Trong thời đại ngày nay, khi số lượng phương tiện chạy bằng động cơ diesel tăng lên nhanh chóng, vấn đề ô nhiễm môi trường từ chúng trở thành một thách thức lớn đối với cộng đồng và hệ sinh thái. Động cơ diesel, mặc dù mang lại hiệu suất năng lượng cao, nhưng cũng sản xuất một lượng lớn khí thải độc hại, bao gồm các chất gây ô nhiễm như NOx, PM2.5 và hydrocarbon. Điều này đã đặt ra câu hỏi quan trọng: làm thế nào chúng ta có thể xử lý hiệu quả ô nhiễm từ động cơ diesel để bảo vệ sức khỏe cộng đồng và giảm thiểu tác động tiêu cực đối với môi trường?

1. Thành phần hỗn hợp và tác động đến quá trình cháy

So với động cơ xăng, động cơ diesel đốt nhiên liệu khó bay hơi hơn (nhiệt độ sôi cao), nên việc hoà trộn hỗn hợp hoà khí không chỉ diễn ra trong giai đoạn phun và bắt đầu cháy, mà còn trong suốt quá trình cháy. Kết quả là hỗn hợp kém đồng nhất. Động cơ diesel luôn luôn hoạt động ở chế độ nghèo. Mức tiêu hao nhiên liệu, muội than, CO và HC sẽ tăng nếu không đốt cháy ở chế độ nghèo hợp lý.

Tỉ lệ hòa khí được quyết định dựa vào các thông số:

– Áp suất phun;

– Thời gian phun;

– Kết cấu lỗ tia;

– Thời điểm phun;

– Vận tốc dòng khí nạp;

– Khối lượng không khí nạp.

Tất cả các đại lượng trên đều ảnh hưởng đến mức độ tiêu hao nhiên liệu và nồng độ khí thải. Nhiệt độ quá trình cháy quá cao và lượng oxy nhiều sẽ làm tăng lượng NOx. Muội than sinh ra khi hỗn hợp quá nghèo.

2. Hệ thống tuần hoàn khí thải (EGR)

Xử Lý Ô Nhiễm Động Cơ Diesel - EAC
Khi không có EGR, khí NOx sinh ra vượt mức quy định về khí thải, ngược lại thì muội than sinh ra sẽ nằm trong giới hạn. EGR là một phương pháp để giảm lượng NOx sinh ra mà không làm tăng nhanh lượng khói đen. Điều này có thể thực hiện rất hiệu quả với hệ thống Common Rail với tỉ lệ hoà khí mong muốn đạt được nhờ vào áp suất phun cao. Với EGR, một phần của khí thải được đưa vào đường ống nạp ở chế độ tải nhỏ của động cơ. Điều này không chỉ làm giảm lượng oxy mà còn làm giảm quá trình cháy và nhiệt độ cực đại, kết quả là làm giảm lượng NOx. Nếu có quá nhiều khí thải được nạp lại (quá 40% thể tích khí nạp), thì khói đen, CO, và HC sẽ sinh ra nhiều cũng như tiêu hao nhiên liệu sẽ tăng vì thiếu oxy.

3. Ảnh hưởng của việc phun nhiên liệu

Thời điểm phun, đường đặc tính phun, sự tán nhuyễn của nhiên liệu cũng ảnh hưởng đến tiêu hao nhiên liệu và nồng độ khí thải.

a. Thời điểm phun

Nhờ vào nhiệt độ quá trình thấp hơn, phun nhiên liệu trễ làm giảm lượng NOx. Nhưng nếu phun quá trễ thì lượng HC sẽ tăng và tiêu hao nhiên liệu nhiều hơn, và khói đen sinh ra cả ở chế độ tải lớn. Nếu thời điểm phun lệch đi chỉ 1o khỏi giá trị lý tưởng thì lượng NOx có thể tăng lên 5%. Ngược lại thời điểm phun sớm lệch sớm hơn 2o thì có thể làm cho áp suất đỉnh tăng lên 10 bar, trễ đi 2o có thể làm tăng nhiệt độ khí thải thêm 20oC. Với các yếu tố cực kỳ nhạy cảm nêu trên, ECU cần phải điều chỉnh thời điểm phun chính xác tối đa.

b. Đường đặc tính phun

Đường đặc tính phun quy định sự thay đổi lượng nhiên liệu được phun vào trong suốt một chu kỳ phun (từ lúc bắt đầu phun đến lúc dứt phun). Đường đặc tính phun quyết định lượng nhiên liệu phun ra trong suốt giai đoạn cháy trễ (giữa thời điểm bắt đầu phun và bắt đầu cháy). Hơn nữa, nó cũng ảnh hưởng đến sự phân phối của nhiên liệu trong buồng đốt và có tác dụng tận dụng hiệu quả của dòng khí nạp. Đường đặc tính phun phải có độ dốc tăng từ từ để nhiên liệu phun ra trong quá trình cháy trễ được giữ ở mức thấp nhất. Nhiên liệu diesel bốc cháy tức thì, ngay khi quá trình cháy bắt đầu gây ra tiếng ồn và sự tạo thành NOx. Đường đặc tính phun phải có đỉnh không quá nhọn để ngăn ngừa hiện tượng nhiên liệu không được tán nhuyễn – yếu tố dẫn đến lượng HC cao, khói đen, và tăng tiêu hao nhiên liệu suốt giai đoạn cháy cuối cùng của quá trình cháy.

c. Sự tán nhuyễn nhiên liệu

Nhiên liệu được tán nhuyễn tốt thúc đẩy hiệu quả hoà trộn giữa không khí và nhiên liệu. Nó đóng góp vào việc giảm lượng HC và khói đen trong khí thải. Với áp suất phun cao và hình dạng hình học tối ưu của lỗ tia kim phun giúp cho sự tán nhuyễn nhiên liệu tốt hơn. Để ngăn ngừa muội than, lượng nhiên liệu phun ra phải được tính dựa vào lượng khí nạp vào. Điều này đòi hỏi lượng khí phải nhiều hơn ít nhất từ 10 – 40 % ( =1.1 – 1.4).

4. Một vài giải pháp xử lý:

Hệ Thống Xử Lý Khí Thải (EGR và SCR): Một trong những biện pháp quan trọng để giảm ô nhiễm động cơ diesel là sử dụng các hệ thống xử lý khí thải như Exhaust Gas Recirculation (EGR) và Selective Catalytic Reduction (SCR). Hệ thống EGR tái sử dụng một phần khí thải để giảm nhiệt độ đốt cháy và hạn chế sự hình thành oxit nitơ (NOx). Trong khi đó, hệ thống SCR sử dụng chất xúc tác để chuyển đổi NOx thành các chất không độc hại như nitơ và nước.

Sử Dụng Nhiên Liệu Sạch và Hiệu Quả Hơn: Chọn lựa nhiên liệu sạch như biodiesel hoặc nhiên liệu sinh học có thể giảm khí thải độc hại từ động cơ diesel. Ngoài ra, việc sử dụng nhiên liệu hiệu quả hơn như nhiên liệu có ít sulfur cũng đóng vai trò quan trọng trong việc giảm phát thải và ô nhiễm.

Quản lý Điều Chỉnh Động Cơ và Hiệu Suất Nhiên Liệu: Tối ưu hóa quá trình đốt cháy trong động cơ có thể giảm thiểu phát thải khí nhà kính và các chất gây ô nhiễm khác. Các hệ thống quản lý điều chỉnh động cơ thông minh có thể điều chỉnh đối với điều kiện vận hành cụ thể để cải thiện hiệu suất và giảm phát thải.

Công Nghệ Hiện Đại và Tích Hợp Hệ Thống Điều Khiển: Sự tiến bộ trong công nghệ đã mang lại các hệ thống điều khiển thông minh, giúp tối ưu hóa quá trình đốt cháy và giảm phát thải độc hại. Hệ thống này không chỉ giúp đạt được hiệu suất cao mà còn cung cấp khả năng theo dõi và điều chỉnh liên tục để duy trì mức phát thải thấp nhất có thể.

Qua đề tài “Xử Lý Ô Nhiễm Động Cơ Diesel”, chúng ta đã khám phá và thảo luận về những thách thức mà ô nhiễm động cơ diesel mang lại và các giải pháp tiếp cận hiện đại để giảm thiểu tác động tiêu cực đó.