Tổng quan về khí thải động cơ Diesel

1. Ô nhiễm khí thải : tổng quan

Ô nhiễm không khí là hậu quả từ các hoạt động của cuộc sống hiện đại như : sự gia tăng tiêu thụ năng lượng, sự phát triển của các ngành công nghiệp mũi nhọn : công nghiệp luyện kim, hóa học, giao thông đường bộ và hàng không, v.v. Ô nhiễm có nguồn gốc từ ba nguồn chính : nguồn gốc thiên nhiên (thực vật, đất), nguồn gốc cố định (sưởi ấm gia đình, sản xuất điện, công nghiệp), và giao thông. Trong đó, ôtô và các phương tiện vận chuyển là một phần nguyên nhân của tình trạng mô trường ô nhiễm như ngày nay.

Các hợp chất ô nhiễm chính trong khí thải có thể chia làm hai nhóm : khí và hạt rắn. Người ta phân biệt các chất ô nhiễm sơ cấp được thải ra từ các nguồn xác định (CO, HC,…) với các chất ô nhiễm thứ cấp (O3, …) được sản sinh ra từ các phản ứng giữa các chất ô nhiễm sơ cấp với nhau dưới tác động của điều kiện môi trường như bức xạ mặt trời.

Nhìn chung chất gây ô nhiễm môi trường thải ra từ động cơ gồm các chất sau :

* Dioxyde de carbone (CO2), sản phẩm của quá trình oxi hóa hoàn toàn nhiên liệu

* Monoxyde de carbone (CO), đến từ quá trình oxi hóa không hoàn toàn nhiên liệu

* Oxyde d’azote (NOx), bao gồm monoxyde d’azote (NO) và dioxyde d'azote (NO2).

* Các hạt rắn, sản phẩm của các quá trình hình thành phức tạp.

* Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (COV-composés organiques volatils), là các hợp chất hóa học hữu cơ có áp suất hơi đủ cao để dưới các điều kiện bình thường có thể bay hơi một lượng đáng kể vào không khí. Về thành phần COV là sự kết hợp giữa các hydrocarbure (như alcane, alcène, aromatique, …) và các hợp chất chứa oxi (aldéhyde, kétone, …).

* Các hợp chất hữu cơ đa vòng (hydrocarbures aromatiques polycycliques – HAP), như benzoapyrene

* Dioxyde de sulfure (SO2), hình thành từ lưu huỳnh có sẵn trong nhiên liệu.

* Các kim loại, có trong dầu và nhiên liệu.

Những chất ô nhiễm này thải ra môi trường sẽ dẫn đến rất nhiều ảnh hưởng tai hại cho sức khỏe và môi trường. Một vài chất trong đó sẽ góp phần hình thành sương mù trong đô thị (brouillards urbains), mưa acide từ SO2 và NOx. Trong đó NOx và VOCs là nguyên nhân gây ra các phản ứng khác nhau dẫn đến sự hình thành ozone ở tầng đối lưu của khí quyển. Các hydrocarbon chưa cháy gây ra bệnh ung thư, còn các hạt rắn, đặc biệt là các hạt rắn nhỏ, rất nguy hiểm cho sức khỏe, vì nó có thể đi vào trong phổi, gây ra các bệnh về hô hấp.

2. Ô nhiễm khí thải động cơ Diesel

2.1. Lịch sử động cơ Diesel

Rudolf Diesel, kĩ sư người Đức, là người đầu tiên nghiên cứu việc ứng dụng một loại động cơ đốt trong hoạt động với các loại nhiên liệu nặng, mà ngày nay được biết đến với tên động cơ Diesel. Nghiên cứu của ông đã được đăng kí bằng phát minh vào năm 1982 ở Berlin với tên gọi “Lý thuyết và cấu tạo của động cơ nhiệt thuần lý”. Động cơ trong phiên bản cuối cùng, sau đó đã được giới thiệu trước công chúng vào năm 1987. Thành công đã đến ngay lập tức, và vào năm 1990, tại cuộc triển lãm quốc tế ở Paris, buổi trình bày của ông đã đưa động cơ Diesel nổi tiếng ở phạm vi toàn cầu.

Hơn một thế kỉ sau, ôtô đã chiếm một vị trí quan trọng trong cuộc sống thường nhật của hàng triệu người. Và ngày nay, sự phát triển như vũ bão của ngành vận chuyển đường bộ sẽ củng cố thành công hiện tại của động cơ Diesel.

2.2. So sánh giữa động cơ Diesel và động cơ xăng

Nếu quá trình vận hành của chu kì 4 thì trong động cơ Diesel chỉ hơi khác so với động cơ cháy cưỡng bức (động cơ xăng), thì điều kiện cháy của hai loại động cơ này lại rất khác nhau. Chu kì của động cơ Diesel gồm 4 giai đoạn: nạp/ nén/ nổ, giãn nở sinh công/ xả.

Không như trong động cơ cháy cưỡng bức – hỗn hợp nhiên liệu và không khí được hòa trộn đều trước khi nạp vào cylindre, ở động cơ Diesel chỉ có không khí được nạp vào cylindre động cơ ở pha nạp. Sau đó ở pha nén, không khí bị nén ở áp suất cao làm nhiệt độ khí tăng theo, nhiệt độ khí thu được sẽ cao hơn nhiệt độ tự cháy (auto-inflammation) của nhiên liệu sử dụng. Đến cuối chu kì nén, gazole được phun vào cylindre ở dạng những hạt sương nhỏ; nhiên liệu hoặc sẽ được phun trực tiếp vào buồng cháy (injection directe), hoặc được phun vào một buồng hòa trộn trước nhằm cải thiện quá trình cháy của nhiên liệu khi tiếp xúc với không khí nóng (injection indirecte). Không khí nóng sẽ hòa trộn với nhiên liệu phun vào, gia nhiệt và hóa hơi nhiên liệu. Quá trình cháy sau đó diễn ra rất nhanh, áp suất tăng nhanh và có thể đến cực đại (60 bar đến 100 bar). Không khí ở thời điểm này rất nóng (2000 đến 3000 °C). Áp suất và nhiệt độ cùng tăng.

Động cơ Diesel vận hành với khoảng dư oxygen rộng (large axcès d’oxygène), trái ngược với trường hợp động cơ xăng, ở đấy hỗn hợp carburant/comburant gần với điều kiện tỷ lượng (stoechiométrie). Cũng cần chú ý rằng nhiệt độ khí thải của động cơ Diesel chỉ ở khoảng 150 đến 500 °C, nhưng ở động cơ xăng khoảng nhiệt độ này cao hơn hẳn (600 đến 800 °C).

Nhưng sự khác nhau chủ yếu của hai loại động cơ này nằm ở phương thức đánh cháy nhiên liệu (mode d’imflammation du carburant). Đối với động cơ Diesel, khi nhiên liệu được phun vào ở dạng sương, quá trình cháy bắt đầu bằng sự tự bốc cháy của hỗn hợp nhiên liệu. Nhưng với động cơ xăng, quá trình cháy được tạo một cách cưỡng bức bởi tia lửa điện của bougie. Do đó, quá trình cháy trong động cơ Diesel là quá trình cháy dị thể hơn. Cơ chế chảy rối giữa nhiên liệu và không khí làm cho nồng độ của các cấu tử hóa học và nhiệt độ trong buồng cháy không đồng nhất. Sự không đồng nhất này là nguồn gốc của sự hình thành NOx trong các vùng có nhiệt độ rất cao, và hình thành suie trong các vùng thiếu oxygen.

Tuy nhiên động cơ Diesel có nhiều ưu điểm so với động cơ xăng, như:

* Thải ra CO2 ít hơn khoảng 25%, góp phần hạn chế hiệu ứng nhà kính.

* Hiệu suất cháy tốt hơn, thải ra ít HC không cháy và ít CO hơn.

* Tuổi thọ động cơ cao hơn.

Tuy nhiên ở mức độ ô nhiễm môi trường, động cơ Diesel thải ra các hạt rắn độc hại cho sức khỏe và NOx.

2.3. Ô nhiễm từ động cơ Diesel

2.3.1. Thành phần khí thải từ động cơ Diesel

Động cơ Diesel chuyển đổi năng lượng hóa học (carburant, gazole) thành năng lượng cơ học. Gazole là hỗn hợp của các hydrocarbure mà trong quá trình cháy lý tưởng, nó chỉ sinh ra CO2 và H2O. Trong thực tế người ta quan sát thấy một vài sản phẩm khí và rắn khác. Điều này liên quan một phần đến sự có mặt của các tạp chất chứa trong các HC (như các hợp chất chứa lưu huỳnh), và mặt khác liên quan đến sự phức tạp của các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình cháy. Bảng 1 sau giới thiệu thành phần điển hình của khí thải động cơ Diesel:

2.3.2. Cơ chế hình thành suie

Trong động cơ Diesel, nhiên liệu được phun vào buồng cháy ở dạng sương. Quá trình cháy được khơi mào bằng sự tự bốc cháy của nhiên liệu. Điều này đã tạo ra quá trình cháy dị thể; và nó là nguồn gốc của sự hình thành các hạt suie trong các vùng thiếu oxygen. Thuật ngữ suie chỉ một loại vật liệu hóa than (matériau carboné) hình thành từ quá trình cháy của nhiên liệu trong điều kiện giàu nhiên liệu (thiếu oxygen). Các hạt suie này sẽ tự kết hợp với nhau trong ống xả để hình thành các agrégat. Cuối cùng khi khí thải được làm mát, các hydrocarbon và sulphate sẽ hấp thụ lên các agrégats suie. Như vậy, suie Diesel sẽ gồm một lớp vật liệu rắn hóa than sinh ra từ quá trình cháy, và trên đấy là các hợp chất hữu cơ khác nhau hấp thụ lên (SOF: Solube Organic Fraction).

Hiện nay cơ chế hình thành suie từ quá trình cháy trong động cơ Diesel vẫn còn gây nhiều tranh cãi, vì nó liên quan đến các hiện tượng ít có tính tái lập (phénomènes peu reproductibles), lại xảy ra ở nhiệt độ cao, áp suất lớn, và với một loại nhiên liệu có thành phần phức tạp, trong một hỗn hợp chảy rối (mélange turbulent). Tuy nhiên một cách tổng quan ta có thể xem quá trình hình thành suie xảy ra qua 4 giai đoạn:

* Giai đoạn 1: Hình thành các hợp chất trung gian (vd: éthylène, …) từ quá trình pyrolyse nhiên liệu. Ethylène sẽ được polymer hóa và hình thành các cấu trúc đa vòng, hay chính xác hơn là các cấu trúc turbostratique. Cấu trúc turbostratique là các chồng đồng tâm của các vòng 6 carbon được sắp xếp một cách bất kì.

* Giai đoạn 2: Phát triển nhân, và tạo thành các hạt rắn đầu tiên. Các hạt này có hình cầu, và bán kính từ 1 đến 2 nm.

* Giai đoạn 3: Kết tụ của các hạt rắn ở trên (các hạt rắn kết dính với nhau và hình thành hạt rắn lớn hơn), cho đến khi hình thành các khối cầu có kích thước khoảng 10 – 30 nm. Đến đây có thể gọi các hạt này là hạt suie sơ cấp.

* Giai đoạn 4: Sự kết tụ của các hạt suie sơ cấp tạo thành các agrégat. Agrégat thu được có kích thước lên đến hàng trăm nm.


2.3.3. Cấu trúc suie Diesel

Suie Diesel được tạo thành từ nhiều hạt rắn có kích thước khoảng 0,3 mm. Các hạt rắn này lại được tạo thành từ các hạt carbone nhỏ hơn có bán kính khoảng 10 – 60 nm liên kết lại với nhau thành dạng chuỗi hay agrégat, có hình thù « kết túm » (floconneux) đặc trưng, và có thể coi hạt suie Diesel là một hỗn hợp của các cấu tử hữu cơ và vô cơ .

Suie được tạo nên từ một pha rắn ở tâm và một pha ngưng tụ trên bề mặt. Tâm của suie là than carbone, pha ngưng tụ thực chất là các chất hữu cơ gồm các hydrocarbon ngưng tụ trong pha lỏng trên bề mặt (SOF) và các sufates.

Các sulfates trong khí thải động cơ Diesel có nguồn gốc từ các chất hữu cơ chứa lưu huỳnh trong nhiên liệu. Khi nhiên liệu cháy, lưu huỳnh trong các hợp chất hóa học này chuyển thành SO2, và sau đấy một phần (khoảng 2%) sẽ bị oxi hóa thành SO3. SO3 sau đó sẽ phản ứng với nước để tạo thành các giọt lỏng acide sulfurique.

2.3.4. Ảnh hưởng của hạt rắn suie lên môi trường và sức khỏe.

Các hạt suie thải ra từ động cơ Diesel có ảnh hưởng xấu đến môi trường cũng như sức khỏe con người. Thực vậy, các hạt rắn này góp phần tạo thành các đám bụi lơ lửng trong môi trường đô thị. Kích thước của hạt suie đóng một vai trò quan trọng. Hạt càng nhỏ, chúng càng lơ lửng lâu trong không khí, và khi đi vào phổi, thời gian chúng lưu lại càng lâu. Đối với những hạt có đường kính lớn hơn 10 mm, chúng dễ dàng bị đẩy ra khỏi đường hô hấp; các hạt có từ 3 – 10 mm, chúng dễ dàng lưu lại ở khí quản và phế quản; dưới 3 mm, các hạt này có thể thâm nhập vào tận các phế nang của phổi (les alvéoles pulmonaires), và có thể thâm nhập vào máu. Rõ ràng các hạt rắn này là nguồn gốc của các bệnh về hô hấp thường gặp như: hen suyễn, viêm phế quản, và ung thư phổi.

3. Biện pháp hạn chế thải suie

3.1. Các qui định hạn chế liên quan đến suie Diesel.

Ở nhiều nước công nghiệp phát triển, chất thải từ ôtô là chủ đề của nhiều quy định hạn chế ; trong những năm gần đây, khi số lượng chất ô nhiễm ngày càng tăng thì các quy chế hạn chế càng nghiêm ngặt và các quốc gia tham gia tuân thủ càng đông.

Chuẩn của châu âu hiện nay để đo mức độ thải hạt rắn có hai chu trình : chu trình trong thành thị ECE 15 (Economic Commission for Europe) và chu trình quanh thành thị EUDC (Extra Urban Driving Cycle). Các quy chế trên được đo theo đơn vị g/km và theo chủng loại xe ôtô. Ở châu âu, các mức hạn chế này được gọi chung là EURO.

Giới thiệu các giai đoạn giảm thải hạt rắn trong khí thải ôtô loại nhẹ “ light duty vehicles ”. Có thể thấy rằng EURO 4 ra đời năm 2005 đã đặt ra quy định chung cho toàn châu âu để giảm hơn 80% lượng hạt rắn thải ra so với mức yêu cầu của EURO 1 vào năm 1992. Từ đó có thể thấy các tiêu chuẩn về môi trường ngày càng nghiêm ngặt hơn như thế nào. Điều này là cần thiết khi tình hình khí hậu toàn cầu đang xuống cấp trầm trọng như hiện nay. Và từ năm 2005, chỉ những ôtô đạt chuẩn trên mới được phê chuẩn lưu thông.

3.2. Các công nghệ xứ lý suie

Người ta đã nghiên cứu nhiều công nghệ lọc suie thải ra từ động cơ Diesel. Một số thiết bị lọc cho kết quả khá tốt như : bộ lọc vách xốp bằng ceramique dạng monolithe (cordiérithe) (Hình 5), vải kim loại (toiles métalliques), hoặc bọt kim loại hoặc ceramique.

Hệ thống lọc loại này hoạt động một cách bán liên tục. Đầu tiên các hạt rắn không theo khí thải ra ngoài mà bị giữ lại trên bộ lọc, sau đó bộ lọc sẽ được tái sinh bằng cách đốt cháy các hạt rắn tích tụ bằng nhiệt. Do đó điều kiện tiên quyết để ứng dụng công nghệ này là khí thải phải có nhiệt độ cao.

Nhưng vấn đề đặt ra là nhiệt độ trung bình của khí thải động cơ Diesel khá thấp (khoảng 150 – 500°C) khi so sánh với động cơ xăng (khoảng 600 – 800°C). Người ta đã đo được rằng ở chế độ chạy bình thường trong đô thị, khí thải xe chạy bằng Diesel vào khoảng 240°C ; trong khi nhiệt độ này khi xe chạy trên xa lộ ngoại thành vào khoảng 345°C. Chính vì nhiệt độ thấp như vậy nên việc xử lý suie bằng phương pháp đơn thuần nhiệt là cả một vấn đề. Để giải quyết điều này, người ta đã đề ra phương pháp khử suie bằng xúc tác. Và vai trò xúc tác trong các phương pháp này là để giảm nhiệt độ cháy của suie.

· Phương pháp nhiệt

Nguyên tắc cơ bản của phương pháp này là cả bộ lọc và khí thải động cơ sẽ được gia nhiệt đến một nhiệt độ tối thiểu cần thiết để có thế bắt đầu quá trình cháy của hạt rắn. Để nâng nhiệt độ của bộ lọc, người ta có thể dùng một trong các cách sau :

+ Sử dụng năng lượng điện để gia nhiệt nhờ vi sóng (micro-ondes), bằng cách dùng một bộ lọc làm bằng vật liệu bán dẫn, hoặc bằng cách lắp đặt bộ lọc ceramique có dây gia nhiệt.

+ Người ta có thể gia nhiệt bộ lọc bằng một brûleur với hệ thống tự động có hai lớp lọc : khí thải được nạp qua lớp lọc thứ nhất, trong khi đó lớp thứ hai chứa đầy hạt rắn sẽ được tái sinh đồng thời nhờ brûleur.

Các phương pháp này gặp khá nhiều vấn đề về mặt ứng dụng, như hệ thống choáng nhiều chỗ lắp đặt trên ôtô, và cũng khá đắt.

· Phương pháp xúc tác

Mục đích của phương pháp này là giảm nhiệt độ tối thiểu cần thiết cho quá trình đốt cháy suie nhờ sử dụng các xúc tác oxi hóa toàn phần (oxidation totale). Tuy nhiên hiệu quả của các vật liệu này không những phụ thuộc vào hoạt tính oxi hóa của xúc tác, mà còn phụ thuộc vào tính chất tiếp xúc (qualité de contact) của chúng với suie. Sự tiếp xúc của hai pha rắn (suie – catalyseur) càng « chặt », hiệu quả xúc tác càng cao.

3.3. Các phương pháp khử suie bằng xúc tác

Ngày nay người ta đều công nhận rằng nếu tiếp xúc giữa xúc tác và suie không « bền chặt » (contact intime intense), hiệu quả của xúc tác trong quá trình cháy suie là không đáng kể. Và những nghiên cứu để đạt được sự tiếp xúc tốt nhất có thể giữa hai pha rắn này đã làm nảy sinh ra hai dạng xúc tác : xúc tác nội (catalyse interne) và xúc tác ngoại (catalyse externe)

Remarque : MP = métaux précieux et MB = métaux de base

· Xúc tác nội

Giải pháp đầu tiên  là thêm trực tiếp vào nhiên liệu một lượng rất bé (0,03 đến 0,1 g/l) các phụ gia có nền tảng là các hợp chất cơ kim nhằm cải thiện quá trình cháy trong động cơ. Các phụ gia này đóng vai trò xúc tác vì các kim loại được sinh ra sau khi nhiên liệu cháy (Ni, Cu, Mo, Mn, Zn, Ca, Ba…) [3] sẽ bám trên hạt suie dưới dạng các oxide vô cơ và có hoạt tính xúc tác cao. Các xúc tác này ở trong các hạt rắn và hoàn toàn đảm bảo sự tiếp xúc chặt với suie, tuy nhiên cũng không thể tránh khỏi phụ gia sẽ bám lên bộ lọc. Điều này sẽ làm cho các lỗ xốp của nó bị nghẽn trong một thời gia ngắn.

Giải pháp thứ hai là thêm phụ gia vào dòng khí thải của động cơ một cách liên tục hoặc gián đoạn. Người ta dùng các đồng phân hữu cơ của đồng (Cu) làm phụ gia. Và nhược điểm của phương pháp này cũng giống như phương pháp thứ nhất.

· Xúc tác ngoại

Giải pháp này liên quan đến việc dùng một bộ lọc xúc tác có khả năng giảm nhiệt độ cháy của suie, cũng như có thể đốt một cách liên tục nhằm tránh việc các lỗ xốp của bộ lọc bị bít lại do suie bám lên quá nhiều. Với phương pháp này người ta không phải thêm vào một hệ thống tái sinh phụ, mà nó cũng không ảnh hưởng đến hoạt động của động cơ như các phương pháp thêm phụ gia ở trên.

Nhưng vấn đề đặt ra với bộ lọc xúc tác là việc đảm bảo tiếp xúc tốt giữa hai pha rắn suie-xúc tác. Hiện nay, đây là nguyên nhân chính cản trở khả năng ứng dụng của phương pháp này vào thực tế, chứ không phải vấn đề hoạt tính của xúc tác không đảm bảo. Tuy nhiên ở phạm vi nghiên cứu người ta đã đề ra rất nhiều dạng xúc tác dùng cho bộ lọc xúc tác. Các xúc tác này có thể là các kim loại hiếm (Ni, Pt, …)  các xúc tác đơn (MnOx, La2O3, CeO2, MgO, Fe2O3, Al2O3, VOx) , hoặc các xúc tác phức tạp hơn đặc biệt là xúc tác dạng pérovskite (chromites , lanthanides , cobaltites, manganites)

Trong các nghiên cứu gần đây người ta quan tâm nhiều đến các xúc tác có cấu trúc phức tạp, đặc biệt là xúc tác dựa trên các oxyde dạng pérovskite. Các oxyde đặc biệt này, thường có công thức chung là ABO3, thu hút sự quan tâm ở chỗ người ta có thể tác động vào vị trí A và/hoặc vị trí B để thay thế (riêng phần) bằng một ion của nguyên tố khác.

Tóm tắt hoạt tính xúc tác của nhiều loại oxyde dạng perovskite đã được nghiên cứu ở phạm vi phòng thí nghiệm. Ở đây hoạt tính của xúc tác được thể hiện bằng nhiệt độ bắt cháy (temperature d’ignition) của suie (Tig) (có thể hiểu nhiệt độ bắt cháy là nhiệt độ tối thiểu cần để bắt đầu quá trình cháy của suie). Nhìn vào bảng này ta có thể thấy hoạt tính của perovskite phụ thuộc nhiều vào cation ở vị trí A và B, và sự thay thế riêng phần bằng các ion kim loại kiềm (đặc biệt là K), hoặc ion kim loại kiềm thổ lên vị trí A. Và ta cũng thấy rằng nhiệt độ bắt cháy của hầu hết các oxyde trên đều nằm trong khoảng từ 240 tới 315°C, hoàn toàn thích hợp với nhiệt độ của khí thải động cơ Diesel (từ 240 đến 345°C – phần 3.2)

4. Kết luận

Ngày nay ô nhiễm môi trường ngày càng trở thành một vấn đề nhức nhối với con người. Trong đó một phần không nhỏ nguyên nhân có nguồn gốc từ khí thải động cơ. Động cơ Diesel được công nhận có nhiều ưu thế vượt trội nhưng vẫn tồn tại nhiều nhược điểm ở khía cạnh môi trường, đặc biệt là việc thải suie. Suie Diesel là một hợp chất có cấu trúc phức tạp mà quá trình hình thành của nó vẫn còn là một vấn đề đang nghiên cứu. Việc nắm rõ cấu trúc, đặc điểm, và quá trình hình thành của suie có vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu các phương pháp khử suie. Người ta đã và đang nghiên cứu nhiều phương pháp khác nhau để oxy hóa suie, như phương pháp nhiệt, xúc tác, … Nói chung mỗi phương pháp đều có nhưng ưu và nhược điểm nhất định. Trong đó bộ lọc xúc tác có vẻ là một phương pháp tối ưu nhất. Phương pháp này thể hiện nhiều ưu điểm vượt trội, tuy nhiên việc tái sinh bộ lọc sau một thời gian sử dụng vẫn còn là một vấn đề cần được tiếp tục cải thiện. Và trong các chất xúc tác dùng cho bộ lọc xúc tác, các oxyde dạng perovskite chiếm được nhiều quan tâm vì hoạt tính xúc tác cao, và kinh tế.
Hệ thống xả - Đông cơ xăng  

 

Khái Quát
Hệ thống xả bao gồm: cụm ống dẫn khí thải, cảm biến ô xy, bộ chuyển đổi xúc tác, bộ phận giảm thanh và ống thoát khí thải.

Cụm ống dẫn khí thải: Được lắp nối tiếp với xy-lanh, dẫn khí thải từ mỗi xy-lanh vào đường ống chung. Cụm ống này có thể được làm bằng thép không rỉ, nhôm, hoặc một số kim loại đúc.
 
Bộ cảm biến ô xy: Tất cả động cơ xăng đều sử dụng cảm biến ô xy để xác định lượng dư không khí trong khí xả. Từ đó, máy có thể biết được cần thêm hay bớt lượng ô xy (không khí) trong khí nạp, để tiết kiệm nhiên liệu cho xe. Bộ cảm biến ô xy được đặt bên trong cụm ống dẫn khí xả ngay cạnh ống.

Bộ chuyển đổi dùng xúc tác: được sử dụng để chuyển lượng khí CO và Hidrocacbon thành khí CO2 và hơi nước. Một số bộ chuyển đổi khác còn có khả năng chuyển đổi NOx độc hại thành Ni tơ phân tử. Bộ chuyển đổi này được cố định giữa cụm ống xả và bộ phận giảm thanh.
 
Bộ phận giảm thanh: Quá trình nổ của động cơ tạo ra rất nhiều tiếng ồn, đặc biệt là động cơ diesel do tỉ số nén cao. Phần lớn các bộ phận giảm thanh ngày nay sử dụng vách cản và hấp thụ âm. Một số hệ thống giảm thanh còn sử dụng sợi thủy tinh nhằm hấp thụ âm thanh ồn.
Nó có các chức năng sau:

• Cải thiện hiệu quả của động cơ bằng cách nâng cao tính năng thải của khí xả ra khỏi động cơ.
• Làm sạch khí xả bằng cách loại bỏ những chất có hại.
• Giảm âm thanh của tiếng nổ do khí xả phát ra.

  1 Đường ống xả 
  2 TWC (Bộ lọc khí xả 3 thành phần)
  3  Ống xả 
  4 Ống giảm thanh

  Bộ Trung Hoà Khí Xả
  Bộ trung hoà khí xả được đặt ở giữa hệ thống xả để loại bỏ những chất độc hại ra khỏi khí xả.
  Những chất độc hại trong khí xả bao gồm: CO (ôxít carbon), HC (hydrocarbon) và NOx (các ôxít Nitơ).
  Có hai loại bộ trung hoà khí xả:

  1.OC (Bộ trung hoà ôxy hoá) nó làm sạch CO và HC trong khí xả bằng chất xúc tác platinum và palladium.
  2.TWC (Bộ trung hoà khí xả 3 thành phần) nó làm sạch CO, HC và NOx trong khí xả bằng chất xúc tác platinum và rhodium.
  
  
  A Bộ trung hoà khí xả loại liền khối
  1 Vỏ ngoài
  2 Lưới dây kim loại
  3 Khối chất xúc tác
  Ống Giảm Thanh
  
  Do khí xả được xả ra từ động cơ có áp suất và nhiệt độ cao, chúng tạo ra tiếng nổ lớn nếu được xả trực tiếp.
  Do đó, ống giảm thanh được sử dụng để giảm âm thanh bằng cách giảm áp suất và nhiệt độ của khí xả.
  
  EGR đưa một phần khí thải ngược trở lại để hòa với khí nạp nhằm mục đích giảm nồng độ chất gây ô nhiễm môi trường NOx.

  Giảm nồng độ khí độc NOx trong khí thải là nhiệm vụ cơ bản của bất cứ nhà sản xuất ôtô nào. Khi bộ trung hòa khí thải bằng xúc tác chưa khai sinh, các kỹ sư thường sử dụng một kỹ thuật tuần hoàn khí thải có tên gọi EGR (Exhaust Gas Recirculation). Ngày nay, EGR không còn phổ biến như bộ trung hòa khí thải bằng xúc tác, nhưng trên các mẫu xe diesel hay xe đời cũ, nó vẫn là công nghệ có tác dụng tốt.

  Mục đích của EGR

  Hệ thống EGR được phát minh để kiểm soát mức độ ô nhiễm môi trường của xe hơi vào đầu những năm 1970, sớm hơn khoảng 2 năm so với hệ thống trung hòa khí thải bằng xúc tác. Mục tiêu của EGR là giảm nồng độ NOx bằng cách tuần hoàn khí thải trở lại hệ thống nạp động cơ trong điều kiện có tải.

  
  Nguyên lý hoạt động cơ EGR.

  Tác dụng của lượng khí thải này là làm giảm nhiệt độ cháy đoạn nhiệt hay làm giảm nồng độ oxy trong động cơ diesel. Ngoài ra, khí thải tuần hoàn còn làm tăng nhiệt dung riêng của hòa khí nên nhiệt độ cháy giảm xuống. Mục tiêu của việc hạ những thông số trên là để làm ngăn cản quá trình sinh NOx, giảm nồng độ chất này trong khí thải.

  Trên thực tế, nhiệt độ càng cao, lượng NOx sinh ra càng nhiều (nitơ có trong không khí). Ngoài nhiệt độ, còn có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới khả năng hình thành NOx như áp suất buồng đốt, thời gian đánh lửa, hỗn hợp nhiên liệu, nhiệt độ khí nạp hay nhiệt độ chất làm lạnh. Chẳng hạn như việc giảm tỷ số nén và đánh lửa chậm ở những động cơ tính năng cao sẽ làm giảm lượng NOx sinh ra, tuy nhiên, điều này sẽ làm giảm công suất cực đại và tính năng của xe. Chính điều này đã thôi thúc các kỹ sư thiết kế nên EGR vào những năm 1970.

  EGR ban đầu được thử nghiệm như một phương pháp giảm nồng độ NOx với điều kiện dễ ứng dụng, rẻ tiền và chỉ một vài hệ được lắp trên các mẫu xe đương thời. Thế nhưng sau đó, gần như tất cả ôtô đều trang bị hệ thống này.

  Nguyên lý hoạt động

  Những hệ EGR sử dụng đường ống nối giữa bộ góp xả với bộ góp nạp được gọi là tuần hoàn khí thải ngoài. Một van điều khiển sẽ đảm nhiệm việc điều chỉnh số lần mở và kiểm soát dòng khí. Khí thải tuần hoàn trước khi trộn với khí nạp được làm mát bởi nếu không, nó làm tăng nhiệt độ khí nạp, ảnh hưởng tới công suất động cơ.

  
  Bộ phận làm mát của hệ EGR. Ảnh: Wikimedia.

  Thời kỳ đầu, EGR rất đơn giản vì sử dụng bộ góp chân không để điều khiển van nên hiệu quả không cao. Với công nghệ điện tử ngày nay, van được điều khiển bằng máy tính nên EGR bắt đầu có những cải tiến đáng kể. Một trong số đó là khả năng nâng cao hiệu suất động cơ mà không ảnh hưởng tới tính năng vận hành.

  EGR trên động cơ xăng

  Trên các mẫu xe ôtô, khoảng 5-15% khí thải được đưa trở về buồng đốt thông qua EGR. Mức 15% là giới hạn để động cơ làm việc bình thường vì nếu nhiều khí thải, động cơ sẽ khó khởi động và làm việc không trơn tru. Mặc dù EGR làm chậm quá trình cháy nhưng điều này có thể được khắc phục bằng cách điều chỉnh thời gian đánh lửa.

  Trên động cơ diesel

  Các động cơ diesel hiện đại, khí EGR được làm mát bằng thiết bị trao đổi nhiệt để tăng lượng khí tuần hoàn. Không giống động cơ xăng, trên các mẫu diesel các kỹ sư không giới hạn tỷ lệ khí tuần hoàn. Chẳng hạn có những động cơ dùng tới 50% khí thải để đưa về bộ phận nạp. Tác dụng chủ yếu của khí thải tuần hoàn ở động cơ diesel là tăng nhiệt dung riêng của hỗn hợp, qua đó giảm nhiệt độ cháy và giúp nâng cao hiệu quả và giảm tiêu hao nhiên liệu.

   

  Nhiều người tiêu dùng vẫn cho rằng ồn và sinh ra nhiều bụi bẩn là bệnh cố hữu của những chiếc xe máy dầu. Tuy nhiên, công nghệtiên tiến đã giải quyết gần như hoàn toàn những vấn đề này.

  Những chiếc xe chạy dầu chiếm tới một nửa doanh số xe hơi bán ra trên toàn châu Âu. Nhưng ở Mỹ, chúng rất hiếm bởi người dân nước này luôn cho rằng diesel đồng nghĩa với bẩn và ồn.

  Kinh nghiệm của người Mỹ về diesel không nhiều và họthường có những quan niệm lệch lạc, do nó vắng bóng cách đây hơn 25 năm. Thậm chí cuộc điều tra của Kelley Blue Book mới đây còn cho thấyđộ quan tâm của người tiêu dùng về diesel ngày càng giảm. Chỉ có 39% khách hàng cho biết sẽ chọn diesel để tiết kiệm nhiên liệu, trong khi 60% quan tâm đến hybrid xăng-điện.

  Dưới đây là 7 vấn đề mà khách hàng thường đặt câu hỏi và những trả lời kèm theo của CNN.

  1. Không có sự khác biệt với xe xăng

  Về nguyên lý vận hành, diesel giống động cơ xăng khi cùng đốt nhiên liệu lỏng hóa hơi. Tuy nhiên, động cơ xăng cần bu-gi để đánh lửa trong trong khi diesel tự bắt lửa khi được nén ở áp suất cao.

  Sự khác biệt này khiến động cơ diesel thường chỉ sửdụng trên xe tải, do lợi thế về công suất ở tốc độ thấp. Tuy nhiên, tính tổng thể xe máy dầu tiết kiệm nhiên liệu hơn.

Ngược lại, động cơ xăng thường được dùng trên xe hơi do không phát ra nhiều tiếng ồn, tăng tốc nhanh và dễ dàng khởi động khi nhiệt độ môi trường thấp.

Với công nghệ sản xuất hiện đại, động cơ diesel ngày càng khắc phục được nhược điểm và tiệm cận dần với tính năng của động cơ xăng.

2. Động cơ diesel tiêu hao nhiều nhiên liệu

Đây là quan niệm khiến các chuyên gia tại Kelley Blue Book bất ngờ nhất. Rất ít người lựa chọn mục mà Kelley Blue Book đưa ra là "Xe diesel tiết kiệm nhiên liệu".

Do động cơ có khả năng sinh ra công lớn ở vòng tua thấp và thành phần nhiên liệu cho nhiều năng lượng hơn (trên một đơn vịkhối lượng) nên một cách "tự nhiên", xe diesel luôn tiết kiệm hơn động cơ xăng. Trong nhiều trường hợp, động cơ diesel có mức tiêu hao tươngđương với kiểu xe lai hybrid xăng-điện.

3. Diesel là công nghệ cũ

Coi diesel là công nghệ cũ thực ra cũng hoàn toàn chính xác. Bởi người phát mình Rudolf Diesel công bố thiết kế loại động cơ đốt trong này từ năm 1890.

Dẫu vậy, trong những năm gần đây công nghệ đốt trong sử dụng diesel được cải tiến rất nhiều bởi nhu cầu sử dụng xe tiết kiệm nhiên liệu tăng lên đáng kể. Có thể khẳng định diesel kiểu mới không hềthiếu "hiện đại" hơn bất cứ mẫu xe nào.

4. Diesel gây ồn

Đây là lỗi của những chiếc xe thời trước. Tiếng ồn xuất phát do động cơ phải nén nhiên liệu ở áp suất cao. Động cơ xăng êm vì không cần áp suất lớn. Chúng đã có bu-gi làm nhiệm vụ phát lửa.

Động cơ dầu hiện đại ít ồn hơn do máy tính có thểtăng áp suất bằng cách phun một lượng nhỏ nhiên liệu vào buồng đốt ngay cả khi piston đang di chuyển lên điểm chết trên. Lượng nhiên liệu bổsung này cháy nhưng không thể làm piston quay ngược trở lại. Nó làm ấm và tăng một chút áp suất trong buồng đốt.

Sau đó, khi piston lên tới điểm chết trên, hệ thống sẽ phun một lượng nhiên liệu lớn hơn. Lượng dầu này cháy và tạo áp suất lớn để đẩy piston đi xuống. Cuối cùng, một lượng nhiên liệu nhỏ lạiđược "tiếp" thêm để piston đi xuống một cách nhẹ nhàng, giúp quá trình giảm áp diễn ra đồng đều.

Kết quả của công nghệ này là động cơ nhẹ nhàng hơn, quá trình đốt cháy diễn không gây nhiều tiếng ồn.

5. Diesel thải khí bẩn ra môi trường

Đây là thủ phạm khiến diesel vắng bóng trên thịtrường Mỹ. Những quy định khí thải nghiêm ngặt đã đẩy các mẫu xe diesel ra khỏi nước Mỹ. Thậm chí những hãng nổi tiếng như Mercedes hay Audi mới bắt đầu "mon men" trở lại.

Do đốt cháy ở áp suất và nhiệt độ cao nên diesel sinh ra nhiều chất ảnh hưởng tới môi trường như oxít nitơ và bụi. Để đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải như động cơ xăng, các công ty hiện nay sử dụng nhiều công nghệ như bộ phận lọc cơ học và hóa học.

Nhiên liệu đầu vào cũng được thay đổi bằng các giảm thành phần lưu huỳnh. Những công nghệ sản xuất đang được áp dụng đểloại lưu huỳnh khỏi diesel và nếu thành công, diesel sẽ sạch không kémđộng cơ xăng.

6. Xe máy dầu thường chậm

Về cơ bản, xe diesel tăng tốc chậm và không đạt vận tốc cao. Tuy nhiên hầu hết các động cơ hiện đại đều sử dụng tăng áp nên nhược điểm trên được loại bỏ. Nhiều mẫu diesel có khả năng tăng tốc không thua kém máy xăng.

7. Xe diesel thường đắt hơn

Công nghệ sản xuất diesel phức tạp nên giá thường cao hơn động cơ xăng cùng chủng loại. Ngoài ra, nó cần có hệ thống xử lý khí thải. Điều này không có gì khó hiểu bởi công nghệ lai hybrid xăng -điện cũng đắt hơn khoảng vài nghìn USD.