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

Mục lục:

Thành phần khí thải
Trị số giới hạn khí thải cho ô tô cá nhân dùng động cơ diesel
Phương pháp làm giảm chất độc hai

Thành phần khí thải

Bên cạnh nito – N₂ và oxy – O₂, khí thải của động cơ diesel còn bao gồm những sản phẩm khác nhau do phản ứng từ carbon – C, hydro – H, oxy – O và nitơ – N.

Cháy hoàn toàn (Vận hành theo lý thuyết): Trong những điều kiện tối ưu (thực tế không thể đạt được trong buồng đốt), hợp chất HC được đốt cháy hoàn toàn thành carbon dioxide (CO₂) và nước (H₂O). Quá trình đốt cháy đó còn được gọi là quá trình Oxy hoá.

Oxy hoá: Là quá trình phản ứng hoá học của một chất với oxy.

Cháy không hoàn toàn (Vận hành thực tế): Quá trình cháy hoàn toàn nói trên chỉ có thể xảy ra trong điều kiện lý tưởng. Trên thực tế, việc cháy hoàn toàn là không thể thực hiện được nên dẫn tới việc hình thành các chất thải độc hại:

Các-bon monoxít (CO): Việc hình thành CO₂ khi đốt cháy nhiên liệu hoá thạch như xăng dầu là không tránh khỏi song nhờ vào việc tiêu thụ ít nhiên liệu hơn nên tỉ lệ CO₂ sinh ra ở động cơ dầu Diesel cũng thấp hơn ở động cơ xăng.
Lưu huỳnh dioxít (SO₂): Thêm vào đó là những sản phẩm cháy từ chất bẩn hoặc chất phụ gia trong nhiên liệu hoặc chất bôi trơn, thí dụ hợp chất kim loại và lưu huỳnh.
Hạt chất rắn (muội than PM): Mặc dù thừa không khí nhưng nhiên liệu chỉ được đốt cháy một phần ở từng điểm riêng rẽ trong buồng đốt (tham khảo thêm: Hoà khí động cơ Diesel), từ đó đưa đến sự hình thành chất thải dạng hạt (muội than)
Nhiên liệu không cháy hết (HC): khí thải động cơ diesel chứa ít hydrocarbon (HC) chưa cháy hơn khí thải từ động cơ xăng. Tuy nhiên, vì thành phần oxy và nitơ đều cao, nitơ oxide được sinh ra nhiều hơn.
Nitơ-oxít (NOx): (thí dụ như nitơ monoxide NO và nitơ dioxide NO₂) sinh ra khi nhiệt độ cháy cực đại, áp suất cháy và vận tốc cháy cao. Vì độ dư thừa không khí cao khi vận hành không tải và tải một phần, nên độ phát tán NO_x cũng tăng mạnh ở điều kiện vận hành này.

Tùy theo tải của động cơ, động cơ diesel vận hành với những độ dư thừa không khí khác nhau ( λ > 1).

Ở chế độ toàn tải, mức độ thừa không khí không nhiều, chỉ trong khoảng λ ≥ 1,3.

Ở chế độ tải một phần và không tải, độ thừa không khí lên đến λ ≤ 18.

Do điều kiện vận hành và tải khác nhau sẽ dẫn đến thành phần của khí thải cũng dao động và thay đổi liên tục, đặt ra những yêu cầu cao cho hệ thống xử lý khí thải. Hình dưới mô tả thành phần khí thải có thể xảy ra trong một tình huống vận hành điển hình.

Muội than (Particles matter): Muội than trong khí thải được kiểm soát bằng 2 đại lượng là Khối lượng (Particles Mass) và số lượng hạt (Particles Number). Qua đó tất cả các hạt chất rắn hình thành trong khí thải đều được gọi là Muội than (Particles Matter). Đây là chất gây ung thư và dù có bộ lọc hạt muội thì tới một kích cỡ nào đó, cũng không thể lọc được.

Những hạt siêu nhỏ này đi vào phổi và ngăn chặn, không cho oxy được vận chuyển đến máu. Theo tiêu chuẩn mới, để được đăng ký kiểu loại, giới hạn cả về khối lượng và số lượng hạt muội than phải được giới hạn.

Trị số giới hạn khí thải cho ô tô cá nhân dùng động cơ diesel

Mặc dù giới hạn phát tán khí thải đã được quy định từ giữa những năm 70, lượng phát tán khí thải giảm rất chậm vì số lượng xe đăng ký giao thông ngày càng tăng. Từ đó đưa đến những trị số giới hạn khí thải ngày càng nghiêm ngặt hơn. Các trị số này được thống nhất trong Cộng đồng chung châu Âu.

Tiêu chuẩn	Euro 4	Euro 5a	Euro 5b	Euro 6b	Euro 6c	Euro 6d-TEMP	Euro 6d
Thời gian áp dụng (Đăng ký kiểu loại)	01/01/2005	01/09/2009	01/09/2021	01/09/2014	01/09/2017	01/09/2017	01/01/2020
Thời gian áp dụng (Xe đăng ký lần đầu)	01/01/2006	01/01/2011	01/01/2013	01/09/2015	01/09/2018	01/09/2019	01/01/2021
Quy trình thử nghiệm	NEDC (New European Driving Cycle)	NEDC (New European Driving Cycle)	NEDC (New European Driving Cycle)	NEDC (New European Driving Cycle)	WLTP (Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedure)	WLTP (Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedure)	WLTP (Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedure)
RDE (Hệ số khác biệt cho phép, so với thực tế – Read Driving Emission)	–	–	–	–	–	2,1	1,5
CO	500 mg/km	500 mg/km	500 mg/km	500 mg/km	500 mg/km	500 mg/km	500 mg/km
(HC + NOx)	300 mg/km	230 mg/km	230 mg/km	170 mg/km	170 mg/km	170 mg/km	170 mg/km
NOx	250 mg/km	180 mg/km	180 mg/km	80 mg/km	80 mg/km	80 mg/km	80 mg/km
PM (Khối lượng hạt muội than)	25 mg/km	5 mg/km	4,5 mg/km	4,5 mg/km	4,5 mg/km	4,5 mg/km	4,5 mg/km
PN (Số lượng hạt muội than)	–	–	6 x 10¹¹ / km	6 x 10¹¹ / km	6 x 10¹¹ / km	6 x 10¹¹ / km	6 x 10¹¹ / km

Giới hạn khí thải ở châu Âu cho ô tô cá nhân mới dùng động cơ diesel.

Phương pháp làm giảm chất độc hai

Để đạt trị số giới hạn khí thải theo tiêu chuẩn Euro 6, tất cả những biện pháp giảm chất độc hại phải được cân nhắc, hiệu chỉnh với nhau một cách tối ưu. Người ta phân biệt giữa những biện pháp áp dụng trực tiếp cho động cơ, tức tối hưu hoá quá trình cháy của hoà khí (xử lý bên trong) và cách xử lý khí thải (xử lý bên ngoài).

Biện pháp áp dụng trực tiếp cho động cơ (Xử lý bên trong):

Tối ưu hóa buồng đốt
Điều khiển thời gian bugi xông
Áp suất phun nhiên liệu cao hơn
Kỹ thuật nhiều xu-páp
Điều khiển cửa hút
Điều chỉnh tăng áp khí nén
Tối ưu hóa tiến trình phun nhiên liệu trước/chính/ sau
Hồi lưu khí thải (hồi lưu bên trong tương tự ở động cơ xăng (Tham khảo: Hệ thống ống xả máy xăng (Phần 2: Biện pháp xử lý khí thải)).

Xử lý khí thải (Xử lý bên ngoài)

Bộ xúc tác oxy hóa
Bộ xúc tác khử chọn lọc SCR (khử NO_x)
Bộ lọc DPNR (khử NO_x và lọc hạt)
Bộ lọc hạt DPF
Bộ xúc tác trữ và khử NO_x

Mâu thuẫn trong kỹ thuật xử lý khí thải

Những biện pháp làm giảm một chất độc hại này thường sẽ làm nâng cao mức độ phát tán của những chất độc hại khác. Chẳng hạn biện pháp làm giảm nitơ oxide (NO_x) thường sẽ làm tăng hydrocarbon (HC), carbon mon- oxide (CO) và muội than.

Cụ thể, để đạt được tiêu chuẩn Euro 4, chỉ cần giựa vào các biện pháp tối ưu hoá bên trong động cơ (Xử lý khí thải bên trong). Song muốn đạt được tiêu chuẩn Euro 5, nhất thiết phải có hệ thống xử lý khí thải trên đường ống xả (Xử lý khí thải bên ngoài). Một khi có thêm hệ thống xử lý khí thải bên ngoài, động cơ có thể được tối ưu hoá thêm nữa mà không sợ làm gia tăng các chất độc hại khác. Chẳng hạn như việc điều chỉnh thời điểm phun dầu sớm hơn giúp giảm tiêu thụ nhiên liệu nhưng lại làm tăng NOx. Tuy nhiên, nhờ có bầu xúc tác SCR trên đường xả mà lượng NOx này có thể được giảm đi.

Biện pháp tối ưu hoá động cơ	CO	HC	NOx	PM	CO₂	Hệ thống xử lý khí thải
Tăng tỉ lệ hồi lưu khí thải	↑	↑	↓	↑	↑	Bộ lọc muội than DPF
Chỉnh thời điểm phun nhiên liệu sớm hơn	↓	↓	↑↑	↓↓	↓	Bộ xúc tác SCR
Chỉnh thời điểm phun nhiên liệu trễ đi	↑	↑	↓↓	↑↑	↑	Bộ lọc muội than DPF
Chỉnh nhiệt độ cháy cao hơn	↓	↓	↑	↑	↓↓	Bộ lọc muội than DPF + Bộ xúc tác SCR