Tìm hiểu thiết bị phân tích thành phần khí thải động cơ đốt trong CEBII

LỜI NÓI ĐẦU

Trong sự phái triển của loài người, con người luôn tìm hiểu, sáng tạo ra các thiết bị sản

phẩm nhằm thoả mãn các nhu cầu của mình. Sự đi lại là một trong những nhu cầu thiết yếu dó.

Chính vì vậy, động cơ, ô_tô đã ra đời phục vụ cho nhu cầu này. Cùng với sự phái triển mạnh

mẽ của khoa học kỹ thuật động cơ, ô_tô càng ngày càng hoàn thiện.

Tuy nhiên ngoài những mặt tích cực còn có mặt tiêu cực đó là sự ô nhiễm do động cơ

sinh ra. Sự ô nhiễm đó càng ngày càng nghiêm trọng ảnh hưởng tới môi trường sống của con

người. Chính vì vậy, các nhà khoa học cùng với các nhà sản suất ngày nay đang nghiêm cứu, áp

dụng các phương pháp mới để tăng hiệu quả, hiệu suất của động cơ cùng với việc giảm sự ô

nhiễm do động cơ gây ra.

Riêng tại Việt Nam, vấn đề này là một lĩnh vực gần như bị bỏ ngỏ, coi nhẹ mấy năm

trước. Nhưng gần đây đặc biệt từ năm 1995 vấn đề này được chính phủ và các cơ quan chức

năng quan tâm và đang nghiên cứu triển khai. Tại Việt Nam do đặc thù có nhiều chủng loại

phương tiện đan xen nhau hoạt động, có nhiều xe cũ, đường xá chưa tốt, đặc biệt với trình độ

chưa cao, công nghệ kỹ thuật còn lạc hậu, ý thức của người dân còn thấp, vì vậy vấn nạn về ô

nhiễm môi trường do động cơ, ô_tô gây ra càng cấp bách và cần được giải quyết.

Một trong những phương hướng giải quyết vấn nạn này là kiểm soát các loại động cơ,

ô_tô đang hoạt động, kiểm soát các loại động cơ, ô_tô nhập khẩu và sản xuất phải đảm bảo

thân thiện với môi trường. Như vậy cần có một hệ thống thiết bị đánh giá đo lường tình trạng

khí thải của động cơ, đặc biệt cần có một lớp cán bộ kỹ sư đủ trình độ, khả năng sử dụng thiết

bị, quản lý theo dõi tình trạng chung của các loại xe và phân tích sử lý các vấn đề liên quan.

Với những suy nghĩ như vậy, em đã mạnh dạn xin được chọn đề tài :

Tìm hiểu thiết bị phân tích thành phần khí thải động cơ đốt trong CEBII.

Với mục đích đi sâu tìm hiểu hệ thống hoá các kiến thức và phương pháp sử dụng thiết

bị phân tích thành phần khí thải động cơ đốt trong CEBII. Tài liệu chủ yếu là tài liệu nước

ngoài vì vậy bài luận của em có thể dùng để tham khảo cho chuyên ngành động cơ nói riêng và

kỹ thuật nói chung, một phần nhỏ bé giúp các nhà sản xuất biết cách thức phân tích khí xả của

động cơ.

Trong đồ án tốt nghiệp của em gồm có ba phần chính :

Chương I : Giới thiệu chung về hệ thống thử nghiệm khí thải.

Chương II : Thiết bị phân tích khí thải CEBII.

Chương III : Vận hành sử dụng thiêt bị.

1

Em xin chân thành cám ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Động Cơ, các kỹ sư bậc đàn

anh cùng với các bạn sinh viên. Đặc biệt em xin cám ơn Thạc sỹ : Phạm Hữu Tuyến đã hướng

dẫn em tận tình chu đáo giúp em hoàn thành bài luận văn này.

Do trình độ, năng lực bản thân còn hạn chế cùng với thời gian có hạn, vì vậy em không

tránh được những sai sót khi thực hiện bài luận văn này. Em rất mong nhận được sự góp ý của

thầy cô và các bạn để bài luận văn được tốt hơn.

Em xin chân thành cám ơn !

Hà Nội, ngày 29 tháng 5 năm 2005

Sinh viên : Đinh Quốc Vinh.

2

CHƯƠNG I

NHỮNG VẤN ĐỀ VỀ Ô NHIỄM DO ĐỘNG CƠ SINH RA.

1.1 Vấn đề ô nhiễm môi trường:

Cùng với sự phát triển của kinh tế, khoa học, kỹ thuật việc bảo vệ môi trường trở

thành vấn đề quan trọng cấp bách của các quốc gia. Một trong những nguồn phát thải

chất độc hại đó là phải kể đến khí thải của động cơ đốt trong. Theo các tài liệu báo cáo,

hiện nay trên thế giới có 750 – 800 triệu ô_tô các loại thải ra hàng trăm triệu tấn chất

độc hại vào môi trường hàng năm.

Tại Việt Nam theo thống kê ngày 31 tháng 12 năm 1999 có : 460.000 ô_tô các

loại và 5.585.000 xe máy.

Hàng năm số lượng xe cộ và lượng chất độc hại do chúng thải ra còn tăng mạnh.

Tốc độ tăng lượng xe cộ khoảng gần 12%. Vào năm 2005 ước tính lượng ô_tô lớn hơn

700.000 chiếc và lượng xe máy vào khoảng 15 triệu xe. Các phương tiện trên tập trung

chủ yếu ở các thành phố lớn như : TP Hồ Chí Minh là 30%

: TP Hà Nội là 12%.

Sự tập trung lớn như vậy làm cho nồng độ chất độc hại rất cao (vượt qua nhiều

lần nồng độ cho phép).

Các chất độc hại này ảnh hưởng tới môi trường rất lớn, theo công bố liên hợp

quốc (UNEP) ngày 17 tháng 11 năm 1999 tầng ÔZÔN bị thủng đã chiếm trên 22 triệu

km2 số người bị các bệnh càng ngày càng tăng, nhiều nơi có nồng độ các chất độc hại

vượt quá nhiều lần mức độ cho phép như tại LONDON (ANH), Los Angeles, California

(MỸ)…

Với vấn nạn như vậy vào năm 1992 tại Rio Degianero (Braxin) đâ họp hội nghị thượng

đỉnh lần thứ nhất cảnh báo về ô nhiễm môi trường.

Vào năm 1997 họp hội nghị thượng đỉnh lần thứ hai tại Kyoto (Nhật) và đưa ra

nghị định Kyoto.

Năm 2002 họp hội nghị thượng đỉnh lần thứ ba tại Giohanexbot ( Nam Phi ). Và

gần đây nghị định Kyoto đã được thực thi tại nhiều nước, cắt giảm lượng khí thải độc

hại đến mức tốt thiểu.

Cùng với sự cắt giảm lượng khí thải độc hại người ta cũng đưa ra các tiêu chuẩn

thử nghiệm xe như : Tiêu chuẩn của Mỹ

: Tiêu chuẩn của Châu Âu

: Tiêu chuẩn của Nhật.

3

1.2 Sự hình thành các chất độc hại trong khí thải động cơ:

Năng lượng cho động cơ hoạt động chính là năng lượng của phản ứng cháy nhiên

liệu với không khí trong xylanh.

1.2.1 Sản phẩm cháy và nguồn gốc:

Sản phẩm cháy của động cơ đốt trong gồm :

- Cac bon nic (CO2) : là sản phẩm khí, kết quả của quá trình cháy hoàn toàn các

bon trong nhiên liệu. Nó không gây độc hại tới con người nhưng nó gây ra hiệu ứng nhà

kính làm nhiệt độ toàn cầu nóng lên, ảnh hưởng gián tiếp tới con người.

4CnHm + (4n+m) O2 =4n CO2 + 2m H2O

- Cac bon oxit (CO) : Sản phẩm khí không màu, không mùi sinh ra trong quá

trình cháy không hoàn toàn các bon trong nhiên liệu, điều kiện cháy thiếu O2

4 CnHm + (2n+m) O2 = 4n CO + 2m H2O

Hàm lượng CO cho phép [ CO ]= 33mg/m3

.

- Hydrocacbon (CnHm) : là nhiên liệu và dầu bôi trơn cháy không hết, do hỗn hợp

cháy quá đậm hoặc do điều kiện cháy không phù hợp. Hydrocacbon có loại không độc

nhưng cũng có loại rất độc :

• Loại không độc : Parafin (CnH2n+2)

• Loại rất độc : Benzen, cacbua thơm.

Để đánh giá CnHm người ta đánh giá hàm lượng tổng cộng : Total Hydrocacbon.

- Các oxit Nitơ (NO, NO2, N2O4) : được ký hiệu chung là NOx là sản phẩm cháy

của N2 với O2 ở nhiệt độ cao (trên 1.100 0C), (gồm có hai thành phần chủ yếu là NO và

NO2).

- Oxit Nitơ (NO) : chiếm tỷ lệ lớn 95% đến 98%, NO rất độc cho con người, nó

gây ra viêm đường niêm mạc, đường hô hấp nhưng NO không bền trong môi trường

bình thường, khi NO gặp O2 nó sẽ tạo ra phản ứng :

2 NO + O2 = 2 NO2

- Dioxit Nitơ ( NO2 ) : có mùi gắt màu đỏ, cũng độc hại tới con người (viêm niêm

mạc, viêm phổi), NO2 khi gặp nước tạo ra Axít :

NO2 + H2O  HNO3

HNO3 gây ra ăn mòn chi tiết, khi quá nhiều HNO3 trong môi trường có thể

tạo ra mưa Axít.

- Hợp chất Andehit (C-H-O) : là chất gây tê, gắt diệt khuẩn tốt và gây ra bệnh

ung thư cho con người.

- Oxit lưu huỳnh (SO, SO2) : trong sản phẩm cháy chủ yếu chứa dioxit lưu huỳnh

(SO2 ), lưu huỳnh là tạp chất có trong nhiên liệu. Khi đốt cháy nhiên liệu lưu huỳnh bị

phản úng : S + O2 = SO2

4

SO2 độc với con người, gây sốc, hại cho niêm mạc và phổi. Khi gặp nước SO2 tạo

thành Axit H2SO3 gây ăn mòn chi tiết và tạo ra mưa axit.

SO2 + H2O = H2SO3

- P- M (Particulate – Matter) : P- M bao gồm các hạt rắn, nhiên liệu, các thành

phần của nhiên liêu và dầu bôi trơn bám theo. Các hạt rắn có thể là : bồ hóng, muội

than, muối sunfat hoặc vẩy kim loại. Các hạt rắn này rất có hại cho đường hô hấp của

con người ngoài ra nếu quá nhiều có thể gây ra sương mù do bụi.

- Ngoài các chất trên, sản phẩm cháy của động cơ đốt trong còn có H2O, O2, N2.

Các chất này không gây độc hại cho con người và môi trường.

- Mấy năm trước ơ nước ta còn dùng nhiên liệu pha chì (Pb), vì vậy sản phẩm

cháy còn có hợp chất của chì. Chất này rất có hại cho con người, nó gây ra bệnh ưng

thư.

1.2.2 Điều kiên hình thành các chất độc hại:

1.2.2.1 Đối với động cơ xăng:

Với động cơ xăng các chất độc hại chủ yếu là CO, CnHm và NOx .

- Điều kiện hình thành CO :

CO được hình thành ở các chế độ khác nhau của λ

o Khi hệ số dư lượng không khí nhỏ hơn 1 (λ < 1).

Các phản ứng xảy ra trong điều kiện thiếu Oxi vì vậy sản phẩm cháy có nhiều

CO, nhiều CnHm còn không cháy hết và ít NOx (vì tuy nhiệt độ cháy cao nhưng không có

O2 để phản ứng với N2). Trong quá trình giãn nở, một phần CO phản ứng với H2O :

2CO + 2H2O  2CO2 + H2

o Khi hệ số dư lượng không khí lớn hơn 1 (λ > 1).

Khi λ > 1 về lý thuyết là thừa không khí (O2) tuy nhiên vẫn có vùng trong buồng

cháy thiếu O2 cục bộ ngoài ra tại những vùng sát vách, tại những khe kẽ do ảnh hưởng

của hiệu ứng làm lạnh nên nhiên liệu không cháy triệt để. Vì vậy vẫn tồn tại CO khi λ

>1. Tuy nhiên phần lớn CO sinh ra kết hợp với O2 tạo thành CO2:

2CO + O2 = 2CO2

Khi λ > 1 khá nhiều, CO vẫn sinh ra là do cháy rớt, cháy tiếp phần nhiên liệu còn

lại. Nhưng ta có thể nói khi λ tăng thì lượng CO giảm.

- Điều kiện hình thành NOx :

NOx được hình thành tại nhiệt độ cao và dư O2

N2 + O2  NOx

Khi λ < 1 do hỗn hợp đậm vì thế nhiệt độ cháy rất cao nhưng do thiếu O2 nên

lượng NOx thấp.

Qua thực nghiệm người ta xác định NOx lớn nhất khi λ = 1,05 ÷ 1,1

5

Khi λ > 1 thừa O2 nhưng nhiệt độ cháy thấp do hỗn hợp nhạt vì thế lượng NOx

sinh ra giảm dần.

o Cơ chế hình thành NO :

NO chiếm khoảng 95% ÷ 98% tuỳ thuộc vào λ, phần còn lại là NO2.

O2  2 O (phần tử va chạm vào nhau tạo ra nguyên tử hoạt tính)

O + N2 ↔ NO + N

N + O2 ↔ NO + O

(Chuỗi phản ứng Zeldovic)

Ngoài ra NO còn được hình thành từ gốc OH : OH + N ↔ NO + H

Thực nghiệm chứng tỏ rằng NO hình thành chủ yếu ở phía sau ngọn lửa trong

vùng cháy và các phản ứng hình thành NO diễn ra rất chạm so với việc hình thành CO

o Cơ chế hình thành NO2 :

NO2 được hình thành khi : NO + O = NO2

NO + O2 = NO2 + O

1.2.2.2 Đối với động cơ diezen:

Đặc điểm của động cơ diezen là có giới hạn cháy rất rộng (λ = 1,2 ÷ 10). Qua

thực nghiệm người ta xác định các chất độc hại chủ yếu của động cơ diezen là CO,

CnHm, NOx và P – M.

- Điều kiện hình thành CO

Khi λ lớn hơn 1 nhiều lần thì vẫn tồn tại CO vì vẫn có phần cục bộ thiếu O2, và

vẫn còn nhiên liệu tại vùng khe kẽ không cháy triệt để vì hiệu ứng sát vách. Khi ta tăng

λ lên ban đầu CO có giảm và đến giá trị nhỏ nhất (λ = 2). Nếu ta tiếp tục tăng λ thì lúc

đó nhiệt độ cháy giảm làm cho tỷ lệ CO tái hợp với O2 trong quá trình giãn nở giảm do

đó lượng CO thải ra tăng.

- Điều kiện hình thành CnHm

Khi tăng λ thì nhiệt độ cháy giảm, do ảnh hưởng của hiệu ứng sát vách nên phần

nhiên liệu không cháy được tăng lên.

So với động cơ xăng thì động cơ diezen có lượng CnHm trong khí thải ít hơn.

- Điều kiện hình thành NOx

Khi ta tăng λ thì nhiệt độ cháy giảm vì vậy lượng NOx sinh ra cũng giảm. So với

động cơ xăng thì lượng NOx của động cơ diezen ít hơn. Tỷ lệ thành phần NO2 trong

động cơ diezen nhỏ hơn động cơ xăng (với xăng NO2 : 5% ÷ 15%, với diezen NO2 : 1%

÷ 10%)

- Điều kiện hình thành P – M

6

Nguyên nhân tạo ra P – M là do nhiên liệu cháy ở dạng hạt lỏng nhỏ ly ti tạo ra

muội than (soot) hay các hạt vẩy tróc mòn của động cơ hoặc do các hạt muối sunfat, các

hạt này thường có chất lỏng bám theo là nhiên liệu cháy không hết và dầu bôi trơn.

Hạt P – M có kích thước 0,01μm ÷ 1μm (phần lớn có kích thước < 0,3μm) (Dễ

hít vào đường hô hấp vì vậy rất hại cho sức khoẻ của con người).

Khi ta tăng λ thì tỷ lệ nhiên liệu ít do đó ít tạo thành giọt làm cho ít tạo muội. Tuy

nhiên khi λ > 3 thì lượng P – M không đổi là do các nguyên nhân khác chứ không phải

do nhiên liệu.

- Phương pháp hình thành hỗn hợp cũng ảnh hưởng tới lượng chất độc hại :

Với hỗn hợp màng ảnh hưởng của hiệu ứng sát vách mạnh hơn so với hỗn hợp thể

tích vì thế lượng CnHm cũng nhiều hơn.

Nếu sử dụng buồng cháy ngăn cách thì giảm được lượng NOx vì khi cháy ở buồng

cháy phụ nhiên liệu rất nhiều nhưng thiếu O2 vì vậy NOx cũng không tạo ra nhiều. Khi

cháy sang buồng cháy chính O2 nhiều nhưng nhiệt độ không cao vì thế cũng khó sinh ra

NOx. (NOx ở buồng cháy ngăn cách có khi chỉ bằng ½ so với buồng cháy thống nhất).

Nếu tổ chức xoáy lốc và hoà trộn tốt thì lượng CnHm trong khí thải sẽ giảm.

- Các chế độ làm việc của động cơ cũng ảnh hưởng tới thành phần chất độc hại:

o Khởi động nguội

Khi khởi động nguội lúc đó ta cần λ nhỏ, hỗn hợp rất đậm vì vậy lượng CO rất

lớn, ngoài ra khi khởi động nguội nhiệt độ các chi tiết thấp do đó sự bay hơi nhiên liệu

tồi dẫn đến khí thải nhiều muội và nhiều CnHm.

Khi khởi động nhiệt độ thấp nên lượng NOx thấp.

o Khi hâm nóng máy

Nhiệt độ chi tiết tăng, λ không nhỏ như khi khởi động vì vậy lượng CO, CnHm

trong khí thải giảm dần và NOx tăng dần.

o Khi tăng tốc

 Động cơ xăng dùng chế hoà khí

Khi tăng tốc λ đậm đột ngột vì thế lượng CO, CnHm tăng đột ngột còn NOx thì

giảm.

 Động cơ phun xăng đa điểm

Hệ thống luôn đảm bảo λ phù hợp kể cả khi tăng tốc do đó các thành phần độc

hại khí xả thay đổi không đáng kể.

 Động cơ diezen không tăng áp

Khi thời gian phun thay đổi lượng nhiên liệu tăng nhưng không khí cũng kịp thời

ùa vào làm cho thành phần các chất độc hại trong khí thải thay đổi không đáng kể.

 Động cơ diezen có tăng áp

7

Do cản của tuabin máy nén nên không khí không đáp ứng kịp khi tăng tốc vì thế

lượng CO, CnHm, P – M tăng và NOx giảm.

o Khi giảm tốc hay khi động cơ bị kéo cưỡng bức

 Động cơ xăng dùng chế hoà khí

Khi giảm tốc hay khi động cơ bị kéo cưỡng bức nhiên liệu vào nhiều mà không

khí vào ít làm cho hỗn hợp rất đậm dẫn đến lượng CO và CnHm trong khí thải rất lớn.

 Động cơ phun xăng

Đa số trường hợp là bộ điều khiển cắt phun nhiên liệu

 Động cơ diezen

Với động cơ diezen thì lúc đó bộ điều tốc sẽ bị kéo về vị trí không tải, nếu số

vòng quay quá lớn thì bộ điều tốc sẽ kéo về vị trí cắt nhiên liệu.

8