MỤC LỤC
MỤC LỤC................1
LỜI NÓI ĐẦU............................................................................................... 2
MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 3
CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ KHÍ XẢ VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH CHÁY ĐẾN NỒNG ĐỘ PHÁT THẢI KHÍ XẢ............................. 5
1.1. Tổng quan về khí xả.......................................................................... 5
1.1.1. Tác hại của các chất ô nhiễm trong khí xả ĐCĐT......................... 5
1.1.2. Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô.................................... 9
1.2. Ảnh hưởng của quá trình cháy đến nồng độ phát thải khí xả....... 12
1.2.1. Cơ sở lý thuyết quá trình cháy.................................................... 12
1.2.2. Quá trình cháy trong động cơ đánh lửa cưỡng bức. 16
1.2.3. Quá trình cháy trong động cơ đốt cháy do nén ( Diesel )............. 31
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH CƠ CHẾ HÌNH THÀNH CÁC CHẤT GÂY HẠI TRONG KHÍ XẢ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG.. 43
2.1. Cơ chế hình thành và tác hại của khí xả trong động cơ xăng........ 43
2.1.1. Cơ chế hình thành khí thải trong động cơ xăng 43
2.1.2. Tiêu chuẩn khí thải trên động cơ xăng .................................................. 57
2.2. Cơ chế hình thành và tác hại của khí xả trong động cơ Diesel...... 60
2.2.1. Cơ chế hình thành khí thải trong động cơ Diesel 60
2.2.2. Tiêu chuẩn khí thải trên động cơ Diesel 72
CHƯƠNG 3: CÁC GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ HẠN CHẾ VÀ XỬ LÝ KHÍ XẢ ĐỘNG CƠ 74
3.1. Các giải pháp xử lý khí xả trên động cơ xăng................................ 74
3.1.1. Giảm mức độ phát sinh ô nhiễm ngay từ nguồn. 74
3.1.2. Xử lý bằng bộ xúc tác.............................................................................. 75
3.1.3. Khử oxyde nitơ trong môi trường có sự hiện diện của oxy. 78
3.2. Các giải pháp xử lý khí xả trên động cơ Diesel 80
3.2.1. Giảm mức độ phát sinh ô nhiễm ngay từ nguồn. 80
3.2.2. Xử lý bằng bộ xúc tác............. 82
3.2.3. Lọc hạt rắn. 84
KẾT LUẬN........ 94
TÀI LIỆU THAM KHẢO....... 95
LỜI NÓI ĐẦU
Động cơ đốt trong đóng một vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân. Và là nguồn động lực chính của các phương tiện vận tải như: Ôtô, tàu thuỷ, tàu hoả, máy bay…hay các máy công tác như: máy phát điện, máy xây dựng, các máy công cụ trong công nghiệp, nông nghiệp…năng lượng mà do động cơ đốt trong cung cấp chiếm khoảng 80% tổng năng lượng toàn trái đất. Tuy nhiên động cơ đốt trong cũng là nguồn gốc gây ra ô nhiễm môi trường và khí xả do động cơ đốt trong sinh ra trong các quá trình cháy không bình thường làm cho nồng độ phát thải khí xả sinh ra càng lớn hơn.
Trong tình hình thế giới đang ngày càng phát triển với độ chóng mặt, sản lượng công nghiệp hằng năm ngày càng tăng nhanh thì nguồn năng lượng tiệu thụ trên thế giới ngày càng lớn. Động cơ đốt trong là nguồn cung cấp năng lượng chủ yếu trên trái đất. Chính vì vậy mà lượng sản phẩm khí thải từ động cơ đốt trong hằng năm trên thế giới ngày càng tăng, gây ô nhiễm môi trường nặng nề ảnh hưởng trực tiếp biến đổi khí hậu ngày càng phức tạp, trái đất ngày càng nóng lên, ảnh hưởng rất xấu tới sức khoẻ con người, gây nạn tuyệt chủng động thực vật… trên toàn thế giới.
Để giảm lượng độc hại phát ra từ sản phảm khí thải của động cơ đốt trong mà vẫn có thể duy trì được tốc độ phát triển của nền công nghiệp trên thế giới. Một số nước có nền công nghiệp phát triển hàng đầu trên thế giới, cũng là các nước có lượng khí thải phát sinh độc hại gây ô nhiễm nhiều nhất trên thế giới như: Mỹ, Nhật Bản và một số nước Châu Âu đã đi đầu trong việc nghiên cứu và đưa ra các biện pháp giảm thiểu lượng khí thải độc hại ra môi trường thông qua việc phân tích các yếu tố xung quanh quá trình cháy và hình thành khí xả của động cơ đốt trong. Bên cạnh đó các nước này cũng đưa ra các tiêu chuẩn về nồng độ các chất độc hại trong khí thải động cơ và bắt buộc các xe được sản xuất trong nước cũng như các xe nhập khẩu đều phải tuẩn thủ các tiêu chuẩn khí thải.
Để đánh giá chất lượng động cơ về phương diện khí thải, động cơ phải được thử nghiệm trong những điều kiện cụ thể và theo một chu trình thử nghiệm quy định. Hiện nay trên thế giới có nhiều chu trình thử như: Chu trình của Mỹ, Nhật Bản, Châu Âu… ứng với mỗi chu trình thử là một tiêu chuẩn khí thải. Các hệ thống tiêu chuẩn được xây dựng cho các loại động cơ khác nhau như: Động cơ xe máy, động cơ tĩnh tải, động cơ xe con và xe tải nhẹ, động cơ xe tải nặng… Ở Châu Âu áp dụng một số chu trình thử như: ECE15, EUDC, NEDC… để thử nghiệm công nhận kiểu cho các dòng xe mới. Bắt đầu áp dụng tiêu chuẩn khí thải EURO 1 vào năm 1992, EURO 2 vào năm 1996, EURO 3 vào năm 2000, EURO 4 vào năm 2005. Các tiêu chuẩn ngày càng đòi hỏi khắt khe hơn về nồng độ các chất trong khí thải động cơ.
Ở Việt Nam trước tình hình nền kinh tế đất nước đang bước vào giai đoạn đầu của những nước có nền kinh tế phát triển chúng ta cũng phải tuân theo xu hướng chung của thế giới đó là: Phát triển bền vững, tức là phát triển nhưng bảo vệ môi trường. Chính vì vậy mà nhà nước ta đã áp dụng chu trình thử và tiêu chuẩn Châu Âu để thử nghiệm và công nhận kiểu cho các dòng xe. Đặc biệt nhà nước ta đã bắt đầu áp dụng tiêu chuẩn EURO 2 từ ngày 01/07/2007 cho tất cả phương tiện vận tải trên đất nước ta.
Từ những lý do trên và qua tham khảo một số tài liệu thông tin mà em đã cập nhật được từ trên internet và được sự đồng ý của thầy giáo hướng dẫn: ThS ………….. em chọn đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình cháy đến nồng độ phát thải khí xả”.
Với thời gian thực hiện ngắn so với tính phức tạp của đề tài, bên cạnh đó khả năng có hạn của bản thân, nên đề tài em nghiêm cứu không tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót vì vậy em xin được sự đóng góp ý kiến của các thầy chuyên ngành để em có thể hoàn thành đề tài tốt hơn.
TP, Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 20…
Học viên thực hiện
……………
MỞ ĐẦU
1. Khái quát về vấn đề nghiên cứu
Ô nhiễm môi trường do khí xả động cơ đốt trong gây ra đã được các nhà khoa học quan tâm từ rất sớm. Hiện nay vấn đề này đã trở thành đối tượng điều chỉnh của luật bảo vệ môi trường ở hầu hết các quốc gia đã và đang phát triển. Ô tô là thủ phạm chính gây ô nhiễm môi trường không khí. Nồng độ của những chất gây ô nhiễm có mặt trong khí xả động cơ như NOx, CO, HC, bồ hóng... 2. Mục tiêu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
2.1. Mục tiêu
- Nghiên cứu tổng quan về khí xả và ảnh hưởng của quá trình cháy đến nồng độ phát thải khí xả;
- Nghiên cứu làm rõ cơ chế hình thành các chất gây hại trong khí xả của động cơ đốt trong;
- Nghiên cứu đưa ra các giải pháp công nghệ xử lý khí xả động cơ.
2.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Ngoài mục đích chính là báo cáo tốt nghiệp, nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình cháy đến nồng độ phát thải khí xả còn giúp học viên nâng cao kiến thức về quá trình cháy của động cơ đốt trong. Qua đó, học viên có thể khám phá các công nghệ mới, các thiết bị mới và tích lũy kinh nghiệm có ích cho công việc sau này.
- Làm tài liệu lý thuyết để thực hành nghiên cứu chuyên sâu và ứng dụng trong việc dạy học các phần chuyên đề ảnh hưởng của khí xả ô tô đối với môi trường và con người.
4. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
4.1 Đối tượng
- Nghiên cứu quá trình cháy của động cơ đốt trong ảnh hưởng đến việc hình thành khí xả.
4.2 Phạm vi nghiên cứu
- Tập trung nghiên cứu cơ chế hình thành các chất gây hại trong khí xả của động cơ xăng và Diesel.
- Đề ra một số phương pháp giảm nồng độ phát thải khí xả.
5. Phương pháp nghiên cứu
5.1 Phương pháp nghiên cứu lý luận
- Mục đích: tìm hiểu cơ sở lý thuyết về quá trình cháy
- Cách tiến hành: tham khảo tài liệu chuyên ngành, các công trình nghiên cứu đã được công nhận.
5.2 Phương pháp nghiên cứu chuyên gia, phỏng vấn
- Mục đích: dùng để tăng tính thực tế khi nghiên cứu quá trình phát thải của động cơ.
- Cách tiến hành: tiếp xúc với các giảng viên, nhà khoa học nghiên cứu chuyên sâu về ngành động cơ.
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ KHÍ XẢ VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH CHÁY
ĐẾN NỒNG ĐỘ PHÁT THẢI KHÍ XẢ
1.1. Tổng quan về khí xả
1.1.1. Tác hại của các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong ( ĐCĐT )
1.1.1.1.Khái quát về tác hại của các chất ô nhiễm trong khí xả ĐCĐT
Cùng với sự phát triển của kinh tế, khoa học, kỹ thuật việc bảo vệ môi trường trở thành vấn đề quan trọng cấp bách của các quốc gia. Một trong những nguồn phát thải chất độc hại đó là phải kể đến khí thải của động cơ đốt trong. Theo các tài liệu tham khảo, hiện nay trên thế giới có 750 – 800 triệu ô tô các loại thải ra hàng trăm triệu tấn chất độc hại vào môi trường hàng năm.
1.1.1.2. Tác hại 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 cacbon nhiên liệu trong điều kiện thiếu oxy.
- 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.
1.1.1.3. Tác hại đối với môi trường
a) 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.
b) Ảnh hưởng đến sinh thái
Sự gia tăng của NOx, đặc biệt là protoxyde nitơ N2O có nguy cơ làm gia tăng sự hủy hoại lớp ozone ở thượng tầng khí quyển, lớp khí cần thiết để lọc tia cực tím phát xạ từ mặt trời.
1.1.2. Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô
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.
1.2. Ảnh hưởng của quá trình cháy đến nồng độ phát thải khí xả
1.2.1. Cơ sở lý thuyết của quá trình cháy
1.2.1.1. Khái niệm chung về quá trình cháy
Quá trình cháy lí tưởng của hỗn hợp hydrocacbua 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 oxít 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.
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.
1.2.1.2. Màng lửa của động cơ đánh lửa cưỡng bức
Trong động cơ đánh lửa cưỡng bức cổ điển, nhiên liệu được hòa trộn với không khí trước khi nạp vào buồng đốt của động cơ. Cuối quá trình nén, bu-gi bật tia lửa điện để đốt cháy hỗn hợp.
1.2.1.3. Màng lửa của động cơ đốt cháy do nén ( Diesel )
Đối với động cơ Diesel, vào cuối kỳ nén nhiên liệu được phun vào buồng đốt có nhiệt độ và áp suất rất cao rồi tự bốc cháy. Trước tiên nhiên liệu tự bốc cháy ở những vùng mà nhiên liệu bốc hơi và hòa trộn tốt với không khí, sau đó quá trình cháy tiếp tục lan đến những vùng có thành phần hỗn hợp nằm trong giới hạn cháy.
1.2.2. Quá trình cháy trong động cơ đánh lửa cưỡng bức
1.2.2.1. Cơ chế hình thành hỗn hợp trong động cơ xăng
Hỗn hợp của động cơ xăng được tạo thành bằng phương pháp sử dụng bộ chế hòa khí hoặc phun xăng ( phun xăng trên đường ống nạp và phun trực tiếp vào xy lanh động cơ).
1.2.2.2. Quá trình cháy trên động cơ xăng
a) Diễn biến quá trình cháy
Trong động cơ xăng, quá trình cháy của động cơ bắt đầu từ khi lửa xuất hiện ở điện cực bu-gi trong môi trường hòa khí được hòa trộn trước, sau đó xuất hiện màng lửa lan truyền khắp mọi hướng trong không gian buồng cháy.
b) Các hiện tượng cháy không bình thường trong động cơ xăng
Cháy kích nổ:
Sau khi bật tia lửa điện thì màng lửa bắt đầu lan truyền. Trong quá trình lan truyền, áp suất và nhiệt độ hòa khí phía trước màng lửa tăng liên tục do bức xạ nhiệt và cho bị chèn ép bởi kết quả nhả nhiệt của phần hòa khí đã cháy gây ra, làm gia tăng phản ứng hòa học tại khu vực phía trước màng lửa.
Cháy sớm ( đánh lửa bề mặt )
Cháy sớm xảy ra trước khi bu-gi bật tia lửa điện, làm sai quy luật cháy bình thường của động cơ. Nguyên nhân để dẫn đến hiện tượng cháy sớm của hòa khí trong xy lanh động cơ do xuất hiện những điểm hoặc mặt nóng trong buồng cháy, phần lớn do muội than tích nhiệt trên supap thải hoặc trên cực bu-gi.
1.2.2.3. Cấu trúc và tốc độ lan truyền màng lửa trong buồng cháy
- Buồng cháy hình chêm có các ưu điểm sau : cấu tạo rất ngắn gọn, hành trình màng lửa ngắn, tổn thất tản nhiệt ít. Do đường nạp bị uốn cong ít, nên lực cản không lớn và tính năng nạp của buồng cháy tương đối tốt.
- Buồng cháy hình chậu có hình dạng tương tự một chậu hình ôvan. Nó có những điểm tương tự buồng cháy hình chêm: cấu tạo gọn, tỷ lệ Flm/Vc nhỏ, nhưng diện tích mặt chèn tương đối lớn, cộng với việc bố trí xupap nạp khá hợp lý, nên cường độ dòng xoáy của hòa khí trong buồng cháy rất mạnh.
- Buồng cháy hình bán cầu có hai hàng xupap nghiêng, xupap nạp có đường kính lớn hơn supap thải, đường ống nạp lưu thông một cách dễ dàng, làm tăng tính năng nạp hòa khí mới. Do buồng cháy hình cầu có cấu tạo gọn, có Flm/Vc nhỏ nhất so với các buồng cháy khác bu-gi đặt ở vị trí giữa, khiến hành trình màng lửa ngắn, tốc độ cháy cao, tổn thất nhiệt ít, làm cho tính năng động lực của buồng cháy này tốt nhất. Bên cạnh đó nhược điểm của nó là cường độ dòng xoáy yếu, dễ gây kích nổ ở tải lớn, khi tốc độ thấp.
1.2.3. Quá trình cháy trong động cơ đốt cháy do nén ( Diesel )
1.2.3.1. Cơ chế hình thành hỗn hợp trong động cơ Diesel
Trên động cơ Diesel, hoà khí được hình thành bên trong xylanh với thời gian rất ngắn. Tính theo góc quay trục khuỷu chỉ bằng 1/10 1/20 so với trường hợp của đông cơ xăng, ngoài ra nhiên liệu Diesel khó bay hơi hơn xăng nên phải được phun thật tơi và hoà trộn thật đều trong không gian buồng cháy.
Dựa vào vị trí bay hơi của nhiên liệu, hỗn hợp được hình thành theo ba phương pháp sau:
Hình thành hỗn hợp theo phương pháp thể tích: nhiên liệu được phun tơi vào không gian buồng cháy, được sấy nóng, bay hơi và hoà trộn đều với không khí tại đây để tạo thành hoà khí.
Hình thành hỗn hợp theo phương pháp màng: nhiên liệu được phun và tráng thành màng trên bề mặt thành buồng cháy, được sấy nóng, bay hơi tại đây để hoà trộn với không khí tạo thành hỗn hợp.
1.2.3.2. Quá trình cháy trên động cơ Diesel
Trong động cơ Diesel, nhiên liệu được phun vào trong xylanh động cơ vào cuối kỳ nén, do lực cản của không khí nén trong buồng cháy, nhiên liệu được xé tơi thành những hạt nhỏ không đều về kích thước và phân bố không đều trong không gian buồng cháy.
1.2.3.3. Cấu trúc và tốc độ lan truyền màng lửa trong buồng cháy
Buồng cháy thống nhất hỗn hợp được hình thành theo phương pháp thể tích (hình 1.14):
Trong buồng cháy thống nhất các quá trình phun nhiên liệu và tạo thành hỗn hợp của nhiên liệu với không khí đạt được do nhiên liệu Diesel phun vào buồng cháy với áp suất lớn (1.000kG/cm2) qua các lỗ phun có đường kính nhỏ (0,1 0,25mm) ở vòi phun. Áp suất phun lớn qua các lỗ phun nhỏ này sẽ bảo đảm được nhiên liệu phun thật tơi và cháy hoàn toàn.
Buồng cháy ngăn cách:
Trên thực tế. động cơ Diesel sử dụng khá nhiều các buồng cháy kiểu phân cách, gồm hai không gian thông nhau bởi những lỗ thông. Nguyên tắc của các quá trình công tác trong các buồng cháy ngăn cách cùng khác nhau.
1.2.3.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy của động cơ Diesel
Có nhiều nhân tố ảnh hưởng đến quá trình cháy của động cơ Diesel, chủ yếu là: tính chất nhiên liệu, tỷ số nén, quy luật phun nhiên liệu,...
Ảnh hưởng của tính chất nhiên liệu:
Khi giữ nguyên các điều kiện làm việc của động cơ. Nếu tăng chỉ số xêtan của nhiên liệu thì sẽ rút ngắn thời kỳ cháy trễ, làm cho tốc độ tăng áp suất trong thời kỳ cháy nhanh không lớn.
Ảnh hưởng cùa tỷ số nén:
Do đặc điểm hình thành hỗn hợp và điều kiện đốt cháy hỗn hợp. nên động cơ Diesel phải có tỷ số nén đủ lớn. Hỗn hợp nhiên liệu phải được phát hoả trong mọi điều kiện sử dụng, muốn vậy nhiệt độ môi chất cuối quá trình nén phải vượt qua nhiệt độ tự cháy của nhiên liệu lúc đó (=300o C).
CHƯƠNG 2
PHÂN TÍCH CƠ CHẾ HÌNH THÀNH CÁC CHẤT GÂY HẠI TRONG KHÍ XẢ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
2.1. Cơ chế hình thành và tác hại khí thải trong động cơ
2.1.1. Cơ chế hình thành khí thải trong động cơ xăng
2.1.1.1. Cơ chế hình thành CO và các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành
a) Cơ chế hình thành CO
CO sinh ra do quá trình cháy không hoàn toàn của hỗn hợp giàu hay do phân giải sản phẩm của quá trình cháy. Nồng độ CO phụ thuộc vào thành phần hỗn hợp hay nói cách khác, phụ thuộc vào hệ số dư lượng không khí l. Hình 2.1 giới thiệu ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí l đến nồng độ CO trong sản phẩm cháy của nhiên liệu C8H18.
b) Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành CO
Ảnh hưởng của áp suất nạp:
Ở cùng số vòng quay động cơ, góc đánh lửa sớm và hệ số khí sót. Nếu áp suất nạp càng nhỏ thì tốc độ cháy càng thấp kéo theo sự giảm áp suất và nhiệt độ cực đại trong xy lanh.
Ảnh hưởng của thành phần hỗn hợp:
Trong quá trình cháy của động cơ, ứng với độ đậm đặc của hỗn hợp khác nhau. Cũng như trường hợp cháy ngoài khí quyển, nồng độ CO đo được trên đường xả động cơ tăng rất nhanh theo . Hình 2.2 cho thấy nồng độ CO đạt khoảng 0,5% ở = 0,75 tăng lên đến 2,1% ở = 1,2.
Ảnh hưởng của nhiên liệu:
Trong quá trình cháy của động cơ, khi chạy với các loại nhiên liệu khác nhau. CH4, C3H8, và C8H18 ứng với độ đậm đặc =0,95. Hình 2.4 cho thấy nồng độ CO tăng theo thành phần C trong nhiên liệu.
2.1.1.2. Cơ chế hình thành CO2 và các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành
a) Cơ chế hình thành CO2
CO2 được hình thành từ những con đường chính như sau:
- Trong quá trình phân hủy động thực vật chết, chuyển tiếp qua khí CH4
- Phản ứng cháy của gỗ và các nhiên liệu hóa thạch khác
b) Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành CO2
Do trong quá trình cháy của động cơ đốt trong, CO2 được hình thành dựa trên phản ứng của CO và O2 nên về cơ bản nó mang các yếu tố ảnh hưởng như sự hình thành của CO ở phần trên ta đã làm rõ.
2.1.1.5. Cơ chế hình thành SOx
Cơ chế hình thành SOx
SOx bao gồm 6 hợp chất khác nhau của lưu huỳnh, đó là : SO (lưu huỳnh monoxit), SO2 (lưu huỳnh dioxit), SO3 (lưu huỳnh tridoxit), SO4 (lưu huỳnh tetroxit), S2O3 (lưu huỳnh seskioxit) và S2O7 (lưu huỳnh heptoxic), trong đó SO2 và SO3 là quan trọng hơn và có thể đại diện cho SOx.
2.1.2. Tiêu chuẩn khí thải trên động cơ xăng
2.1.2.1. Hoa Kì
Bảng 2.a 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.
2.1.2.2. Cộng đồng Châu Âu
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.
2.1.2.3.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.c, 2.d.
2.2. Cơ chế hình thành và tác hại của khí thải trong động cơ Diesel
2.2.1. Cơ chế hình thành khí thải trong động cơ Diesel
2.2.1.1. Cơ chế hình thành CO và các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành
a) Cơ chế hình thành CO
CO là một loại khí không màu, không mùi, không vị.Trong phản ứng dây chuyền khi hỗn hợp bị đốt cháy, CO chỉ là một sản phẩm trung gian của quá trình ô-xy hóa nhiên liệu hydro cacbon để tạo thành sản phẩm cuối cùng CO2.
b) Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành CO
Về cơ bản các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành CO trong động cơ Diesel cũng tương tự như của động cơ xăng bao gồm:
- Ảnh hưởng của áp suất phun
- Ảnh hưởng của thành phần hỗn hợp
2.2.1.3. Cơ chế hình thành HC và các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành
a) Cơ chế hình thành HC
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.
b) Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành
Ngoài các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành HC như của động cơ đánh lửa cưỡng bức như :
- Ảnh hưởng của các không gian chết
- Sự hấp thụ và giải phóng HC ở màng dầu bôi trơn
2.2.1.4. Cơ chế hình thành NOx và các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành
a) Cơ chế hình thành NOx
Về cơ bản, cơ chế hình thành NOx trên động cơ Diesel cũng tương tự như cơ chế hình thành NOx trên động cơ đánh lửa cưỡng bức chỉ cơ bản khác nhau về các yếu tố ảnh hưởng.
b) Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành
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.
2.2.1.6. Cơ chế hình thành bồ hóng và các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành
a) Cơ chế hình thành
- 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.
b) Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành
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.
2.2.2. Tiêu chuẩn khí thải trên động cơ Diesel
Tương tự như động cơ xăng, ở động cơ diesel cũng có các tiêu chuẩn cho phép các chất ô nhiễm khí thải giống như tiêu chuẩn trên động cơ xăng. Chỉ khác ở Nhật Bản thì có riêng tiêu chuẩn đối với ô tô du lịch sử dụng động cơ diesel theo bảng 2.g.
Bên cạnh đó còn có quy định về nồng độ bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel.
CHƯƠNG 3
CÁC GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ HẠN CHẾ VÀ XỬ LÝ KHÍ XẢ ĐỘNG CƠ
3.1. Các phương án và giải pháp công nghệ xử lý khí xả trên động cơ xăng
3.1.1. Giảm mức độ phát sinh ô nhiễm ngay từ nguồn
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 2.
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 cháy với độ đậm đặc rất thấp (f = 0,60-0,70).
- Hồi lưu một bộ phận khí xả (EGR: Exhaust Gas Recirculation)
3.1.2. Xử lý 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.
3.1.3. Khử oxyde nitơ trong môi trường có sự hiện diện của oxy
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
Về phương diện nhiệt động học, phản ứng trên hoàn toàn có thể xảy ra nhưng với tốc độ phản ứng rất thấp.
3.2. Các phương án và giải pháp công nghệ xử lý khí xả trên động cơ Diesel
3.2.1. Giảm mức độ phát sinh ô nhiễm ngay từ nguồn
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 2, việc thay đổi góc phun sớm có ảnh hưởng trái ngược nhau đến nồng độ HC và NOx.
3.2.2. Xử lí khí xả bằng bộ xúc tác
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.
3.2.3. 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.
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.
Tái sinh lọc bằng phun ngược không khí cũng được các nhà chế tạo ô tô quan tâm. Trong trường hợp đó, lọc gồm 2 lõi được bố trí song song. Xung khí nén được thổi ngược và thay phiên nhau qua các lõi lọc để làm sạch lớp bồ hóng bám trên thành xốp.
KẾT LUẬN
Qua thời gian học tập và nghiên cứu về chuyên ngành “Công nghệ kỹ thuật ô tô” tại Trường Sỹ quan Kỹ thuật Quân sự, em được khoa tin tưởng giao cho đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình cháy đến nồng độ phát thải khí”. Đây là một đề tài rất thiết thực nhưng còn nhiều khó khăn.
Với sự cố gắng của em và dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo hướng dẫn: ThS…………….., cùng với sự giúp đỡ của quý thầy trong Khoa Ô Tô, các bạn trong lớp, em đã hoàn thành đề tài đáp ứng được yêu cầu đưa ra. Song trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp, với khả năng và kinh nghiệm còn hạn chế nên không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy em rất mong sự đóng góp, chỉ bảo của quý thầy để đề tài của em được hoàn thiện hơn và đó chính là những kinh nghiệm nghề nghiệp cho em sau khi ra trường.
Em xin chân thành cảm ơn quý thầy trong khoa, đặc biệt là thầy : ThS…………….. đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn em để đề tài của em được hoàn thành.
Qua đây, em xin được kính chúc thầy và gia đình luôn nhiều sức khỏe, hạnh phúc và thành đạt.
Em xin trân trọng cảm ơn !
TÀI LIỆU THAM KHẢO.
1. Trần Quốc Toản. “Giáo trình lý thuyết động cơ đốt trong”.
Trường sỹ quan kỹ thuật quân sự, năm 2008.
2. Nguyễn Văn Trạng “Động cơ đốt trong 1”.
Trường Đại học Sư phạm Kĩ thuật, năm 2005.
3. Bùi Văn Ga. “Ô tô và ô nhiễm môi trường”.
Nhà xuất bản giáo dục, năm 1999.
4. Đỗ Quốc Ấm. “Chuyên đề ô nhiễm môi trường ( do ô tô gây ra )”.
Trường Đại học Sư phạm Kĩ thuật, năm 2005.
"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"