CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Khái quát chung về động cơ Những chiếc xe tự vận hành đầu tiên chạy bằng động cơ hơi nước, vào năm 1769 một người Pháp tên Nicolas Joseph Cugnot đã chế tạo ra chiếc xe ô tô đầu tiên, chiếc xe này được câu lạc bộ (CLB) xe hơi Hoàng Gia Anh và CLB xe hơi Pháp xác nhận là chiếc xe hơi đầu tiên. - Năm 1680: Nhà vật lý học người Đức Christian Huygens thiết kế loại động cơ chạy bằng thuốc súng (loại động cơ này không được đưa vào sản xuất). - Năm 1807: Francois Isaac De Rivaz người Thụy Điển phát minh loại động cơ đốt trong dùng hỗn hợp khí Hydro và Ôxi làm nhiên liệu.
Rivaz thiết kế riêng một chiếc xe sử dụng động cơ này (chiếc xe đầu tiên gắn động cơ đốt trong), tuy nhiên thiết kế của ông đã không thành công như mong đợi. - Năm 1824: Kỹ sư người Anh, Samuel Brown cải tiến một động cơ hơi nước cũ Newcomen thành động cơ chạy gas và thử nghiệm trên một chiếc xe trên khu đồi Shooter ởAnh. - Năm 1858: Jean Joseph, một Kỹ sư người Bỉ xin cấp bằng sáng chế chiếc xe động cơ đốt trong tác động kép, đánh lửa điện sử dụng nhiên liệu khí than (1860). - Năm 1862: Kỹ Sư người Pháp ông Alphonse Beau De Rochas đệ đơn cấp bằng sáng chế động cơ bốn kỳ số 52593 ngày 16 tháng 01 năm 1862 (nhưng đã không sản xuất).
- Năm 1864: Siegfried Marcus, Kỹ sư người Áo đã chế tạo một loại động cơ xylanh với bộ chế hòa khí rất thô sơ và sau đó gắn lên một chiếc xe ngựa và đã vận hành thành công trên quãng đường đá dài 500 foot (152,4m). Vài năm sau đó, Marcus thiết kế một chiếc xe có thể vận hành với tốc độ10 dặm/giờ và một số sử gia cho rằng đây mới chính là chiếc xe sử dụng động cơ xăng đầu tiên trên thế giới. - Năm 1873: Kỹ sư người Mỹ, George Brayton phát triển (nhưng không thành công) loại động cơ 2 kỳ chạy dầu hỏa (loại động cơ này dùng hai xi- lanh bơm ngoài). Tuy vậy, loại động cơ này được coi như là động cơ dầu an toàn có giá trị ứng dụng đầu tiên.
- Năm 1866: Hai kỹ sư người Đức, Eugen Langen và Nikolas August Otto cải tiến các thiết kế của Lenoir và De Rochas và đã tạo ra được động cơ chạy gas có hiệu suất lớn hơn. -3- - Năm 1876: Nikolas August Otto phát minh thành công và được cấp bằng sáng chế động cơ bốn kỳ thì hai loại động cơ này thường được gọi là “Chu kỳ Otto”. - Năm 1876: Dougald Clerk chế tạo thành công động cơ hai kỳ đầu tiên. - Năm 1883: Kỹ sư người Pháp, ông Edouard Delamare – Deboutevile chế tạo động cơ 4 xylanh chạy bằng gas đốt lò.
Không thể chắc chắn rằng những gì ông làm có phải là việc chế tạo ô tô hay không. Tuy nhiên, thiết kế của ông khá tiến bộ vào thời điểm đó, về một phương diện nào đó còn tiên tiến hơn cả thiết kế của Daimler và Benz, ít nhất là về lý thuyết. - Năm 1885: Gottlieb Daimler phát minh loại động cơ có thể được coi như là nguyên mẫu của động cơ xăng hiện với xylanh thẳng đứng và sử dụng bộ chế hòa khí (cấp bằng năm 1889). Daimler lần đầu tiên chế tạo xe hai bánh gắn động cơ có tên “Reitwagen”, một năm sau đó loại động cơ này ông chế tạo chiếc ô tô 4 bánh đầu tiên trên thế giới.
- Năm 1890: Wilhelm Mayback chế tạo động cơ 4 kỳ, 4 xylanh đầu tiên. Thiết kế động cơ và thiết kế ô tô là việc làm không thể tách rời, hầu hết các nhà thiết kế động cơ được nhắc đến ở trên kiêm luôn việc thiết kế xe ô tô và một số đã trở thành nhà sản xuất ô tô lớn nhất thế giới. Tất cả các nhà sáng chế và những phát minh của họ đều có đóng góp quan trọng trong tiến trình của ô tô với động cơ đốt trong. Tình hình ô nhiễm môi trường do khí thải động cơ 1.
Thành phần ô nhiễm chính trong khí thải động cơ 1. Ôxit cacbon (CO) CO là sản phẩm cháy của nhiên liệu sinh ra do ô xy hoá không hoàn toàn hyđro cacbon trong điều kiện thiếu ô xy, CO ở dạng khí không màu, không mùi, không vị. CO khi kết hợp với sắt có trong sắc tố của máu sẽ tạo thành một hợp chất ngăn cản quá trình hấp thụ ô xy của Hemoglobin trong máu và làm cho các bộ phận của cơ thể bị thiếu ô xy. CO rất độc, chỉ với một hàm lượng nhỏ trong không khí có thể gây tử vong cho con người.
Theo nghiên cứu nếu: 20% lượng Hemoglobin bị khống chế thì sẽ gây nhức đầu, chóng mặt, buồn nôn; 50% lượng Hemoglobin bị khống chế thì não bắt đầu bị ảnh hưởng; 70% lượng Hemoglobin bị khống chế thì cơ thể rất dễ tử vong. Hàm lượng CO cho phép trong không khí là: [CO] = 33 mg/m3. Hyđrocacbon (HC) HC có mặt trong khí thải do quá trình cháy không hoàn toàn khi hỗn hợp giàu, hoặc do hiện tượng cháy không bình thường. Hidrocacbon có rất nhiều loại.
Mỗi loại có mức độ độc hại khác nhau nên không thể đánh giá chung một cách trực tiếp. Chúng gây tác hại đến sức khỏe con người chủ yếu là do các hidrocacbon thơm, các hidrocacbon thơm thường rất độc. Từ lâu người ta đã phát hiện được vai trò của benzen trong căn bệnh ung thư máu khi nồng độ của nó lớn hơn 40ppm hoặc gây rối loạn hệ thần kinh khi nồng độ lớn hơn 1g/m3, đôi khi nó là nguyên nhân gây ra các bệnh về gan. Hidrocacbon tồn tại trong khí quyển còn gây ra sương mù, gây tác hại cho mắt và niêm mạc đường hô hấp.
Ôxit lưu huỳnh (SO2) SO2 là chất khí không màu có mùi gắt và gây tác hại đối với niêm mạc. SO 2 là một chất háo nước vì vậy nó rất dễ hoà tan vào nước mũi của con người, bị ô xy hoá thành H2SO4 và muối amonium rồi đi theo đường hô hấp vào sâu trong phổi. Mặt khác, SO2 làm giảm khả năng đề kháng của cơ thể và làm tăng cường độ tác hại của các chất ô nhiễm khác đối với nạn nhân, [SO2] = 2 ml/m3. SO2 và hợp chất của SO2 là những chất có tính kích thích, ở nồng độ nhất định có thể gây có giật cơ trơn của khí quản.
Ở nồng độ lớn hơn sẽ gây tăng tiết dịch niêm mạc đường khí quản. Khi tiếp xúc với mắt chúng có thể tạo thành axit. SO2 có thể xâm nhập vào cơ thể con người qua các cơ quan hô hấp hoặc các cơ quan tiêu hóa sau khi được hòa tan trong nước bọt. Và cuối cùng chúng có thể xâm nhập vào hệ tuần hoàn.
Khi tiếp xúc với bụi, SO2 có thể tạo ra các hạt axit nhỏ, các hạt này có thể xâm nhập vào các huyết mạch nếu kích thước của chúng nhỏ hơn 2-3𝜇m. SO2 có thể xâm nhập vào cơ thể của người qua da và gây ra các chuyển đổi hóa học, kết quả của nó là hàm lượng kiềm trong máu giảm, amoniac bị thoát qua đường tiểu và có ảnh hưởng đến tuyến nước bọt. Hầu hết dân cư sống quanh khu vực nhà máy có nồng đô SO2 cao đều mắc bệnh đường hô hấp. Nếu hít phải SO2 ở nồng độ cao có thể gây tử vong.
Đối với thực vật, SO2 bị ô xy hóa ngoài không khí và phản ứng với nước mưa tạo thành axitsunfuric là tác nhân chính gây hiện tượng mưa axit, ảnh hưởng xấu đến sự phát triển của thực vật. Khi tiếp xúc với môi trường có chứa hàm lượng SO2 từ 1-2 ppm trong vài giờ có thể gây tổn thương lá cây. Đối với các công trình kiến trúc, sự có mặt của SO2 trong không khí ẩm tạo thành axit là tác nhân gây ăn mòn kim loại, bê tông và các công trình kiến trúc. SO2 cũng làm hư hỏng và giảm tuổi thọ các sản phẩm vải, nylon, đồ bằng da, giấy… -5- 1.
Anđêhit (C-H-O) Anđêhít là chất khí có công thức C-H-O và là một chất gây mê và có mùi gắt, một số loại có thể gây ung thư như Foocmonđêhit. Hàm lượng cho phép [CHO] = 0,6mg/m3. Chất thải dạng hạt (PM) PM là chất thải dạng hạt trong khí thải của động cơ, PM ở dạng rắn và lỏng (trừ nước) ở nhiệt độ nhỏ hơn 52oC. Các hạt rắn chủ yếu là muội than hay còn gọi là bồ hóng (soot) sinh ra do phân hủy nhiên liệu và dầu bôi trơn.
Muội than gây độc hại với con người trước hết đối với đường hô hấp. Chất thải dạng hạt của động cơ đốt trong chỉ chiếm một phần nhỏ trong tổng lượng bụi từ rất nhiều nguồn khác nhau (hoạt động công nghiệp, sự hao mòn của lốp xe và đường…) có mặt trong không khí. Thực tế đã chỉ ra rằng với tất cả các loại bụi có trong không khí thì PM có kích thước hạt dễ bị giữ lại nhất, với thời gian lâu nhất trong hệ hô hấp. Các hạt PM có khả năng làm rối loạn hệ hô hấp và tạo điều kiện thuận lợi cho các tác động ung thư từ các chất khác.
PM còn gây tổn thương mắt, gây dị ứng mũi… và cũng có khả năng gây ung thư da khi tiếp xúc liên tục. Ngoài ra, PM bám vào cây xanh sẽ cản trở quá trình quang hợp làm cây cối dễ bị héo chết, bám vào các công trình xây dựng dễ gây ăn mòn kim loại và phân huỷ bê tông, đá xây dựng… 1. Ôxit nitơ (NOX) Ôxit nitơ là sản phẩm ô xy hoá nitơ có trong không khí (khí nạp mới) ở điều kiện nhiệt độ cao trên 11000C. Do nitơ có nhiều hóa trị nên oxit nitơ tồn tại ở nhiều dạng khác nhau.
NOX tồn tại chủ yếu là NO, NO2 trong đó NO chiếm đại bộ phận. NO là khí không màu, không mùi, gây tác hại cho hoạt động của phổi, gây tổn thương niêm mạc. Trong khí quyển, NO không ổn định nên bị ô xy hóa thành NO2 và kết hợp với hơi nước tạo thành axit nitric HNO3. NO2 là khí có màu nâu đỏ, có mùi gắt.
Với một hàm lượng nhỏ cũng có thể gây nguy hiểm cho phổi và niêm mạc. Khi tác dụng với hơi nước tạo thành axit làm ăn mòn chi tiết máy và đồ vật. Hàm lượng cho phép [NO] = 9mg/m3, [NO2] = 9mg/m3. Tình hình ô nhiễm môi trường do khí thải động cơ 1.
Tình hình ô nhiễm môi trường do khí thải động cơ trên thế giới Với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế thế giới trong những thập kỉ gần đây, kéo theo đó là sự phát triển của phương tiện giao thông.