- Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong. - Hình 6.11: Ảnh hưởng của chỉ số cetane đến mức độ phát ô nhiễm của động cơ. - Các chất phụ gia kim loại dưới dạng muối acide được sử dụng để làm giảm mức độ phát sinh bồ hóng của động cơ Diesel.. - Những alcalino-terreux, barium và calcium có hiệu quả nhất đối với động cơ phun trực tiếp hay phun gián tiếp. - Hình 6.13 trình bày ảnh hưởng của chất phụ gia đến mức độ phát sinh bồ hóng đối vớI động cơ theo thời gian sử dụng.. - Hình 6.14 cho thấy ảnh hưởng của các chất phụ gia tẩy rửa bề mặt đến toàn bộ các chất ô nhiễm do động cơ buồng cháy ngăn cách gây ra.. - Kết quả này trình bày tỉ lệ giảm mức độ phát sinh bồ hóng theo tải của động cơ một cylindre phun trực tiếp theo hai giá trị nồng độ nước trong dầu. - 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.. - 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. - 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. - Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm của động cơ đốt trong. - 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:. - 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. - 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.. - Hình 7.1 : Ảnh hưởng của góc phun sớm đến sự hình thành HC và NO x trong khí xả động cơ Diesel. - Tăng áp suất phun, đặc biệt là đối với động cơ phun trực tiếp.. - 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. - 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. - 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.. - khí xả. - 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.. - 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).. - Nguyên tắc chung và cấu tạo của bộ xúc tác Các phản ứng chính diễn ra trong bộ xúc tác gồm:. - 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).. - 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. - Hệ thống xúc tác bao gồm gộp đỡ (support) và lớp kim loại hoạt tính. - 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). - 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 phần ổn định cũng như những kim loại khởi động cho hoạt tính xúc tác.. - 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. - 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. - 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.. - 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. - 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. - Sự lão hóa bộ xúc tác. - Tính hiệu quả của bộ xúc tác giảm dần theo thời gian sử dụng (hình 7.6). - Hình 7.6: Gia tăng nhiệt độ khởi động của bộ xúc tác theo thời gian sử dụng ô tô. - 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). - Sự hiện diện của phosphore trong nhiên liệu gây ảnh hưởng rất nghiêm trọng đến bộ xúc tác. - Tuy nhiên, hàm lượng đó không đủ gây ra những tác hại đáng kể đối với bộ xúc tác.. - Lưu huỳnh hiện diện trong xăng có tác hại làm trơ hóa dần bộ xúc tác ba chức năng, đặc biệt là trong điều kiện hỗn hợp tương đối giàu. - Để chống lại hiện tượng này, người ta pha vào kim loại xúc tác một hàm lượng kền rất bé. - Khi ô tô có bộ xúc tác ba chức năng được sử dụng thường xuyên trên những quãng đường ngắn, sự lập lại thường xuyên quá trình khởi động, quá trình đòi hỏi hỗn hợp giàu, có thể gây ra một lớp than đáng kể bám trên ống xả xúc tác. - Khi đó cần một nhiệt độ cao thì bộ xúc tác mới khởi động được. - Tuy nhiên tác động của lớp than đến bộ xúc tác có thể khử đi khi đốt cháy nó bằng nhiệt độ cao. - Bộ xúc tác trở lại tính năng ban đầu sau khi hết lớp than.. - Bộ xúc tác oxy hóa dùng cho động cơ Diesel. - 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. - Mặt khác, bộ xúc tác oxy hóa không có tác dụng đối với NO x và chỉ có tác dụng rất giới hạn đối với bồ hóng.. - Đặc điểm của bộ xúc tác và điều kiện sử dụng:. - Khí xả của động cơ Diesel có chứa bồ hóng và một lượng bé CO, HC do hệ số dư lượng không khí lớn. - Trên nguyên tắc, sự xúc tác oxy hóa diễn ra thuận lợi. - Hình 7.7 cho thấy nhiệt độ môi trường cần phải đạt đến 200°C thì bộ xúc tác mới bắt đầu khởi động.. - Vào khoảng 300°C, bộ xúc tác bắt đầu oxy hóa đồng thời SO 2 thành SO 3 . - Vì vậy, việc sử dụng bộ xúc tác oxy hóa trên động cơ Diesel cần phải đi kèm với việc sử dụng nhiên liệu có thành phần lưu huỳnh rất thấp. - Về mặt kết cấu, kim loại quý dùng cho bộ xúc tác oxy hóa Diesel chủ yếu là Platine và Palladium hoặc hợp kim của hai chất này, trong đó Palladium được ưa chuộng hơn vì nó khó oxy hóa SO 2 thành SO 3. - Nhiệt độ khí vào bộ xúc tác (°C) Thành phần. - Sự hiện diện của lưu huỳnh trong dầu Diesel, ngay cả khi hàm lượng rất bé, cũng gây ảnh hưởng đáng kể đến hoạt tính của bộ xúc tác, đặc biệt là nó làm tăng nhiệt độ khởi động của bộ xúc tác (hình 7.9). - Tuy nhiên bộ xúc tác có thể phục hồi được đặc tính ban đầu khi động cơ sử dụng nhiên liệu không chứa lưu huỳnh.. - Hình 7.9: Ảnh hưởng của thành phần lưu huỳnh trong nhiên liệu đến nhiệt độ khởi động của bộ xúc tác. - Hiệu quả của bộ xúc tác oxy hóa Diesel. - Như trên đã nêu, việc sử dụng bộ xúc tác oxy hóa phải kèm theo việc sử dụng nhiên liệu Diesel không chứa lưu huỳnh. - Thử nghiệm động cơ ô tô nhẹ theo chu trình ECE+EUDC cho thấy bộ xúc tác oxy hóa trên động cơ Diesel có thể làm giảm trung bình 35% đối với CO, 30% đối với HC, 25% đối với hạt rắn hòa tan (SOF).. - Kĩ thuật này thường được gọi là 'khử NO x ' được dùng trên động cơ đánh lửa cưỡng bức làm việc với hỗn hợp nghèo và trên động cơ Diesel. - Bộ xúc tác khử NO x chủ yếu là giảm oxyde nitric NO, chất chiếm đại bộ phận trong NO x . - Nhiệt độ khí vào bộ xúc tác. - Một phương án khác, đã được áp dụng trên động cơ tàu thủy cỡ lớn là thêm chất phụ gia ammoniac hay uré (NH 2 -CO-NH 2 ) trong khí xả và xử lí toàn bộ hợp chất nhận được trên bộ xúc tác nền oxyde titan phủ lớp oxyde vanadium, chất có khả năng hấp thụ mạnh những chất khử. - Khi đó, phản ứng xúc tác tổng quát được viết như sau:
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt