Xây dựng đặc tính van luân hồi EGR cho hệ thống luân hồi áp suất thấp lắp trên động cơ diesel tăng áp

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn là công trình nghiên cứu của riêng cá nhân tôi. Các
kết quả, số liệu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các
công trình nào khác.
Hà Nội, tháng 3 năm 2014
Học viên thực hiện

Trần Văn Tuấn

i


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Khổng Vũ Quảng
người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ em trong suốt quá trình làm luận văn.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo giáo trong Bộ môn Động Cơ
Đốt Trong, Phòng thí nghiệm ĐCĐT, Viện Cơ khí động lực, Viện Đào tạo sau đại
học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ em
trong thời gian làm luận văn.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn đến các Thầy cô giáo phản biện và trong Hội đồng
chấm luận văn đã đọc, có những ý kiến quý báu để em có thể hoàn chỉnh luận văn
một cách tốt nhất và có những định hướng nghiên cứu trong tương lai.
Em xin gửi lời cảm ơn tới Ban giám Hiệu Trường Cao đẳng nghề LICOGI .
Tổng công ty xây dựng và phát triển hạ tầng, Bộ xây dựng, lãnh đạo khoa cơ giới
xây dựng cùng các đồng nghiệp đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong
suốt quá trình học tập.
Cuối cùng là lời cảm ơn tới các đồng nghiệp, gia đình và bạn bè những người
đã luôn động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận
văn.
Học viên thực hiện

Trần Văn Tuấn

ii


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN........................................................................................................................ii
Chương 2. CÁC GIẢI PHÁP GIẢM PHÁT THẢI ĐỘC HẠI CHO ĐỘNG CƠ DIESEL 18
2.1. Giới thiệu chung........................................................................................................18
Kết luận chương 3................................................................................................................71
4.1. Mục đích xây dựng đặc tính của van EGR................................................................72
4.4. Trang thiết bị thử nghiệm..........................................................................................73
4.4.1. Sơ đồ bố trí thiết bị thử nghiệm..............................................................................73
1. Kết luận chung..............................................................................................................96
2. Hướng phát triển...........................................................................................................96

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Diễn giải

iii


CO
HC
PM
NOx
SOx
DOC

EGR
DPF
PM10
TSP
TCCP
TCVN
SCR
CRT
LNT
SCRT
TN
TA
MN
TB
USB
COM
Smoke
ppm
HSU
TP

Mônôxit cácbon
Hyđrô cácbon
Phát thải hạt (Particulate Matter )
Ôxít nitơ
Ôxít lưu huỳnh
Bộ xúc tác ôxy hóa (Diesel Oxidation Catalyst )
Hệ thống luân hồi khí thải (Exhaust Gas Recirculatio )
Bộ lọc phát thải hạt, dạng lọc kín (Diesel Particulate Filter)
Phát thải hạt có kích thước nhỏ hơn 10 µm

Tổng lượng bụi lơ lửng trong không khí
Tiêu chuẩn cho phép
Tiêu chuẩn Việt Nam
Bộ xúc tác khử NOx (Selective Catalyst Reduction)
Bộ lọc tái sinh liên tục (Continuous Regeneration Trap)
Bộ xúc tác hấp thụ NOx (Lean NOx Trap)
Hệ thống xử lý khí thải tổng hợp gồm CRT và SCR
Thực nghiệm
Khí tăng áp
Máy nén
Tuabin
Cổng giao tiếp máy tính
Cổng giao tiếp máy tính dạng nối tiếp
Độ khói
Phần triệu
Độ mờ khói
Thành phố

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Sự gia tăng các phương tiện cơ giới của Việt Nam.......................................
..4
Bảng 1.2. Bùng nổ giao thông cơ giới (ước tính)...........................................................
..5
Bảng 1.3. Số liệu dự báo mức độ tăng trưởng kinh tế và phương tiện tham gia giao
thông ở các đô thị lớn Việt Nam và một số nước trong khu vực
........................................................................................................................
..5

iv

Bảng 1.4. Lượng phát thải của các thành phần trong động cơ diesel............................
..7
Bảng 1.5. Tiêu chuẩn khí thải với xe diesel hạng nặng, chu trình thử tĩnh...................
13
Bảng 1.6. Tiêu chuẩn khí thải cho động cơ diesel từ 1.760 kg đến 3.500 kg (g/km)....
14
Bảng 1.7. Tiêu chuẩn bang California cho các mẫu xe từ 1996 đến 2003....................
14
Bảng 1.8. Giới hạn độc hại của Mỹ đối với động cơ diesel lắp trên xe tải nặng (áp
dụng
toàn
quốc)
.......................................................................................................................
15
Bảng 1.9.Tiêu chuẩn khí thải Nhật Bản cho xe khách sử dụng động cơ diesel (g/km).
15
Bảng 1.10.Tiêu chuẩn khí thải động cơ diesel cho xe hạng nặng thương mại
GVW>3500
kg
(>2500
kg
trước
năm
2005)
.......................................................................................................................
16
Bảng 1.11. Giới hạn tối đa cho phép của các chất khí thải gây ô nhiễm (Theo Tiêu
chuẩn TCVN 6438:2001)
.....................................................................................................................

17
Bảng 4.1. Các thông số kỹ thuật động cơ D1146TI.......................................................
73
Bảng 4.2. Diễn giải các mode của chu trình thử ECE R49............................................
83
Bảng 4.3. So sánh NOX với EGR ở 25% tải và 1400 (v/ph)..........................................
86
Bảng 4.4. So sánh NOX với EGR ở 50% tải và1400 (v/ph)...........................................
86

v


Bảng 4.5. So sánh NOX với EGR ở 75% tải và 1400 (v/ph)..........................................
87
Bảng 4.6. So sánh NOX với EGR ở 25% tải và2000 (v/ph)...........................................
88
Bảng 4.7. So sánh NOX với EGR ở 50% tải và 2000 (v/ph)..........................................
88
Bảng 4.8. So sánh NOX với EGR ở 75% tải và 2000 (v/ph)..........................................
89
Bảng 4.9. Kết quả đo các thành phần phát thải khi có và không có lắp hệ thống EGR
theo13 mode của chu trình thử ECE R49
.......................................................................................................................
92
Bảng 4.10. Kết quả các thành phần phát thải khi có EGR và không có EGR theo chu
trình ECE R49
.......................................................................................................................
96

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Số lượng ôtô và xe máy hoạt động hàng năm của Việt Nam..........................
5
Hình 1.2. Số lượng và tỷ lệ xe con sử dụng động cơ diesel ở Đức.................................
6
Hình 1.3. Đặc tính các thành phần độc hại của động cơ diesel theo λ............................
6
Hình 1.4. Tỷ lệ của các thành phần khí thải trong động cơ diesel..................................
6
Hình 1.5. Sự hình thành NO phụ thuộcvào nhiệt độ theo thời gian t (ms).....................
8
Hình 1.6. Biến thiên tỷ số NO2/NO theo tải của động cơ diesel.....................................

vi


9
Hình 2.1. Các giải pháp giảm phát thải NOX và PM nhằm hướng tới các tiêu chuẩn
Châu Âu
........................................................................................................................
19
Hình 2.2. a) Vòi phun thông thường; b) Vòi phun có thể tích chết nhỏ.......................
20
Hình 2.3. Sơ đồ động cơ sử dụng hệ thống EGR...........................................................
22
Hình 2.4. Sơ đồ hệ thống LNT........................................................................................
23
Hình 2.5. Quá trình hấp thụ NOX trong hỗn hợp nghèo.................................................
24
Hình 2.6. Các phản ứng trong các buồng xử lý..............................................................

24
Hình 2.7. Chu trình hấp thụ và tái tạo của hệ thống LNT..............................................
25
Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống SCR...............................................
26
Hình 2.9. Các các chất độc hại được xử lý khi qua bộ DOC.........................................
29
Hình 2.10. Cấu tạo bộ xúc tác DOC...............................................................................
30
Hình 2.11. Nguyên lý, kết cấu bộ lọc kín DPF...............................................................
31
Hình 2.12. Lõi lọc của bộ lọc chất thải dạng hạt DPF...................................................
32
Hình 2.13. Hiệu quả lọc PM khi sử dụng DPF...............................................................
32

vii


Hình 2.14. Cấu tạo hệ thống CRT..................................................................................
34
Hình 2.15. Kết cấu bộ phận lọc PM................................................................................
35
Hình 2.16. Sơ đồ nguyên lý hệ thống CRT ...................................................................
36
Hình 2.17. Đưa thêm Glycol vào khí thải trước khi cho qua bộ xúc tác.......................
36
Hình 2.18. Sơ đồ bố trí chung của hệ thống luân hồi khí thải.......................................
38
Hình 2.19. Ảnh hưởng của luân hồi khí xả đến lượng phát thải NOX...........................

39
Hình 2.20. Ảnh hưởng của các loại khí đến hiệu quả giảm NOX..................................
41
Hình 2.21. Áp suất tuabin, tăng áp và tỷ lệ luân hồi khi tăng áp suất ra tuabin............
42
Hình 2.22. Hệ thống luân hồi dùng bộ tăng áp VGT.....................................................
42
Hình 2.23. Đặc tính của bộ tăng áp VGT.......................................................................
43
Hình 2.24. Quan hệ giữa vị trí cánh hướng gió và tỷ lệ luân hồi...................................
43
Hình 2.25. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống luân hồi khí xả ống venturi đặt trên đường
nạp ..................................................................................................................................
43
Hình 2.26. Hệ thống luân hồi tức thời............................................................................
44
Hình 2.27. Hệ thống luân hồi nội tại...............................................................................
44

viii


Hình 2.28. Hệ thống luân hồi lai.....................................................................................
45
Hình 2.29. Hệ thống luân hồi áp suất cao.......................................................................
46
Hình 2.30. Hệ thống luân hồi áp suất cao với ống venturi.............................................
46
Hình 2.31. Hệ thống luân hồi áp suất thấp.....................................................................
47

Hình 2.32. Van luân hồikhí thải được thiết kế cùng với đường nạp..............................
49
Hình 2.33. Két làm mát khí luân hồi...............................................................................
49
Hình 2.34. Bố trí các đường ống dẫn khí trong hệ thống luân hồi.................................
50
Hình 3.1. Hình dạng kết cấu ống venturi........................................................................
52
Hình 3.2. Ảnh hưởng của hệ số thu hẹp đến tổn thất áp suất và tỷ lệ luân hồi..............
52
Hình 3.3. Ảnh hưởng của hình dạng ống venturi tới tổn thất áp suất và tỷ lệ luân hồi.
53
Hình 3.4. Ảnh hưởng của dạng ống khuếch tán tới tổn thất áp suất..............................
54
Hình 3.5. Phần ruột của ống venturi...............................................................................
55
Hình 3.6. Các vị trí đặt ống venturi................................................................................
56
Hình 3.7. Bố trí van EGR điều khiển bằng cơ khí trên động cơ....................................
57

ix


Hình 3.8. Kết cấu van EGR điện từ điều khiển bằng cuộn dây.....................................
58
Hình 3.9. Cấu tạo van EGR điện từ điều khiển bằng động cơ điện một chiều có chổi
than
..........................................................................................................................
58

Hình 3.10. Kết cấu van EGR điện từ điều khiển bằng động cơ điện một chiều
không chổi than
......................................................................................................................
59
Hình 3.11. Cấu tạo động cơ điện một chiều không chổi than........................................
59
Hình 3.12. Sơ đồ khối vi xử lý chính..............................................................................
60
Hình 3.13. Khối truyền nhận tín hiệu USB TO COM....................................................
61
Hình 3.14. Khối hiển thị kết quả điều khiển van luân hồi EGR....................................
61
Hình 3.15. Khối công suất điều khiển động cơ điện một chiều không chổi than..........
62
Hình 3.16. Sơ đồ thuật toán chương trình điều khiển van EGR....................................
63
Hình 3.17. Giao diện chương trình điều khiển van EGR...............................................
64
Hình 3.18. Quá trình thiết kế mạch và lập trình điều khiển van EGR...........................
64
Hình 3.19. Vị trí lắp van điều khiển luân khồi khí thải trên động cơ D1146TI.............
65
Hình 3.20. Các giai đoạn trao đổi nhiệt của khí luân hồi...............................................
67

x


Hình 3.21. Kết cấu ống làm mát khí luân hồi.................................................................
69

Hình 3.22. Sơ đồ bố trí van điều khiển lưu lượng nước làm mát khí luân hồi..............
69
Hình 3.23. Lắp đặt ống làm mát khí luân hồi trên động cơ ở luân hồi áp suất thấp......
70
Hình 3.24. Lắp đặt hệ thống luân hồi khí thải trên động cơ D1146TI...........................
71
Hình 4.1. Sơ đồ bố trí thết bị thử nghiệm động cơ.........................................................
74
Hình 4.2. Sơ đồ bố trí phòng thử động lực cao..............................................................
74
Hình 4.3. Sơ đồ nguyên lý làm việc của phanh điện APA 100......................................
75
Hình 4.4. Sơ đồ nguyên lý thiết bị làm mát dầu bôi trơn AVL 554...............................
76
Hình 4.5. Sơ đồ nguyên lý thiết bị làm mát nước AVL 553..........................................
76
Hình 4.6. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống 733S..............................................
77
Hình 4.7. Tủ phân tích khí thải CEB.II...........................................................................
78
Hình 4.8. Hệ thống đo phát thải dạng hạt (PM) bằng thiết bị SmartSampler................
79
Hình 4.9. Thiết bị đo độ khói AVL415..........................................................................
80
Hình 4.10. Sơ đồ thí nghiệm lắp đặt van EGR trên động cơ D1146TI...................
81

xi

Hình 4.11. Động cơ D1146TI được lắp đặt trên băng thử trong PTN...........................
82
Hình 4.12. Sơ đồ thể hiện các mode của chu trình thử ECE R49..................................
83
Hình 4.13. Đặc tính van EGR tại tốc độ 1400 (v/ph).....................................................
85
Hình 4.14. Đặc tính van EGR tại tốc độ 2000 (v/ph).....................................................
85
Hình 4.15. Lượng NOX và độ mờ khói theo % EGR tại 25% tải và 1400 (v/ph).........
86
Hình 4.16. Lượng NOX và độ mờ khói theo %EGR tại 50% tải và 1400 (v/ph)..........
86
Hình 4.17. Lượng NOX và độ mờ khói theo %EGR tại 75% tải và 1400 (v/ph)...........
87
Hình 4.18. Lượng NOX và độ mờ khói theo %EGR tại 25% tải và 2000 (v/ph)...........
88
Hình 4.19. Lượng NOX và độ mờ khói theo% EGR tại 50% tải và 2000 (v/ph)...........
88
Hình 4.20. Lượng NOX và độ mờ khói theo %EGR tại 75% tải và 2000 (v/ph)...........
89
Hình 4.21. Đặc tính mô men của động cơ ở chế độ 25%, 50%, 75% và 100% tải
trong các trường hợp không có và có lắp hệ thống EGR
......................................................................................................................
90
Hình 4.22. Đặc tính công suất của động cơ ở chế độ 25%, 50%, 75% và 100% tải
trong các trường hợp không có và có lắp hệ thống EGR
......................................................................................................................
90
Hình 4.23. Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của động cơ ở chế độ 25%, 50%, 75% và
100% tải trong các trường hợp không có và có lắp hệ thống EGR

xii


......................................................................................................................
91
Hình 4.24. Phát thải NOx ở các chế độ thử nghiệm theo chu trình ECE R49................
93
Hình 4.25. Phát thải độ khói ở các chế độ thử nghiệm theo chu trình ECE R49..........
93
Hình 4.26. Phát thải CO ở các chế độ thử nghiệm theo chu trình ECE R49.................
94
Hình 4.27. Phát thải HC ở các chế độ thử nghiệm theo chu trình ECE R49.................
94
Hình 4.28. Công suất động cơ ở các chế độ thử nghiệm theo chu trình ECE R49.......
95
Hình 4.29 Tiêu thụ nhiên liệu ở các chế độ thử nghiệm theo chu trình ECE R49........
95

xiii


MỞ ĐẦU
I. Lý do nghiên cứu đề tài
Hiện nay phương tiện giao thông vận tải sử dụng động cơ đốt trong đã và đang
đóng góp một phần quan trọng vào quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất
nước.Tuy nhiên trong quá trình hoạt động nó cũng gây ra không ít các tác hại xấu
đến môi trường, ảnh hưởng xấu đến sức khỏe và làm giảm chất lượng cuộc sống của
con người nhất là ở các thành phố lớn nơi có nhiều phương tiện giao thông vận tải
hoạt động.

Trong quá trình vận hành động cơ của các phương tiện giao thông vận tải đã
sinh ra một lượng không nhỏ các chất độc hại như CO, CO 2, NOX, HC, Pb.... Các
chất thải này ngoài việc gây ô nhiễm trực tiếp đến môi trường sống và ảnh hưởng
đến sức khỏe con người, các chất thải này khi phát tán vào không khí sẽ bị phân tích
hoặc tổng hợp để tạo ra các tác nhân khác gây ảnh hưởng xấu đến biến đổi khí hậu.
Đây là một trong các vấn đề đang được xã hội đặc biệt quan tâm.
Chất lượng khí thải của xe cơ giới đang lưu hành phụ thuộc lớn vào công nghệ
sản xuất, chế tạo xe mới và thiết bị kiểm soát, xử lý ô nhiễm lắp trên xe. Do đó, việc
nâng cao chất lượng khí thải của phương tiện giao thông vận tải trong sản xuất, lắp
ráp và nhập khẩu mới sẽ góp phần tăng cường hiệu quả sử dụng nhiên liệu, giảm
thiểu lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường khi đưa xe vào lưu thông trên đường.
Các quốc gia trên thế giới đã có lộ trình áp dụng tiêu chuẩn về nồng độ các chất độc
hại trong khí thải động cơ và bắt buộc các xe được sản xuất trong nước hoặc các xe
khi nhập khẩu đều phải tuẩn thủ các tiêu chuẩn về khí thải giảm thiểu lượng phát
thải độc hại từ động cơ ra môi trường.
Ở nước ta hiện để giảm thiểu tình trạng ô nhiễm môi trường do phát thải của
các phương tiện xe cơ giới gây ra, Nhà nước đã thành lập các trạm đăng kiểm để
kiểm tra việc chấp hành các quy định về nồng độ khói của động cơ, đặc biệt Chính
phủ đã ra chỉ thị áp dụng tiêu chuẩn khí thải Châu Âu (Euro) đối với các phương
tiện sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu vào Việt Nam, cụ thể là: tiêu chuẩn Euro 2 được

1


áp dụng từ ngày 01/7/2007, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định số
49/2011/QĐ.TTg ngày 01/09/2011 về việc quy định lộ trình áp dụng tiêu chuẩn khí
thải đối với xe ôtô, xe môtô 02 bánh sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới. Theo
Quyết định này, các loại xe ôtô sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới phải áp dụng
tiêu chuẩn khí thải mức 4 từ ngày 01/01/2017 và mức 5 từ ngày 01/01/2022; các
loại xe môtô 2 bánh sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới phải áp dụng tiêu chuẩn khí

thải mức 3 từ ngày 01/01/2017.
Từ những thực tế về vấn đề ô nhiễm môi trường do động cơ phát thải của các
loại phương tiện xe cơ giới gây ra nói chung và các phương tiện sử dụng động cơ
diesel nói riêng, và được sự giúp đỡ hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Khổng Vũ
Quảng - Bộ môn ĐCĐT - Viện CKĐL - Trường ĐHBK Hà Nội nên em đã lựa chọn
đề tài: “Xây dựng đặc tính van luân hồi EGR cho hệ thống luân hồi áp suất thấp
lắp trên động cơ diesel tăng áp” trước hết là để thêm kiến thức, kỹ năng chuyên
ngành cho bản thân, từ đó có những hiểu biết cơ bản, sâu sắc về các phương pháp
giảm phát thải ứng dụng trên động cơ diesel.
II. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu đề tài
2.1. Mục đích
Đề tài nhằm xác định đặc tính van luân hồi EGR cho hệ thống luân hồi áp
suất thấp được lắp trên động cơ diesel tăng áp từ đó đưa ra giải pháp công nghệ
giảm phát thải độc hại cho động cơ diesel tăng áp, cụ thể áp dụng giảm phát thải
cho các loại xe sử dụng động cơ diesel tăng áp đạt được tiêu chuẩn về khí thải
của Việt Nam.
2.2. Đối tượng nghiên cứu
Tác giả chọn động cơ D1146TI lắp phổ biến trên các xe buýt đang lưu hành ở
Tp.Hà Nội làm đối tượng nghiên cứu. Toàn bộ các nội dung nghiên cứu, các thử
nghiệm của đề tài được thực hiện ở động cơ D1146TI lắp trên băng thử tại Phòng
thí nghiệm ĐCĐT - Viện CKĐL - Trường ĐHBK Hà Nội.

2


2.3. Phạm vi nghiên cứu đề tài
Đề tài tập trung nghiên cứu xây dựng đặc tính của van EGR lắp trên hệ thống
luân hồi áp suất thấp nhằm giảm phát thải NOX của động cơ D1146TI bằng kỹ thuật
luân hồi khí thải.
III. Phương pháp nghiên cứu

- Sử dụng phương pháp thực nghiệm trong phòng thí nghiệm để xây dựng đặc
tính của van EGR lắp trên hệ thống luân hồi áp suất thấp nhằm giảm phát thải độc
hại ra môi trường của động cơ D1146TI.
- Ngoài ra còn tham khảo các tài liệu khoa học trong và ngoài nước, các đề tài,
chuyên đề nghiên cứu, tra cứu thông tin trên các trang Website của mạng Internet
có các nội dung liên quan đến đề tài.
IV. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Đề tài đưa ra giải pháp cắt giảm phát thải cho động cơ diesel tăng áp lắp đặt
trên các phương tiện vận tải sao cho phù hợp với thực tiễn nước ta.
- Mặt khác, kết quả nghiên cứu của đề tài góp phần tích cực vào việc giảm
thiểu ô nhiễm môi trường do phát thải của các phương tiện giao thông gây ra, đặc
biệt là các loại xe sử dụng động cơ diesel tăng áp.
V. Các nội dung chính trong luận văn
Các nội dung trong luận văn được trình bày qua những phần sau đây:
- Mở đầu
- Chương 1. Tổng quan về phát thải
- Chương 2. Các giải pháp giảm phát thải độc hại cho động cơ diesel
- Chương 3. Tính toán thiết kế hệ thống luân hồi khí thải trên động cơ diesel
tăng áp
- Chương 4. Xây dựng đặc tính van EGR trong hệ thống luân hồi áp suất thấp
lắp trên động cơ D1146TI
- Kết luận chung và hướng phát triển
- Tài liệu tham khảo

3


Chương 1. TỔNG QUAN VỀ PHÁT THẢI
1.1.Xu hướng khai thác sử dụng động cơ diesel
Trong những năm gần đây song hành cùng với xu hướng phát triển kinh tế

xã hội ở nước ta thì số lượng các phương tiện xe cơ giới đưa vào vận hành ngày
càng tăng nhanh, điều này đã gây ra ảnh hưởng lớn đến môi trường sống của chúng
ta, đặc biệt tập trung ở những thành phố lớn như Tp.Hà Nội và Tp.Hồ Chí Minh
(Theo thống kê tại Tp.Hồ Chí Minh năm 2009 có trên 4 triệu xe mô tô và xe gắn
máy, tăng 159% so với cuối năm 2000, trên 400 nghìn xe ô tô, tăng 211% so với
cuối năm 2000 còn tại Tp.Hà Nội, năm 2009 có trên 300 nghìn xe ô tô, gần 4 triệu
xe mô tô và xe gắn máy, tốc độ tăng phương tiện cá nhân từ 12 ÷ 15%/năm). Hàng
năm số lượng xe mô tô, xe gắn máy mới đưa vào lưu hành tăng khoảng 20%, xe ô
tô mới tăng khoảng 15% [1].
Theo thống kê của Cục Đăng kiểm Việt Nam thì số lượng các phương tiện gia
tăng hàng năm tăng lên đột biến do nhu cầu sử dụng nhiều và được thể hiện trong
Bảng 1.1
Bảng 1.1. Sự gia tăng các phương tiện cơ giới của Việt Nam [1]
Số lượng (chiếc)

Năm
Ngày 31.12.1999
2003
2004
2008
Cuối năm 2011

Ô tô
460.000
500.000
523.509
≈ 700.000
1,5 triệu

Xe máy

5.585.000
≈ 11 triệu
13 triệu
20 triệu
33 triệu

Theo Bộ GTVT, số lượng các phương tiện giao thông cơ giới đường bộ tiếp
tục tăng nhanh; theo Cục Đăng kiểm trong tháng 4/2012 số lượng ô tô đăng ký mới
là 10.277 chiếc; mô tô là 197.807 chiếc. Tổng số phương tiện cơ giới đăng ký lưu
hành tính đến hết tháng 4/2012 là trên 36,6 triệu chiếc. Trong đó số lượng ô tô trên
1,9 triệu chiếc, số còn lại là mô tô với trên 34 triệu chiếc [1].
Sự gia tăng đột biến các phương tiện giao thông đồng nghĩa với lượng phát
thải độc hại của chúng ra môi trường cũng rất lớn. Nếu chúng ta không kiểm soát

4


được và thực hiện nghiêm túc các tiêu chuẩn khí thải đối với các phương tiện cơ
giới thì sẽ gây ra những thiệt hại đáng kể về kinh tế và ảnh hưởng nghiêm trọng tới
sức khỏe cộng đồng.
Các số liệu thể hiện trong Bảng 1.1; 1.2; 1.3 và Hình1.1 cho thấy tốc độ gia
tăng của các phương tiện xe cơ giới đồng nghĩa với lượng phát thải độc hại ra môi
trường cũng tăng lên nhanh gây ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường và sức khỏe
con người.
Bảng 1.2. Bùng nổ giao thông cơ giới (ước tính)[2]
Năm 1980
Ô tô, xe
Xe đạp
máy
80%

5%

GT
CC
15%

Năm 2000
Ô tô,
Xe đạp
xe máy
65%
>30%

GT
CC
<5%

Xe đạp
2.3%

Hiện nay
Ô tô, xe
máy
87. 88%

GT
CC
10%

Bảng 1.3. Số liệu dự báo mức độ tăng trưởng kinh tế và phương tiện tham gia giao

thông ở các đô thị lớn Việt Nam và một số nước trong khu vực [3]
Chỉ tiêu
Năm
Xe máy/
1000 dân
Ô tô con/
1000 dân
GNP USD/
người

Tp.
Jakatta

Tp.
Manila

Tp.
Bangkok

Tp.
Tp.
HCM Chengdu

1994

1996

1993

2002

2001

118

8

136

377

74

85

142

3034

2455

5614

Tp. Hà Nội
2001 2005

2010

2020

2030

54

302

(350)

(380)

(150)

(80)

12

43

8

15

28

66

132

1000

2800

990

1377

2054

4234

8329

Hình 1.1. Số lượng ôtô và xe máy hoạt động hàng năm của Việt Nam [2]

1.2. Các thành phần trong phát thải động cơ diesel

5


Từ lâu động cơ diesel đã được dùng làm nguồn động lực chính cho các
phương tiện vận tải hạng nặng, các máy
nông nghiệp, máy công cụ và gần đây
được sử dụng nhiều cho các xe hạng nhẹ

Hình 1.2. Số lượng và tỷ lệ xe con
sử dụng Số
động
cơ diesel ở Đức [7]
lượng
Tỷ lệ

bởi vì động cơ diesel có suất tiêu hao
nhiên liệu thấp và phát thải rất ít thành
phần CO, HC [6]. Ở một số nước Châu
Âu số lượng xe con dùng động cơ diesel
chiếm tới 50% vào năm 2009 và dự báo
sẽ tiếp tục tăng trong những năm tiếp
theo như thể hiện trong Hình 1.2. Tuy
nhiên lượng phát thải NOX và PM từ động cơ diesel còn rất cao như thể hiện trong
Hình 1.3 và 1.4 đây chính là nguồn phát thải đáng kể gây ô nhiễm môi trường và
ảnh hưởng tới sức khỏe con người, nhất là ở các đô thị và vùng đông dân cư. Các
thành phần trong phát thải có cơ chế hình thành và tác hại được phân tích cụ thể
như sau:

Hình 1.3. Đặc tính các thành phần độc hại
của động cơ diesel theo λ [8]

Hình 1.4. Tỷ lệ của các thành phần khí thải
trong động cơ diesel [9]

1.2.1. Khí NOX (Nitơ ôxit)
NOX là tên gọi chung của ôxit nitơ gồm các chất NO, NO2 và N2O được hình
thành do sự kết hợp giữa ôxy và nitơ ở điều kiện nhiệt độ cao. Trong khí thải của
động cơ đốt trong NOX tồn tại ở hai dạng chủ yếu là NO (chiếm 90÷98%) và NO 2.

6


Trong đó NO là khí không màu không mùi còn NO2 là khí có màu đỏ và mùi gắt, cả
hai loại khí rất độc nhưng NO2 độc gấp 5 lần NO.

Vì vậy NOX ngày càng được quan
tâm và trong một số trường hợp nó là chất

Bảng 1.4. Lượng phát thải của các
thành phần trong động cơ diesel [10]

ô nhiễm chính làm ảnh hưởng đến tính

Chất ô
nhiễm

Lượng phát thải
(g/kg nhiên liệu)

năng kỹ thuật của động cơ. Do đó NOX là

NOX

20

CO

200

HC

25

Bồ hóng

2÷5

đối tượng chính của việc xử lý ô nhiễm và
cũng là mục tiêu để đưa ra các biện pháp
hạn chế nó trong phát thải của động cơ
diesel. Các giải pháp kỹ thuật khác nhằm

hạn chế NOX ngay trong quá trình cháy cũng đã được áp dụng trên động cơ hiện đại
như luân hồi khí xả, thay đổi thời kỳ trùng điệp của góc độ phối khí…
Vì vậy việc tìm hiểu tác hại và cơ chế hình thành của NO X để tìm ra biện pháp
hạn chế nồng độ của nó ngay trong quá trình cháy là rất cần thiết. Mức độ phát sinh
ô nhiễm trung bình của quá trình cháy nhiên liệu hyđrôcácbua được thể hiện trong
Bảng 1.4 thể hiện các số liệu mang tính chất trung bình ở điều kiện cháy của hỗn
hợp có hệ số dư lượng không khí λ =1. Tuy nhiên trong những điều kiện cháy đặc
biệt ở áp suất và nhiệt độ cao với hệ số dư lượng không khí lớn thì tỷ lệ thành phần
các chất ô nhiễm trong Bảng 1.4 sẽ thay đổi theo hướng gia tăng NOX [10].
1.2.1.1. Cơ chế hình thành
a. Sự hình thành Mônôxit nitơ (NO)
Trong họ NOX thì NO chiếm tỷ lệ lớn nhất (90÷98%). NO được hình thành
trong quá trình cháy rớt trong xilanh động cơ do ôxy hóa nitơ trong không khí và
được tạo ra bởi cơ chế Zendovich [11]. Thành phần chính để tạo nên NO là khí nitơ
có trong không khí nạp vào động cơ. Phản ứng dây truyền ôxy hóa nitơ được tạo
bởi các nguyên tử ôxy và được hình thành từ việc tách ra khỏi phân tử O 2 tại nhiệt
độ cao trong quá trình cháy. Những phản ứng chính tạo thành NO là:
O2 <=> 2O

7


N2 + O <=> NO + N

N + O2 <=> NO + O
N + OH <=> NO + H
Trong động cơ, quá trình cháy diễn

(1.1)

ra trong điều kiện áp suất cao, vùng phản
ứng rất mỏng (khoảng 0,1mm) và thời
gian cháy rất ngắn; thêm vào đó áp suất
trong xilanh tăng trong quá trình cháy,
điều này làm nhiệt độ của bộ phận khí
cháy trước cao hơn nhiệt độ đạt được
ngay sau khi ra khỏi khu vực màng lửa

Hình 1.5. Sự hình thành NO phụ thuộc
vào nhiệt độ theo thời gian t (ms)[10]

nên chủ yếu NO được hình thành trong
khu vực sau màng lửa và trong sản phẩm cháy phía sau màng lửa. Sự hình thành
NO phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt độ như thể hiện trên Hình 1.5
Phản ứng tạo NO có tốc độ thấp hơn nhiều so với phản ứng cháy. Nồng độ NO
cũng phụ thuộc mạnh vào nồng độ ôxy. Vì vậy trong điều kiện nhiệt độ cao và nồng
độ O2 lớn thì nồng độ NO trong sản phẩm cháy cũng lớn.
b. Sự hình thành Điôxit nitơ (NO2)
Đối với phát thải của động cơ diesel có đến 30% NO X dưới dạng NO2, nó được
hình thành từ NO và các chất trung gian theo phản ứng hóa học sau:
NO+ H2O <=> NO2 + OH
(1.2)
Trong điều kiện nhiệt độ cao, NO2 tạo thành có thể phân giải theo phản ứng:
NO2 + O <=> NO + O2

(1.3)
Trong trường hợp NO2 sinh ra trong ngọn lửa bị làm mát ngay bởi môi chất có
nhiệt độ thấp thì phản ứng (1.3) bị khống chế, nghĩa là NO 2 tiếp tục tồn tại trong sản
vật cháy. Như vậy khi động cơ diesel làm việc ở chế độ tải thấp thì phản ứng ngược
biến đổi NO2 thành NO cũng bị khống chể bởi các vùng không khí có nhiệt độ thấp.
Ngoài ra NO2 còn được hình thành trên đường ống xả khi tốc độ thải thấp và có sự
có mặt của ôxy.

8


Trên Hình 1.6 thể hiện sự biến thiên của
tỷ lệ NO2/NO trên đường xả động cơ diesel
theo chế độ tải, tỷ lệ này càng cao khi tải
càng thấp. NO2 là khí độc nhất trong họ NOX,
vì vậy việc tổ chức tốt quá trình cháy sẽ giảm
được nồng độ NO2 tạo thành, tăng tốc độ
phân giải chất ô nhiễm này và có ý nghĩa rất
quan trọng đối với môi trường.
c. Sự hình thành Prôtôxit nitơ (N2O)
Prôtôxit nitơ (N2O) chủ yếu được hình

Hình 1.6. Biến thiên tỷ số NO2/NO theo
tải của động cơ diesel [10]

thành từ các chất trung gian NH và NCO khi
chúng tác dụng với NO theo phản ứng:
NH + NO <=> N2O + H
NCO + NO <=> N2O + CO

(1.4)
(1.5)

N2O chủ yếu được hình thành ở vùng ôxy hóa có nồng độ nguyên tử H cao, mà
Hydrogene là chất tạo ra sự phân hủy mạnh Prôtôxit nitơ theo phản ứng:
N2O + H <=> NH + NO
N2O + H <=> N2 + OH

(1.6)
(1.7)

Chính vì vậy N2O chỉ chiếm tỷ lệ rất thấp trong khí xả (khoảng 3÷8 ppmV).
Mặt khác phương pháp hình thành hỗn hợp cũng ảnh hưởng đến sự hình thành
NOX: đối với buồng cháy ngăn cách; quá trình cháy diễn ra ở buồng cháy phụ (hạn
chế không khí) rất thiếu ôxy nên mặc dù nhiệt độ cháy lớn nhưng NO X vẫn nhỏ.
Còn khi cháy ở buồng cháy chính; tuy λ rất lớn, ôxy nhiều nhưng nhiệt độ quá trình
cháy không lớn nên NOX nhỏ.
Tóm lại, phát thải NOX của động cơ có buồng cháy ngăn cách chỉ bằng khoảng
một nửa so với động cơ có buồng cháy thống nhất. Tuy vậy, động cơ sử dụng buồng

9


cháy ngăn cách lại có tính kinh tế thấp và suất tiêu hao nhiên liệu lớn hơn buồng
cháy thống nhất nên ngày nay động cơ có buồng cháy thống nhất được sử dụng
rộng rãi trên các loại động cơ.
1.2.1.2. Tác hại của NOX
a. Ảnh hưởng của NOX đến sức khỏe con người
NO2 là chất khó hoà tan trong nước nên nó có thể theo đường hô hấp đi sâu
vào phổi gây viêm phổi và làm huỷ hoại các tế bào của phế nang. Khi vào được

trong phổi, 80 % lượng NO 2 bị giữ lại (đối với SO2, chỉ 5% được giữ lại) làm cho
bệnh nhân bị mất ngủ, ho, khó thở. Một số nghiên cứu còn cho thấy NO 2 còn gây
tổn thương cho mắt và dạ dày. NOX được quan tâm là do những tác động của chúng
đến sức khỏe, sự hình thành ôzôn và các chất ôxy quang hoá trong khí quyển [10].
b. Ảnh hưởng của NOX đến thực vật
NOX chỉ ảnh hưởng đến thực vật khi nồng độ của nó đủ lớn. Người ta thấy ở
các vùng đô thị hóa cao thì nồng độ NO X đạt khoảng 3,93 ppm, sự quang hợp của
thực vật giảm đi 25%.
1.2.2. Chất thải dạng hạt PM
1.2.2.1. Cơ chế hình thành
Theo định nghĩa của tổ chức bảo vệ môi trường bang Carlifornia thì PM là
những thực thể (trừ nước) của khí thải sau khi hòa trộn với không khí (làm loãng
đạt nhiệt độ nhỏ hơn 51,7 0C), và được tách bằng một bộ lọc quy định. PM bao gồm
các hạt rắn như cácbon tự do và tro hay còn gọi là bồ hóng (soot), các chất phụ gia
dầu bôi trơn, các hạt và vẩy tróc do mài mòn và các chất lỏng như nhiên liệu và dầu
bôi trơn bám theo [10].
1.2.2.2. Tác hại
Mặc dù PM chỉ chiếm tỷ lệ 0,002% như thể hiện trong hình Hình 1.4 trong
tổng lượng phát thải của động cơ diesel nhưng chúng lại có kích thước hạt và lơ
lửng trong không khí nên dễ theo đường hô hấp đi vào trong cơ thể người và bị giữ

10


lại. Do đó gây ra các bệnh về đường hô hấp (hen suyễn, viêm phế quản…) và là tác
nhân gây ung thư, gây đột biến gen, có khả năng làm rối loạn hệ hô hấp và tạo điều
kiện thuận lợi cho tác động ung thư từ các chất khác. PM còn gây tổn thương mắt,
gây dị ứng mũi và cũng có khả năng gây ung thư da nếu tiếp xúc liên tục, ngoài ra
PM có thể gây ra tác động xấu đến hoạt động của hệ tim mạch [10].
Ngoài ra khi PM bám vào lá cây sẽ cản trở quá trình quang hợp làm cho cây dễ

bị héo và chết, gây ăn mòn kim loại và phân huỷ công trình xây dựng [10].
1.2.3. Khí Hyđrôcácbon (HC) và Mô nôxít các bon (CO)
1.2.3.1. Khí Hyđrôcácbon (HC)
a. Cơ chế hình thành
HC gồm các loại hyđrôcácbon có trong nhiên liệu hoặc dầu bôi trơn không
cháy hết chứa trong khí thải. HC còn được hình thành ở hai trường hợp sau:
- Khi nhiệt độ ở khu vực dập lửa thấp, chưa đạt tới nhiệt độ bốc cháy.
- Khí nạp thổi qua trong thời gian lặp của xupáp. Hỗn hợp không khí. nhiên
liệu càng giàu càng sinh ra nhiều HC, hỗn hợp càng nghèo càng sinh ra HC ít.
Lượng HC sinh ra càng ít khi hỗn hợp không khí. Nhiên liệu quá nghèo, vì nó
không cháy được [10].
b. Tác hại
Hyđrôcácbon có nhiều loại khác nhau, có loại không độc (như paraffin,
naphtalin), có loại rất độc có thể gây ung thư (như các loại hyđrôcácbon thơm).
Động cơ diesel có hệ số dư lượng không khí khá lớn nên lượng HC trong khí thải
thường là nhỏ.
Ngoài ra HC trong khí thải động cơ sẽ góp phần vào sự hình thành các chất
quang hoá (làm cho tầm nhìn bị suy giảm). Khi HC thải ra môi trường có ánh nắng
mặt trời thì sẽ làm tăng hiện tượng hiệu ứng nhà kính [10].

11


1.2.3.2. Khí Mônôxit cácbon (CO)
a. Cơ chế hình thành
CO là loại khí không màu, không mùi, không vị, là một sản phẩm trung gian
của quá trình đốt cháy Cácbon có trong nhiên liệu trong điều kiện thiếu ôxy để tạo
thành sản phẩm cuối cùng là CO2 và được hình thành từ phản ứng sau:
2C + O2 = 2CO

(1.8)

Trong động cơ, ở chế độ tải cao và chế độ khởi động, hỗn hợp không khí.
nhiên liệu thường là hỗn hợp giàu. Do đó, quá trình cháy xảy ra không hoàn toàn
dẫn đến hàm lượng CO lớn. Hàm lượng CO trong khí thải động cơ rất cao ở chế độ
không tải. Vì vậy, không được để động cơ chạy không tải trong phòng kín hoặc ga
xe khi đang đóng kín cửa.
b. Tác hại
Khi hít CO vào trong cơ thể, nó hoà tan vào máu và làm hạn chế khả năng vận
chuyển ôxy của máu. Hít thở không khí có hàm lượng CO là 0,3% (theo thể tích)
trong vòng 30 phút hoặc hít một lượng lớn CO có thể dẫn đến tử vong. Mônôxit
cácbon rất độc, chỉ với một hàm lượng nhỏ trong không khí có thể gây tử vong cho
người. Hàm lượng cực đại cho phép [CO] = 33 mg/m3 [10].
Ngoài ra CO còn gây ra cảm giác chếnh choáng, đặc biệt với những người mắc
bệnh tim, phụ nữ có thai, bệnh nhân hen xuyễn, có thể gây ra các bệnh về tim mạch,
thần kinh, CO ngăn cản việc vận chuyển ôxy từ máy vào các mô làm cho các bộ
phận của cơ thể có thể bị thiếu ôxy. Nạn nhân có thể bị tử vong khi 70% số hồng
cầu bị khống chế (khi nồng độ CO trong không khí >1000 ppm) [10].
1.3. Tiêu chuẩn quy định phát thải của phương tiện sử dụng động cơ diesel
1.3.1. Tiêu chuẩn khí thải của Châu Âu, Nhật và Mỹ
1.3.1.1. Tiêu chuẩn khí thải Châu Âu (Euro)

12