ĐẶT VẤN ĐỀ 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 nhiểm nhiễm môi trường. Trong tình hình thế giới đang ngày càng phát triển với tốc 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 đât. 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 phẩm 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.
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 3 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. Trên xe ôtô Ford Laser 1.8, hệ thống thải được trang bị bộ xúc tác (BXT) 3 thành phần và các tiêu chí về khí thải được kiểm định theo tiêu chuẩn EURO II, ở các nước phát triển, điều kiện về khí thải như vậy đã đảm bảo song về Việt Nam do điều kiện địa hình, cơ sở hạ tầng không phù hợp phải dừng đỗ nhiều nên thời gian chạy không tải của động cơ lớn do đó phát thải độc hại sinh ra cũng lớn nên việc giảm phát thải độc hại của động cơ là rất cần thiết. Chính vì vậy, đề tài này hướng tới “Nghiên cứu cải tiến hệ thống xử lý khí thải” để có thể cắt giảm phát thải độc hại ở mọi chế độ làm việc của xe. MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 2.
MỤC ĐÍCH Nghiên cứu cải tiến hệ thống xử lý khí thải xe Ford Laser hiện hành để tăng hiệu quả xử lý khí thải trong giai đoạn chạy ấm máy và chạy chậm không tải của xe để cắt giảm tổng lượng phát thải độc hại của phương tiện trong giai đoạn này 2. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Động cơ xe Ford Laser 1. PHẠM VI NGHIÊN CỨU Nghiên cứu tăng hiệu quả xử lý khí thải trong giai đoạn chạy ấm máy và chạy chậm không tải của xe ôtô Ford Laser 1. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Dùng phương pháp mô hình hóa, tính toán lắp đặt thêm một bộ xúc tác phụ liền với cụm ống thải phía trước bộ xúc cũ của nhà chế tạo đóng vai trò bộ xúc tác chính.
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt của đường ống thải để xác định sự phân bố nhiệt độ khí thải dọc theo đường ống, qua đó sẽ xác định vị trí lắp thêm bộ xúc tác phụ. - Nghiên cứu quá trình xúc tác, trung hòa khí thải trong BXT, từ đó xác định ảnh hưởng của nhiệt độ và lưu lượng khí thải đến hiệu quả của BXT để thiết kế và lắp đặt các BXT trên đường ống thải của xe. - Thiết kế, cải tiến hệ thống xử lý khí thải nhằm giảm phát thải độc hại ở mọi chế độ làm việc của động cơ. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ KIỂM SOÁT KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ XĂNG 1.1 Giới thiệu chung.
Các trang thiết bị động lực nói chung được trang bị động cơ đốt trong, đó chính là trái tim là động lực của các loại phương tiện giao thông cơ giới. Động cơ đốt trong là động cơ nhiệt mà trong đó các chất tham gia phản ứng cháy ( môi chất công tác) thực hiện biến đổi nhiệt năng thành công cơ năng. Năng lượng do động cơ đốt trong cung cấp chiếm khoảng 80% tổng số năng lượng tiêu thụ trên trái đất. Tuy nhiên bên cạnh đó động cơ đốt trong cũng là một trong những thủ phạm là nguồn gốc gây ô nhiễm môi trường, mà nguyên nhân chính là do quá trình phát thải các chất khí độc hại do quá trình cháy chưa được hoàn hảo.
Chất chủ yếu tham gia phản ứng cháy được gọi là nhiên liệu. Nhiên liệu cho động cơ đốt trong thông thường ở dạng chất lỏng chủ yếu là nhiên liệu hoá thạch, được chưng cất từ dầu mỏ hoặc từ than đá, dầu thực vật, gỗ. Ngoài ra còn có nhiên liệu động cơ đốt trong ở dạng khí như các khí ga tự nhiên, khí ga sinh học (khí biô), khí ga từ than đá. Như vậy trong thiên nhiên có nhiều nguồn nhiên liệu, trong đó nguồn nhiên liệu đang sử dụng cho ô tô, cho xe du lịch ở Việt Nam là sản phẩm của dầu mỏ.2 Các thành phần phát thải độc hại của động cơ xăng.1 trình bày tỷ lệ trung bình tính theo khối lượng các chất độc hại trong khí thải động cơ xăng theo chương trình thử đặc trưng Châu Âu.
Như vậy các chất độc hại chính trong khí thải động cơ xăng là: CO, C m H n và NO x. Nồng độ các thành phần độc hại nói trên phụ thuộc rất nhiều vào hệ số dư lượng không khí λ (mức độ đậm nhạt của hỗn hợp) được thể hiện rõ trên hình 1. Sau đây sẽ phân tích tỉ mỉ các quan hệ này 6 O 2 vµ khÝhiÕm 0,7 % ChÊt r ¾n 0,0008% H 2O NO X 0,13 % 9,2% C m H n 0,09% CO 2 18,1% C¸ c chÊt ®éc h¹ i 1,1% CO 0,9 % N 2 70,9% Hình 1.1 Tỷ lệ về khối lượng các chất độc hại trong khí thải động cơ xăng 1.1 Ô xít các bon (CO) Mô nô xit cacbon được hình thành từ phản ứng sau: 2C + O 2 = 2CO Đây là phản ứng cháy thiếu ôxy. Rõ ràng là λ càng nhỏ thì nồng độ CO càng lớn và ngược lại.
4 2000 4000 rCO % rC mH n rNO X 3 1500 3000 ppm ppm Vol % NO x C3H3 2 1000 2000 Cm H n 1 V H = 1588 cm3 500 1000 n = 3000 min P S = 4 bar CO ε = 9,4 ϕ S = tèi - u 0 0. Đặc tính các thành phần độc hại của động cơ xăng theo λ 7 Khi λ< 1, quá trình cháy thiếu ô xy nên thành phần CO lớn. Trong quá trình giãn nở, một phần CO sẽ kết hợp với hơi nước (trong sản phẩm cháy) để tạo thành CO 2 CO + H 2 O = CO 2 + H 2 Khi λ> 1, về lý thuyết thừa ô xy nhưng vẫn có một lượng nhỏ CO. Lý do là trong buồng cháy vẫn có những vùng cục bộ có λ< 1, tại đó quá trình cháy thiếu ô xy.
Mặt khác, tại những vùng sát vách, do hiệu ứng làm lạnh còn gọi là hiệu ứng sát vách nên CO không ôxy hoá tiếp thành CO 2. Trong khi đó, phần lớn khí CO sinh ra trong quá trình cháy sẽ kết hợp tiếp với ôxy trong quá trình giãn nở trong điều kiện nhiệt độ từ 1700 đến 19000 K để tạo thành CO 2 2CO + O 2 = 2CO 2 Khi nhiệt độ trong quá trình giãn nở nhỏ hơn 17000 K, nồng độ CO không đổi. Đây chính là nồng độ CO trong khí thải. Sự thay đổi tổng hợp các thành phần của phản ứng cháy Các bon C được thể hiện trên hình 1.
Đối với trường hợp đốt hỗn hợp nghèo (λ> 1) CO còn hình thành trong quá trình giãn nở do cháy rớt, cụ thể cháy tiếp phần cacbua hyđrô chưa cháy. 15 % rco 12 rco 2 CO2 ro2 rH 2 8 4 CO O H2 0 Hình 1.3 Nồng độ các chất sau phản ứng cháy cacbon phụ thuộc λ 8 1.2 Hydro các bon chưa cháy (HC). Trên hình 1-2 thể hiện rõ C m H n đạt giá trị nhỏ nhất ở λ =1,1 đến 1,25. Những vùng ngoài giá trị này có tỷ lệ nhiên liệu- không khí quá đậm hoặc quá nhạt, có khi vượt ra ngoài giới hạn cháy nên nhiên liệu không cháy được.
Mặt khác, đối với bất cứ λ nào, trong buồng cháy cũng có những vùng đặc biệt mà hỗn hợp không thể cháy được như: Lớp sát vách các chi tiết có nhiệt độ thấp, nhiệt độ cháy bị giảm do bốc hơi mạnh nên khi màng lửa lan tràn tới đây sẽ bị dập tắt, do đó nhiên liệu tại đây không được đốt cháy. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng sát vách.