Nghiên cứu quy trình thử ô nhiễm công nhận kiểu phương tiện cơ giới đường bộ hạng nhẹ theo tiêu chuẩn châu âu và đánh giá khả năng áp dụng trong điều kiện Việt Nam

LỜI NÓI ĐẦU Chúng ta biết rằng, đối với các nước phát triển, quy trình thử và giới hạn ô nhiễm tương ứng kèm theo khi thử nghiệm công nhận kiểu phương tiện cơ giới đường bộ (PTCGĐB) là công cụ quản lý hữu hiệu nhằm đạt được các mục đích sau: + Cải thiện chất lượng không khí, nhất là tại các khu đô thị có mật độ PTCGĐB tham gia giao thông lớn. + Kiểm soát nguồn phát thải từ PTCGĐB ngay từ giai đoạn thiết kế, sản xuất. Đây là biện pháp có hiệu quả cao hơn rất nhiều so với việc kiểm tra ô nhiễm các PTCGĐB đang lưu hành. + Bắt buộc các hãng sản xuất ô tô phải nhanh chóng áp dụng các công nghệ tiên tiến nhằm cung cấp cho thị trường các PTCGĐB ít ô nhiễm hơn. + Tạo các rào cản hợp lý về mặt kỹ thuật nhằm bảo vệ sản xuất trong nước trong xu hướng toàn cầu hoá, tránh đầu tư các công nghệ lạc hậu. + Tạo hành lang pháp lý cần thiết cho sự cạnh tranh bình đẳng giữa các hãng sản xuất PTCGĐB… Ngày 10/10/2005, Thủ Tướng Chính Phủ đã ký quyết định số 249/2005/QĐ-TTg về việc Quy định Lộ trình áp dụng Tiêu chuẩn khí thải đối với phương tiện cơ giới đường bộ. Theo đó, các loại PTCGĐB được sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới phải áp dụng các mức tiêu chuẩn khí thải theo các Tiêu chuẩn Việt nam tương đương mức Euro 2 đối với từng loại xe kể từ ngày 01/7/2007. Đối với xe cơ giới mà kiểu loại đã được chứng nhận, an toàn kĩ thuật và bảo vệ môi trường trước ngày 01/7/2007 nhưng chưa được sản xuất, lắp ráp thì áp dụng các mức tiêu chuẩn khí thải theo các Tiêu chuẩn Việt nam tương đương mức Euro 2 đối với từng loại xe kể từ ngày 01/7/2008. Để chuẩn bị cho Lộ trình này, chúng ta cũng đã xây dựng được một số tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) có liên quan (như TCVN 224-01; TCVN 6211-1996; TCVN 6431-1998; TCVN 6438-2001; TCVN 6568-1999; TCVN 6785-2001; TCVN 6787-2001; TCVN 8621-2001...). Các tiêu chuẩn này đều dựa trên nền tiêu chuẩn của Châu Âu và hệ thống tiêu chuẩn của ISO. Tuy nhiên, điều đáng nói là các TCVN mới chỉ dừng lại ở mức đề cập các vấn đề chung và sau đó viện dẫn đến các tiêu chuẩn nền tương ứng. Điều này gây nhiều khó khăn cho người cán bộ kỹ thuật khi cần ứng dụng, tham khảo hoặc đối chiếu. Chúng ta đã biết, Châu Âu là một trong các khu vực đi đầu trong cuộc chiến chống lại ô nhiễm phát sinh từ PTCGĐB. Quy trình thử và tiêu chuẩn ô nhiễm của Châu Âu (đối với động cơ đốt trong và PTCGĐB) rất phức tạp và đồ sộ, chứa đựng rất nhiều vấn đề có liên quan mật thiết đến chuyên ngành Kỹ thuật Động cơ nhiệt. Xuất phát từ những lý do trên, tôi chọn và thực hiện luận văn tốt nghiệp với đề tài: “Nghiên cứu Quy trình thử ô nhiễm công nhận kiểu phương tiện cơ giới đường bộ hạng nhẹ theo tiêu chuẩn Châu Âu và đánh giá khả năng áp dụng trong điều kiện Việt Nam”. Nội dung luận văn được trình bày trong 4 chương: + Chương 1. Động cơ đốt trong và vấn đề ô nhiễm môi trường: trình bày ngắn gọn về quá trình hình thành các chất ô nhiễm trong khí thải động cơ; tác động của khí thải động cơ tới con người và môi trường sinh thái; + Chương 2. Các dạng thử nghiệm nhiễm công nhận kiểu đối với động cơ đốt trong và phương tiện cơ giới đường bộ theo tiêu chuẩn Châu Âu: giới thiệu khái quát các dạng thử nghiệm (chu trình thử, sơ đồ bố trí phương tiện và trang thiết bị thử nghiệm, phương pháp lấy mẫu khí, giới hạn mức ô nhiễm …) tương ứng với các loại PTCGĐB khác nhau theo tiêu chuẩn Châu Âu. + Chương 3. Quy trình thử nghiệm ô nhiễm công nhận kiểu đối với phương tiện cơ giới đường bộ hạng nhẹ theo tiêu chuẩn Châu Âu: tập trung phân tích và trình bày các vấn đề kỹ thuật có liên quan đến việc thử nghiệm ô nhiễm công nhận kiểu PTCGĐB hạng nhẹ (đây là quy trình phức tạp nhất xét về góc độ kỹ thuật chuyên ngành) theo tiêu chuẩn Châu Âu. + Chương 4. Đánh giá khả năng áp dụng trong điều kiện Việt Nam: đưa ra các ý kiến đánh giá có tính chất chủ quan về quy trình thử nghiệm ô nhiễm công nhận kiểu PTCGĐB hạng nhẹ theo tiêu chuẩn Châu Âu; những khó khăn, thuận lợi khi áp dụng quy trình thử này trong điều kiện thực tế của Việt Nam. Với những kiến thực được trang bị trong quá trình học tập, bản thân em đã chủ động và tích cực trong quá trình nghiên cứu và viết luận văn. Tuy nhiên, do giới hạn về thời gian cộng với năng lực bản thân còn hạn chế, luận văn của em không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong nhận được sự đóng góp của các Thầy để luận văn của em mang tính khoa học và thực tiễn hơn. Qua đây, em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới GVC-TS Nguyễn Hoàng Vũ cùng các Thầy trong Bộ môn Động cơ, Khoa Động Lực, Học viện KTQS đã chỉ bảo nhiều ý kiến quý báu giúp em hoàn thành luận văn của mình. Một lần nữa xin gửi tới các Thầy lòng biết ơn sâu sắc nhất. Hà Nội, Ngày 20 tháng 05 năm 2007 Học viên Lê Hồng Hải CHƯƠNG 1 ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG VÀ VẤN ĐỀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG 1.1. CÁC VẤN ĐỀ CHUNG Trong những năm gần đây, cùng với sự bùng nổ dân số, công nghiệp hoá tăng nhanh kéo theo việc sử dụng các PTCGĐB phục vụ cho nhu cầu vận chuyển cũng như đi lại của con người tăng nhanh. Khi PTCGĐB hoạt động sẽ các chất độc hại trong khí thải sẽ phát tán vào môi trường và gây ô nhiễm. Tại Việt Nam, sự bùng nổ PTCGĐB trong những năm gần đây đặc biệt là tại các thành phố lớn như Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh…. đã làm cho môi trường không khí xung quanh ở những thành phố này bị ô nhiễm nghiêm trọng, nhiều lúc đã vượt quá giới hạn tiêu chuẩn cho phép. Nguyên nhân chính của hiện tượng này là do khí thải từ các PTCGĐB, nhất là khi có ùn tắc giao thông thì mức độ ô nhiễm có thể tăng lên từ 3 đến 5 lần, [4]. Theo kết quả khảo sát của Ngân hàng Phát triển Châu Á (ADB) tiến hành ở 2 thành phố lớn là Hà nội và thành phố Hồ Chí Minh cho thấy có 3 nguồn chính gây ô nhiễm không khí, đó là: các khu công nghiệp, các khu dân cư và PTCGĐB. Trong đó, PTCGĐB là nguyên nhân chính làm tăng hàm lượng các chất độc hại trong không khí, đặc biệt là tại các nút giao thông có mật độ PTCGĐB cao và hay ùn tắc giao thông (hàm lượng của các chất: CO, SO2, NOx, Pb thường xuyên cao hơn mức cho phép). Kết quả đo hàm lượng một số chất ô nhiễm ở một số nút giao thông quan trọng tại Hà Nội được trình bày trong Bảng 1.1, [4]. Có thể nói, nguồn đóng góp chính vào ô nhiễm môi trường do hoạt động giao thông đô thị tại Việt Nam là khí thải từ xe máy. Bởi vì, nếu tính theo lượng tiêu thụ nhiên liệu trên cùng 1 quãng đường thì cứ 5 chiếc xe máy tương đương một chiếc xe con hạng trung. Với số lượng xe máy đăng ký tại Hà Nội là khoảng 1.500.000 chiếc, và tại thành phố Hồ Chí Minh khoảng 2.500.000 chiếc, thì lượng tiêu thụ nhiên liệu và lượng phát thải sẽ tương đương với khoảng 300.000 ô tô con ở Hà Nội và 500.000 ô tô con tại thành phố Hồ Chí Minh. Ngoài ra, hiệu quả đốt cháy nhiên liệu của xe máy kém hơn nhiều so với ô tô nên, nếu so sánh con số này với số lượng ô tô đang lưu hành tại Hà Nội (vào khoảng 75000 xe) và thành phố Hồ Chí Minh (khoảng 150.000 xe) thì sơ bộ ước tính, lượng phát thải từ xe máy lớn gấp 3 đến 5 lần lượng phát thải từ ô tô. Bảng 1.1. Mức độ ô nhiễm ở một số nút giao thông của Hà Nội (đơn vị: mg/m3), (Thời gian đo: tháng 8 năm 2000), [4]. Nơi đo Thời gian đo COx SO2 HCs NOx SPM Pb Tiêu chuẩn Việt Nam 5 0,3 - 0,1 0,2 0,005 Ngã Tư Sở Buổi sáng 4,1 0,67 28,8 0,06 0,6 0,025 Buổi trưa 4,5 0,68 27,5 0,05 0,5 0,015 Buổi chiều 6,2 0,82 35,5 0,08 0,8 0,02 Cầu Giấy Buổi sáng 3,5 0,55 24,0 0,05 0,5 0,015 Buổi trưa 4,1 0,61 25,0 0,04 0,4 0,025 Buổi chiều 5,0 0,60 28,0 0,05 0,7 0,025 Ngã Tư Vọng Buổi sáng 4,5 0,67 27,0 0,08 0,6 0,03 Buổi trưa 4,0 0,83 27,0 0,08 0,5 0,01 Buổi chiều 3,5 0,67 25,0 0,06 0,6 0,02 Cầu Chương Dương Buổi sáng 5,5 0,83 28,0 0,07 1,0 0,025 Buổi trưa 5,0 0,76 27,0 0,08 0,8 0,025 Buổi chiều 6,5 1,0 35,0 0,09 1,5 0,03 Khu phố cổ Buổi sáng 2,2 0,37 12,0 0,02 0,2 0,01 Buổi trưa 2,0 0,35 11,0 0,02 0,2 0,01 Buổi chiều 2,5 0,40 12,0 0,03 0,3 0,015 Lượng xe máy lưu hành tại Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh sẽ tiếp tục tăng nhanh, nhất là từ khi bãi bỏ quy định tạm ngừng và hạn chế đăng ký mô tô - xe máy. Đây cũng là nguyên nhân chính gây ra ùn tắc giao thông trong khi cơ sở hạ tầng giao thông tại các thành phố này không thể nâng cấp kịp thời. Tỷ lệ đóng góp đến ô nhiễm không khí do các loại phương tiện khác nhau gây ra tại Thành phố Hà Nội đươc trình bày trong Bảng 1.2. Bảng 1.2. Tỷ lệ ô nhiễm không khí do các loại phương tiện khác nhau gây ra tại địa bàn Hà Nội, [4]. Chất ô nhiễm Xe máy Phương tiện lắp động cơ xăng Phương tiện lắp động cơ diesel CO 54,5% 45,2% 0,3% HC 54,1% 44,9% 1% Pb 54,5% 45,5% PM 43% 35,3% 22% Ngoài ra, một điều cần quan tâm là có sự thay đổi lớn về tỷ lệ đóng góp các chất ô nhiễm vào tổng lượng thải chung giữa các loại phương tiện khác nhau (Bảng 1.3). Bảng 1.3. Tỷ lệ các chất ô nhiễm trong khí thải của các loại phương tiện khác nhau,[4]. Phương tiện Tỷ lệ đóng góp chất ô nhiễm (%) SO2 NOx CO CO2 HC VOC Xe máy 20 12 70 44 73 92 Ô tô con 5 5 19 12 4 4 Xe buýt 20 6 0 8 0 1 Xe 3 bánh 0 0 0 0 1 1 Xe chở khách 0 0 3 1 1 0 Xe tải 55 77 8 35 21 2 Nhìn chung, lượng chất độc hại thải ra môi trường tỷ lệ thuận với lượng và loại nhiên liệu mà các PTCGĐB tiêu thụ. Theo số liệu thống kê từ Bộ Thương Mại và Ngân hàng Phát triển Châu Á [4], lượng nhiên liệu dùng cho lĩnh vực giao thông vận tải hàng năm tại Việt Nam là khá lớn (Bảng 1.4). Bảng 1.4. Lượng nhiên liệu tiêu thụ trong lĩnh vực giao thông vận tải tại Việt Nam, [4]. Năm Nhiên liệu xăng, (1000 tấn) Nhiên liệu diesel, ( 1000 tấn) 1994 370 530 1995 668 493 1996 677 600 1997 779 686 1998 845 741 1999 900 800 2000 980 864 Căn cứ vào lượng nhiên liệu các PTCGĐB tiêu thụ trong một năm và dựa vào mức độ tăng trưởng kinh tế, các nhà nghiên cứu dự báo chất độc hại do các PTCGĐB thải vào môi trường Việt Nam vào năm 2005 có thể lên đến 530.600 tấn, một con số khá lớn và rất đáng lo ngại (Bảng 1.5). Bảng 1.5. Dự báo khối lượng chất ô nhiễm do phương tiện cơ giới đường bộ thải vào môi trường Việt Nam năm 2005, [3]. TT Chất ô nhiễm Ký hiệu Khối lượng thải vào môi trường (tấn) PTCGĐB lắp Đ.C xăng PTCGĐB lắp Đ.C diesel Tổng số 1 Ôxít cacbon CO 98.357,5 37.867,7 136.225,2 2 Ôxít nitơ NOx 39.343,0 71.407,6 110.750,6 3 Hydrocarbon CmHn 137.700,6 75.735,3 213.435,9 4 Anđehyt R-CHO 1967,0 17.310,9 19.277,9 5 Chì Pb 919,2 919,2 6 Muội than C 3676,9 17.310,9 20.987,8 7 Chất thải khác 3676,9 25.278,8 28.955,7 Tác động tiêu cực của các chất ô nhiễm của trong khí thải động cơ đốt trong là đối tượng của nhiều nghiên cứu chuyên sâu và đã được đề cập trong rất nhiều tài liệu khác nhau. Bảng 1.6 chỉ trình bày tóm tắt tác động đến sức khoẻ con người và môi trường sinh thái của các chất ô nhiễm thông thường có trong khí thải động cơ. Bảng 1.6. Tác động đến sức khoẻ và môi trường của các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong, [3]. Chất ô nhiễm Ành hưởng tới sức khỏe Mưa axít Sự phì dưỡng Ảnh hưởng tầm nhìn Thay đổi khí hậu Trực tiếp Gián tiếp Trực tiếp Gián tiếp CO x HC x x x NOx x x x x x x x PM x x x SO2 x x x x Thực tế tại các nước giải quyết tốt vấn để ô nhiễm môi trường do các hoạt động giao thông vận tải cho thấy, muốn đạt được kết quả tối ưu phải sử dụng tổng hợp các giải pháp sau: + Tăng cường mức độ nghiêm ngặt của các tiêu chuẩn khí thải: như đã đề cập trong Lời nói đầu, đây là biện pháp mạnh và có thể đạt được nhiều mục tiêu cùng lúc.Tất cả các nước phát triển đều rất chú trọng đến việc phát triển Quy trình thử nghiệm ô nhiễm công nhận kiểu PTCGĐB và các giới hạn ô nhiễm tương ứng kèm theo. + Tăng cường công tác Kiểm tra và bảo dưỡng – I/M (Inspection and Maintenance): đây là biện pháp khá hiệu quả nhằm để các phương tiện đang lưu hành không bị gia tăng quá lớn về mức phát thải so với thiết kế ban đầu. Thông qua công tác I/M cũng có khả năng phát hiện được những phương tiện có sự gia tăng đột biến về mức phát thải và có biện pháp bảo dưỡng, điều chỉnh phù hợp. + Sử dụng nhiên liệu sạch: Đây là biện pháp đã được một số quốc gia phát triển áp dụng. Việc sử dụng nhiên liệu sạch có thể hiểu theo hai hướng: tăng cường chất lượng (giảm hàm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu diesel, không sử dụng phụ gia chì, tăng chỉ số ốc-tan, giảm áp suất hơi RVP của xăng ...) của nhiên liệu truyền thống (xăng, diesel); và hướng thứ hai là sử dụng các loại nhiên liệu xanh (nhiên liệu thay thế) như : LPG, CNG, biofuel ...Tuy nhiên, việc áp dụng các biện pháp này tại các nước đang phát triển sẽ gặp khó khăn do giá thành nhiên liệu tăng cao, những sự thay đổi đối với động cơ và hệ thống nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu thay thế; hệ thống cung cấp ... + Thực hiện tốt việc quy hoạch và quản lý nhu cầu giao thông: đây là biện pháp dành cho các nhà quản lý đô thị, nhằm phát triển các biện pháp đồng bộ khác như: hoàn thiện cơ sở hạ tầng giao thông, phát triển mạng lưới giao thông công cộng và khuyến khích người dân sử dụng các phương tiện này, có chính sách phù hợp để khuyến khích sử dụng phương tiện sạch và nhiên liệu sạch .... 1.2. QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Từ những năm 1970, các điều luật liên quan đến khí xả động cơ thường đề cập đến CO, HC, NOx và PM. Các chất này thường được gọi là chất ô nhiễm thông thường. Từ những năm 1990, để hiểu biết sâu hơn về hiện tượng và nguyên nhân ô nhiễm, các nhà chuyên môn quan tâm rất nhiều đến các hợp chất đặc biệt có trong khí xả (Benzene, Formaldehyde, PAHs, ...) và chúng thường được gọi là chất ô nhiễm đặc trưng. 1.2.1. Cơ chế hình thành CO Các PTCGÐB là nguồn phát thải CO chủ yếu tại các khu đô thị và các nút giao thông có mật độ phương tiện qua lại cao. CO là loại khí không mầu, không mùi và không vị. Trong phản ứng dây chuyền khi hỗn hợp bị đốt cháy, CO chỉ là một sản phẩm trung gian của quá trình ô-xy hoá nhiên liệu hydrocacbon để tạo thành sản phẩm cuối cùng CO2. RH ® R ® RO2 ® RCO ® CO (1.1) Trong đó R là gốc hydrocacbua CO tạo ra sẽ bị ô-xy hoá với tốc độ chậm để tạo thành CO2 theo phản ứng sau đây: CO + OH Û CO2 + H (1.2) Tốc độ ô xy hoá phụ thuộc vào nồng độ ô-xy, nhiệt độ khí và thời gian dành cho phản ứng. Yếu tố chính gây ra việc phát sinh CO là độ đậm đặc của hỗn hợp nhiên liệu + không khí. Ví dụ, với nhiên liệu chứa 87% C (theo khối lượng), mức CO trong khí xả sẽ là 1,6 ; 3,0 ; và 3,7 lần lượt tương ứng với tỷ số tương đương j là 1,05; 1,10 và 1,15. Theo nguyên lý, sự phát thải CO có thể bằng không khi cháy với hỗn hợp nghèo nhiên liệu. Tuy nhiên, điều này khó đạt được trong thực tế do các nguyên nhân sau: tỷ số A/F không đồng nhất trong xi lanh (hoặc giữa các xi lanh) và sự ô-xy hoá một phần HC trong hệ thống thải. Mức CO trong khí xả cũng phụ thuộc vào hàm lượng cacbon của nhiên liệu, nhưng sự thay đổi thường rất nhỏ. Việc sử dụng nhiên liệu thay thế (Ê-te, rượu cồn...) sẽ giảm sự phát thải CO do sự giảm nhẹ của tỷ số tương đương. Trong động cơ đốt cháy cưỡng bức, hỗn hợp không khí nhiên liệu thường là hỗn hợp giàu (nhất là chế độ toàn tải và khởi động), do đó quá trình cháy xảy ra không hoàn toàn, nồng độ CO lớn. Lượng thải CO trong khí thải của động cơ xăng đặc biệt cao ở chế độ không tải. Do vậy, không được để động cơ chạy không tải trong khi ga-ra xe đang đóng kín. Theo kết quả thực nghiệm, trong 2 phút làm việc đầu tiên (có tính đến điều kiện khởi động nguội), lượng CO thải ra đã chiếm khoảng 80% lượng thải cho phép của toàn bộ thời gian thử. Trị số này có thể thấp hơn nếu có thể điều chỉnh một cách chính xác hơn tỷ số A/F khi khởi động nguội. Ngoài ra để giảm lượng thải CO khi khởi động nguội cần đảm bảo tạo được hỗn hợp đồng đều giữa các xi lanh động cơ. Ðiều này có thể đảm bảo khá tốt bằng cách sử dụng hệ thống phun xăng điện tử. Nhìn chung, động cơ diesel thải CO ít hơn so với động cơ xăng đối chứng. Trong quá trình hoạt động, các xe tải hạng nhẹ lắp động cơ diesel thải CO ở mức khoảng 2 g/dặm, trong khi các xe con lắp động cơ xăng (không sử dụng điều khiển điện tử) thải ra khoảng 90 g/dặm. Rõ ràng, mức độ phát thải CO rất thấp của động cơ diesel có thể góp phần đáng kể làm giảm hàm lượng CO trong không khí xung quanh. Ðây là một ưu điểm đáng kể của động cơ diesel đối với sức khỏe cộng đồng. Ðối với động cơ diesel, do luôn làm việc với hỗn hợp nghèo ở tất cả các chế độ do vậy không xuất hiện vấn đề tăng lượng thải CO khi khởi động nguội. Vì vậy hầu hết các loại ô tô có sử dụng động cơ diesel có thể thoả mãn yêu cầu về lượng thải CO mà không cần sử dụng thêm các thiết bị khác. Các kết quả nghiên cứu cho thấy, khi tỷ số A/F trong hỗn hợp lớn hơn 16 thì lượng thải CO hầu như rất nhỏ, và thực tế hoàn toàn có thể thoả mãn định mức 2,2 g/km. Lượng thải CO sẽ tăng đột ngột khi ta tăng tỷ số tương đương của hỗn hợp công tác. Việc thay đổi góc đánh lửa có ảnh hưởng không đáng kể đến việc giảm lượng thải CO. Ðối với các phương tiện có lượng thải CO cao hơn định mức cho phép, cần có thêm thiết bị phụ để xử lý. Hiện nay người ta hay dùng phương pháp ô-xy hoá có xúc tác để giảm lượng CO. Ðể ô xy hoá lượng CO trong khí thải cần phải có lượng chất ô xy hoá đủ lớn (> 2% O2), nhiệt độ khoảng 800 0C, khí xả phải ở trong BXLKX khoảng 20-50 ms và được hoà trộn tốt. 1.2.2. Cơ chế hình thành HC PTCGĐB là nguồn phát thải HC chính tại các khu đô thị. HC tồn tại trong khí xả động cơ dưới rất nhiều dạng khác nhau. Thuật ngữ "Hydrocacbon chưa cháy" (Unburned Hydrocarbons) thường được sử dụng để ám chỉ chất ô nhiễm HC trong khí xả, chúng có thể bao gồm: + Các hợp chất của nhiên liệu chưa bị thay đổi bởi quá trình cháy + Các sản phẩm là kết quả của các phản ứng phức tạp khác nhau giữa các hydrocacbon trong nhiên liệu: phản ứng phân huỷ (Cranking), liên kết (Bonding), hyđrô hoá, khử hyđrô... Vì vậy quá trình đốt nhiên liệu lỏng (xăng hoặc diesel) sẽ hình thành các hợp chất HC thể khí (Methane, Ethane, Ethylene, Acetylene,...) trong khí thải động cơ. Các sản phẩm của quá trình cháy không hoàn toàn như Anđêhyt (Aldehydes), Xeton (Ketones), rượu cồn (Alcohols) và các a-xit hữu cơ cũng thường được gọi chung bằng thuật ngữ "Hydrocacbon chưa cháy". Có nhiều nguồn phát thải HC chưa cháy trong động cơ (Hình 1-1): + Do hiện tượng ngọn lửa bị dập tắt ở gần thành buồng cháy. Trong một thời gian dài, hiện tượng này đã bị coi là nguyên nhân chính (hoặc duy nhất) gây phát thải HC chưa cháy. Tuy nhiên, hiện nay người ta đã chứng minh được rằng nó chỉ có tác động nhẹ với các động cơ hiện đại. + Hỗn hợp chưa cháy trong quá trình nén đã chèn vào các vùng thể tích chết (khe hở pít tông, xéc măng, đệm nắp máy, lỗ bu-gi,...), tại đó ngọn lửa không lan tới và lượng HC chưa cháy này sẽ thải ra ngoài. + Hơi HC của hỗn hợp chưa cháy bị màng dầu bôi trơn (trên thành buồng cháy) hấp thụ trong kỳ nạp, nén và chúng sẽ được nhả ra trong kỳ giãn nở, thải. + Do ngọn lửa yếu hoặc cháy cục bộ. + Do hơi HC lắng đọng trên thành buồng cháy + Do sự thay đổi hoá học của nhiên liệu, những thành phần này trốn thoát được quá trình cháy và trộn lẫn với khí xả. Phản ứng này xuất hiện cả trong xi lanh và trong hệ thống xả. Hót b¸m vµo (hoÆc tho¸t ra tõ) líp dÇu b«i tr¬n Khe hë ren cña nÕn ®iÖn Khe hë t¹i ®Õ xu p¸p x¶ L¾ng ®äng trªn thµnh buång ch¸y Khe hë ®Öm n¾p m¸y Khe hë xÐc m¨ng -pÝt t«ng, pÝt t«ng-xi lanh Ngän löa bÞ dËp t¾t t¹i mÆt tiÒn cña mµng löa Ngän löa bÞ dËp t¾t t¹i thµnh buång ch¸y Hình 1.1. Các nguồn thải HC chưa cháy của động cơ xăng, [3] Lượng HC chưa cháy từ các nguồn trên sẽ lẫn vào các sản phẩm cháy ở cuối quá trình cháy và được thải ra ngoài buồng cháy. Trong đường ống thải một phần lượng HC nói trên (khoảng 10¸40%) sẽ cháy tiếp và tạo ra CO, CO2. Phần còn lại thoát ra khỏi hệ thống thải và đó chính là lượng thải HC của động cơ. Với động cơ xăng: lượng HC thải ra môi trường phụ thuộc vào mức độ đậm đặc của hỗn hợp, hỗn hợp càng giầu thì lượng thải HC chưa cháy càng lớn. Ngoài ra, các thông số nhiệt động, khí động và hình học cũng có tác động đáng kể. Ðộng cơ xăng vận hành với hỗn hợp nghèo thường cải thiện được hiệu suất nhiệt và giảm NOx, tuy nhiên dễ dẫn đến tăng lượng thải HC nếu sự lan truyền màng lửa yếu hoặc không hoàn toàn. Với động cơ diesel: nhiên liệu chỉ được phun vào xi lanh ở cuối kỳ nén nên thời gian nhiên liệu lưu lại trong buồng cháy ngắn hơn so với động cơ xăng. Do vậy, thời gian để hình thành các hợp chất HC chưa cháy ngắn. Mặt khác, do nhiên liệu diesel gồm các hợp chất hydrocacbon có điểm sôi khá cao, phân tử lượng lớn nên cũng gây khó khăn nhất định cho quá trình hình thành HC chưa cháy. Ngoài ra, hệ số dự lượng không khí khá lớn, cho phép các sản phẩn HC chưa cháy được đốt cháy tiếp trong quá trình giãn nở và thải. Kết quả cuối cùng là hàm lượng HC chưa cháy trong khí xả diesel nhìn chung thấp hơn nhiều so với động cơ xăng. Cơ chế hình thành NOx Theo thuật ngữ chuyên môn, NOx được dùng để gọi chung tất cả các ô-xít nitơ có trong khí xả động cơ. Về nguyên tắc, NOx được hình thành trong tất cả các quá trình cháy có không khí. Với các khu đô thị lớn, hoạt động giao thông vận tải đóng góp khoảng một nửa lượng thải NOx vào không khí xung quanh. NOx được quan tâm do những tác động của chúng đến sức khoẻ, sự góp phần của chúng tới sự hình thành ô-zôn và các chất ô-xy quang hoá trong khí quyển. Trong buồng cháy động cơ, NOx hình thành ở những vùng nghèo nhiên liệu và có nhiệt độ cao. Mặc dù động cơ diesel thải ra ít NOx hơn so với động cơ xăng, nhưng do tỷ lệ NOx trong khí thải diesel cao và hiệu quả xử lý chúng sau khi cháy (bằng các bộ biến đổi xúc tác) rất hạn chế (do hỗn hợp cháy loãng, khí xả chứa nhiều O2). Trong khi với động cơ phun xăng, việc sử dụng BXLKX 3 đường (kiểu xúc tác) có thể xử lý hơn 90% NOx trong khí xả. Do vậy, NOx là mối quan tâm hàng đầu đối với các động cơ hiện đại làm việc với hỗn hợp nghèo nói chung và động cơ diesel nói riêng. NOx là hợp chất khí do N2 kết hợp với O2 ở điều kiện nhiệt độ cao (trên 11000C) tạo thành. NOx bao gồm 3 thành phần chính: Monoxít Nitơ (NO), Dioxít Nitơ (NO2), Protoxít Nitơ (N2O). Trong đó NO chiếm khoảng 65-70%, NO2 chiếm 25-30%. NO là chất khí không màu, không mùi và không vị, khối lượng riêng 1,226 g/lít, nhiệt độ sôi là -151,70C. Có nhiều tác giả đưa ra các mô hình khác nhau về sự hình thành NO. Theo Zeidovitch, trong điều kiện hệ số dư lượng không khí xấp xỉ bằng 1, mô hình gồm 3 phản ứng thuận nghịch sau: O2 + N2 Û NO + N - 316 kj/kmol (1.3) N + O2 Û NO + O + 136 kj/kmol (1.4) N + OH Û NO + H (1.5) Phản ứng thứ ba (1.5) chủ yếu xảy ra trong vùng giàu nhiên liệu, hai phản ứng còn lại diễn ra mạnh trong khu vực đang phản ứng cũng như trong vùng sản phẩm cháy. Bảng 1.7. Hằng số phản ứng tạo thành NO theo mô hình Zeidovitch, [3]. Phản ứng K thuận K nghịch (1.3) 7,6.1013 exp(-3800/T) 1,6.1013 (1.4) 6,4.109 T. exp(-3150/T) 1,5.109 exp(-19500/T) (1.5) 1,4.1013 2.1014 exp(-23650/T) Trong buồng cháy động cơ, dưới tác dụng của áp suất cao, bề dày màng lửa không đáng kể và tồn tại trong thời gian ngắn. Do vậy, phần lớn NO hình thành phía sau màng lửa. Tuy nhiên, chính phần nhỏ NO hình thành trong khu vực phản ứng ô-xy hoá (trong màng lửa) mới có khả năng tạo ra những chất còn lại trong họ NOx. Các hằng số phản ứng của mô hình được liệt kê trong Bảng 1.7. Hàm lượng một số hợp chất điển hình trong khí xả động cơ đốt trong được thể hiện trong Bảng 1.8, [3] Bảng 1.8. Hàm lượng một số chất điển hình trong khí xả động cơ, [3 ]. Các chất trong khí thải Chế độ không tải Chế độ toàn tải Ôxít nitơ (NOx), [ppm] 50 ¸ 250 600 ¸ 2500 Hydrocarbons (HC), [ppm] 50 ¸ 500 150 Carbon monoxide (CO), [ppm] 100 ¸ 450 350 ¸ 2000 Carbon dioxide (CO2) [% thể tích] 3,5 12 ¸ 16 Hơi nước (H2O), [% thể tích] 2 ¸ 4 11 Ôxi, [% thể tích] 18 2 ¸ 20 Nitơ, các chất khác; [% thể tích] Còn lại Còn lại Paticulates Matter (PM), [mg/m3] » 20 » 200 Nhiệt độ khí xả, [0C] 100 ¸ 200 550 ¸ 750 1.3. MỘT SỐ ĐIỂM MỐC QUAN TRỌNG TRONG QUÁ TRÌNH KIỂM SOÁT Ô NHIỄM TỪ PTCGĐB. Hiện nay, trên thế giới có nhiều hệ thống tiêu chuẩn về khí thải PTCGĐB khác nhau. Tuy nhiên, 3 hệ thống điển hình nhất là của Mỹ, Liên minh Châu Âu và Nhật Bản. 1.3.1. Đối với Liên bang Mỹ Trên thực tế, Mỹ luôn là quốc gia đi đầu trong cuộc chiến chống lại ô nhiễm từ PTCGĐB (trong đó, bang California được biết là có điều luật ô nhiễm nghiêm ngặt nhất thế giới). Hầu hết các công nghệ mới được áp dụng giảm thiểu ô nhiễm từ PTCGĐB đều xuất phát từ Mỹ. Ngoài ra, hệ thống tiêu chuẩn ô nhiễm của Mỹ ra đời sớm đời hơn và mức độ khắt khe cũng cao hơn so với Châu Âu. Đầu những năm 1950, các nhà chuyên môn bắt đầu quan tâm đến sự liên quan giữa PTCGĐB với hiện tượng ô nhiễm không khí (hiện tượng khói quang hoá) tại bang California, Mỹ. Vào thời điểm này, các PTCGĐB mới xuất xưởng có mức phát thải rất cao (13 gam HC/dặm; 3,6 gam NOx/dặm; 87 gam CO /dặm).Trước thực trạng này, chính quyền Liên bang đã ban hành những tiêu chuẩn nhằm giảm nhanh mức độ ô nhiễm của PTCGĐB. Ngành công nghiệp sản xuất ô tô cũng đã phải phát triển các công nghệ mới nhằm kiểm soát mức độ ô nhiễm của PTCGĐB. Cho tới nay, tiêu chuẩn hiện hành của Mỹ có mức độ nghiêm ngặt rất cao (hàm lượng cho phép đối với HC là 0,25 gam/dặm; NOx là 0,4 gam/dặm và CO là 3,4 gam/dặm; lượng nhiên liệu bay hơi là 2 gam/ lần thử). Thành quả này là kết quả của hàng loạt cố gắng trong một thời gian dài, thể hiện qua một số mốc quan trọng sau, [9]: + Năm 1964: Chính quyền Bang California yêu cầu phải có hệ thống kiểm soát ô nhiễm tối thiểu trên các PTCGĐB, bắt đầu từ model năm 1966. + Năm 1966: Hệ thống kiểm soát ô nhiễm tối thiểu phải được lắp đặt trên các dòng xe từ model năm 1968 và sau đó. + Năm 1970: Nhóm họp thông qua Điều luật Không khí Sạch (Clean Air Act), đồng thời thành lập Cục Bảo vệ Môi trường Mỹ -EPA (Environmental Protection Agency). Điều luật Không khí Sạch yêu cầu giảm 90 % lượng khí độc hại thải ra từ ô tô. Đến năm 1975, các PTCGĐB phải thoả mãn giới hạn 0,41 gam/dặm đối với HC; 3,4 gam/dặm đối với CO; 0,4 gam/dặm đối với NOx (đến năm 1976). Điều luật này cũng yêu cầu EPA phải xây dựng “Tiêu chuẩn quốc gia về chất lượng không khí xung quanh”, trong đó liên quan đến 6 chất ô nhiễm có mặt trong khí thải của PTCGĐB. + Năm 1971: Lần đầu tiên các PTCGĐB mới phải đáp ứng tiêu chuẩn về lượng tổn thất nhiên liệu do bay hơi. Các hộp lọc (chứa than hoạt tính) bắt đầu được lắp trên phương tiện để thu hồi hơi xăng. + Năm 1972: Các nhà sản xuất ô tô bắt đầu sử dụng biện pháp Tuần hoàn khí thải – ERG (Exhaust Gas Recirculation) nhằm đáp ứng các tiêu chuẩn về NOx. + Năm 1974: Mỹ bắt đầu thực hiện việc giảm tiêu thụ nhiên liệu của PTCGĐB bằng việc ban hành quy định của Tổ chức Tính kinh tế nhiên liệu trung bình (tạm dịch)- CAFE (Corporate Average Fuel Econnomy). Kể từ năm 1975, hàng năm Mỹ liên tục ban hành giới hạn tiêu thụ nhiên liệu trung bình đối với PTCGĐB (áp sụng cho tất cả các hãng sản xuất ô tô). +Năm 1975: Lần đầu tiên Bộ xử lý khí thải kiểu chuyển đổi xúc tác (Catalytic Converters) xuất hiện, đi kèm với chúng là xăng không chì nhằm đáp ứng các tiêu chuẩn đối với HC và CO. + Năm 1981: Lần đầu tiên, các PTCGĐB đáp ứng tiêu chuẩn của Đạo luật không khí sạch. Tại thời điểm này, bộ điều khiển động cơ -ECU, bộ xử lý khí thải kiểu xúc tác 3 đường (3-way Catalytic Converters), cảm biến lambda (ô-xy) đã được tích hợp trên hầu hết các phương tiện mới. + Năm 1983: Chương trình Kiểm tra và Bảo dưỡng– I/M được triển khai trên khắp 64 bang của Mỹ, bắt buộc các phương tiện chở khách phải định kỳ kiểm tra nhằm xác định sự trục trặc của hệ thống kiểm soát ô nhiễm. + Năm 1985: EPA thông qua tiêu chuẩn ô nhiễm nghiêm ngặt đối với xe tải và xe buýt dùng động cơ diesel, sẽ có hiệu lực vào năm 1991 và 1994. + Năm 1989: lần đầu tiên, EPA xác định giới hạn tính bay hơi của nhiên liệu, nhằm mục đích giảm tổn thất nhiên liệu do bay hơi. + Năm 1990: EPA áp đặt giới hạn nghiêm ngặt về hàm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu diesel nhằm giúp các xe tải và xe buýt đáp ứng tiêu chuẩn ô nhiễm năm 1985 (có hiệu lực đầu những năm 1990). Đạo luật Không khí sạch sửa đổi yêu cầu giảm hơn nữa lượng thải HC, CO, NOx và PM. Điều luật sửa đổi cũng đưa vào một bộ chương trình hành động toàn diện nhằm giảm ô nhiễm từ PTCGĐB, bao gồm: hạ thấp mức giới hạn các chất ô nhiễm trong khí thải; tăng cường mức độ nghiêm ngặt của chu trình thử nghiệm ô nhiễm; phát triển và mở rộng chương trình Kiểm tra và Bảo dưỡng; phát triển công nghệ mới cho PTCGĐB; Chương trình nhiên liệu sạch; quản lý giao thông vận tải và có thể quy định giới hạn phát thải đối với các phương tiện phi đường bộ (non-road vehicles). + Năm 1991: EPA hạ thấp giới hạn đối với HC và NOx theo quy định của Đạo luật không khí sạch năm 1990. Những giới hạn mới này sẽ bắt đầu áp dụng cho những PTCGĐB từ model năm 1994. + Năm 1992: Lần đầu tiên ban hành tiêu chuẩn giới hạn hàm lượng CO (cacbon monoxide) ở nhiệt độ thấp (20oF). Các loại xăng pha (có chứa các hợp chất ô-xy hoá) được sử dụng tại các thành phố có mức CO trong không khí xung quanh cao. + Năm 1993: Giới hạn lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu diesel có hiệu lực, nó cho phép sử dụng công nghệ xúc tác để giảm lượng PM trong khí thải động cơ diesel. + Năm 1994: Bắt đầu thực hiện những tiêu chuẩn về phương tiện và công nghệ sạch hơn theo yêu cầu của điều luật Không khí Sạch 1990. 1.3.2. Đối với Liên minh Châu Âu Ở Châu Âu, vấn đề ô nhiễm môi trường do khí thải PTCGĐB được quan tâm muộn hơn (chỉ thực sự được quan tâm từ năm 1990 trở lại đây), với một số điểm mốc đáng chú ý là: + Năm 1992: Lần đầu tiên xây dựng 1 hệ thống tiêu chuẩn khí thải thống nhất, còn gọi là tiêu chuẩn Euro I. + Năm 1996: Phát triển và áp dụng hệ thống tiêu chuẩn khí thải Euro II với giới hạn cho phép của các chất ô nhiễm nghiêm ngặt hơn so với Euro I. + Năm 2000: Xây dựng và hoàn thiện tiêu chuẩn khí thải Euro III. + Năm 2002: Bắt đầu áp dụng hệ thống tiêu chuẩn khí thải Euro III + Năm 2005: Thắt chặt hơn nữa các điều luật ô nhiễm, thông qua việc ban hành hệ thống tiêu chuẩn khí thải Euro IV. + Năm 2008: dự kiến sẽ hoàn thành và áp dụng hệ thống tiêu chuẩn khí thải Euro V .