Trong chương này, chúng ta sẽ nghiên cứu những biện pháp làm giảm mứcđộ phát sinh ô nhiễm ngay trong quá trình cháy củađộng cơ đốt trong cũng như các giải pháp kĩ thuật xử lí ô nhiễm trênđường xả bằng bộ xúc tác hay lọc.

7.1. Giảm mứcđộ phát sinh ô nhiễm ngay từ nguồn

Trong những thập niên tới, mối quan tâm hàngđầu của việc thiết kế động cơ là giảm mứcđộ phát sinh ô nhiễm ngay từ nguồn, nghĩa là trước khi ra khỏi soupape xả. Vì vậy, nhà thiết kế động cơ không chỉ chú trọngđơn thuần về công suất hay tính kinh tế của

động cơmà phải cân nhắc giữa các chỉtiêu đó và mức độ phát sinh ô nhiễm.

7.1.1.Động cơđánh lửa cưỡng bức

Đối với động cơ đánh lửa cưỡng bức, ba chất ô nhiễm chính cần quan tâm là NOx,

HC và CO.Ảnh hưởng tổng quát của các yếu tố kết cấu và vận hànhđộng cơ đến sự hình

thành các chất ô nhiễm nàyđãđược phân tíchở chương 6.

Ở động cơthếhệmới làm việc với hỗn hợp nghèo, người ta khống chế thêm vận

động rối của hỗn hợp nhiên liệu-không khí trong quá trình cháy để làm giảm nồng độcác

chất ô nhiễm,đặc biệt là HC. Sự tăng cường chuyểnđộng rối sẽ làm tăng tốcđộ lan tràn màng lửa và hạn chế việc xuất hiện những vùng 'chết' (gần thành buồng cháy). Gia tăng vậnđộng rối có thể thực hiện bằng cách:

- Gia tăng vậnđộng xoáy lốc của hỗn hợp trênđườngống nạp.

- Sử dụng hai soupape nạp khiđộng cơ làm việcở chế độ toàn tải và một soupape

khi làm việcở tải cục bộ

- Tạo ra một tia khí tốcđộ cao phun vàođường nạp phụ có kích thước nhỏ hơn

đường ống nạp chính.

Việc lựa chọn phương pháp phun nhiên liệu riêng rẽ cho từng cylindre hay phun tập trungở cổ gópđường nạp phụ thuộc nhiều yếu tố (khả năngđiều chỉnh, tính năng kinh tế-kỹ thuật, giá thành...). Phương pháp phun nhiên liệu cũng cóảnh hưởngđến sự hình thành các chất ô nhiễm. Thật vậy, phương pháp phun tập trung cóưuđiểm là thời gian dành cho việc bốc hơi nhiên liệu tươngđối dài dođó hạn chế được hiện tượng ngưng tụ nhiên liệu trênđườngống nạp, còn phương án phun riêng rẽ cho phép tránhđược sự

khôngđồngđều về thành phần hỗn hợp giữa các cylindre.

Việcđiều chỉnh gócđộ phối khí cũng là một biện pháp làm hài hòa giữa tính năng củađộng cơ và mứcđộ phát ô nhiễm HC và NOx. Gia tăng gócđộ trùngđiệp sẽ làm tăng lượng khí xả hồi lưu dođó làm giảm NOx. Sự thayđổi quy luật phối khí cũng gâyảnh hưởngđến sự phát sinh HC. Nhữngđộng cơ mới ngày nay có khuynh hướng dùng nhiều soupape với trục cam có thểđiều chỉnhđược gócđộ phối khí. Giải pháp này cho phép giảm nồngđộ HC và NOx từ 20đến 25% so vớiđộng cơ kiểu cũ có cùng các tính năng kinh tế-kĩ thuật.

Cuối cùng,đối vớiđộng cơ làm việc với hỗn hợp nghèo, việc làm giảm nồngđộ

NOx trong khí xả có thể được thực hiện riêng rẽ hayđồng thời hai giải pháp sauđây:

- Tổ chức quá trình trình cháy với độ đậmđặc rất thấp (f = 0,60-0,70).

- Hồi lưu một bộ phận khí xả (EGR: Exhaust Gas Recirculation)

Ngày nay, hệ thống hồi lưu khí xả được dùng phổ biến trên tất cả loạiđộng cơ

đánh lửa cưỡng bức cổ điển hay động cơthếhệmới làm việc với hỗn hợp nghèo. Nó cho

phép làm bẩn hỗn hợpở một số chế độ công tác củađộng cơ nhằm làm giảm nhiệtđộcháy

và dođó làm giảmđược nồngđộ NOx.

Về mặt kết cấu nói chung, hệ thống hồi lưu khí xả gồm một van hồi lưu, một hệ thốngđiều khiểnđiện trợ lực khí nén và một bộ vi xử lí chuyên dụng. Bộ vi xử lí này nhận tín hiệu từ các cảm biến về nhiệtđộ nước làm mát, nhiệtđộ khí nạp, tốc độ động cơ, lượng nhiên liệu cung cấp... Sau khi xử lí thông tin nhờ các quan hệ lưu trữ sẵn trong bộ nhớ, bộ vi xử lí phát tín hiệu để điều khiển hệ thốngđiện trợ lực khí nénđóng mở van hồi lưuđể cho quay ngược một lượng khí xả thích hợp vàođường nạp.

Hệ thống hồi lưu khí xả phảiđượcđiều chỉnh theo tốcđộ và tải củađộng cơ để tránh xảy ra hiện tượng cháy không bình thường làm gia tăng HC trong khí xả. Trong quá trình làm việc, vanđiều khiển khí xả hồi lưu có thể bị kẹt do sự ngưng tụ của sản phẩm cháy nên cần phải pha chất phụ gia tẩy rửa vào xăng.

7.1.2.Động cơ DieselĐối với động cơ Diesel các giải pháp kĩthuật tối ưu

làm giảm mứcđộ phát sinh ô nhiễm ngay trong buồng cháy cần phảiđược cân nhắc giữa

nồngđộ của các chất HC, NOx và bồ hóng trong khí xả.

Như chúng tađã phân tíchở chương 6, việc thayđổi góc phun sớm cóảnh hưởng

trái ngược nhauđến nồngđộ HC và NOx (hình 7.1)

Các nhà chế tạođộng cơ Dieselđãđề ra nhiều biện pháp khác nhau về kĩ thuật phun và tổ chức quá trình cháy nhằm giới hạn nồngđộ hai chất ô nhiễm này. Các biện pháp chính là:

- Tăng tốcđộ phunđể làm giảm nồngđộ bồ hóng do tăng tốcđộ hòa trộn

nhiên liệu-không khí.

- Tăng áp suất phun,đặc biệt làđối vớiđộng cơ phun trực tiếp.

-Điều chỉnh dạng quy luật phun (quan hệlưulượng-thời gian) theo khuynh hướng

kết thúc nhanh quá trình phunđể làm giảm HC.

Đối với động cơ Diesel, dạng hình học của buồng cháy ảnh hưởng đến mức độ

phát sinh ô nhiễm quan trọng hơn làđối vớiđộng cơ xăng. Cũng như động cơ xăng, hồi lưu khí xả là một trong những biện pháp hiệu quả nhấtđể giảm mứcđộ phát sinh NOx trongđộng cơ Diesel. Tuy nhiên, về mặt kết cấu, hệ thống hồi lưu khí xả trênđộng cơ Diesel phức tạp hơn vìđộ chân không trênđường nạp quá bé khôngđủ sức mở van hồi lưu. Vì vậy, ngoài bộ vi xử lí chuyên dụng, vanđiện từ trợ lực khí nén và van hồi lưu, hệ thống còn có một bơm tạo chân không (hình 7.2). Mặt khác, người ta cũng sử dụng thêm các phương pháp phụ sauđâyđể tăngđộ chân khôngđể hút khí xả vàođường nạp:

- Tiết lưu trênđường nạpđể tạo rađộ chân không cần thiết

- Sử dụng một bơmđặc biệtđể hút khí xả

- Trích khí cháy hồi lưuở trước turbine và sau khiđã qua lọc

Hiện nay, tỉ lệ khí xả hồi lưu củađộng cơ Diesel trên ô tô du lịch còn thấp. Trong tương lai, chắc chắn tỉ lệ này phải tăng lênđể thỏa mãn luật môi trường ngày càng trở nên khắt khe hơn. Tuy nhiên, khí xả hồi lưu có thể làm tăng một ít nồngđộ bồ hóng (hình 7.3) vàđó làđiều cần phải xem xét. Cũng như đối vớiđộng cơđánh lửa cưỡng bức, khí xả hồi lưu là nguồn gây bẩnđường nạp và buồng cháy. Vì vậy, việc sử dụng rộng rãi hệ thống hồi lưu khí xả trênđộng cơ Diesel cần phảiđi song song với việc phát triển dầu Diesel có chứa chất tẩy

Cuối cùng, trong tương lai, việc hoàn thiện bộđiều chỉnhđiện tử tổ hợp, tácđộng cùng lúcđến nhiều thông số: góc phun sớm, lượng nhiên liệu chu trình, lượng khí xả hồi lưu... lắp trên xe du lịch cũng như xe vận tải sẽ góp phầnđáng kể vào việc làm giảm mức

độ phát ô nhiễm ngay từ trong quá trình cháy.

7.2. Xử lí khí xả bằng bộ xúc tác

Việc xử lí khí xả động cơ đốt trong bằng bộ xúc tácđãđược nghiên cứu và phát triểnở Mĩ cũng nhưở Châu Âu từ những năm 1960.Đầu tiên, người ta sử dụng các bộ xúc tác oxy hóa trên nhữngđộng cơ hoạtđộng với hỗn hợp giàu. Sauđó, hệ thống xúc tác lưỡng tínhđãđược phát triểnđể xử lí khí xả. Hệ thống này bao gồm bộ xúc tác khử, bộ cung cấp không khí và bộ xúc tác oxy hóa. Bộ xúc tác 'ba chức năng'đầu tiênđượcđưa vào sử dụng từ năm 1975 trênđộng cơđánh lửa cưỡng bức làm việc với hệ số dư lượng không khí a xấp xỉ 1 và trở thành bộ xúc tácđượcứng dụng rộng rãi nhất hiện nay. Từ năm 1990, các bộ xúc tác mớiđược áp dụng trênđộng cơđánh lửa cưỡng bức làm việc với hỗn hợp nghèo,động cơ Diesel vàđộng cơ 2 kì.

Trong khi chờ đợi những giải pháp kĩ thuật lí tưởng nhằm hạn chế triệtđể các chất ô nhiễm từ trong quá trình cháy thì việc xử lí khí xả bằng xúc tác là biện pháp hữu hiệu nhấtđể giảm mứcđộ phát sinh ô nhiễm của ô tô. Người taước tínhđến năm 2000-2005 sẽ có hơn 80% ô tô lưu hànhđược trang bị bộ xúc tác.

7.2.1. Bộ xúc tác ba chức năng

Bộ xúc tác 'ba chức năng' (three-way) là bộ xúc tác cho phép xử líđồng thời CO, HC và NOx bởi các phảnứng oxy hóa-khử (hai chấtđầu tiên bị oxy hóa còn chất thứ ba bị khử)

Oxyhóa

CO+1/2O2>CO2

CxHy+(x+Y/4 O2)>xCO2+Y/2 H2o

Khu

NO+CO>CO2

NO+CO>1/2 N2 +CO2

(2x+Y/2)NO+CxHy>(X+Y/4)N2 +xCO2 +y/2 H2O

Hai phảnứng oxy hóa diễn ra khi độ đậmđặc f nhỏ hơn hay bằng 1 (hỗn hợp nghèo). Trong khiđó, ba phảnứng phân hủy NO diễn ra thuận lợi trong hỗn hợp giàu. Trong các phảnứng khử, người ta chỉ quan tâmđến NO vì nó là thành phần chủ yếu trong NOx.

Trong cùngđiều kiện về nhiệtđộ, việc oxy hóa CO, HC và khử NOx (nghĩa là 5 phảnứng kể trên phải diễn ra cùng lúc với tốc độ đủ lớn), chỉ có thể diễn ra một cáchđồng thời khi hệ số dư lượng không khí của hỗn hợp nạp vàođộng cơ xấp xỉ 1.Đó là lí do giải thích tại sao tất cả ô tô có bộ xúc tác ba chức năng phải làm việc với tỉ lệ hỗn hợp cháy hoàn toàn lí thuyết và tỉ lệ nàyđược điều chỉnh nhờcảm biến lambda. Tỉlệbiến đổi các chất ô nhiễm qua bộ xúc tác rất nhạy cảmđối với sự thayđổi tỉ lệ hỗn hợp (hình 7.4).

Mặt khác, việc duy trì thành phần hỗn hợp có f=1 ngoài việc tăng tỉ lệ biếnđổi các

chất ô nhiễm nó còn hạn chế phảnứng 'nhiễu' tạo N2O (protoxyde nitơ):

2NO+CO>N2O+CO2

2NO+H2>N2O+H2O

2NO+hyrocarbure>N2O+H2O+CO2

cuong do be nhat xap xi =1

Hệ thống xúc tác bao gồm gộpđỡ (support) và lớp kim loại hoạt tính. Ngày nay

gộp bằng gốm hay kim loại liền một khối, gọi là monolithe,được dùng rộng rãi nhất. Gộp

đỡ monolithe là những ống trụtiết diện tròn hay ovale bên trong được chia nhỏbởi những

vách ngăn song song với trục. Mặt cắt ngang của bộ phận công tác vì vậy có dạng tổ ong với tiết diện tam giác hay vuông.Đối vớiđộng cơ có công suất khoảng 100kW, tiết diện tổng cộng cần thiết của các phần tử công tác khoảng 130cm2 và thể tích tổng cộng của monolithe khoảng 2-3 lít (0,02-0,03 dm3/kW).

Vật liệu gồm dùng phổ biến là cordiérite: 2MgO,2Al2O3,5SiO2. Vật liệu này cóưu

điểm là nhiệt độ nóng chảy cao (1400°C) dođó nó có thể chịuđựngđược nhiệtđộ khí xả

và nhiệtđộ xúc tác (đôi lúc lênđến 1100°C).

Gộpđỡ monolithe kim loại ngày nay có nhiềuưu thế hơn. Nóđược chế tạo bằng

thép lá không rỉ có bề dày rất bé.Ưuđiểm của kim loại là dẫn nhiệt tốt cho phép giảm

được thời gian khởi động hệthống xúc tác.

Lớp hoạt tính là nơi diễn ra các phảnứng xúc tácđược chế tạo bằng những kim loại quý mạ thành lớp rất mỏng trên vật liệu nền (wash-coat). Vật liệu nền rất cần thiết vì gộpđỡ (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 micronđược tráng trên bề mặt của rãnh gộp. Sự hiện diện của nó cho phép làm tăng bề mặt riêng của gộp dođó thuận lợi cho hoạt tính xúc tác của kim loại quý. Ngoài nhôm ra, vật liệu nền còn chứa những thành phầnổnđịnh cũng như những kim loại khởiđộng cho hoạt tính xúc tác.

Có 3 loại kim loại quý thườngđược dùngđể tráng trên bề mặt của vật liệu nền: Platine, Palladium, Rhodium. Hai chấtđầu tiên (Pt, Pd) dùng cho các phảnứng xúc tác oxy hóa, trong khiđó Rh cần thiết cho phảnứng xúc tác khử NOx thành N2. Thành phần Pt/Pdđược lựa chọn dựa trên một số yêu cầu về tính năng của bộ xúc tác: hiệu quả xúc tác

ởnhiệt độthấp, độbền, tuổi thọ... Khối lượng kim loại quý dùng cho mỗi bộ xúc tác rất

thấp, khoảng từ 1đến 2 gam cho mỗi ô tô.

Ngoài ra, bộ xúc tác cũng chứa những chất khác như kền, cérium, lanthane, baryum, zirconium, sắt, silicium... với hàm lượng bé. Những chất này tăng cường thêm hoạt tính xúc tác, tínhổnđịnh và chống sự lão hóa của kim loại quý.

7.2.1.2. Khởiđộng bộ xúc tác

Bộ xúc tác ba chức năng chỉ phát huy tác dụng khi nhiệtđộ làm việc lớn hơn 250°C. Khi vượt qua ngưỡng nhiệtđộ này, tỉ số biếnđổi những chất ô nhiễm của bộ xúc tác tăng rất nhanh,đạt tỉ lệ lớn hơn 90%. Dođó, trên ô tô bộ xúc tác chỉ tácđộng sau một khoảng thời gian khởiđộng nhấtđịnhđể nhiệtđộ của bộ xúc tácđạtđược giá trị ngưỡng này. Trong khoảng thời gianđó, các chất ô nhiễm trong khí xả hầu như khôngđược xử lí. Thực nghiệm cho thấy bộ xúc tácđạtđược nhiệtđộ ngưỡng sau khi ô tô chạyđược từ 1

đến 3 km trong thành phố

A. Tácđộng của chì

Tác hại của chìđến bộ xúc tác có thể do nhiều hợp chất hóa học của nó hình thành trong quá trình cháy gây ra (các oxyde, halogénure, sulfate). Tác hại của chì là phủ lên mặt chất xúc tác một lớp kim loại trơở nhiệtđộ cao và chèn kín các lỗ xốpở nhiệtđộ thấp. Những chất halogène, chlor và brome, chính chúng cũng làm giảm dần tính năng của bộ xúc tác do chúng bị hấp thụ trên bề mặt kim loại quý.

Hình 7.6:Ảnh hưởng của chìđến bộ xúc tác 3 chức năng

Vì vậy, phải tránh việc sử dụng xăng pha chìđối vớiđộng cơ cóống xả xúc tác. Tuy nhiên, xăng pha chì không hủy hoàn toàn hoạt tính xúc tác. Tính xúc tác có thể được phục hồi lại một phần khi sử dụng xăng không pha chì (hình 7.6)

B. Tácđộng của phosphore

Sự hiện diện của phosphore trong nhiên liệu gâyảnh hưởng rất nghiêm trọngđến bộ xúc tác. Phosphore một mặt gây ra sự sai lệch tín hiệu của cảm biến lambda và mặt khác, làm giảm hiệu quả của bộ xúc tác, nhất làđối với việc oxy hóa CO

Trong thực tế, nhiên liệu thông thường có hàm lượng phosphore nhỏ hơn 0,02ppm. Mặt khác, phosphore trong khí xả cũng có thể bắt nguồn từ chất chống mòn pha trong dầu bôi trơn (dialkyldithiophosphate kẽm). Tuy nhiên, hàm lượngđó khôngđủ gây ra những tác hạiđáng kể đối với bộ xúc tác.

C. Tácđộng 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 trongđiều kiện hỗn hợp tươngđối 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 còn có thể gây ra một hiện tượng bất lợi khác: phát sinh những bọng khí H2S trong một sốđiều kiện làm việc, chẳng hạn khi khởiđộngở trạng thái nguội hay khi chạy không tải sau giaiđoạn giảm tốc. Thật vậy, khiđộng cơ làm việc với hỗn hợp tươngđối nghèo, lưu huỳnhđược lưu trữ dưới dạng sulfate, chủ yếu là sulfate cerium. Hợp chất này sauđó biến thành H2S khi thành phần nhiên liệu-không khí tức thời chuyển sang giàu.Để chống lại hiện tượng này, người ta pha vào kim loại xúc tác một hàm lượng kền rất bé. Giải pháp nàyđược áp dụngở Mĩ nhưng khôngđược áp dụngở Châu Âu dođộc tính của kền.

D. Lớp bám carbon

Khi ô tô có bộ xúc tác ba chức năngđược sử dụng thường xuyên trên những quãng

đường ngắn, sựlập lại thường xuyên quá trình khởi động, quá trình đòi hỏi hỗn hợp giàu,

có thể gây ra một lớp thanđáng kể bám trênống xả xúc tác. Khiđó cần một nhiệtđộ cao thì bộ xúc tác mới khởiđộngđược. Tuy nhiên tácđộng của lớp thanđến bộ xúc tác có thể khửđi khiđốt cháy nó bằng nhiệtđộ cao. Bộ xúc tác trở lại tính năng banđầu sau khi hết lớp than.

7.2.2. Bộ xúc tác oxy hóa dùng chođộng cơ Diesel

Bộ xúc tác oxy hóa Diesel hiện nay chưađược phổ biến rộng rãi như bộ xúc tác ba chức năng củađộng cơ xăng vì mứcđộ phát sinh ô nhiễm củađộng cơ Diesel về CO và HC còn nằm trong giới hạn cho phép, chưa cần thiết phải sử dụng thiết bị xử lí trênđường xả. Mặt khác, bộ xúc tác oxy hóa không có tác dụngđối với NOx và chỉ có tác dụng rất giới hạnđối với bồ hóng.

7.2.2.1.Đặcđiểm của bộ xúc tác vàđiều kiện sử dụng:

Khí xả củađộng cơ Diesel có chứa bồ hóng và một lượng bé CO, HC do hệ số dư lượng không khí lớn. Trên nguyên tắc, sự xúc tác oxy hóa diễn ra thuận lợi. Khó khăn duy nhất liên quanđến nhiệtđộ môi trường phảnứng thấp. Hình 7.7 cho thấy nhiệtđộ môi trường cần phảiđạtđến 200°C thì bộ xúc tác mới bắtđầu khởiđộng.

Vào khoảng 300°C, bộ xúc tác bắtđầu oxy hóađồng thời SO2 thành SO3. Các chất

này do lưu huỳnh trong nhiên liệu tạo ra.Đây là một hiện tượng rất xấu vì nó làm gia tăng mứcđộ phát sinh hạt rắn (hình 7.8). Mặt khác, sau khi hình thành, SO3 có thể biến thành acid sulfuric ngậm nước và chất này bị giữ lại một phần trên lọc làmảnh hưởng rấtđáng kể đến tuổi thọ của lọc. Vì vậy, việc sử dụng bộ xúc tác oxy hóa trênđộng cơ Diesel cần phảiđi kèm với việc sử dụng nhiên liệu có thành phần lưu huỳnh rất thấp. Trên cơ sởđiều kiện kĩ thuật này, Liên Hiệp Châu Âu đã đề ra tiêu chuẩn giới hạn lưu huỳnh trong nhiên liệu Diesel khôngđược vượt quá 0,05% áp dụng từ ngày 1 tháng 10 năm 1996.

ề mặt kết cấu, kim loại quý dùng cho bộ xúc tác oxy hóa Diesel chủ yếu là Platine và Palladium hoặc hợp kim của hai chất này, trongđó Palladiumđượcưa chuộng hơn vì nó khó oxy hóa SO2 thành SO3

ự hiện diện của lưu huỳnh trong dầu Diesel, ngay cả khi hàm lượng rất bé, cũng

gâyảnh hưởngđáng kể đến hoạt tính của bộ xúc tác,đặc biệt là nó làm tăng nhiệtđộ khởi

động của bộ xúc tác (hình 7.9). Tuy nhiên bộ xúc tác có thểphục hồi được đặc tính ban

đầu khi động cơsửdụng nhiên liệu không chứa lưu huỳn

7.2.2.2. Hiệu quả của bộ xúc tác oxy hóa Diesel

Như trênđã nêu, việc sử dụng bộ xúc tác oxy hóa phải kèm theo việc sử dụng nhiên liệu Diesel không chứa lưu huỳnh. Thử nghiệmđộng cơ ô tô nhẹ theo chu trình ECE+EUDC cho thấy bộ xúc tác oxy hóa trênđộng cơ Diesel có thể làm giảm trung bình 35%đối với CO, 30%đối với HC, 25%đối với hạt rắn hòa tan (SOF).

7.2.3. Khử oxyde nitơ trong môi trường có sự hiện diện của oxy

Kĩ thuật này thườngđược gọi là 'khử NOx'được dùng trênđộng cơđánh lửa cưỡng bức làm việc với hỗn hợp nghèo và trênđộng cơ Diesel. Nó làđối tượng nghiên cứu của rất nhiều công trình nhưng cho tới nay kĩ thuậtđó vẫn chưađược triển khai trong công nghiệp. 'Khử NOx' là vấnđề mấu chốt trong xử lí khí xả trênđường thải, vì ngày nay ngoài hệ thống hồi lưu khí xả khả dĩ làm giảm NOx ngay trong quá trình cháy (nhưng gây ra những nhượcđiểm về tính kinh tế-kĩ thuật củađộng cơ), chưa có một giải pháp kĩ thuật nào nào khả dĩ khử được NOx đối với hai loại động cơvừa nêu, mà chính hai loại động cơ

đólại là những động cơ có rất nhiều ưu thếvề tính năng kinh tế-kĩthuật.

Bộ xúc tác khử NOx chủ yếu là giảm oxyde nitric NO, chất chiếmđại bộ phận

trong NOx. Sự phân giải NOđược viết như sau

2NO>N2+O2

Về phương diện nhiệtđộng học, phảnứng trên hoàn toàn có thể xảy ra nhưng với

tốcđộ phảnứng rất thấp

Một phương án khác,đãđược áp dụng trênđộng cơ tàu thủy cỡ lớn là thêm chất

phụ gia ammoniac hay uré (NH2-CO-NH2) trong khí xả và xử lí toàn bộ hợp chất nhận

được trên bộ xúc tác nền oxyde titan phủlớp oxyde vanadium, chất có khảnăng hấp thụ

mạnh những chất khử. Khiđó, phảnứng xúc tác tổng quátđược viết như sau

NO+NH3+1/4O2>N2=!/2H2o

Phảnứng trên cho phép loại trừ được 70-80% NO chứa trong khí xả. Tuy nhiên, kĩ

thuật này hiện nay chưađược áp dụng trênđộng cơ ô tô (thời gian tiếp xúc cần thiết lớn,

độc tính của ammoniac...)

Các nghiên cứu mớiđâyđược tiến hành theo hướng khử NO bằng hydrocarbuređã

có mặt hayđược cung cấp thêm vào trong khí xả. Phảnứng khử được viết như sau

NO+Hyvrocarbure>N2+CO2+H2O

Phảnứng trên thực tế xảy ra với tỉ lệ biếnđổi từ 40-80% nhờ bộ xúc tácđồng phủ trên nền zéolithe hay platine phủ trên nền zéolithe. Tuy nhiên,điều kiện trong khí xả động cơ còn khác biệt nhiều so vớiđiều kiện thí nghiệm tốiưuđối với phảnứng trên vì:

- Nhiệtđộ khí xả quá thấp (150-250°C so vớiđiều kiện thí nghiệm 400-500°C).

- Nồngđộ hydrocarbure khôngđủ (thấp hơnđiều kiện thí nghiệm từ 20-40 lần).

Tuyđiều kiện thực tế còn khác biệt nhiều so vớiđiều kiện thí nghiệm nhưng phương pháp khử NOx bằng hydrocarbure có rất nhiều hứa hẹn. Hình 7.10 giới thiệu một vài kết quả được công bố trong những năm gầnđây.

Ngoài những khó khăn vừa nêu, trước khiđưa bộ xúc tác khử NOxbằng hydrocarbure vàoứng dụng trong công nghiệp, người ta cũng cần phải giải quyết một số vấnđề kĩ thuật khác chẳng hạn như khống chế phảnứng tạo N2O và kéo dài tínhổnđịnh của bộ xúc tác theo thời gian. Trong thực tế, bộ xúc tác khử NOx ở động cơ Diesel không cần phảiđạt tính năng cao như bộ xúc tác ba chức năng. Tỉ số biếnđổi NOx chừng 30- 40% là có thể chấp nhậnđược. Cũng giống như các bộ xúc tác khác, việc xử dụng bộ xúc tác khử NOx trênđường xả động cơ Diesel cần phảiđi kèm với việc sử dụng nhiên liệu không chứa lưu huỳnh

7.3. Lọc hạt rắn

Nhờ những thành tựu trong nghiên cứu hoàn thiện việc tổ chức quá trình cháy trongđộng cơ Diesel mà trong hai mươi năm qua, mứcđộ phát sinh hạt rắn củađộng cơ Dieselđã giảmđi rất nhiều. Mứcđộ phát sinh bồ hóng củađộng cơ Diesel lắp trên ô tô du lịchở Châu Âuđã giảm từ 0,50 g/km xuống 0,08g/km, thỏa mãn tiêu chuẩn ô nhiễm năm 1996 của EU. Với tốcđộ tiến bộ như hiện nay trong nghiên cứu quá trình cháy và nâng cao tính chất nhiên liệu, trong những năm tớiđây, các thế hệ động cơ Diesel mới có thể thỏa mãnđược tiêu chuẩn Euro 2000 (khoảng 0,05 g/km).

Nghiên cứu hoàn thiện quá trình cháy có thể làm giảm nồngđộ bồ hóng trongđiều kiện cháy bình thường. Tránh tập trung nhiên liệuở những vùng có nhiệtđộ cao làđiều kiện tiên quyếtđể hạn chế mứcđộ phát sinh bồ hóng. Tuy nhiên, trên các phương tiện vận tảiđộng cơ thường xuyên tăng giảm tải trong khi vận hành vàđó là nguyên nhân cơ bản phát sinh bồ hóng trongđộng cơ Diesel hiệnđạ

Cải tiến hình dạng buồng cháy, thayđổi thành phần nhiên liệu, pha các chất phụ gia... có ít nhiều tác dụng làm giảm nồngđộ bồ hóng trong khí xả. Giảm công suấtđộng cơ cũng là cách giảm nồngđộ bồ hóng nhưng công suấtđộng cơ Diesel càng lớn thì hiệu quả kinh tế càng cao. Các nhà khoa họcđã vàđang ra sức tìm kiếm các giải pháp hoàn thiện quá trình cháy trongđộng cơ Dieselđể giảm nồngđộ bồ hóng trong khí xả đến mức thấp nhất.

Tuy nhiên cho dù nồngđộ bồ hóng trong khí xả Diesel giảmđi nhiều, nó vẫn luôn là mối quan tâm của các nhà khoa học vì bồ hóng rất dễđi sâu vào phổi, bị giữ lạiở phế nang gây nhiều tác hạiđối với cơ quan hô hấp. Người ta thấy rằng trong số những hạt bụi có mặt trong khí quyển thì những hạt có kích thước tươngứng với hạt bồ hóng bị giữ lại trong phổi dễ dàng nhất và tồn tạiở đó trong thời gian dài nhất.

Chính vì lẽđó, việc lọc bồ hóng trênđường xả củađộng cơ Diesel rấtđược quan

tâm trong những năm gầnđây cho dù kĩ thuật này còn phức tạp và tốn kém.

Bồ hóng trong khí xả có kích thước rất bé.Đa số hạt bồ hóng (hơn 90% số hạt) có

đường kính trung bình khoảng 1µm. Lọc hạt cỡ này rất khó vì nó sẽ gây tổn thất lớn trên

đường thải. Hạt bồ hóng xốp, có khối lượng riêng trung bình khoảng 0,07g/cm3 nên lọc bị

tắt rất nhanh. Làm sạch thường xuyên bồ hóng bám trên lõi lọc làđiều kiện cần thiếtđể

đảmbảo lọc hoạt động bình thường. Lọc bồ hóng tập trung giải quyết hai vấn đềcơbản đó

là lựa chọn kĩ thuật lọc và phương pháp tái sinh lọc.

7.3.1. Kĩ thuật lọc

bồ hóng

Có nhiều phương án lọc bồ hóng khác nhau nhưng nhìn chung chúng dựa trên cùng nguyên tắc là bẫy hạt bồ hóng.

Hình 7.11 : Lõi lọc

1. Kĩ thuật lọc

Hai mươi năm qua, nhiều công trình nghiên cứu về lọc bồ hóngđãđược tiến hành nhưng chưa có một loại lọc nàođượcứng dụng rộng rãi. Giá thành lọc vẫn còn cao, hệ thống lọc còn phức tạp và tuổi thọ của lọc thấp. Lọc chế tạo bằng vật liệu gốmđãđược áp dụng từ năm 1981. Hiệu quả lọc của chúng rất cao (có thể đạt 90%), nhưng sự phát triển loại lọc này còn bị hạn chế do chưa tìm rađược một hệ thống tái sinh tin cậy với giá thành hạ. Thành lọc có bề dày 0,3mm, vật liệu cóđộ xốp 40÷50% vớiđường kính lỗ xốp trung bình 14µm. Lõi lọcđược chế tạo thành dạng tổ ong vàđược làm kínở mộtđầu xen kẽ nhau (hình 7.11). Khí xả vàođầu hở của lọc, khi qua các lỗ xốp của thành bồ hóng bị giữ lại. Trong lõi lọc hiệnđại, dâyđiện trở được bố trí trong thành gốm để đốt bồ hóng trong quá trình tái sinh. Lọc bằng vật liệu gốm thường hay bị nứt hỏng doứng suất nhiệt khi tái sinh và xung lực của dòng khí thải.

Lọc gốm monolithe là dạng lọcđược nghiên cứu và thử nghiệm nhiều nhất kể từ khiđề ra giải pháp lọc bồ hóng. Lọcđược cải tạo từ gộp của bộ xúc tác ba chức năng bằng cách làm kín xen kẽ đầu các rãnh thông sao cho khí thải buộc phải qua lớp xốp của thành gốm ngăn cách hai rãnh thông liền nhau (hình 7.12). Phương pháp lọc này gọi là phương pháp 'thổi qua tường' (wall flow). Hiệu quả của lọc rất cao (lớn hơn 90%) nhưng trở lực trênđường xả lớn và gradient nhiệtđộ trong lõi lọc cao khi tái sinh lọc. Vật liệu gốm thườngđược sử dụng là cordiérite (2MgO,2Al2O3,5SiO2) hoặc carbure silic (SiC).

Hình 7.12: Lõi lọc gốm

Lọc sợi gốmđược chế tạo từ sợi silic hay hỗn hợp oxyde nhôm và silic,được cuộn thành lớp dày khoảng 10-12mm quanh nhữngống bằng kim loại cóđường kính 40mm. Khí xả di chuyển từ bên trongống ra ngoài. Lớp sợi này tạo thành lưới lọc vớiđường kính trung bình của lỗ khoảng 10 micron. Dạng lọc này cóưuđiểm là ít chịuảnh hưởng của

ứng suất nhiệt và cơ khí, hiệu quảlọc vừa phải (75-80%).

Lọc lưới sợi gốm vừa mớiđược phát triển trong những năm gầnđây nhưng có rất nhiều hứa hẹn. Những sợi gốm cóđường kính chừng 10 micronđượcđan lại thành tấm (hình 7.13) mà dạng lỗ trốngđược tốiưu hóa để đảm bảo hiệu quả lọc cao nhất vàđộ cứng vững chấp nhậnđược. Các tấm nàyđược dệt theo phương pháp cổđiển của công nghệ dệt. Hiệu quả lọc,độ chịuđựng gradient nhiệt và rungđộng cơ học của lõi lọc này rất tốt.

Lọc bằng sợi thép mạ nhôm có quy trình chế tạođơn giản hơn. Nó cóưuđiểm chịu

được sựthay đổi nhiệt độ, rung động và xung lực của khí xả. Thể tích của lõi lọc và kích

thước của sợi lọcđược xácđịnh theo lưu lượng khí xả và tổn thất áp suất cho phép. Sợi

thép sau khi mạ nhôm có bề dày 0,2mm là tốiưu nhất (hình 7.14).

Lõi lọc bằng kim loại xốpđược áp dụng trong những năm gầnđây. Kim loại xốp có tên gọi là Celmet,đó là hợp kim Ni-Cr-Al, có thể chịuđựngđược nhiệtđộ 700oC trong 300 giờ. Tổn thất áp suất chỉ bằng khoảng 1/10 so với lọc bằng vật liệu gốm thông thường. Lọc Celmet cóđường kính lỗ xốp trung bình khoảng 500µm (hình 7.15). Kích thước lỗ có thểđiều chỉnh bằng cách gây biến dạng lõi lọc hay ghép chồng lên nhau nhiều tấm lọc

đồng trục. Thường lõi lọc gồm hai lưới lọc hình trụ được bốtrí đồng trục và giữa hai lõi

lọc này người ta bố trí mộtđiện trở để tái sinh lọc. Khí xả vào không gian giữa hai lưới và thoát qua các lỗ xốp của chúng. Bồ hóng bám trên thành lọcđượcđốtđịnh kì bằng bức xạ củađiện trở. Do không gian giữa hai lưới lọc nhỏ nên công suấtđiện tiêu tốn chođiện trở

đốt cũng giảm

Lưới lọc tĩnhđiệnđược áp dụng trong các thiết bị lọc bụi công nghiệp cũng có nhiều triển vọngđược sử dụng trong các bộ lọc bồ hóngđộng cơ Diesel.Ưuđiểm của loại lọc này là có thể kết hợp giữa nguyên lí lọc lưới cổđiển và lọc tĩnhđiện. Nó gồm các lưới bằng thép không rỉ, cáchđiện vàđặt xen kẽ nhau. Chúngđược nối lần lượt các cực âm, dương của accu. Khi dòng khí thảiđi qua lưới, những hạt bồ hóng kích thước lớn bị giữ lại và những hạt nhỏ thoát qua lọc nhưng bị nhiễmđiện. Những hạt này sauđó bị giữ lại bằng lực hút tĩnhđiện trên lưới lọc phía sau cóđiện thế trái dấu (hình 7.16a).Điện áp càng lớn, hiệu quả lọc càng cao (hình 7.16b).

Lọc bằng cách ngưng tụ hơi nước

đểhấp thụbồ hóng hiện cũng đang được

nghiên cứu. Khí xả qua bộ lọcđược làm lạnhđến dướiđiểm ngưng tụ hơi nước (khoảng 50oC) bằng một lưới gồm những

ống làm lạnh có đuờng kính bé. Khi dòng

khí xảđi qua, hạt bồ hóng bị giữ lại trên bề mặt những giọt nước ngưng tụ. Nước và bồ hóng sauđóđược chứa vào bình ngưng vàđịnh kì chúngđược lấy rađể xử lí.

7.3.2 Tái sinh lọc

Như trênđã phân tích, trong quá trình sử dụng, lọc bị tắc rất nhanh nên phải tái sinh lọcđể tránh tổn thất áp suất trênđường xả. Khi hiệu quả lọc càng cao thì lọc càng nhanh bị tắc. Lượng bồ hóng phát sinh trung bìnhđối với ô tô Diesel du lịch là 0,10g/km, dođó lọc phải giữ lại 100g bồ hóng trên quãngđường 1000km. Với khối lượng riêng bồ hóngước chừng 0,075g/cm3, thì lượng bồ hóng vừa nêu chiếm một thể tích 1,3 lít.Đối với ô tô hạng nặng (xe tải, bus) thì khối lượng và thể tích bồ hóng phát sinh trên cùng quãng

đường sẽgấp 10 lần so với ô tô du lịch! Sự tích tụbồ hóng trên lõi lọc gây trởlực trên

đường xả và do đó làm giảm tính năng của động cơ (khi tổn thất áp suất bắt đầu vượt 100-

150 mbar).

Các giải pháp thông thường làđốt, rung, rửa hay dùng dòng khí thổi ngược.Đốt bồhóng

là phương phápđược áp dụng rộng rãi nhất. Thực nghiệm cho thấy sự oxy hoá bồ hóng bắtđầu với tốcđộ thấpở 300°C và gia tốcở 400°C trong không khí hay dòng khí có chứa 10% oxy. Bồ hóng bám trên lọc có thể bị đốt cháy hoàn toànở nhiệtđộ 540°C vớiđiều kiện cóđủ oxy. Nhiệtđộ tái sinh càng cao, thời gianđốt hoàn toàn bồ hóng càng giảm. Nhiệtđộ cao của khí xả có thể tạo ra nhờ thayđổi chế độ làm việc củađộng cơ, tiết lưu trênđường nạp hay thêm những thiết bị phụ như bộ sấyđiện trở, vòiđốt,đuốc xúc tác.... Phương pháp gia nhiệt khí thải bằngđiện trở không mấy triển vọng vì đòi hỏi công suất

điện lớn. Dùng vòi đốt bằng nhiên liệu Diesel trong đường xảhay đuốc xúc tác đểgia

nhiệt dường như có nhiều triển vọng nhất.

Hình 7.17 giới thiệu bộ đốt bồ hóngđể tái sinh lọc. Hệ thống này làm việc một cách tự động. Trở lực trênđường xả đượcđo liên tục và ghi vào bộ nhớ ECU. Khi p≥ pmax, ECU khởiđộng vòiđốt. Nhiên liệuđược phun bằng khí nén. Ngọn lửađược khơi mào bằng tia lửađiện xuất hiện giữa haiđiện cực của bộđánh lửa. ECU cắt nhiên liệu qua vòiđốtđể kết thúc quá trình tái sinh khi áp suất trênđường xả nhỏ hơn một giá trị định trước.

Nguyên lí củađuốc xúc tác là phun nhiên liệu hydrocarbure (lỏng hay khí) vào bộ

xúc tácđặt trongđường xả. Sự toả nhiệt do oxy hóa lượng nhiên liệu này làm tăng nhiệt

độkhí để oxy hóa bồ hóng. Hệthống tái sinh kiểu đuốt xúc tác chỉgồmmột bộtạo xúc tác

đơn giản do đó giá thành hạ. Các nghiên cứu gần đây cho thấy một số oxyde kim loại có

khả năng làm giảm nhiệtđộ xúc tác bồ hóng xuống xấp xỉ nhiệtđộ khí xả khiđộng cơ làm việc bình thường (350°C). Sự Oxy hoá graphite trên oxydeđồng chẳng hạnđược biểu diễn bởi hai phảnứng sau:

C+2CUO>CO2+2Cu

2Cu+O2>2CUo

goài ra, các chất hoạt tính xúc tác khác như Oxide Vanadium V2O5 , Oxyde

Cobal Co3O4/ CoO, Oxyde Cerium CeO2, Oxy kẽm ZnO, Oxyde Nikel NiO... cũng có thể

được dùng đểchếtạo bộ xúc tác bồ hóng. Hình 7.18 giới thiệu hiệu quả xúc tác của các

chất khác nhauđối với bồ hóng. Khiđộng cơ Diesel làm việc với tải trung bình, nhiệtđộ khí xả có thể đạtđến giới hạn cần thiết cho quá trình xúc tác. Trong trường hợpđộng cơ làm việcở chế độ tải thấp, cần gia nhiệt thêm cho khí thải nhưng năng lượng bổ sung thấp hơn nhiều so với các bộ tái sinh lọc khác. Bộ xúc tác còn có tác dụngđốt những hydrocarbure nặng mà những chất này có thể thoát ra ngoài nếu chỉ dùng lọc bồ hóng thông thường.

Dựa vào tính chất xúc tác của một số hợp chất hóa học người ta cũng có thể đốt cháy lớp bồ hóng bám trên lõi lọcđể tái sinh lọc. Chất xúc tác có thể được tráng trên thành lõi lọc hay phun ngay trước lọc. Nó cũng có thể được pha vào dầu Diesel dưới dạng các chất phụ gia. Những chất này không những cho phép làm giảm nhiệtđộ tự cháy của bồ hóng mà còn làm tăng tốcđộ oxy hóa

Việc lắpđặt bộ xúc tác ngay trong lọc là tươngđối hiệu quả nhất, nhất là trường hợp mà gộp lọc làm bằng sợi gốm hay sợi kim loại. Tuy nhiên, trong trường hợpđó nó cũng oxy hóa lưu huỳnh chứa trong nhiên liệu dẫnđến sự phát sinh SO3 và acide sulfuric làm giảm tuổi thọ của lọc. Vì vậy, bộ xúc tác này chỉ có lợi khi dầu Diesel chứa hàm lượng lưu huỳnh rất thấp.

Một kĩ thuật tái sinh khác là phun hóa chất ngay trước lọc khi tiến hành quá trình tái sinh. Phần lớn các hóa chất nàyđều có hoạt tính xúc tác riêng, chúng kích hoạt những chất xúc tácđã chứa trong lọc hay làm gia tăng nhiệtđộ tạođiều kiện thuận lợi cho bộ xúc tác hoạtđộng.

Việc pha chất phụ gia vào dầu Diesel vừa có thể làm giảm bồ hóng ngay tại nguồn vừa tạođiều kiện thuận lợiđể thực hiện quá trình tái sinh lọc bằng cách giảm nhiệtđộ cháy của bồ hóng. Pha chất phụ gia vào nhiên liệu cho phép tái sinh lọc một cách liên tục, không cần tácđộng gìđếnđộng cơ hoặcđến lọc. Hình 7.19 giới thiệu daođộng của trở lực

đường thải và nhiệt độgiữa đầu vào và đầu ra của lọc bồ hóng trong trường hợp dầu

Diesel có pha chất phụ gia

Tái sinh lọc bằng phun ngược không khí cũngđược các nhà chế tạo ô tô quan tâm. Trong trường hợpđó, lọc gồm 2 lõiđược bố trí song song. Xung khí nénđược thổi ngược và thay phiên nhau qua các lõi lọcđể làm sạch lớp bồ hóng bám trên thành xốp. Bồ hóng tách ra khỏi lọcđược chứa trong khoang bồ hóng vàđượcđốt bằngđiện trở. Hệ thống thổi khí ngược gồm 1 vanđiện từ, vòi phun khí, bình chứa khí và máy nén khí. Áp suất khí nén cần thiết khoảng 0,8MPa. Hệthống làm việc một cách tự động (hình 7.20) nhờhệthống điều khiển van điện từ và các van tiết lưu trước và sau lọc. Quá trình tái sinh lọc có thể

thực hiện thường xuyên hayđịnh kì.

7.3.3 Viễnảnh tương lai

Lọc bồ hóngđã vàđangđược tiếp tục nghiên cứu nhằm làm giảm mứcđộ gây ô nhiễm của khí xả động cơ Diesel. Tuy nhiên kĩ thuật này cóđược áp dụng một cách rộng rãi trong tương lai hay không còn phụ thuộc vào những tiến bộ liên quanđến sự phát triển của lõi lọc, sự bố trí hệ thống lọc trên ô tô và sự phát triển của các chất phụ gia.Điểm cuối cùng này dường như quan trọng nhất. Trong bất kì trường hợp nào, việc sử dụng chất phụ gia trong nhiên liệu phải thỏa mãn tiêu chuẩn an toànđối với sức khỏe con người.