-1- Hệ thống kiểm soát khí xả Bố cục của chương Chương này trình bày về Hệ thống kiểm soát khí xả. ã Các khí độc hại do ôtô sinh ra ã Nguyên lí sản sinh ra khí xả ã Các Tiêu chuẩn về Khí thải ã Hệ thống kiểm soát khí xả ã Kiểm tra và điều chỉnh CO/HC -2- Các khí độc hại do ôtô sinh ra Mô tả 1. Hệ thống kiểm soát khí xả là gì ? Hệ thống kiểm soát khí xả giúp hạn chế lượng khí thải có hại cho con người và môi trường. 2. Khí thải là gì ? Thuật ngữ khí thải dùng để chỉ nhiên liệu bay hơi từ thùng nhiên liệu, khí lọt ra qua khe giữa píttông và thành xy-lanh, và khí xả. Khí thải có hại cho môi trường và con người vì chúng có những chất độc như CO (cacbon oxit), HC (hyđrôcacbon) và NOx (nitơ oxit) Xe có động cơ điêzen không những thải ra các khí như CO, HC và NOx mà còn có các hạt cácbon, chúng cũng có tác động đến môi trường và con người. (1) CO (cácbon oxit) ã CO được sinh ra khi lượng ôxy đưa vào buồng đốt không đủ (cháy không hoàn toàn) 2C (cácbon) + O2 (ôxy) = 2CO (cácbon ôxít) ã Khi CO được hít vào trong cơ thể, nó hoà tan vào máu và làm hạn chế khả năng vận chuyển ôxy của máu. Hít vào một lượng lớn CO có thể dẫn đến tử vong. (2) HC (hydrôcácbon) ã HC được sinh ra trong quá trình đốt cháy không hoàn toàn, cũng như CO. Ngoài ra HC còn sinh ra trong các trường hợp sau: <1> Khi nhiệt độ ở khu vực dập lửa thấp, chưa đạt tới nhiệt độ bốc cháy. <2> Khí nạp thổi qua trong thời gian lặp của xupáp. Hỗn hợp không khí-nhiên liệu càng giàu, càng sinh ra nhiều HC. Hỗn hợp càng nghèo, càng ít sinh ra HC. Lượng HC sinh ra càng trở nên lớn hơn khi hỗn hợp không khí-nhiên liệu quá nghèo, vì nó không cháy được. ã Khi HC được hít vào cơ thể, nó trở thành tác nhân gây ung thư. Nó cũng gây ra hiện tượng sương khói quang hoá. -3- (3) NOx (nitơ oxit) ã NOx được sinh ra do nitơ và ôxy trong hỗn hợp không khí-nhiên liệu, khi nhiệt độ của buồng đốt tăng cao trên 1800 oC . Nhiệt độ của buồng đốt càng cao, lượng NOx sản ra càng nhiều. Khi hỗn hợp không khí-nhiên liệu nghèo, NOx sinh ra nhiều hơn vì tỷ lệ ôxy trong hỗn hợp không khí-nhiên liệu cao hơn. Như vậy, lượng NOx được sinh ra tuỳ theo hai yếu tố: nhiệt độ cháy và hàm lượng ôxy. N2 (nitơ) + O2 (ôxy) = 2 NO (NO2,N2 .NOx) Khi NOx được hít vào cơ thể, nó gây kích thích mũi và họng. Nó cũng gây ra hiện tượng sương khói quang hoá. (1/2) 1. Khí xả Khí xả được thải ra qua ống xả. Theo lí thuyết, khi đốt cháy xăng thì chỉ sinh ra CO 2 (cácbon điôxit) và H 2 O (hơi nước). Tuy nhiên, không phải toàn bộ xăng đều tham gia phản ứng như lí thuyết, do ảnh hưởng của các yếu tố như tỷ lệ hỗn hợp không khí-nhiên liệu, nitơ trong không khí, nhiệt độ cháy, thời gian cháy . Đó là nguyên nhân sinh ra các khí độc hại như CO, HC hoặc NOx. 2. Nhiên liệu bay hơi Hơi nhiên liệu thoát ra từ thùng nhiên liệu, bộ chế hoà khí . và đi vào khí quyển. Thành phần chủ yếu của nó là HC. 3. Khí lọt Khí lọt qua khe hở giữa pittông và thành xy-lanh và đi vào hộp trục khuỷu. Thành phần chủ yếu của nó là nhiên liệu và khí chưa cháy (HC). (2/2) -4- Nguyên lí sản sinh ra khí xả Tỷ lệ hỗn hợp không khí-nhiên liệu lí thuyết Tỷ lệ hỗn hợp không khí-nhiên liệu lí thuyết là tỷ lệ của lượng nhiên liệu và không khí (chứa ôxy) tối thiểu cần thiết để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu. Xăng là hỗn hợp của một số dạng hyđrôcacbon, trong đó chủ yếu là ốctan (C8H18). 2C8H18 + 15 O 2 = 16CO 2 + 18 H 2 O Để đốt cháy 1g ốctan và sản sinh ra nước và cacbondiôxít thì cần đến 15g không khí. Trên thực tế, nhiên liệu không phải là ốctan thuần chất mà là ôctan và các HC khác nhau. Vì vậy, tỷ lệ hỗn hợp không khí-nhiên liệu lí thuyết là 14,7 (1/1) Biểu đồ sản sinh CO/HC/NOx Biểu đồ bên trái cho thấy quan hệ giữa tỷ lệ hỗn hợp không khí-nhiên liệu và lượng CO/HC/NOx sinh ra. 1. Đậm hơn CO/HC : tăng NOx : giảm 2. Nhạt hơn CO : Giảm HC : Giảm Tuy nhiên, lượng này sẽ tăng lên vì động cơ nổ không tốt khi hỗn hợp không khí-nhiên liệu quá nghèo. NOx: Khí này được sinh ra nhiều nhất khi hỗn hợp không khí-nhiên liệu hơi nghèo hơn so với tỷ lệ lí thuyết. Nhưng khi hỗn hợp lại nghèo hơn nữa thì lượng khí này sẽ giảm vì nhiệt độ cháy giảm. Lượng khí CO/HC/NOx tăng lên trong các điều kiện sau đây: 3. Trong khi động cơ còn lạnh Lượng khí CO/HC tăng lên vì động cơ được cung cấp hỗn hợp không khí-nhiên liệu giàu. 4. Khi tải lớn Lượng khí thải tăng vì lượng không khí cũng như nhiên liệu đều tăng. ã Lượng CO/HC tăng vì động cơ được cung cấp hỗn hợp không khí-nhiên liệu giàu ã Lượng NOx tăng vì nhiệt độ cháy lên cao. GợI ý PPM : Viết tắt của Một Phần Triệu, được sử dụng làm đơn vị nồng độ. (1/1) -5- Hệ thống kiểm soát khí xả Mô tả Phải có trình độ công nghệ cao mới có thể bảo đảm rằng tổng lượng các thành phần (CO/HC/NOx) trong khí thải đáp ứng các quy định về khí thải. Đối với xe ôtô thực sự, không những phải giảm những chất này mà còn phải đáp ứng các tiêu chuẩn khác như độ bền, độ tin cậy, an toàn và tiêu hao nhiên liệu. Các biện pháp làm sạch khí thải được liệt kê trong bảng bên trái đây, nhưng thiết bị thì thay đổi tuỳ theo từng nước, còn quy định về khí thải thì thay đổi theo vùng. (1/1) Cải thiện động cơ Động cơ đã được cải tiến rất nhiều để các đặc tính của động cơ về công suất và tiêu hao nhiên liệu không bị xấu đi qua thời gian sử dụng, hạn chế đến mức tối thiểu sự sản sinh khí độc hại. Các biện pháp dưới đây không phải là được áp dụng cho tất cả các kiểu động cơ, tuy nhiên, hầu hết các biện pháp thích hợp cho từng động cơ thì đã được sử dụng. 1. Cấu tạo của buồng đốt và cải thiện hệ thống nạp khí (1) Sử dụng vùng rối Vùng rối trong buồng đốt tạo ra dòng rối mạnh mẽ, bắt đầu từ cuối kỳ nén đến đầu kỳ nổ. Dòng rối này làm tăng tốc độ cháy, giúp hỗn hợp không khí-nhiên liệu cháy hoàn toàn, giảm lượng CO và HC. (2) Tạo ra xoáy lốc Cửa nạp được làm cong, tạo ra dòng xoáy thích hợp cho hỗn hợp không khí-nhiên liệu được hút vào trong kỳ nạp, cho đến mép ngoài của buồng đốt. Dòng xoáy này tiếp tục từ kỳ nén cho đến kỳ nổ, tạo ra hiệu quả tương tự vùng rối. 2. Sử dụng EFI, ESA và DIS Đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp không khí-nhiên liệu và giảm khí xả nhờ có sử dụng EFI (điều khiển phun nhiên liệu điện tử) để tạo ra hỗn hợp không khí-nhiên liệu thích hợp, và sử dụng ESA (Đánh lửa sớm điện tử), DIS (hệ thống đánh lửa trực tiếp) để điều khiển định thời đánh lửa chính xác theo điều kiện vận hành. (1/1) -6- Bộ lọc khí xả 1. Khái quát Bộ lọc khí xả làm cho các chất độc hại (CO, HC, NOx) phản ứng hoá học với các chất vô hại (H 2 O, CO 2 , N 2 ) khi luồng khí xả đi qua. Nói chung, platin, palađi, iriđi, rôđi . được sử dụng làm chất xúc tác trong ôtô. (1) Các loại bộ lọc khí xả ã Chất xúc tác ôxy hoá: oxy hoá HC hoặc CO và tạo thành H2O hoặc CO2 không độc hại. ã Chất xúc tác khử ôxy: tách ôxy ra khỏi NOx và tạo thành N2 vô hại. ã Chất xúc tác oxy hoá/khử ôxy: thực hiện cả hai chức năng trên. (Bộ xúc tác ôxy hoá/khử ôxy dùng cho ôtô được gọi là Bộ lọc khí xả 3 thành phần (TWC) vì rằng có ba chất độc hại CO, HC và NOx được chuyển hoá đồng thời thành chất không độc hại. Ngày nay, chất xúc tác ôxy hoá/khử ôxy được sử dụng cho hầu hết các ôtô. (1/3) (2) Hoạt động của chất xúc tác phụ thuộc nhiệt độ. Đối với chất xúc tác, mức độ làm sạch thay đổi theo nhiệt độ. Như biểu đồ cho thấy, tỷ lệ làm sạch gần đạt đến 100% và khí xả được làm sạch có hiệu quả nhất khi nhiệt độ chất xúc tác nâng cao trên 400 oC . CHú ý: Xe được trang bị bộ lọc khí xả sử dụng xăng không chì, vì nếu dùng xăng pha chì thì chì sẽ dính lên bề mặt của bộ lọc khí xả và cảm biến ôxy, làm giảm tác dụng của nó. (1/3) -7- (3) Hệ thống lọc khí xả 3 thành phần (TWC) TWC là hệ thống ôxy hoá CO và HC trong khí xả và đồng thời khử ôxy của NOx để biến chúng thành CO2, H2O và N2. Gần đây, kiểu liền khối được sử dụng như trên minh hoạ. Alumin hoặc chất xúc tác được phủ lên các thanh ghi có nhiều lỗ. Các chất độc hại đi qua những lỗ này và được làm sạch. Có hai kiểu khối, kiểu gốm và kiểu kim loại. Thanh ghi càng mỏng, khả năng làm sạch càng cao. (2/3) TWC hoạt động có hiệu quả nhất với tỷ lệ hỗn hợp không khí-nhiên liệu gần như lí thuyết. Vì vậy, cần có hệ thống thông tin phản hồi về tỷ lệ hỗn hợp không khí-nhiên liệu để giữ cho tỷ lệ này gần với tỷ lệ lí thuyết. Hệ thống thông tin phản hồi về hỗn hợp không khí-nhiên liệu theo dõi lượng ôxy trong khí xả bằng cách sử dụng cảm biến ôxy gắn trong đường ống xả. Khi đó, lượng nhiên liệu được ECU của động cơ điều chỉnh để kiểm soát tỷ lệ hỗn hợp không khí-nhiên liệu, giúp cho TWC làm việc có hiệu quả. (3/3) -8- Bài tập Hãy sử dụng các bài tập này để kiểm tra mức hiểu biết của bạn về các tài liệu trong chương này. Sau khi trả lời mỗi bài tập, bạn có thể dùng nút tham khảo để kiểm tra các trang liên quan đến câu hỏi về dòng điện. Khi các bạn có câu trả lời đúng, hãy trở về văn bản để duyệt lại tài liệu và tìm câu trả lời đúng. Khi đã trả lời đúng mọi câu hỏi, bạn có thể chuyển sang chương tiếp theo. -9- Câu hỏi- 1 Thành phần hoá học nào (CO, HC, NOx) trong biểu đồ dưới đây được gọi là A, B, và C ? Hãy chọn những chữ này trong bảng dưới đây. A và B được sản sinh ra do cháy không hoàn toàn, khi hỗn hợp không khí-nhiên liệu giàu. B tăng lên vì động cơ bỏ nổ khi hỗn hợp không khí-nhiên liệu quá nghèo. C đạt đến lượng cực đại khi hỗn hợp không khí-nhiên liệu hơi nghèo hơn so với hỗn hợp không khí-nhiên liệu lí thuyết. 1. A: CO / B: HC / C: NOx 2. A: NOx / B: CO / C: HC 3. A: HC / B: NOx / C: CO 4. A: NOx / B: HC / C: CO . ra khí xả ã Các Tiêu chuẩn về Khí thải ã Hệ thống kiểm soát khí xả ã Kiểm tra và điều chỉnh CO/HC -2- Các khí độc hại do ôtô sinh ra Mô tả 1. Hệ thống kiểm. -1- Hệ thống kiểm soát khí xả Bố cục của chương Chương này trình bày về Hệ thống kiểm soát khí xả. ã Các khí độc hại do ôtô sinh ra