Kiểm soát khí thải phương tiện giao thông là nghiên cứu giảm lượng khí thải do các phương tiện cơ giới tạo ra, đặc biệt là động cơ đốt trong.
CÁC LOẠI KHÍ THẢI, CHẤT Ô NHIỄM VÀ TIÊU CHUẨN KHÍ THẢI
Trong điều kiện lý tưởng nhất là động cơ đốt cháy nhiên liệu với không khí tạo thành CO2 và H2O. Trên thực tế, động cơ đốt cháy dù sạch đến đâu thì nó vẫn tạo ra một số sản phẩm phụ, tức là các chất ô nhiễm. Sự phát thải của nhiều chất gây ô nhiễm không khí đã được chứng minh là có nhiều tác động tiêu cực đến sức khoẻ cộng đồng và môi trường tự nhiên. Khí thải là những chất ô nhiễm chính cần quan tâm bao gồm:
Hydrocacbon (HC) – Được tạo ra do nhiên liệu được đốt cháy một phần, hydrocacbon là chất độc. Hydrocacbon là nguyên nhân chính gây ra khói mù, có thể là một vấn đề lớn ở các khu vực thành thị. Tiếp xúc lâu dài với hydrocacbon góp phần gây ra bệnh hen suyễn, bệnh gan, bệnh phổi và ung thư.
Carbon monoxide (CO) – Một sản phẩm của quá trình đốt cháy không hoàn toàn. Khi hít phải carbon monoxide làm giảm khả năng vận chuyển oxy của máu; tiếp xúc quá mức (ngộ độc carbon monoxide) có thể gây tử vong.
NOx – Được tạo ra khi nitơ trong không khí phản ứng với oxy ở nhiệt độ và áp suất cao bên trong động cơ. NOx là tiền thân của khói bụi và mưa axit. NOx là tổng của NO và NO2. NO2 phản ứng cực mạnh. NOx được tăng lên khi động cơ chạy ở điểm hoạt động hiệu quả nhất (tức là nóng nhất), do đó có xu hướng cân bằng tự nhiên giữa hiệu quả và kiểm soát phát thải NOx.
Vật chất dạng hạt – Muội than hoặc khói được tạo thành từ các hạt trong phạm vi kích thước micromet: Vật chất dạng hạt gây ra các ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe, bao gồm nhưng không giới hạn ở bệnh hô hấp và ung thư. Vật chất dạng hạt rất nhỏ có liên quan đến bệnh tim mạch.
Lưu huỳnh oxit (SOx) – Một thuật ngữ chung để chỉ các oxit của lưu huỳnh, được thải ra từ các phương tiện cơ giới đốt nhiên liệu có chứa lưu huỳnh. Giảm mức lưu huỳnh trong nhiên liệu làm giảm mức ôxít lưu huỳnh phát ra từ ống xả.
Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) – Các hợp chất hữu cơ thường có nhiệt độ sôi nhỏ hơn hoặc bằng 250 °C; ví dụ như chlorofluorocarbons (CFCs) và formaldehyde. Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi là một tiểu phần của Hydrocacbon được đề cập riêng biệt vì sự nguy hiểm của chúng đối với sức khỏe cộng đồng.
Để giải quyết các vấn đề ô nhiễm, Hoa Kỳ đã ban hành tiêu chuẩn khí thải đầu tiên trên toàn quốc vào năm 1975. Châu Âu và Nhật Bản đã thông qua các đạo luật tương tự vào đầu những năm 1990. Trong những năm qua, tiêu chuẩn khí thải đã được thắt chặt từng bước.
KIỂM SOÁT KHÍ THẢI
1. Phun khí thứ cấp
Một trong những hệ thống kiểm soát khí thải được phát triển đầu tiên là hệ thống phun khí thứ cấp. Phun khí thứ cấp (thường được gọi là phun khí) là một chiến lược kiểm soát khí thải của xe được giới thiệu vào năm 1966, trong đó không khí sạch được bơm vào dòng khí thải để cho phép đốt cháy khí thải thứ cấp đầy đủ hơn. Ban đầu, hệ thống này được sử dụng để bơm không khí vào các cửa xả của động cơ để cung cấp oxy để các hydrocacbon chưa cháy và đốt cháy một phần trong khí thải sẽ kết thúc quá trình cháy. Phun khí hiện được sử dụng để hỗ trợ phản ứng oxy hóa của bộ chuyển đổi xúc tác và giảm lượng khí thải khi động cơ khởi động từ chế độ lạnh. Sau khi khởi động nguội, động cơ cần hỗn hợp nhiên liệu không khí giàu hơn những gì nó cần ở nhiệt độ vận hành và bộ chuyển đổi xúc tác không hoạt động hiệu quả cho đến khi nó đạt đến nhiệt độ hoạt động của chính nó. Không khí được bơm vào ngược dòng của bộ chuyển đổi hỗ trợ quá trình đốt cháy trong ống xả, giúp tăng tốc độ làm ấm chất xúc tác và giảm lượng hydrocacbon chưa cháy được thải ra từ ống xả.
2. Tuần hoàn khí thải (EGR)
Tuần hoàn khí thải là một công nghệ khác để giảm phát thải NOx. Trên thực tế, nó đã được sử dụng rộng rãi trong động cơ diesel trước khi các bộ chuyển đổi xúc tác phổ biến.
Hệ thống EGR điển hình bổ sung một ống tuần hoàn để làm cầu nối giữa các ống nạp và ống xả, hút một lượng khí thải trở lại buồng đốt. Một van trong đường ống kiểm soát lượng EGR. Đường ống có thể được lắp thêm bộ làm mát chất lỏng để làm mát khí thải, mang lại hiệu quả cao hơn.
Một cơ chế khác có thể đơn giản hơn. Nó sử dụng VVT (định thời van biến thiên) để trì hoãn việc đóng van xả, do đó một số khí xả được hút trở lại từ ống xả trong hành trình nạp. Đây được gọi là “internal EGR” hay “EGR nội bộ”.
Làm thế nào EGR có thể giảm phát thải NOx? Do buồng đốt lúc này chứa ít không khí trong lành hơn và một số khí thải, bao gồm chủ yếu là nitơ, CO2 nhưng ít ôxy, nên tổng hàm lượng ôxy giảm. Điều này có nghĩa là cần ít phun nhiên liệu hơn. Với ít nhiên liệu và oxy hơn, quá trình đốt cháy tạo ra ít năng lượng và nhiệt hơn. Nhiệt độ thấp hơn tương ứng dẫn đến lượng NOx tạo ra ít hơn.
Một lý do khác dẫn đến nhiệt độ cháy thấp hơn là do hỗn hợp nhiều nitơ và ít ôxy hơn dẫn đến nhiệt dung riêng cao hơn (năng lượng cần thiết để làm nóng vật liệu thêm 1K), có nghĩa là hỗn hợp có thể hấp thụ nhiều năng lượng hơn.
Tuy nhiên, cần lưu ý rằng một số động cơ xăng hiện đại cũng sử dụng EGR, không phải để cắt giảm phát thải NOx (vốn dĩ đã thấp hơn động cơ diesel), mà để cải thiện hiệu suất nhiên liệu. Một ví dụ là động cơ Toyota 1NR-FKE 1.3 lít. Sử dụng EGR có thể tiết kiệm nhiên liệu vì:
- Nhiệt độ đốt cháy thấp hơn dẫn đến tổn thất nhiệt ít hơn qua đầu/khối xi lanh, hệ thống xả và làm mát.
- Khi EGR làm giảm công suất, thì bướm ga phải được mở rộng hơn để đạt được công suất tương tự. Điều này làm giảm tổn thất bơm, đặc biệt là khi động cơ chạy ở tải nhẹ hơn.
- Sự hiện diện của khí thải trong buồng đốt làm chậm tốc độ phản ứng và ngăn chặn kích nổ. Điều này cho phép động cơ nâng cao thời điểm đánh lửa mà không gây ra kích nổ. Do đó, quá trình đốt cháy có thể được kéo dài và quá trình đốt cháy hoàn toàn hơn.
3. Chuyển đổi xúc tác
Bộ chuyển đổi xúc tác là một thiết bị kiểm soát khí thải để giảm khí độc và chất ô nhiễm trong khí thải từ động cơ đốt trong thành các chất ô nhiễm ít độc hơn bằng cách xúc tác phản ứng oxy hóa khử (phản ứng oxy hóa và khử).
Tiêu chuẩn khí thải của Liên bang Hoa Kỳ được thực thi vào năm 1975 nghiêm ngặt đến mức các nhà sản xuất ô tô phải lắp đặt bộ chuyển đổi xúc tác cho mỗi chiếc xe bán ra ở đó (ngoại lệ duy nhất là Honda Civic, có công nghệ CVCC tuân thủ mà không sử dụng bộ chuyển đổi xúc tác).
Bộ chuyển đổi xúc tác được lắp đặt ở hạ lưu của hệ thống xả. Nó sử dụng các chất xúc tác như bạch kim, rhodium và paladi để chuyển NOx thành nitơ và oxy. Sau đó, oxy phản ứng với CO để trở thành CO2, hoặc phản ứng với HC để trở thành CO2 và H2O. Những phản ứng hóa học này có thể xảy ra trong môi trường tự nhiên, nhưng chất xúc tác thúc đẩy quá trình một cách ồ ạt và nhanh chóng do đó có khả năng xử lý hầu hết các chất ô nhiễm thải ra.
Tuy nhiên, sự hiện diện của bộ chuyển đổi xúc tác làm chậm dòng khí thải và tạo ra áp suất ngược, làm giảm công suất động cơ. Đó là lý do tại sao khi tiêu chuẩn Euro 1 được thực thi vào năm 1993, chúng ta đã thấy hầu hết các xe châu Âu bị mất ít nhất vài mã lực.
Bộ chuyển đổi xúc tác có những hạn chế của chúng. Một trong số đó là ô nhiễm lưu huỳnh. Lưu huỳnh vốn có trong nhiên liệu có thể gây ô nhiễm một số chất xúc tác kim loại quý và khiến chất xúc tác sau này trở nên vô dụng. Vấn đề này cuối cùng đã được giải quyết khi các chính phủ bắt buộc các công ty dầu mỏ cung cấp nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh thấp.
Một vấn đề khác là thời gian khởi động. Chất xúc tác cần ít nhất 400 °C để hoạt động hiệu quả. Khi xe khởi động lạnh, cần thời gian để khí thải làm nóng hệ thống xả và đưa chất xúc tác lên nhiệt độ này. Trong giai đoạn này, ô tô thải ra mức độ ô nhiễm cao. Khi các tiêu chuẩn khí thải mới hơn cũng đo lượng khí thải khởi động nguội, các nhà sản xuất xe hơi phải tìm kiếm các giải pháp. Các giải pháp phổ biến bao gồm chất xúc tác kết hợp chặt chẽ, bẫy giữ HC và chất xúc tác được gia nhiệt bằng điện.
Động cơ ZLEV của Honda được công bố vào năm 1997 được thiết kế để đáp ứng tiêu chuẩn ZLEV (zero level emission vehicle – xe phát thải ở mức không) ở California. Nó sử dụng cả 3 công nghệ để cắt giảm phát thải khởi động lạnh:
- Một chất xúc tác kết hợp chặt chẽ được thêm vào gần cổng xả để nó có thể được làm nóng nhanh hơn. Đường dẫn càng ngắn, càng ít hao phí nhiệt trên đường ống xả.
- Chất xúc tác hấp thụ HC giữ các hydrocacbon tạm thời cho đến khi chất xúc tác chính đạt đến nhiệt độ hoạt động, sau đó nó giải phóng hydrocacbon.
- Chất xúc tác chính được làm nóng trước bằng điện để có thể đạt đến nhiệt độ làm việc nhanh hơn.
4. Bộ lọc hạt diesel (DPF)
Khí thải dạng hạt luôn là vấn đề đau đầu nhất của động cơ diesel. Các hạt này bao gồm chủ yếu là cacbon và hydrocacbon. Chúng dẫn đến khói đen và sương mù tác động rất lớn đối với chất lượng không khí của các khu vực đô thị. Các chất dạng hạt nhỏ (PM2.5 trở xuống) có thể xâm nhập vào phổi và gây ra các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng. Do đó, giới hạn PM ngày càng thấp đã được áp dụng trong 2 thập kỷ qua đối với khí thải ô tô chạy bằng động cơ diesel. Để đối phó với các yêu cầu khắt khe hơn, tập đoàn PSA đã phát triển bộ lọc hạt động cơ diesel sản xuất hàng loạt đầu tiên vào năm 2000. Nó lần đầu tiên được sử dụng trên động cơ 2.2 HDi của công ty trên Peugeot 607. Đến năm 2009, tất cả các xe động cơ diesel của hãng đều đã được trang bị DPF.
Về cơ bản, DPF của PSA là một đơn vị cacbua silicon xốp, bao gồm các đường dẫn có đặc tính dễ dàng bẫy và giữ lại các hạt từ dòng khí thải. Trước khi bề mặt bộ lọc được lấp đầy hoàn toàn, các hạt này sẽ bị đốt cháy, trở thành CO2 và nước và rời khỏi bộ lọc kèm theo dòng khí thải. Có thể gọi quá trình này là quá trình tái tạo.
Thông thường, quá trình tái tạo diễn ra ở nhiệt độ khoảng 550 °C. Vấn đề là, nhiệt độ cao như vậy là không thể đạt được trong thực tế. Khí thải của động cơ diesel luôn mát hơn động cơ xăng. Khi ô tô bị kẹt xe hoặc lái chậm trong thị trấn, nhiệt độ khí thải của ô tô có thể giảm xuống từ 150 đến 200 °C.
May mắn thay, công nghệ phun common-rail mới được sử dụng trong động cơ diesel của PSA đã giúp ích. Được tạo ra bởi khả năng phun áp suất cao, chính xác trong thời gian rất ngắn, hệ thống common-rail có thể “đốt sau” bằng cách bơm một lượng nhỏ nhiên liệu trong giai đoạn giãn nở. Điều này làm tăng nhiệt độ dòng khí thải lên khoảng 350 °C.
Sau đó, một chất xúc tác oxy hóa được thiết kế đặc biệt nằm gần lối vào của bộ lọc hạt sẽ đốt cháy phần nhiên liệu chưa cháy còn lại từ quá trình đốt cháy. Điều này làm tăng nhiệt độ lên 450 °C.
Yêu cầu 100 °C cuối cùng được đáp ứng bằng cách thêm một chất phụ gia có tên là Eolys vào nhiên liệu. Eolys làm giảm nhiệt độ hoạt động của quá trình đốt hạt xuống 450 °C, do đó sự tái tạo xảy ra. Phụ gia trạng thái lỏng được lưu trữ trong một bể nhỏ và được bơm thêm vào nhiên liệu. Bộ phận DPF cần được làm sạch sau mỗi 80.000 km bằng nước áp suất cao để loại bỏ cặn bẩn do phụ gia tạo ra.
Một điều cần giải quyết nữa là ảnh hưởng của “đốt sau”. Nó làm tăng mô-men xoắn của động cơ khi người lái không mong đợi. Do đó hệ thống quản lý động cơ phải điều chỉnh mô-men xoắn bằng cách điều chỉnh lượng phun nhiên liệu bình thường, phun trước, v.v. và áp suất tăng áp của bộ tăng áp để bù đắp.
5. Giảm xúc tác có chọn lọc (SCR)
Ngoài vật chất dạng hạt, động cơ diesel cũng thải ra mức NOx cao hơn so với động cơ xăng, vì NOx có nhiều khả năng được hình thành trong điều kiện hỗn hợp hòa khí nhạt và độ nén cao. Vì tiêu chuẩn khí thải Euro 6 và US Tier 2 có giới hạn NOx được thắt chặt đáng kể, hầu hết các động cơ diesel phải tìm kiếm sự trợ giúp từ Selective Catalytic Reduction – Giảm xúc tác chọn lọc, có khả năng giảm 90% NOx.
Bộ chuyển đổi SCR bơm dung dịch urê, có tên thương mại là AdBlue, vào dòng khí thải. Nó phản ứng với NOx với sự hỗ trợ của chất xúc tác (phủ trên bề mặt), tạo ra nitơ và hơi nước. Các AdBlue được lưu trữ trong một bể chuyên dụng và có thể được nạp lại, thông thường sau mỗi vài ngàn dặm.
