Hệ thống ống xả máy xăng (Phần 1: Thành phần khí thải)

Mục lục:

Hệ số dư lượng không khí
Giới hạn chất độc hại trong khí thải động cơ xăng
Xác định các trị số khí thải

Do tác hại nặng nề của chất độc hại lên không khí đến từ khí thải xuất phát từ giao thông, nên pháp luật đưa ra quy định giảm thiểu những chất độc hại trong khí thải. Thành phần chính của nhiên liệu là những hợp chất hydrocarbon. Khi cháy hoàn toàn, nó tạo ra carbon dioxide, hơi nước, nitơ và khí trơ. Carbon dioxide với hàm lượng cao là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến sự thay đổi khí hậu (hiệu ứng nhà kính).

Ngoài carbon dioxide, hơi nước, nitơ và khí trơ, sự cháy không hoàn toàn của nhiên liệu trong động cơ còn tạo ra:

Carbon monoxide (CO)
Hydrocarbon chưa cháy hết (HC)
Nitơ oxide (NO_x)
Các chất rắn

Khi động cơ Otto đạt đến nhiệt độ vận hành bình thường ở tải và tốc độ quay trung bình, thành phần CO, HC và NO_x trước khi vào bộ xúc tác chiếm khoảng 1 % của toàn bộ lượng khí thải:

Hệ số dư lượng không khí

Thành phần của từng chất độc hại trong khí thải chịu ảnh hưởng lớn của hệ số dư lượng không khí λ (Lamda)

Khi thiếu không khí từ 5 % đến 10 % (λ = 0,95…0,9; hòa khí đậm) thì động cơ Otto đạt được công suất tối đa. Nhiên liệu không được tận dụng hoàn toàn vì thiếu không khí. Suất tiêu thụ nhiên liệu tăng lên. Những thành phần khí thải độc hại như carbon monoxide và hydrocarbon chưa cháy hết cũng tăng lên.

Khi thừa không khí từ 5 % đến 10 % (λ = 1,05 …1,1 hòa khí nhạt), động cơ Otto có mức tiêu thụ nhiên liệu thấp nhất. Tuy nhiên công suất động cơ thấp hơn và nhiệt độ cực đại của động cơ cao hơn vì thiếu tác dụng làm nguội do quá trình bốc hơi của nhiên liệu. Tỷ lệ carbon dioxide và hydrocarbon chưa cháy hết thấp, tuy nhiên thành phần nitơ oxide trong khí thải rất cao.

Các chất độc hại trong khí thải ở những hệ số dư lượng khác nhau

Công suất và tiêu thu nhiên liệu ở những hệ số dư lượng không khí khác nhau

Đặc điểm của những thành phần khí thải độc hại

Carbon monoxide (CO): Carbon monoxide là loại khí không màu và không mùi, nếu hít vào sẽ ngăn cản sự vận chuyển oxy trong máu. Khi tiếp xúc ở nồng độ thấp sẽ gây nhức đầu, mệt mỏi và suy yếu khả năng cảm nhận. Thời gian tiếp xúc kéo dài ở nồng độ thể tích cao hơn 0,3 % sẽ dẫn tới tử vong. CO được sinh ra từ sự cháy không hoàn toàn vì thiếu không khí. Thành phần CO trong khí thải càng cao khi hỗn hợp nhiên liệu-không khí càng đậm. Ngay cả khi thừa không khí, một lượng nhỏ CO cũng có thể được tạo thành khi hỗn hợp nhiên liệu-không khí không được hòa trộn đồng nhất tạo nên những vùng hòa khí đậm và nhạt trong buồng đốt.

Hydrocarbon chưa cháy, hợp chất HC: bao gồm rất nhiều những hợp chất khác nhau được tạo thành từ carbon và hydro. Hydrocarbon gây kích thích màng nhầy niêm mạc, có mùi rất hôi và một số hợp chất này được xem như chất gây ung thư. Khi liên kết với nitơ oxide, oxy và ánh sáng mặt trời, những phản ứng quang hóa sẽ dẫn tới sự hình thành khí ozone (O₃) và dẫn đến tác dụng nguy hại của hiện tượng sương mù mùa hè (ND: còn gọi là sương mù quang hóa). Những hợp chất HC chưa cháy được sinh ra khi đốt cháy không hoàn toàn nhiên liệu vì thiếu không khí (λ <1) hoặc khi hỗn hợp nhiên liệu-không khí quá nhạt (λ > 1,2). Ngoài ra, những hợp chất HC chưa cháy xuất phát từ những nơi trong buồng đốt mà ngọn lửa không đến được, thí dụ vòng găng giữa piston và xy-lanh.

Nitơ oxide, NO_x : Thuật ngữ chung nitơ oxide được sử dụng cho những dạng oxide khác nhau của nitơ (nito monoxide NO, nito dioxide NO₂, dinito monoxide N₂O). Tùy theo sự liên kết, nitơ oxide có thể không màu sắc và không mùi hoặc có màu đỏ nâu với mùi cay gắt. Ở nồng độ cao, nitơ oxide gây kích thích đường hô hấp, phá hủy tế bào phổi, và còn là nguyên nhân tạo ra khí ozone và làm hư hại rừng. Nitơ oxide được hình thành nhiều nhất khi buồng đốt có nhiệt độ cực đại cao.

Chất rắn: Chất rắn xuất hiện ở dạng hạt (lõi bằng than/muội than với lớp phủ bọc bên ngoài) do sự cháy không hoàn toàn. Những hợp chất hydrocarbon phủ bọc bên trên lõi than được xếp vào những chất gây ung thư. Để xe mới được cấp giấy phép lưu hành, khối lượng hạt (PM – particle mass) và số lượng hạt (PN – particle number) không được vượt quá giới hạn nhất định.

Giới hạn chất độc hại trong khí thải động cơ xăng

Pháp luật quy định trị số giới hạn khí thải tối đa cho quá trình đăng kiểm lần đầu để cấp giấy phép vận hành tổng thể, cũng như khi đăng kiểm định kỳ (xét nghiệm khí thải, chẩn đoán trực tiếp trên xe).

M1 (≤ 2,5 t≤ 6 chỗ)	CO	HC	NOx	PM	PN
Euro III từ 2000	2,30	0,20	0,15	–	–
Euro IV từ 2005	1,00	0,10	0,08	–	–
Euro V từ 2009	1,00	0,10	0,06	0,005*	–
Euro Vl từ 2014	1,00	0,10	0,06	0,005*	6 x 10¹¹

Trị số giới hạn khí thải cho ô tô cá nhân/ ô tô cá nhân liên hợp (M1) với động cơ Otto ở châu Âu theo đơn vị g/km, đơn vị số lượng hạt là hạt/km

* Động cơ phun nhiên liệu trực tiếp 0,0045

Xác định các trị số khí thải

Các trị số khí thải dùng khi đăng kiểm lần đầu được xác định trên bệ thử nghiệm xe cơ giới. Ở đó chu trình lái xe tiêu biểu được mô phỏng và phân tích những chất độc hại cần xác định.

Cho tới 31/08/2017, các xe đăng ký lưu hành ở Châu Âu (xe con, xe nhà lưu động trọng tải dưới 2,5 tấn và xe tải nhẹ dưới 3,5 tấn vẫn còn dùng phương pháp đăng kiểm trên bàn thử nghiệm (chu trình thử nghiệm xe Châu Âu Mới: NEDC – New European Driving Cycle). Nhưng kể từ 01/09/2017, quy trình kiểm tra mới đã được đưa vào hoạt động. Theo đó xe đăng ký lưu hành sẽ phải trải qua 2 chu trình kiểm nghiệm khác nhau:

WLTP: World Harmonized Light-Duty Vehicles Test Procedure (trên bàn thử)
RDE: Real Driving Emissions (thực tế trên đường)

Các chu trình thử nghiệm

NEDC: Được dùng để thử nghiệm các loại ô tô cá nhân với tổng trọng lượng dưới 2.500 kg và ô tô tải nhẹ dưới 3,5 tấn. Phần đầu tiên của chu trình tương ứng với hành trình giao thông trong thành phố với vận tốc từ 0 km/h đến 50 km/h. Chương trình này được lặp lại liên tục 4 lần và kéo dài trong 13 phút. Theo tiêu chuẩn EURO III, động cơ bắt đầu được khởi động ở nhiệt độ môi trường (20 °C). Phần tiếp theo tương ứng với hành trình giao thông ngoài khu đông dân cư, trong thời gian 7 phút (vận tốc tối đa 120 km/h). Trong quá trình thử nghiệm này, khí thải được gom lại theo quy định và sau đó phân tích những chất độc hại. Trị số giới hạn (g/km) không được phép vượt qua, không phân biệt dung tích xy-lanh. Kể từ năm 2002, việc kiểm tra khí thải được bổ sung thêm phần kiểm tra ở nhiệt độ thấp đối với xe có động cơ Otto, hạng M1. Động cơ được khởi động ở nhiệt độ –7 °C, theo đó HC phải < 1,8 g/km và CO phải < 15 g/km.

Thử nghiệm Châu Âu — Chu trình lái Châu Âu

WLTP: Chu trình kiểm tra mới này tương tự như chu trình NEDC, nghĩa là cũng thử nghiệm trên bàn thử nhưng với yêu cầu khắt khe hơn. Cụ thể về thời gian thử nghiệm lâu hơn, quãng đường chạy nhiều hơn cũng như giải nhiệt độ môi trường, gia tốc, tốc độ tối thiểu và tối đa cũng như những tính năng đặc biệt được trang bị trên xe. Qua việc nâng cao đòi hỏi về vận hành của xe, kết quả kiểm tra của WLTP thường cho ra mức tiêu thụ nhiện liệu của xe cao hơn 20% so với chu trình NEDC.

RDE: Chu trình này đòi hỏi xe phải chạy thực tế trên đường và được gắn thiết bị kiểm tra khí thải phía sau. Qua đó các chỉ số như NOx và PN (số lượng hạt muội) được đo đạc để cho ra kết quả chính xác nhất. 2 chỉ số này sẽ được đem so sánh với kết quả kiểm tra trên bàn thử và để xe được đăng kiểm, chỉ số RDE không được vượt quá mức giới hạn so với WLTP

PN – Particle number: Từ 01/09/2017, chỉ số này không được khác biệt quá 1,5 lần so với khi kiểm tra trên bàn thử
NOx: Từ 01/01/2020, chỉ số này không được vượt quá 1,5 lần so với khi kiểm tra trên bàn thử (tiêu chuẩn Euro 6D).

Xét nghiệm khí thải

Những xe cơ giới đang lưu hành phải tuân thủ quy định về việc xét nghiệm vào những khoảng thời gian nhất định. Lượng CO được kiểm tra lúc động cơ vận hành tại chỗ và phụ thuộc vào những thông số vận hành khác nhau (nhiệt độ vận hành, tốc độ quay động cơ). Ngoài ra cần phải thực hiện thêm những kiểm tra bằng mắt và kiểm tra chức năng, thí dụ:

Kiểm tra những bộ phận quan trọng có liên quan đến khí thải
Kiểm tra mạch điều chỉnh
Kiểm tra thời điểm đánh lửa (nếu có)

Hệ thống chẩn đoán trực tiếp trên xe (OBD = On Board Diagnose)

Hệ thống này quy định việc giám sát tất cả những bộ phận có ảnh hưởng đến khí thải. Thí dụ như chức năng của bộ xúc tác, cảm biến oxy, hệ thống không khí thứ cấp và hệ thống hồi lưu khí thải (EGR). Những sự cố xảy ra được lưu giữ trong bộ điều khiển. Thông qua đèn cảnh báo (MIL) bên trong xe, người lái sẽ được báo động về những chức năng bị sự cố có thể làm tăng đáng kể sự phát tán khí thải. Những chức năng hư hỏng phải được sửa chữa ngay.

Tiêu chí	Trong đô thị	Ngoài đô thị	Cao tốc
Tỉ lệ quãng đường chạy của từng khu vực	29% – 44%	23% – 43%	23% – 43%
Tốc độ	0 – 60 km/h	60 – 90 km/h	90 – 145 km/h
Tốc độ trung bình	15 – 40 km/h	–	–
Tỉ lệ dừng đỗ	6% – 9%	–	–
Quãng đường chạy tối thiểu	16 km	16 km	16 km
Nhiệt độ môi trường	0 – 30 độ C	0 – 30 độ C	0 – 30 độ C
Khác biệt về cao độ	< 100 m	< 100 m	< 100 m