Dịch vụ kiểm soát khí thải Diesel
Động cơ diesel đã được sử dụng trên xe ô tô chở khách và xe tải nhẹ trong nhiều năm. Các yêu cầu về khí thải đối với những động cơ này ngày càng khắt khe hơn. Để đáp ứng các tiêu chuẩn ngày càng cao này, các kỹ sư đã phát triển các công nghệ và hệ thống động cơ diesel mới. Điều này đã mang lại nhiều cơ hội dịch vụ mới cho các kỹ thuật viên.
Động cơ diesel có lượng khí thải hydrocarbon và CO rất thấp, nhưng khí thải lại chứa muội than, bụi mịn và hàm lượng NOx cao.
Tiêu chuẩn khí thải cho động cơ diesel
Khí thải diesel đã trở nên sạch hơn rất nhiều trong những năm gần đây. Tiến bộ trong việc làm sạch các chất ô nhiễm từ khí thải diesel khỏi không khí đã được thực hiện theo từng giai đoạn. Từ năm 1984, các động cơ diesel mới đã được chứng nhận theo tiêu chuẩn liên bang về bụi mịn và oxit nitơ (PM và NOx). Trong những năm từ 1994 đến 2010, lượng PM và NOx trong khí thải diesel đã giảm xuống còn 1/100 so với mức trước đó.
Trong những năm 1990, xe buýt trường học đã được nâng cấp theo tiêu chuẩn liên bang và xe buýt đô thị được bổ sung trong thập kỷ tiếp theo. Các đội xe tư nhân trên đường cao tốc đã trở thành một phần của tiêu chuẩn này vào năm 2010. Bắt đầu từ năm 2013, mức phạt 10.000 đô la mỗi ngày đã được áp dụng cho những trường hợp không tuân thủ. Đến năm 2023, mọi động cơ diesel sẽ đạt tiêu chuẩn không khí sạch.
Vật chất dạng hạt diesel
Mặc dù đã có nhiều tiến bộ trong việc giảm thiểu và xử lý khí thải diesel trong động cơ ô tô và xe tải hạng nhẹ/nặng, khí thải diesel vẫn được thải ra từ nhiều nguồn khác, bao gồm xe tải, tàu hỏa, xe buýt, tàu thủy và thiết bị địa hình hạng nặng. Nhiều nguồn gây ô nhiễm này không được kiểm soát, và 2% động cơ diesel được cho là đóng góp tới 60% ô nhiễm không khí.
Theo Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA), khí thải diesel bao gồm khí và các hạt. Các hạt này được gọi là hạt vật chất, hay PM. Nhiều loại hạt vật chất được phân loại theo kích thước hoặc thành phần. Các hạt nguy hiểm nhất đối với sức khỏe là các hạt mịn và siêu mịn. PM2.5 là loại PM nhỏ nhất và tồi tệ nhất. Nó được cho là gây ra bệnh hô hấp, ung thư, hen suyễn, hen suyễn ở trẻ em và bệnh tim/phổi mãn tính, cùng nhiều bệnh khác.
Để hình dung được kích thước của các hạt vật chất diesel mà chúng ta đang nói đến, hãy xem xét điều này.
● Một sợi tóc trung bình của con người có kích thước khoảng 70 micron.
● PM10 nhỏ đến mức bảy hạt này có thể vừa vặn trong một sợi tóc. Những hạt này là muội than nhìn thấy được. Chúng tồn tại trong không khí hàng giờ liền.
● Các hạt PM2.5 là loại hạt nguy hiểm nhất đối với sức khỏe con người. Chúng tồn tại trong không khí hàng tuần, giống như phấn hoa. Chúng có thể di chuyển khắp thế giới theo luồng phản lực. Do đó, khí thải diesel ở các khu vực khác trên thế giới có thể ảnh hưởng đến chất lượng không khí ở Bắc Mỹ.
Nhiều hệ thống kiểm soát khí thải động cơ diesel ngày nay sử dụng bộ lọc hạt diesel (DPF). DPF là bộ lọc dạng tổ ong, thu gom muội than ở mức 1,5–2 micron. Nó đã giảm ít nhất 85% lượng bụi mịn PM trong khí thải diesel. DPF thụ động, với các thanh trượt đóng kín một nửa đường dẫn của bộ lọc, có thể thu giữ các hạt có kích thước từ 2 micron trở lên. Cảm biến áp suất cung cấp dữ liệu đầu vào cho PCM để xác định thời điểm cần tái sinh. Phạm vi cảm biến điển hình là từ 0 đến 11,6 psi. PCM bổ sung nhiên liệu khi cần thiết để tăng nhiệt độ khí thải (EGT) lên hơn 1000 °F (370 °C).
Gần đây, các nhà sản xuất đã phát triển động cơ diesel có thể đáp ứng các tiêu chuẩn về muội than mà không cần DPF. Điều này được thực hiện bằng cách giảm EGR, tăng nhiệt độ cháy và làm loãng hỗn hợp không khí/nhiên liệu. Lượng NOx đầu ra tăng lên, nhưng chất xúc tác diesel đã được cải tiến đến mức có thể loại bỏ lượng NOx bổ sung. Những chất xúc tác này sẽ được đề cập ở phần sau của chương.
GHI CHÚ KHOA HỌC
Nitơ điôxít (NO2) là phương tiện chính để oxy hóa muội than trong các hệ thống DPF có bộ xúc tác thụ động và chủ động. NO2 oxy hóa muội than ở 250°C. Nhiệt độ này thấp hơn đáng kể so với nhiệt độ cần thiết để tái tạo oxy. Để oxy hóa muội than, cần nhiều nitơ điôxít hơn. Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng chất xúc tác để oxy hóa NO. Nó làm thay đổi tỷ lệ NO2 và NO trong NOx.
Các giai đoạn đốt cháy diesel
Trong động cơ diesel phun trực tiếp truyền thống, quá trình đốt cháy có bốn giai đoạn: trễ đánh lửa, cháy nhanh, cháy có kiểm soát và đốt cháy tăng cường (Hình 43.36).
Nhiên liệu bắt đầu được phun vào xi lanh ở đầu kỳ nén, khi piston vẫn còn vài độ trước điểm chết trên (TDC). Quá trình trộn lẫn không khí và nhiên liệu trong xi lanh được gọi là chuẩn bị hỗn hợp. Nhiên liệu diesel áp suất cao được phun vào xi lanh thông qua các vòi phun nhỏ ở đầu kim phun, giúp phun nhiên liệu thành dạng sương mù. Các giọt nhiên liệu bắt đầu hòa trộn với lượng khí nén trong xi lanh và hấp thụ nhiệt. Khoảng thời gian này trước khi nhiên liệu cháy được gọi là độ trễ đánh lửa. Tại thời điểm này, nhiên liệu chưa được phun hết và hỗn hợp vẫn chủ yếu là không khí.
Sau khi kết thúc độ trễ đánh lửa, quá trình nén tiếp tục và nhiệt độ của hỗn hợp tăng lên cho đến khi đạt đến điểm bắt lửa của nhiên liệu diesel. Quá trình cháy nhanh xảy ra khi một phần hỗn hợp không khí và nhiên liệu bị đốt cháy. Điều này làm cho áp suất trong xi lanh tăng rất nhanh, làm nóng thêm hỗn hợp không khí và nhiên liệu và làm bay hơi phần nhiên liệu chưa cháy còn lại trong xi lanh. Sự gia tăng nhanh chóng của áp suất xi lanh dẫn đến tiếng gõ được gọi là tiếng gõ diesel.
Sau giai đoạn cháy nhanh, nhiệt độ trong xi lanh đủ cao để bất kỳ nhiên liệu nào được phun vào sẽ cháy ngay khi kết hợp với oxy. Quá trình đốt cháy phải hoàn tất khi piston vẫn gần tới TDC.
Ngoài buồng đốt và vòi phun, còn có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy diesel. Ví dụ, độ trễ đánh lửa dài và tốc độ động cơ cao làm tăng lượng hỗn hợp không khí và nhiên liệu.
Khi hiểu biết sâu hơn về quá trình đốt cháy nhiên liệu diesel, thiết kế động cơ diesel đã có những thay đổi. Ví dụ bao gồm vị trí rãnh xéc măng trên cùng, hình dạng cổng nạp, kích thước van nạp và vị trí của các van trên nắp xi lanh. Nắp xi lanh có bốn van trên mỗi xi lanh cho phép kim phun thẳng đứng và định tâm để có thể phun đều khắp xi lanh. Tỷ số nén cũng ảnh hưởng đến quá trình bay hơi và hòa trộn nhiên liệu với không khí.
Áp suất phun nhiên liệu được thiết kế để phù hợp với kích thước của vòi phun nhiên liệu. Chiều dài và đường kính của các lỗ vòi phun cũng rất quan trọng đối với cách nhiên liệu được phun và phân phối trong xi lanh. Kiểu phun được phóng to hoặc thu nhỏ để đưa nhiên liệu vào vị trí thuận lợi nhất trong xi lanh.
Khí thải HC và CO thấp của động cơ diesel
Với tỷ lệ A/F rất thấp ở chế độ không tải, lượng không khí trong xi-lanh nhiều hơn đáng kể. Trên thực tế, mặc dù phần lớn không khí đi vào xi-lanh được nén, nhưng phần lớn vẫn nằm ngoài hỗn hợp nhiên liệu đang cháy. Sau quá trình đốt cháy ban đầu, lượng không khí bổ sung này tiếp tục hòa trộn với bất kỳ nhiên liệu nào vẫn đang cháy hoặc đã cháy. Khi van xả mở ra, oxy trong không khí còn lại sẽ oxy hóa HC và CO còn lại. Điều này giải thích cho mức phát thải các chất ô nhiễm này trong khí thải diesel thường thấp.
Động cơ diesel đốt cháy ở nhiệt độ thấp
Đốt cháy ở nhiệt độ thấp là một ứng dụng công nghệ vào động cơ diesel truyền thống, loại bỏ nhu cầu sử dụng các thiết bị xử lý sau. Lượng khí thải NOx của động cơ diesel thường cao. Điều này là do có các vùng cháy nóng trong xi-lanh.
Lưu ý rằng nhiệt độ cháy cao dẫn đến NOx cao. Đã có nhiều nghiên cứu mới và đang được tiến hành về quá trình đốt cháy diesel. Đốt cháy ở nhiệt độ thấp là một ứng dụng mới giúp giảm nhiệt độ của các vùng nóng gây ra NOx. Nó cũng cung cấp nhiều thời gian hơn cho không khí trong xi lanh hòa trộn với các vùng nhiên liệu giàu trong quá trình đốt cháy, tạo ra hỗn hợp đồng nhất hơn và ngăn ngừa khói.
Chất xúc tác oxy hóa diesel
Lưu huỳnh gây hại cho các kim loại quý trong bộ chuyển đổi xúc tác. Luật pháp yêu cầu nhiên liệu diesel có hàm lượng lưu huỳnh cực thấp đã giúp các bộ chuyển đổi xúc tác kim loại quý trở nên khả thi. Chất xúc tác oxy hóa diesel (DOC) được giới thiệu vào cuối những năm 1990. Chất này tương tự như bộ chuyển đổi xúc tác trên động cơ xăng. Rhodium là kim loại quý được sử dụng để xúc tác NOx trong bộ chuyển đổi xúc tác.
Giảm thiểu bằng chất xúc tác chọn lọc diesel
Nhiều xe tải nhẹ và xe tải diesel trong nước sử dụng chất xúc tác chọn lọc urê (SCR), một phương pháp đã được chứng minh để giảm lượng khí thải NOx diesel, sau đó đi vào khí thải. Điều này cho phép tùy chỉnh các thiết bị điện tử của động cơ diesel cho các nhu cầu đặc biệt của động cơ diesel. Hệ thống SCR giảm 99% lượng khí thải NOx diesel so với mức năm 1974 và đã được sử dụng ở Châu Âu trong nhiều năm.
Hệ thống có một bình phụ chứa đầy dung dịch xả diesel (DEF), gồm 32,5% urê, trộn với 67,5% nước khử ion. (Hình 43.37). Khi urê được khí thải làm nóng, khí amoniac và CO2 được tạo ra. Trong bộ xúc tác SCR, amoniac phản ứng với nitơ oxit (NO) và nitơ dioxit (NO)2 để tạo ra hơi nước và khí nitơ vô hại (Hình 43.38). Nắp đổ DEF có thể được đặt ở nhiều vị trí khác nhau. Một số nằm cạnh nắp nhiên liệu (Hình 43.39), trong khi một số khác nằm dưới nắp capo hoặc ở một vị trí khác. Hãy tìm nắp màu xanh lam.
Errecom AdBlue® Urea Based Diesel Engine Additive to Reduce NOx Emissions in Accordance with ISO 22241-1
Lượng DEF được sử dụng được cho là khoảng 2% mức tiêu thụ nhiên liệu diesel. Trong một xe chở khách, lượng nhiên liệu 7 gallon ước tính có thể đủ dùng cho khoảng 16.000 km. Với thời gian chạy không tải dài hơn, lượng dung dịch được sử dụng sẽ nhiều hơn. Hệ thống máy tính sẽ đưa ra cảnh báo khi mức DEF xuống thấp. Nếu xe hết DEF, máy tính sẽ hạn chế hiệu suất ở chế độ khập khiễng (limp-in), và cuối cùng, động cơ sẽ không khởi động lại được nữa.
Vì DEF đóng băng ở nhiệt độ thấp (12 F/–11 C) nên bộ phận cách nhiệt và gia nhiệt cũng là một phần của hệ thống. Bơm DEF sẽ đảo chiều khi chìa khóa tắt để bơm toàn bộ chất lỏng ra khỏi đường ống trong thời tiết lạnh nhằm ngăn ngừa đóng băng.
Dịch vụ Xử lý Khí thải Diesel (DEF)
Một phương pháp mà các nhà sản xuất đã sử dụng để giảm lượng oxit nitơ (NOx) xuống dưới mức được chứng nhận là hệ thống Khử xúc tác chọn lọc (SCR) (xem Chương 43). SCR sử dụng Dung dịch Xả Diesel (DEF), chủ yếu là nước, được trộn với khoảng 30% urê. Thiết bị SCR chuyển đổi urê thành amoniac bằng xúc tác để giảm NOx thành nitơ và nước.
Khi bật chìa khóa, đèn cảnh báo dung dịch xả diesel trên bảng đồng hồ sẽ sáng lên trong một thời gian ngắn rồi tắt. Nếu đèn vẫn sáng, mức DEF thấp hoặc dung dịch bị nhiễm bẩn. Máy tính sẽ phản hồi bằng cách giới hạn vòng tua máy và tốc độ lái, đầu tiên là 88 km/h, sau đó là 16 km/h. Nếu bình DEF cạn kiệt hoàn toàn, một số nhà sản xuất sẽ giới hạn vòng tua máy ở tốc độ không tải sau khi xe dừng hẳn. Các cảnh báo và âm thanh trên bảng đồng hồ được phát ra trước đó để tài xế có thể đổ đầy bình DEF.
Ghi chú:
● Khi bình DEF bị cạn, đôi khi phải mất một khoảng thời gian sau khi đổ đầy, máy tính mới nhận biết được bình đã được đổ đầy và cho phép hoạt động bình thường trở lại. Nhiều hệ thống DEF cũng bao gồm một “cảm biến chất lượng” để xác định xem chất lỏng được đổ vào bình có thực sự là DEF hay không. Nếu đổ sai chất lỏng, bộ điều khiển sẽ chuyển động cơ sang chế độ khập khiễng. Thao tác này cũng sẽ tạo ra mã lỗi chẩn đoán (DTC). DEF cũng phải chứa tỷ lệ urê và nước chính xác. Pha loãng hỗn hợp với nước sẽ dẫn đến sự cố. Đôi khi người ta làm điều này để tiết kiệm tiền.
● Vì DEF có 68% là nước và chỉ 32% là urê, dung dịch có thể đóng băng ở nhiệt độ khoảng 12 độ F (khoảng 12 độ F). Có một mạch làm nóng sẽ hoạt động khi thời tiết lạnh khi động cơ khởi động. Để tránh đóng băng, một van xả sẽ xả hết đường ống khi chìa khóa tắt.
Đổ đầy bình chứa DEF
Mức tiêu thụ ước tính của DEF là khoảng 1 gallon (khoảng 3,7 lít) cho hai bình nhiên liệu. Một khuyến nghị tốt là nên đổ đầy bình chứa DEF sau mỗi lần thay dầu. Tuy nhiên, việc lái xe hoặc kéo xe hạng nặng có thể đòi hỏi phải đổ đầy thường xuyên hơn.
● DEF có sẵn; hãy đảm bảo chỉ sử dụng dầu được chứng nhận API.
● Khi đổ đầy bình chứa DEF, bạn sẽ biết bình đã đầy khi dầu ngừng chảy vào bình chứa.
● Một hệ thống SCR thông thường có bộ lọc hộp mực DEF dạng xoay được, được thay thế sau mỗi 1–2 năm.
● Hạn sử dụng của DEF là khoảng 1 năm.
Lưu ý khi sử dụng DeF:
● Chỉ đổ đầy bình chứa DEF ở khu vực thông gió tốt. Hơi amoniac từ chất lỏng có thể gây kích ứng mắt, da và hệ hô hấp. Hãy đảm bảo rằng gioăng trên vòi của bình chứa DEF tiếp xúc với cổng đổ để ngăn hơi thoát ra ngoài.
● Tránh làm đổ DEF. Giống như dầu phanh, DEF sẽ làm hỏng sơn.
Dịch vụ lọc hạt diesel
Lượng muội than thải ra từ động cơ diesel có thể đo được trong không khí. Cơ quan Bảo vệ Môi trường sử dụng thử nghiệm độ mờ khói để cung cấp số liệu về bồ hóng. Từ năm 2007, động cơ diesel trên đường cao tốc đã được trang bị bộ lọc hạt diesel để thu gom muội than từ khí thải. Muội than được đốt cháy trong các chu kỳ tái sinh theo kế hoạch, để lại cặn tro. Các nhà sản xuất động cơ (OEM) có quy trình bảo dưỡng khác nhau. Chu kỳ vệ sinh thông thường là 193.000 km. Với quãng đường gấp đôi con số đó, bộ lọc DPF có thể cần được thay thế.
Một số động cơ diesel đời mới có cảm biến áp suất trong bugi sấy. Cảm biến này theo dõi quá trình cháy diễn ra trong xi-lanh, giảm NOx đến mức không cần sử dụng hệ thống SCR. Tuy nhiên, đây là một hệ thống tốn kém. Các OEM khác đạt được mục tiêu này bằng cách sử dụng lưu lượng EGR rất cao. Ví dụ, VW có thể sản xuất Golf và Jetta TDI mà không cần SCR. Tuy nhiên, Passat TDI và các mẫu xe lớn hơn của họ yêu cầu SCR để đáp ứng các tiêu chuẩn chứng nhận.
Để loại bỏ khí thải bồ hóng, tất cả các mẫu xe này vẫn cần một bộ lọc hạt.
Cảm biến tái tạo DPF
Cảm biến áp suất trước và sau (được gọi là cảm biến delta P) sẽ báo hiệu cho ECM khi áp suất ngược đầu vào trong DPF đạt đến điểm cần tái tạo hệ thống.
Tái tạo bộ lọc hạt diesel
Các hạt vật chất, một tên gọi khác của bồ hóng, tích tụ trong bộ lọc hạt diesel (DPF). Sau khi bồ hóng bị bộ lọc giữ lại, nó sẽ bị oxy hóa. Tốc độ oxy hóa phụ thuộc vào nhiệt độ của bộ lọc và lượng bồ hóng được xử lý. Để quá trình tái tạo bộ lọc thành công, cần phải tăng nhiệt độ khí thải hoặc giảm nhiệt độ bắt lửa của bồ hóng thông qua việc sử dụng chất xúc tác.
Việc để động cơ chạy không tải góp phần hình thành muội than. “Quy tắc năm phút” quy định rằng động cơ chạy không tải không quá 5 phút.
Ghi chú Khoa học
Quá trình tái sinh bộ lọc nhiệt loại bỏ muội than khỏi DPF, oxy hóa chúng trở lại thành khí CO2. Mồ hôi hữu cơ được tạo thành từ các chuỗi dài các nguyên tử cacbon. Trong quá trình tái sinh DPF, các chuỗi cacbon được nung ở nhiệt độ rất cao, biến chúng thành tro mịn. Điều này tương tự như cách lò nướng tự làm sạch biến các vật liệu hữu cơ như vỏ bánh thành tro mịn mỗi khi lò nướng hoạt động. Mồ hôi tương tự như than củi, bị oxy hóa ở 600 độ C (1100 độ F).
Nhiệt độ này thấp hơn mức nhiệt độ cao xảy ra khi động cơ diesel hoạt động (thường là 1650 F/900 C). Khi leo dốc với tải trọng bình thường, nhiệt độ khí thải thường ở mức từ 1150 – 1200 độ F, đủ để nấu chín bồ hóng.
Phương pháp tái tạo
Có bốn phương pháp tái tạo: thụ động, chủ động, lai và cưỡng bức.
● Trong quá trình tái tạo thụ động, không có năng lượng bổ sung nào được thêm vào. Quá trình này được hoàn thành chỉ bằng nhiệt khí thải. Quá trình này diễn ra bình thường khi lái xe trên đường.
● Tái tạo chủ động đòi hỏi thêm năng lượng để hoàn thành quá trình. Đôi khi, đây là “tái tạo theo lệnh của người vận hành”, nghĩa là chủ xe đưa xe vào một quy trình để phản hồi cảnh báo trên bảng điều khiển. Quy trình này, tùy thuộc vào nhà sản xuất, không khó thực hiện. Nó thường được mô tả trong sách hướng dẫn sử dụng.
● Tái tạo lai là thụ động kết hợp với chủ động.
● Tái tạo chỉ nên diễn ra trong quá trình lái xe bình thường và thường ở tốc độ cao hơn.
● Đôi khi cần phải cưỡng bức tái tạo thủ công. Điều này thường là do khách hàng không chú ý đến cảnh báo trên bảng điều khiển yêu cầu tái tạo chủ động. Việc cưỡng bức tái tạo sẽ rút ngắn tuổi thọ của DPF, vốn không được thiết kế để kéo dài tuổi thọ của xe. Mặc dù có nhiều cách khác để thực hiện việc này, nhưng sử dụng công cụ quét OEM là cách an toàn nhất.
Chú ý
Nhiệt độ dòng khí thải rất cao phát sinh trong quá trình tái sinh. Điều này có thể gây ra các vấn đề về an toàn. Trong quá trình tái sinh thủ công, hãy đảm bảo tuân thủ chính xác các quy trình của OEM. Việc tái sinh không đúng cách có thể gây hư hỏng vĩnh viễn cho DPF. Ngoài ra còn có nguy cơ hỏa hoạn do sự kết hợp của nhiệt độ cao, nhiên liệu, không khí và khí thải vẫn đang cháy. Theo hầu hết các OEM, việc tái sinh thủ công luôn phải được thực hiện ngoài trời. Không được đỗ xe trên bề mặt dễ cháy, chẳng hạn như nhựa đường, cỏ hoặc sàn gỗ. Đã có trường hợp lớp phủ sàn epoxy của các cửa hàng bị hư hỏng khi DPF được tái sinh trong nhà.
Tìm hiểu thêm:
Một số phương pháp táo tạo bộ lọc hạt DPF (bộ lọc hạt Diesel)
Bảo trì DPF
Bộ lọc hạt diesel cần được bảo trì hàng năm. Phần giữa phải được loại bỏ và làm sạch tro. Nếu không, tro có thể chuyển thành thủy tinh và làm tắc bộ lọc. Tro cũng là một vật liệu nguy hiểm và phải được xử lý phù hợp. Lưu ý rằng phải sử dụng dầu có hàm lượng tro thấp cho động cơ DPF.
Nguồn: Automotive Service – Inspection, Maintenance, Repair
