Giáo trình động cơ đốt trong - Chương 7

Đây là phiên bản tài liệu đơn giản

Xem phiên bản đầy đủ của tài liệu Giáo trình động cơ đốt trong - Chương 7

104


Chương 7

CÁC BIỆN PHÁP KĨ
THUẬT LÀM GIẢM MỨC
ĐỘ
GÂY Ô NHIỄM CỦA
ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG


Trong chương này, chúng ta sẽ nghiên cứu những biện pháp làm giảm mức độ phát
sinh ô nhiễm ngay trong quá trình cháy của động cơ đốt trong cũng như các giải pháp kĩ
thuật xử lí ô nhiễm trên đường xả bằng bộ xúc tác hay lọc.

7.1. Giảm mức độ phát sinh ô nhiễm ngay từ nguồn
Trong những thập niên tới, mối quan tâm hàng đầu của việc thiết kế động cơ là
giảm mức độ phát sinh ô nhiễm ngay từ nguồn, nghĩa là trước khi ra khỏi soupape xả. Vì
vậy, nhà thiết kế động cơ không chỉ chú trọng đơn thuần về công suất hay tính kinh tế của
động cơ mà phải cân nhắc giữa các chỉ tiêu đó và mức độ phát sinh ô nhiễm.


7.1.1. Động cơ đánh lửa cưỡng bức

Đối với động cơ đánh lửa cưỡng bức, ba chất ô nhiễm chính cần quan tâm là NO
x
,
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 NO
x
. Gia tăng góc độ trùng điệp sẽ làm tăng
lượng khí xả hồi lưu do đó làm giảm NO
x
. 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 NO
x
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
NO
x
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 NO
x
.
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, NO
x
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 NO
x
(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 ch
ỉnh 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 NO
x

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

0
+2

+4

-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.









4
8
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
Bộ vi xử lý
Tốc
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 NO
x
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 NO
x
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
CH x
y
OxCO
y
HO
xy
+→
++






→+







1
2
42
22
222

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
NxCO
y
HO
xy
+→+
+→+
+






+→+






++









222
22
222
1
2
1
2
2
242


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
NO
x
.
Trong cùng điều kiện về nhiệt độ, việc oxy hóa CO, HC và khử NO
x
(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 N
2
O (protoxyde nitơ):


2
2
2
22
222
22 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
-0,1
-0,2

0,1
0,2
HC

CO
NOx
NO--->N
2
O
Biến thiên tỉ số
không khí/nhiên liệu
Cháy hoàn toàn
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 c
ủa các phần tử công tác khoảng 130cm
2
và thể tích tổng cộng của
monolithe khoảng 2-3 lít (0,02-0,03 dm
3
/kW).

Vật liệu gồm dùng phổ biến là cordiérite: 2MgO,2Al
2
O3,5SiO
2
. 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). V
ật 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 phầ
n 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 NO
x
thành N
2
. 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
hoạ
t 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 đượ
c 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
1
10
100

0,5

5 50
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

Đây là phiên bản tài liệu đơn giản

Xem phiên bản đầy đủ của tài liệu Giáo trình động cơ đốt trong - Chương 7