Thạc Sĩ Nghiên cứu, thử nghiệm bộ xử lý khí thải xúc tác gắn trên động cơ xăng

Luận văn thạc sĩ năm 2011
Đề tài: Nghiên cứu, thử nghiệm bộ xử lý khí thải xúc tác gắn trên động cơ xăng


MỤC LỤC
Trang
Chương 1 ĐẶT VẤN ĐỀ .1
1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1
1.1.1 Lý do nghiên cứu . 1
1.1.2 Mục đích nghiên cứu . 2
1.1.3 Tính khả thi và ý nghĩa ứng dụng của đề tài . 3
1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 3
1.2.1 Xử lý khí thải động cơ xăng bằng công nghệ xúc tác trên thế giới . 3
1.2.2 Xử lý khí thải động cơ xăng bằng công nghệ xúc tác ở Việt Nam . 8
1.3 PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 9
1.4 PHẠM VỊ VÀ GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU . 9
Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10
2.1 TỔNG QUAN VỀ Ô NHIỄM DO KHÍ THẢI CỦA ĐỘNG CƠ XĂNG . 10
2.1.1 Một số định nghĩa liên quan vấn đề ô nhiễm môi trường . 10
2.1.2 Vấn đề ô nhiễm không khí do khí thải của độngcơ đốt trong 12
2.1.3 Tác hại của khí thải của động cơ đốt trong 19
2.2 GIẢI PHÁP GIẢM ĐỘ ĐỘC HẠI CỦA KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ XĂNG 27
2.2.1. Cơ chế hình thành các chất độc hại trong khí thải của động cơ .27
2.2.2 Yếu tố ảnh hưởng đến hàm lượng các chất độc hại trong khí thải của động cơ . 33
2.2.3. Các giải pháp giảm độ độc hại trong khí thảicủa động cơ đốt trong 35
2.3 BỘ XỬ LÝ KHÍ THẢI XÚC TÁC Ở ĐỘNG CƠ XĂNG 51
2.3.1 Đặc điểm cấu tạo của bộ xử lý khí thải xúc tác 51
2.3.2 Cơ chế xử lý khí thải của bộ biến đổi xúc tác 63
2.3.3 Phân loại bộ biến đổi xúc tác 68
2.3.4 Đặc điểm khai thác bộ biến đổi xúc tác 72
Chương 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU . 80
3.1. MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 80
3.1.1 Mục tiêu và nội dung thí nghiệm . 80
3.1.2 Phương pháp và qui trình thí nghiệm 80
3.2. TRANG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM . 83
3.2.1 Động cơ TOYOTA .83
3.2.2 Động cơ KIA 84
3.2.3 Bộ xử lý khí thải xúc tác S10 84
3.3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM . 86
3.4. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 92
Chương 4 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN . 93
4.1 KẾT LUẬN: . 93
4.2 ĐỀ XUẤT Ý KIẾN: . 94


Chương 1
ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
1.1.1 Lý do nghiên cứu
Động cơ đốt trong đóng một vai trò quan trọng trongnền kinh tế quốc dân. Và
là nguồn động lực chính của các phương tiện vận tảinhư: Ôtô, tàu thủy, tàu hỏa, máy
bay hay các máy công tác như: máy phát điện, máy xây dựng, các máy công cụ
trong công nghiệp, nông nghiệp năng lượng mà do động cơ đốt trong cung cấp
chiếm khoảng 80% tổng năng lượng toàn trái đất. Tuynhiên động cơ đốt trong cũng là
nguồn gốc gây ra ô nhiễm môi trường.
Trong tình hình thế giới đang ngày càng phát triển với tốc độ chóng mặt, sản
lượng công nghiệp hằng năm ngày càng tăng nhanh thìnguồn năng lượng tiêu thụ trên
thế giới ngày càng lớn. Động cơ đốt trong là nguồn cung cấp năng lượng chủ yếu trên
trái đất. Chính vì vậy mà lượng sản phẩm khí thải từ động cơ đốt trong hằng năm trên
thế giới ngày càng tăng, gây ô nhiễm môi trường nặng nề ảnh hưởng trực tiếp biến đổi
khí hậu ngày càng phức tạp, trái đất ngày càng nónglên, ảnh hưởng rất xấu tới sức
khoẻ con người, gây nạn tuyệt chủng động thực vật trên toàn thế giới.
Để giảm lượng độc hại phát ra từ sản phẩm khí thải động cơ đốt trong mà vẫn
có thể duy trì được tốc độ phát triển của nền công nghiệp trên thế giới. Một số nước có
nền công nghiệp phát triển hàng đầu trên thế giới, cũng là các nước có lượng khí thải
phát sinh độc hại gây ô nhiễm nhiều nhất trên thế giới như: Mỹ, Nhật Bản và một số
nước Châu Âu đã đi đầu trong việc nghiên cứu và đưara các biện pháp giảm thiểu
lượng khí thải độc hại ra môi trường. Bên cạnh đó các nước này cũng đưa ra các tiêu
chuẩn về nồng độ các chất độc hại trong khí thải động cơ và bắt buộc các hãng sản
xuất trong nước cũng như nhập khẩu đều phải tuân thủ các tiêu chuẩn khí thải.
Để đánh giá chất lượng động cơ đốt trong về phương diện khí thải, động cơ
phải được thử nghiệm trong những điều kiện cụ thể và theo một chu trình thử nghiệm
quy định. Hiện nay trên thế giới có nhiều chu trìnhthử như: Chu trình của Mỹ, Nhật
Bản, Châu Âu ứng với mỗi chu trình thử là một tiêuchuẩn khí thải. Các hệ thống
tiêu chuẩn được xây dựng cho các loại động cơ khác nhau như: Động cơ xe máy, động
cơ tàu biển, động cơ tĩnh tải, động cơ ô tô . Ở Châu Âu áp dụng một số chu trình thử
- 2 -
như: ECE15, EUDC, NEDC để thử nghiệm công nhận kiểu cho các dòng xe mới.
Bắt đầu áp dụng tiêu chuẩn khí thải EURO 1 vào năm 1992, EURO 2 vào năm 1996,
EURO 3 vào năm 2000, EURO 4 vào năm 2005, EURO 5 vào năm 2008. Các tiêu
chuẩn ngày càng đòi hỏi khắt khe hơn về nồng độ cácchất trong khí thải động cơ.
Ở Việt Nam trước tình hình nền kinh tế đang bước vào giai đoạn đầu của những
nước có nền kinh tế phát triển chúng ta cũng phải tuân theo xu hướng chung của thế
giới đó là: Phát triển bền vững, tức là phát triển nhưng bảo vệ môi trường. Chính vì
vậy mà nhà nước ta đã áp dụng chu trình thử tiêu chuẩn Châu Âu để thử nghiệm và
công nhận kiểu cho các dòng xe. Đặc biệt nhà nước ta đã bắt đầu áp dụng tiêu chuẩn
EURO 2 từ ngày 01/07/2007 cho tất cả phương tiện vận tải trên đất nước ta.
Từ các vấn đề nêu trên cho thấy cần thiết phải đẩy mạnh phát triển và ứng dụng
các giải pháp hạn chế ô nhiễm do khí thải từ các động cơ đốt trong, trong đó chủ yếu là
động cơ xăng và động cơ Diesel. Hiện nay, giải phápkỹ thuật xử lý ô nhiễm khí thải
của các loại động cơ đốt trong bằng bộ xúc tác đã được nhiều nhà sản xuất và quốc gia
trên thế giới áp dụng, đây là giải pháp cho thấy hiệu quả cao, có khả năng đáp ứng
được các quy định ngày càng chặt chẽ về hạn chế ô nhiễm. Nhằm góp phần vào việc
nghiên cứu ứng dụng các giải pháp hạn chế ô nhiễm từ khí thải các động cơ đốt trong
ở nước ta, tôi chọn thực hiện nghiên cứu đề tài “ Nghiên cứu, thử nghiệm bộ xử lý
khí thải xúc tác gắn trên động cơ xăng”.
Luận văn được bố cục thành 4 chương:
Chương 1: Đặt vấn đề
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Kết quả nghiên cứu
Chương 4: Kết luận và đề xuất ý kiến
1.1.2 Mục đích nghiên cứu
- Phân tích, tổng hợp các vấn đề cơ bản về lý thuyết liên quan đến giải pháp xử
lý ô nhiễm trong khí thải động cơ xăng bằng kỹ thuật xúc tác và nghiên cứu giải pháp
sử dụng bộ xúc tác để xử lý giảm ô nhiễm khí thải của một số loại động cơ xăng gắn
trên các phương tiện giao thông vận tải thông dụng đang lưu hành ở nước ta chưa được
trang bị hệ thống xử lý khí thải từ nhà sản xuất.
- Đề xuất phương án ứng dụng rộng rãi giải pháp xử lý khí thải bằng bộ xúc tác
cho các loại phương tiện giao thông vận tải nêu trên vào thực tế, giúp các loại phương
- 3 -
tiện này hạn chế mức phát thải ô nhiễm, đáp ứng được tiêu chuẩn quy định về ô nhiễm,
với công nghệ và chi phí phù hợp với điều kiện, đặcđiểm ở nước ta, góp phần đẩy
mạnh hạn chế ô nhiễm từ các loại phương tiện giao thông dùng động cơ xăng nói
chung và các động cơ tàu thủy cỡ nhỏ loại cao tốc nói riêng.
1.1.3 Tính khả thi và ý nghĩa ứng dụng của đề tài
- Do chỉ nghiên cứu trang bị thêm cho các loại độngcơ xăng thông dụng đang
lưu hành với hệ thống xử lý khí thải bằng bộ xúc tác, nên sẽ hạn chế tối đa việc thay
đổi kết cấu, thông số các hệ thống của động cơ; có mức độ công nghệ và chi phí phù
hợp với điều kiện ở nước ta, tạo khả năng ứng dụng dễ dàng và rộng rãi vào thực tế.
- Đây là đề tài có liên quan đến một trong những vấn đề mang tính thời sự cấp
thiết hiện nay là hạn chế ô nhiễm, bảo vệ môi trường sống, đồng thời góp phần vào xu
hướng cải tạo, phát triển các loại phương tiện giaothông sạch, ít gây ô nhiễm phù hợp
với các đặc điểm, điều kiện của một nước đang phát triển như Việt Nam.
- Với một số lượng phương tiện dùng động cơ xăng rất lớn đang hoạt động hiện
nay, nghiên cứu giải pháp xử lý khí thải động cơ xăng bằng bộ xúc tác có khả năng
ứng dụng rộng rãi sẽ mang lại lợi ích về nhiều mặt,nhất là góp phần cải thiện môi
trường không khí, đảm bảo sức khỏe cho người dân trong các thành phố lớn và các
khu du lịch biển.
1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
1.2.1 Xử lý khí thải động cơ xăng bằng công nghệ xúc tác trên thế giới
Chương trình kiểm soát khí thải ô tô của Mỹ là dùngbộ xúc tác khí thải. Năm
1974, ở Mỹ chiếc xe đầu tiên được lắp bộ xúc tác. Từ bộ xúc tác ô xy hóa hai chức
năng đầu tiên đến bộ xúc tác 3 chức năng thuận lợi như ngày nay, đã cắt giảm ô nhiễm
hơn 1,5 tỷ tấn và 100 nghìn tấn chì trong nhiên liệu ở Mỹ. Đó là bước ngoặc lớn đối
với ngành công nghiệp. Hơn 30 năm, bộ xúc tác đã cóuy tín trong việc cải thiện chất
lượng không khí trên thế giới và những năm gần đây,các nước châu Á đang hướng
đến áp dụng. Mốc lịch sử trong việc phát triển tínhpháp lý môi trường và bộ xúc tác là
nguyên nhân mù sương quang hóa ở Mỹ vào những năm 50 là do ô nhiễm khí thải của
động cơ đốt trong.
CAA của Mỹ đã thông qua vào năm 1963 và tiếp tục bổsung, điều chỉnh để
giới hạn các tiêu chuẩn khí thải dần đến mức thấp nhất cho động cơ xăng từ năm 1970
cho đến nay. Vào những năm 70 bộ xúc tác chỉ đáp ứng yêu cầu kiểm soát HC và CO
- 4 -
còn NO
x
kiểm soát trong vài năm sau. Johnson Matthey chuyên gia catalyst đã chứng
minh chỉ có bộ xúc tác, động cơ xăng mới đạt tiêu chuẩn khí thải đề ra. Từ đó các đạo
luật, tiêu chuẩn kiểm soát khí thải và ứng dụng bộ xúc tác của Mỹ được truyền bá sang
Đức, Nhật, Úc và các nước khác.
Ban đầu các nhà sản xuất bộ xúc tác quan tâm đến hợp kim cơ bản Crôm-Đồng,
Nhôm-Silic, . phủ lên lõi lọc gốm. Tuy nhiên, khả năng dẫn nhiệt của các hợp kim lúc
này còn kém, trở lực lớn do vậy, độ phát ô nhiễm cao xảy ra khi động cơ xăng khởi
động lạnh. Bộ xúc tác cần phải đạt nhanh đến thời điểm nhiệt độ làm việc "light-off"
có nghĩa nhiệt độ bắt đầu xúc tác có hiệu quả. Từ đó, các nhà nghiên cứu đã tìm ra
việc xúc tiến Platin với kim loại khác có ưu điểm hơn xúc tác chỉ có Platin (Pt). Nhiều
tác động xúc tiến được tìm thấy ngoài nhóm kim loạiPt đó là xúc tác giữa Platin(Pt)-
Rôđi (Rh) và Pt- Pallađi (Pd). Năm 1971, Johnson Marthey chứng minh cho chính phủ
Mỹ việc dùng Rh xúc tiến chất xúc tác Pt để kiểm soát NO
x
. Bộ xúc tác động cơ xăng
thành công là phụ thuộc vào sự phát triển của kim loại hỗ trợ (chất nền) có thể đương
đầu với môi trường khắc nghiệt của khí xả động cơ xăng như: Nhiệt độ thay đổi lên
đến 1000
0
C, dao động lớn và chịu các rung động từ động cơ, hệ thống khí xả và tác hại
xấu của lượng chì, phốt pho và lưu huỳnh ở mức độ cao.
Năm 1981, bộ xúc tác 3 chức năng được đưa vào áp dụng và có sự phát triển
của cảm biến ô xy. Nhiệm vụ bộ xúc tác 3 chức năng là chia cách xử lý CO, HC và
NOx
, phụ thuộc mạnh vào tỷ lệ không khí /nhiên liệu trong động cơ là duy trì tỷ lệ cân
bằng lý tưởng cho sự biến đổi của cả 3 chất ô nhiễm. Hầu hết bộ xúc tác có chứa hai
chất xúc tác khác biệt: xúc tác khử và xúc tác ô xyhóa. Dòng khí xả đi qua chất xúc
tác khử trước tiên, bao gồm một khối tổ ong bằng gốm bình thường (H. 1-1) được phủ
Pt -Rh. Trong đoạn này, NO
x
được chuyển thành ô xy và nitơ. Khi khí xả đi qua chất
xúc tác ô xy hóa, Pt - Pd/ hoặc Rh, HC không cháy và CO được ô xy hóa thành CO
2
và
H2
O.
Diện tích bề mặt tiếp xúc là yếu tố cần thiết để phát triển kỹ thuật phủ cho lõi
lọc. Bộ xúc tác phải phủ lớp áo ('washcoat') để hỗ trợ, việc phủ lớp áo lên các kênh
hẹp bên trong lõi có khả năng làm kênh bị hẹp hoặc tắc nghẽn và yêu cầu phải đạt
được sự hút bám mạnh của nó lên chất nền. Song songvới việc phát triển bộ xúc tác
gốm, chất nền kim loại phát triển khá nhanh và có nhiều ưu điểm hơn gốm nhờ ứng
dụng kỹ thuật nano để chế tạo cấu trúc lõi lọc.
- 5 -
Lõi lọc bằng gốm cũng đa dạng về hình dáng như kim loại. Tuy nhiên, sản
phẩm kim loại phát triển mạnh vào năm 1986 khi kỹ thuật hàn nếp gấp phát triển nên
có nhiều ưu điểm như đa dạng về hình dạng và kích thước cho các loại động cơ, diện
tích bề mặt tiếp xúc tăng hơn 4 lần, độ bền nhiệt cao và trở lực thấp hơn so với gốm và
dễ hàn gắn.


TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Lê Huy Bá (2000), Môi trường, NXB Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh.
2. Bộ tài nguyên và môi trường (2007), “Báo cáo môi trường quốc gia 2007 môi
trường không khí đô thị Việt Nam”.
3. Phạm Ngọc Đăng (2010), Các giải pháp phát triển giao thông đô thị bền vững–
giao thông đô thị xanh ở nước ta, Tạp chí xây dựng và Quy hoạch, số 10/2010.
4. Bùi Văn Ga (1999), Ôtô và ô nhiễm môi trường, NXB Giáo dục.
5. Lê Văn Khoa (1995), Môi trường và ô nhiễm, NXB Giáo dục.
6. TS.Nguyễn Thành Lương (2002), Động cơ đốt trong-phương tiện giao thông, NXB
Xây dựng.
7. PGS.TS Nguyễn Văn Nhận (2004), Nâng cao tính năng động cơ đốt trong, Trường
Đại học Nha Trang.
8. Vũ Trung Tạng (2000), Cơ sở sinh thái học, NXB Giáo dục.
9. Nguyễn Tất Tiến (2000), Nguyên lý động cơ đốt trong, NXB Giáo dục.
10. Lê Thanh Vân (2007), Con người và môi trường, NXB Đại học Sư phạm.
11. Angove DE & Cant NW (2000) Position dependent phenomena during
deactivation of three-way catalytic converters on vehicles. Catalysis Today, 2000.
12. D. Linder, L. MuBmann, J.A.A. van den Tillaart,E.S.Lox, A.Roshan, G.Garr and
R. Beason. Comparison of pd-only, pd/rh and pt/rh catalysts in tlve, lev vehiche
applications – real vehicle data versus computer modeling results. SAE paper 2000-01-0501, 2000.
13. Manufacturers of Emission Controls Association:EMISSION CONTROL OF
TWO AND THREE - WHEEL VEHICLES, May 7 1999, Washington DC.
14. Mitsuyoshi Hattori et al. – Mitsubishi Motors Corp and Minoru Machida – NGK
Insulators, Ltd: OPTIMIZATION OF CATALYTIC CONVERTER LOCATION
ACHIEVED WITH A CURVE CATALYTIC HONEYCOMB SUBSTRATE,
International Congress & ExpositionDetroit, Michigan, February 28-March 3, 1994,
SAE Paper 940743.
15. Jan Kaspar, Paolo Fornasiero, and Heal Hickey. Automotive catalytic convert-ers:
current status and some perspectives. Catalysis Today, 2003.
16. G.C.Koltsakis and A.M.Stamatelos. Catalytic automotive exhaust aftertreat-ment.
Prog. Energy Combust. Sei, 1997.
- 98 -
17. R.J. Farrauto and R.M.Heck. Catalytic converters: State of the art and perspectives.
Catalysis Today, 1999.
18. Ronald G. Silver and John S. Howitt, ASEC Manufacturing: THE CHALLENGES
OF APPLYING CATALYTIC AFTERTREAMENT TO SMALL UTILITY
ENGINES, SAE Paper 961735, 1996.
19. S.E. Golunski et al, Johnson Matthey Technology Center and C.J. Bennett et al,
Johnson Matthey Catalytic Systems Div.: LOW LIGHT-OFF CATALYST
TECHNOLOGY AND ITS LOW EMISSION VEHICLE APPLICATION,
International Congress and Exposition Detroit, Michigan, February 27-March 2, 1995,
SAE Paper 950408.