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

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


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi 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 k cụng trỡnh nghiờn cu no.

Tác giả luận văn

Nguyn Vn Tuyển

HV: Nguyễn Văn Tuyển

i

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 chun mơn
để em hồn thành bản Luận văn này.
Do thời gian, trình độ còn hạn chế và đây cũng là lĩnh vực nghiên cứu cịn
khá mới, đề tài khơng 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 q trình nghiên cứu phát triển đề tài tiếp theo.

Hµ Nội, tháng 03 năm 2014

Học viên: Nguyễn Văn Tuyển

HV: Nguyn Văn Tuyển

ii

MSHV: CA 120176


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................... ii
MỤC LỤC ........................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ....................................... v
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................. vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ........................................................................... vii
LỜI NĨI ĐẦU ..................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHÁT THẢI TỪ ĐỘNG CƠ 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. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ CHÁY NGHÈO ..................... 17
2.1. Quá trình cháy của động cơ châm cháy cưỡng bức. .................................... 17
2.2. Quá trình nạp ................................................................................................ 22
2.3. Nạp hỗn hợp đồng nhất. ............................................................................... 27
2.4. Động cơ cháy nghèo. .................................................................................... 27
2.5. Phương pháp mở rộng giới hạn cháy nghèo. ............................................... 28

2.6. Sự hình thành các chất độc hại trong khí thải động cơ ................................ 29
2.6.1. Sản phẩm cháy .......................................................................................... 29
2.6.2. Các thành phần độc hại chính và ảnh hưởng của chúng ........................... 30
2.6.3. Tỷ lệ các chất độc hại trong khí thải ......................................................... 32
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ........................................ 38
3.1. Thiết lập động cơ thử nghiệm. ..................................................................... 38
3.1.1. Động cơ thử nghiệm .................................................................................. 38
3.1.2. Các chế độ thử nghiệm động cơ. ............................................................... 40
HV: Nguyễn Văn Tuyển

iii

MSHV: CA 120176


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

3.2. Thiết bị thử nghiệm. ..................................................................................... 41
CHƯƠNG 4: XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CỦA QUÁ TRÌNH CHÁY .. 48
4.1. Trường hợp nhiệt dung riêng khơng đổi ...................................................... 49
4.2. Trường hợp nhiệt dung riêng biến thiên ...................................................... 52
CHƯƠNG 5: NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ
CHÁY NGHÈO ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ. .. 58

5.1. Khả năng cháy nghèo: .................................................................................. 58
5.2. Quá trình cháy .............................................................................................. 61
5.3. Đánh giá chất lượng khí thải của động cơ cháy nghèo. ............................... 65
5.3.1. Hydro cacbon (HC): .................................................................................. 65
5.3.2. Monoxit Cacbon (CO): ............................................................................. 66
5.3.3. Nitrogen oxit (NOx):.................................................................................. 67

5.3.4. Mức tiêu hao nhiên liệu:............................................................................ 68
5.4. KẾT LUẬN. ................................................................................................ 69
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................70
TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................71

HV: Nguyễn Văn Tuyển

iv

MSHV: CA 120176


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
CO

Khí mơ nơ xít các bon

CO2

Khí các bon níc

HC

Khí hydrơ các bon

CH4

Khí mê tan

C2H4

Khí Khí ê ty len

C2H6

Khí ê tan

C3H8

Khí propan

C4H10

Khí butan

CFC

Clo rơ flu rơ các bon

NO

Khí mơ nơ xít ni tơ

NO2

Khí đi ơ xít ni tơ

NOx

Các loại ơ xít ni tơ

LPG

Khí dầu mỏ hóa lỏng (Liquefied Ptroleum Gas )

WHO

Tổ chức y tế thế giới

ASEAN

Hiệp hội các nước Đơng Nam Á

λ

Hệ số dư lượng khơng khí

Vc

Thể tích buồng cháy

φ

Góc quay trục khuỷu

P

Áp suất trong xylanh

n

Tốc độ động cơ

AFR

Tỷ lệ khơng khí - nhiên liệu

GDI

Động cơ phun xăng trực tiếp

HV: Nguyễn Văn Tuyển

v

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 ....................................................................... 38
Bảng 3.2. Thông số kỹ thuật băng thử công suất kiểu dịng xốy ...................... 42
Bảng 3.3. Bảng thơng số kỹ thuật của thiết bị phân tích khí thải ....................... 44
Bảng 3.4. Thơng số kỹ thuật của cảm biến góc quay ......................................... 46

HV: Nguyễn Văn Tuyển

vi

MSHV: CA 120176


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Bộ xúc tác ba chức năng ..................................................................... 10
Hình 1.2. Quan hệ giữa tốc độ động cơ và tỷ lệ ma sát ...................................... 14
Hình 1.3. Tỷ lệ nén và hiệu sut nhit................................................................. 16
Hình 2.1. Qúa trình cháy trong động cơ xăng châm cháy cưỡng bức ................. 18
Hỡnh 2.2. S lan tràn màng lửa ...................................................................... 20
Hình 2.3. Sơ đồ phân bố màng và tốc độ màng lửa ............................................ 21
Hình 2.4. Sự xốy rối bên trong buồng cháy ...................................................... 23
Hình 2.5. Hình ảnh dịng chảy trong xylanh ....................................................... 24
Hình 2.6. Tỷ lệ (khối lượng) các chất độc hại trong khí thải động cơ xăng ....... 32
Hình 2.7. Đặc tính các thành phần độc hại của động cơ xăng theo λ ................. 33
Hình 2.8. Nồng độ các chất sau phản ứng cháy cacbon phụ thuộc λ ................. 35
Hình 3.1. Sơ đồ thí nghiệm ................................................................................. 39
Hình 3.2. Thiết bị ECU 555-80 ........................................................................... 40
Hình 3.3. Băng thử cơng suất kiểu dịng xốy FE150-S ..................................... 41
Hình 3.4. Kết cấu của thiết bị đo lưu lượng ........................................................ 43
Hình 3.5. Thiết bị phân tích khí thải HORIBA MEXA 854L............................. 43
Hình 3.6. Hệ thống thu thập dữ liệu AVL........................................................... 45
Hình 3.7. Cảm biến xác định góc tương đối H25 ............................................... 46
Hình 4.1. Các thơng số q trình cháy được xác định từ áp suất xy lanh........... 49
Hình 4.2. Hệ thống kín sử dụng trong mơ hình nhiệt động học đảo................... 50
Hình 4.3. Biến thiên tỷ nhiệt γ = cp / cv theo nhiệt độ cháy (0K), thành phần hịa
khí φ và phần trăm hỗn hợp đã cháy (xb)............................................................ 53

Hình 4.4. So sánh tỷ lệ cháy trong hai trường hợp tỷ nhiệt không đổi và tỷ nhiệt
biến thiên ............................................................................................................. 54
Hình 5.1. Quan hệ của COV và lambda .............................................................. 58

HV: Nguyễn Văn Tuyển

vii

MSHV: CA 120176


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Hình 5.2. Giới thiệu biến thiên góc đánh lửa sớm theo lambda. ........................ 59
Hình 5.3. Biến thiên áp suất xy lanh tại 4500 vg/ph và lambda thay đổi từ 0,9
đến 1,3 ................................................................................................................. 61
Hình 5.4. Biến thiên áp suất xy lanh tại 5300 vg/ph và lambda thay đổi từ 0,9
đến 1,4 ................................................................................................................. 62
Hình 5.5. Tỷ lệ cháy theo góc quay trục khuỷu tại 4500 vg/ph và lambda thay
đổi từ 0,9 đến 1,3 ................................................................................................. 63
Hình 5.6. Tỷ lệ cháy theo góc quay trục khuỷu tại 5300 vg/ph và lambda thay
đổi từ 0,9 đến 1,4 ................................................................................................. 64
Hình 5.7. Biến thiên góc cháy trễ và góc cháy nhanh theo hệ số dư lượng khơng
khí tại tốc độ 4500 và 5300 vg/ph ....................................................................... 64
Hình 5.8. Giới thiệu biến thiên của HC và lambda. ............................................ 65
Hình 5.9. Giới thiệu biến thiên của khí CO theo lambda.................................... 66
Hình 5.10. Giới thiệu biến thiên của NOx theo Lambda ..................................... 67
Hình 5.11. Giới thiệu biến thiên của suất tiêu hao nhiên liệu theo lambda. ....... 68

HV: Nguyễn Văn Tuyển

viii

MSHV: CA 120176


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
LỜI NÓI ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Động cơ đốt trong là nguồn động lực chính trên các phương tiện giao
thơng vận tải, máy nơng nghiệp và đóng vai trị 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 ơ tơ là khoảng 10%, đó là ngun 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 ơ 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 ơ nhiễm lớn vào mơi
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 ơ nhiễm mơi 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


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
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 ơ 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 q 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 NOx 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 tốn 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 vịng/phút.
Các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả
HV: Nguyễn Văn Tuyển

2

MSHV: CA 120176


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Xây dựng quan hệ giữa lượng phát thải và hệ số dư lượng khơng khí Lambda
của động cơ xe máy từ các kết quả đo thực nghiệm.
Tính tốn, 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 khơng khí
lambda với các yếu tố liên quan tới hiệu suất và khí thải động cơ ở hai chế độ

4500 vịng/phút và 5300 vịng/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


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
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 khơng khí ơ 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). Khơng khí ơ nhiễm được hiểu là
khơng khí trong đó có chứa các chất độc có hạt. Những chất ơ nhiễm chính trong
khơng khí có thể kể ra như: Sunfua dioxit (SO2), Nitrogen oxit (NO), Cacbon
monoxit (CO), Hydro cacbon (HC) và các hạt siêu nhỏ muội than.
Ơ nhiễm mơi trường khơng khí là sự có mặt một chất lạ hoặc một sự biến đổi
quan trọng trong thành phần khơng khí, làm cho khơng khí khơng sạch hoặc có
mùi khó chịu, giảm thị lực khi nhìn xa do bụi. Hiện nay, ơ 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, ơ nhiễm từ khí thải của các loại động cơ sử dụng nhiên liệu hóa
thạch là tác nhân khơng nhỏ.
Ơ nhiễm mơi trường khí quyển tạo nên sự ngột ngạt và “sương mù”, gây

nhiều bệnh cho con người. Nó cịn 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 khơng khí các loại khí độc như: CO2, 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 vịng 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


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
nhiều khả năng lượng CO2 sẽ tăng gấp đôi vào nửa đầu thế kỷ sau. Điều này sẽ
thúc đẩy q 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 40C. 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 khơng 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 ơzơn. Sau
khi chịu tác động của khí CFC và một số loại chất độc hại khác thì tần ơ zơn 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 khơng khí bị ơ 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


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Ngồi vấn đề ơ nhiễm khơng khí rất đáng lo ngại, chúng ta cần quan tâm
đến các vấn đề ơ nhiễm sau:
Ơ 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 cơng 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.
Ơ nhiễm phóng xạ là do các chất phóng xạ dùng trong lĩnh vực hạt nhân
nguyên tử, trong y học, trong các lĩnh vực qn sự hay cơng 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: Khơng khí ơ nhiễm có thể giết chết nhiều cơ thể
sống trong đó có con người. Ơ nhiễm ơzơn 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 khơng có nhà vệ
sinh đúng cách, và khoảng 580 người Ấn Độ chết mỗi ngày vì ơ nhiễm nước.
Gần 500 triệu người Trung Quốc thiếu nguồn nước uống an tồn. Một phân tích
năm 2010 ước tính bằng 1,2 triệu người chết sớm/yểu một năm ở Trung Quốc
do ơ nhiễm khơng khí. Năm 2007, ước tính ở Ấn Độ, ơ nhiễm khơng 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


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
- Lưu huỳnh điơxít và các ơxít của nitơ có thể gây mưa axít làm giảm độ
pH của đất.
- Đất bị ơ nhiễm có thể trở nên cằn cỗi, khơng 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 q trình quang hợp.
- Các lồi động vật có thể xâm lấn, cạnh tranh chiếm môi trường sống và
làm nguy hại cho các lồi 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 q 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 CO2 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 ơ 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
2005
50
50
2006
50
50
2007 và
50
50
đến nay
Tiêu chuẩn
khí thải EURO III đã bắt đầu thực hiện từ năm 2006.

143
119
96
72

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


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
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 cịn 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


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
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 cịn chất thứ
ba bị khử).
- Ngun tắc chung và cấu tạo của bộ xúc tác.
Các phản ứng chính diễn ra trong bộ xúc tác gồm:

Ơxy hóa

(1.1)

Khử

(1.2)

Hai phản ứng ơxy 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 ơxy hóa NO, HC và khử NOx (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 khơng khí của hỗn hợp nạp vào động cơ

xấp xỉ bằng 1. Đó là lí do giải thích tại sao tất cả ơ tơ có bộ xúc tác ba chức năng
phải làm việc với tỉ lệ hỗn hợp cháy hồn tồn lí thuyết và tỉ lệ này được điều
chỉnh nhờ cảm biến lambda. Tỉ lệ biến đổi các chất ô nhiễm qua bộ xúc tác rất
nhạy cảm đối với sự thay đổi tỉ lệ hỗn hợp.

HV: Nguyễn Văn Tuyển

9

MSHV: CA 120176


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Mặt khác, việc duy trì thành phần hỗn hợp có f = 1 ngồi việc tăng tỉ lệ
biến đổi các chất ơ nhiễm nó cịn hạn chế các phản ứng “nhiễu” tạo N2O
(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 vng. Đối với
động cơ có cơng suất khoảng 100kW, tiết diện tổng cộng cần thiết của các phần

HV: Nguyễn Văn Tuyển

10

MSHV: CA 120176


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
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, 2Al2O3, 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 khơng 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 q. Ngồi nhơm 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 ơxy 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 ơ tơ.
Ngồi 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
q.
• Khởi động bộ xúc tác.
HV: Nguyễn Văn Tuyển

11

MSHV: CA 120176


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
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 ơ tơ
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 ơ nhiễm trong khí xả hầu như khơng 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 q 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.
Vì vậy, phải tránh việc sử dụng xăng pha chì đối với động cơ có ống xả xúc
tác. Tuy nhiên, xăng pha chì khơng hủy hồn tồn hoạt tính xúc tác. Tính xúc
tác có thể được phục hồi lại một phần khi sử dụng xăng không pha chì.
HV: Nguyễn Văn Tuyển

12

MSHV: CA 120176

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
- 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 ơxy
hóa CO.
Trong thực tế, nhiên liệu thơng thường có hàm lượng photsphore nhỏ hơn
0,02ppm. Mặt khác, photsphore trong khí xả cũng có thể bắt nguồn từ chất
chống mịn pha trong dầu bơi trơn. Tuy nhiên, hàm lượng đó khơng 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 cịn 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 H2S khi
thành phần nhiên liệu – khơng 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 ơ tơ có bộ xúc tác ba chức năng được sử dụng thường xuyên trên
những quãng đường ngắn, sự lặp lại thường xun q trình khởi động, q
trình địi hỏi hỗn hợp giàu, có thể gây ra một lớp than đáng kể bám trên ống xả
xúc tác. Khi đó cần một nhiệt độ cao thì bộ xúc tác mới khởi động được. Tuy
nhiên, tác động của lớp than đến bộ xúc tác có thể khử đi khi đốt cháy nó bằng
nhiệt độ cao. Bộ xúc tác trở lại tính năng ban đầu sau khi hết lớp than. Tuy nhiên

HV: Nguyễn Văn Tuyển

13

MSHV: CA 120176


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
bộ xúc tác khí thải này khá đắt để có thể áp dụng cho xe máy và nó khơng 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)

Hình 1.2. Quan hệ giữa tốc độ động cơ và tỷ lệ ma sát

HV: Nguyễn Văn Tuyển

14

MSHV: CA 120176


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

Trong các tổn thất này thì tổn thất cơng 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 cơng
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
điều khiển thời điểm cháy. Với động cơ cháy nghèo, nếu tăng tỷ lệ khơng khí –
nhiên liệu từ 14,7 lên 21,9 thì hiệu suất nhiệt tăng lên tới 6%, ở tại giới hạn cao
nhất của việc tăng tỷ lệ này thì hiệu suất có thể đạt tới 18%. Hình 1.3 sau đây thể
hiện rõ điều này. Động cơ phun xăng trực tiếp có thể đạt được hiệu quả này.

HV: Nguyễn Văn Tuyển

15

MSHV: CA 120176


Hiệu suất nhiệt %

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

Tỷ số nén
Hình 1.3. Tỷ lệ nén và hiệu suất nhiệt

Từ những nhận định trên cho thấy động cơ phun xăng trực tiếp có thể đạt
được khả năng cháy nghèo cao làm tăng hiệu suất động cơ và giảm khí CO2.
Tuy nhiên hệ thống nhiên liệu của động cơ GDI rất khó áp dụng cho xe máy do
kích thước xe máy nhỏ và giá thành hệ thống nhiên liệu động cơ GDI rất cao.
Nghiên cứu này nhằm đánh giá khả năng cháy nghèo của động cơ xăng dùng
nhiên liệu LPG tới các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ xe máy.

HV: Nguyễn Văn Tuyển

16

MSHV: CA 120176