Tài liệu Hệ thống kiểm soát khí thải pdf

-1-
Các khí độc hại do ôtô sinh ra Mô tả

1. Hệ thống kiểm soát khí xả là gì ?
Hệ thống kiểm soát khí xả giúp hạn chế lượng khí thải có
hại cho con người và môi trường.
2. Khí thải là gì ?
Thuật ngữ khí thải dùng để chỉ nhiên liệu bay hơi từ
thùng nhiên liệu, khí lọt ra qua khe giữa píttông và thành
xy-lanh, và khí xả.
Khí thải có hại cho môi trường và con người vì chúng có
những chất độc như CO (cacbon oxit), HC
(hyđrôcacbon) và NOx (nitơ oxit)
Xe có động cơ điêzen không những thải ra các khí như
CO, HC và NOx mà còn có các hạt cácbon, chúng cũng
có tác động đến môi trường và con người.
(1) CO (cácbon oxit)
ã CO được sinh ra khi lượng ôxy đưa vào buồng đốt không
đủ (cháy không hoàn toàn)
2C (cácbon) + O2 (ôxy) = 2CO (cácbon ôxít)
ã Khi CO được hít vào trong cơ thể, nó hoà tan vào máu và
làm hạn chế khả năng vận chuyển ôxy của máu. Hít vào
một lượng lớn CO có thể dẫn đến tử vong.
(2) HC (hydrôcácbon)
ã HC được sinh ra trong quá trình đốt cháy không hoàn
toàn, cũng như CO. Ngoài ra HC còn sinh ra trong các
trường hợp sau:
<1> Khi nhiệt độ ở khu vực dập lửa thấp, chưa đạt tới nhiệt
độ bốc cháy.
<2> 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 ít sinh ra HC.
Lượng HC sinh ra càng trở nên lớn hơn khi hỗn hợp
không khí-nhiên liệu quá nghèo, vì nó không cháy được.
ã Khi HC được hít vào cơ thể, nó trở thành tác nhân gây
ung thư. Nó cũng gây ra hiện tượng sương khói quang
hoá.



-2-

(3) NOx (nitơ oxit)
ã NOx được sinh ra do nitơ và ôxy trong hỗn hợp không
khí-nhiên liệu, khi nhiệt độ của buồng đốt tăng cao trên
1800
oC
. Nhiệt độ của buồng đốt càng cao, lượng NOx
sản ra càng nhiều.
Khi hỗn hợp không khí-nhiên liệu nghèo, NOx sinh ra
nhiều hơn vì tỷ lệ ôxy trong hỗn hợp không khí-nhiên liệu
cao hơn. Như vậy, lượng NOx được sinh ra tuỳ theo hai
yếu tố: nhiệt độ cháy và hàm lượng ôxy.
N2 (nitơ) + O2 (ôxy) = 2 NO (NO2,N2...NOx)
Khi NOx được hít vào cơ thể, nó gây kích thích mũi và
họng. Nó cũng gây ra hiện tượng sương khói quang hoá.
(1/2)


1. Khí xả

Khí xả được thải ra qua ống xả.
Theo lí thuyết, khi đốt cháy xăng thì chỉ sinh ra CO
2

(cácbon điôxit) và H
2
O (hơi nước). Tuy nhiên, không phải
toàn bộ xăng đều tham gia phản ứng như lí thuyết, do
ảnh hưởng của các yếu tố như tỷ lệ hỗn hợp không
khí-nhiên liệu, nitơ trong không khí, nhiệt độ cháy, thời
gian cháy... Đó là nguyên nhân sinh ra các khí độc hại
như CO, HC hoặc NOx.
2. Nhiên liệu bay hơi
Hơi nhiên liệu thoát ra từ thùng nhiên liệu, bộ chế hoà
khí ... và đi vào khí quyển. Thành phần chủ yếu của nó là
HC.
3. Khí lọt
Khí lọt qua khe hở giữa pittông và thành xy-lanh và đi
vào hộp trục khuỷu. Thành phần chủ yếu của nó là nhiên
liệu và khí chưa cháy (HC).
(2/2)






-3-

Nguyên lí sản sinh ra khí xả Tỷ lệ hỗn hợp không khí-nhiên liệu lí thuyết

Tỷ lệ hỗn hợp không khí-nhiên liệu lí thuyết là tỷ lệ của
lượng nhiên liệu và không khí (chứa ôxy) tối thiểu cần thiết
để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu.
Xăng là hỗn hợp của một số dạng hyđrôcacbon, trong đó
chủ yếu là ốctan (C8H18).

2C8H18 + 15 O
2
= 16CO
2
+ 18 H
2
O

Để đốt cháy 1g ốctan và sản sinh ra nước và cacbondiôxít
thì cần đến 15g không khí. Trên thực tế, nhiên liệu không
phải là ốctan thuần chất mà là ôctan và các HC khác nhau.
Vì vậy, tỷ lệ hỗn hợp không khí-nhiên liệu lí thuyết là 14,7
(1/1)


Biểu đồ sản sinh CO/HC/NOx
Biểu đồ bên trái cho thấy quan hệ giữa tỷ lệ hỗn hợp không
khí-nhiên liệu và lượng CO/HC/NOx sinh ra.
1. Đậm hơn
CO/HC : tăng
NOx : giảm
2. Nhạt hơn
CO : Giảm
HC : Giảm

Tuy nhiên, lượng này sẽ tăng lên vì động cơ nổ không tốt
khi hỗn hợp không khí-nhiên liệu quá nghèo.
NOx: Khí này được sinh ra nhiều nhất khi hỗn hợp không
khí-nhiên liệu hơi nghèo hơn so với tỷ lệ lí thuyết. Nhưng
khi hỗn hợp lại nghèo hơn nữa thì lượng khí này sẽ giảm
vì nhiệt độ cháy giảm.
Lượng khí CO/HC/NOx tăng lên trong các điều kiện sau
đây:
3. Trong khi động cơ còn lạnh
Lượng khí CO/HC tăng lên vì động cơ được cung cấp hỗn
hợp không khí-nhiên liệu giàu.
4. Khi tải lớn
Lượng khí thải tăng vì lượng không khí cũng như nhiên
liệu đều tăng.
ã Lượng CO/HC tăng vì động cơ được cung cấp
hỗn hợp không khí-nhiên liệu giàu
ã Lượng NOx tăng vì nhiệt độ cháy lên cao.
GợI ý
PPM : Viết tắt của Một Phần Triệu, được sử dụng làm
đơn vị nồng độ.
(1/1)

-4-

Các Tiêu chuẩn về Khí thải Mô tả

Các quy định kiểm soát khí thải
Ngày nay hầu hết các nước trên thế giới đều có
những quy định nhằm ngăn ngừa ô nhiễm
không khí vì khí thải. Những quy định này được

gọi là quy định về khí thải.
Phương pháp đo cũng như trị số tiêu chuẩn có
thay đổi tuỳ theo từng nước. Sự khác nhau về
chế độ đo được giới thiệu một cách đại thể như
sau .
Đ Hoa kỳ (Chế độ đo LA#4)
Chế độ mô phỏng vận hành tổng hợp ở
vùng ngoại ô Los Angeles. Chế độ này gần
giống với điều kiện vận hành xe thực tế.
Đ EU (Chế độ EU mới)
Chế độ đo này được bổ sung chế độ vận
hành trên đường cao tốc, trong đó NOx
được quy định rất nghiêm ngặt.
Đ Nhật Bản (chế độ 10.15)
Mô phỏng chế độ vận hành xe trong thành
phố có đèn tín hiệu giao thông.
(1/2)


Đo nồng độ và tổng trọng lượng
Có hai phương pháp đo khí thải
ã Đo nồng độ
Đo hàm lượng phần trăm của
CO/HC/NOx có trong khí thải
ã Đo tổng trọng lượng
Để đo tổng trọng lượng, mô phỏng chế
độ vận hành thực sự như trong minh hoạ,
và đo lượng CO/HC/NOx thải ra trong thử
nghiệm.
Trong những năm gần đây, phương pháp

đo tổng lượng trở thành phương pháp chủ
yếu.
Lượng khí độc hại do xe thải ra có ý nghĩa
quan trọng hơn phần trăm khí độc hại.
(2/2)

-5-

Hệ thống kiểm soát khí xả Mô tả
Phải có trình độ công nghệ cao mới có thể bảo
đảm rằng tổng lượng các thành phần
(CO/HC/NOx) trong khí thải đáp ứng các quy
định về khí thải.
Đối với xe ôtô thực sự, không những phải giảm
những chất này mà còn phải đáp ứng các tiêu
chuẩn khác như độ bền, độ tin cậy, an toàn và
tiêu hao nhiên liệu.
Các biện pháp làm sạch khí thải được liệt kê
trong bảng bên trái đây, nhưng thiết bị thì thay
đổi tuỳ theo từng nước, còn quy định về khí thải
thì thay đổi theo vùng.
(1/1)


Cải thiện động cơ
Động cơ đã được cải tiến rất nhiều để các đặc tính của động
cơ về công suất và tiêu hao nhiên liệu không bị xấu đi qua
thời gian sử dụng, hạn chế đến mức tối thiểu sự sản sinh khí
độc hại. Các biện pháp dưới đây không phải là được áp
dụng cho tất cả các kiểu động cơ, tuy nhiên, hầu hết các

biện pháp thích hợp cho từng động cơ thì đã được sử dụng.
1. Cấu tạo của buồng đốt và cải thiện hệ thống nạp
khí
(1) Sử dụng vùng rối
Vùng rối trong buồng đốt tạo ra dòng rối mạnh mẽ, bắt
đầu từ cuối kỳ nén đến đầu kỳ nổ. Dòng rối này làm tăng
tốc độ cháy, giúp hỗn hợp không khí-nhiên liệu cháy
hoàn toàn, giảm lượng CO và HC.
(2) Tạo ra xoáy lốc
Cửa nạp được làm cong, tạo ra dòng xoáy thích hợp cho
hỗn hợp không khí-nhiên liệu được hút vào trong kỳ nạp,
cho đến mép ngoài của buồng đốt.
Dòng xoáy này tiếp tục từ kỳ nén cho đến kỳ nổ, tạo ra
hiệu quả tương tự vùng rối.
2. Sử dụng EFI, ESA và DIS
Đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp không khí-nhiên liệu và
giảm khí xả nhờ có sử dụng EFI (điều khiển phun nhiên
liệu điện tử) để tạo ra hỗn hợp không khí-nhiên liệu thích
hợp, và sử dụng ESA (Đánh lửa sớm điện tử), DIS (hệ
thống đánh lửa trực tiếp) để điều khiển định thời đánh lửa
chính xác theo điều kiện vận hành.
(1/1)

-6-


Bộ lọc khí xả
1. Khái quát
Bộ lọc khí xả làm cho các chất độc hại (CO, HC, NOx)
phản ứng hoá học với các chất vô hại (H

2
O, CO
2
, N
2
) khi
luồng khí xả đi qua.
Nói chung, platin, palađi, iriđi, rôđi ... được sử dụng làm
chất xúc tác trong ôtô.
(1) Các loại bộ lọc khí xả
ã Chất xúc tác ôxy hoá: oxy hoá HC hoặc CO và tạo thành
H2O hoặc CO2 không độc hại.
ã Chất xúc tác khử ôxy: tách ôxy ra khỏi NOx và tạo thành
N2 vô hại.
ã Chất xúc tác oxy hoá/khử ôxy: thực hiện cả hai chức
năng trên.
(Bộ xúc tác ôxy hoá/khử ôxy dùng cho ôtô được gọi là Bộ
lọc khí xả 3 thành phần (TWC) vì rằng có ba chất độc
hại CO, HC và NOx được chuyển hoá đồng thời thành
chất không độc hại. Ngày nay, chất xúc tác ôxy hoá/khử
ôxy được sử dụng cho hầu hết các ôtô.
(1/3)

(2) Hoạt động của chất xúc tác phụ thuộc nhiệt độ.
Đối với chất xúc tác, mức độ làm sạch thay đổi theo nhiệt
độ.
Như biểu đồ cho thấy, tỷ lệ làm sạch gần đạt đến 100%
và khí xả được làm sạch có hiệu quả nhất khi nhiệt độ
chất xúc tác nâng cao trên 400
oC

.
CHú ý:
Xe được trang bị bộ lọc khí xả sử dụng xăng không chì, vì
nếu dùng xăng pha chì thì chì sẽ dính lên bề mặt của bộ lọc
khí xả và cảm biến ôxy, làm giảm tác dụng của nó.
(1/3)

-7-



(3) Hệ thống lọc khí xả 3 thành phần
(TWC)
TWC là hệ thống ôxy hoá CO và HC trong
khí xả và đồng thời khử ôxy của NOx để biến
chúng thành CO2, H2O và N2. Gần đây,
kiểu liền khối được sử dụng như trên minh
hoạ.
Alumin hoặc chất xúc tác được phủ lên các
thanh ghi có nhiều lỗ. Các chất độc hại đi
qua những lỗ này và được làm sạch.
Có hai kiểu khối, kiểu gốm và kiểu kim loại.
Thanh ghi càng mỏng, khả năng làm sạch
càng cao.
(2/3)

TWC hoạt động có hiệu quả nhất với tỷ lệ hỗn
hợp không khí-nhiên liệu gần như lí thuyết. Vì
vậy, cần có hệ thống thông tin phản hồi về tỷ lệ
hỗn hợp không khí-nhiên liệu để giữ cho tỷ lệ

này gần với tỷ lệ lí thuyết.
Hệ thống thông tin phản hồi về hỗn hợp không
khí-nhiên liệu theo dõi lượng ôxy trong khí xả
bằng cách sử dụng cảm biến ôxy gắn trong
đường ống xả. Khi đó, lượng nhiên liệu được
ECU của động cơ điều chỉnh để kiểm soát tỷ lệ
hỗn hợp không khí-nhiên liệu, giúp cho TWC
làm việc có hiệu quả.
(3/3)