CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Vấn đề phát thải độc hại của xe máy Hiện nay, Việt Nam có mật độ tham gia giao thông bằng xe máy rất lớn. Tính đến 2018 Việt Nam có khoảng gần 58 triệu chiếc xe máy [1]. Mật độ xe máy tham gia giao thông đặc biệt cao ở các thành phố lớn đang gây phát thải và ô nhiễm môi trường trầm trọng tại các nơi này.1 Các thành phần phát thải độc hại của xe máy Động cơ xe máy tiêu thụ nhiên liệu xăng có thành phần chủ yếu là cacbon và hydro.
Quá trình cháy của hydrocarbon với không khí trong động cơ diễn ra rất phức tạp với sự không đồng nhất của hỗn hợp cũng như sự hạn chế về thời gian cháy nên trong khí thải động cơ luôn có chứa một hàm lượng đáng kể những chất độc hại như oxit nitơ (NO, NO2, N2O, gọi chung là NOx), carbon monoxit (CO), các hydrocarbon chưa cháy (HC), các hạt rắn và các chất ô nhiễm khác. Nồng độ các chất ô nhiễm trong khí thải phụ thuộc vào loại động cơ và chế độ vận hành. CO: Carbon monoxit là sản phẩm khí không màu, không mùi, không vị, sinh ra do oxy hoá không hoàn toàn carbon trong nhiên liệu ở điều kiện thiếu oxy. CO không gây khó chịu tuy nhiên nó ngăn cản sự vận chuyển O2 của hemoglobin của hồng cầu trong máu làm cho các bộ phận của cơ thể bị thiếu oxy.
NOx: NOx là họ các oxit 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 11000C). 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. 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. Oxit nitơ có thể được hình thành bởi một số phản ứng: N2 + O 2 2NO NO + ½ O2 NO2 Hydocarbon: Hydrocarbon (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, nồng độ HC tăng nhanh theo độ đậm đặc của hỗn hợp. Tuy nhiên, khi hỗn hợp quá nhạt, 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 xăng có thể theo các cơ chế sau đây: - Sự dập tắt màng lửa khi tiếp xúc với thành buồng cháy tạo ra một lớp hỗn hợp không bị bén lửa trên mặt thành buồng cháy.
- Hỗn hợp hòa khí bên trong các không gian chết trong buồng cháy không cháy được do màng lửa bị dập tắt. - Hơi nhiên liệu hấp thụ vào lớp dầu bôi trơn trên mặt gương xylanh trong quá trình nén và giải phóng ra hòa trộn với khí đã cháy trong giai đoạn giãn nở. 3 - 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 không đồng nhất của hỗn hợp không khí nhiên liệu, thay đổi góc đánh lửa sớm hay luân hồi khí thải, đặc biệt khi tăng giảm tốc độ. SO2: Sulfur dioxit (SO2) là sản phẩm sinh ra do trong nhiên liệu có chứa thành phần lưu huỳnh.
SO2 là một chất háo 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. Bồ hóng: Bồ hóng là sản phẩm từ hỗn hợp cháy đậm đặc và một phần dầu bôi trơn không cháy tạo nên. Bồ hóng 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 nguyên nhân gây ra bệnh ung thư do các hydrocarbon thơm mạch vòng.1 Tỉ lệ các chất ô nhiễm trong khí thải động cơ xăng [2] Các chất ô nhiễm Tỉ lệ Các chất ô nhiễm Tỉ lệ NOx 100-4000 ppm H2 O 10-12% HC 500-5000 ppm CO2 10-13,5% CO 0,1-1,6% SO2 15-60 ppm O2 0,2-2% PM Tỉ lệ các chất ô nhiễm trong khí thải động cơ xe máy được thể trong Bảng 1.
Trong khí thải có chứa các chất ô nhiễm chính là: HC là phần nhiên liệu chưa cháy hoặc bị đốt cháy một phần, CO và các oxit nitơ (NOx), chủ yếu là NO, ngoài ra còn có các hợp chất khác như nước, hydro, nitơ, oxy, SO2 vv.2 Đặc điểm phát thải trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy Trong giai đoạn khởi động lạnh (khởi động động cơ ở trạng thái nhiệt độ môi trường) và chạy ấm máy (giai đoạn chuyển tiếp từ ngay sau khởi động lạnh đến khi động cơ đạt nhiệt độ ổn định), nhiệt độ động cơ còn thấp, khả năng bay hơi hòa trộn nhiên liệu với không khí còn hạn chế nên động cơ khó khởi động. Để đảm bảo động cơ dễ dàng khởi động và nhanh chóng đạt tới nhiệt độ làm việc ổn định, hỗn hợp nhiên liệu không khí thường được điều chỉnh đậm. Trong điều kiện hoạt động này, thường xảy ra hiện tượng dập tắt màng lửa dẫn tới một phần nhiên liệu chưa cháy hoặc cháy không hoàn toàn nên hàm lượng phát thải CO và HC trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy lớn hơn nhiều so với khởi động nóng và chạy ổn định. Từ kết quả nghiên cứu của Yung-Chen Yao và các cộng sự [3] được thể hiện trên Bảng 1.2 có thể thấy hàm lượng phát thải các chất độc hại trên động cơ xe máy ở chế độ khởi động lạnh cao hơn nhiều so với khởi động nóng, đặc biệt là hàm lượng phát thải HC.2 Hàm lượng phát thải khi khởi động lạnh và khởi động nóng [3] Loại động cơ Dung tích Khởi động lạnh Khởi động nóng xylanh CC CO HC NOx CO HC NOx (ppm) (ppm) (ppm) (ppm) (ppm) (ppm) Động cơ chế 11120 5570 910 7520 2080 780 hòa khí 50 ± 790 ±560 ±130 ±1630 ±300 ±15 7580 3150 420 7250 2620 190 100 ±3560 ± 56 ±140 ± 1990 ±240 ±60 6790 3640 450 7540 3330 400 125 ±3400 ±380 ±54 ±3830 ± 490 ±70 Động cơ phun 8030 3510 630 7570 2310 700 xăng điện tử 125 ± 450 ±150 ±10 ±1390 ±11 ±20 Khí thải có hàm lượng lớn các chất độc hại trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy nếu không được xử lý trước khi thải ra ngoài môi trường sẽ dẫn tới làm tăng đáng kể tổng lượng phát thải trong cả chu trình vận hành của xe.3 Hàm lượng phát thải của xe máy theo chu trình thử Bảng 1.3 Giới hạn lớn nhất cho phép của các chất gây ô nhiễm trong khí thải theo TCVN6438:2018 Thành phần gây ô nhiễm Ô tô Mô tô, xe máy trong khí thải Mức 1 Mức 2 Mức 3 Mức 4 Mức 1 Mức 2 CO (% thể tích) 4.5 HC (ppm) – Động cơ 4 kỳ 1200 800 600 300 1500 1200 – Động cơ 2 kỳ 7800 7800 7800 7800 10000 7800 Trên thế giới, các tiêu chuẩn khí thải áp dụng cho các phương tiện cơ giới ngày càng khắt khe, các tiêu chuẩn EURO5 thậm chí EURO6 đã được áp dụng tại một số nước như ở Mỹ và Châu âu.
Ở Việt Nam, các quy định về tiêu chuẩn khí thải ngày càng khắt khe hơn. Tiêu chuẩn khí thải TCVN6438:2018 được thay thế cho tiêu chuẩn TCVN 6438:2005 theo đó, nồng độ các chất độc hại trong khí thải động cơ được thể hiện trong Bảng 1. Khi động cơ làm việc ổn định, BXT được sấy nóng đến nhiệt độ làm việc, khi đó hiệu quả xử lý của BXT là rất đáng kể, phần lớn chất độc hại được BXT xử lý. Ngược lại, trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy của động cơ, nhiệt độ BXT còn thấp nên BXT chưa hoạt động hoặc hoạt động với hiệu quả không đáng kể, dẫn tới ở giai đoạn này phần lớn khí độc hại bị thải ra ngoài môi trường.
Hàm lượng phát thải chất độc hại theo chu trình thử bị ảnh hưởng rất nhiều từ phát thải trong giai đoạn khởi động lạnh. 5 Hsi-Hsien Yang và cộng sự [4] đã thực nghiệm đo phát thải của động cơ xe máy dung tích xylanh 125cc có trang bị BXT 3 thành phần chưa có hệ thống sấy nóng BXT ở giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy. Kết quả đo hàm lượng các chất độc hại theo chu trình thử ECE với trường hợp kể đến khởi động lạnh được chỉ ra trên bảng 1. Số liệu cho thấy với động cơ xe máy phun xăng điện tử (PXĐT) có trang bị BXT và chu trình thử với khởi động lạnh thì thành phần phát thải thấp hơn của động cơ sử dụng bộ chế hòa khí (CHK) nhưng vẫn cao hơn tiêu chuẩn EURO III.4 Phát thải độc hại theo chu trình thử ECE khi khởi động lạnh [4] Loại động cơ Hàm lượng các chất độc hại HC (g/km) CO (g/km) NOx (g/km) Động cơ dùng CHK 1,38 3,84 0,23 Động cơ PXĐT 0,94 2,9 0,33 Khi khởi động nóng, do BXT đã được sấy nóng từ trước đồng thời nhiệt độ khí thải ở trường hợp này cũng cao hơn so với khi khởi động lạnh do vậy BXT nhanh chóng được sấy nóng đến nhiệt độ làm việc, do đó phát thải ô nhiễm giảm so với khởi động lạnh.
Đã có nhiều công trình nghiên cứu so sánh phát thải của xe theo chu trình khi khởi động lạnh và nóng. Nghiên cứu của Yung-Chen Yao và các cộng sự [3] đo phát thải theo chu trình thử với 2 trường hợp khởi động lạnh và khởi động nóng, kết quả nghiên cứu được thể hiện trong Bảng 1. Kết quả nghiên cứu cho thấy phát thải CO và HC của động cơ theo chu trình thử khởi động lạnh lớn hơn nhiều so với khi khởi động nóng. Theo nghiên cứu này khi khởi động lạnh không có chỉ tiêu nào đạt tiêu chuẩn EUROIII, trong khi với khởi động nóng thì cả CO và HC đều đạt tiêu chuẩn EUROIII.5 Hàm lượng phát thải theo chu trình thử [3] Hàm lượng khí thải CO (g/km) HC (g/km) NOx (g/km) CO2 (g/km) Khởi động lạnh 2,9 0,94 0,33 65,9 Khởi động nóng 1,91 0,33 0,33 56,2 1.2 Các phương pháp kiểm soát phát thải của xe máy 1.1 Kiểm soát phát thải từ bên trong động cơ Việc tối ưu hóa thiết kế động cơ để cải thiện sự hình thành hỗn hợp và do đó nâng cao chất lượng đốt cháy trong động cơ, đặc biệt là khi khởi động động cơ và trong thời gian chạy ấm máy giúp giảm phát thải của động cơ.