Chương 1. Tổng quan - Chương 2. Xây dựng mô hình mô phỏng bộ xúc tác khí thải ba thành phần trên phần mền AVL Boost - Chương 3. Nghiên cứu nâng cao hiệu quả bộ xúc tác khí thải ba thành phần khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn - Chương 4.
Nghiên cứu đánh giá hiệu quả của bộ xúc tác cải tiến - Kết luận chung và hướng phát triển của đề tài. TỔNG QUAN Ngày nay, số lượng các phương tiện giao thông đang tăng rất nhanh kéo theo sự gia tăng ô nhiễm môi trường đặc biệt là ô nhiễm môi trường không khí. Để giảm lượng khí thải từ động cơ của các phương tiện giao thông vận tải cần có sự phối hợp đồng bộ giữa cơ quan quản lý, các nhà sản xuất và người sử dụng phương tiện. Trong đó, các nhà sản xuất luôn phải đầu tư nghiên cứu, cải tiến công nghệ nhằm chế tạo các động cơ có mức phát thải độc hại thấp, đáp ứng các tiêu chuẩn cũng như lộ trình kiểm soát phát thải do cơ quan quản lý đã đề ra.
Các nhà quản lý nghiên cứu đưa ra các chính sách, tiêu chuẩn kiểm soát hợp lý. Lộ trình áp dụng phù hợp với điều kiện kinh tế và trình độ phát triển công nghệ trong tương lai. Trong khi đó, đối với người sử dụng cần phải tuân thủ quy trình vận hành, bảo trì bảo dưỡng của nhà sản xuất và chấp hành các quy định về kiểm soát phát thải của cơ quan quản lý. Với mục tiêu nâng cao hiệu quả BXT khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn, trong nội dung chương tổng quan, nghiên cứu sinh (NCS) sẽ trình bày sơ lược các vấn đề sau: - Tổng quan về phát thải trong động cơ xăng, ảnh hưởng của các thành phần phát thải tới sức khỏe con người và môi trường.
- Tổng quan các giải pháp giảm phát thải trong động cơ xăng trong đó tập trung vào hai giải pháp chính đó là sử dụng các nhiên liệu thay thế với trọng tâm là nhiên liệu xăng pha cồn và giải pháp xử lý khí thải với cốt lõi là trang bị BXT. - Tổng hợp các nghiên cứu đánh giá về ảnh hưởng của nhiên liệu xăng pha cồn tới phát thải của động cơ, quá trình hoạt động và hiệu suất chuyển đổi của BXT. - Tổng hợp các các nghiên cứu trong và ngoài nước nhằm nâng cao hiệu quả BXT. Tổng quan về phát thải trên động cơ xăng 1.
Tình hình ô nhiễm môi trường do khí thải từ động cơ đốt trong Hiện nay môi trường sống của nhân loại đang ngày càng bị ô nhiễm nặng nề do chất thải từ các hoạt động của con người tạo ra, một trong những nguồn chất thải đáng kể đó là phát thải của các phương tiện giao thông cơ giới. Trong quá trình hoạt động, các phương tiện giao thông thải vào không khí ngoài một lượng lớn CO2 và hơi nước còn một lượng đáng kể các phát thải độc hại khác như CO, hydrocacbon (HC), NOx, SO2, khói đen, chì và các chất thải dạng hạt khác. Các thành phần phát thải này không những gây ra tác hại trực tiếp đến sức khỏe của con người mà còn phá hủy môi trường sống của thế giới sinh vật đang nuôi sống con người. Theo số liệu thống kê tại Mỹ, các chất ô nhiễm do phát thải từ các phương tiện giao thông hiện chiếm tới 40 đến 50% tổng hàm lượng phát thải HC, 50% tổng hàm lượng NOx và 80 đến 90% tổng hàm lượng CO ở các khu vực thành phố [1].
Ở các khu vực phát triển khác như Châu Âu và Nhật Bản cũng đang xảy ra các vấn đề tương tự. Tại châu Á, ô nhiễm không khí từ các phương tiện giao thông vận tải cũng đang tạo ra những thách thức với nhiều quốc gia trong khu vực. Tại Trung Quốc, ô nhiễm không khí, đặc biệt là ô nhiễm hạt bụi mịn PM2.5 (loại hạt có trong không khí ảnh 5 hưởng nghiêm trọng tới sức khoẻ con người), đã trở thành một vấn đề nghiêm trọng ở các vùng trọng điểm kinh tế như Bắc Kinh, Thiên Tân, đồng bằng sông Dương Tử và lưu vực sông Châu Giang. Chỉ số chất lượng không khí ở thành phố Bắc Kinh vào buổi sáng thường xuyên vượt ngưỡng tối đa 500, lên tới mức nghiêm trọng.
Hàm lượng bụi mịn PM10 trong không khí thường xuyên vượt mức 2.000 microgram/1m3, hàm lượng bụi mịn PM2.5 vượt 300 microgram/1m3, trong khi tiêu chuẩn cho phép là 35 microgam/1m3 [2]. Tại Việt Nam, cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội, tốc độ tăng trưởng các phương tiện giao thông trong những năm vừa qua cũng khá cao, thường xuyên đạt mức tăng trưởng hai chữ số. Cụ thể, tốc độ tăng bình quân số lượng xe máy trong giai đoạn 1990 - 2020 là 11,94%.Tính đến cuối năm 2011, Việt Nam mới có khoảng 33,4 triệu xe máy đang lưu thông, tuy nhiên theo thống kê của Bộ Giao thông Vận tải đến cuối năm 2019, con số này đã gần chạm ngưỡng 60 triệu xe. Hiện nay, Việt Nam đang xếp thứ 4 trong danh sách các quốc gia tiêu thụ xe máy nhiều nhất trên thế giới, đứng sau Ấn Độ, Trung Quốc và Indonesia.
Bên cạnh đó theo thống kê của Cục Đăng kiểm, Việt Nam hiện có khoảng 4.053 xe ô tô các loại đang lưu hành (tính đến tháng 5/2021) [3]. Phần lớn số ô tô, xe máy tập trung ở các đô thị lớn như Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh… gây ra ô nhiễm môi trường không khí ngày càng nặng nề. Nồng độ các chất độc hại tại một số nút giao thông gần khu dân cư vào giờ cao điểm đã đạt tới mức giới hạn cho phép [4]. Phát thải độc hại trong động cơ xăng và ảnh hưởng của chúng tới sức khỏe con người và môi trường 1.
Đặc điểm phát thải trong động cơ xăng Năng lượng từ động cơ truyền cho máy công tác xuất phát từ quá trình cháy hỗn hợp giữa nhiên liệu và không khí trong xylanh. Quá trình ô xy hóa nhiên liệu trong các phản ứng cháy diễn ra rất phức tạp với nhiều yếu tố ảnh hưởng tới sản phẩm cháy, nhưng cơ bản là phản ứng giữa các hydrocacbon trong nhiên liệu với ô xy tạo ra sản phẩm cháy là CO2 và H2O. 4 2000 4000 CO HC NOx (C8H8) 3 1500 3000 %V NOx ppm ppm 2 1000 2000 HC 1 500 1000 Vh = 1588 cm3 n = 3000 vg/ph CO pe= 4 bar = 9,4 s tèt nhÊt 0 0,8 1,0 1,2 1,4 Hình 1. Phát thải của động cơ xăng theo λ [5] Tuy nhiên quá trình cháy không đồng nhất kết hợp với các yếu tố như nhiệt độ, thể 6 tích, áp suất trong quá trình cháy thay đổi liên tục trong khoảng thời gian rất ngắn nên trong thực tế sản phẩm cháy còn có rất nhiều thành phần phát thải độc hại với sức khỏe con người và môi trường như CO, HC, NOx, SO2, PM.
Thành phần phát thải độc hại của động cơ xăng phụ thuộc chủ yếu vào hệ số dư lượng không khí λ như thể hiện trên Hình 1. Ngoài ra, các thành phần này còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như thời điểm đánh lửa, tốc độ, tải trọng, quá trình hình thành hỗn hợp, tỷ lệ không khí/ nhiên liệu.cụ thể như sau: - CO (carbon monoxide): Là sản phẩm của quá trình cháy hydrocacbon trong nhiên liệu theo phương trình sau: CnHm + (2n+m)O2 → 4nCO + 2mO2 (1.1) Có thể nhận thấy đây là phản ứng ô xy hóa không hoàn toàn nhiên liệu hay là phản ứng cháy trong điều kiện thiếu ô xy. Do đó λ càng nhỏ (hỗn hợp đậm) thì nồng độ CO càng cao và ngược lại. Ngoài ra phát thải CO còn phụ thuộc vào tỷ số H/C của nhiên liệu [6].
Đối với một tỷ lệ A/F (không khí/nhiên liệu) không đổi, nồng độ CO sẽ càng giảm khi tỷ lệ H/C của nhiên liệu tăng. - HC (hydrocacbon): Trong thực tế luôn có một lượng HC chưa cháy hoặc cháy một phần trong khí thải của động cơ, ngoài ra luôn có một lượng nhỏ hơi nhiên liệu bị thất thoát do hiện tượng bay hơi từ hệ thống nhiên liệu. Mặc dù chỉ chiếm một lượng nhỏ trong phát thải của động cơ nhưng λ phát thải HC cũng có những ảnh hưởng không tốt tới sức khỏe con người và môi trường. Cũng như CO, phát thải HC phụ thuộc chủ yếu vào mức độ đậm nhạt của hỗn hợp, trên Hình 1.1 cho thấy HC đạt giá trị nhỏ nhất ở vùng hòa khí có λ từ 1,1 đến 1,25.
Những vùng ngoài giá trị này hỗn hợp quá đậm hoặc quá nhạt nên vượt quá giới hạn cháy, làm tăng lượng nhiên liệu không cháy trong xy lanh. Ngoài ra trong xy lanh luôn tồn tại những vùng không gian gây cản trở tới quá trình cháy của nhiên liệu như: + Lớp sát vách buồng cháy: Tại những vùng không gian này có nhiệt độ thấp nên khi màng lửa lan tràn tới đây sẽ bị dập tắt theo hiệu ứng sát vách, đặc biệt tại chế độ tải nhỏ. + Những kẽ hở là những vùng hẹp mà màng lửa không thể lan truyền tới như kẽ hở giữa xec-măng và thành xy lanh và kẽ hở đỉnh piston. Trong suốt quá trình nén, hỗn hợp không cháy bị đẩy vào những kẽ hở, làm cho nhiệt trao đổi tới thành xy lanh giảm xuống.
Trong suốt quá trình cháy, áp suất tiếp tục tăng lên và đẩy hỗn hợp khí không cháy khác vào các khe hở. Màng lửa tới vùng không gian này bị dập tắt nên khí chưa cháy lại bị đẩy ra khỏi các kẽ hở khi áp suất trong xy lanh bắt đầu giảm. + Trong quá trình nén thường hình thành màng dầu trên mặt gương xy lanh ngoài ra một phần nhiên liệu bị hấp thụ vào màng dầu này. Trong quá trình giãn nở, áp suất giảm phần nhiên liệu hấp thụ cũng như một phần màng dầu sẽ bay hơi và làm tăng HC.
+ Ngoài ra một phần HC còn đến từ quá trình cháy không hoàn toàn có thể diễn ra trong một số chu trình của động cơ (cháy cục bộ hay bỏ lửa) do sự không đồng nhất của hòa khí, thay đổi góc đánh lửa sớm. Hiện tượng này thường diễn ra trong quá trình tăng hoặc giảm tốc đột ngột. - NOx: NOx hình thành từ phản ứng ô xy hóa nitơ trong điều kiện nhiệt độ cao của 7 quá trình cháy. Thành phần NOx phụ thuộc nhiều vào hệ số dư lượng không khí λ và nhiệt độ của quá trình cháy, từ Hình 1.1 có thể nhận thấy NOx đạt cực đại trong khoảng λ từ 1,05 đến 1,1.
Tại vùng hòa khí này nhiệt độ quá trình cháy cũng như nồng độ ô xy đủ lớn để phản ứng ô xy hóa nitơ diễn ra. Trong thành phần NOx, NO chiếm tới 90-98% tùy thuộc λ còn lại là NO2.