ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG của CHÁY NGHÈO đến HIỆU SUẤT và KHÍ THẢI ĐỘNG cơ ĐÁNH lửa nạp ĐỒNG NHẤT sử DỤNG NHIÊN LIỆU LPG

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------------

NGUYỄN VĂN TUYỂN

ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CHÁY NGHÈO
ĐẾN HIỆU SUẤT VÀ KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA
NẠP ĐỒNG NHẤT SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU LPG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Hà Nội – Năm 2014

HV: Nguyễn Văn Tuyển

i

MSHV: CA 120176


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------------

NGUYỄN VĂN TUYỂN

ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CHÁY NGHÈO

ĐẾN HIỆU SUẤT VÀ KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA
NẠP ĐỒNG NHẤT SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU LPG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. TRẦN ANH TRUNG

Hà Nội – Năm 2014

HV: Nguyễn Văn Tuyển

ii

MSHV: CA 120176


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự
hướng dẫn của Tiến sĩ Trần Anh Trung. Đề tài được thực hiện tại Bộ
môn Động cơ đốt trong Viện Cơ khí động lực Trường Đại học Bách
khoa Hà Nội.
Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và
chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào.

T¸c gi¶ luËn v¨n

Nguyễn Văn Tuyển

HV: Nguyễn Văn Tuyển

iii

MSHV: CA 120176


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập và làm luận văn cao học với nội dung “Đánh giá
ảnh hưởng của cháy nghèo đến hiệu suất và khí thải động cơ đánh lửa nạp
đồng nhất sử dụng nhiên liệu LPG”. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô
trong Bộ môn Động cơ đốt trong – Viện Cơ khí Động lực, Viện đào tạo Sau đại
học Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và các bạn học viên lớp 2012A Hưng
Yên, đã trang bị cho em những kiến thức cần thiết trong quá trình học tập, tạo
điều kiện về cơ sở vật chất và giúp đỡ em trong thời gian học tập và làm luận
văn.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo hướng dẫn Tiến sĩ Trần
Anh Trung, người đã hướng dẫn em hết sức tận tình và chu đáo về chuyên môn
để em hoàn thành bản Luận văn này.
Do thời gian, trình độ còn hạn chế và đây cũng là lĩnh vực nghiên cứu còn
khá mới, đề tài không thể tránh được thiếu sót nhất định, kính mong được sự
quan tâm, góp ý kiến của các Thầy Cô và các Chuyên gia để đề tài được đầy đủ
và hoàn thiện hơn trong quá trình nghiên cứu phát triển đề tài tiếp theo.

Hµ Néi, th¸ng 03 n¨m 2014

Häc viªn: NguyÔn V¨n TuyÓn

HV: Nguyễn Văn Tuyển

iv

MSHV: CA 120176


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN...................................................................................................iii
LỜI CẢM ƠN......................................................................................................... iv
MỤC LỤC................................................................................................................ v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT..........................................vii
DANH MỤC CÁC BẢNG...................................................................................viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ................................................................................ix
LỜI NÓI ĐẦU......................................................................................................... 1
................................................................................................................................... 3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHÁT THẢI TỪ ĐỘNG CƠ...........................4
ĐỐT TRONG VÀ HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ.........................................................4
1.1. Vấn đề ô nhiễm môi trường.................................................................................................4
1.2. Các nghiên cứu trên thế giới để làm tăng hiệu suất động cơ.............................................14

CHƯƠNG 2. ĐỘNG CƠ CHÁY NGHÈO..........................................................18
2.1. Quá trình cháy của động cơ châm cháy cưỡng bức...........................................................18
2.2. Quá trình nạp......................................................................................................................23
2.3. Nạp hỗn hợp đồng nhất......................................................................................................28
2.4. Động cơ cháy nghèo..........................................................................................................28
2.5. Phương pháp mở rộng giới hạn cháy nghèo......................................................................29
2.6. Sự hình thành các chất độc hại trong khí thải động cơ......................................................30

2.6.1. Sản phẩm cháy........................................................................................................31
2.6.2. Các thành phần độc hại chính và ảnh hưởng của chúng.........................................31
2.6.3. Tỷ lệ các chất độc hại trong khí thải.......................................................................33

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM.............................................40
3.1. Thiết lập động cơ thử nghiệm............................................................................................40
3.1.1. Động cơ thử nghiệm................................................................................................40
3.1.2. Các chế độ thử nghiệm động cơ..............................................................................42
3.2. Thiết bị thử nghiệm............................................................................................................43

CHƯƠNG 4: XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CỦA QUÁ TRÌNH CHÁY........50
4.1. Trường hợp nhiệt dung riêng không đổi............................................................................51
4.2. Trường hợp nhiệt dung riêng biến thiên............................................................................54

HV: Nguyễn Văn Tuyển

v

MSHV: CA 120176


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
CHƯƠNG 5: NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ
CHÁY NGHÈO ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ.. .60
5.1. Khả năng cháy nghèo:........................................................................................................60
* Góc đánh lửa sớm (0CA):......................................................................................................61
5.2. Quá trình cháy....................................................................................................................63
5.3. Đánh giá chất lượng khí thải của động cơ cháy nghèo......................................................67
5.3.1. Hydro cacbon (HC):................................................................................................67
5.3.2. Monoxit Cacbon (CO):...........................................................................................68

...........................................................................................................................................68
5.3.3. Nitrogen oxit (NOx):...............................................................................................69
5.3.4. Mức tiêu hao nhiên liệu:.........................................................................................70
5.4. KẾT LUẬN........................................................................................................................71

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...............................................................................72
TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................73

HV: Nguyễn Văn Tuyển

vi

MSHV: CA 120176


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
CO
CO2
HC
CH4
C2H4
C2H6
C3H8
C4H10
CFC
NO
NO2
NOx
LPG

WHO
ASEAN
λ
Vc

φ
P
n
AFR
GDI

Khí mô nô xít các bon
Khí các bon níc
Khí hydrô các bon
Khí mê tan
Khí Khí ê ty len
Khí ê tan
Khí propan
Khí butan
Clo rô flu rô các bon
Khí mô nô xít ni tơ
Khí đi ô xít ni tơ
Các loại ô xít ni tơ
Khí dầu mỏ hóa lỏng (Liquefied Ptroleum Gas )
Tổ chức y tế thế giới
Hiệp hội các nước Đông Nam Á
Hệ số dư lượng không khí
Thể tích buồng cháy
Góc quay trục khuỷu
Áp suất trong xylanh

Tốc độ động cơ
Tỷ lệ không khí - nhiên liệu
Động cơ phun xăng trực tiếp

HV: Nguyễn Văn Tuyển

vii

MSHV: CA 120176


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Tiêu chuẩn khí thải đối với xe máy của Mỹ (HC - CO).......................7
Bảng 1.2. Tiêu chuẩn khí thải đối với xe máy ở Châu Âu....................................7
Bảng 1.3. Tiêu chuẩn khí thải cho xe máy tại Mỹ và Châu Âu...........................8
Bảng 3.1. Bảng thông số động cơ..........................................................................40
Bảng 3.2 sau đây giới thiệu thông số kỹ thuật băng thử này.............................43
Bảng 3.2. Thông số kỹ thuật băng thử công suất kiểu dòng xoáy....................44
................................................................................................................................. 46
3.3. Bảng thông số kỹ thuật của thiết bị phân tích khí thải...............................46
Bảng 3.4. Thông số kỹ thuật của cảm biến góc quay.........................................48

HV: Nguyễn Văn Tuyển

viii

MSHV: CA 120176

Lun vn thc s k thut
DANH MC CC HèNH V
ó cú nhiu nghiờn cu nhm lm gim tỏc hi ca khớ thi, trc õy ngi
ta ó s dng b xỳc tỏc khớ thi ba thnh phn cho ng c xng, nú cú th
gim a s thnh phn c hi trong khớ thi nh: NOx, HC, CO.....................9
Hỡnh 1.1. B xỳc tỏc ba chc nng.......................................................................10
Hỡnh 1.2. Quan h gia tc ng c v t l ma sỏt......................................15
Hỡnh 1.3. T l nộn v hiu sut nhit..................................................................17
Hình 2.1. Qúa trình cháy trong động cơ xăng châm cháy cỡng bức.................19
Hỡnh 2.2. S lan trn mng la.......................................................................22
Hỡnh 2.3. S phõn b mng v tc mng la............................................22
Hỡnh 2.4. S xoỏy ri bờn trong bung chỏy.......................................................24
Hỡnh 2.5. Hỡnh nh dũng chy trong xylanh.......................................................26
Hỡnh 2.8. Nng cỏc cht sau phn ng chỏy..................................................37
cacbon ph thuc ...............................................................................................37
Hỡnh 3.1. S thớ nghim...................................................................................41
Hỡnh 3.2. Thit b ECU 555-80.............................................................................42
Hỡnh 3.3. Bng th cụng sut kiu dũng xoỏy FE150-S.....................................43
Hỡnh 3.4. Kt cu ca thit b o lu lng........................................................45
Hỡnh 3.5. Thit b phõn tớch khớ thi HORIBA MEXA 854L............................45
Hỡnh 3.6. H thng thu thp d liu AVL...........................................................47
Hỡnh 3.7. Cm bin xỏc nh gúc tng i H25................................................48
Hỡnh 4.1. (c) Bin thiờn ỏp sut trong xy lanh theo t l chỏy...........................51
Hỡnh 4.2. H thng kớn s dng trong mụ hỡnh nhit ng hc o.................52
Hỡnh 4.3. Bin thiờn t nhit = cp / cv theo nhit chỏy (K),.......................55
thnh phn hũa khớ v phn trm hn hp ó chỏy (xb)...............................55
Hỡnh 4.4. So sỏnh t l chỏy trong hai trng hp.............................................56
t nhit khụng i v t nhit bin thiờn.............................................................56
Hỡnh 5.1. Quan h ca COV v lambda..............................................................60

HV: Nguyn Vn Tuyn

ix

MSHV: CA 120176


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Hình 5.2. Giới thiệu biến thiên góc đánh lửa sớm theo lambda........................61
Hình 5.3. Biến thiên áp suất xy lanh tại 4500 vg/ph và......................................63
lambda thay đổi từ 0,9 đến 1,3.............................................................................63
Hình 5.4. Biến thiên áp suất xy lanh tại 5300 vg/ph và......................................64
lambda thay đổi từ 0,9 đến 1,4.............................................................................64
Hình 5.5. Tỷ lệ cháy theo góc quay trục khuỷu tại 4500 vg/ph và.....................65
lambda thay đổi từ 0,9 đến 1,3.............................................................................65
Hình 5.6. Tỷ lệ cháy theo góc quay trục khuỷu tại 5300 vg/ph và.....................66
lambda thay đổi từ 0,9 đến 1,4.............................................................................66
Hình 5.7. Biến thiên góc cháy trễ và góc cháy nhanh.........................................66
theo hệ số dư lượng không khí tại tốc độ 4500 và 5300 vg/ph............................66
Hình 5.8. Giới thiệu biến thiên của HC và lambda.............................................67
Hình 5.9. Giới thiệu biến thiên của khí CO theo lambda...................................68
Hình 5.10. Giới thiệu biến thiên của NOx theo Lambda....................................69
Hình 5.11. Giới thiệu biến thiên của suất tiêu hao nhiên liệu theo lambda......70

HV: Nguyễn Văn Tuyển

x

MSHV: CA 120176

LỜI NÓI ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Động cơ đốt trong là nguồn động lực chính trên các phương tiện giao
thông vận tải, máy nông nghiệp và đóng vai trò quan trong trong nhiều lĩnh vực
khác trong các ngành công nghiệp. Tuy nhiên động cơ đốt trong lại tiêu thụ rất
nhiều nhiên liệu trong khi nguồn nhiên liệu dầu mỏ ngày càng cạn kiệt đồng thời
khí thải từ động cơ lại có rất nhiều các chất độc hại, gây ô nhiễm môi trường và
làm ảnh hưởng lớn đến đời sống, sức khỏe con người.
Theo các số liệu thống kê đến cuối năm 2013, trên thế giới có khoảng một
tỷ xe đang lưu hành, chủ yếu tập trung ở một số nước phát triển như Mỹ, Trung
Quốc, Nhật…Ở Việt Nam số lượng ô tô, xe máy tăng rất nhanh tập trung chủ
yếu ở hai thành phố lớn là Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh, tính đến cuối
năm 2013 cả nước khoảng 2 triệu xe ô tô và hơn 30 triệu mô tô và xe máy. Tốc
độ tăng trung bình về số lượng xe ô tô là khoảng 10%, đó là nguyên nhân chính
của việc tăng nhanh lượng tiêu thụ nhiên liệu và gây ô nhiễm môi trường. Xét
trên phương diện tiêu thụ và phát thải thì xe máy chỉ bằng 1/4 so với ô tô tuy
nhiên ở nước ta số lượng xe máy lại quá nhiều hơn nữa trong đó có rất nhiều xe
đã cũ, chất lượng kém nên đây là là nguồn phát thải khí ô nhiễm lớn vào môi
trường.
Hàm lượng phát thải của động cơ đốt trong phụ thuộc rất nhiều các yếu tố
khác nhau như: loại nhiên liệu, các chế độ làm việc, kiểu loại động cơ, cách vận
hành sử dụng, điều kiện địa hình…Từ khi ra đời tới nay động cơ đốt trong luôn
luôn được các nhà khoa học, nhà sản xuất cải tiến và phát triển để đáp ứng các
yêu cầu ngày càng cao của xã hội.
Mục tiêu phát triển của xe ôtô trong tương lai là giảm tiêu hao nhiên liệu,
giảm khí thải ô nhiễm môi trường trong khi phải giữ được hiệu suất động cơ.
Vấn đề này đã được các nhà khoa học nghiên cứu từ rất lâu, vì vậy em chọn đề

HV: Nguyễn Văn Tuyển

1

MSHV: CA 120176


tài “ Đánh giá ảnh hưởng của cháy nghèo đến hiệu suất và khí thải động cơ
đánh lửa nạp đồng nhất sử dụng nhiên liệu LPG”. Luận văn này giới thiệu
một phương pháp làm tăng hiệu suất động cơ và giảm ô nhiễm khí thải bằng
biện pháp sử dụng hỗn hợp cháy nghèo cho động cơ 4 kỳ 4 xupáp phun nhiên
liệu LPG trên đường ống nạp. Động cơ thực nghiệm được kiểm tra ở tốc độ
4500 và 5300 vòng/phút. Kết quả thực nghiệm thu được bao gồm mômen động
cơ; suất tiêu hao nhiên liệu; khí thải và đặc điểm quá trình cháy, từ đó cho thấy
việc sử dụng hỗn hợp đồng nhất giới hạn cháy nghèo có thể đạt đến lambđa là
1,4 trong khi tiêu hao nhiên liệu giảm và hệ số dao động của động cơ nằm trong
giới hạn cho phép. Kết quả của khí thải cho thấy CO và NO x giảm mạnh, tuy
nhiên HC tăng lên đặc biệt ở vùng giới hạn cháy nghèo.
2. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng và phạm vi nghiên cứu.
a. Mục đích
Xác định khả năng giới hạn cháy nghèo của động cơ, đánh giá ảnh hưởng
của cháy nghèo đến hiệu suất và khí thải động cơ đánh lửa nạp đồng nhất sử
dụng nhiên liệu LPG từ các số liệu đo theo thử nghiệm trên động cơ thực tế. Từ
đó tìm ra các phương án thay thế bộ xúc tác khí thải nhằm mục đích giảm chi
phí sản xuất, giảm giá thành sản phẩm mà vẫn đảm bảo các yêu cầu về kỹ thuật
và môi trường .
b. Đối tượng nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu với loại nhiên liệu LPG trên động cơ xe máy 125cc 4 kỳ
4 xupáp, 1 xylanh của hãng SANYANG.
c. Phạm vi nghiên cứu
Tính toán khả năng cháy nghèo của động cơ, đánh giá ảnh hưởng của

cháy nghèo đến hiệu suất và khí thải động cơ đánh lửa nạp đồng nhất sử dụng
nhiên liệu LPG trên động cơ xe máy 125cc của hãng SANYANG ở hai chế độ
tốc độ là 4500 vòng/phút và 5300 vòng/phút.
Các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả

HV: Nguyễn Văn Tuyển

2

MSHV: CA 120176


Xây dựng quan hệ giữa lượng phát thải và hệ số dư lượng không khí Lambda
của động cơ xe máy từ các kết quả đo thực nghiệm.
Tính toán, đánh giá ảnh hưởng của cháy nghèo đến hiệu suất và khí thải
động cơ đánh lửa nạp đồng nhất sử dụng nhiên liệu LPG trên động cơ xe máy
125cc của hãng SANYANG qua đó bước đầu đóng góp vào các kết quả nghiên
cứu việc sử dụng nhiên liệu LPG trên động cơ nạp đồng nhất và sự ảnh hưởng
của cháy nghèo đến hiệu suất và khí thải động cơ.
3. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp thực nghiệm với động cơ loại 125cc hãng SANYANG trên
băng thử. Sử dụng các kết quả đo từ thực nghiệm của Tiến sĩ Trần Anh Trung
Đại học Bách khoa Hà Nội thực hiện tại Đại học Công nghệ Quốc gia Đài Bắc.
Xây dựng các đồ thị thể hiện quan hệ giữa hệ số dư lượng không khí
lambda với các yếu tố liên quan tới hiệu suất và khí thải động cơ ở hai chế độ
4500 vòng/phút và 5300 vòng/phút, từ đó đưa ra các đánh giá nhận xét về quá
trình làm việc ở chế độ cháy nghèo của động cơ khi sử dụng nhiên liệu LPG.
.

HV: Nguyễn Văn Tuyển

3

MSHV: CA 120176


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHÁT THẢI TỪ ĐỘNG CƠ
ĐỐT TRONG VÀ HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ.
1.1. Vấn đề ô nhiễm môi trường
Ngày nay hàng trăm triệu người đang phải thở không khí ô nhiễm đặc biệt
là trong các thành phố lớn, tại thành phố này khí thải đã vượt quá giới hạn cho
phép của tổ chức Sức Khỏe Thế Giới (WHO). Không khí ô nhiễm được hiểu là
không khí trong đó có chứa các chất độc có hạt. Những chất ô nhiễm chính trong
không khí có thể kể ra như: Sunfua dioxit (SO 2), Nitrogen oxit (NO), Cacbon
monoxit (CO), Hydro cacbon (HC) và các hạt siêu nhỏ muội than.
Ô nhiễm môi trường không khí là sự có mặt một chất lạ hoặc một sự biến đổi
quan trọng trong thành phần không khí, làm cho không khí không sạch hoặc có
mùi khó chịu, giảm thị lực khi nhìn xa do bụi. Hiện nay, ô nhiễm khí quyển là
vấn đề thời sự nóng bỏng của cả thế giới chứ không phải riêng của một quốc gia
nào. Môi trường khí quyển đang có nhiều biến đổi rõ rệt và có ảnh hưởng xấu
đến con người và các sinh vật. Ô nhiễm khí quyển đến từ con người lẫn tự
nhiên. Trong đó, ô nhiễm từ khí thải của các loại động cơ sử dụng nhiên liệu hóa
thạch là tác nhân không nhỏ.
Ô nhiễm môi trường khí quyển tạo nên sự ngột ngạt và “sương mù”, gây
nhiều bệnh cho con người. Nó còn tạo ra các cơn “mưa axít” hủy diệt các khu
rừng và các cánh đồng. Điều đáng lo ngại nhất là việc chính con người đã thải
vào không khí các loại khí độc như: CO 2, NOx, CO, HC... Theo nghiên cứu thì
khí CO2 là thủ phạm chính gây hiệu ứng nhà kính, nó đóng góp 50% vào việc
gây hiệu ứng nhà kính; CH4 là 13%, nitơ là 5%, CFC là 22%, hơi nước ở tầng
bình lưu là 3%, …

Nếu như chúng ta không ngăn chặn được hiện tượng hiệu ứng nhà kính thì
trong vòng 30 năm tới mặt nước biển sẽ dâng lên từ 1,5(mét) đến 3,5(mét). Có

HV: Nguyễn Văn Tuyển

4

MSHV: CA 120176


nhiều khả năng lượng CO2 sẽ tăng gấp đôi vào nửa đầu thế kỷ sau. Điều này sẽ
thúc đẩy quá trình nóng dần lên của Trái Đất diễn ra nhanh chóng. Nhiệt độ
trung bình của Trái Đất sẽ tăng khoảng 3,60 và mỗi thập kỷ sẽ tăng 0,30C. Theo
các tài liệu quốc tế, trong vòng hơn 130 năm qua nhiệt Trái Đất tăng 4 0C. Tại
hội nghị khí hậu tại Châu Âu được tổ chức gần đây, các nhà khí hậu học trên
thế giới đã đưa ra dự báo rằng đến năm 2050 nhiệt độ của Trái Đất sẽ tăng thêm
1,50C đến 4,50C nếu như con người không có biện pháp hữu hiệu để khắc phục
hiện tượng hiệu ứng nhà kính. Một hậu quả nữa của ô nhiễm khí quyển là hiện
tượng “lỗ thủng tầng ôzôn”. Khí CFC là “kẻ phá hoại” chính của tần ôzôn. Sau
khi chịu tác động của khí CFC và một số loại chất độc hại khác thì tần ô zôn sẽ
bị mỏng dần rồi thủng.
Theo Tổ chức Y tế Thế giới, ô nhiễm không khí đô thị làm khoảng 800,000
người chết và 4,6 triệu người giảm tuổi thọ trên thê giới mỗi năm. 2/3 số người
chết và giảm tuổi thọ do ô nhiễm không khí thuộc các đang phát triển ở châu Á.

Nguồn không khí bị ô nhiễm nặng do hoạt động của con người thải ra môi trường tự
nhiên tại Thành phố Bắc Kinh - Trung Quốc - Ảnh minh họa.

HV: Nguyễn Văn Tuyển

5

MSHV: CA 120176


Ngoài vấn đề ô nhiễm không khí rất đáng lo ngại, chúng ta cần quan tâm
đến các vấn đề ô nhiễm sau:
Ô nhiễm nước xảy ra khi nước bề mặt chảy qua rác thải sinh hoạt, nước rác
công nghiệp, các chất ô nhiễm trên bề mặt đất, rồi thấm xuống nước ngầm.
Ô nhiễm đất xảy ra khi đất bị nhiễm các chất hóa học độc hại (nồng độ vượt
quá giới hạn thông thường) do các hoạt động chủ động của con người như khai
thác khoáng sản, sản xuất công nghiệp, sử dụng phân hóa học hoặc thuốc trừ sâu
quá nặng,…hoặc do rò rỉ từ các thùng chứa ngầm. Phổ biến nhất trong các loại
chất ô nhiễm đất là hydrocacbon, kim loại nặng, .v.v.
Ô nhiễm phóng xạ là do các chất phóng xạ dùng trong lĩnh vực hạt nhân
nguyên tử, trong y học, trong các lĩnh vực quân sự hay công nghiệp…mà sự tác
dụng của nó ảnh hưởng đến môi trường tự nhiên, gây ra những ảnh hưởng
nghiêm trọng tới sức khỏe con người.
Ô nhiễm tiếng ồn bao gồm tiếng ồn gây ra bởi các loại ô tô xe máy, tiếng ồn do
các hoạt động công nghiệp.
Đối với sức khỏe con người: Không khí ô nhiễm có thể giết chết nhiều cơ thể
sống trong đó có con người. Ô nhiễm ôzôn có thể gây bệnh đường hô hấp, bệnh
tim mạch, viêm họng, đau ngực, tức thở. Ô nhiễm nước gây ra xấp xỉ 14,000 cái
chết mỗi ngày, chủ yếu ăn uống bằng nước bẩn chưa được xử lý ở các nước
đang phát triển. Ước tính có khoảng 500 triệu người Ấn Độ không có nhà vệ
sinh đúng cách, và khoảng 580 người Ấn Độ chết mỗi ngày vì ô nhiễm nước.
Gần 500 triệu người Trung Quốc thiếu nguồn nước uống an toàn. Một phân tích
năm 2010 ước tính bằng 1,2 triệu người chết sớm/yểu một năm ở Trung Quốc
do ô nhiễm không khí. Năm 2007, ước tính ở Ấn Độ, ô nhiễm không khí được
cho là gây ra nên 527,700 ca tử vong. Các nghiên cứu ước tính số người chết

hàng năm ở Hoa Kỳ có thể hơn 50.000 người. Các chất hóa học và kim loại
nặng nhiễm trong nước uống có thể gây ung thư không thể chữa trị.
Đối với sinh thái.

HV: Nguyễn Văn Tuyển

6

MSHV: CA 120176


- Lưu huỳnh điôxít và các ôxít của nitơ có thể gây mưa axít làm giảm độ
pH của đất.
- Đất bị ô nhiễm có thể trở nên cằn cỗi, không thích hợp cho cây trồng.
Điều này sẽ ảnh hưởng đến các cơ thể sống khác trong lưới thức ăn.
- Khói lẫn sương làm giảm ánh sáng mặt trời mà thực vật nhận được để
thực hiện quá trình quang hợp.
- Các loài động vật có thể xâm lấn, cạnh tranh chiếm môi trường sống và
làm nguy hại cho các loài địa phương, từ đó làm giảm đa dạng sinh học.
Hơn nữa trái đất đang nóng lên do hiệu ứng nhà kính là vấn đề nghiêm trọng.
Nguyên nhân chính bắt nguồn từ khí thải CO2 được tạo thành từ quá trình cháy
của nhiên liệu hóa thạch, khí thải ô tô - xe máy là những nguyên nhân làm tăng
lượng khí này. Việc giảm khí CO 2 của phương tiện vận tải đang ngày càng trở
lên quan trọng và biện pháp hiệu quả nhất là giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu.
Các điều luật về ô nhiễm khí thải ngày càng được thắt chặt không chỉ đối
với phương tiện vận tải lớn mà còn được áp dụng cho cả xe máy. Bảng 1.1 và
bảng 1.2 giới thiệu tiêu chuẩn khí thải cho xe máy tại Mỹ và Châu Âu.
Bảng 1.1. Tiêu chuẩn khí thải đối với xe máy của Mỹ (HC - CO)
Năm
Dung tích< 20cc 20cc ≤ Dung tích < 50cc Dung tích≥ 50cc

2004
113
99
143
2005
50
50
119
2006
50
50
96
2007 và
50
50
72
đến nay
Tiêu chuẩn khí thải EURO III đã bắt đầu thực hiện từ năm 2006.

Bảng 1.2. Tiêu chuẩn khí thải đối với xe máy ở Châu Âu.
Giai đoạn
EURO 2: 1/4/2003
Loại I (<150cc)
Loại II (> 150cc)
EURO 3: 1/1/2006
Loại I (<150cc)
Loại II (>150cc)
HV: Nguyễn Văn Tuyển

CO (g/km)

HC (g/km)

NOx (g/cm)

5.5
5.5

1.2
1.0

0.3
0.3

2.0
2.0

0.8
0.3

0.15
0.15

7

MSHV: CA 120176


Tiêu chuẩn khí thải EURO 3 đã bắt đầu thực hiện từ năm 2006, tuy nhiên ở đa
số các nước trong khối ASEAN lượng khí thải xe máy lớn hơn nhiều so với các

phương tiện vận tải khác, những xe máy này hiện tại mới chỉ đạt mức tiêu chuẩn
thấp nhất. Việt Nam hiện vẫn đang áp dụng tiêu chuẩn khí thải EURO 2 cho xe
máy và EURO 3 mới được áp dụng năm 2007. Hiện tại trên thế giới đã áp dụng
tiêu chuẩn EURO 4 còn Đài Loan đang áp dụng tiêu chuẩn khí thải EURO 3
cho xe máy và chuẩn bị áp dụng tiêu chuẩn khí thải EURO 4. Bảng 1.3 so sánh
tiêu chuẩn khí thải EURO3 và EURO4, điều này cho thấy giới hạn của khí thải

Tiêu chuẩn khí thải (g/km)

ngày càng giảm trong đó đặc biệt là khí thải NOx.

Bảng 1.3. Tiêu chuẩn khí thải cho xe máy tại Mỹ và Châu Âu

HV: Nguyễn Văn Tuyển

8

MSHV: CA 120176


Đã có nhiều nghiên cứu nhằm làm giảm tác hại của khí thải, trước đây
người ta đã sử dụng bộ xúc tác khí thải ba thành phần cho động cơ xăng, nó có
thể giảm đa số thành phần độc hại trong khí thải như: NOx, HC, CO.

* Bộ xúc tác ba chức năng.
Bộ xúc tác ba chức năng là bộ xúc tác cho phép xử lí đồng thời CO, HC và
NOx bởi các phản ứng ôxy hóa – khử (hai chất đầu tiên bị ôxy 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:

Ôxy hóa

(1.1)

Khử

(1.2)
Hai phản ứng ôxy hóa diễn ra khi độ đậm đặc f nhỏ hơn hoặc bằng 1 (hỗn
hợp nghèo). Trong khi đó, ba phản ứng phân hủy NO diễn ra thuận lợi trong hỗn
hợp giàu. Trong các phản ứng khử, người ta chỉ quan tâm đến NO vì nó là thành
phần chủ yếu trong NOx.
Trong cùng điều kiện về nhiệt độ, việc ôxy hóa NO, HC và khử NO x (nghĩa
là 5 phản ứng kể trên phải diễn ra cùng lúc với tốc độ đủ lớn), chỉ có thể diễn ra
một cách đồng thời khi hệ số dư lượng không khí của hỗn hợp nạp vào động cơ
xấp xỉ bằng 1. 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

HV: Nguyễn Văn Tuyển

9

MSHV: CA 120176


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.
Mặt khác, việc duy trì thành phần hỗn hợp có f = 1 ngoài việc tăng tỉ lệ
biến đổi các chất ô nhiễm nó còn hạn chế các phản ứng “nhiễu” tạo N 2O
(protoxyde nitơ):

2NO + CO

→ N2O + CO2

(1.3)

2NO + H2

→ N2O + H2O

(1.4)

2NO + hydrocarbure → N2O + H2O + CO2

(1.5)

Cường độ các phản ứng này nhỏ nhất khi độ đậm đặc của hỗn hợp xấp xỉ bằng 1.
Bộ xúc tác bao gồm gộp đỡ (support) và lớp kim loại hoạt tính.

Hình 1.1. Bộ xúc tác ba chức năng
Ngày nay, gộp bằng gốm hay kim loại liền khối, gọi là monolithe được dùng
rộng rãi nhất. Gộp đỡ monolithe là những ống trụ tiết diện tròn hay ovale bên
trong được chia nhỏ bởi những vách ngăn song song với trục. Mặt cắt của bộ
phận công tác vì vậy có dạng tổ ong với tiết diện tam giác hay vuông. Đối với

HV: Nguyễn Văn Tuyển

10

MSHV: CA 120176

động cơ có công suất khoảng 100kW, tiết diện tổng cộng cần thiết của các phần
tử công tác khoảng 130cm2 và thể tích tổng cộng của monolithe khoảng 2 – 3 lít
(0,02 – 0,03 dm3/kW).
Vật liệu gộp dùng phổ biến là cordiérite: 2MgO, 2Al 2O3, 5SiO2. Vật liệu
này có ưu điểm là nhiệt độ nóng chảy cao (14000C) do đó nó có thể chịu đựng
được nhiệt độ khí xả và nhiệt độ xúc tác (đôi lúc lên đến 11000C).
Gộp đỡ monolithe kim loại ngày nay có nhiều ưu thế hơn. Nó được chế tạo bằng
thép lá không rỉ có bề dày rất bé. 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. Vật liệu nền rất cần thiết
vì gộp đỡ (kim loại hay gốm) có diện tích bề mặt riêng thấp. Vật liệu nền chủ
yếu là một lớp nhôm gamma, bề dày khoảng 20 – 50 micro được tráng trên bề
mặt của rãnh gộp. 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 thành phần ổn định
cũng như những kim loại khởi động cho hoạt tính xúc tác.
Có 3 loại kim loại quý thường được dùng để tráng lên bề mặt của vật liệu
nền: Platine (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh). Hai chất đầu tiên (Pt, Pd) dùng
cho các phản ứng xúc tác ôxy hóa trong khi đó Rh cần thiết cho phản ứng xúc
tác khử NOx thành N2. 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 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,…với hàm lượng nhỏ. Những chất này tăng
cường thêm hoạt tính xúc tác, tính ổn định và chống sự lão hóa của kim loại
quý.

HV: Nguyễn Văn Tuyển

11

MSHV: CA 120176


• Khởi động bộ xúc tác.
Bộ xúc tác ba chức năng chỉ phát huy tác dụng khi nhiệt độ làm việc lớn
hơn 2500C. 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 xe 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. Trong khoảng thời gian đó, các
chất ô nhiễm trong khí xả hầu như không được xử lí. 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%.
Một biện pháp dùng để giảm thời gian khởi động là sấy bộ xúc tác bằng
điện. Biện pháp này tốn kém, công suất cần thiết của thiết bị sấy tương đối cao
(khoảng 5,5kW để đạt được nhiệt độ sấy từ 300 đến 3500C trong 15 giây).
• Sự lão hóa bộ xúc tác.
Tính hiệu quả của bộ xúc tác giảm dần theo thời gian sử dụng. Nguyên
nhân gây lão hóa này là do tác động đồng thời của các tác nhân hóa, lí, nhiệt và
cơ học, trong đó tác nhân hóa học do nhiên liệu trực tiếp hay gián tiếp gây ra là
quan trọng nhất.
- Tác động của chì.
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 bộ xúc tác một lớp kim loại trơ ở nhiệt độ cao và chèn kín
các lỗ xốp ở nhiệt độ thấp. Những chất halogene, clor và brome, chính chúng
cũng làm giảm dần tính năng của bộ xúc tác do chúng hấp thụ bề mặt kim loại
quý.

HV: Nguyễn Văn Tuyển

12

MSHV: CA 120176


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.
- Tác động của photsphore.
Sự hiện diện của photsphore trong nhiên liệu gây ảnh hưởng rất nghiêm
trọng đến bộ xúc tác. Photsphore một mặt gây ra sự sai lệch tín hiệu của cảm
biến lambda và mặt khác, làm giảm hiệu quả bộ xúc tác, nhất là đối với việc ôxy
hóa CO.
Trong thực tế, nhiên liệu thông thường có hàm lượng photsphore nhỏ hơn
0,02ppm. Mặt khác, photsphore trong khí xả cũng có thể bắt nguồn từ chất
chống mòn pha trong dầu bôi trơn. Tuy nhiên, hàm lượng đó không đủ gây ra
những tác hại đáng kể đối với bộ xúc tác.
- Tác động của lưu huỳnh.
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. Tuy nhiên sự trơ
hóa do lưu huỳnh gây ra có thể phục hồi khi sử dụng xăng có thành phần lưu
huỳnh rất thấp.
Lưu huỳnh trong xăng còn có thể gây ra một hiện tượng bất lợi khác: phát

sinh những bọng khí H2S trong một số điều kiện làm việc, chẳng hạn như khởi
động ở trạng thái nguội hay khi chạy không tải sau giai đoạn giảm tốc. Thật vậy,
khi động cơ làm việc với hỗn hợp tương đối nghèo, lưu huỳnh được lưu trữ dưới
dạng sulfate, chủ yếu là sulfate cerium. Hợp chất này sau đó biến thành H 2S khi
thành phần nhiên liệu – không khí tức thời chuyển sang giàu. Để chống lại hiện
tượng này, người ta pha vào kim loại xúc tác một hàm lượng kiềm rất nhỏ.
- Lớp bám carbon.
Khi ô tô có bộ xúc tác ba chức năng được sử dụng thường xuyên trên
những quãng đường ngắn, sự lặp 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

HV: Nguyễn Văn Tuyển

13

MSHV: CA 120176


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. Tuy nhiên
bộ xúc tác khí thải này khá đắt để có thể áp dụng cho xe máy và nó không thể
giảm được CO2. Do đó vấn đề của xe máy là phải giảm khí hiệu ứng nhà kính
và giảm khí thải độc hại với giá thành sản xuất có thể chấp nhận được.
1.2. Các nghiên cứu trên thế giới để làm tăng hiệu suất động cơ
Đã có khá nhiều cách để làm giảm khí thải gây hiệu ứng nhà kính như:
tăng hiệu suất động cơ hoặc tối ưu hóa thiết kế của xe. Tuy nhiên hiện nay
hướng tăng hiệu suất động cơ đang được các nhà khoa học tập trung nghiên cứu.
Hiệu suất động cơ xăng có thể tăng lên bằng cách giảm tổn thất ma sát và tăng
hiệu quả quá trình cháy. Tổn thất ma sát bao gồm: tổn thất hệ thống điện, tổn

thất công hút, tổn thất cho quạt làm mát, tổn thất cho trục cam và xupap và tổn
thất cho xéc măng, trục khuỷu. (được thể hiện ở hình 1.2 sau đây)

HV: Nguyễn Văn Tuyển

14

MSHV: CA 120176


Hình 1.2. Quan hệ giữa tốc độ động cơ và tỷ lệ ma sát
Trong các tổn thất này thì tổn thất công hút và tổn thất do xéc măng với
thành xylanh là những hướng chính mà các nhà chế tạo đang tập trung nghiên
cứu. Việc làm giảm tổn thất do xéc măng là rất khó để nâng hiệu suất động cơ
lên cao, nếu giảm được 40% tổn thất do ma sát của xéc măng thì hiệu suất động
cơ chỉ có thể tăng lên được 4%. SATO cùng các cộng sự có thể nâng được hiệu
suất nhiên liệu lên tới 0,9% bằng cách giảm độ cứng của xéc măng. Giảm công
hút có nghĩa là giảm tổn thất qua bướm ga tại chế độ tải thấp và nửa tải cho
động cơ xăng. Các biện pháp để giảm tổn thất này có thể kể tới như: động cơ
nạp đồng nhất cháy do nén (HCCI) và động cơ cháy nghèo. Động cơ HCCI là
công nghệ mới của ngành động cơ đốt trong tuy nhiên lại có khá nhiều rào cản
trước khi có thể đưa ra thị trường như: loại nhiên liệu, điều khiển kích nổ và

HV: Nguyễn Văn Tuyển

15

MSHV: CA 120176