Nghiên cứu tính toán thiết kế tối ưu bộ xúc tác trung hòa khí thải 3 chức năng cho xe du lịch

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
----------

TRỊNH VĂN CHƯƠNG

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TỐI ƯU BỘ
XÚC TÁC TRUNG HÒA KHÍ THẢI 3 CHỨC NĂNG
CHO XE DU LỊCH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. HOÀNG ĐÌNH LONG

Hà Nội - Năm 2014


MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan

3

Lời cảm ơn

4

Danh mục hình vẽ

5

Mở đầu

6

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ
XĂNG VÀ PHƯƠNG PHÁP KIỂM SOÁT

9

1.1 Đặc điểm phát thải độc hại của động cơ xăng

9

1.1.1 Ô xit cacbon (CO)
1.1.2 Hydro cacbon chưa cháy (HC)
1.1.3 Các loại ô xit nitơ (NOx)
1.1.4 Các thành phần độc hại khác

10
10
11
11

1.2 Các biện pháp giảm phát thải
1.2.1 Tối ưu hóa kết cấu động cơ
1.2.2 Dùng nhiên liệu thay thế

12

12
18

1.2.3 Xử lý khí thải

21

Chương 2 – ĐẶC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG XỬ LÝ KHÍ THẢI
SỬ DỤNG BỘ XÚC TÁC 3 CHỨC NĂNG VÀ PHƯƠNG ÁN
CẢI TIẾN

23

2.1 Đặc điểm phát thải của ô tô có sử dụng bộ xúc tác 3 thành
phần
2.2 Các phương pháp tăng hiệu quả bộ xúc tác trong giai đoạn
khởi động lạnh và chạy ấm máy
2.2.1 Tối ưu hóa kết cấu bộ xúc tác
2.2.2 Sấy nóng nhanh bộ xúc tác bằng nguồn năng lượng bên
ngoài
2.2.3 Sấy nóng nhanh bộ xúc tác bằng khí thải

23

2.3 Phương án thiết kế cải tiến bộ xúc tác 3 chức năng và phương
pháp tính toán
2.3.1 Phương án thiết kế cải tiến
2.3.2 Phương pháp và quy trình tính toán

29

Chương 3 – XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN MÔ TẢ QUÁ
TRÌNH XÚC TÁC TRUNG HÒA KHÍ THẢI

31

1

26
26
26
27

29
30


3.1 Giới thiệu chung
3.2 Quá trình truyền nhiệt trong hệ thống thải
3.2.1 Giới thiệu chung

31
33
33

3.2.2 Mô hình hóa quá trình truyền nhiệt trong ống thải
3.3 Các phản ứng xúc tác trung hòa các thành phần độc hại trong
bộ xúc tác
3.4 Các phương trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất trong bộ xúc
tác

33
38

Chương 4- KẾT QUẢ TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG VÀ XÁC
ĐỊNH KÍCH THƯỚC BỘ XÚC TÁC
4.1 Kết quả tính toán mô phỏng
4.1.1 Sự thay đổi nhiệt độ khí thải dọc đường ống thải
4.1.2 Hiệu quả BXT 1 lõi
4.1.3 Hiệu quả BXT 2 lõi
4.2 Xác định kích thước bộ xúc tác

52

Kết luận và hướng phát triển của đề tài
TÀI LIỆU THAM KHẢO

43

52
53
54

57
59
61

2

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là : Trịnh Văn Chương
Số hiệu HV : CA 120110
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Những nội dung trình bày
trong luận văn do chính tôi thực hiện với sự hướng dẫn giúp đỡ của thày giáo
PGS.TS Hoàng Đình Long, các thày, cô trong Viện cơ khí động lực cùng sự tham
gia góp ý của bạn bè, đồng nghiệp. Toàn bộ nội dung trong bản luận văn hoàn toàn
phù hợp với nội dung đã được đăng ký và phê duyệt của Viện trưởng viện cơ khí
động lực-Trường Đại học Bách Khoa HN. Các số liệu trong luận văn là trung thực.
TÁC GIẢ

Trịnh Văn Chương

3


LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS. Hoàng Đình Long, người đã
hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi hoàn thành bản
luận văn này.
Đồng thời tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô và các bạn đồng
nghiệp trong Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí Động lực, Viện Đào tạo Sau
đại học đã giúp đỡ tạo điều kiện về cơ sở vật chất trong suốt thời gian tôi học tập và
làm luận văn.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy và các bạn đồng nghiệp trong Bộ
môn Động cơ đốt trong và Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong đã tạo điều kiện cả
về thời gian, vật chất lẫn tinh thần để tôi có thể hoàn thành bản luận văn này.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những
người đã động viên và chia sẻ với tôi rất nhiều trong suốt thời gian tôi tham gia học

tập và làm luận văn.
Tác giả

Trịnh Văn CHương

4


DANH MỤC HÌNH VẼ
Nội dung

Trang

Hình 1-1 Thành phần của sản vật cháy trong động cơ xăng

3

Hình 1-2 So sánh động cơ dùng hỗn hợp thường và hỗn hợp nghèo

13

Hình 1-3 Ảnh hưởng của tỷ số nén  đến NOx

15

Hình 1-4 Sơ đồ động cơ sử dụng luân hồi khí thải

16

Hình 1-5 Phương pháp hình thành khí hỗn hợp phân lớp

17

Hình 1-6 Động cơ phun xăng trực tiếp

18

Hình 2-1 Bộ xử lý chức năng

22

Hình 2-2 Vị trí lắp bộ xúc tác trên xe

24

Hình 2-3 Sơ đồ BXT xử lý khí thải 3 chức năng truyền thống

26

Hình 2-4 Sơ đồ BXT xử lý khí thải 3 chức năng cải tiến 2 lõi, đường
kính 120mm, tổng chiều dài 2 lõi L 130mm

26

Hình 3-1 Sơ đồ hệ thống thải và xử lý khí thải của động cơ xe
FORD LASER

30

Hình 3-2 Hiện tượng trao đổi nhiệt trong 1 kênh của BXT

42

Hình 4-1 Sự phân bố nhiệt độ khí thải ở chế độ không tải và toàn tải

53

Hình 4-2 Hiệu quả của BXT 1 lõi dài 185mm ở chế độ toàn tải theo
thời gian từ lúc khởi động

54

Hình 4-3 Hiệu quả của BXT 1 lõi dài 185mm ở chế độ khởi động
lạnh và chạy ấm máy theo thời gian từ lúc khởi động

54

Hình 4-4 Hiệu quả các BXT 1 lõi với chiều dài khác nhau ở chế độ
khởi động lạnh và chạy ấm máy theo thời gian từ lúc khởi động

55

( L 185mm)
Hình 4-5 Hiệu quả của BXT cải tiến 2 lõi ở chế độ toàn tải theo thời
gian từ lúc khởi động, lõi 1 dài 0,35L; lõi 2 dài 0,65L(L 65mm)

56

Hình 4-4 Hiệu quả của BXT cải tiến 2 lõi ở chế độ khởi động lạnh
và chạy ấm máy theo thời gian từ lúc khởi động, lõi 1 dài 0,35L; lõi

2 dài 0,65L(L 65mm)

57

5


MỞ ĐẦU

1. Đặt vấn đề
Động cơ đốt trong đóng một vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân và
là nguồn động lực chính của các phương tiện vận tải như: Ôtô, tàu thuỷ, tàu hoả,
máy bay…hay các máy công tác như: máy phát điện, máy xây dựng, các máy công
cụ trong công nghiệp, nông nghiệp…năng lượng mà do động cơ đốt trong cung cấp
chiếm khoảng 80% tổng năng lượng toàn trái đất. Tuy nhiên động cơ đốt trong cũng
là nguồn gốc gây ra ô nhiễm môi trường.
Trong tình hình thế giới đang ngày càng phát triển với tốc độ chóng mặt, sản
lượng công nghiệp hằng năm ngày càng tăng nhanh thì nguồn năng lượng tiệu thụ
trên thế giới ngày càng lớn. Động cơ đốt trong là nguồn cung cấp năng lượng chủ
yếu trên trái đât. Chính vì vậy mà lượng sản phẩm khí thải từ động cơ đốt trong
hằng năm trên thế giới ngày càng tăng, gây ô nhiễm môi trường nặng nề ảnh hưởng
trực tiếp biến đổi khí hậu ngày càng phức tạp, trái đất ngày càng nóng lên, ảnh
hưởng rất xấu tới sức khoẻ con người, gây nạn tuyệt chủng động thực vật trên toàn
thế giới.
Để giảm lượng độc hại phát ra từ sản phẩm khí thải của động cơ đốt trong
mà vẫn có thể duy trì được tốc độ phát triển của nền công nghiệp trên thế giới, một
số nước có nền công nghiệp phát triển hàng đầu trên thế giới, cũng là các nước có
lượng khí thải phát sinh độc hại gây ô nhiễm nhiều nhất trên thế giới như: Mỹ, Nhật
Bản và một số nước Châu Âu đã đi đầu trong việc nghiên cứu và đưa ra các biện
pháp giảm thiểu lượng khí thải độc hại ra môi trường. Bên cạnh đó các nước này

cũng đưa ra các tiêu chuẩn về nồng độ các chất độc hại trong khí thải động cơ và
bắt buộc các xe được sản xuất trong nước cũng như các xe nhập khẩu đều phải tuẩn
thủ các tiêu chuẩn khí thải.
Để đánh giá chất lượng động cơ về phương diện khí thải, động cơ phải được
thử nghiệm trong những điều kiện cụ thể và theo một chu trình thử nghiệm quy

6


định. Hiện nay trên thế giới có nhiều chu trình thử như: Chu trình của Mỹ, Nhật
Bản, Châu Âu… ứng với mỗi chu trình thử là một tiêu chuẩn khí thải. Các hệ thống
tiêu chuẩn được xây dựng cho các loại động cơ khác nhau như: Động cơ xe máy,
động cơ tĩnh tải, động cơ xe con và xe tải nhẹ, động cơ xe tải nặng… Ở Châu Âu áp
dụng một số chu trình thử như: ECE15, EUDC, NEDC… để thử nghiệm công nhận
kiểu cho các dòng xe mới. Bắt đầu áp dụng tiêu chuẩn khí thải EURO 1 vào năm
1992, EURO 2 vào năm 1996, EURO 3 vào năm 2000, EURO 4 vào năm 2005. Các
tiêu chuẩn ngày càng khắt khe hơn về nồng độ các chất trong khí thải động cơ.
Ở Việt Nam trước tình hình nền kinh tế đất nước đang bước vào giai đoạn
đầu của những nước có nền kinh tế phát triển chúng ta cũng phải tuân theo xu
hướng chung của thế giới đó là: Phát triển bền vững, tức là phát triển nhưng bảo vệ
môi trường. Chính vì vậy mà nhà nước ta đã áp dụng chu trình thử và tiêu chuẩn
Châu Âu để thử nghiệm và công nhận kiểu cho các dòng xe. Đặc biệt nhà nước ta
đã bắt đầu áp dụng tiêu chuẩn EURO 2 từ ngày 01/07/2007 cho tất cả phương tiện
vận tải trên đất nước ta.
Trên xe ôtô du lịch loại Ford Laser 1.8, hệ thống thải được trang bị bộ xúc
tác (BXT) 3 thành phần đạt được các tiêu chí về khí thải theo tiêu chuẩn EURO II.
Tuy nhiên trong điều kiện vận hành thực tế ở Việt Nam do cơ sở hạ tầng đường sá
chật hẹp và điều kiện vận hành xe đông đúc, hành trình vận hành trung bình ngắn
phải khởi động lạnh và chạy không tải nhiều nên BXT lâu đạt đến nhiệt độ làm việc
hiệu quả (trên 350oC). Điều này làm tăng phát thải độc hại của xe. Chính vì vậy,

việc nghiên cứu cải tiến BXT để cắt giảm lượng phát thải trong giai đoạn khởi động
lạnh và chạy ấm máy là rất cần thiết và có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao. Đề tài
“Nghiên cứu tính toán thiết kế tối ưu BXT 3 chức năng cho xe du dịch” cũng chính
là để hướng tới mục tiêu này.
2. MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
2.1. MỤC ĐÍCH
Đưa ra được giải pháp thiết kế và phương pháp tính toán thiết kế tối ưu bộ xúc
tác 3 chức năng cho xe du lịch để tăng hiệu quả xử lý khí thải trong giai đoạn khởi động
7


lạnh và chạy ấm máy để cắt giảm phát thải độc hại của xe trong giai đoạn này, góp
phần cắt giảm tổng lượng phát thải độc hại của các phương tiện.
2.2. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Động cơ xe du lịch nói chung và áp dụng tính toán cụ thể cho động cơ xe Ford
Laser 1.8.
2.3. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu tăng hiệu quả của BXT trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm
máy của xe ôtô Ford Laser 1.8.
3. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nội dung nghiên cứu gồm
- Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt của đường ống thải để xác định sự phân bố
nhiệt độ khí thải dọc theo đường ống, qua đó sẽ xác định vị trí hợp lý lắp đặt bộ xúc
tácvà làm cơ sở cho việc tính toán bộ xúc tác.
- Nghiên cứu chọn phương án thiết kế bộ xúc tác (BXT) và thực hiện mô hình
hóa tính toán quá trình phản ứng xúc tác, trung hòa khí thải trong BXT, từ đó đưa ra
thiết kế tối ưu của BXT.
Phương pháp nghiên cứu là mô hình hóa.

8

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ XĂNG VÀ
PHƯƠNG PHÁP KIỂM SOÁT

1.1. Đặc điểm phát thải độc hại của động cơ xăng.
Quá trình cháy trong động cơ đốt trong là quá trình ôxy hoá nhiên liệu, giải
phóng nhiệt năng diễn ra trong buồng cháy động cơ theo những cơ chế hết sức phức
tạp và chịu ảnh hưởng của nhiều thông số. Trong quá trình cháy đã sinh ra các hợp
chất trung gian rất phức tạp.
Ở điều kiện lý tưởng sự đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu Hydrocacbon với ôxy
trong không khí sẽ sinh ra các sản phẩm cháy không độc hại như CO2, H2O được
chỉ ra ở phương trình phản ứng cháy sau đây:
CnH2n + 2 +

3n  2
O2 → n CO2 + ( n+1 ) H2O + Q
2

Tuy nhiên, trong động cơ trạng thái cân bằng hoá học lý tưởng đối với sự cháy
là khó có thể thảiy ra bởi vì thời gian cho quá trình oxi hoá rất ngắn. Hơn nữa, sự
thiếu đồng nhất của hỗn hợp nhiên liệu, sự thay đổi rất nhanh của nhiệt độ và ảnh
hưởng của các yếu tố khác cũng dẫn đến sinh ra quá trình ôxy hoá không hoàn toàn.
Do đó, trong sản phẩm cuối cùng của khí thải sẽ chứa các chất sau: CO2, H2O, H2,
CO, O2 (dư), C-H-O (an-đê -hít), CmHn (nhiên liệu không cháy hết), NOx, các chất
thải dạng hạt (Particulale Matter viết tắt là P-M), và các hợp chất chứa chì Pb (đối
với động cơ dùng xăng pha chì), các hợp chất chứa lưu huỳnh (đối với động cơ
diesel). Trong số các chất này, có một số chất có tính độc hại đối với môi trường và
ảnh hưởng đến sức khỏe của con người nên được gọi là thành phần độc hại. Tìm
hiểu cách hình thành, các biện pháp hạn chế các thành phần độc hại là nhiệm vụ cần

thiết và cấp bách trong giai đoạn hiện nay.
Thành phần khí thải trong động cơ xăng được thể hiện ở hình 1.1 dưới đây [1].
Trong số các thành phần khí thải được giới thiệu, có một số các thành phần có tính
độc hại đối với môi trường và sức khoẻ của con người. Cụ thể như sau:
9


1.1.1 Ô xít các bon (CO)
Ô-xýt-các-bon hay còn gọi là mô-nô-xít-các-bon là sản phẩm cháy của C trong
nhiên liệu trong điều kiện thiếu ôxy. Mô-nô-xít-các-bon ở dạng khí không màu,
không mùi. Khi kết hợp với sắt có trong sắc tố của máu sẽ tạo thành một hợp chất
ngăn cản quá trình hấp thụ ôxy của hê-mô-glô-bin trong máu, làm giảm khả năng
cung cấp ôxy cho các tế bào trong cơ thể. Mô-nô-xít-các-bon rất độc, chỉ với một
hàm lượng nhỏ trong không khí có thể gây cho con người tử vong. Hàm lượng cực
đại cho phép [CO] = 33 mg/m3.

O2 vµ khÝ hiÕm 0,7%

ChÊt r¾n 0,0008%
NOx 0,13%
CmH n 0,09%

H2 O
9,2%
CO2 18,1%

C¸c chÊt
®éc h¹i
1,1%

CO

0,9%

N 2 70,9%

Hình 1.1.Thành phần của sản vật cháy trong động cơ xăng
1.1.2 Hydro các bon chưa cháy (HC)
HC là ký hiệu nói về Hydrocarbon CmHn là các loại các-bua-hy-đrô có trong
nhiên liệu hoặc dầu bôi trơn không cháy hết chứa trong khí thải. Các-bua-hy-đrô có
rất nhiều loại. Mỗi loại có mức độ độc hại khác nhau nên không thể đánh giá chung
một cách trực tiếp. Ví dụ, pa-ra-phin và naph-ta-nin(C10H8) có thể coi là vô hại. Trái
lại, các loại các-bua-hy-đrô thơm thường rất độc, ví dụ như các-bua-hy-đrô có nhân
ben-zen (3 hoặc 4 nhân) có thể gây ung thư. Để đơn giản khi đưa ra các tiêu chuẩn
về môi trường, người ta chỉ đưa ra thành phần các-bua-hy-đrô tổng cộng trong khí
10


thải (Total Hydrocarbon viết tắt là TH). Các-bua-hy-đrô tồn tại trong khí quyển còn
gây ra sương mù, gây tác hại cho mắt và niêm mặc đường hô hấp.
1.1.3 Các loại ô xít nitơ (NOX)
NOx: ô-xýt-ni-tơ là sản phẩm ô xy hoá ni-tơ có trong không khí được đưa vào
buồng cháy động cơ trong điều kiện nhiệt độ cao. Do ni-tơ có nhiều hoá trị nên ôxýt-ni-tơ tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, được gọi chung là NOx. Trong khí thải của
động cơ đốt trong NOx tồn tại ở hai dạng chủ yếu là NO2 và NO.
- NO2: Nitơ điôxýt là một khí có mùi gắt và mầu nâu đỏ. Với một hàm lượng
nhỏ cũng có thể gây tác hại cho phổi, niêm mạc. Khi tác dụng với hơi nước sẽ tạo
thành a-xit gây ăn mòn các chi tiết máy và đồ vật. [NO2] = 9mg/m3.
- NO: NO là thành phần chủ yếu của NOx trong khí thải. NO là một khí không
mùi, gây tác hại cho hoạt động của phổi, gây tổn thương niêm mạc. Trong khí
quyển, NO không ổn định nên bị ô-xy hoá tiếp thành NO2 và kết hợp với hơi nước

tạo thành a-xit ni-tơ-ríc. [NO] = 9 mg/m3.
1.1.4 Các thành phần độc hại khác
+ An-đê-hýt: có nhiều dạng khác nhau nhưng có chung một công thức tổng
quát là C-H-O. Khi ở dạng khí an-đê-hýt có mùi gắt và có tác dụng gây tê. Một số
loại có thể gây ung thư. Đối với fooc-môl-đê-hýt hàm lượng cực đại cho phép là
0,6mg/m3.
+Chì: Đối với tế bào sống, chì rất độc, làm giảm khả năng hấp thụ ô-xy trong
máu. [Pb] = 0,1 mg/m3.
+ SO2: là một khí không màu, có mùi gắt và gây tác hại đối với niêm mạc. Khi
kết hợp với nước tạo thành a-xít yếu H2SO3 . [SO2] = 2ml/m3.
+ CO2: là sản phẩm cháy hoàn toàn của các-bon với ô-xy. Tuy CO2 không
độc đối với sức khoẻ con ngưòi nhưng với nồng độ quá lớn sẽ gây ngạt, [CO2] =
9000 mg/m3. Ngoài ra, CO2 chính là khí gây ra hiệu ứng nhà kính.

11


Tóm lại, khi tìm hiểu cách hình thành cũng như thành phần hóa lý, tính chất
hóa học của khí thải giúp ta lựa chọn, tìm được các phương pháp xử lý để hạn chế
phát thải độc hại, giúp đảm bảo sức khỏe cho con người và giảm thiểu ô nhiễm môi
trường.
1.2 Các biện pháp giảm phát thải
1.2.1 Tối ưu hóa kết cấu động cơ
- Điều chỉnh chính xác :
Việc điều chỉnh chính xác  được thực hiện bằng cách sử dụng bộ chế hoà khí
điện tử, hoặc phun xăng điện tử. Khi  được điều chỉnh chính xác theo theo ý muốn
sẽ đảm bảo động cơ làm việc ở chế độ tối ưu với múc phát thải thấp [1].
Bằng cách dùng hệ thống phun xăng đa điểm trong động cơ nhiều xy lanh thay
cho phun đơn điểm để cho lượng xăng vào đồng đều giữa các xi lanh bảo đảm cho
sự phát thải ô nhiễm và công suất của các xy lanh là như nhau.

Tránh sự hình thành màng xăng trong đường ống nạp bằng cách sấy nóng
đường nạp và tạo xoáy không khí quanh vòi phun sẽ làm cho qúa trình hoà trộn và
tạo hỗn hợp tốt hơn.
- Tạo xoáy lốc và rối trong buồng cháy:
Xoáy lốc và rối trong buồng cháy tạo thuận lợi cho quá trình hoà trộn và cháy
của hỗn hợp, tạo điều kiện cho nhiên liệu cháy kiệt và mở rộng giới hạn cháy. Xoáy
lốc có thể tạo từ quá trình nạp do đường ống nạp có dạng khí động học như hình
xoắn ốc hoặc có hướng tiếp tuyến với xylanh... Ngoài ra, đối với động cơ có số
xupáp lớn hơn 2 có thể dùng hai đường nạp. Để tạo xoáy và rối trong buồng cháy có
thể dùng kết cấu chèn trên đỉnh piston.
-Thiết kế buồng cháy thích hợp:
Buồng cháy gọn và có tỷ số nén  lớn, vị trí đặt bugi tối ưu cũng góp phần mở
rộng giới hạn  về phía hỗn hợp nghèo, buồng cháy nhỏ gọn và ít khe kẽ sẽ làm

12


giảm hiệu ứng sát vách nên CmHm giảm.
Diện tích chèn trên đỉnh piston có ý nghĩa quan trọng trong việc tạo xoáy lốc
trong quá trình nén, chiều dầy lớp biên lạnh giảm nên giảm đựoc hiệu ứng dập tắt
màng lửa sát vách và giảm được CmHn.

Hình: 1.2. So sánh động cơ dùng hỗn hợp thường và hỗn hợp nghèo

- Thiết kế cơ cấu phối khí thích hợp:
Thiết kế hệ thống đường nạp thải tối ưu về khí động, lựa chọn được góc phối
khí tối ưu khi thiết kế... nhằm đạt được chất lượng của quá trình trao đổi khí cao
nhất, cụ thể là thải sạch và nạp đầy, tạo điều kiện tạo thành hỗn hợp sạch nên tăng
được giới hạn của .
Để tăng hệ số nạp, các nhà thiết kế đã đưa ra phương án thay cơ cấu điều

khiển đóng mở xu-páp kiểu cơ khí cam-lò xo bằng van điện từ. Hệ số nạp tăng là do
xu-páp hầu như chỉ có hai trạng thái đóng và mở nên tiết diện thời gian của xu-páp
tăng lên đáng kể.

13


- Tăng năng lượng đánh lửa:
Với những biện pháp nêu trên có thể mở rộng  > 1,2. Trên đồ thị hình 1.2 thể
hiện rõ, với hỗn hợp nghèo,  có thể đạt tới 1,7. Ngoài ra, do nhiên liệu cháy kiệt
nên tính kinh tế của động cơ được cải thiện rõ rệt, ge giảm đáng kể.
- Hạn chế sử dụng động cơ ở chế độ tải nhỏ:
Ở chế độ tải nhỏ, lượng khí nạp mới ít, hệ số khí sót lớn (hỗn hợp bẩn hơn),
hỗn hợp cháy không tốt nên chất lượng khí thải kém và tốn nhiên liệu. Do đó, khi
sử dụng nên hạn chế vận hành động cơ ở chế độ tải nhỏ. Ví dụ như đối với ô-tô, xe
máy thì không nên chạy ở chế độ tay số và tốc độ thấp nếu có thể (trường hợp này
hay gặp khi kẹt xe, tắc đường...). Để cho trong xy lanh chỉ diễn ra quá trình công tác
như ở chế độ tải lớn, nhằm mục đích giảm tiêu thụ nhiên liệu và giảm độc hại trong
khí thải, một số hãng đã chế tạo động cơ có thể cắt một số xy lanh khi động cơ chỉ
cần phát ra công suất nhỏ (tải nhỏ). Gần đây, hãng Mercedes-Benz đã đưa ra hai
loại động cơ chữ V 8 và 12 xy lanh dùng cho ô-tô du lịch. Đối với động cơ 12 xylanh, khi tải nhỏ, thông qua một cơ cấu cơ - điện - thuỷ lực nhánh chữ V bên trái
gồm 6 xy lanh xe bị cắt không phun nhiên liệu và dừng cơ cấu phối khí để cắt quá
trình trao đổi khí.
- Bố trí bu-gi và số xu páp hợp lý
Nếu buồng cháy gọn và bu-gi đặt ở tâm so với các xu páp trong trường hợp
một xy lanh có 3, 4 hoặc 5 xu-páp, kết hợp với xoáy lốc do chọn diện tích chèn
thích hợp nên nhiên liệu cháy kiệt hơn nên CmHn nhỏ. Một biện pháp khác để cho
quãng đường lan truyền màng lửa ngắn là dùng nhiều bu-gi cho mỗi xy lanh.
Đối với trường hợp xy lanh có 4 hoặc 5 xu-páp, đường nạp có dạng cong để
tạo xoáy lốc và chia làm hai nhánh. Ở chế độ tải nhỏ, lưu lượng ít, nhưng do chỉ có

một nhánh làm việc nên cường độ xoáy lốc vẫn đủ lớn, do đó cải thiện quá trình hoà
trộn và tạo thành hỗn hợp. Khi tải lớn, nhánh thứ hai được đưa vào làm việc để bảo
đảm nạp đầy hỗn hợp.

14


- Chọn tỷ số nén  thích hợp
Tỷ số nén  là một thông số rất quan trọng của động cơ. Nói chung, khi tăng 
thì hiệu suất của động cơ tăng, ge giảm có nghĩa là giảm phát thải CO2. Tuy nhiên,
do nhiệt độ cực đại trong quá trình cháy tăng dẫn tới tăng NOx (hình 1.3).

Hình 1.3. Ảnh hưởng của tỷ số nén  đến NOx
Đồng thời, CmHn tăng do tỷ lệ tương đối của thể tích khe kẽ đối với toàn bộ
thể tích buồng cháy tăng nên lượng môi chất sát vách tăng. Mặt khác, cùng với tăng
, nhiệt độ môi chất trong quá trình thải giảm (do hiệu suất của động cơ tăng) nên
CmHn và CO bị ô-xy hoá ít hơn, tức là CmHn và CO còn lại trong khí thải tăng lên.
-

Áp dụng luân hồi khí thải:
Để giảm NOx, một số động cơ dùng phương pháp luân hồi khí thải, thực chất

là đưa một phần sản vật cháy trở lại để đốt. Do hoà trộn với một lượng khí thải có
nhiệt độ cao nên nhiệt độ của môi chất trong quá trình nén tăng, đảm bảo cho hỗn
hợp được đốt cháy dễ dàng. Mặt khác nồng độ ôxy khi đó giảm và nhiệt độ trong
quá trình cháy nhỏ nên nồng độ NOx tạo thành trong khí thải sẽ giảm rõ rệt. Đó là
mục đích chính của biện pháp này. Người ta chia phương pháp luân hồi khí thải
thành hai loại là luân hồi nội tại và luân hồi bên ngoài.
Luân hồi nội tại dựa trên cơ sở góc trùng điệp của xu-páp 1 + 4 lớn. Trong
giai đoạn trùng điệp, do chênh lệch áp suất, một lượng sản vật cháy trong xy lanh sẽ

15


đi vào đường nạp sau đó trong quá trình nạp quay trở lại xylanh. Biện pháp này
không những làm giảm NOx mà còn giảm được CmHn vì sản vật cháy luân hồi sẽ
chiếm các vị trí sát vách trước tiên, do đó giảm lượng khí nạp mới sát vách.

4
3
5
6
2

1
7

Hình 1.4. Sơ đồ động cơ sử dụng luân hồi khí thải
1: động cơ, 2: bình tiêu âm, 3: đường thải, 4: đường luân hồi khí thải, 5: bộ điều
khiển, 6: bướm tiết lưu khí thải.
Luân hồi bên ngoài, hình 1.4, là phương pháp trích một phần khí thải từ đường
thải quay trở lại đường nạp để hoà trộn với khí nạp mới trên đường nạp vào động
cơ. Để điều chỉnh lượng khí thải luân hồi sao cho phù hợp, trên đường luân hồi có
bố trí van tiết lưu 6 được điều khiển bởi bộ điều chỉnh 5. Tỷ lệ khí luân hồi càng lớn
thì NOx càng giảm.
Tuy nhiên, khí thải luân hồi sẽ làm cho hỗn hợp bẩn hơn cũng tương tự như
trường hợp hệ số khí sót r lớn dẫn tới làm giảm tính kinh tế của động cơ nói chung
và động cơ không thể phát ra công suất cực đại ở chế độ toàn tải. Do đó, phương
pháp luân hồi khí thải chỉ dùng ở chế độ tải nhỏ. Mặt khác, ở chế độ không tải, khí
thải cũng không được đưa trở lại để đốt, vì khi đó hỗn hợp có thể quá nghèo không
cháy được, động cơ sẽ bị chết máy.

- Thiết kế động cơ dùng hỗn hợp nghèo:
Từ đồ thị hình 1.2 thể hiện rõ, khi dùng hỗn hợp với  > 1, tức là hỗn hợp
nghèo thì các thành phần độc hại như CO và NOx giảm đi. Tuy nhiên, do giới hạn
cháy của hỗn hợp xăng với không khí rất hẹp nên để mở rộng giới hạn này phải sử
16


dụng những biện pháp đặc biệt.
- Hình thành khí hỗn hợp phân lớp:
Bản chất của phương pháp này là bố trí bu gi đánh lửa trong buồng cháy của
động cơ tại vị trí hỗn hợp có thành phần  nhỏ (hỗn hợp đậm) để đốt hỗn hợp bằng
tia lửa điện. Phần hỗn hợp này sau khi bốc cháy sẽ làm mồi để đốt phần hỗn hợp
còn lại có thành phần  lớn hỗn hợp nhạt. Như vậy, hỗn hợp toàn bộ của động cơ là
hỗn hợp nhạt sẽ được đốt cháy kiệt (hỗn hợp này ở động cơ thông thường là quá
nhạt không thể cháy được), do đó giảm được các thành phần độc hại trong khí thải.

3

2

4

1
7
5
6

Hình 1.5. Phương pháp hình thành khí hỗn hợp phân lớp.
1: xy lanh, 2: vòi phun, 3: bu gi, 4: nắp xy lanh, 5: đường nạp,
6: đường thải, 7: piston.

Hiện nay, tất cả các nhà sản xuất ô tô hàng đầu thế giới đều nghiên cứu chế tạo
động cơ hình thành khí hỗn hợp phân lớp và đã đưa ra rất nhiều loại kết cấu với
buồng cháy thống nhất và buồng cháy ngăn cách. Hình 1.5 nêu một loại về một
động cơ phân lớp với buồng cháy thống nhất. Nhiên liệu được vòi phun 2 phun vào
gần tâm xy lanh tạo thành tia phun có góc tia khoảng 100o. Do kết cấu đường ống
nạp 5 có dạng xoắn tiếp tuyến nên trong xy lanh vào thời điểm phun nhiên liệu vẫn

17


còn dòng xoáy quay tròn của không khí quanh tâm xy lanh. Nhiên liệu phun ra sẽ được cuốn theo và hoà trộn với không khí tạo thành hỗn hợp. Do ảnh hưởng của lực
ly tâm nên thành phần hỗn hợp càng xa tâm quay càng sát thành buồng cháy thì
càng đậm. Bu gi được đặt ở một vị trí nhất định so với tâm xy lanh. Khi bu gi bật tia
lửa điện, hỗn hợp sát bu gi có thành phần đậm sẽ cháy và làm mồi để đốt phần hỗn
hợp còn lại. Đối với loại hình thành khí hỗn hợp này, thời điểm phun và thời điểm
đánh lửa có quan hệ mật thiết với nhau và được điều khiển bằng thiết bị điện tử
(hình 1.6).

Hình 1.6. Động cơ phun xăng trực tiếp.
1: Đường thải, 2: Xu-páp thải, 3: Bu-gi, 4: Xu-páp nạp, 5: Vòi phun, 6: Piston
Để điều chỉnh tải trọng của động cơ từ tải nhỏ đến 50% tải người ta chỉ thay
đổi lượng nhiên liệu phun vào buồng cháy còn lượng không khí nạp giữ không đổi.
Phương pháp điều chỉnh này giống như ở động cơ diesel gọi là điều chỉnh chất. Từ
50% tải trở lên, lượng không khí nạp cũng được điều chỉnh thông qua một bướm
tiết lưu.
1.2.2 Dùng nhiên liệu thay thế
Hiện nay, với sự khan hiếm của dầu mỏ, các nước bắt đầu quan tâm mạnh mẽ
đến các loại nhiên liệu thay thế xăng truyền thống. Tuy nhiên, ở khía cạnh ô nhiễm
18

do khí xả, các nhiên liệu thay thế còn được đánh giá thân thiện hơn với môi trường.
Có được điều này là do:
- Thành phần của chúng có tỉ lệ C/H trong cấu trúc phân tử thấp;
- Không có Ni-tơ, lưu huỳnh, chì;
- Giới hạn bắt lửa rộng, tốc độ lan truyền nhanh.
Vì thế, khí thải ít độc hại. Mặt khác, hàm lượng phát thải CO2 cũng thấp hơn
nếu so với xăng dầu truyền thống, giảm thiểu hiệu ứng nhà kính. Các loại nhiên liệu
thay thế thường dùng trên động cơ xăng gồm:
*Cồn:
Các loại cồn thường được sử dụng làm nhiên liệu thay thế cho xăng gồm
Ethanol (C2H5OH) và Methanol (CH3OH). Pha ethanol vào xăng với tỷ lệ 5% (E5)
hoặc 10% (E10) sẽ được xăng có phẩm chất cao không ảnh hưởng tới đặc tính làm
việc và tuổi thọ của động cơ mà nồng độ khí thải còn giảm so với động cơ xăng
thông thường.
*Khí hóa lỏng LPG (Liquefied Petroleum Gas)
Đây là loại nhiên liệu thu được từ hóa lỏng các khí đồng hành của các túi dầu
mỏ. Thành phần của LPG chủ yếu là propane C3H8 (chiếm khoảng 60%) và bu-tan
C4H10 (chiếm khoảng 40%) với tỷ lệ có thể khác nhau tùy theo nơi sản xuất. Trên
một số thử nghiệm động cơ chạy bằng LPG, cho thấy các chất thải độc hại được
giảm như sau: HC giảm 30-50%, CO giảm 70-90%, NOx giảm 20-30%.
*Khí thiên nhiên hóa lỏng (CNG, LNG)
CNG và LNG có thành phần chính là khí mê-tan (81%-98%), chỉ khác nhau ở
công nghệ để tồn trữ. Do tỉ lệ C/H có trong nhiên liệu thấp, vì thế khi cháy phát thải
ít CO2, lượng nhiên liệu cháy thừa trong khí xả ra môi trường chủ yếu là CH 4, ít độc
hại đến con người, khí thiên nhiên đã được ứng dụng nhiều trong động cơ chạy
nhiên liệu kép như xăng/CNG trên Ta-xi Dầu khí.

19

*Khí sinh học (biogas).
Bi-ô-ga thu được từ quá trình lên men yếm khí của các chất hữu cơ như: xác
động, thực vật, rác thải, chất thải chăn nuôi, chất thải sinh hoạt..có thành phần chủ
yếu là CH4 (60-68%), CO2 (20-32%), còn lại là các chất khí khác như H2S, hơi
nước. Bi-ô-ga đang được nghiên cứu mạnh mẽ để làm nhiên liệu cho ĐCĐT do phát
thải ít CO2. Mặt khác, sử dụng bi-ô-ga còn gián tiếp bảo vệ môi trường từ việc sản
xuất bi-ô-ga bằng chất thải hữu cơ trong sinh hoạt, trong chăn nuôi, giảm lượng thải
CH4 vào khí quyển gây hiệu ứng nhà kính. Tuy nhiên, cần phải áp dụng nhiều biện
pháp tinh lọc các tạp chất có trong bi-ô-ga trước khi dùng.
*Nhiên liệu Hy-đrô
Bên cạnh các loại nhiên liệu thay thế nói trên, hy-đrô từ lâu đã được xem như
một loại nhiên liệu mong muốn cho ĐCĐT. Khác với các loại nhiên liệu truyền
thống, đây là nguồn nhiên liệu có thể tái tạo và có thể được sản xuất từ nguồn nước
vô tận và có khả năng sử dụng cho cả động cơ xăng và động cơ diesel nguyên thủy.
Hy-đrô khi phản ứng với ô-xy tạo ra sản phẩm sạch, chỉ có nước và không có thành
phần ô nhiễm nào (kể cả CO2) nên không gây ô nhiễm môi trường và không gây
hiệu ứng nhà kính như khi sử dụng các loại nhiên liệu hóa thạch. Thêm nữa, nhiên
liệu này có ưu điểm là cháy nhanh, trị số ốc tan cao, chống kích nổ tốt, nên cho
phép động cơ có thể làm việc ở tốc độ rất cao, tỷ số nén lớn, nhờ đó mà dễ dàng
tăng công suất động cơ. Giới hạn thành phần hỗn hợp để đảm bảo khả năng cháy tốt
rất rộng nên động cơ có thể làm việc với hỗn hợp rất loãng, =14, Do đó động cơ
có thể chạy hỗn hợp nghèo để giảm NOx và góp phần làm tăng tính kinh tế sử dụng
động cơ. Mặc dù vậy, nhiên liệu hy-đrô cũng có một số nhược điểm so với nhiên
liệu xăng và diesel là nhiệt trị mole rất thấp nên nếu không thay đổi kết cấu động cơ
khi chuyển từ động cơ chạy xăng hoặc diesel sang động cơ chạy hoàn toàn bằng hyđrô thì công suất động cơ sẽ bị giảm nhiều. Thêm nữa, việc sản xuất, vận chuyển và
tích trữ bảo quản nhiên liệu hy-đrô đủ để thay thế hoàn toàn xăng hoặc diesel khá
khó khăn và tốn kém do nhiên liệu có tỷ trọng rất thấp.

20

*Khí giàu hy-đrô
Chính vì một số nhược điểm của nhiên liệu hy-đrô nói trên nên nhiều nhà
nghiên cứu quan tâm đến việc sử dụng hy-đrô như một thành phần phụ gia cho
nhiên liệu truyền thống. Với phương pháp này, hy-đrô chỉ được cấp một tỷ lệ nào
đó vào trong động cơ để hòa trộn với nhiên liệu chính là xăng, diesel, hoặc khí thiên
nhiên để tạo ra hỗn hợp nhiên liệu giàu hy-đrô (có hy-đrô ở trạng thái tự do trong
hỗn hợp). Nhờ đặc tính cháy nhanh, hy-đrô sẽ giúp đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu
chính tốt hơn nên giảm được thành phần độc hại khí thải, mở rộng giới hạn cháy và
tăng tính chống kích nổ cho động cơ trong khi không thay đổi kết cấu động cơ so
với khi dùng xăng. Vấn đề đặt ra là cần có nguồn cung cấp hy-đrô ổn định và tiện
lợi ngay trên xe để động cơ hoạt động liên tục với hỗn hợp nhiên liệu nói trên.
1.2.3 Xử lý khí thải
Xử lý khí thải là dùng công nghệ đặc biệt để ô xi hóa các thành phần CO và
HC và khử NOx trong khí thải để giảm các thành phần độc hại này đến mức yêu cầu
trước khi thải ra môi trường. Có thể sử dụng các biện pháp xử lý khí thải như sau:
- Hỗ trợ phản ứng tiếp trên đường thải: Có thể cấp thêm không khí vào đường
thải để phản ứng tiếp CO, HC; hoặc giữ nhiệt đường ống thải để tăng thời gian phản
ứng giảm CO, HC và NOx.
- Xử lý khí thải bằng bộ xử lý xúc tác: Nhờ những chất trung gian gọi là các
chất xúc tác, tốc độ các phản ứng ô xy hoá hoặc khử các thành phần độc hại tăng lên
mà không cần nhiệt độ cao hơn 10000 K. Tuỳ theo cấu tạo và cách bố trí mà phân
biệt các loại bộ xử lý khác nhau như sau:
+ Bộ xử lý xúc tác hai đường hay bộ xử lý xúc tác ô xi hóa là bộ xử lý để
giảm CO và HC. Trong trường hợp này NOx được khử ở một bộ xúc tác khác trước
khi khí thải đi qua bộ xử lý ô xi hóa.
+ Bộ xử lý xúc tác ba đường hay ba chức năng là bộ xử lý có thể đồng thời xử
lý tới 90% cả ba chất độc hại chính là CO, HC và NOx.

21


Hiện nay, xử lý khí thải là phương pháp kiểm soát khí thải hiệu quả nhất trên
động cơ đốt trong nên trên các động cơ hiện đại đều trang bị hệ thống này.

22


CHƯƠNG II. ĐẶC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG XỬ LÝ KHÍ THẢI SỬ DỤNG
BỘ XÚC TÁC 3 CHỨC NĂNG VÀ PHƯƠNG ÁN CẢI TIẾN

2.1 Đặc điểm phát thải của ô tô có sử dụng bộ xúc tác 3 chức năng
Như đã nói ở trên, để hạn chế sự phát thải của động cơ, người ta đã sử dụng rất
nhiều phương pháp về công nghệ động cơ, cũng như lắp đặt trên xe các thiết bị xử lí
khí thải riêng biệt.
Ngày nay bộ xử lí xúc tác 3 chức năng (còn được gọi là bộ xử lý xúc tác 3
thành phần) được lắp trên động cơ có khả năng giảm phát thải độc hại của động cơ
đến mức độ thấp nhất và dễ ràng lắp đặt vì nó gọn nhẹ [2, 3]. Khi lắp bộ xúc tác 3
thành phần trên động cơ thì mức độ phát thải CO, HC, NOx có thể giảm đến trên
90% khi bộ xúc tác nóng hoàn toàn. Cấu tạo của bộ xử lý xúc tác 3 thành phần được
thể hiện ở hình 2.1

Hình 2.1 Bộ xử lý chức năng
1: vỏ, 2: lớp đệm, 3: lõi, 4: lớp vật liệu trung gian, 5: lớp xúc tác

Kết cấu của bộ xúc tác ba đường gồm:
- Vỏ của bộ xử lý, thường được làm bằng thép.

23

- Lớp đệm cách nhiệt: nằm giữa vỏ và lõi, được làm bằng sợi vô cơ hoặc phoi
thép để bù trừ giãn nở nhiệt và giữ nhiệt cho lõi..
- Lõi thường làm bằng gốm rỗng, chiều dày vách khoảng 0,2 mm và mật độ
khoảng 80 lỗ/1cm2 hoặc bằng thép lá cuộn lại để tạo ra các rãnh cho khí thải lưu
thông.
- Lớp vật liệu trung gian: được phủ trên bề mặt của rãnh nhằm làm tăng độ lồi
lõm của bề mặt, do đó làm tăng diện tích tham gia phản ứng.
- Lớp xúc tác: Bên trên lớp trung gian là lớp vật liệu xúc tác bằng kim loại
hiếm Platin và Paladi với mật độ khoảng 1,5 đến 2g/1dm3 thể tích lõi. Platin có tác
dụng xúc tác tăng cường quá trình oxy hoá còn Paladi tăng cường quá trình khử.
Quá trình oxy hóa bao gồm các phản ứng sau [2, 9]:
CO +1/2 O2 = CO2
CmHn + (m+n/4) O2 = mCO2 + n/2 H2O
Quá trình khử bao gồm các phản ứng sau:
NO + CO =1/2 N2 + CO2
Bộ xử lý xúc tác, đã được sử dụng trong hệ thống thải của động cơ trong hơn
ba thập kỷ qua. Nó làm giảm đáng kể hàm lượng độc hại trong khí thải của động cơ.
Các bộ xử lý xúc tác ba tác dụng được sử dụng trên các phương tiện giao thông
ngày nay có khả năng giảm tới 90% lượng khí thải độc hại phát ra từ động cơ khi nó
được sấy nóng hoàn toàn đạt nhiệt độ >250oC. Các chất xúc tác Platin (Pt), Rubidi
(Rb) là những vật liệu xúc tác hoạt tính cao cùng với Ceria có khả năng chứa ôxy
nên bộ xúc tác có thể ôxy hoá liên tục đối với CO, HC ngay cả khi khí thải có hàm
lượng lớn CO, HC và thiếu không khí. Sự chuyển đổi của CO, HC đòi hỏi một môi
trường ôxy hoá. Trong khi đó sự chuyển đổi NOx đòi hỏi một môi trường khử. Do
vậy, bộ xử lý xúc tác ba tác dụng hoạt động có hiệu quả khi thành phần hỗn hợp gần
điều kiện lý tưởng (   1) để có cả môi trường ôxy hoá và môi trường khử. Với hỗn
hợp giàu nhiên liệu thì sự ôxy hoá CO, HC giảm. Với hỗn hợp nghèo nhiên liệu thì
24