Tiêu chuẩn khí xả và quy trình thử nghiệm khí xả ở Mỹ

A. TIÊU CHUẨN KHÍ XẢ VÀ QUY TRÌNH THỬ NGHIỆM Ở MỸ
I. Tình trạng ơ nhiễm mơi trường trên thế giới:
Khơng khí là một trong những thành phần cơ bản của mơi trường, có vai trị rất
quan trọng đối với sự sống trên trái đất. Nếu như khơng có khơng khí thì sự sống
khơng thể duy trì được. Nhưng nếu khơng khí bị ơ nhiễm thì sẽ ảnh hưởng tiêu cực
đến sức khỏe của con người và các sinh vật khác
Theo các chun gia, tình trạng ơ nhiễm khơng khí không phải bây giờ mới bùng
phát mà đây là vấn đề đã tồn tại từ lâu, do cộng hưởng từ tình trạng thời tiết hanh
khơ gây cháy rừng... Ngồi ra việc các cơng trình lớn được xây dựng hàng loạt,
lượng khí thải từ xe cộ, khí thải cơng nghiệp tăng đáng kể, hay đốt rơm rạ… đã làm
trầm trọng hơn tình hình ơ nhiễm khơng khí. Ơ nhiễm khơng khí có nhiều loại, như:
ơ nhiễm khí độc, ơ nhiễm khí có hại cho sức khỏe, ơ nhiễm bụi... Trong đó, bụi là
một trong những tác nhân chính gây ơ nhiễm khơng khí, đặc biệt là ở khu vực đơ
thị. Bụi có nhiều loại. Phân chia theo chất liệu, có bụi kim loại, bụi vải, bụi gỗ, bụi
nhựa, bụi cát, bụi xi măng...; phân chia theo kích thước có bụi to, bụi cỡ vừa, cỡ
nhỡ, bụi mịn. Những hạt bụi mịn cực nhỏ có đường kính từ 2,5 micromet trở xuống
(PM2.5) liên tục được tạo ra bởi khí thải từ động cơ xe, nhà máy, cơng trường, thói
quen đốt rác, rơm rạ của nông dân, bắn pháo hoa trong các lễ hội tôn giáo và các
nhà máy nhiệt điện, lơ lửng trong khơng khí có thể xâm nhập vào cơ thể người.
Trong khi đó, theo báo cáo thường niên của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA)
cơng bố năm 2019, khí thải nhà kính trên tồn cầu đã tăng trong năm thứ hai liên
tiếp, làm gián đoạn quá trình giảm phát thải và khiến thế giới gia tăng ô nhiễm. Báo
cáo chỉ ra rằng, mức phát thải phải giảm ngay lập tức thì mới giúp thế giới trở lại
con đường hướng đến tham vọng của Thỏa thuận Paris về chống biến đổi khí hậu,
đó là mục tiêu giới hạn mức tăng nhiệt độ trung bình của Trái đất ở mức dưới 2 độ
C so với thời kỳ tiền công nghiệp.
Tuy nhiên, IEA cho rằng, việc kinh tế tăng trưởng mạnh mẽ và tăng nhu cầu về
điện đã góp phần làm tăng 1,9% lượng khí thải CO2 kể từ năm 2018. Đây cũng là
một dấu hiệu cho thấy những nỗ lực nhằm hạn chế sử dụng nhiên liệu gây ô nhiễm
nhất trên thế giới tiến triển quá chậm để có thể tạo ra tác động lớn giúp bảo vệ môi
trường.

Theo các chuyên gia, cơn khát năng lượng của thế giới ngày càng tăng đã khiến
mức tiêu thụ than và các nhiên liệu hóa thạch khác, gây ơ nhiễm khơng khí ngày


càng nhiều hơn. Thực tế nhu cầu về than trên tồn cầu vẫn tăng và 3/4 trong số nhu
cầu đó là ở khu vực châu Á-Thái Bình Dương.
Cho đến 2020 với sự xuất hiện của COVID – 19 đã tác động đến môi trường thế
giới với nhiều tác động:
- Tác động của COVID-19: Vào năm 2020, 84% tất cả các quốc gia được giám sát
đã quan sát thấy sự cải thiện chất lượng khơng khí, phần lớn là do các biện pháp
toàn cầu để làm chậm sự lây lan của COVID-19.
- Cải thiện chất lượng khơng khí ở các thành phố lớn trong năm 2020 so với năm
2019 bao gồm Bắc Kinh (-11%), Chicago (-13%), Delhi (-15%), London (-16%),
Paris (-17%) và Seoul (- 16%).
- Trung Quốc: Năm 2020, 86% thành phố ở Trung Quốc có khơng khí sạch hơn
năm trước. Mặc dù vậy, người dân Trung Quốc vẫn tiếp xúc với mức PM2.5 cao
hơn 3 lần so với hướng dẫn hàng năm của WHO. Hotan ở tây bắc Trung Quốc được
xếp hạng là thành phố ô nhiễm nhất thế giới , phần lớn là do bão cát làm trầm trọng
thêm do biến đổi khí hậu.
- Hoa Kỳ: Mức độ ơ nhiễm hạt trung bình tăng 6,7% vào năm 2020, bất chấp các
biện pháp ngăn chặn sự lây lan của COVID-19. Cháy rừng kỷ lục ở California,
Oregon và Washington đã khiến các thành phố của Hoa Kỳ lọt vào danh sách 77
trong số 100 thành phố ô nhiễm nhất thế giới vào tháng 9 năm 2020 (theo PM2.5
trung bình hàng tháng). Vào năm 2020, 38% thành phố của Mỹ không đáp ứng
hướng dẫn của WHO về mức PM2.5 hàng năm. Đây là mức tăng đáng kể so với
21% thành phố của Hoa Kỳ không đáp ứng các hướng dẫn của WHO vào năm
2019.
- Châu Âu: Vào năm 2020, khoảng một nửa số thành phố ở Châu Âu vượt quá mục
tiêu của WHO về ô nhiễm PM2.5 hàng năm. Mức độ ô nhiễm PM2.5 cao nhất được
tìm thấy ở Đơng và Nam Âu, trong đó Bosnia Herzegovina, Bắc Macedonia và

Bulgaria dẫn đầu.
- Nhiều quốc gia ở Đông Nam Á, Trung Đông, Châu Phi, Nam Á và Nam Mỹ tiếp
tục thiếu thiết bị và chuyên môn để giám sát và báo cáo ô nhiễm khơng khí.
II. Các thành phần độc hại chính trong khí thải động cơ:
1. Các thành phần độc hại chính trong khí thải động cơ:


Quá trình cháy trong động cơ đốt trong là quá trình ơxy hóa 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 sinh ra các hợp chất
trung gian rất phức tạp. Sản phẩm cuối cùng của quá trình cháy gọi là sản phẩm
cháy.
Một số thành phần chính trong khí thải động cơ: CO, CO 2, NOX, THC, Anđêhít,
thành phần dạng hạt (PM), hợp chất chứa lưu huỳnh.
a. Ơxít cacbon (Monoxide carbon - CO)
Monoxide carbon (CO) là sản phẩm cháy của nhiên liệu sinh ra do ơxy hóa khơng
hồn tồn hyđrơ cácbon trong điều kiện thiếu ơxy, CO ở dạng khí khơng màu,
khơng mùi, khơng vị.
CO khi kết hợp với sắt có trong sắc tố của máu sẽ tạo thàmh một hợp chất ngăn cản
q trình hấp thụ ơxy của Hemoglobin trong máu và làm cho các bộ phận của cơ
thể bị thiếu ôxy.
b. Cácbua hydro (Total Hydrocacbon – THC)
Total hydrocacbon (THC) là các loại HC có trong nhiên liệu hoặc dầu bơi trơn
khơng cháy hết có trong khí thải động cơ. HC có nhiều loại và mỗi loại có mức độ
độc hại khác nhau. Các HC có nguồn gốc paraphin hoặc naphtanin có thể coi là vơ
hại, trong khi đó các HC thơm (có nhân benzen) thường rất độc, chúng có thể gây
ra căn bệnh ung thư. HC tồn tại trong khí quyển cịn gây ra sương mù gây tác hại
cho mắt, niêm mạc và đường hô hấp. Thơng thường để đánh giá tiêu chuẩn mơi
trường thì thường xét tổng lượng HC mà động cơ phát ra (THC)
c. Ơxítnitơ (NOx)

Ơxítnitơ là sản phẩm ơxy hóa N2 có trong khơng khí (khí nạp mới) ở điều kiện
nhiệt độ cao trên 11000C. NOx tồn tại chủ yếu là NO và NO2 trong đó NO chiếm
đại bộ phận. NO là khí khơng mùi và khơng nguy hiểm nhưng nó khơng bền và dễ
biến thành NO2 trong điều kiện tự nhiên. NO2 là khí có màu nâu đỏ, có mùi gắt,
gây nguy hiểm cho phổi, niêm mạc. Khi tác dụng với nước tạo ra axít, gây ra mưa
axít làm ăn mịn chi tiết máy và đồ vật
d. Anđêhít (C-H-O)


Anđêhít có cơng thức chung là C-H-O, là một chất khí gây tê và có mùi gắt,một số
loại có thể gây ung thư như Foocmondehit.
e.Chất thải dạng hạt (P-M)
P-M là chất ơ nhiễm đặc biệt quan trọng trong khí thải động cơ diezel, nó tồn tại
dưới dạng hạt rắn có đường kính trung bình khoảng 0,3 μm, nên dễ xâm nhập vào
phổi gây tổn thương tới cơ quan hô hấp và cịn có thể gây ung thư do các
hydrocacbon thơm bám dính lên nó. P-M sinh ra do q trình phân hủy nhiên liệu
và dầu bơi trơn, chúng chính là C chưa cháy hết bị bón thành các hạt nhỏ. Trong
khơng khí P-M là tác nhân gây sương mù, bụi bẩn làm ảnh hưởng đến giao thông
và sinh hoạt con người
f.Cácbonđiơxít (Carbondioxide - CO2)
Cácbonđiơxít là sản phẩm cháy hồn tồn của C trong O2, là sản phẩm cháy chủ
yếu của q trình cháy. CO2 tuy khơng độc với sức khỏe của con người nhưng với
nồng độ quá lớn có thể gây ngạt. CO2 là nguyên nhân chính gây hiệu ứng nhà kính
dẫn đến sự nóng lên của nhiệt độ trái đất.
2. Cơ chế hình thành và tỷ lệ các chất độc hại trên động cơ Diesel:
Đặc điểm của động cơ diesel là hỗn hợp bên trong nên hệ số dư lượng khơng khí λ,
so với ở động cơ xăng, nằm trong một giới hạn rất rộng, cụ thể từ 1,2 đến 10 từ
tồn tải đến khơng tải. Chính vì giới hạn λ rộng nên điều chỉnh tải bằng phương
pháp điều chỉnh λ cịn gọi là điều chỉnh chất. Do đó khác với điều chỉnh lượng ở
động cơ xăng, trên đường nạp khơng có tiết lưu.

Đặc tính các thành phần độc hại của động cơ diesel theo λ
a.CO
Trong khí thải của động cơ diesel, tuy λ > 1 và khá lớn (thừa ơ-xy)
nhưng vẫn có thành phần CO mặc dù khá nhỏ là do vẫn có những
vùng với λ < 1 (thiếu ơ-xy). Khi λ tăng, ban đầu CO giảm do nồng
độ ô-xy tăng và đạt cực tiểu tại λ ≈ 2. Tiếp tục tăng λ, CO tăng do
tỷ lệ tái hợp của CO với ô-xy trong quá trình giãn nở giảm đi nên
lượng CO cịn lại trong khí thải tăng lên.
CmHn
Do λ lớn nên CmHn trong động cơ diesel so với ở động cơ xăng
cũng nhỏ hơn. Khi λ tăng, nhiệt độ cháy giảm nên phần nhiên liệu
không cháy được CmHn sẽ tăng lên. Đối với phương pháp hỗn hợp
màng, do hiệu ứng sát vách ảnh hưởng mạnh nên CmHn lớn hơn so
với trường hợp hỗn hợp thể tích. Nếu tổ chức xốy lốc và hồ trộn
tốt trong q trình hình thành hỗn hợp, thành phần C mHn sẽ giảm.
Nox


Khi λ tăng, nhiệt độ cháy giảm nên thành phần NO x giảm (xem
hình 2-4). So với ở động cơ xăng thì thành phần NO 2 trong NOx cao
hơn, cụ thể chiếm 5 đến 15%. Phương pháp hình thành khí hỗn
hợp có ảnh hưởng lớn đến hình thành NO x. Đối với buồng cháy
ngăn cách, quá trình cháy diễn ra ở buồng cháy phụ (hạn chế
khơng khí) rất thiếu ơ-xy nên mặc dù nhiệt độ lớn nhưng NO x vẫn
nhỏ. Khi cháy ở buồng cháy chính, mặc dù λ rất lớn, ơ-xy nhiều
nhưng nhiệt độ q trình cháy khơng lớn nên NOx cũng nhỏ. Tổng
hợp lại, NOx của động cơ buồng cháy ngăn cách chỉ bằng khoảng
1/2 so với ở động cơ buồng cháy thống nhất.

Chất thải dạng hạt (P-M)
Theo định nghĩa của Tổ chức bảo vệ môi trường bang Ca-li-phoocnia thì P-M là những thực thể (trừ nước) của khí thải sau khi
được hồ trộn với khơng khí (làm loãng) đạt nhiệt độ nhỏ
hơn 51,70C và được tách ra bằng một bộ lọc qui định. Với
định nghĩa như vậy, P-M gồm các hạt rắn và các chất lỏng bám
theo. Các hạt rắn gồm: cac-bon tự do và tro còn gọi là bồ hóng
(soot), các chất phụ gia dầu bơi trơn, các hạt và vảy tróc do mài
mịn... Chất lỏng bám theo gồm có các thành phần trong nhiên
liệu và dầu bơi trơn.
Các hạt (P-M) có kích thước từ 0,01 đến 1 μm. Phần lớn hạt có kích
thước 0,3 μm nên rất dễ bị hít vào và gây tổn thương cho đường
hô hấp và phổi.
Thành phần của P-M phụ thuộc rất nhiều vào chế độ làm việc của
động cơ và phương pháp hình thành khí hỗn hợp. Thơng thường,
trong P-M chứa, [1]:
- 40% dầu bơi trơ
- 31% bồ hóng
- 14% các muối sun-phát ngậm nước
- 7% nhiên liệu diesel
- 8% các loại khác còn lại.


Hợp chất chứa lưu huỳnh
Trong khí thải có các hợp chất chứa lưu huỳnh là do trong nhiên
liệu còn một lượng tạp chất lưu huỳnh còn lại khi chưng cất dầu
mỏ. Trước năm 1996, ở Châu Âu qui định giới hạn hàm lượng lưu
huỳnh trong nhiên liệu tính theo khối lượng [S] < 0,2%. Sau năm
1996, giới hạn này càng ngặt nghèo hơn, [S] < 0,05%. Do nhiên
liệu chứa lưu huỳnh nên trong khí thải có SO 2, khi kết hợp với hơi
nước sẽ tạo thành a-xít. Các hợp chất chứa lưu huỳnh trong khí

thải là một trong những nguyên nhân gây ra mưa a-xít và tạo ra PM thơng qua các muối có gốc sun-phát.
III. Các chu trình thử nghiệm và tiêu chuẩn khí thải:
1. Chu trình thử Mỹ:
Hiện nay với mức độ phát triển ngày càng nhanh của các phương tiện giao thông ở
hầu hết các quốc gia trên thế giới, vì vậy vấn đề ơ nhiễm mơi trường do khí thải
động cơ trực tiếp gây ra là hết sức cấp bách, liên quan đến sức khỏe con người.
Chính vì vậy, xây dựng tiêu chuẩn khí thải từ động cơ là vấn đề cấp thiết của mỗi
quốc gia
Các tiêu chuẩn thử là quy phạm của mỗi quốc gia, có liên quan trực tiếp tới điều
kiện giao thơng như: chất lượng, số lượng và tiêu chuẩn đường sá, số lượng các
loại phương tiện và chủng loại phương tiện giao thông đang lưu hành, mức độ phát
triển của các phương tiện và mức thu nhập của người dân (điều kiện kinh tế của
mỗi nước)... Dựa trên cơ sở đó mà mỗi quốc gia đưa ra các tiêu chuẩn cho phù hợp
và các tiêu chuẩn này phải được nâng cấp, cập nhật và phát triển theo thời gian để
hướng tới mục tiêu môi trường tốt hơn. Khi ban hành các tiêu chuẩn thử nghiệm thì
các chu trình thử nghiệm tương ứng cũng phải được đưa ra. Các chu trình thử
nghiệm là thói quen đi lại của người dân khi sử dụng phương tiện giao thông, liên
quan đến việc tổ chức và cơ sở hạ tầng giao thông. Hệ thống tiêu chuẩn khí thải
phải được xây dựng cho các loại động cơ khác nhau như: động cơ xăng, động cơ
diesel, động cơ nhiên liệu hóa lỏng. Trên các loại phương tiện khác nhau như: xe
con, xe tải, xe máy... Và trên các điều kiện vận hành khác nhau như trên xa lộ hoặc
trong thành phố... Hiện nay trên thế giới có nhiều chu trình thử được sử dụng cho


hai loại xe (xe con và xe tải) như chu trình thử của Mỹ, Châu Âu và Nhật bản. Mỗi
chu trình thử gắn với một tiêu chuẩn khí thải.
Trong đó chu trình của Mỹ được thể hiện như sau:
Chu trình thử cho đường thành phố FTP – 72:
Chu trình thử FTP 72 (Federal-Test-Procedure) áp dụng cho xe con chạy trên
đường phố. Chu trình thử gồm hai giai đoạn: giai đoạn 1 với thời gian 505 s (tương

ứng với quãng đường 5,78 km, vận tốc trung bình 41,2 km/h); giai đoạn 2 với thời
gian 864s.
Giai đoạn thứ nhất bắt đầu từ trạng thái khởi động lạnh, giai đoạn thứ hai được bắt
đầu sau khi động cơ dừng hoàn toàn trong thời gian 10 phút.
Các thơng số cơ bản của chu trình thử như sau:
Quãng đường thử tổng cộng : 12,07 km
Thời gian thử nghiệm : 1369 s
Vận tốc trung bình : 31,5 km/h
Vận tốc tối đa : 91,2 km/h
Chu trình thử FTP – 72 được trình bày cụ thể trong hình 3.1 như sau:


Hình 3.1 Chu trình thử FTP – 12
Khí thải của mỗi giai đoạn được gom riêng vào các túi chứa, được phân tích và
nhân với các hệ số qui đổi (hệ số quy đổi cho giai đoạn một: 0,47; giai đoạn hai:
0,53), tổng hợp lại được kết quả tổng cộng. Đơn vị tính g/mile, (g/km).
Chu trình thử nghiệm cho đường phố FTP – 75:
Chu trình thử của Mỹ FTP 75 (Federal-Test-Procedure) áp dụng cho xe con chạy
trên đường phố. Chu trình thử FTP 75 bao gồm ba giai đoạn: giai đoạn khởi động
lạnh, giai đoạn ổn định, giai đoạn khởi động nóng. Nhưng giai đoạn ba bắt đầu sau
khi động cơ ngừng hoạt động 10 phút.
Các thông số cơ bản của chu trình thử như sau:
Quãng đường tổng cộng: 11,04 mile (17,77 km)
Thời gian thử nghiệm : 1874 s
Vận tốc trung bình : 21,2 mph (34,1 km/h).
Chu trình FPT 75 được trình bày trong hình 3.2 và các thơng số nêu trong bảng 3
như sau:


Hình 3.2 Chu trình thử FTP – 75

Bảng 3.1 Các thơng số của chu trình thử xe cho đường thành phố Mỹ
Chế độ làm việc
Khởi động lạnh
Ổn định
Khởi động nóng

Giai đoạn
1
2
3

Thời gian (s)
505
864
505

Hệ số quy đổi
0,43
1,00
0,57

Khí thải của mỗi giai đoạn được gom riêng vào các túi chứa, được phân tích và
nhân với các hệ số qui đổi, tổng hợp lại được kết quả tổng cộng. Đơn vị tính g/mile.

Chu trình thử cho xa lộ (US – Highway – Cycle)
Chu trình thử được trình bày trên hình 3.3 áp dụng cho xe con chạy trên xa lộ với
các thông số sau:
Quãng đường thử tổng cộng : 10,22 mile (16,44 km)
Vận tốc trung bình : 48,1 mph (mile per hour) (77,4 km/h)
Vận tốc cực đại : 59,9 mph (96,4 km/h)

Thời gian thử tổng cộng : 765 s

Hình 3.3 Chu trình thử cho xe con trên xa lộ của Mỹ
Chu trình thử UDDS cho xe tải nặng
Chu trình thử UDDS (Urban Dynamometer Driving Schedule) được phát triển cho
thử nghiệm xe tải nặng trên băng thử ôtô.
Các thông số cơ bản của chu trình thử:
Quãng đường thử : 5,55 miles (8,9 km)
Thời gian thử : 1060 s
Vận tốc trung bình : 18,86 mph (30,4 km/h)
Vận tốc tối đa : 58 mph (93,3 km/h)


Hình 3.4 Chu trình thử UDDS
2. Các tiêu chuẩn khí thải của Mỹ:
Tiểu chuẩn liên bang ở Mỹ cho xe con và xe tải nhẹ:
Bao gồm hai tiêu chuẩn: chuẩn loại một và loại hai. Chuẩn loại 1 được công bố vào
năm 1991 và bắt đầu thực hiện trên toàn nước Mỹ vào năm 1997, chuẩn loại 2 được
đề xướng vào năm 1999 và bắt đầu áp dụng vào năm 2004.
a/ Chuẩn loại 1:
Chuẩn loại 1 áp dụng cho các phương tiện vận tải hạng nhẹ (LDV – Light driving
vehicle), xe con, xe chở khách, xe minivans và xe pick-up. Trong đó phương tiện
vận tải hạng nhẹ là tất cả các xe có khối lượng nhỏ hơn 8500 lb (1 lb = 0,454 kg).
Chuẩn loại một được thực hiện trong giai đoạn 1994÷1997 với tất cả các loại xe sử
dụng tới 100000 mile, và được điều chỉnh xuống cho các loại xe đi trên 50000 mile
trong giai đoạn 1997÷2003. Giới hạn NOx cũng được điều chỉnh giũa xe sử dụng
động cơ xăng và động cơ diesel (xe diesel có giới hạn NOx lớn hơn).
Lượng phát thải độc hại của xe ôtô con và xe tải nhẹ được thực hiện theo chu trình

thử FTP-75, đơn vị tính [g/mile].


Bảng 3.2 Bảng tiêu chuẩn khí thải EPA loại 1
b. Chuẩn loại 2
Chuẩn loại 2 được áp dụng vào năm 2004÷2009, cho các xe chở khách và xe tải
hạng nhẹ. Năm 2008 chuẩn này còn được ứng dụng cho xe tải nặng và phương tiện
vận tải hạng trung (LDTs – Light duty trucks và MDPVs – medium passenger
vehicles). Trong năm 2004÷2007 tất cả các xe khách và xe tải nhẹ sẽ không được
cấp chứng chỉ môi trường loại 2 nếu phát thải NOx trung bình lớn hơn 0,30 g/mile.
Trong năm 2004÷2008 các xe tải nặng và phương tiện vận tải hạng trung (LDTs và
MDPVs) sẽ không được cấp chứng chỉ môi trường nếu lượng phát thải NOx vượt
quá 0,60 g/mile (cho HLDT – heavy light duty truck) và 0,90 g/mile (cho MDPV).
Chuẩn loại hai được cấu tạo bởi 8 mức chứng nhận khác nhau với độ chính xác
khác nhau. Mỗi giá trị trung bình phát thải NOx của một nhóm xe sẽ có một chứng
nhận lượng chất thải dạng hạt cho 8 mức khác nhau. Trong thời gian này, lượng
phát thải NOx của một loại xe do nhà máy sản xuất phải có giá trị trung bình nhỏ
hơn 0,07 g/mile.


Bảng 3.3 Bảng tiêu chuẩn khí thải EPA loại 2
Tiêu chuẩn liên bang ở Mỹ cho xe tải nặng:
a. Tiêu chuẩn năm 1987 ÷ 2003


Bảng 3.4 Tiêu chuẩn liên bang Mỹ cho xe tải nặng
b. Tiêu chuẩn 2004 và sau này:
Từ năm 1997 EPA đưa ra các tiêu chuẩn cho động cơ diesel xe tải chạy trên xa lộ
va xe bus trong thành phố được áp dụng cho năm 2004 và sau này. Với mục đích là
giảm lượng NOx cho động cơ xe tải trên xa lộ xuống mức xấp xỉ 2 g/bph.hr (g/mã

lực.h)


Bảng 3.5 Tiêu chuẩn EPA cho động cơ diesel chạy trên xa lộ


B. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM KHÍ XẢ TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL
Để đáp ứng nhu cầu giảm phát thải cho động cơ diesel, nhiều biện pháp đã được áp
dụng trên động cơ đốt trong nói chung và trên động cơ diesel nói riêng.Các biện
pháp kỹ thuật làm giảm phát thải độc hại trên động cơ diesel có thể chia ra thành
hai nhóm chính.
Nhóm thứ nhất bao gồm các biện pháp liên quan đến kết cấu động cơ, loại nhiên
liệu, phương pháp hình thành hỗn hợp, điều chỉnh và vận hành động hiệu quả giảm
phát thải khơng cao. Nhóm thứ hai bao gồm các biện pháp xử lý khí thải sau cửa
thải.
I. Biện pháp liên quan đến động cơ và nhiên liệu thay thế:
1. Hệ thống nhiên liệu Common Rail Diesel
Động cơ diesel có khả năng tiết kiệm hơn về kinh tế so với động cơ xăng, tuy nhiên
nó vẫn cịn q nhiều mặt hạn chế khi sử dụng như: khi tăng tốc xả ra khá nhiều
khói đen, tiếng ồn lớn và tiêu hao nhiều nhiên liệu…
Chúng là 1 trong những nguyên nhân chính dẫn tới sự ơ nhiễm của mơi trường
trong cuộc sống hiện đại thời này. Để khắc phục những vấn đề nêu trên, các nhà sản
xuất ô tô đã nghiên cứu và cho ra đời hệ thống nhiên liệu Common Rail Diesel.


a.Tổng quan hệ thống Common Rail Diesel
Với các động cơ Diesel hiện nay, áp suất phun thực hiện cho từng vòi phun 1 cách
riêng biệt, nhiên liệu áp suất cao được giữ trong hộp chứa (Rail), hay còn được gọi
là “Ắc quy thủy lực” và được phân chia đến từng vịi phun theo u cầu.
Vịi phun Common Rail có tác dụng làm giảm tiếng ồn và nhờ sự kết hợp giữa việc

điều khiển điện tử – kiểm soát lượng nhiên liệu phun – thời điểm phun mà nhiên
liệu được phin ra ở mức áp suất rất cao. Thế nên, khả năng vận hành của động cơ
và khả năng tiết kiệm nhiên liệu được tối ưu hơn.
So với những động cơ cũ được dẫn động bằng cam thì hệ thống Common Rail tỏ ra
rất linh hoạt trong khả năng thích nghi để điều khiển kim phin nhiên liệu động cơ
diesel như:
- Áp suất phun lên tới 1500 bar.
- Phạm vi áp dụng rộng rãi (cho xe khách, du lịch, tải nặng, tải nhẹ, xe lửa và thậm
- chí cả tàu thủy).
- Có thể tùy ý thay đổi thời điểm phun.
- Có 3 giai đoạn phun: Phun sơ khởi – phun chính – phun kết thúc.
b.Cách thức hoạt động:
Cũng giống như hệ thống nguyên liệu diesel thông thường khác, ở số thứ tự (1) trên
hình, nhiên liệu được được bơm lên từ thùng nhiên liệu trên đường ống thấp áp (11)
nén đẩy qua ống tích trữ nhiên liệu áp suất cao (7) hay cịn gọi là ắc quy thủy lực –
sau đó được đưa tới vòi phun Common Rail (9) và sẵn sàng để phun nhiên liệu vào
xy lanh của động cơ.
Việc phun nhiên liệu và tạo áp suất là hoàn toàn riêng biệt với nhau trong hệ thống
Common Rail. Áp suất được suất phun được hình thành độc lập với tốc độ và mức
nhiên liệu phun ra. Nhiên liệu được lưu trữ với áp suất cap trong điều áp nhiên liệu
(7).


Bàn đạp ga sẽ là nơi quyết định mức nhiên liệu được phun ra, dựa trên biểu đồ dữ
liệu đã lưu, ECU sẽ tính tốn thời điểm phun và áp suất phun. Sau đó, nhờ các cảm
biến (10) – EDU và ECU sẽ điều khiển các kim phun của mỗi vòi phun tại từng xylanh động cơ để phun nhiên liệu với áp suất phun lên tới 1500 bar.
Tiếp đến, lượng nhiên liệu thừa trong vòi phun đi qua ắc quy thủy lực (7) rồi trở về
bơm cao áp (2), van điều khiển áp suất tại bơm lúc này sẽ mở để nhiên liệu thừa trở
lại bình nhiên liệu (1). Phía trên ắc quy thủy lực được gắn cảm biến áp suất và bố
trí van an tồn ở phía cuối (8), nếu nhận thấy áp suất lưu trữ trong ắc quy thủy lực

(7) quá lớn, van an toàn sẽ tự động mở để nhiện liệu chảy về thúng chứa.

(1)Thùng nhiên liệu; (2) Bơm cao áp Common rail; (3) Lọc nhiên liệu; (4) Đường
cấp nhiên liệu cao áp; ( 5) Đường nối cảm biến áp suất đến ECU ; (6) Cảm biến áp
suất; (7) Common Rail tích trữ &điều áp nhiên liệu (hay còn gọi ắcquy thuỷ lực) ;
(8) Van an tồn (giới hạn áp suất); (9) Vịi phun; (10) Các cảm biến nối đến ECU
và Bộ điều khiển thiết bị (EDU); (11) Đường về nhiên liệu (thấp áp) ; EDU:
(Electronic Driver Unit) và ECU : (Electronic Control Unit).
Nhờ cách thức này, nhờ vào lực áp suất phun 1500bar, thì nó vẫn có thể hoạt động
ngay cả lúc động cơ đang vận hành ở vận tốc thấp.


c. Hệ thống Common Rail Diesel được chia thành 4 giai đoạn:

Bơm áp suất cao cùng van đo lường và van điều chỉnh áp suất thấp.
Các cảm biến (trục cam, tộc độ quay trục khuỷu, lưu lượng khơng khí, bàn đạp ra
và nước làm mát, cam biến áp suất Rail…).
Các cơ cấu thực hiện (Các đồng hồ đo áp suất, bộ tăng áp, bộ hồi lưu khí xả, vịi
phun điều khiển bằng van solenoid…).
Bộ điều khiển trung tâm (EDU, ECU) kiểm sốt chính xác lượng phun, điều chỉnh
áp suất và giám sát điều kiện hoạt động của động cơ.
d.Các công năng của hệ thống nhiên liệu Common Rail Diesel
Trước tiên, bạn phải nhận biết được giữa 3 nhóm cơng năng khác nhau của
Common Rail:
- Mạch áp suất thấp


- Mạch áp suất cao
- ECU và các cảm biến
* Chức năng chính: căn chỉnh phun nhiên liệu đúng lượng, đúng thời điểm và áp

suất phù hợp với các chế độ vận hành của động cơ.
* Chức năng phụ: Điều chỉnh vịng hở và vịng kín như hệ điều khiển hệ thống hồi
lưu khí thải, ga tự động, tăng áp,… làm giảm lượng khí thải độc hại và mức độ tiêu
hao của nhiên liệu.
e. Những ưu điểm của hệ thống nhiên liệu Common Rail Diesel
Hệ thống nhiên liệu Common Rail Diesel có 5 ưu điểm chính gồm:
- Tiết kiệm nhiên liệu
- Động cơ hoạt động êm dịu, giảm tiếng ồn
- Cản thiện tính năng động cơ
- Khí thải thốt ra mơi trường ít
- Thích hợp với nhiều động cơ Diesel
Với những động cơ Diesel đời đầu, tiếng ồn phát ra trong quá trình vận hành khá
lớn. Khi muốn tăng tốc thì lượng khí thải thốt ra rất nhiều dẫn tới ô nhiễm môi
trường và tiêu hao nhiều nhiên liệu.
2. Hệ thống tuần hồn khí thải EGR
Động cơ Diesel có xu hướng phát thải khí Nitrogen Oxide (NOx) cao hơn ra môi
trường, gây nguy hại cho sức khỏe con người. Nguyên nhân dẫn đến việc này là do
nhiệt độ cao trong xilanh vì động cơ diesel có tỷ số nén cao hơn. Để kiểm soát và
làm giảm lượng NOx, các nhà sản xuất sử dụng hệ thống tuần hồn khí thải EGR –
Exhaust Gas Recirculation. Tái tuần hồn khí thải là kỹ thuật được sử dụng ở cả
động cơ xăng cũng như diesel.
a. Nguyên lý làm việc của hệ thống tuần hồn khí thải EGR
Ngun lý làm việc của hệ thống EGR là dùng van và ống dẫn để đưa một lượng
khí thải phù hợp quay trở lại trộn lẫn với khí tươi trong đường ống nạp trước khi


nạp vào xy lanh Sự có mặt của phần khí thải có trong hỗn hợp nhiên liệu- khơng
khí ở buồng cháy có các tác dụng cụ thể sau đây:
- Làm giảm hàm lượng khí Oxy có trong cùng một lượng hỗn hợp;
- Làm giảm nhiệt độ buồng cháy do nhiệt dung của khí xảlớn hơn nhiệt dung của

khơng khí;
- Cản trở và làm giảm tốc độ lan tràn màng lửa trong buồng cháy (giảm tốc độ
cháy).
Tất cả các điều này dẫn tới việc làm giảm áp suất, nhiệt độ cháy và từ đó làm giảm
lượng NOx được hình thành.

b. Lợi ích của hệ thống tuần hoàn khí thải EGR


Hệ thống tuần hồn khí thải EGR đưa một phần khí thải trở lại vào buồng đốt.
Logic đằng sau hệ thống EGR rất đơn giản. Khí thải có nhiệt độ nóng hơn so với
khí “trong lành” nạp vào động cơ. Nhiệt lượng này sẽ khiến khơng khí nở ra làm
giảm đáng kể lượng oxy trong khơng khí, vì vậy dẫn đến thể tích hịa khí bị đốt
cháy trong xilanh giảm.
Hệ thống tuần hồn khí thải EGR làm cho nhiệt lượng sinh ra thấp hơn và nhiệt độ
xilanh cũng thấp hơn. Khi khơng có đủ nhiệt độ, khả năng hình thành Nito oxide
giảm, nhiệt độ khí thải trong xilanh bị hạn chế . Nhờ vậy cải thiện được tuổi thọ
động cơ. Bộ chuyển đổi xúc tác 3 giai đoạn (Bầu lọc catalytic) tiếp tục giảm lượng
NOx trong khí thải xuống mức được chấp nhận theo tiêu chuẩn khí thải.
II. Biện pháp liên quan đến xử lý khí thải:
1.Bộ lọc hạt Diesel (DPF)
Tất cả các xe ô tô chạy diesel hiện đại đều được trang bị DPF – bộ lọc hạt Diesel.
Chức năng của DPF là lọc và loại bỏ các phần tử độc hại ra khỏi khí thải. Các
chun gia ơ tơ nói rằng một bộ lọc hạt DPF tốt là bộ lọc có khả năng lọc 80% các
hạt. Rất nhiều lỗi có thể xảy ra nếu có vấn đề với DPF. Một số vấn đề phổ biến bao
gồm các bộ lọc bị tắc do muội than, khiến chúng không thể hoạt động bình thường.
Vai trị của DPF là lọc muội than, có thể gây hại cho mơi trường và các vấn đề về
hô hấp. Đây là lý do tại sao điều quan trọng là phải đảm bảo rằng nó đã được lọc
sạch và mơi trường được an tồn và sạch sẽ.

Nguyên tắc làm việc của bộ lọc hạt Diesel


Bộ lọc Diesel Particulate (DPF) là một thiết bị được cài đặt trong một hệ thống xả
xe diesel bằng cách lọc để giảm các hạt vật chất (PM) trong khí thải. DPF thông
qua bề mặt và thiết bị lọc nội bộ để bắt các hạt, như lượng mưa khuếch tán, lượng
mưa qn tính hoặc chặn tuyến tính, có thể làm sạch hiệu quả các hạt thải 70% ~
90%, là sự tinh lọc của các hạt vật chất diesel là một trong những hiệu quả nhất và
phương pháp trực tiếp, đã đạt được trong thương mại hóa quốc tế.
Trong trạng thái làm việc trống của bộ lọc dạng hạt, vì khơng có cổ phần trong
DPF, sức cản dịng khí thải rất thấp, sẽ khơng ảnh hưởng đến cơng việc bình
thường của động cơ (chẳng hạn như tiêu hao nhiên liệu, công suất) và vv . Với thế
hệ liên tục của các hạt khói cacbon, DPF bẫy nội hạt của bồ hóng hạt dần dần tăng
lên, kết quả là sức đề kháng xả tăng, tiêu thụ nhiên liệu động cơ và sức mạnh bởi sự
gia tăng áp lực khí thải trở lại. Bộ điều khiển động cơ giám sát áp suất bên trong
của DPF thơng qua cảm biến áp suất khí thải, khi bộ điều khiển động cơ giám sát
áp suất bên trong của DPF đến một giá trị nhất định, khí thải rất khó xả, điều này
làm hạn chế đáng kể năng lượng và tiết kiệm nhiên liệu của động cơ , tại thời điểm
này, bộ điều khiển động cơ điều khiển việc làm sạch và giảm các hạt bồ hóng. Các
hạt khói cacbon được thu thập trong DPF bị đốt cháy bởi nhiệt độ cao để nhận ra sự
tái sinh của DPF.
2.Hệ thống xử lý khí thải chọn lọc (SCR)
SCR là một hệ thống xử lý khí thải cơng nghệ kiểm sốt khí thải tích cực tiên tiến,
đưa một chất làm giảm chất lỏng thông qua một chất xúc tác đặc biệt vào dòng xả
của động cơ diesel
Nguồn khử mỡ thường là urê ơ tơ, cịn được gọi là Diesel Exhaust Fluid (DEF).
DEF thiết lập một phản ứng hóa học chuyển oxi nitơ thành nitơ, nước và một lượng
nhỏ carbon dioxide (CO2), các thành phần tự nhiên của khơng khí chúng ta thở, sau
đó sẽ bị thải ra qua ống xả xe.
Công nghệ SCR được thiết kế để cho phép các phản ứng giảm nitơ oxit (NOx) diễn

ra trong một bầu khí quyển oxy hóa. Nó được gọi là “chọn lọc” vì nó làm giảm các
mức NOx bằng cách sử dụng Amoniac như một chất khử trong một hệ thống chất
xúc tác.
Phản ứng hóa học được gọi là “giảm”, trong đó DEF là chất khử có phản ứng với
NOx để chuyển các chất ô nhiễm thành nitơ, nước và một lượng nhỏ CO2. DEF có
thể bị phá vỡ nhanh để tạo ra ammonia oxy hóa trong dịng thải. Cơng nghệ SCR
một mình có thể đạt được mức giảm NOx lên tới 90%.


Các hệ thống xử lý trên đường xả động cơ Diesel hiện đại
SCR (Selective Catalytic Reduction)
Ý nghĩa của hệ thống xử lý thải chọn lọc (SCR)
Công nghệ SCR là một trong những cơng nghệ tiết kiệm chi phí và tiết kiệm nhiên
liệu nhất có thể giúp giảm phát thải động cơ diesel.
SCR có thể làm giảm lượng phát thải NOx lên đến 90% đồng thời giảm lượng phát
thải HC và CO 50-90% và phát thải PM từ 30-50%. Các hệ thống SCR cũng có thể
được kết hợp với bộ lọc hạt cơ diesel để giảm lượng phát thải cho PM.
Trong ngành công nghiệp xe tải thương mại, một số nhà khai thác xe tải SCR trang
bị báo cáo mức tăng trưởng kinh tế nhiên liệu 3-5%. Ngoài ra, thiết bị ngoại vi, bao
gồm thiết bị xây dựng và nông nghiệp, phải đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải Tier 4
của EPA yêu cầu giảm tương ứng NOx, PM và các chất ô nhiễm khác.
III. Ý nghĩa của các hệ thống giảm khí thải trên xe oto:
Ơ tơ đang dần trở thành phương tiện đi lại phổ biến trên thế giới nói chung và Việt
Nam nói riêng, nó góp phần rút ngắn thời gian đi lại, vận chuyển hàng hóa, thúc
đẩy kinh tế và đời sống phát triển. Tuy nhiên, bên cạnh những lợi ích kinh tế thì
khí thải ơ tơ đang là một vấn đề đau đầu, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng ở
các thành phố lớn. Việc đặt ra các tiêu chuẩn khí xả giúp các nhà sản xuất xe luôn
cân nhắc trong việc cân bằng giữa công suất xe cũng như giảm khí xả ra mơi