Kiểm soát khí thải động cơ

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

Bảng 2: Công nghệ nhiên liệu và chất bôi trơn