slide về khí thải ô tô và quy định

Khí Thải và Xử Lý Khí Thải


Nguồn gốc của khí thải

- Xăng trong đó có chứa 1 hỗn hợp của parafin và HC thơm, khi được đốt cháy với một lượng không khí
được kiểm soát sẽ sinh ra sản phẩm cháy là CO 2 và H2O
HC trong xăng dầu + O2  CO2 + H2O + nhiệt
- Và 1 số sản phẩm của sự đốt cháy không hoàn toàn là CO

(1–2% vol)

và HC chưa cháy

vppm).

- Nito kết hợp với nhiệt tạo thành NOx (100 – 3000 vppm), là sự tổ hợp của NO, NO2 và N2O.

(UHCs 500–1000


 

- Thành phần và lượng của các chất thải khác nhau phụ thuộc vào điều kiện hoạt động của động vơ,
nhưng ảnh hưởng chủ yếu bởi tỷ lệ không khí và nhiên liệu trong xylanh,
- Tỷ lệ A/F


•

Tại điểm λ = 1, lượng không khí cần thiết để oxi hóa hết nhiên liệu là 14,6 <wt/wt>.

- A/F giàu (không khí thiếu) thì λ <1, A/F nghèo (thừa không khí) thì λ > 1.
- Khi động cơ hoạt động với λ giàu, CO và HC trong khí thải là cao nhất, trong khi NOx bị
giảm (nhiên liệu không được đốt cháy hoàn toàn vì thiếu O2, NOx giảm vì nhiệt độ của quá trình cháy giảm)
- Khi λ > 1, CO và HC giảm, quá trình cháy gần với cháy hoàn toàn, NOx tăng lên lớn nhất
sau đó giảm dần phụ thuộc vào nhiệt độ quá trình cháy.


- Trong quá trình hoạt động của động cơ xăng, 1 lượng đáng kể CO, HC, NOx phát thải ra khí quyển.
- CO là chất độc hại ảnh hưởng trực tiếp đến con người.
- HC và NOx qua các phản ứng hóa học dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời tạo sương mù và ozon.


6.1.2 . Quy định của hợp chúng quốc Hoa Kỳ

•
•
•
•

1909 việc kiểm soát khí thải động cơ được xác nhận <Frankel 1909>.
Năm 1970, Hoa Kỳ kiểm soát khí thải thông qua luật “ Clean Air Act ”
Hội nghị 1975-1976 <49 Bang> yêu cầu 1.5g/dặm HC, 15g/dặm CO, và 3.1g/dặm NOx
Cơ quan bảo vệ môi trường <EPA> đã lập ra một chu trình kiểm tra <FTP> mô phỏng
các điều kiện lái xe trung bình ở Mỹ.


•

Chu trình FTP đã được tiến hành trên băng thử xe và bao gồm các phép đo từ ô tô trong
3 điều kiện:

<1> khởi động lạnh, sau khi động cơ không hoạt động trong 8h,
<2> khởi động nóng và
<3> kết hợp điều kiện lái xe ở đô thị và đường cao tốc.

•

Lượng khí thải trung bình trong tổng chu kỳ FTP là

83-90g/dặm CO, 13-16g/dặm HC và 3.5-7g/dặm NOx.

•

Những sửa đổi trong những năm đầu thập niên 1990 của luật “ Clean Air Act” đưa ra
các yêu cầu nghiêm ngặt hơn đối với khí thải của ôtô.

•

Các bộ xúc tác đã được yêu cầu kéo dài tuổi thọ 100000 dặm cho xe mới sau năm 1996.


•

Bảng tóm tắt hiện tại của tiêu chuẩn khí thải của Califorlia cho xe chở khách


•

nonmethane HC<NMHC>, phát thải tối đa 0.125g/dặm năm 2004 <giảm từ 0.41g/dặm 1994>,

•

CO còn 1.7g/dặm <giảm từ 3.4g năm 1991>và

•

NOx giảm đến 0.2g/dặm <giảm từ 1.0g>.

•

Califorlia còn thực hiện nghiêm ngặt hơn với quy định:

–

NMHC phát thải phải giảm xuống đến 0.075g/dặm vào năm 2000 cho tất cả các xe chở khách,

–

Vào năm 2003, 10% trong số này phải có lượng khí thải không lớn hơn 0.04g/dặm và 10% không phát ra
NMHCs.


•

Các nhà sản xuất động cơ đã khám phá ra 1 loại công nghệ đáp ứng các yêu cầu của luật “Clean Air
Act”, bộ xúc tác đã được chứng minh là hệ thống hiệu quả nhất.

•

Cùng với sự phát triển ngày càng phức tạp của động cơ, các thiết bị điều khiển và điều chỉnh quá trình
cháy cũng được cải thiện để phù hợp với công nghệ của bộ xúc tác.

•

Ngoài các tiêu chuẩn với khí thải của động cơ, tiêu chuẩn về nhiên liệu cũng được đặt ra với quy định
lượng S trong nhiên liệu là 30ppm.

•

Ở nhiều nước hiện nay đã dùng các loại nhiên liệu hữu cơ để thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch, ở
Mỹ đã dùng tới xăng E85.


Các phản ứng xúc tác trong xử lí khí thải

•

Quá trình OXH của CO và HC thành CO2 và H2O
CyHn + (y + n/4) O2  yCO2 + n/2H2O
CO + ½O2  CO2
CO + H2O  CO2 + H2


•

Biến đổi NO/NO2 thành N2
NO (hoặc NO2) + CO  ½ N2 + CO2
NO (hoặc NO2) + CO  ½ N2 + CO2

(2+ n/2)NO (hoặc NO2) + CyHn
(1+ n/4)N2 + yCO2 + n/2 H2O


- Khi người lái bắt đầu khời động ô tô, cả động cơ và bộ xúc tác đều lạnh, sau đó ống xả dần nóng lên, đạt
đến nhiệt độ đủ cao để bộ xúc tác bắt đầu làm việc, nhiệt độ này được gọi là “lightoff temperature”.
- Thông thường CO sẽ phản ứng đầu tiên, tiếp theo là HC và NOx


BỘ XÚC TÁC DẠNG HẠT
- Bộ xúc tác gồm các lớp viên gốm hình cầu,
- Vật liệu: gốm chịu nhiệt (cordierit 2MgO.2Al2.5SiO2)
o
- Hệ số hấp thụ nhiệt thấp và nhiệt độ nóng chảy cao (khoảng 1400 C)
- Đường kính viên gốm khoảng 2 – 3mm được phủ bề mặt bằng oxit nhôm  nhiệt luyện ở nhiệt độ khoảng
o
1000 C  chống mòn và ma sát, gọi là lớp nền,
- Vật liệu xúc tác (Pd, Pt, Rh) được thấm trực tiếp trên bề mặt của các viên gốm.



KẾT CẤU DẠNG TỔ ONG

- Cấu trúc tổ ong, gồm nhiều rãnh nhỏ kích cỡ mm xếp song song với dòng chảy của chất thải,
- Lõi gốm làm từ vật liệu chịu nhiệt cordierite,
- Các rãnh nhỏ song song có tiết diện ngang hình tam giác hoặc hình vuông,
- Các rãnh dẫn khí thải được phủ 1 lớp Al2O3 xốp, mấp mô dày khoảng 2mm,
- Lõi gốm được thấm các vật liệu xúc tác (Pt, Pd, Rh)

6.4. Thế hệ đầu tiên: Xúc tác oxi-hóa

- Các bộ xúc tác được yêu cầu với nhiệm vụ kiểm soát được thành phần HC và CO, hơn thế nữa là thành phần
NOx.
- Các nhà chế tạo động cơ sử dụng bộ luân hồi khí thải EGR để đảm bảo kiểm soát được lượng NOx.
- Động cơ được hoạt động với hỗn hợp giàu nhằm làm giảm khả năng hình thành NOx, và không khí sẽ được
bơm bổ sung vào buồng cháy để cung cấp đầy đủ O 2 cho quá trình OXH CO và HC dưới tác dụng của chất xúc
tác.


- Pt và Pd là những chất oxi hóa hoàn hảo; tuy nhiên giá thành cao và không sẵn có,

- Một số kim loại cơ sở khác đã được đưa ra để nghiên cứu, ví dụ như: Cu;Cr;Ni;Mn…

Khả năng hoạt động kém hơn kim loại hiếm nhưng giá thành lại rẻ hơn rất nhiều và sẵn có.


Bảng 6.1 cho thấy quan hệ về sự hoạt động của Pt và Pd so sánh với oxit của các kim loại cơ sở trong quá
o
trình mô phỏng sự oxi hóa khí thải ô nhiễm ở nhiệt độ 300 C. Từ kết quả ta có thể thấy khả năng của kim
loại hiếm là hơn hẳn so với các kim loại cơ sở.


- Sự hoạt động chậm của các kim loại thay thế sẽ kéo theo vùng phản ứng có thể tích lớn hơn  tăng kích
thước của bộ xử lý.
- Oxit của kim loại cơ sở nhạy cảm với chất độc lưu huỳnh

 kim loại cơ sở đã không được sử dụng làm chất xúc tác chính trong hệ thống kiểm soát khí thải
- Sự kết hợp giữa Pt và Pd được sử dụng làm chất xúc tác:
o
- Hoạt động trong dải nhiệt độ từ 250-600 C
- Lưu lượng xử lý: 10,000 đến 100,000 1/h
- Thành phần chất xúc tác được chia theo tỉ lệ Pt và Pd khác nhau như 2.5:1 hay 5:1


SỰ ẢNH HƯỞNG TỚI CÁC CHẤT OXH

- Sự ảnh hưởng từ tạp chất trong khí thải

- Tetraethyl chì từ sự là tăng lượng octan trong xăng

- P, Zn trong dầu bôi trơn


Ảnh hưởng của Pb, S, nhiệt độ lên bộ xúc tác Pt và Pd tại vùng nhiệt độ mà 90% CO bị biến đổi