'thổi qua tường' (wall flow). Hiệu quả của lọc rất cao (lớn hơn 90%) nhưng trở lực trên đường xả lớn và gradient nhiệt độ trong lõi lọc cao khi tái sinh lọc. Vật liệu gốm thường được sử dụng là cordiérite (2MgO,2Al2O3,5SiO2) hoặc carbure silic (SiC).
Hình 7.12: Lõi lọc gốm Lọc sợi gốm được chế tạo từ sợi silic hay hỗn hợp oxyde nhôm và silic, được cuộn thành lớp dày khoảng 10-12mm quanh những ống bằng kim loại có đường kính 40mm. Khí xả di chuyển từ bên trong ống ra ngoài. Lớp sợi này tạo thành lưới lọc với đường kính trung bình của lỗ khoảng 10 micron. Dạng lọc này có ưu điểm là ít chịu ảnh hưởng của ứng suất nhiệt và cơ khí, hiệu quả lọc vừa phải (75-80%). Lọc lưới sợi gốm vừa mới được phát triển trong những năm gần đây nhưng có rất nhiều hứa hẹn. Những sợi gốm có đường kính chừng 10 micron được đan lại thành tấm (hình 7.13) mà dạng lỗ trống được tối ưu hóa để đảm bảo hiệu quả lọc cao nhất và độ cứng vững chấp nhận được. Các tấm này được dệt theo phương pháp cổ điển của công nghệ dệt. Hiệu quả lọc, độ chịu đựng gradient nhiệt và rung động cơ học của lõi lọc này rất tốt.
Thành xốp
Bồ hóng bị giữ lại Nút gốm
Khí xả A B
Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm của động cơ đốt trong 120
Hình 7.13: Lõi lọc bằng lưới sợi gốm Lọc bằng sợi thép mạ nhôm có quy trình chế tạo đơn giản hơn. Nó có ưu điểm chịu được sự thay đổi nhiệt độ, rung động và xung lực của khí xả. Thể tích của lõi lọc và kích thước của sợi lọc được xác định theo lưu lượng khí xả và tổn thất áp suất cho phép. Sợi thép sau khi mạ nhôm có bề dày 0,2mm là tối ưu nhất (hình 7.14). Lõi lọc bằng kim loại xốp được 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 được nhiệt độ 700oC trong 300 giờ. Tổn thất áp suất chỉ bằng khoảng 1/10 so với lọc bằng vật liệu gốm thông thường. Lọc Celmet có đường kính lỗ xốp trung bình khoảng 500 µm (hình 7.15). Kích thước lỗ có thể điều chỉnh bằng cách gây biến dạng lõi lọc hay ghép chồng lên nhau nhiều tấm lọc đồng trục. Thường lõi lọc gồm hai lưới lọc hình trụ được bố trí đồng trục và giữa hai lõi lọc này người ta bố trí một điện trở để tái sinh lọc. Khí xả vào không gian giữa hai lưới và thoát qua các lỗ xốp của chúng. Bồ hóng bám trên thành lọc được đốt định kì bằng bức xạ của điện trở. Do không gian giữa hai lưới lọc nhỏ nên công suất điện tiêu tốn cho điện trở đốt cũng giảm.
Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm của động cơ đốt trong 121
Hình 7.14: Lõi lọc bằng sợi thép mạ nhôm Lưới lọc tĩnh điện được áp dụng trong các thiết bị lọc bụi công nghiệp cũng có nhiều triển vọng được sử dụng trong các bộ lọc bồ hóng động cơ Diesel. Ưu điểm của loại lọc này là có thể kết hợp giữa nguyên lí lọc lưới cổ điển và lọc tĩnh điện. Nó gồm các lưới bằng thép không rỉ, cách điện và đặt xen kẽ nhau. Chúng được nối lần lượt các cực âm, dương của accu. Khi dòng khí thải đi qua lưới, những hạt bồ hóng kích thước lớn bị giữ lại và những hạt nhỏ thoát qua lọc nhưng bị nhiễm điện. Những hạt này sau đó bị giữ lại bằng lực hút tĩnh điện trên lưới lọc phía sau có điện thế trái dấu (hình 7.16a). Điện áp càng lớn, hiệu quả lọc càng cao (hình 7.16b). Lọc bằng cách ngưng tụ hơi nước để hấp thụ bồ hóng hiện cũng đang được nghiên cứu. Khí xả qua bộ lọc được làm lạnh đến dưới điểm ngưng tụ hơi nước (khoảng 50oC) bằng một lưới gồm những ống làm lạnh có đuờng kính bé. Khi dòng khí xả đi qua, hạt bồ hóng bị giữ lại trên bề mặt những giọt nước ngưng tụ. Nước và bồ hóng sau đó được chứa vào bình ngưng và định kì chúng được lấy ra để xử lí.
Hình 7.15: Lọc celmet
Lọc bằng lưới Lọc tĩnh điện
Lưới lọc Bồ hóng Lưới nhiễm điện dương
Khí xả
Khí xả
Lưới nhiễm
điện âm
Lưới nhiễm
điện âm
Bình điện
Cánh tản nhiệt
Khí sạch
Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm của động cơ đốt trong 122
Hình 7.16a: Lọc tĩnh điện
7.3.2 Tái sinh lọc Như trên đã phân tích, trong quá trình sử dụng, lọc bị tắc rất nhanh nên phải tái sinh lọc để tránh tổn thất áp suất trên đường xả. Khi hiệu quả lọc càng cao thì lọc càng nhanh bị tắc. Lượng bồ hóng phát sinh trung bình đối với ô tô Diesel du lịch là 0,10g/km, do đó lọc phải giữ lại 100g bồ hóng trên quãng đường 1000km. Với khối lượng riêng bồ hóng ước chừng 0,075g/cm3, thì lượng bồ hóng vừa nêu chiếm một thể tích 1,3 lít. Đối với ô tô hạng nặng (xe tải, bus) thì khối lượng và thể tích bồ hóng phát sinh trên cùng quãng đường sẽ gấp 10 lần so với ô tô du lịch! Sự tích tụ bồ hóng trên lõi lọc gây trở lực trên đường xả và do đó làm giảm tính năng của động cơ (khi tổn thất áp suất bắt đầu vượt 100- 150 mbar). Các giải pháp thông thường là đốt, rung, rửa hay dùng dòng khí thổi ngược. Đốt bồ hóng là phương pháp được áp dụng rộng rãi nhất. Thực nghiệm cho thấy sự oxy hoá bồ hóng
Hình 7.16b: Ảnh hưởng của điện
áp đến hiệu quả lọc tĩnh điện
Thời gian hoạt động (phút)
Hiệu quả lọc (%)
2 tầng
4 tầng
Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm của động cơ đốt trong 123 bắt đầu với tốc độ thấp ở 300°C và gia tốc ở 400°C trong không khí hay dòng khí có chứa 10% oxy. Bồ hóng bám trên lọc có thể bị đốt cháy hoàn toàn ở nhiệt độ 540°C với điều kiện có đủ oxy. Nhiệt độ tái sinh càng cao, thời gian đốt hoàn toàn bồ hóng càng giảm. Nhiệt độ cao của khí xả có thể tạo ra nhờ thay đổi chế độ làm việc của động cơ, tiết lưu trên đường nạp hay thêm những thiết bị phụ như bộ sấy điện trở, vòi đốt, đuốc xúc tác.... Phương pháp gia nhiệt khí thải bằng điện trở không mấy triển vọng vì đòi hỏi công suất điện lớn. Dùng vòi đốt bằng nhiên liệu Diesel trong đường xả hay đuốc xúc tác để gia nhiệt dường như có nhiều triển vọng nhất. Hình 7.17 giới thiệu bộ đốt bồ hóng để tái sinh lọc. Hệ thống này làm việc một cách tự động. Trở lực trên đường xả được đo liên tục và ghi vào bộ nhớ ECU. Khi p ≥ pmax, ECU khởi động vòi đốt. Nhiên liệu được phun bằng khí nén. Ngọn lửa được khơi mào 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 đường xả nhỏ hơn một giá trị định trước. Nguyên lí của đuốc xúc tác là phun nhiên liệu hydrocarbure (lỏng hay khí) vào bộ xúc tác đặt trong đường xả. Sự toả nhiệt do oxy hóa lượng nhiên liệu này làm tăng nhiệt độ khí để oxy hóa bồ hóng. Hệ thống tái sinh kiểu đuốt xúc tác chỉ gồm một bộ tạo xúc tác đơn giản do đó giá thành hạ. Các nghiên cứu gần đây cho thấy một số oxyde kim loại có khả năng làm giảm nhiệt độ xúc tác bồ hóng xuống xấp xỉ nhiệt độ khí xả khi động cơ làm việc bình thường (350°C). Sự Oxy hoá graphite trên oxyde đồng chẳng hạn được biểu diễn bởi hai phản ứng sau: C + 2CuO → CO2 + 2Cu 2Cu + O2 → 2CuO
Hình 7.17: Tái sinh lọc bằng đốt bồ hóng Ngoài ra, các chất hoạt tính xúc tác khác như Oxide Vanadium V2O5 , Oxyde Cobal Co3O4/ CoO, Oxyde Cerium CeO2, Oxy kẽm ZnO, Oxyde Nikel NiO... cũng có thể được dùng để chế tạo bộ xúc tác bồ hóng. Hình 7.18 giới thiệu hiệu quả xúc tác của các
Khí nén
Khí xả
động cơ
Hệ thống
điều khiển
Nhiên liệu
Khí xả
Giảm áp
Buồng
hỗn hợp
Bộ đánh
lửa
Van phun
Nhiên
Böm N. liệu Bơm
k.khí
Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm của động cơ đốt trong 124 chất khác nhau đối với bồ hóng. Khi động cơ Diesel làm việc với tải trung bình, nhiệt độ khí xả có thể đạt đến giới hạn cần thiết cho quá trình xúc tác. Trong trường hợp động cơ làm việc ở chế độ tải thấp, cần gia nhiệt thêm cho khí thải nhưng năng lượng bổ sung thấp hơn nhiều so với các bộ tái sinh lọc khác. Bộ xúc tác còn có tác dụng đốt những hydrocarbure nặng mà những chất này có thể thoát ra ngoài nếu chỉ dùng lọc bồ hóng thông thường. Dựa vào tính chất xúc tác của một số hợp chất hóa học người ta cũng có thể đốt cháy lớp bồ hóng bám trên lõi lọc để tái sinh lọc. Chất xúc tác có thể được tráng trên thành lõi lọc hay phun ngay trước lọc. Nó cũng có thể được pha vào dầu Diesel dưới dạng các chất phụ gia. Những chất này không những cho phép làm giảm nhiệt độ tự cháy của bồ hóng mà còn làm tăng tốc độ oxy hóa.
Hình 7.18: Hiệu quả xúc tác bồ hóng Việc lắp đặt bộ xúc tác ngay trong lọc là tương đối hiệu quả nhất, nhất là trường hợp mà gộp lọc làm bằng sợi gốm hay sợi kim loại. Tuy nhiên, trong trường hợp đó nó cũng oxy hóa lưu huỳnh chứa trong nhiên liệu dẫn đến sự phát sinh SO

Chương 8ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG
NHIÊN LIỆU KHÍ:
MỘT GIẢI PHÁP LÀM GIẢM
Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG

Các giải pháp kĩ thuật cải thiện quá trình cháy và tăng cường xử lí trên đường xả như đã mô tả ở chương 7 chưa đủ để làm giảm một cách triệt để nồng độ các chất ô nhiễm trong khí thải động cơ đốt trong. Do đó, để nâng cao hiệu quả của việc chống ô nhiễm môi trường do phương tiện vận tải gây ra, chúng ta cần tác động đến nhiên liệu: nâng cao tính năng của nhiên liệu truyền thống hoặc sử dụng các loại nhiên liệu ‘sạch’. Sử dụng nguồn nhiên liệu khí để chạy động cơ ngoài việc đa dạng hóa nguồn năng lượng còn góp phần đáng kể vào việc giải quyết vần đề ô nhiễm môi trường do động cơ đốt trong gây ra.
Phần 1: NHIÊN LIỆU KHÍ HÓA LỎNG LPG Nhiên liệu khí hóa lỏng (LPG: khí dầu mỏ hóa lỏng) thường thuộc nhóm hydrocarbure có 3 hay 4 nguyên tử C (C3-C4). Loại nhiên liệu này được phát triển và thương mại hóa từ những năm 1950. Mấy thập kỉ qua chúng được dùng chủ yếu cho công nghiệp và sinh nhiệt gia dụng. Việc nghiên cứu sử dụng chúng cho động cơ đốt trong trên phương tiện giao thông vận tải đã bắt đầu trong những năm gần đây. Tuy việc áp dụng loại nhiên liệu này trên ô tô cần những thiết bị cồng kềnh hơn nhiên liệu lỏng nhưng nó cho phép giảm được mức độ phát ô nhiễm và đó chính là điểm mà các nhà chế tạo ô tô quan tâm nhất hiện nay.
8.1. Trữ lượng LPG và thị trường tiêu thụ Là sản phẩm trung gian giữa khí thiên nhiên và dầu thô, nhiên liệu khí hóa lỏng có thể thu được từ công đoạn lọc dầu hoặc làm tinh khiết khí thiên nhiên. Vì vậy, nguồn gốc khí hóa lỏng phụ thuộc vào xuất xứ nhiên liệu. Nói chung trên thế giới có khoảng 40% LPG thu được từ quá trình lọc dầu thô. Sản lượng khí hóa lỏng trên thế giới năm 1995 là 130 triệu tấn, chiếm 2% tổng năng lượng tiêu thụ dưới các dạng khác nhau. Người ta dự kiến trong những năm đầu của thế kỉ 21, tổng sản lượng LPG trên thế giới sẽ đạt khoảng 200 triệu tấn/năm. Phần lớn lượng khí hóa lỏng thu được hiện nay được sử dụng làm nguồn chất đốt để sinh nhiệt gia dụng hay công nghiệp. Lượng khí hóa lỏng làm nhiên liệu cho ô tô đường trường hiện chỉ chiếm một tỉ lệ khiêm tốn: 1% ở Pháp, 3% ở Mỹ, 8% ở Nhật... (hình 8.1). Tuy nhiên ở một số nước có chính sách khuyến khích sử dụng LPG làm nhiên
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường 129 liệu cho ô tô nhằm mục đích giảm ô nhiễm môi trường thì tỉ lệ này rất đáng kể, chẳng hạn như Hà Lan, Ý (42%)... Các số liệu trên chưa kể những động cơ trên các ô tô chuyên dụng sử dụng LPG (chẳng hạn ô tô chạy trong sân bay, xe nâng chuyển, máy móc nông nghiệp...).
Pháp (tổng cộng 3Mt/năm)
Hà Lan (tổng cộng 3,4 Mt/năm)
Hình 8.1: Tỉ lệ tiêu thụ LPG ở vài nước tiêu biểu Sự phát triển ô tô dùng LPG phụ thuộc vào chủ trương của mỗi quốc gia, đặc biệt là phụ thuộc vào chính sách bảo vệ môi trường (hình 8.2). Sự khuyến khích sử dụng ô tô LPG thể hiện qua chính sách thuế ưu đãi của mỗi quốc gia đối với loại nhiên liệu này.
Hình 8.2: Tỉ lệ ô tô sử dụng LPG Ở một số nước Châu Á, Hàn Quốc và Nhật Bản chẳng hạn, để giảm ô nhiễm môi trường đô thị, chính phủ các nước này khuyến khích, tiến tới bắt buộc taxi phải dùng nhiên liệu khí hóa lỏng. Hiện nay toàn bộ taxi Hàn Quốc đều dùng loại nhiên liệu này.
Nhiên liệu (1%) Công nghiệp (15%)
Nông nghiệp (17%)
Gia dụng (67%)
Nhiên liệu (42%)
Nông nghiệp (14%) Gia dụng (20%)
Công nghiệp (24%)
Hà Lan 8,7%
Ý
Pháp
Mĩ
Nhật
Hàn Quốc
4,4%
0,1%
0,4%
0,7%
7,6%
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường 130
Hình 8.3: Thành phần LPG tiêu biểu
8.2. Đặc tính nhiên liệu khí hóa lỏng
8.2.1. Thành phần hóa học Theo tiêu chuẩn Châu Âu, nhiên liệu khí hóa lỏng phải có từ 19 đến 50% hydrocabure C3 (propane và propylène). Ở Châu Á, thành phần nhiên liệu khí hóa lỏng khá ổn định, chứa chủ yếu là hydrocarbure C4, chẳng hạn như ở Hàn Quốc chỉ có butane là khí hóa lỏng được sử dụng chính thức. Ngược lại ở Mĩ thì chỉ có hydrocarbure C3 được sử dụng. Hình 8.3 so sánh thành phần nhiên liệu khí hóa lỏng của Pháp và Mĩ. Cũng cần nhấn mạnh thêm rằng nhiên liệu khí hóa lỏng chứa rất ít lưu huỳnh. Thường nó chỉ chứa từ 40 ÷ 60ppm, thấp hơn rất nhiều so với tiêu chuẩn Cộng đồng Châu Âu (200ppm). Do đó, động cơ dùng LPG phát rất ít các chất ô nhiễm gốc lưu huỳnh và hiệu quả của bộ lọc xúc tác được cải thiện.
8.2.2. Lí tính
n-Penten
Isopentane
Buta-1,3-diène
(Z)-but-2-ène
(E)-but-2-ène
Isobutene+but-1-ène
n-Butane
Isobutane
Propane
Propylène
Ethane
Méthane
LPG California
LPG Pháp
0%
0,6%
0,4%
6,6%
9,1%
1,1%
31,8%
91,3%
19,6%
0,3%
28,3%
0,03%
6,1%
0%
2
,7%
0%
1
,8%
0%
0,06%
0%
0%
0,03%
0%
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường 131 Nhiên liệu khí hóa lỏng có nhiệt trị riêng theo khối lượng (PCIm) cao, cao hơn cả xăng hay dầu diesel (bảng 8.1). Tuy nhiên do khối lượng riêng của nó thấp, nhiệt trị riêng theo thể tích (PCI) thấp hơn nhiên liệu lỏng.
Bảng 8.1: So sánh LPG và các loại nhiên liệu cổ điển
Thông số đặc trưng Eurosuper Diesel Propane
thương
mại
Butane
thương
mại
LPG
Khối lượng riêng (kg/dm3) 0,725-
0.780
0,820-
0,860
0,51 0,58 0,51-0,58
Nhiệt trị thấp PCI
- theo khối lượng (MJ/kg)
- theo thể tích (MJ/dm3)
42,7
32,0
42,6
35,8
46,0
23,5
45,6
26,4
45,8
25,0
8.2.3. Chỉ số Octane Nhiên liệu khí hóa lỏng được đặc trưng bởi chỉ số octane nghiên cứu (RON) cao, có thể dễ dàng đạt đến 98. Bảng 8.2 giới thiệu RON của các loại khí khác nhau. Chỉ số
octane động cơ (MON) của LPG cũng cao hơn xăng.
Bảng 8.2: Chỉ số octane của một số chất Chất RON MON Propane >100 100 Propène 102 85 n-Butane 95 92 Isobutane >100 99 But-1-ène (98) 80 But-2-ène 100 83
8.3. Sử dụng LPG trên ô tô Có hai dạng động cơ sử dụng nhiên liệu khí hóa lỏng hiện nay. Dạng thứ nhất nguyên thủy là động cơ xăng, được lắp đặt thêm hệ thống cung cấp nhiên liệu đặc biệt để làm việc với LPG. Dạng thứ hai là động cơ đánh lửa cưỡng bức được thiết kế để dùng nhiên liệu LPG. Trong cả hai trường hợp, nguyên lí cũng như kết cấu của hệ thống cung cấp nhiên liệu cho ô tô có những đặc điểm giống nhau. Phần sau đây sẽ trình bày những cải tạo kĩ thuật khi chuyển động cơ đánh lửa cưỡng bức dùng nhiên liệu lỏng sang dùng nhiên liệu khí.
8.3.1. Cải tạo hệ thống đánh lửa
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường 132 Có hai dạng đánh lửa, mỗi dạng có những ưu nhược điểm riêng.
8.3.1.1. Đánh lửa bằng tia lửa điện Dạng đánh lửa này được áp dụng cho động cơ ô tô và động cơ công nghiệp có công suất trung bình. Bougie gồm cực trung tâm và một hay bốn cực chung quanh nối liền với thân máy. Khoảng cách giữa các điện cực được chỉnh cẩn thận (thường là 0,3 đến 0,4mm tùy theo loại bougie) sao cho đảm bảo được hiệu quả đánh lửa cao nhất. Đối với động cơ ga dùng cho ô tô, hệ thống đánh lửa giống như hệ thống đánh lửa của động cơ xăng nguyên thủy.
8.3.1.2. Đánh lửa bằng cách phun nhiên liệu mồi Đánh lửa được thực hiện bằng sự tự cháy của một lượng nhỏ nhiên liệu lỏng phun trước khi piston đến ĐCT. Nguyên tắc này giống như ở động cơ Diesel, chỉ có khác là việc điều chỉnh công suất được thực hiện bằng cách điều chỉnh thể tích khí ga nạp vào xi lanh còn lượng nhiên liệu lỏng phun mồi vẫn giữ cố định. Người ta gọi loại động cơ này là Diesel-ga hay lưỡng nhiên liệu (Dual-fioul). Phương pháp này chỉ được áp dụng cho động cơ công nghiệp công suất lớn (lớn hơn 1000kW). Các hạt nhiên liệu lỏng phun vào buồng cháy sẽ tự bốc cháy và tạo ra chừng ấy điểm đánh lửa trong hỗn hợp nhiên liệu-không khí. So với hệ thống đánh lửa cổ điển dùng tia lửa điện, người ta thấy hệ thống đánh lửa kiểu này hiệu quả hơn nhiều vì năng lượng do nó tỏa ra cao gấp nghìn lần so với hệ thống đánh lửa bằng tia lửa điện truyền thống và nó hầu như không phụ thuộc vào sự phân bố hỗn hợp trong buồng cháy. Trong trường hợp đó, sự gia tăng áp suất diễn ra nhanh chóng hơn và hiệu suất động cơ được cải thiện đáng kể. Phân tích đường cong áp suất cho thấy ở chế độ làm việc ổn định, sự gia tăng áp suất của loại động cơ này tương tự động cơ Diesel. Lượng nhiên liệu phun mồi rất nhỏ, nhỏ hơn cả lượng nhiên liệu cần thiết để duy trì chế độ không tải của động cơ Diesel. Vòi phun vì vậy không được làm mát đầy đủ nên cần phải lưu ý hiện tượng kẹt kim phun. Tỉ số nén của động cơ lưỡng nhiên liệu cũng được lựa chọn vừa đủ để đảm bảo nhiên liệu phun mồi tự bốc cháy nhưng không làm tự cháy hỗn hợp ga-không khí để tránh hiện tượng cháy kích nổ. Tỉ số nén thông thường là 13 đối với động cơ có đường kính xi lanh D=150mm; 11,5 đối với động cơ có D=250mm và 10,5 đối với động cơ có D=500mm.
8.3.1.3. So sánh hai phương pháp đánh lửa
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường 133 Ưu điểm của phương pháp lưỡng nhiên liệu là: - Độ tin cậy khi đánh lửa cao, hiệu quả đánh lửa kéo dài và có thể đánh lửa với bất kỳ độ đậm đặc nào của hỗn hợp với điều kiện là mức độ rối của hỗn hợp ga-không khí đủ lớn. - Dễ dàng chuyển đổi sang lại động cơ Diesel khi có sự cố hệ thống ga. - Hiệu suất nhiệt động học cao. Nhược điểm của phương pháp lưỡng nhiên liệu là tỉ số nén cao làm hạn chế công suất cực đại theo tính chất nhiên liệu khí, trong khi đó việc đánh lửa bằng tia lửa điện cho phép lựa chọn tỉ số nén tối ưu cho từng loại ga sử dụng. Tuy nhiên việc giảm tỉ số nén sẽ dẫn tới việc giảm hiệu suất nhiệt của động cơ.
8.3.2. Hệ thống cung cấp nhiên liệu Cho đến nay, hệ thống phun nhiên liệu khí vào đường nạp nhờ độ chân không tại họng Venturi được dùng phổ biến nhất. Tuy nhiên, những hệ thống phun nhiên liệu mới đang được nghiên cứu áp dụng thể hiện nhiều ưu điểm hơn, đặc biệt là hệ thống phun nhiên liệu ở dạng khí hóa lỏng ngay trước soupape nạp. Hệ thống này có ưu điểm là ngăn chặn sự bốc cháy của hỗn hợp trên đường nạp, hiệu suất của động cơ được nâng cao và mức độ phát ô nhiễm giảm đi rõ rệt. LPG có thể cung cấp cho động cơ ở dạng khí hay dạng lỏng. Ưu điểm của việc sử dụng GPL dưới dạng khí là sự đồng nhất hoàn hảo của hỗn hợp ga-không khí và tránh hiện tượng ướt thành đường nạp bởi nhiên liệu lỏng, hiện tượng này rất nhạy cảm khi động cơ khởi động và khi động cơ làm việc ở chế độ chuyển tiếp. Điều này cho phép làm giảm được mức độ phát sinh ô nhiễm (từ 30 đến 80% so với động cơ xăng nguyên thủy). Nhược điểm của việc cung cấp dạng này là quá trình điều khiển dài và sự cung cấp ga liên tục làm hạn chế khả năng khống chế tỉ lệ không khí/ga, đặc biệt là giai đoạn quá độ của động cơ. Cũng cần nhấn mạnh thêm rằng công suất động cơ giảm đi khoảng từ 5 đến 8% do tổn thất lượng không khí nạp do khí ga chiếm chỗ. Hệ thống cung cấp LPG bằng cách phun ở dạng lỏng cho phép sử dụng ưu thế của LPG để hạn chế những nhược điểm trên đây. Ưu điểm của việc phun LPG lỏng là tạo khả năng kiểm soát được độ đậm đặc ở mỗi lần phun với thời gian rất ngắn vì vậy có thể áp dụng các biện pháp hữu hiệu nhằm giới hạn mức độ phát ô nhiễm khi động cơ làm việc ở chế độ quá độ. Sự bốc hơi LPG làm giảm đáng kể nhiệt độ khí nạp do đó làm tăng hệ số nạp của động cơ. Mặt khác, màng nhiên liệu lỏng bám trên đường nạp không đáng kể gì so với khi động cơ làm việc với xăng. Điều này thuận lợi cho việc làm giảm mức độ phát sinh HC. Tuy nhiên việc sử dụng vòi phun thay vì bộ chế hòa khí do làm giảm thời gian tạo hỗn hợp và mật độ nhiên liệu cung cấp dẫn đến sự không đồng nhất của hỗn hợp và do đó có nguy cơ làm tăng nồng độ CO trong khí xả.
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường 134
8.3.2.1. Bộ chế hòa khí Có nhiều dạng bộ chế hòa khí dựa trên nguyên tắc ống Venturi. Sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu một số dạng chính.
1. Bộ chế hòa khí dạng màng Hình 8.4 thể hiện sơ đồ mặt cắt của một bộ chế hòa khí dạng màng. Khi dừng động cơ, van C đóng đồng thời đường vào không khí và ga dưới tác dụng của lò xo R. Màng M chịu áp suất của khí nạp ở một bên còn bên kia, chịu áp suất sau họng venturi được truyền qua nhờ bốn lỗ F. Khi lưu lượng không khí tăng dần, van xa dần khỏi đế, tạo ra một tiết diện lưu thông cho bởi lõi định dạng O. Biên dạng của lõi này được xác định theo nhiệt trị của nhiên liệu. Bộ phận này cho phép đạt được hỗn hợp có thành phần không đổi trong toàn bộ phạm vi hoạt động của động cơ. Sự điều chỉnh tinh được thực hiện nhờ tác động vào hai bộ phận sau: - Bộ giãn nở trên đường ga cho phép điều chỉnh áp suất ga-không khí và tác động lên độ đậm đặc của hỗn hợp chủ yếu ở chế độ tải thấp. - Bướm V tạo ra một tổn thất áp suất thay đổi và tác động chủ yếu khi công suất động cơ đạt cực đại.
Hình 8.4 : Bộ chế hòa khí dạng màng
2. Bộ chế hòa khí dạng van modul hóa Hình 8.5 biểu diễn mặt cắt của bộ chế hòa khí kiểu van modul hóa. Khí ga được hút vào phía sau bướm sau khi modul hóa lưu lượng nhờ một bộ định lượng. Khi sử dụng hệ thống này trên các động cơ khác nhau chỉ cấn thay đổi bộ định lượng và gicleur tiêu chuẩn. Hệ thống này cho phép động cơ làm việc lưỡng nhiên liệu xăng và ga, bộ chế hòa khí xăng được lắp phía trước họng ga. Ga Không Không Ga
Vb: Vít chống xoay
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường 135
3. Họng Venturi vạn năng Họng Venturi vạn năng (hình 8.6) được thiết kế để dùng cho bộ chế hòa khí hỗn hợp. Nó giống như một chiếc đệm và có thể được lắp đặt ở bất cứ nơi nào trên đường nạp: - Giữa bầu lọc gió và bộ chế hòa khí xăng. - Ở đế chế hòa khí, phía trước bướm ga.
Hình 8.7: Tạo hỗn hợp bằng cách dẫn khí ga
vào họng bộ chế hòa khí nguyên thủy
4. –ng ga đặt thẳng vào họng Dạng cải tạo này dùng họng Venturi nguyên thủy của động cơ xăng. Ga được một ống dẫn tới vùng chân không của họng (hình 8.7). –ng này có thể dẫn theo đường trục của chế hòa khí hay vuông góc với đường trục bằng cách khoan xuyên qua thành bộ chế hòa khí.
5. Hệ thống cung cấp nhiên liệu kiểu Venturi trên ô tô hiện đại Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu khí nhờ độ chân không tại họng ống Venturi trên ô tô hiện đại được trình bày trên hình 8.8. LPG được nén trong bình chứa với áp suất từ 7 ÷ 10 bar sau đó được giãn nở và bay hơi đến một áp suất nạp thấp hơn áp suất khí trời. Nhờ độ chân không tại họng, LPG được hút vào đường nạp.
Hình 8.5: Bộ chế hòa khí dạng
van modul hóa
Hình 8.6 : Họng Venturi vạn năng
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường 136 Lưu lượng LPG cung cấp được khống chế bởi bộ phận giãn nở và độ chân không ở ống Venturi. Với bộ chế hòa khí hiện đại, lưu lượng LPG được điều khiển bởi một bộ vi xử lý chuyên dụng. Hệ thống cung cấp nhiên liệu này đi kèm với ống xả xúc tác là giải pháp rất lí tưởng để làm giảm ô nhiễm. Tuy nhiên, việc nạp nhiên liệu dưới dạng khí ảnh hưởng xấu đến hệ số nạp làm giảm công suất và momen động cơ so với động cơ cùng cỡ chạy bằng nhiên liệu lỏng.
Hình 8.8: Hệ thống cung cấp nhiên liệu kiểu ống Venturi trên ô tô hiện đại
8.3.2.2. Cung cấp ga trực tiếp nhờ soupape ga
Hình 8.9: Cung cấp ga bằng soupape ga
Bộ giãn nở
Bình nhiên liệu LPG Lọc khí
Venturie
Phun xăng
Máy tính LPG
–ng xả xúc tác
Cảm biến
Bộ chuyển xăng/LPG
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường 137 Đối với động cơ ga công suất lớn, ga thường được cung cấp bởi một soupape đặc biệt được đặt trước cửa nạp hay ngay trong xi lanh (hình 8.9). Soupape này có thể điều khiển bởi một cánh tay đòn hay bởi một xi lanh thủy lực. Soupape ga được mở trễ hơn một chút so với soupape nạp để tránh thất thoát ga ra đường xả trong giai đoạn trùng điệp. Lượng ga nạp vào được điều chỉnh nhờ thời gian mở soupape ga hay độ chênh áp giữa ga và không khí.
8.3.2.3. Phun nhiên liệu Nhiên liệu LPG có thể được cung cấp bằng hệ thống phun vào cổ góp (phun tập trung) hay phun vào trước soupape nạp của từng cylindre (phun riêng rẽ). Áp suất nhiên liệu trước vòi phun của hai kiểu phun này đều cao hơn áp suất khí quyển. Nhiên liệu phun vào đường nạp động cơ có thể dưới dạng khí hay lỏng, trong đó phun nhiên liệu dạng lỏng có nhiều hứa hẹn nhất. Hình 8.10 trình bày sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG (phun nhiên liệu dưới dạng lỏng) của động cơ lưỡng nhiên liệu (LPG và xăng). Nhiên liệu LPG dưới dạng lỏng từ bình nhiên liệu được hút nhờ một bơm chuyển và duy trì áp suất dư trên đường ống khoảng 5 bar để tránh sự bốc hơi. Nhiên liệu sau đó được đưa qua bộ lọc và bộ điều áp trước khi dẫn đến vòi phun . Vòi phun được một bộ vi xử lý chuyên dụng điều khiển một cách tự động. Bộ vi xử lý này nhận phần lớn các tín hiệu cần thiết từ hệ thống cung cấp nhiên liệu xăng đã có và được bổ sung thêm những thông tin đặc thù khác của hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG.
Bộ vi xử lý
đối với xăng
Bộ vi xử lý
đối với LPG
Vòi phun xăng Vòi phun LPG
Lọc gió
Hòi lưu LPG
Bình chứa LPG
–ng xả xúc tác
Cảm biến oxy Bơm
Điều hòa áp suất
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường 138
Hình 8.10: Hệ thống phun nhiên liệu LPG dưới dạng lỏng Hệ thống phun LPG lỏng cải thiện rất đáng kể tính năng của động cơ cả về hiệu suất cũng như mức độ phát sinh ô nhiễm. Công suất và momen tăng do tăng hệ số nạp còn suất tiêu hao nhiên liệu giảm do điều chỉnh tốt lượng nhiên liệu cung cấp theo chế độ làm việc của động cơ.
8.3.3. Lắp đặt hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG trên ô tô Ngày nay, phần lớn các hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG được lắp đặt trên các ô tô thông dụng hay taxi nguyên thủy được thiết kế để dùng nhiên liệu xăng. Thông thường các ô tô này có lắp bộ xúc tác 3 chức năng. Do kết cấu kĩ thuật như vậy, các động cơ phải làm việc với hỗn hợp cháy hoàn toàn lí thuyết không phân biệt loại nhiên liệu sử dụng. Ở một số vùng trên thế giới chẳng hạn ở vài nước Châu Á, chính quyền sở tại khuyến khích, và đôi lúc bắt buộc sử dụng LPG nên một số nhà chế tạo đã sản xuất ô tô chuyên sử dụng loại nhiên này. Hiện nay, những ô tô LPG thường được lắp đặt trên taxi cũng như các xe tải nhỏ, tầm hoạt động của chúng thường giới hạn trong thành phố hay ven đô. Dĩ nhiên là ô tô tải đường trường cũng có thể được thiết kế để sử dụng LPG. Tuy nhiên dạng áp dụng này thường ít được phổ biến do giá thành cao. Người ta có thể chế tạo mới hoàn toàn động cơ sử dụng LPG hoặc cải tạo động cơ đã có sẵn. Hướng thứ hai này rẻ tiền hơn tuy nhiên động cơ phải được cải tạo rất nhiều vì đa số xe tải dùng động cơ Diesel. Do tình hình ô nhiễm môi trường do giao thông vận tải gây ra trong thành phố ngày càng trở nên trầm trọng nên ở một số thành phố lớn, người ta khuyến khích sử dụng LPG trên các phương tiện vận tải công cộng cho dù giá thành đầu tư ban đầu của chúng còn cao.
8.3.3.1. Hệ thống bốc hơi-giãn nở LPG LPG được chứa dưới dạng lỏng vì vậy cần làm bốc hơi trước khi đưa vào động cơ. Năng lượng cần thiết cho sự bốc hơi này do hệ thống nước làm mát cung cấp. Trong nhiều trường hợp, sự bốc hơi và giãn nở được thực hiện trong một bộ phận duy nhất, đó là bộ bốc hơi-giãn nở (hình 8.11). Nguyên lý làm việc của bộ phận này như sau: Ga lỏng được cung cấp dưới áp suất khoảng vài bars phụ thuộc vào nhiệt độ lưu trữ và được hút vào lỗ A và van thứ nhất B. Trong khoang đầu tiên C thực hiện đồng thời sự bốc hơi và giãn nở sơ bộ đến áp suất khoảng 0,7 bar. Khoang này được cấp nhiệt bởi hệ thống làm mát động cơ D. Sự giãn nở tiếp theo được thực hiện nhờ van E đến áp suất định trước phụ thuộc vào áp suất chuẩn do lỗ F tạo ra. LPG lỏng
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường 139
Hình 8.11: Bộ bốc hơi-giãn nở
8.3.3.2. Bình chứa nhiên liệu
Hình 8.12: Các dạng bình chứa nhiên liệu LPG Nhiên liệu LPG trên ô tô thường được nén trong bình chứa dưới áp suất khoảng 10 bar. Bình chứa nhiên liệu khí thường có dạng trụ và hai đầu hình bán cầu. Đôi khi bình chứa cũng có dạng hình xuyến (hình 8.12). Dạng bình chứa này giống hệt bánh xe, thường được sử dụng đối với động cơ lưỡng nhiên liệu vì nó có thể đặt vào không gian của bánh xe dự trữ. Để khởi động dễ dàng khi động cơ ở trạng thái nguội, lưu lượng khí ga được gia tăng nhờ mở van ở tầng thứ hai do một nút điều khiển bằng tay G hay một chốt điện từ điều khiển từ xa. Hiện nay phổ biến trong thương mại là phương pháp tạo hỗn hợp bằng bộ chế hòa khí. Các trang bị chế tạo sẵn để cải tạo động cơ xăng sang động cơ LPG gồm: bình chứa LPG, bộ bốc hơi-giãn nở được sấy nóng bởi trích nước làm mát từ động cơ và bộ hỗn hợp dạng Venturi. Lưu lượng ga được khống chế đồng thời bởi bộ giãn nở và hệ thống điều chỉnh lượng nhiên liệu điện tử thông qua các thông tin cần thiết để điều chỉnh lượng xăng
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường 140 Nhìn chung, trọng lượng của bình chứa lớn vì phải chế tạo bằng thép dày khoảng vài mm để đảm bảo an toàn cho ô tô và hành khách đặc biệt là khi xảy ra tai nạn. Ở Pháp bình chứa LPG trên ô tô phải qua thử nghiệm hai bước: bước đầu dưới áp suất tĩnh 30 bar; bước thứ hai thử va chạm (50km/h và dừng) ở áp suất 11 bar trong bình chứa. Bố trí hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG trên ô tô được trình bày trên hình 8.13.
Hình 8.13: Bố trí các hệ thống trên ô tô LPG
8.4. Tổng hợp kinh nghiệm về ô tô dùng LPG Sử dụng LPG làm nhiên liệu cho động cơ nói chung là rất có lợi không những về tính kinh tế mà còn làm giảm rất rõ rệt mức độ ô nhiễm môi trường so với động cơ sử dụng nhiên liệu cổ điển (xăng, diesel).
8.4.1. Tính năng của ô tô LPG Tính năng của động cơ LPG thường được so sánh với động cơ xăng cùng cỡ.
8.4.1.1. Momen, công suất Trước đây động cơ dùng LPG có momen, công suất thấp hơn động cơ xăng cùng cỡ do phun nhiên liệu khí vào đường nạp qua họng Venturi làm giảm hệ số nạp động cơ. Tuy nhiên, trên những động cơ LPG hiện đại, nhiên liệu khí được phun trực tiếp ở dạng lỏng, nên chúng có tính năng kinh tế-kĩ thuật tương đương với động cơ xăng. Thật vậy, so sánh nhiệt trị thể tích của hỗn hợp không khí-xăng và không khí-LPG (ở độ đậm đặc bằng 1) cho thấy xăng cho giá trị cao hơn 3%. Tuy nhiên, không phải chỉ có nhiên liệu gây ra sự khác biệt về momen và công suất động cơ mà các đặc trưng của hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG cũng gây ảnh hưởng đáng kể. Chẳng hạn khi LPG được phun dưới dạng lỏng, sự
Đầu nối để nạp LPG Bộ chuyển xăng/LPG
Đồng hồ xăng/LPG
Hỗn hợp không khí-gas
Bộ giãn nở-bốc hơi
Cảm biến lambda
Bộ vi xử lý LPG
Đường nạp LPG
Bình chứa LPG
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường 141 bốc hơi của nó trên đường nạp làm giảm nhiệt độ khí và do đó làm tăng khối lượng riêng của hỗn hợp, cải thiện được hệ số nạp. Ngược lại khi phun nhiên liệu dạng khí, hệ số nạp bị giảm so với động cơ xăng. Thêm vào đó, sự hiện diện của họng Venturi trên đường nạp gây ra sự xáo trộn động lực học và đó cũng là nguyên nhân làm giảm momen động cơ.
8.4.1.2. Suất tiêu hao nhiên liệu Suất tiêu hao nhiên liệu tính theo thể tích và tính theo khối lượng nhiên liệu của động cơ LPG so với động cơ xăng có lợi thế khác nhau. Trong thực tế nếu so sánh năng lượng tiêu hao trên 100km hành trình (J/100km) thì nhiên liệu LPG được xếp ở vị trí tương đối tốt, thấp hơn động cơ xăng khoảng vài phần trăm. Điều này là do sự lắp đặt hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG mới có khả năng phun nhiên liệu với độ chính xác cao. Mặt khác, hệ thống mới còn dự kiến cả việc cắt nhiên liệu khi giảm tốc độ cho phép giảm suất tiêu hao nhiên liệu đến mức thấp nhất. Thêm vào đó, nếu LPG giàu propane, chỉ số octane của nó rất cao nên có thể tăng tỉ số nén động cơ dẫn đến giảm suất tiêu hao nhiên liệu khoảng 5%.
8.4.2. Mức độ phát ô nhiễm Ô tô sử dụng LPG phát sinh rất ít ô nhiễm. Đây là đặc điểm rất đáng quan tâm đối với công tác bảo vệ môi trường.
8.4.2.1. Các chất ô nhiễm thông thường Như được giới thiệu trên hình 8.14, sự phát sinh ô nhiễm trong khí xả động cơ LPG giảm đi rất đáng kể so với động cơ xăng. Bảng 8.3 cho thấy một ô tô sử dụng LPG thõa mãn một cách dễ dàng tiêu chuẩn Cộng đồng Châu Âu 2000 và tiêu chuẩn California ULEV (ô tô phát ô nhiễm cực thấp). Nổi bật nhất là mức độ giảm CO. Điều này một mặt là do tỉ số H/C đối với LPG cao hơn xăng mặt khác do hỗn hợp được hòa trộn đồng đều hơn khi động cơ sử dụng LPG. Mức độ giảm NOx cũng quan trọng, đặc biệt là khi động cơ hoạt động ở khu vực gần đầy tải do nhiệt độ màng lửa nhiên liệu khí thấp hơn màng lửa xăng. Còn mức độ phát sinh HC thấp chủ yếu là do LPG bay hơi rất dễ dàng (không có lớp nhiên liệu lỏng trên đường nạp), lượng nhiên liệu lỏng bám trên thành buồng cháy thấp và lượng nhiên liệu hấp thụ bởi lớp dầu bôi trơn bé. Chúng ta cũng thấy trên hình 8.15 rằng HC trong khí xả chủ yếu là sản phẩm nhẹ (C1-C4) ít độc hơn hydrocabure nặng trong khí xả động cơ xăng hay Diesel.
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường 142
Hình 8.14: So sánh mức độ phát ô nhiễm của ô tô dùng xăng và LPG
Bảng 8.3: Mức độ phát ô nhiễm của ô tô sử dụng LPG so với các tiêu chuẩn
khắt khe nhất hiện nay
Chất ô nhiễm Giới hạn cho phép Mức độ phát ô nhiễm
Europe 2000
(g/km)
California
ULEV
(g/mile)
Chu trình
Europe (g/km)
Chu trình
FTP75
(g/mile)
CO 2,30 1,70 0,16 0,14
HC 0,20 0,04 0,031 0,032
NO
x 0,15 0,20 0,02 0,065 Quá trình thử theo tiêu chuẩn không hoàn toàn thích hợp với điều kiện vận hành trong thực tế vì nhiệt độ môi trường có thể gây ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ. Tuy nhiên, đối với động cơ LPG ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường không đáng kể (hình 8.16). Kết quả này làm tăng thêm ưu điểm của động cơ LPG về mặt phát sinh ô nhiễm, đặc biệt đối với dự luật về ô nhiễm môi trường khi động cơ làm việc ở nhiệt độ nạp thấp.
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1 2 3
NO
x (g/km)
HC (g/km)
CO (g/km)
Giới hạn Euro 93
Giới hạn Euro 96
Xăng
LPG
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường 143
Hình 8.15: So sánh thành phần hydrocarbure trong khí xả của ô tô dùng xăng và LPG
Hình 8.16: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến mức độ phát sinh ô nhiễm của ô tô
8.4.2.2. Các chất ô nhiễm đặc biệt Nói chung, các chất ô nhiễm đặc biệt trong khí xả động cơ sử dụng LPG rất thấp. Những chất độc là những chất có nguồn gốc benzène. Mức độ phát sinh của chúng trong khí xả khoảng 0,1mg/dặm đối với động cơ LPG. Trong khi đó đối với động cơ xăng, mức độ phát sinh là 8mg/dặm. Nồng độ buta-1,3-diène cũng thấp, 10 lần thấp hơn động cơ
0,4
0,8
1,2
5 10
0,97
0,5
2,2 2,72
Euro 93
Euro 96
22°C
14°C
7°C
0°C
-7°C
-15°C
22°C
-7

Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trườngPhần 2: NHIÊN LIỆU KHÍ THIÊN NHIÊN NGVKhí thiên nhiên là nguồn năng lượng sơ cấp rất quan trọng. Trong những năm gần
đây, sản lượng khí thiên nhiên hàng năm trên thế giới đạt xấp xỉ 2 tỉ Tép (1000m3 =
0,85Tep), tương đương khoảng 60% sản lượng dầu thô. Người ta ước tính đến năm 2020,
sản lượng khí thiên nhiên trên thế giới sẽ là 2,6 tỉ Tep/năm so với sản lượng dầu thô là 3,5
tỉ Tep.
Trữ lượng khí thiên nhiên hiện nay khoảng 150 tỉ Tep, xấp xỉ với trữ lượng dầu
thô. Mặt khác, khí thiên nhiên có ưu điểm là phân bố gần như hầu khắp trên địa cầu nên
đảm bảo được sự cung cấp an toàn và thuận tiện hơn dầu thô.
Khí thiên nhiên hiện nay chủ yếu được sử dụng để sinh nhiệt gia dụng và công
nghiệp (sưởi, tạo nhiệt, công nghệ hóa học...). Tỉ lệ khí thiên nhiên sử dụng trong lĩnh vực
giao thông vận tải còn rất khiêm tốn.
Từ những năm 1990, việc nghiên cứu sử dụng khí thiên nhiên làm nhiên liệu đã
được thực hiện ở nhiều khu vực trên thế giới. Khí thiên nhiên được xem là nhiên liệu sạch
vì vậy việc sử dụng nó để chạy động cơ ngoài mục đích đa dạng hóa nguồn nhiên liệu nó
còn góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường một cách đáng kể.
Khí thiên nhiên thay nhiên liệu lỏng truyền thống để chạy ô tô gọi tắt là NGV.
Phần sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu những đặc trưng của NGV, tính năng kĩ thuật
cũng như mức độ phát ô nhiễm của ô tô sử dụng nguồn năng lượng này.
8.5. Những kết quả đã đạt được trên thế giới về ô tô NGV
Trước hết, chúng ta sẽ nghiên cứu trạng thái khí thiên nhiên có thể cung cấp và
chứa trong bình nhiên liệu của ô tô và sau đó chúng ta sẽ đề cập đến tình hình sử dụng ô tô
NGV hiện nay trên thế giới.
8.5.1. Dạng khí thiên nhiên có thể cung cấp và chứa trong
bình nhiên liệu ô tô
Khí thiên nhiên có thể chứa trong bình nhiên liệu của ô tô ở hai dạng:
. Dạng khí ở nhiệt độ môi trường và áp suất cao (khoảng 200bar).
. Dạng lỏng ở nhiệt độ -1610C và áp suất môi trường không khí.
Cùng một năng lượng như nhau, khí thiên nhiên hóa lỏng có thể tích và khối lượng
bình chứa nhỏ hơn khi nó ở dạng khí (thường tỉ lệ 1:3 đối với thể tích và 1:3,7 đối với
khối lượng). Tuy nhiên, việc sử dụng khí thiên nhiên ở trạng thái lỏng cần có kĩ thuật làm
lạnh phức tạp, bình chứa phải được cách nhiệt hoàn toàn. Khi không còn được cách nhiệt,
phải mở soupape an toàn (tác động ở áp suất 6 bar) để cho khí thiên nhiên thoát ra. Tình
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
147
trạng này gây tổn thất một bộ phận nhiên liệu (có thể đến 1%) không cần thiết, nhưng
nguy hiểm nhất là sự cháy nổ nếu sự bay hơi diễn ra trong môi trường không khí kín. Do
vậy hiện nay trên thế giới người ta thường dùng khí thiên nhiên dạng khí để chạy ô tô. Tuy
nhiên, ở một số nước như Mĩ, Úc... người ta đang tiếp tục nghiên cứu sử dụng khí thiên
nhiên hóa lỏng để sử dụng trên các động cơ công suất lớn (xe tải, tàu lửa, tàu biển...).
8.5.2. Ô tô sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên NGV
Năm 1996 người ta ước tính có khoảng 1 triệu xe ô tô chạy bằng khí thiên nhiên
trên thế giới. Hình 8.18 giới thiệu sự phân bố lượng ô tô dùng nhiên liệu khí thiên nhiên ở
các lục địa khác nhau. Các quốc gia sử dụng nhiều nhất là CEI (Cộng đồng các quốc gia
độc lập), Ý, Argentina, Canada, Newzealand, Mĩ. Trong năm 1996 người ta tính được
2700 trạm phân phối NGV dưới dạng khí nén, trong đó 600 trạm ở Canada và Hà Lan
được lắp đặt máy nén gia dụng ngay tại nhà người sử dụng.
Con số ước tính này sẽ thay đổi rất nhiều trong một tương lai gần vì người ta dự
kiến một sự gia tăng nhanh chóng cả về số các quốc gia sử dụng (50 quốc gia vào năm
1996) cũng như số lượng ô tô sử dụng NGV ở từng nước. Theo ước tính, vào đầu những
năm 2000, số lượng xe sử dụng NGV sẽ đạt đến 750.000 chiếc ở CEI, 300.000 chiếc ở
Canađa, 200.000 ở Nhật, 50.000 chiếc ở Pháp và 200.000 chiếc ở Anh... Tuy nhiên, dù số
lượng có tăng nhanh như vậy, ô tô sử dụng NGV cũng chỉ được chú ý trên một số dạng xe
dịch vụ công cộng (taxi, xe bus...) vì loại nhiên liệu này giúp cho động cơ làm việc tốt
hơn, ít ồn, phát sinh ít ô nhiễm hơn động cơ sử dụng nhiên liệu lỏng.
8.6. Tính chất của NGV
Khí thiên nhiên có thành phần chủ yếu là méthane (CH4 chiếm từ 80 - 90% tùy
theo nguồn khai thác). Vì vậy, tính chất của khí thiên nhiên gần với tính chất của khí
méthane.
8.6.1. Thành phần hóa học
Bảng 8.4 giới thiệu thành phần tiêu biểu của một số mẫu khí thiên nhiên từ một số
khu vực trên thế giới. Ngoài methane, những thành phần hydrocacbure khác theo thứ tự
thành phần giảm dần: éthane (1-8%), propane (2%), butane và pentane (nhỏ hơn 1%). Khí
thiên nhiên cũng chứa những chất khí trơ như nitơ (10,8%), CO2 (0,2 - 1,5%). Trong
những phần sau, chúng ta chỉ xét khí NGV là khí thiên nhiên chứa ít nhất 80% methane.
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
148
Hình 8.18: Sự phân bố lượng ô tô sử dụng nhiên liệu khí trên thế giới
Bảng 8.4: Thành phần của khí thiên nhiên ở các vùng khai thác khác nhau
Méthane Ethane Propane Butane C5+ Nitơ H2S CO2
Pháp 69,0 3,0 0,9 0,5 0,5 1,5 15,3 9,3
Algérie 83,7 6,8 2,1 0,8 0,4 5,8 - 0,2
Đông Âu 85,3 5,8 5,3 2,1 0,2 0,9 - 0,4
Irak 56,9 21,2 6,0 3,7 1,6 - 3,5 7,1
Mĩ 86,5 8,0 1,9 0,3 0,2 2,6 - 0,5
Indonesi
a
65,7 8,5 14,5 5,1 0,8 1,3 - 4,1
8.6.2. Nhiệt trị
Thông thường, nhiệt trị của khí thiên nhiên được tính theo kWh/m3 ở điều kiện
thường (101,3 kPa và 00C). Trong sử dụng NGV làm nhiên liệu cho ô tô, để tiện so sánh
với nhiên liệu cổ điển như xăng, Diesel, người ta thường tính nhiệt trị theo MJ/kg. Bảng
8.5 giới thiệu một vài giá trị tiêu biểu PCI của khí thiên nhiên từ các vùng khác nhau. Sự
chuyển đổi từ PCI thể tích sang PCI khối lượng cần phải biết khối lượng riêng r(kg/m3). Tỉ
lệ nhiên liệu/không khí trong trường hợp cháy hoàn toàn lí thuyết có thể được xác định
theo thành phần của khí thiên nhiên (bảng 8.4).
Bảng 8.5: Nhiệt trị khi φ = 1 đối với các mẫu khí thiên nhiên
Xuất xứ
khí
Khối
lượng
riêng ở
thể khí
Tỉ lệ hỗn
hợp cháy
hoàn toàn
lí thuyết
PCI
(kg/m3N) r (MJ/kg) (kWh/kg) (MJ/m3N) (kWh/m3N)
Lacq 0,73 17,09 49,64 13,79 36,42 10,12
Algérie
(Fos) 0,76 16,77 48,89 13,58 37,06 10,29
Algérie
(Montoir) 0,80 16,79 48,95 13,60 39,40 10,94
Mer du
Nord 0,81 15,63 45,46 12,63 36,80 10,22
URSS 0,74 16,53 47,99 13,33 35,70 9,92
Gronigue 0,82 13,87 40,27 11,19 33,17 9,21
Chúng ta có thể thấy rằng khí thiên nhiên có nhiệt trị riêng khối lượng cao hơn
(khoảng 10%) so với nhiên liệu lỏng thông thường. Cùng hiệu suất như nhau, suất tiêu hao
nhiên liệu (tính theo khối lượng) của động cơ dùng NGV cũng giảm chừng ấy lần. Dĩ
nhiên PCI của NGV giảm khi thành phần các chất khí trơ (CO2, N2) tăng.
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
149
Vì tỉ lệ nhiên liệu/không khí trong trường hợp cháy hoàn toàn lí thuyết thay đổi
trong phạm vi tương đối rộng, từ 14 đến 17, tùy theo thành phần của khí thiên nhiên nên
trên động cơ làm việc với NGV, cần phải dự kiến những hệ thống điều chỉnh thành phần
hỗn hợp có thể làm việc trong một dải tương đối rộng. Ngược lại, năng lượng chứa đựng
trong hỗn hợp nhiên liệu - không khí, với độ đậm đặc như nhau, ít phụ thuộc vào thành
phần khí thiên nhiên, điều ấy cho phép duy trì công suất riêng của động cơ khi sử dụng
các nguồn khí khác nhau.
8.6.3. Chỉ số Wobbe
Chỉ số Wobbe W là một đặc trưng được sử dụng từ lâu để so sánh tính năng tỏa
nhiệt của hệ thống cháy. Chỉ số Wobbe được tính theo biểu thức sau đây:
W PCS
d
=
trong đó:
PCS: nhiệt trị cao MJ/m3
d: Tỉ trọng của ga so với không khí
Quan hệ giữa W và tỉ lệ hỗn hợp trong trường hợp cháy hoàn toàn lí thuyết r rất có
ý nghĩa thực tiễn:
r k.Cte W
d
= .
k=0,95; Cte=0,90
Biểu thức này cho thấy rằng r là hàm đồng biến theo chỉ số Wobbe. Nếu chỉ số
Wobbe tăng, tỉ lệ cháy hoàn toàn lí thuyết, và do đó độ đậm đặc của hỗn hợp, cũng tăng
đối với cùng sự điều chỉnh hệ thống cung cấp nhiên liệu khí.
Vì vậy đối với nhà chế tạo ô tô, giá trị của chỉ số Wobbe và nhất là sự thay đổi của
nó từ mẫu khí này đến mẫu khí khác là một thông tin cần thiết đối với sự điều chỉnh hệ
thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ.
8.6.4. Đặc điểm liên quan đến quá trình cháy trong động cơ
So sánh một số tính chất đặc trưng của khí thiên nhiên (chủ yếu là khí méthane) và
xăng được trình bày trên bảng 8.6.
Bảng 8.6: So sánh đặc tính của méthane và xăng
Đặc trưng Méthane Xăng
Chỉ số octane ≈ 130 95
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
150
Nhiệt trị khối lượng (kJ/kg) 50009 42690
Năng lượng hỗn hợp (kJ/dm3) 3,10 3,46
Giới hạn dưới bốc cháy 0,50 0,60
Tốc độ cháy chảy tầng ở độ đậm đặc
0,80 (cm/s)
30 37,5
Năng lượng đánh lửa tối thiểu (mJ) 0,33 0,26
Nhiệt độ đoạn nhiệt của màng lửa (K) 2227 2266
8.6.4.1. Chỉ số Octane
Chỉ số RON và MON của méthane theo thứ tự là 130 và 115. Đây là một ưu thế
của khí NGV sử dụng trên động cơ đánh lửa cưỡng bức. Do tính chống kích nổ tốt nên
NGV cũng được sử dụng trên động cơ có tỉ số nén cao được cải tạo từ động cơ Diesel
nguyên thủy. Trong trường hợp đó, người ta thường sử dụng phương pháp đánh lửa bằng
cách phun mồi (động cơ lưỡng nhiên liệu). Kĩ thuật này có nhiều lợi thế trên động cơ tĩnh
tại nhưng sử dung rất hạn chế trên động cơ vận tải do việc điều chỉnh phức tạp ở chế độ
quá độ. Vì vậy, hiện nay gần như hầu hết các ô tô sử dụng GVN đều hoạt động theo chu
trình động cơ đánh lửa cưỡng bức truyền thống.
8.6.4.2. Đánh lửa và lan truyền màng lửa trong buồng cháy
động cơ sử dụng NGV
Năng lượng tối thiểu của tia lửa điện cần thiết để đốt cháy hỗn hợp méthane-không
khí cao hơn nhiều so với trường hợp các hydrocacbure khác. Vì vậy, hệ thống đánh lửa
của động cơ sử dụng NGV phải có tính năng cao hơn (bobine phải có công suất cao hơn)
để bảo đảm tạo ra một năng lượng đánh lửa từ 100 đến 110mJ so với 30 ÷ 40mJ đối với
động cơ xăng truyền thống.
Mặt khác, giới hạn thành phần hỗn hợp có thể cháy được đối với khí méthane rộng
hơn các loại hydrocarbure khác nên động cơ có thể làm việc với hỗn hợp nghèo hơn.
Tốc độ lan tràn màng
lửa của hỗn hợp méthanekhông khí tương đối thấp (hình
8.19). Đặc điểm này làm giảm
tính năng của động cơ vì làm
tăng truyền nhiệt từ môi chất
công tác qua thành. Để khắc
phục tình trạng này người ta
tăng cường thêm vận động rối
của hỗn hợp trong buồng cháy.
Tuy nhiên tốc độ lan tràn
màng lửa thấp của hỗn hợp
méthane-không khí có ưu điểm
là làm giảm độ ồn của quá
ì h há hờ di á ấ
Hình 8.19: Tốc độ cháy (m/s) của méthane, propane
và isooctane (điều kiện ban đầu: áp suất 30bar,
0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4
0,5
1,0
1,5
2,0
Propane-không khí
Isooctane-không khí
Méthane-không khí
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
151
trình cháy nhờ gradient áp suất
nhỏ.
nhiệt độ 900K).
8.6.4.3. Thành phần và nhiệt độ của sản phẩm cháy
Méthane chỉ chứa 75% khối lượng carbon so với 87 ÷ 88% đối với nhiên liệu lỏng
truyền thống. Trong điều kiện cháy hoàn toàn lí thuyết, thành phần CO2 cực đại trong sản
phẩm cháy chỉ đạt 11,7% so với 14,5% đối với iso-octane. Cũng nhờ hàm lượng carbon
trong méthane thấp nên khi động cơ làm việc với hỗn hợp giàu, thành phần CO trong khí
xả thấp hơn khi sử dụng các hydrocarbure khác. Ứng với độ đậm đặc 1,1, thành phần CO
trong sản phẩm cháy chiếm khoảng 2,2% đối với méthane và 3,3% đối với toluen.
Nhiệt độ màng lửa của hỗn hợp méthane-không khí thấp nên nồng độ NOx trong
sản phẩm cháy cũng thấp.
8.7. Các kĩ thuật liên quan đến ô tô sử dụng NGV
Giống như khi vận hành, sử dụng các thiết bị áp lực khác, đối với ô tô NGV chúng
ta cũng cần phải xem xét các điều kiện về khối lượng, thể tích, độ an toàn của bình chứa
nhiên liệu khí ở áp suất cao.
8.7.1. Chứa nhiên liệu NGV trên ô tô và hệ thống cung cấp
8.7.1.1. Bình chứa NGV trên ô tô
Giải pháp cổ điển nhất là sử dụng bình thép để chứa NGV dưới áp suất khoảng 200
bar. Theo qui định an toàn, bình chứa phải chịu được áp suất thử nghiệm 600 bar để đề
phòng nổ vỡ trong trường hợp nó bị sấy nóng (khi bị hỏa hoạn chẳng hạn). Điều này làm
giảm khả năng chứa cực đại của bình (khoảng 0,15m3N NGV đối với 1kg vỏ bình chứa).
Ngày nay, người ta ưa chuộng những loại vật liệu khác, chẳng hạn như nhôm thường hay
nhôm gia cố thêm sợi thủy tinh, vật liệu composite với sườn bằng sợi thủy tinh hay sợi
carbon. Khả năng chứa khí của các bình chế tạo từ các vật liệu khác nhau trình bày trên
bảng 8.7. Bảng này cho thấy rằng những vật liệu mới có thể cho phép nâng sức chứa NGV
lên gấp 4 lần so với bình bằng thép có cùng khối lượng.
Bảng 8. 7: Khả năng chứa (m3N) đối với 1 kg bình chứa làm bằng
các vật liệu khác nhau ở áp suất 200 bar
Vật liệu Khả năng chứa
m
n
3
/kg bình chứa ở 200bar
Thép thường 0,13-0,14
Thép tốt 0,18-0,20
Nhôm thường 0,19-0,20
Nhôm gia cố sợi thủy tinh 0,28-0,38
Composite sườn bằng sợi 0,40-0,50
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
152
thủy tinh
Composite sườn bằng sợi
carbon
0,50-0,70
Người ta nhận thấy dù sử dụng loại vật liệu nào đi nữa thì áp suất khí trong bình
khoảng 200 bar là tối ưu nhất.
Một phương pháp khác để chứa NGV trên ô tô là dùng vật liệu hấp thụ. Vật liệu
này có thể là than hoạt tính hay oxyde kim loại. Ưu điểm của chúng thể hiện ở khả năng
chứa khí (trên một đơn vị khối lượng) cao (hình 8.20) và có thể làm việc ở áp suất thấp
(30÷40 bar). Trong điều kiện đó, giá thành nén khí thấp hơn và bình chứa có thể được chế
tạo theo những hình dạng khác nhau cho phù hợp với sự bố trí bình chứa trên xe (bình
chứa NGV thông thường ở áp suất 200 bar phải có dạng hình trụ). Bình chứa nhiên liệu
kiểu hấp thụ hiện đang được nghiên cứu để hoàn thiện. Vấn đề cần giải quyết là khống chế
quá trình nhiệt diễn ra khi hấp thụ khí (tỏa nhiệt) và khi giải phóng khí (thu nhiệt), khả
năng hấp thụ khí, tuổi thọ của vật liệu hấp thụ... Hiện nay, người ta đã đạt được áp suất
làm việc 35bar với khả năng chứa khí từ 125 ÷ 180 lít đối với một lít thể tích bình chứa,
nghĩa là đạt được khoảng từ 50 - 80% khả năng chứa của bình thép thông thường ở áp suất
200 bar.
Tuy nhiên cho đến nay,
việc chứa khí NGV dưới áp suất
cao vẫn là giải pháp thông dụng
nhất. Vì vậy, trên ô tô sử dụng
loại nhiên liệu này người ta phải
lắp các thiết bị an toàn để tránh
sự cố cháy nổ trong trường hợp
khí bị rò rỉ. Trong thực tế rủi ro
này rất ít khi xảy ra vì méthane
nhẹ hơn rất nhiều so với không
khí (tỉ trọng so với không khí là
0,55) nên bị khuếch tán nhanh
chóng, khả năng để đạt được hỗn
hợp trong giới hạn bốc cháy là rất
thấp.
Hình 8.20: Khả năng chứa khí trên than
hoạt tính ở 210oC
Để đảm bảo an toàn về áp suất, trên hệ thống cung cấp nhiên liệu NGV ngườI ta
lắp đặt một van an toàn tác độn ở áp suất 350bar. Áp suất này có thể xảy ra khi ô tô bị hỏa
hoạn. Kết quả thí nghiệm trong trường hợp cháy xe cho thấy khí thoát ra khỏi van an toàn
gây cháy nhưng không nổ. Đối với xe bus chạy ga, bình chứa khí thường đặt trên trần xe
(hình 8.21).
8.7.1.2. Hệ thống cung cấp NGV:
Chúng ta phân biệt hai trường hợp: trạm dịch vụ cung cấp khí tập trung và máy
nén gia đình giúp cho người sử dụng nạp GNV ngay tại garage của mình.
10
20
30
40
10 20 30
Khả năng chứa
(kg/m3)
Carbon
hoạt tính
Bình chứa
cổ điển
Áp suất trong bình chứa
(b )
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
153
Ở các nước có hệ thống ga thành phố, trạm dịch vụ NGV có ba chức năng:
. Nối vào mạng phân phối khí thiên nhiên của thành phố
. Nén khí đến áp suất hơn 200bar và dự trữ một số bình khí để cung cấp nhanh
trong những giờ cao điểm.
. Phân phối khí NGV cho ô tô bằng ống mềm
Thời gian nạp NGV càng nhỏ càng tốt, thường khoảng từ 2 đến 10 phút cho mỗi
xe. Điều này đòi hỏi phải chứa ga trong bình dự trữ ở trạm có áp suất cao hơn nhiều so với
áp suất bình chứa khí trên ô tô. Thông thường áp suất máy nén khoảng 250 bar. Đối với
một trạm dịch vụ nạp khí cho 1000 ô tô/ngày cần phải có máy nén có công suất khoảng
100kW.
Cuối cùng cần nói thêm rằng, khi cung cấp NGV, máy định lượng thường được
chia không phải theo m3 khí cung cấp mà theo lít xăng tương đương để cho người sử dụng
có thể so sánh với nhiên liệu lỏng truyền thống.
Ngoài ra, ở các nước phát triển có hệ thống cung cấp khí thiên nhiên trong thành
phố, người ta còn sử dụng máy nén cá nhân để cung cấp NGV cho ô tô ngay tại nhà người
sử dụng. Hệ thống này đảm bảo nạp ga chậm, khoảng 4lít/giờ với áp suất 200bar.
8.7.2. Tổ chức quá trình cháy
Bình ga NGV Giảm chấn
Tiết lưu Thanh gia cố
Xả khí
Cửa thông gió động cơ
Thành kín
Bộ giãn nở
Van điện từ
Động cơ
Hộp nạp khí
Đường dẫn khí
Đường nạp NGV
Van một chiều
Van điện từ
Hình 8.21: Sơ đồ bố trí tổng thể hệ thống cung cấp NGV trên ô tô bus
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
154
Hai dạng ô tô có thể dùng NGV đó là ô tô chuyên dụng và ô tô bus. Tùy theo dạng
sử dụng, giải pháp kĩ thuật về tổ chức quá trình cháy có thể khác nhau.
Ô tô chuyên dụng thường dùng động cơ xăng nên khi cải tạo nó sang dùng NGV
cần chú ý đến việc tăng tỉ số nén. Tỉ số nén của động cơ chạy NGV có thể chọn cao hơn
nhiều so với động cơ xăng do chỉ số octane của méthane lớn. Thường tỉ số nén của động
cơ NGV là 12 hoặc 13. Cũng như động cơ xăng, để nâng cao hiệu quả của việc xử lí ô
nhiễm bằng bộ xúc tác ba chức năng, bộ tạo hỗn hợp phải điều chỉnh thành phần hỗn hợp f
quanh giá trị cháy hoàn toàn lí thuyết.
Việc cải tạo xe bus nguyên thủy dùng động cơ Diesel sang dùng nhiên liệu khí
NGV phức tạp hơn vì phải thêm hệ thống đánh lửa cưỡng bức và tổ chức quá trình cháy
như động cơ xăng. Trong điều kiện đó để giảm ô nhiễm và tăng tính kinh tế của động cơ,
người ta có thể áp dụng hai giải pháp kĩ thuật sau đây và hai giải pháp này đang là đối
tượng nghiên cứu để tiếp tục phát triển:
. Giải pháp thứ nhất là cho động cơ luôn luôn làm việc với thành phần hỗn hợp
cháy hoàn toàn lí thuyết kết hợp với việc xử lí khí thải bằng bộ xúc tác ba chức năng. Ưu
điểm của nó là làm giảm mức độ phát ô nhiễm nhưng nhược điểm là hiệu suất giảm so với
động cơ Diesel.
. Giải pháp thứ hai, ít có tham vọng làm giảm ô nhiễm môi trường hơn nhưng có
khả năng làm giảm suất tiêu hao nhiên liệu. Giải pháp này cho phép điều chỉnh thành phần
hỗn hợp theo điều kiện vận hành và ưu tiên sử dụng hỗn hợp nghèo.
8.7.3. Kĩ thuật tạo hỗn hợp
Việc định lượng chính xác nhiên liệu cung cấp ở mỗi chế độ làm việc của động cơ
NGV đôi khi khó thực hiện. Mặt khác, khi động cơ hoạt động, thành phần hỗn hợp giữa
các cylindre cần phải đồng đều và tổn thất trên đường nạp cần phải giảm đến mức thấp
nhất... Vì vậy hệ thống nạp của động cơ NGV đòi hỏi những kĩ thuật phức tạp.
8.7.3.1. Bộ chế hòa khí
Có nhiều kĩ thuật chế hòa khí nhưng hiện nay kĩ thuật phổ biến nhất vẫn là kĩ thuật
ống Venturi. Trong hệ thống này, khí NGV không những chỉ định lượng bởi độ chân
không trong ống Venturi mà còn bởi sự thay đổi độ tiết lưu trên đường nạp. Sự điều chỉnh
mức độ tiết lưu này được thực hiện nhờ một động cơ bước qua trung gian một bộ vi xử lí
chuyên dụng nhận tín hiệu từ các cảm biến.
Phương án dùng bộ chế hòa khí có nhược điểm là hệ số nạp của động cơ bị giảm ở
chế độ quá độ. Để khắc phục nhược điểm này, người ta nghiên cứu áp dụng phương án
phun nhiên liệu trực tiếp hay gián tiếp.
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
155
Hình 8.22: Sơ đồ hệ thống nạp nhiên liệu NGV trên động cơ phun tập trung
Hình 8.23: Sơ đồ hệ thống nạp nhiên liệu NGV trên động cơ phun riêng rẽ
8.7.3.2. Phun gián tiếp
Hệ thống phun gián tiếp cho phép cải thiện được tính năng của động cơ và mức độ
phát ô nhiễm. Khác với bộ chế hòa khí, hệ thống này phun nhiên liệu dưới áp suất. Điều
này cho phép cung cấp một lượng nhiên liệu chính xác theo chế độ làm việc của động cơ.
Mặt khác, do không có họng Venturi, hệ số được nạp vào động cơ được cải thiện đáng kể.
Cũng như động cơ xăng, phun nhiên liệu có thể được thực hiện theo phương án tập trung
(một điểm) tại cổ góp đường nạp (hình 8.22) hay riêng rẽ (phun vào trước soupape nạp
của mỗi cylindre) (hình 8.23). Hệ thống phun riêng rẽ có nhiều ưu điểm so với hệ thống
phun tập trung vì nó làm giảm khả năng hồi lưu ngọn lửa vào đường nạp, cải thiện được
Động cơ
Bộ hỗn hợp
Nạp
Xả
Van định lượng
Bộ giảm áp
Máy tính
điều khiển
thời gian phun
Máy tính
điều khiển
động cơ
Lưu lượng
khí mong
Nhiên liệu khí muốn
- Nhiệt độ khí
- Áp suất khí
- Chênh lệch áp suất
- Áp suất khí nạp
- Nhiệt độ khí nạp
- Tín hiệu cảm biến Oxy
- Vị trí bướm ga
Van định lượng
Bộ Giảm áp
Động cơ
Cảm biến Oxy
Bộ xúc tác
3 chức năng
Bộ chấp hành Máy tính
Tốc độ động cơ
Áp suất nạp
Vị trí bướm ga
Nhiên liệu khí
Thải
Nạp
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
156
sự đồng đều nhiên liệu cung cấp cho các cylindre của động cơ. Việc khống chế lưu lượng
NGV nạp vào xi lanh được thực hiện nhờ một bộ vi xử lí chuyên dụng.
8.7.3.3. Phun trực tiếp
Kĩ thuật này rất có rất nhiều ưu điểm vì nó cho phép đồng thời làm giảm mức độ
gây ô nhiễm và làm tăng tính kinh tế của động cơ. Phun trực tiếp NGV vào buồng cháy
cho phép kết hợp các ưu điểm của khí thiên nhiên và quá trình cháy của hỗn hợp nghèo
phân lớp. Mặt khác, hệ thống phun NGV còn thừa hưởng ưu thế của nhiên liệu nén ban
đầu nên không cần bơm nhiên liệu áp suất cao. Động cơ có thể hoạt động không có tổn
thất hệ số nạp và ở điều kiện hỗn hợp nghèo. Kĩ thuật này đòi hỏi chế tạo và điều chỉnh
chính xác hệ thống phun vì vậy đắt tiền nên hiện nay nó chưa được phổ biến rộng rãi.
Bảng 8.8: So sánh các hệ thống cung cấp nhiên liệu NGV khác nhau trên động cơ
Chế hòa khí Phun ở cổ góp Phun
trước
soupape
nạp
Phun
trực tiếp
Cơ khí Điện tử Phun
liên tục
Phun gián
đoạn
Giá thành ++ + + - - --
Hoạt động
quá độ
-- - - + + --
Phân bố giữa
các xilanh
-- -- -- -- ++ ++
Tổn thất -- -- - - + ++
Nguy cơ
quay ngược
màng lửa
-- -- -- -- + ++
8.7.3.4. So sánh các hệ thống khác nhau
Bảng 8.8 cho thấy ưu nhược điểm của các kĩ thuật tạo hỗn hợp khác nhau đối với
động cơ NGV. Qua bảng này chúng ta thấy rằng kiểu chế hòa khí có rất ít ưu điểm. Do đó,
việc phát triển hệ thống phun tập trung hay riêng rẽ là cần thiết để tăng tính năng kinh tế
kĩ thuật của động cơ NGV.
8.8. Cân bằng năng lượng và ảnh hưởng đến môi trường
của hệ ô tô NGV
Sau đây chúng ta sẽ khảo sát sự cân bằng năng lượng liên quan đến quá trình cung
cấp nhiên liệu khí thiên nhiên (vận chuyển, nén và phân phối) và tính năng của động cơ sử
dụng NGV, đặc biệt là tính năng liên quan đến vấn đề ô nhiễm.
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
157
8.8.1. Tiêu tốn năng lượng liên quan đến việc vận hành hệ thống NGV
Việc đánh giá tính kinh tế của hệ ô tô NGV cần phải xem xét đến sự cân bằng năng
lượng trên toàn bộ các công đoạn từ khi khai thác khí ở mỏ đến khi sử dụng trên ô tô.
Bảng 8.9 giới thiệu những số liệu so sánh về cân bằng năng lượng của GNV và nhiên liệu
lỏng truyền thống. Tiêu tốn năng lượng được phân bố trong 5 công đoạn: sản xuất, vận
chuyển, lọc, phân phối và nén (khí) trước khi sử dụng. Đối với khí NGV, năng lượng tiêu
thụ của các công đoạn trước khi nạp vào động cơ chiếm khoảng 16%. Mức độ tiêu tốn
này tương đối tốt so với xăng. Về phương diện này, dầu Diesel kinh tế nhất, ngay cả
trường hợp dầu Diesel chứa tỉ lệ lưu huỳnh thấp (0,05%).
8.8.2. Tính năng của ô tô
8.8.2.1. Đối với ô tô thông dụng
Như chúng ta đã trình bày việc chuyển đổi ô tô thông dụng sử dụng nhiên liệu lỏng
sang sử dụng khí thiên nhiên NGV đòi hỏi một sự cải tạo đáng kể đối với động cơ: nâng
cao tỉ số nén, nâng cao công suất hệ thống đánh lửa, đặc biệt là phải cải tạo hệ thống cung
cấp nhiên liệu và bình chứa. Trong phần này chúng ta sẽ đánh giá tính năng của động cơ
và vấn đề ô nhiễm.
A. Tính năng:
Về hiệu suất, động cơ dùng NGV có thể dễ dàng đạt được hiệu suất cao hơn động
cơ xăng khoảng10% nhờ tỉ số nén cao. Khi nạp trực tiếp nhiên liệu thể khí vào đường nạp,
hệ số nạp của động cơ bị giảm dẫn đến công suất động cơ giảm (khoảng 10%). Tuy nhiên
sự tụt giảm công suất có thể bù trừ nhờ sự gia tăng hiệu suất động cơ. Động cơ sử dụng
NGV có các tính năng về động học (gia tốc, quá độ, tốc độ cực đại...) tương đương động
cơ xăng. Mặt khác, nhiên liệu NGV do ở dạng khí nên ít bị ảnh hưởng bởi quán tính trong
giai đoạn quá độ nên động cơ làm việc mềm mại hơn. Cuối cùng, động cơ sử dụng NGV
không có những nhược điểm liên quan đến nhiệt độ môi trường như động cơ dùng nhiên
liệu lỏng.
Bảng 8.9: Phân bố năng lượng tiêu thụ trước khi đến nơi sử dụng của
các loại nhiên liệu khác nhau
Các công đoạn Xăng Dầu Diesel GPL-C Khí thiên
nhiên
Đuốc đốt khí trong quá
trình khai thác
3,0 3,0 3,0 1,8
Tiêu thụ trên hiện trường 1,0 1,0 1,0 -
Vận tải 1,9 1,9 1,9 8,0
Lọc 12,5 6,5 3,5 -
Tổn thất lọc 0,3 0,1 0,1 -
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
158
Phân phối 0,5 0,5 1,0 0,5
Nén - - - -
Tổng cộng 19,2 13,0 10,5 16,3
B. Ô nhiễm:
Cũng như đối với những loại nhiên liệu khác, đặc điểm phát sinh ô nhiễm của động
cơ dùng NGV liên quan đến thành phần hydrocarbure của nhiên liệu, (thường nhiên liệu
NGV chứa ít nhất 90% méthane). Bảng 8.10 so sánh thành phần hydrocarbure trong khí xả
trước khi vào bộ xúc tác 3 chức năng khi động cơ sử dụng nhiên liệu NGV và xăng. Khác
với động cơ xăng, trong khí xả động cơ NGV hầu như không có hydrocarbure nào có hơn
4 nguyên tử carbon, đặc biệt hơn nữa là không có sự hiện diện của thành phần
hydrocarbure thơm.
Liên quan đến vấn đề tạo ozone ở hạ tầng khí quyển, khí thải của động cơ NGV có
hoạt tính thấp hơn động cơ xăng đến 2 lần. Tính chất này chủ yếu là do nhiên liệu NGV
chứa phần lớn méthane, thành phần các chất hoạt tính (butènes, buta-1,3-diène, xylènes)
rất thấp hoặc có thể bỏ qua.
Mặt khác, nhiên liệu NGV không bao giờ gây trở ngại đối với bộ xúc tác ba chức
năng do thành phần lưu huỳnh như trong trường hợp nhiên liệu lỏng. Tuy nhiên, sự ôxy
hóa méthane còn lại trong khí xả rất khó khăn. Muốn loại trừ triệt để chất khí này cần sử
dụng một bộ xúc tác đặc biệt.
C. Số liệu so sánh trong vài trường hợp điển hình:
Sau đây là số liệu so sánh của vài trường hợp động cơ xăng và động cơ NGV.
Trường hợp thứ nhất (bảng 8.11), nếu xét hai động cơ có cùng tỉ số nén, cùng kết cấu
đường nạp, cùng hệ thống đánh lửa và hệ thống phân phối khí thì ô tô NGV có mức độ
phát sinh ô nhiễm thấp hơn động cơ xăng khoảng 50%.Trường hợp thứ hai, nếu xét một
động cơ đã được thiết kế chuyển đổi để chuyên dùng nhiên liệu NGV thì động cơ dùng
NGV có mức độ phát ô nhiễm rất thấp so với động cơ xăng có cùng công suất và momen
(bảng 8.12).
8.8.2.2. Xe bus và xe vận tải
Đánh giá mức độ phát ô nhiễm cũng như tính năng của ô tô phụ thuộc nhiều vào kĩ
thuật tạo hỗn hợp: hỗn hợp nghèo hay hỗn hợp có thành phần cháy hoàn toàn lí thuyết với
bộ xúc tác 3 chức năng.
A. Tính năng:
Động cơ Diesel tăng áp khi chuyển sang sử dụng NGV với bộ xúc tác 3 chức năng
và hỗn hợp có thành phần cháy hoàn toàn lí thuyết thì tổn thất hiệu suất sẽ rất lớn, có thể
tới 20%.
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
159
Bảng 8.10: So sánh thành phần hydrocarbure trong khí thải của động cơ dùng xăng và dùng NGV.
Mẫu được lấy phía trước bộ xúc tác, thử theo chu trình ECE+EUDC
Xăng NGV Xăng NGV
Méthane 64 360 Ethane 28,3 50
Ethylene 117,4 40 Propane 100 45,6
Propylene 72,8 10,2 Acétylène 57,9 20,0
Butanes 12,9 10,3 (E) But-2-ène 6,1 0
But-1-ène 7,8 0 Isobutène 40 0
(Z)-But-2-ène 4,6 0 Isopentane 39,9 0
n-Pentane 15 0 Propyne 15 0
Buta-1,3-diène 18 0 Pent-1-ène 8,7 0
Benzène 65 0 Iso-octane 46,1 0
Toluène 130,1 0 Ethylbenzène 15,9 0
(m+p)-Xylène 84,6 0 (o)-Xylène 19 0
(Khối lượng khí phát thải tính theo mg)
Bảng 8.11: Giảm ô nhiễm nhờ bộ xúc tác đối với động cơ NGV (tỉ lệ hỗn hợp f=1)
CO(%) HC(%) NOx(%) HC+NOx(%) CO2(%)
Không có bộ
xúc tác
44 52 34 42 20,5
Có bộ xúc tác 63,5 63 57 60 19
Ngược lại nếu dùng kĩ thuật hỗn hợp nghèo, khi động cơ NGV làm việc với bộ
tăng áp thì hiệu suất cao hơn (xấp xỉ động cơ Diesel nguyên thủy) và momen cực đại chấp
nhận được. Bảng 8.12 cho chúng ta thấy sự so sánh giữa động cơ NGV và động cơ Diesel
nguyên thủy.
Bảng 8.12: So sánh momen cực đại và hiệu suất của động cơ Diesel
và động cơ NGV
So sánh tính năng động
cơ dùng gasole và khí
thiên nhiên
Nhiên liệu
Diesel Khí thiên nhiên
PCI (kJ/kg) 42800 49100
Chế độ 1400 1260
Momen 1180 1000
Công suất 173 185
Độ đậm đặc 0,56 0,61
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
160
Suất tiêu hao nhiên liệu
(g/kWh)
204 186
Hiệu suất toàn bộ 41,2 39,4
Bảng 8.13: Mức độ phát ô nhiễm của động cơ dùng NGV
Chất ô nhiễm Mức độ
CO (g/mile) 0,655
HC tổng 0,230
HC không mèthane 0,016
NOx (g/mile) 0,112
CO2 (g/mile) 226,6
Tiêu thụ nhiên liệu 28,5
Hoạt động độc lập 175
B. Ô nhiễm:
Bảng 8.13 cho chúng ta một vài ví dụ liên quan đến mức độ phát ô nhiễm của ô tô
vận tải sử dụng NGV. Chúng ta nhận thấy trong mọi trường hợp, mức độ CO và bồ hóng
rất thấp, mức độ HC đôi lúc gần với giá trị cho phép bởi luật môi trường, nhưng chỉ chứa
phần lớn méthane (khoảng 90%), còn lại các thành phần khác rất thấp.
Còn về mức độ phát sinh NOx, khí xả động cơ NGV có nồng độ NOx rất thấp nếu
động cơ làm việc với f=1 và có lắp bộ xúc tác 3 chức năng. Nồng độ này cao hơn một chút
nhưng vẫn nằm trong giới hạn cho phép nếu dùng hỗn hợp nghèo.
Những phiền phức đặc biệt của động cơ Diesel (ồn, hôi, khói đen...) sẽ được giảm
đi rất nhiều đối với động cơ NGV. Mức độ ồn giảm được khoảng 3 db khi động cơ hoạt
động không tải đối với ô tô bus thành phố.
Về mùi hôi, chất phụ gia chứa lưu huỳnh (THT: Télrahydrothiophène) để phát hiện
sự rò rỉ được thêm vào khí thiên nhiên với thành phần rất thấp (20 hay 25mg/m3) nên bị
đốt cháy hoàn toàn. Vì vậy nên khí xả động cơ NGV rất ít hôi so với khí xả động cơ
Diesel.
8.8.3. Ảnh hưởng đối với hiệu ứng nhà kính
Méthane cũng như CO2 và N2O là khí gây hiệu ứng nhà kính một cách trực tiếp vì
vậy người ta rất quan tâm đến việc nghiên cứu ảnh hưởng của việc phát triển động cơ
NGV đến việc nóng lên của bầu khí quyển.
Bảng 8.14: Phát ô nhiễm của động cơ công nghiệp dùng NGV
Cháy hoàn toàn lí
thuyết với bộ xúc tác
Cháy hỗn hợp nghèo
với bộ xúc tác oxy hóa
Tiêu chuẩn
Euro 1996
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
161
3 chức năng
CO 2,5 0,3 4
HC 0,5 0,2 1,1
NO
x 3,5 2,5 7,0
Bồ hóng 0,05 0,05 0,15
(Đơn vị tính: g/kWh)
Trong thực tế, động cơ NGV phát sinh nhiều méthane nhưng ít CO2 so với động cơ
nhiên liệu lỏng. Vì vậy, lượng chất khí gây hiệu ứng nhà kính trong khí xả động cơ NGV
thấp hơn khoảng 25% so với động cơ xăng và 5% so với động cơ Diesel (bảng 8.15). Do
đó, việc sử dụng NGV sẽ làm giảm đi đáng kể lượng khí gây hiệu ứng nhà kính trên phạm
vi toàn cầu.
Bảng 8.15: So sánh mức độ phát sinh khí gây hiệu ứng nhà kính đối với động cơ
dùng xăng, Diesel và NGV (gCO2/km), theo chu trình ECE
Xăng Diesel NGV
Trước bộ xúc tác 356 280 267
Sau bộ xúc tác 310 251 231
8.9. Viễn cảnh của động cơ dùng NGV
Nhìn chung, động cơ dùng NGV có rất nhiều hứa hẹn đối với ô tô hoạt động trong
thành phố hay vùng ven đô, những khu vực mà tình trạng ô nhiễm môi trường do phương
tiện vận tải gây ra ngày càng trở nên trầm trọng. Ở một số khu vực trên thế giới, người ta
đã bắt đầu sử dụng NGV cho ô tô chạy trong thành phố. Chẳng hạn ở Buenos-Aires, tất cả
taxi đều dùng NGV. Ở những thành phố lớn của Mỹ, chẳng hạn ở NewYork, người ta đã
xây dựng nhiều dự án quan trọng cho việc chuyển ô tô nhiên liệu lỏng sang NGV. Nhiều
quốc gia khác như Ý, Canada, Hà lan... cách đây khá lâu đã xây dựng những cơ sở hạ tầng
phục vụ cho việc phát triển ôtô dùng NGV. Ở các nước này ô tô NGV ngày càng được
nhân rộng.

Chương 9XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN
ĐỘNG CƠ Ô TÔ NHẰM
LÀM GIẢM Ô NHIỄM
MÔI TRƯỜNG

Để đáp ứng với yêu cầu của luật bảo vệ môi trường ngày càng trở nên khắt khe, các nhà chế tạo ô tô đã không ngừng cải tiến sản phẩm của mình. Những tiến bộ mới đây trong lĩnh vực tổ chức quá trình phun nhiên liệu nhờ ứng dụng thành tựu của kĩ thuật điều khiển cũng như sử dụng các loại nhiên liệu khí để chạy động cơ đã tạo ra một viễn ảnh khá lạc quan cho sự phát triển động cơ nhiệt truyền thống. Trong chương này, chúng ta sẽ đề cập đến các xu hướng hoàn thiện động cơ đốt trong lắp trên các phương tiện giao thông vận tải.
9.1. Cải thiện tính năng của động cơ truyền thống
9.1.1. Động cơ đánh lửa cưỡng bức làm việc với hỗn hợp
cháy hoàn toàn lí thuyết Động cơ này được phát triển để bảo đảm tính hiệu quả của việc xử lí khí xả bằng bộ xúc tác 3 chức năng. Trong nhiều năm qua, loại động cơ này chưa có những cải tiến gì đáng kể. Các cải tiến hiện nay tập trung vào việc nâng cao tính kinh tế và giảm thời gian khởi động của bộ xúc tác.
9.1.1.1 Cải thiện hiệu suất Hiệu suất thực tế mà động cơ đạt được hiện nay còn cách xa so với hiệu suất lí thuyết mà nó đạt được khi làm việc trong điều kiện khí trời. Kĩ thuật nâng cao hiệu suất được quan tâm hiện nay là giảm tổn thất bơm trong chu trình công tác và giảm tổn thất nhiệt ở tải cục bộ nhờ hồi lưu khí xả. Kĩ thuật này đồng thời cũng góp phần làm giảm NOx và tạo điều kiện thuận lợi cho việc xử lí khí xả bằng bộ xúc tác. Sự khác biệt giữa các kĩ thuật này thể hiện ở cách thức nạp khí xả hồi lưu. Chẳng hạn theo phương pháp Ricardo, khí mới nạp vào động cơ được thực hiện nhờ hai ống dẫn khác nhau: một ống dẫn không khí giống như ống nạp truyền thống và ống còn lại, có độ tiết lưu thay đổi theo điều kiện làm việc, dẫn hỗn hợp không khí và khí xả hồi lưu. Sự phân lớp khí nạp như vậy cần thiết trong trường hợp tỉ lệ khí xả hồi lưu cao. Hệ thống vừa mô tả có thể làm tăng hiệu suất khoảng từ 6÷8% đối với động cơ làm việc với hỗn hợp cháy hoàn toàn lí thuyết. Sự phát sinh NOx ở nguồn, nghĩa là trước khi
Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường 166 vào ống xả xúc tác, giảm từ 85÷90% nhưng nồng độ HC gia tăng khoảng 10%. Điều này không gây khó khăn gì trong việc xử lí khi bộ xúc tác làm việc bình thường. Một hệ động cơ khác ngày nay đang được nghiên cứu áp dụng, đó là động cơ làm việc theo chu trình Miller. Khác với chu trình Beau de Rochas, ở động cơ này hành trình nạp và nén khác với hành trình giãn nở và thải. Thực ra chỉ có quá trình nạp và nén được thực hiện khác với động cơ truyền thống: soupape nạp đóng trước ĐCD khi piston đi xuống. Kết quả là tỉ số nén thực bị giảm nhưng điều đó không gây ảnh hưởng đến hiệu suất chu trình nhiệt của động cơ vì hiệu suất của chu trình bị ảnh hưởng chủ yếu bởi tỉ số giãn nở của khí cháy. Sử dụng chu trình Miller cho phép giảm tổn thất bơm. Bướm ga trở nên không cần thiết vì thời gian mở soupape nạp quyết định lượng khí nạp vào cylindre. Hãng Mazda từ năm 1993 đã thương mại hóa ô tô trang bị động cơ làm việc theo chu trình này. Động cơ Mazda làm việc theo chu trình Miller có tỉ số nén và giãn nở khác nhau, nhưng soupape nạp đóng sau ĐCD chứ không phải trước ĐCD như chu trình Miller cổ điển. Thêm vào đó, sự định lượng khí nạp mới cũng được thực hiện nhờ bướm ga. Mặt khác động cơ cũng được trang hệ thống tăng áp và hệ thống làm mát trung gian khí nạp. Việc áp dụng các hệ thống này cho phép nâng cao tính năng của động cơ dù tỉ số nén thực tế bé. Thêm vào đó, việc sử dụng hệ thống tăng áp hạn chế được hiện tượng quay ngược khí ga vào đường nạp. So với động cơ cổ điển có cùng dung tích cylindre, động cơ Mazda có công suất và momen cao gấp 1,5 lần và suất tiêu hao nhiên liệu giảm từ 10 đến 15%. Một phương án khác nhằm cải thiện hiệu suất động cơ là cho ngưng hoạt động của soupape nạp và xả của một vài cylindre khi động cơ làm việc ở chế độ tải cục bộ và tốc độ thấp. Lợi ích chủ yếu của giải pháp này là giảm vùng áp suất thấp của chu trình. Khi đó một vài cylindre không hoạt động còn các cylindre khác hoạt động ở tải lớn hơn so với khi nó làm việc theo phương pháp phối khí cổ điển. Kết quả là tổn thất bơm giảm. Kĩ thuật này làm giảm ma sát động cơ và cải thiện được quá trình cháy trong trường hợp tải rất thấp. Hãng Mitsubishi từ năm 1994 đã phát triển hệ thống này. Hệ thống có tên gọi là MIVEC (Mitsubishi Innovative Valve timing and lift Electronic Control). Ngoài việc cho ngừng họat động một số soupape ở tải thấp, hệ thống này còn được trang bị thêm một hệ thống điều chỉnh góc phối khí và độ nâng soupape. Động cơ trang bị hệ thống MIVEC cho phép giảm suất tiêu hao nhiên liệu đến 30% ở chế độ không tải và giảm hơn 15% khi thử theo chu trình tiêu chuẩn của Nhật. Công suất và momen của động cơ có thể cao hơn 15% so với động cơ cổ điển. Kĩ thuật điều chỉnh góc độ phối khí theo tải động cơ cũng là hướng nghiên cứu được nhiều nhà chế tạo quan tâm. Thường hướng lựa chọn thiên về việc làm giảm đến mức thấp nhất khoảng trùng điệp của các soupape ở chế độ tải thấp để làm giảm lượng khí sót trong cylindre và cải thiện quá trình cháy. Trong trường hợp tải lớn, góc độ trùng điệp của các soupape phải tăng lên để tạo điều kiện thuận lợi cho việc nạp đầy cylindre nghĩa là
Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường 167 cải thiện hệ số nạp và từ đó làm tăng hiệu suất động cơ. Mặt khác, sự modul hóa khoảng trùng điệp của soupape cho phép làm giảm mức độ phát sinh HC và NOx. Trong thực tế, người ta có thể phối hợp giữa việc điều chỉnh góc độ phối khí với sự thay đổi luật nâng soupape. Nhìn chung, độ nâng của soupape ở chế độ tốc độ thấp nhỏ hơn độ nâng ở chế độ tốc độ cao. Hệ thống này đã được hãng Honda phát triển với tên gọi là VTEC (Variable valve Timing and lift Electronic Control). Nó được trang bị trên động cơ có 4 soupape cho mỗi cylindre. Mỗi soupape mở theo một một luật riêng phụ thuộc chế độ làm việc của động cơ.
9.1.1.2. Gia tốc quá trình khởi động bộ xúc tác Các bộ xúc tác 3 chức năng hiện nay được lắp đặt trên ô tô chỉ hoạt động hiệu quả sau khi động cơ đã làm việc khoảng 2-3 phút. Thường sau khoảng thời gian này bộ xúc tác mới đạt được nhiệt độ khởi động. Để gia tốc giai đoạn sấy, người ta có thể đặt ống xúc tác gần động cơ nhưng điều này không phù hợp khi động cơ làm việc ở tải cao. Vì vậy, người ta nghiên cứu những giải pháp khác phức tạp hơn. Một trong những giải pháp đó là lắp đặt ở trước bộ xúc tác chính một bộ xúc tác khởi động. Bộ xúc tác khởi động này có đặc điểm là nhiệt dung thấp và khởi động nhanh do đó nó cho phép xử lí khí xả ngay sau khi khởi động động cơ. Ngoài ra người ta cũng áp dụng một số những kĩ thuật khác như:
- Sấy bộ xúc tác bằng điện: Bộ xúc tác này cho phép xử lí triệt để khí xả để đạt được tiêu chuẩn ULEV. Việc sấy thường được thực hiện ở bộ xúc tác khởi động. Công suất điện (cũng chính là năng lượng cần thiết) để gia tốc việc khử các chất ô nhiễm tới một giới hạn cho trước trong trường hợp đó thấp hơn là trong trường hợp sấy trực tiếp bộ xúc tác chính. Trong trường hợp cụ thể người ta sử dụng bộ sấy có công suất điện khoảng 1kW tiêu thụ chưa đầy 4Wh để đảm bảo khí xả động cơ thỏa mãn tiêu chuẩn ULEV. Các giá trị năng lượng tiêu tốn này sẽ tăng lên ít nhất 2 lần khi bộ sấy đặt ngay ở ống xúc tác chính.
- Sấy bằng nhiệt do đốt nhiên liệu: năng lượng tỏa ra có thể do đốt cháy bộ phận nhiên liệu còn sót hoặc lượng nhiên liệu phun vào khí xả (hình 9.1). Cả 2 trường hợp đều cần phải cấp thêm một lượng không khí phụ vào ống xả để đảm bảo đốt cháy lượng nhiên liệu này. Hình 9.2 giới thiệu một ví dụ về giảm ô nhiễm nhờ sấy bộ xúc tác.
Không khí thứ cấp
Nhiên liệu
Vòi đốt Bộ xúc tác
–ng xả
Động cơ
Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường 168
Hình 9.1: Gia nhiệt bộ xúc tác bằng vòi đốt nhiên liệu
Hình 9.2: Hiệu quả xử lí khí xả nhờ sấy bộ xúc tác
- Phun không khí: Việc phun không khí được thực hiện ngay sau soupape xả bắt đầu khi khởi động động cơ. Giải pháp này cho phép điều chỉnh thành phần khí xả phù hợp với điều kiện xử lí tối ưu bằng bộ xúc tác ba chức năng, đồng thời nó cũng tạo điều kiện oxy hóa trước CO và HC góp phần làm tăng nhiệt độ bộ xúc tác.
- Lưu giữ tạm thời HC: Việc lưu giữ tạm thời HC trong khí xả được thực hiện ở bộ hấp thụ (hình 9.3). Hệ thống này có thể đi kèm với bộ xúc tác khởi động.
Hình 9.3: Hệ thống xúc tác có thêm bộ lưu giữ tạm thời HC Hiện nay các nhà chế tạo đang tiếp tục nghiên cứu các hệ thống này để có thể phát triển áp dụng trong những năm tới. Mặc dù chúng cần có một hệ thống điều khiển phức tạp và đắt tiền nhưng mang lại hiệu quả rất cao trong xử lí khí xả.
9.1.1.3. Động cơ đánh lửa cưỡng bức phun trực tiếp,
Mức độ ô nhiễm khi động cơ
hoạt động với bộ xúc tác cũ
Sãy bằng đốt nhiên liệu còn lại
trong khí xả (15kW)
Sãy điện 3,5kW
Sãy bằng vòi đốt nhiên liệu
trên đường xả (15kW)
Mức độ ô nhiễm
(giá trị tương đối)
‘Bẫy’ chứa than
hoạt tính
Bộ xúc tác ba
chức năng
Van điều khiển
Bộ xúc tác
khởi động
Động cơ
Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường 169
làm việc với hỗn hợp nghèo Loại động cơ này cho phép nâng cao hiệu suất bằng cách cho động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo. Việc thiết kế chế tạo động cơ này rất phức tạp nên cho tới nay chúng vẫn chưa được áp dụng rộng rãi (chủ yếu áp dụng ở Nhật). Tuy nhiên do tính ưu việt của chúng về nhiều mặt, các nhà chế tạo đang khẩn trương nghiên cứu phát triển loại động cơ này.
Hình 9.4: Tạo hỗn hợp ở tải thấp của động cơ Mitsubishi Động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo thế hệ đầu tiên được chế tạo dựa trên việc tối ưu hóa sự đồng nhất của hỗn hợp nhiên liệu cũng như sự phân bố nhiên liệu trong buồng cháy. Nhờ vậy, quá trình cháy trong các loại động cơ này được tiến hành một cách bình thường với độ đậm đặc của hỗn hợp thấp hơn so với động cơ cổ điển khoảng (f=0,7 - 0,8).
Nến đánh lửa
Vòi phun nhiên liệu
Các ống tách dòng
đường nạp
Hỗn hợp rất đậm Đầu piston định hình
Không khí
Suất tiêu hao nhiên liệu (g/kWh)
Mức độ phát sinh NOx (g/kWh) f = 1 f điều chỉnh
Giới hạn ổn
định
Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường 170
Hình 9.5: Ảnh hưởng của độ đậm đặc đến suất tiêu hao nhiên liệu
và mức độ phát sinh NOx của động cơ Honda VTEC Động cơ làm việc với hỗn hợp phân lớp cho phép nâng cao thêm hiệu suất công tác. Việc thiết kế chế tạo loại động cơ này rất được quan tâm hiện nay. Kĩ thuật động cơ làm việc với hỗn hợp phân lớp dựa trên việc tạo ra trong buồng cháy một hỗn hợp đậm đặc cục bộ (gần nếu đánh lửa) đủ để khởi động và đảm bảo sự lan tràn màng lửa phù hợp trong điều kiện thành phần hỗn hợp có độ đậm đặc thấp nhất. Hiện nay, hỗn hợp phân lớp chỉ dùng khi động cơ làm việc ở tải thấp; khi động cơ làm việc với tải cao, động cơ sử hỗn hợp cháy hoàn toàn lí thuyết.
9.1.2. Động cơ Diesel Động cơ Diesel cũng sẽ được tiếp tục cải tiến để nâng cao hiệu suất dù hiện nay nó đã có nhiều ưu điểm về mặt này. Về phương diện hạn chế mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ Diesel, các giải pháp kĩ thuật nói chung vẫn còn ở trong giai đoạn thí nghiệm. Cho tới những năm cuối của thập niên 1990, các kĩ thuật này vẫn còn áp dụng rất hạn chế vì nó đắt tiền và làm việc chưa thật đáng tin cậy. Các giải pháp đó là: . Bộ xúc tác giảm NOx . Lọc bồ hóng Việc áp dụng bộ xúc tác oxy hóa trên động cơ Diesel không vấp phải trở ngại gì đặc biệt. Chỉ có điều cần chú ý là hiệu quả của nó cao khi hàm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu thấp. Kĩ thuật xúc tác loại trừ NOx đang được phát triển. Việc ứng dụng kĩ thuật này đặt ra một số vấn đề về kĩ thuật, đặc biệt là vấn đề làm việc ổn định của bộ xúc tác theo thời gian. Mặt khác, bộ xúc tác loại trừ NOx đòi hỏi nhiên liệu không được chứa lưu huỳnh. Tuy hiện nay hiệu quả của nó thấp hơn bộ xúc tác 3 chức năng nhưng người ta có thể lạc quan tin rằng kĩ thuật này sẽ được áp dụng trong một tương lai gần. Kĩ thuật lọc bồ hóng có nhiều hứa hẹn sẽ được áp dụng trên ô tô du lịch cũng như ô tô vận tải. Tuy nhiên, việc áp dụng kĩ thuật này đòi hỏi những tiến bộ cả về lõi lọc lần kĩ thuật tái sinh lọc (xem chương 7).
Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường 171 Đối với xe bus hoạt động trong thành phố, vùng nhạy cảm đối với vấn đề ô nhiễm, việc trang bị hệ thống lọc bồ hóng là cần thiết cho dù giá thành của nó còn cao, nếu không, những nguồn năng lượng cạnh tranh (khí, điện) sẽ làm mất đi vị trí độc tôn của động cơ Diesel lắp trên chủng loại ô tô này. Về phương diện hiệu suất, động cơ Diesel phun trực tiếp có suất tiêu hao nhiên liệu thấp hơn động cơ phun gián tiếp khoảng 15%. Ưu điểm này chắc chắn sẽ được khai thác triệt để trong quá trình phát triển của loại động cơ Diesel. Đồng thời, trong tương lai gần đây, nó cũng thừa hưởng những tiến bộ mới về động cơ Diesel nói chung hiện đang được nghiên cứu và phát triển. Sau đây chúng ta sẽ đề cập đến một vài tiến bộ có thể được áp dụng. Những tiến bộ này đặc biệt liên quan đến động cơ Diesel lắp trên xe du lịch nhưng chúng cũng có thể được áp dụng đối với ô tô tải. Các nghiên cứu cải thiện động cơ Diesel trước hết liên quan đến việc hoàn thiện kĩ thuật phun, đặc biệt là việc áp dụng kĩ thuật phun điều khiển điện tử cho phép nâng cao momen và công suất, giảm ồn, giảm ô nhiễm... Các cải tiến này sẽ liên quan chủ yếu đến áp suất phun, dạng quy luật phun và độ chính xác của lượng nhiên liệu phun.
Hình 9.6: Ảnh hưởng của áp suất phun đến quan hệ NOx/bồ hóng Một ví dụ điển hình về các kĩ thuật phun mới là sự phát triển hệ thống ‘ray chung’ (common-rail). Trong hệ thống này, áp suất phun có thể được modun hóa một cách tùy ý theo tải và theo tốc độ động cơ. Nói chung, áp suất phun trong trường hợp này cao hơn nhiều so với áp suất phun trong hệ thống cổ điển, nhất là khi đầy tải và tốc độ cao. Theo kĩ thuật này, nhiên liệu được phun với áp suất cao trong thời gian ngắn. Điều này cho phép hạn chế sự phát sinh hạt bồ hóng nhưng lại làm gia tăng lượng NOx.
Mức độ phát sinh bồ
hóng (tương đối)
Áp suất
phun
Mức độ phát sinh
NOx (tương đối)
Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường 172 Khi động cơ làm việc ở chế độ tốc độ thấp và tải cục bộ, có hai xu hướng nghiên cứu. Hướng phổ biến nhất là ưu tiên cho hiệu suất cao; nhiên liệu được phun dưới áp suất rất cao làm tăng momen của động cơ so với động cơ cùng cỡ sử dụng hệ thống phun cổ điển. Hướng thứ hai là giảm mạnh áp suất phun khi động cơ làm việc ở các chế độ này để làm giảm sự phát sinh NOx. Nói chung sự tối ưu giữa nồng độ NOx và bồ hóng luôn luôn có lợi khi áp suất phun cao (hình 9.6). Việc sử dụng hệ thống ‘ray chung’ cũng thuận lợi cho việc lắp đặt hệ thống phun mồi. Sự phun trước một lượng nhỏ nhiên liệu sẽ làm giảm tốc độ tỏa nhiệt ban đầu do giảm lượng nhiên liệu cung cấp vào buồng cháy trong giai đoạn cháy trễ. Kết quả là nồng độ NOx và tiếng ồn giảm đi đáng kể mà không làm tăng lượng bồ hóng. Tính mềm dẻo rất lớn của hệ thống phun mới này kết hợp với hệ thống hồi lưu khí xả cho phép đạt được tỉ lệ tối ưu nhất giữa nồng độ NOx và bồ hóng ở mọi chế độ làm việc đồng thời nó cũng giúp cải thiện tính năng kinh tế-kĩ thuật của động cơ. Tuy nhiên, do tính phức tạp nên hệ thống này hiện nay vẫn chưa được áp dụng rộng rãi. Sự gia tăng số lượng soupape ở mỗi cylindre cũng như sử dụng hệ thống tăng áp làm tăng lượng không khí nạp cho mỗi chu trình, đó là những biện pháp làm tăng công suất và momen của động cơ. Việc áp dụng kĩ thuật hồi lưu khí xả khi động cơ làm việc ở tải cục bộ sẽ được áp dụng rộng rãi trên động cơ của các chủng loại ô tô khác nhau để làm giảm NOx nhằm thỏa mãn các quy định của luật môi trường. Cuối cùng, kĩ thuật điều khiển điện tử các đối với sự hoạt động của các hệ thống động cơ (hệ thống phun, hệ thống hồi lưu khí xả...) sẽ thay thế kỹ thuật điều khiển cơ khí nhằm làm tăng độ nhạy và tính mềm dẻo của các hệ thống. Các tiến bộ kĩ thuật vừa nêu không chỉ liên quan duy nhất đến động cơ Diesel phun trực tiếp mà phần lớn những kĩ thuật này cũng có thể được áp dụng đối với động cơ có buồng cháy dự bị và phun gián tiếp. Vì vậy, động cơ phun gián tiếp cũng sẽ được tiếp tục cải tiến trong tương lai.
9.2. Các kĩ thuật mới đối với động cơ 2 kì Chúng ta sẽ khảo sát sau đây những kĩ thuật đang được nghiên cứu mạnh mẽ ngày nay nhằm nâng cao tính năng kinh tế-kĩ thuật và giảm mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ xăng 2 kì để có thể sử dụng chúng trên ô tô. Động cơ 2 kì ngày nay được dùng phổ biến trên xe máy, tàu thể thao, các động cơ gia dụng (máy cắt cỏ, máy cày...). Trong các lĩnh vực này, động cơ 2 kì có thế mạnh rõ rệt về công suất riêng và sự gọn nhẹ. Tuy nhiên loại động cơ này có nhược điểm là hiệu suất thấp và mức độ phát sinh ô nhiễm cao, đặc biệt là CO, HC.
Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường 173 Những nghiên cứu được thực hiện trong những năm gần đây để cải thiện động cơ 2 kì, đặc biệt là kĩ thuật phun trực tiếp nhiên liệu, đã cho phép nâng cao tính năng động cơ không những cho các mục đích sử dụng truyền thống (mô tô, máy móc gia dụng, hàng hải) mà còn được phát triển để sử dụng trên ô tô.
1. Tóm tắt nguyên lí làm việc của động cơ 2 kì đánh lửa cưỡng bức Động cơ 2 kì cổ điển thường sử dụng hỗn hợp được chuẩn bị từ bên ngoài động cơ nhờ bộ chế hòa khí. Chu trình công tác bao gồm các quá trình nạp, nén, cháy, giãn nở và thải. Tất cả các quá trình này chỉ thực hiện trong 1 vòng quay trục khuỷu thay vì 2 vòng như ở động cơ 4 kì. Hình 9.7 trình bày tóm tắt sơ đồ nguyên lí làm việc của động cơ 2 kì nén khí nhờ carter. Kĩ thuật này hiện nay thường được dùng nhất trên động cơ cỡ nhỏ.
Hình 9.7: Nguyên lí làm việc của dộng cơ 2 kì Cylindre động cơ có 3 cửa, được gọi là cửa nạp, cửa thải và cửa quét. Đó là những lỗ có kích thước chuẩn giữ vai trò tương tự như các soupape ở động cơ 4 kì. Khi piston chuyển động lên xuống, các lỗ đó sẽ đóng mở theo quy luật định trước. Mặt khác, hỗn hợp
Nạp
1. Nén trong cylindre và nạp vào 2. Cháy và dãn nở
Thải Thải
Đường
thông
3. Thải, quét khí 4. Thải và nén
Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường 174 nhiên liệu không khí trước khi đưa vào cylindre được chuyển vào carter nhờ độ chân không tạo ra khi piston đi lên. Chu trình làm việc của động cơ bao gồm các giai đoạn sau: . Piston đi lên, nén hỗn hợp và nạp hỗn hợp nhiên liệu không khí mới vào carter. . Cháy, giãn nở và thải. . Cuối kì giản nỡ, cửa quét mở, hỗn hợp khí mới từ carter đi vào cylindre và đẩy khí cháy ra ngoài. Đây là giai đoạn quét khí mà sự hoàn thiện của nó quyết định tính năng kinh tế-kĩ thuật của động cơ 2 kì. . Đóng cửa quét và thải sau đó bắt đầu lại kì nén.
2. Các thành tựu mới trong nghiên cứu động cơ 2 kì Động cơ 2 kì thế hệ mới sử dụng kĩ thuật phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng cháy. Kĩ thuật này cho phép hạn chế sự thất thoát nhiên liệu ra ngoài theo theo khí xả trong giai đoạn quét khí do đó, một mặt làm tăng tính kinh tế của động cơ và mặt khác, làm giảm nồng độ HC trong khí xả.
Hình 9.8: Động cơ 2 kì IAPAC lắp trên ô tô
Hình 9.9: So sánh hai ô tô có cùng công suất khi sử dụng động cơ 2 kì IAPAC
và động cơ 4 kì Hai kĩ thuật mới đang được quan tâm nhất:
Vòi phun áp suất thấp thông thường
Thể tích chứa khí nén
Đường chuyển khí
với tiết diện thay đổi
Cân bằng nhờ trục
cam IAPAC
Soupape IAPAC
Nến đánh lửa
Làm mát
Piston có
bản phản xạ
Đường thải
Van một chiều
Momen cực đại
(Nm) 135-2000 v/phút
Tiêu hao nhiên
liệu (l/100km)
Động cơ 4 kì (4 xy lanh, 1360cm3)
Động cơ IAPAC 2 kì (3 xy lanh, 1230cm3)
Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường 175 . Phun nhiên liệu lỏng dưới áp suất cao được các nhà chế tạo ô tô PSA và Renault (Pháp), Chrysler (Mỹ), Subaru (Nhật) đặc biệt quan tâm. . Phun nhiên liệu bằng khí nén được Hãng Orbital (Úc) và Viện Quốc gia Dầu mỏ Pháp IFP nghiên cứu. Kĩ thuật phun nhiên liệu bằng không khí nén được tóm tắt như sau: Nhiên liệu được dẫn tới ngay trước soupape bởi một vòi phun cổ điển dạng áp suất thấp (hình 9.8). Trong giai đoạn mở soupape, một hỗn hợp giàu không khí nhiên liệu được phun rất tơi trực tiếp vào buồng cháy dưới áp suất thấp. Sự phun nhiên liệu bằng khí nén cho phép đạt được tia phun với những hạt nhiên liệu rất bé và được phân bố hợp lí trong buồng cháy. Sự phun nhiên iệu bằng khí nén có thể được thực hiện một cách độc lập so với kì quét khí. Điều này cho phép hạn chế tối đa sự lọt nhiên liệu theo khí xả. Khí thải động cơ 2 kì thế hệ mới chứa ít NOx do sự kết hợp của nhiều yếu tố khác nhau. Trước hết, động cơ 2 kì không bị cường hóa như động cơ 4 kì cùng công suất. Mặt khác, những thành tựu mới đang được phát triển cho phép động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo và cho phép hồi lưu một bộ phận khí xả lớn hơn. Vì vậy, chỉ cần sử dụng bộ xúc tác oxy hóa cũng đủ để đạt được mức độ ô nhiễm (CO, HC, NOx) trong giới hạn cho phép dự kiến áp dụng vào năm 2000. Hình 9.9 so sánh mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ 4 kì và động cơ 2 kì hiện đại (IAPAC) (Injection Assistée Par Air Comprimé). Kết quả này cho thấy động cơ 2 kì mới này có tính ưu việt đáng kể về mức độ phát sinh ô nhiễm (CO, HC, NOx). Mặt khác việc sử dụng động cơ này trên ô tô còn cho phép giảm suất tiêu hao nhiên liệu khoảng 17% và tăng momen lên khoảng 20% ở tốc độ thấp và trung bình so với động cơ 4 kì. Nói chung động cơ 2 kì thế hệ mới thỏa mãn được những quy định khắt khe nhất của luật môi trường hiện nay và từ năm 1994 người ta đã chế tạo được những động cơ 2 kì thỏa mãn được tiêu chuẩn ULEV. Tuy nhiên động cơ 2 kì còn cần phải vượt qua những chướng ngại khác để qua mặt các loại động cơ cạnh tranh với nó. Trước hết là giảm tiếng ồn và sau đó là giải quyết vấn đề bôi trơn cho động cơ. Giải quyết triệt để các vấn đề này sẽ làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của động cơ 2 kì trên các phương tiện vận tải.
3. Tương lai của động cơ 2 kì: Cho tới nay, việc áp dụng động cơ 2 kì trên ô tô vẫn còn đang ở bước chờ đợi nhưng trên mô tô, chắc chắn rằng kĩ thuật động cơ 2 kì cổ điển sẽ được thay thế bởi kĩ thuật phun trực tiếp. Những mô tô hai kì thế hệ mới này chắc chắn sẽ chiếm lĩnh những thị trường đầy tiềm năng như Đông nam Á, Trung Quốc. Ở một số quốc gia trong khu vực này, số lượng xe máy tăng hơn 10% mỗi năm và chúng tiêu thụ hơn 50% lượng nhiên liệu sử dụng trong nước. Các động cơ hai kì kiểu cũ lắp trên mô tô thải ra khí trời từ 30-40% lượng nhiên liệu nạp vào buồng cháy. Thông thường mô tô nhỏ tiêu thụ từ 2 đến 4 lít trên 100km. Mức tiêu thụ này không khác mấy so với ô tô hiện đại công suất nhỏ. Tuy nhiên nếu dùng động cơ 2 kì thế hệ mới suất tiêu hao nhiên liệu có thể giảm từ 30 đến 50%.
Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường 176
9.3. Động cơ 4 kì đánh lửa cưỡng bức phun trực tiếp Phun trực tiếp nhiên liệu vào trong buồng cháy cho phép động cơ 4 kì đánh lửa cưỡng bức làm việc với hỗn hợp rất nghèo (φ = 0,3 - 0,4). Tổn thất áp suất trên đường nạp rất bé, có khi thể bỏ qua trong toàn bộ phạm vi hoạt động của động cơ từ không tải đến toàn tải. Ngoài việc giảm tổn thất bơm, việc áp dụng kĩ thuật phun trực tiếp cho phép tăng độ chính xác trong việc định lượng nhiên liệu và cải thiện điều kiện cháy ở chế độ tải thấp. Nói chung, kĩ thuật này cho phép làm tăng hiệu suất động cơ. Giống như đối với động cơ phun gián tiếp, quá trình cháy của hỗn hợp nghèo chỉ được quan tâm khi động cơ làm việc ở tải cục bộ và tốc độ thấp. Trong những điều kiện đó sự phân lớp mạnh độ đậm đặc cho phép động cơ làm việc tốt ở hỗn hợp rất nghèo. Điều này được thực hiện nhờ giảm góc phun sớm (khi piston đi lên) do đó hạn chế sự khuếch tán của không khí vào tia nhiên liệu. Ở chế độ đầy tải và tốc độ cao, nhiên liệu được phun vào buồng cháy rất sớm, ngay trong giai đoạn nạp sao cho hỗn hợp nhiên liệu không khí với độ đậm đặc φ = 1 có thời gian phân bố đồng đều trong không gian buồng cháy.
Hình 9.10: Nguyên lí làm việc của động cơ Toyota D-4 Năm 1996, hãng Mitshubishi đã thương mại hóa ô tô lắp động cơ phun xăng trực tiếp. Động cơ này có đặc điểm là dạng đường nạp được thiết kế đặc biệt, vị trí lắp đặt hợp lí phối hợp với mặt phản xạ trên đỉnh piston, tạo thuận lợi cho sự phân lớp độ đậm đặc theo sự chuyển động của dòng khí. Nhiên liệu được phun với áp suất cao (50bar). Sự bay hơi nhiên liệu lỏng dẫn đến giảm nhiệt độ khí nạp do đó có thể sử dụng tỉ số nén của động cơ cao hơn so với động cơ cổ điển (có thể nâng tỉ số nến lên đến 12). Do đó, hiệu suất động cơ gia tăng và suất tiêu hao nhiên liệu có thể giảm đến 25%.
Bướm khống chế
mức độ xoáy lốc
ở trạng thái đóng
Bướm khống chế
mức độ xoáy lốc
ở trạng thái mở
Tải thấp và tải trung
bình (phun trễ)
Tải lớn
Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường 177 Người ta cũng có thể phân lớp hỗn hợp trong buồng cháy theo sự dịch chuyển của các vùng xoáy lốc. Phương án này được áp dụng trên động cơ mẫu D-4 do hãng Toyota sáng chế. Các giai đoạn công tác của động cơ được giới thiệu trên hình 9.10. Khi động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo, sự phân lớp được thực hiện nhờ tiết lưu một trong hai ống nạp và nhờ thiết kế hợp lí của ống nạp còn lại.
9.4. Quan hệ tối ưu mới giữa tính năng kinh tế-kĩ thuật
và mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ Có thể trong tương lai yếu tố quyết định đến mức độ ô nhiễm trong khí xả của động cơ là NOx. Nếu chúng ta thể hiện tính năng của động cơ và ô tô tương lai theo các đặc trưng về mức độ phát sinh NOx và suất tiêu hao nhiên liệu thì chúng ta có thể thể hiện vị trí của các đặc trưng này đối với các loại động cơ khác nhau như hình 9.12. Sự thể hiện này có tính gần đúng vì nó chưa xét đến những cải tiến trong tương lai. Tuy nhiên dẫu sao nó cũng giúp chúng ta xác định được các khuynh hướng về sự phát triển động cơ: . Động cơ Diesel và động cơ xăng làm việc với hỗn hợp nghèo (phun trực tiếp hay gián tiếp) có bất lợi tương đương về phương diện phát sinh NOx . . Sự hứa hẹn của động cơ 2 kì thế hệ mớI . Động cơ đánh lửa cưỡng bức làm việc với hỗn hợp cháy hoàn toàn lí thuyết có mức độ phát sinh ô nhiễm rất thấp nhưng suất tiêu hao nhiên liệu cao. Một khuynh hướng khác cho rằng một khi các loại động cơ có trang bị hệ thống xử lí ô nhiễm trên đường xả thì chúng đều thỏa mãn luật môi trường và khi đó người ta so sánh tính năng kinh tế-kĩ thuật của động cơ dựa trên mức tiêu thụ năng lượng, công suất riêng và giá thành. Hình 9.12 cho thấy việc áp dụng các kĩ thuật tiên tiến nhất hiện nay cho phép làm tăng thêm hiệu suất động cơ khoảng 30%. Động cơ 2 kì có khả năng tăng thêm 40% công suất riêng, có tính năng kĩ thuật tốt nhất.
NO
x (g/dậm) 1,5 1,0 0,5 4 5 6 7 8 9 10
SuÊt tiởu hao nhiởn liơu (lÝt/100 km)
Phun xÙng trùc tiỏp
GDI,
Diesel
4 kÈ
XÙng, hçn hîp nghỉo ẽ tội
côc bé, f =1 khi toÌn tội
XÙng
2 kÈ XÙng
4 kÈ, f =1
Tiởu chuẻn Hoa KÈ 1991
Tiởu chuẻn Hoa KÈ
ULEV
DI
IDI
Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường 178
Hình 9.11: Quan hệ giữa suất tiêu hao nhiên liệu và sự phát sinh NOx đối với các
loại động cơ khác nhau (dung tích xy lanh 1,5-1,8 lít)
9.5. Nhiên liệu tái sinh Rất khó mà dự đoán được tỉ lệ nhiên liệu tái sinh trong toàn bộ năng lượng tiêu thụ cho giao thông vận tải đến thập niên đầu của thế kỷ 21. Những yếu tố có thể ảnh hưởng đến tình trạng này là: . Tính khắt khe của luật về môi trường, mức độ tiêu thụ năng lượng, mức độ thải các chất khí gây hiệu ứng nhà kính . Các điều kiện về cơ sở vật chất phục vụ giao thông . Tâm lí của người sử dụng Ở Hoa Kì, theo dự báo, trong số những sản phẩm không truyền thống thì khí dầu mỏ hóa lỏng LPG và khí thiên nhiên NGV sẽ chiếm ưu thế với mức độ tiêu thụ theo thứ tự khoảng 2 và 3% tổng lượng xăng tiêu thụ năm 2010. Tuy nhiên tình trạng giao thông ở Hoa Kì rất đặc biệt (xăng chiếm đại bộ phận trên thị trường nhiên liệu, luật môi trường rất khắt khe) nên không thể tổng quát hóa dự báo này cho những khu vực khác trên thế giới. Nhiên liệu sinh học chỉ được sử dụng ở một vài khu vực trên thế giới (Châu Âu, Mĩ, Brazil và Châu Phi). Ở Châu Âu người ta dự kiến sử dụng đất nông nghiệp để sản xuất nhiên liệu sinh học với mục tiêu là thay thế được 5% tổng lượng nhiên liệu truyền thống trong tương lai. Khí thiên nhiên có trữ lượng rất lớn và được phân bố hầu khắp trên các châu lục nên nó là nguồn nhiên liệu dồi dào cho ô tô. Tuy nhiên yếu tố quyết định cho việc phổ
Lợi hay thiệt công suất
riêng (%)
Xăng 2 kì, phun trực tiếp
Xăng 4 kì, f=1,phun gián tiếp Xăng 4 kì, hỗn hợp nghèo
Ô tô trung bình năm 1994, Diesel phun trực tiếp
Xăng, f=1, 65kW
Lợi suất tiêu hao nhiên liệu (%)
1995 2000 PGT PTT
Hình 9.12: Lợi về công suất và suất tiêu hao nhiên liệu đối với động cơ
đốt trong tương lai
Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường 179 biến rộng rãi ô tô dùng khí thiên nhiên là lợi ích thực sự của chúng (tính năng kinh tế-kĩ thuật, vần đề ô nhiễm môi trường), tâm lí của người sử dụng (mức độ an toàn), việc xây dựng hạ tầng cơ sở phục vụ cho ô tô sử dụng khí thiên nhiên... (xem chương 8). Người ta dự đoán ở Mĩ vào năm 2010 sẽ có khoảng 25% ô tô sử dụng NGV. Methanol dường như không có nhiều hứa hẹn trở thành nhiên liệu thay thế. Trên đây chúng ta đã đề cập đến ưu thế của LPG như là nhiên liệu tái sinh và đặc biệt nhấn mạnh sự phổ biến rộng rãi của chúng ở một số vùng trên thế giới (Hà Lan, Ý, Viễn Đông). Trên phạm vi toàn cầu, việc sử dụng LPG cho ô tô chiếm khoảng 3% lượng nhiên liệu lỏng truyền thống trong tương lai gần.
9.6. Ô tô dùng điện Hình 9.13 biểu diễn sự phát triển dự kiến hàng năm của ô tô dùng điện đến năm 2010 ở Châu Âu, Châu Mĩ và Nhật Bản. Người ta ước tính chừng 2 triệu ô tô điện được sản xuất hàng năm ở ba khu vực nói trên. Tuy thị trường ô tô điện có giá trị tuyệt đối đáng kể nhưng chỉ chiếm tỉ lệ rất thấp (khoảng 3%) so với ô tô cổ điển dùng động cơ nhiệt. Về mặt kĩ thuật, hiện nay ô tô chạy điện có 2 nhược điểm quan trọng đó là năng lượng dự trữ thấp (khoảng 100 lần thấp hơn ô tô dùng động cơ nhiệt truyền thống) và giá thành ban đầu cao hơn (khoảng 30-40% cao hơn so với ô tô dùng động cơ nhiệt). Những chướng ngại khác cần được giải quyết để đưa ô tô chạy điện vào ứng dụng trong thực tế một cách đại trà là khả năng gia tốc, thời gian nạp điện, vần đề sưởi và điều hòa không khí trong ô tô.
Hình 9.13: Dự báo số lượng ô tô điện đến năm 2010 Khả năng hoạt động độc lập của ô tô vì vậy có thể tăng từ 80km (giá trị này hiện nay chưa thỏa mãn người tiêu dùng) đến 300 thậm chí 500km trong tương lai. Khoảng
0
200
400
600
800
1000
1200
1995 2000 2005 2010 Những tiến bộ quan trọng gần đây về tính năng kĩ thuật của bình điện có nhiều hứa hẹn sẽ được áp dụng trong những năm tới. Khả năng chứa điện tăng từ 35-50Wh/kg đối với bình điện chì a-xít hay nickelcadmium đến 70Wh/kg đối với bình điện Ni-MH (hydrure kim loại) và tăng đến 160Wh/kg đối

lamthiphong · 27/5/16

của thầy Nguyễn Hồng Hải đúng ko bạn

PhamCongDat · 15/10/16

lamthiphong đã viết:
của thầy Nguyễn Hồng Hải đúng ko bạn

dạ đúng rồi ạ, nhưng em tải lên bị lổi font ạ

Ô tô và ô nhiễm môi trường

PhamCongDat

Tài xế O-H

PhamCongDat

lamthiphong

Tài xế O-H

lamthiphong

PhamCongDat

Tài xế O-H

PhamCongDat

Đã ghim

Cộng đồng nổi bật

Chủ đề bác đang quan tâm