Trong động cơ đốt trong hiện đại, hai hệ thống chính chịu trách nhiệm hình thành và giảm thiểu các chất ô nhiễm: Các hệ thống đốt và hệ thống xử lý khí thải sau xử lý .
Hệ thống đốt bao gồm buồng đốt, hình dạng và các đặc điểm của nó như thành phần điện tích, chuyển động tích điện và phân phối nhiên liệu. Đây là nơi tạo ra các chất ô nhiễm như NOx, CO và PM cũng như là nơi xảy ra quá trình oxy hóa nhiên liệu không hoàn toàn. Những gì xảy ra trong hệ thống đốt cháy bị ảnh hưởng rất nhiều bởi các hệ thống động cơ khác như hệ thống quản lý phí nạp và hệ thống phun nhiên liệu. Trên thực tế, mục đích chính của các hệ thống thứ cấp này là ảnh hưởng đến những gì xảy ra trong quá trình đốt cháy. Nhiều lựa chọn có sẵn để hạn chế sự hình thành các chất ô nhiễm từ hệ thống đốt. Một khi khí thải ra khỏi hệ thống đốt, thành phần của nó về cơ bản được đóng băng cho đến khi nó đến hệ thống xử lý sau khí thải.
Hệ thống xử lý sau bao gồm các lò phản ứng xúc tác cố gắng giảm thiểu chất ô nhiễm hơn nữa. Trong một số trường hợp, chẳng hạn như động cơ đánh lửa bằng tia lửa điện (SI), một chất xúc tác ba chiều (TWC) là đủ để giảm thiểu đáng kể các chất ô nhiễm. Trong các trường hợp khác, chẳng hạn như động cơ diesel đốt cháy nạc, cần phải có một số thiết bị xúc tác. Hệ thống thứ cấp được yêu cầu để đảm bảo ATS hoạt động như dự định. Chúng bao gồm: kiểm soát thành phần khí thải thông qua kiểm soát quá trình đo khí thải hoặc cung cấp các chất phản ứng bổ sung thường không có trong khí thải hoặc không có đủ số lượng (ví dụ: urê, HC bổ sung, không khí bổ sung hoặc O2), quản lý nhiệt để đảm bảo các chất xúc tác hoạt động trong cửa sổ nhiệt độ yêu cầu, các hệ thống để đảm bảo loại bỏ các chất gây ô nhiễm và chất ô nhiễm có thể tích tụ (tái tạo bộ lọc, quản lý lưu huỳnh, cặn urê,) và các hệ thống để giảm thiểu sự hình thành các chất ô nhiễm thứ cấp như chất xúc tác trượt amoniac (ASC).
Sẽ là một sai lầm nếu coi hệ thống đốt và ATS là những hệ thống riêng biệt. Để tối đa hóa hiệu quả của chúng, cần phải có mức độ tích hợp cao. Một ví dụ cổ điển là tỷ lệ không khí trên nhiên liệu (AFR) trong động cơ SI, nơi yêu cầu độ chính xác điều khiển rất cao để đảm bảo hiệu suất TWC là tối đa. Quản lý nhiệt của ATS có thể được thực hiện bằng các điều chỉnh bên trong động cơ để ảnh hưởng đến nhiệt độ của khí thải ra khỏi xi lanh. Trong một số trường hợp, nhiên liệu bổ sung theo yêu cầu của ATS (ví dụ, để quản lý nhiệt) có thể được cung cấp bởi các kim phun nhiên liệu của động cơ.
Điều quan trọng cần nhận ra là mục tiêu của việc tối ưu hóa động cơ không phải là giảm thiểu phát thải chất ô nhiễm từ hệ thống đốt cháy hoặc giảm thiểu tối đa các chất ô nhiễm trong ATS. Thay vào đó, mục tiêu là đạt được mức phát thải mục tiêu từ toàn bộ hệ thống. Mục tiêu nói chung là đủ dưới giới hạn quy định để cho phép thay đổi sản xuất. Làm như vậy có thể yêu cầu tăng phát thải một số chất ô nhiễm từ hệ thống đốt nếu hiệu suất ATS đủ cao để vẫn đạt được mục tiêu thiết kế. Ví dụ, lượng khí thải NOx từ các công cụ trang bị với một chất xúc tác urê SCR có thể được phép tăng để giảm thiểu khí thải nhà kính nếu chuyển đổi NOx cao trong chất xúc tác SCR là đạt được.
Nhiên liệu và chất bôi trơn là “đối tác” quan trọng trong động cơ kết hợp và hệ thống xử lý sau. Lượng khí thải thấp trong suốt vòng đời của động cơ sẽ không thể thực hiện được trừ khi các chất gây ô nhiễm nhiên liệu như lưu huỳnh và một số khoáng chất vô cơ được kiểm soát ở mức rất thấp.
Các công nghệ trên, được thảo luận kỹ hơn trong các phần sau, có thể áp dụng cho động cơ đốt trong (OEM) mới. Một số công nghệ này cũng có thể được sử dụng để giảm lượng khí thải và / hoặc nâng cao hiệu quả của các động cơ đang sử dụng. Ngoài ra còn có một nhóm công nghệ được phát triển đặc biệt cho các ứng dụng đang sử dụng, thường không được sử dụng trong các động cơ mới.
Phát thải KNK và Tiết kiệm nhiên liệu
Các giới hạn phát thải KNK và tiêu chuẩn tiết kiệm nhiên liệu đã tạo cơ hội cho nhiều loại công nghệ được kết hợp vào động cơ và phương tiện giao thông. Việc tìm kiếm để tăng hiệu quả sử dụng nhiên liệu đang tập trung sự chú ý vào ít nhất ba lĩnh vực chính:
- Hiệu quả hệ thống truyền lực,
- Công nghệ xe
- Các thông số hoạt động.
Vì hiệu suất của hệ thống truyền lực có ảnh hưởng trực tiếp đến mức tiêu thụ nhiên liệu, nên đây là một lựa chọn hiển nhiên để cải thiện hiệu suất nhiên liệu. Các phương pháp tiếp cận quan trọng bao gồm cải thiện hiệu suất động cơ, phục hồi động năng (chẳng hạn như thông qua phanh tái sinh), thu hồi nhiệt thải và giảm tổn thất do ký sinh trùng từ các thiết bị phụ trợ như máy bơm. Trong số các công nghệ xe, cải thiện tính khí động học của xe và giảm ma sát lăn là hai yếu tố rõ ràng ảnh hưởng đến khả năng tiết kiệm nhiên liệu. Các yếu tố khác bao gồm trọng lượng xe và công suất được sử dụng bởi các thiết bị hỗ trợ không phải hệ thống truyền lực như điều hòa không khí. Cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng, các thông số vận hành của xe như kiểu lái xe và lựa chọn tuyến đường cũng có thể được sử dụng để đạt được những cải thiện đáng kể trong việc tiết kiệm nhiên liệu.
Công nghệ kiểm soát khí thải
Các tùy chọn kiểm soát khí thải có thể được nhóm thành ba loại: (1) kỹ thuật thiết kế động cơ, (2) công nghệ liên quan đến nhiên liệu và chất bôi trơn, và (3) xử lý khí thải sau xử lý. Mỗi cách tiếp cận này có thể được chia thành các loại phụ, như được trình bày trong các bảng sau. Ngoài ra, các công nghệ điều khiển và tích hợp hệ thống truyền động đóng vai trò rất quan trọng trong việc giảm lượng khí thải và nâng cao hiệu suất của động cơ và xe. Một số phương pháp được thảo luận dưới đây được triển khai trong các engine ngày nay, những phương pháp khác – vẫn đang được phát triển – cho thấy nhiều hứa hẹn cho các ứng dụng trong tương lai.
Bảng 1: Các công nghệ thiết kế động cơ để giảm phát thải
Công nghệ | Tác động khí thải | Ý nghĩa |
Động cơ đánh lửa nén (Diesel) | ||
Phun nhiên liệu | Khả năng đã phát triển đáng kể. Những cải tiến đáng kể trong công nghệ phun bắt đầu từ những năm 1990 với việc triển khai rộng rãi các hệ thống có khả năng thay đổi thời gian phun thông qua việc sử dụng các điều khiển điện tử. Động cơ có EGR đặt yêu cầu cao nhất về áp suất phun nhiên liệu. Xe hạng nhẹ sử dụng các chiến lược phun nhiều lần đòi hỏi khắt khe nhất. | |
Thời gian tiêm | Chủ yếu được sử dụng để hạn chế phát thải NOx | Thời gian phun ảnh hưởng đến giai đoạn đốt cháy; Việc làm chậm quá trình đốt cháy theo từng giai đoạn có thể được sử dụng để hạn chế phát thải NOx. |
Áp suất phun | Chủ yếu được sử dụng để hạn chế phát thải muội than (PM) | Áp suất phun cao hơn có thể làm giảm phát thải muội than; đặc biệt quan trọng khi kết hợp với các công nghệ kiểm soát NOx như EGR, nếu không sẽ làm tăng phát thải muội than. |
Tiêm nhiều lần | Đa dạng | Nhiều chiến lược tiêm đã được phát triển để giảm phát thải NOx, bồ hóng, HC và CO. |
Tuần hoàn khí thải (EGR) | Trong động cơ diesel, ứng dụng chính là kiểm soát lượng khí thải NOx | Thường được sử dụng trong nhiều động cơ diesel hạng nhẹ và hạng nặng. Phân phối EGR áp suất cao có thể đưa ra mức phạt tiêu thụ nhiên liệu thông qua tổn thất bơm cao hơn. EGR áp suất thấp có tổn thất bơm thấp hơn nhưng khó kiểm soát hơn trong quá trình vận hành nhất thời. Cần có các biện pháp khác để hạn chế sự gia tăng muội than và có thể cả HC và CO. |
Tăng lượng hấp thụ | Tác động chính của khí thải là làm giảm sản sinh muội than (PM). Cũng quan trọng đối với việc tăng hiệu quả. | Áp suất khí nạp cao hơn làm tăng tỷ lệ không khí / nhiên liệu đối với lượng phun nhiên liệu nhất định và giảm lượng muội than. Thường đi kèm với cải thiện khả năng làm mát phí nạp. Cho phép giảm kích thước động cơ để tăng hiệu quả. Đưa ra những thách thức như độ trễ bộ tăng áp có thể yêu cầu các giải pháp phức tạp. |
Quản lý nhiệt độ cửa vào | Ảnh hưởng trực tiếp nhất đến khí thải NOx. Cũng có thể giảm lượng muội than. | Tăng cường thúc đẩy và / hoặc EGR có thể làm tăng nhiệt độ đường ống nạp. Cần cải thiện khả năng làm mát nạp khí để hạn chế nhiệt độ nạp khí và giảm thiểu sự gia tăng phát thải NOx liên quan, giảm tỷ lệ không khí-nhiên liệu và tổn thất mật độ công suất. |
Thiết kế buồng đốt | Biện pháp kiểm soát muội quan trọng | Thay đổi thiết kế buồng đốt thường được sử dụng để bù đắp sự gia tăng phát thải muội than khi các biện pháp hạn chế phát thải NOx được thực hiện. Trong nhiều trường hợp, các cải tiến tăng cường sự trộn muộn trong quá trình đốt để cải thiện quá trình đốt cháy muội than. |
Động cơ đánh lửa tích cực (SI) | ||
Phun nhiên liệu | Tiêu thụ nhiên liệu và phát thải hạt | Việc chuyển đổi từ phun xăng sang phun xăng trực tiếp (GDI) được thúc đẩy bởi việc giảm kích thước động cơ để đáp ứng yêu cầu tiêu thụ nhiên liệu và CO 2 . Động cơ GDI có xu hướng tạo ra lượng khí thải hạt nhỏ cao hơn, có thể được bù đắp một phần nhờ những cải tiến trong thiết kế hệ thống phun nhiên liệu. |
Tăng lượng hấp thụ | Sự tiêu thụ xăng dầu | Hỗ trợ giảm kích thước động cơ và giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và lượng khí thải CO 2 . |
Van biến thiên hoạt động | Đa dạng | Một số ví dụ bao gồm: thời gian van biến thiên là một biện pháp quan trọng để giảm HC khởi động nguội. Van biến thiên nâng cho phép vận hành không cần tiết lưu và cải thiện hiệu quả. Việc ngừng kích hoạt xi lanh làm giảm tổn thất bơm tải một phần và cải thiện hiệu quả. Thời gian van biến thiên cho phép vận hành chu trình Miller để giảm tổn thất bơm. |
Bỏng nạc | Sự tiêu thụ xăng dầu | Đốt nạc có thể giảm tổn thất bơm, truyền nhiệt và cải thiện đặc tính chất lỏng làm việc để mang lại hiệu quả cao hơn. Giới thiệu sự cần thiết của các công nghệ xử lý sau NOx đắt tiền. |
Đốt cháy | Sự tiêu thụ xăng dầu | Các khái niệm đốt tiên tiến có thể cải thiện hiệu quả thông qua quá trình đốt cháy nhanh hơn và giảm tổn thất nhiệt. |
EGR | Tại một thời điểm được sử dụng để hạn chế phát thải NOx. Các phương pháp tiếp cận hiện đại tập trung chủ yếu vào việc giảm tiêu thụ nhiên liệu. | Trong động cơ SI, EGR là một giải pháp thay thế để làm giàu nhiên liệu ở tải cao để giảm xu hướng kích nổ và giảm nhiệt độ khí thải ở công suất cao. Ở điều kiện tải một phần, nó có thể giảm tổn thất bơm. |
Bảng 2: Công nghệ nhiên liệu và chất bôi trơn
Bảng 2 Công nghệ nhiên liệu và chất bôi trơn |
||
Công nghệ | Tác động khí thải | Ý nghĩa |
Dầu bôi trơn | Quan trọng để giảm tiêu thụ nhiên liệu | Dầu nhớt có độ nhớt thấp rất quan trọng đối với việc giảm tiêu thụ nhiên liệu / giảm CO 2 nhưng cần có những thay đổi khác để đảm bảo mức độ mài mòn của động cơ không tăng lên. Hạn chế hàm lượng chất độc xúc tác (ví dụ, lưu huỳnh, tro vô cơ, phốt pho) là yếu tố quan trọng để đảm bảo độ bền và hiệu suất của công nghệ kiểm soát khí thải xúc tác. |
Nhiên liệu thay thế | Tác động chính là phát thải CO 2 trong vòng đời | Tiêu chí hạn chế tiềm năng giảm phát thải từ các động cơ hiện đại với đầy đủ các loại xử lý sau đối với NOx và PM. Có thể có một số ảnh hưởng đến các chất ô nhiễm tiêu chí (PM, NOx, SOx) trong các ứng dụng không cần xử lý sau (ví dụ: biển). Trong một số trường hợp, chi phí vận hành thấp hơn là một yếu tố chính được xem xét (ví dụ: khí tự nhiên). Nhu cầu thường có thể được thúc đẩy bởi các khuyến khích hoặc nhiệm vụ của chính phủ. |
Phụ gia nhiên liệu | Đa dạng | Hiệu quả phát thải trực tiếp nhỏ với động cơ hiện đại và nhiên liệu chất lượng cao. Quan trọng để duy trì hoạt động ổn định lâu dài của các công nghệ kiểm soát khí thải. Ví dụ, phụ gia cetan giúp đảm bảo chất lượng đánh lửa nhất quán và đáng tin cậy của nhiên liệu diesel hiện đại để đảm bảo hiệu suất đáng tin cậy và có thể dự đoán được; phụ gia làm sạch kim phun và phụ gia bôi trơn nhằm giữ cho các bộ phận của hệ thống phun nhiên liệu luôn sạch sẽ và giảm mài mòn để đảm bảo độ bền lâu dài và hiệu suất nhất quán của hệ thống phun nhiên liệu; một số hệ thống lọc hạt động cơ diesel sử dụng phụ gia nhiên liệu để hỗ trợ tái tạo bộ lọc hạt. |
Bảng 3:Công nghệ xử lý khí thải sau xử lý |
||
Công nghệ | Tác động khí thải | Ý nghĩa |
Động cơ đánh lửa nén (Diesel) | ||
Chất xúc tác oxy hóa diesel (DOC) | Giảm phát thải HC / CO cao, chuyển đổi PM từ nhỏ đến trung bình. Quá trình oxy hóa NO thành NO 2 nâng cao hiệu suất của hệ thống SCR / DPF. | Được sử dụng rộng rãi trên ô tô Euro 2/3 và trên một số động cơ diesel US1994 trở lên và hạng nặng và hạng trung. Trong các động cơ hiện đại, được sử dụng làm chất xúc tác phụ trợ trong hệ thống xử lý sau SCR / DPF (tạo NO 2 , kiểm soát trượt amoniac). |
Chất xúc tác oxy hóa hạt | Giảm phát thải lên đến ~ 50% PM | Ứng dụng thương mại hạn chế trong một số động cơ xe tải hạng nặng Euro IV (được trang bị EGR), cũng như trong một số động cơ hạng nhẹ và động cơ không đường. |
Bộ lọc hạt diesel (DPF) | Giảm phát thải 90% + PM | Công nghệ chính được sử dụng trên tất cả các động cơ diesel hạng nhẹ Euro 5 và US Tier 2 trở lên; trong tất cả US2007 và Euro VI và các động cơ hạng nặng sau này; trong tất cả các động cơ không chạy Giai đoạn V; trong các chương trình trang bị thêm trên toàn thế giới. |
Chất xúc tác urê-SCR | Giảm 90% + NOx | Công nghệ chính được sử dụng trong US2010, Euro V và các động cơ hạng nặng sau này; ở Hoa Kỳ Cấp 2 và Euro 5/6 và các xe diesel hạng nhẹ sau này; trong động cơ phiroad, hàng hải và động cơ tĩnh. |
Chất xúc tác hấp phụ NOx | Giảm tới ~ 70-90% NOx, tùy thuộc vào chu kỳ truyền động | Được sử dụng làm chất xúc tác khử NOx độc lập trong một số xe hạng nhẹ Cấp 2 và Euro 5/6 của Hoa Kỳ. Được sử dụng làm chất xúc tác khử NOx khởi động nguội trên một số xe đạt tiêu chuẩn Euro 6 với SCR. |
Chất xúc tác NOx tinh gọn (HC-SCR) | Khả năng giảm NOx ~ 10-20% trong hệ thống thụ động, lên đến 50% trong hệ thống chủ động | OEM hạn chế và trang bị thêm ứng dụng thương mại, chủ yếu vào những năm 2000. |
Động cơ đánh lửa tích cực (SI) | ||
Chất xúc tác oxy hóa (OC) | Giảm phát thải 90% + HC và CO | Được sử dụng trên các xe ô tô chạy xăng đời cũ (khoảng 1980-1990). |
Chất xúc tác ba chiều (TWC) | Giảm phát thải 90% + NOx, HC và CO | Công nghệ kiểm soát khí thải động cơ xăng quan trọng nhất. Được sử dụng rộng rãi trên động cơ SI đo phân tích trên toàn thế giới. |
Chất xúc tác hấp phụ NOx | Giảm ~ 70-90% NOx | Được sử dụng trong các loại xe chạy hạng nhẹ phun xăng trực tiếp (GDI), phun xăng trực tiếp (GDI) phổ biến ở Châu Âu vào những năm 2000. |
Bộ lọc hạt xăng (GPF) | Giảm phát thải ~ 90% PN | Tăng cường sử dụng trong các loại xe GDI hạng nhẹ đạt tiêu chuẩn Euro 6. Dự kiến sẽ được sử dụng rộng rãi ở Trung Quốc 6 loại xe hạng nhẹ. |
Bảng 4: Công nghệ điều khiển, chẩn đoán và hệ thống truyền lực |
||
Công nghệ | Tác động khí thải | Ý nghĩa |
Lai ghép | Chủ yếu để giảm tiêu thụ nhiên liệu | Việc lai ghép với hệ thống truyền động điện bằng pin có thể cho phép động cơ hoạt động lâu hơn ở các vùng có hiệu suất nhiệt cao hơn và ít hơn ở các điểm hiệu suất thấp như không tải và tải thấp. Động cơ điện tăng cường cho phép sử dụng các công nghệ hiệu suất có thể không thực tế vì các tác động bất lợi về hiệu suất. |
Chẩn đoán | OBD đảm bảo tuân thủ khí thải lâu dài. | Nhằm mục đích phát hiện các trục trặc có thể khiến lượng khí thải trong quá trình kiểm tra chứng nhận tăng lên vượt quá một ngưỡng xác định. |
Kiểm soát | Điều khiển điện tử đảm bảo kiểm soát chính xác nhiều lượng khí thải và các bộ phận điều khiển hệ thống truyền lực có thể được duy trì trong suốt thời gian hoạt động của xe. Có thể đáp ứng các thay đổi về điều kiện môi trường xung quanh, tích hợp hệ thống và các hiệu ứng lão hóa hệ thống. | Điều khiển động cơ diesel bao gồm: điều khiển EGR, điều khiển áp suất tăng khí nạp, điều khiển thời điểm phun nhiên liệu và điều khiển quá trình đốt cháy. Các biện pháp kiểm soát hệ thống sau xử lý bao gồm: định lượng urê, quản lý nhiệt độ để đảm bảo hiệu quả giảm phát thải cao, kiểm soát tái sinh để đảm bảo các vật liệu tích tụ như bồ hóng, cặn lưu huỳnh và urê được loại bỏ thường xuyên. Điều khiển hệ thống tích hợp: Một số chức năng điều khiển yêu cầu một cách tiếp cận tích hợp mạnh mẽ để đảm bảo động cơ và hệ thống xử lý sau xử lý hoạt động cùng nhau. Ví dụ bao gồm chất xúc tác hấp phụ NOx yêu cầu tỷ lệ không khí / nhiên liệu của động cơ phải được làm giàu thường xuyên để loại bỏ NOx tích tụ; điều chỉnh các thông số động cơ như thời điểm phun nhiên liệu để tăng nhiệt độ khí thải nhằm giữ cho hiệu suất của hệ thống sau xử lý cao; và tái tạo DPF có thể yêu cầu kiểm soát chặt chẽ hoạt động của động cơ để tránh làm hỏng DPF. |
Điều khiển động cơ SI bao gồm: Điều khiển tỷ lệ không khí / nhiên liệu, điều khiển thời điểm đánh lửa, điều khiển tốc độ không tải. Các biện pháp kiểm soát hệ thống sau xử lý bao gồm: quản lý nhiệt để đảm bảo khởi động nhanh và hiệu quả giảm phát thải cao; và kiểm soát tỷ lệ không khí / nhiên liệu để đảm bảo chuyển đổi tối đa của TWC. Hệ thống điều khiển tích hợp: Nhu cầu kiểm soát chính xác tỷ lệ không khí / nhiên liệu được thúc đẩy bởi cửa sổ tỷ lệ không khí / nhiên liệu rất hẹp, nơi có thể chuyển đổi cao NOx, HC và CO trong TWC. |