Chương 1. TỔNG QUAN VỀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ VÀ CÁC TIÊU CHUẨN PHÁT THẢI 1. Các thành phần phát thải của động cơ diesel Động cơ diesel từ lâu đã được dùng làm nguồn động lực chủ yếu cho các phương tiện xe hạng nặng, các động cơ Số lượng nông nghiệp, máy công cụ và gần đây được Tỷ lệ sử dụng nhiều cho các xe hạng nhẹ bởi vì động cơ diesel có suất tiêu hao nhiên liệu thấp và phát thải rất ít thành phần CO, HC [1]. Ở một số nước Châu Âu số lượng xe con dùng động cơ diesel chiếm tới 50% vào Hình 1.
Số lượng và tỷ lệ xe con năm 2009 và dự báo sẽ tiếp tục tăng trong sử dụng động cơ diesel ở Đức [2] những năm tiếp theo như thể hiện trên Hình 1.1 Tuy nhiên lượng phát thải NOX và PM từ động cơ diesel còn rất cao như thể hiện trên Hình 1.3, đây chính là nguồn phát thải đáng kể gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng tới sức khỏe con người, nhất là ở các đô thị và vùng đông dân cư. Các thành phần trong phát thải (trong đó thành phần NOX sẽ được phân tích rõ hơn) có cơ chế hình thành và tác hại được tóm tắt như sau: Hình 1. Đặc tính các thành phần độc hại Hình 1. Tỷ lệ của các thành phần khí thải của động cơ diesel theo λ [3] trong động cơ diesel [4] 5 1.
Khí NO X (Nitơ ôxit) NOX là tên gọi chung của ôxit nitơ gồm các chất NO, NO2 và N2O được hình thành do sự kết hợp giữa ôxy và nitơ ở điều kiện nhiệt độ cao. Trong khí thải của động cơ đốt trong NO X tồn tại ở hai dạng chủ yếu là NO (chiếm 90÷98%) và NO2. Trong đó NO là khí không màu không mùi còn NO2 là khí có màu đỏ và mùi gắt, cả hai loại khí rất độc nhưng NO 2 độc gấp 5 lần NO. Vì vậy NOx ngày càng được Bảng 1.
Lượng phát thải của các thành phần trong động cơ diesel [5] quan tâm và trong một số trường hợp nó là chất ô nhiễm chính làm Lượng phát thải Chất ô nhiễm ảnh hưởng đến tính năng kỹ thuật (g/kg nhiên liệu) của động cơ. Do đó NO x là đối NOX 20 tượng chính của việc xử lý ô CO 200 nhiễm và cũng là mục tiêu để đưa ra các biện pháp hạn chế nó trong HC 25 phát thải của động cơ diesel. Bồ hóng 2÷5 Các giải pháp kỹ thuật khác nhằm hạn chế NO X ngay trong quá trình cháy cũng đã được áp dụng trên động cơ hiện đại như luân hồi khí xả, thay đổi thời kỳ trùng điệp của góc độ phối khí… Cho nên việc hiểu biết đầy đủ tác hại và cơ chế hình thành của NO X để tìm ra biện pháp hạn chế nồng độ của nó ngay trong quá trình cháy là rất cần thiết. Mức độ phát sinh ô nhiễm trung bình của quá trình cháy nhiên liệu hyđrôcácbua được thể hiện trong Bảng 1.1, đây là số liệu mang tính chất trung bình ở điều kiện cháy của hỗn hợp có hệ số dư lượng không khí λ =1.
Tuy nhiên trong những điều kiện cháy đặc biệt ở áp suất và nhiệt độ cao với hệ số dư lượng không khí lớn thì tỷ lệ thành phần các chất ô nhiễm trong Bảng 1.1 sẽ thay đổi theo hướng gia tăng NOX [5]. Cơ chế hình thành - Sự hình thành Mônôxit nitơ (NO) 6 Trong họ NO X thì NO chiếm tỷ lệ lớn nhất (90÷98%). NO được hình thành trong quá trình cháy rớt trong xilanh động cơ do ôxy hóa nitơ trong không khí và được tạo ra bởi cơ chế Zendovich [6]. Thành phần chính để tạo nên NO là khí nitơ có trong không khí nạp vào động cơ.
Phản ứng dây truyền ôxy hóa nitơ được tạo bởi các nguyên tử ôxy và được hình thành từ việc tách ra khỏi phân tử O 2 tại nhiệt độ cao trong quá trình cháy. Những phản ứng chính tạo thành NO là: O2 <=> 2º N2 + O <=> NO + N N + O2 <=> NO + O (1.1) N + OH <=> NO + H Hình 1. Sự hình thành NO phụ thuộc vào nhiệt độ theo thời gian t(ms)[5] Trong động cơ, quá trình cháy diễn ra trong điều kiện áp suất cao, vùng phản ứng rất mỏng (khoảng 0,1mm) và thời gian cháy rất ngắn; thêm vào đó áp suất trong xi lanh tăng trong quá trình cháy, điều này làm nhiệt độ của bộ phận khí cháy trước cao hơn nhiệt độ đạt được ngay sau khi ra khỏi khu vực màng lửa nên chủ yếu NO được hình thành trong khu vực sau màng lửa và trong sản phẩm cháy phía sau màng lửa. Sự hình thành NO phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt độ như thể hiện trên Hình 1.
Phản ứng tạo NO có tốc độ thấp hơn nhiều so với phản ứng cháy. Nồng độ NO cũng phụ thuộc mạnh vào nồng độ ôxy. Vì vậy trong điều kiện nhiệt độ cao và nồng độ O2 lớn thì nồng độ NO trong sản phẩm cháy cũng lớn. - Sự hình thành Điôxit nitơ (NO 2) Đối với phát thải của động cơ diesel có đến 30% NOX dưới dạng NO2, nó được hình thành từ NO và các chất trung gian theo phản ứng hóa học sau: 7 Hình 1.
Biến thiên tỷ số NO 2/NO theo tải của động cơ diesel [5] NO+ H2O <=> NO2 + OH (1.2) Trong điều kiện nhiệt độ cao, NO2 tạo thành có thể phân giải theo phản ứng: NO2 + O <=> NO + O 2 (1.3) Trong trường hợp NO2 sinh ra trong ngọn lửa bị làm mát ngay bởi môi chất có nhiệt độ thấp thì phản ứng (1.3) bị khống chế, nghĩa là NO2 tiếp tục tồn tại trong sản vật cháy. Như vậy khi động cơ diesel làm việc ở chế độ tải thấp thì phản ứng ngược biến đổi NO2 thành NO cũng bị khống chể bởi các vùng không khí có nhiệt độ thấp. Ngoài ra NO2 còn được hình thành trên đường ống xả khi tốc độ thải thấp và có sự có mặt của ôxy.5 là biến thiên của tỷ lệ NO2/NOX trên đường xả động cơ diesel theo chế độ tải, tỷ lệ này càng cao khi tải càng thấp. NO2 là khí độc nhất trong họ NOX , vì vậy việc tổ chức tốt quá trình cháy sẽ giảm được nồng độ NO2 tạo thành, tăng tốc độ phân giải chất ô nhiễm này và có ý nghĩa rất quan trọng đối với môi trường.
- Sự hình thành Prôtôxit nitơ (N2O) Prôtôxit nitơ (N2O) chủ yếu được hình thành từ các chất trung gian NH và NCO khi chúng tác dụng với NO theo phản ứng: NH + NO <=> N 2O + H (1.4) NCO + NO <=> N2O + CO (1.5) 8 N2O chủ yếu được hình thành ở vùng ôxy hóa có nồng độ nguyên tử H cao, mà Hydrogene là chất trạo ra sự phân hủy mạnh Prôtôxit nitơ theo phản ứng: N 2O + H <=> NH + NO (1.7) Chính vì vậy N2O chỉ chiếm tỷ lệ rất thấp trong khí xả (khoảng 3÷8 ppmV). Mặt khác phương pháp hình thành hỗn hợp cũng ảnh hưởng đến sự hình thành NOX : đối với buồng cháy ngăn cách; quá trình cháy diễn ra ở buồng cháy phụ (hạn chế không khí) rất thiếu ôxy nên mặc dù nhiệt độ cháy lớn nhưng NO X vẫn nhỏ. Còn khi cháy ở buồng cháy chính; tuy λ rất lớn, ôxy nhiều nhưng nhiệt độ quá trình cháy không lớn nên NOX nhỏ. Tóm lại, phát thải NO X của động cơ có buồng cháy ngăn cách chỉ bằng khoảng một nửa so với động cơ có buồng cháy thống nhất.
Tuy vậy, động cơ sử dụng buồng cháy ngăn cách lại có tính kinh tế thấp và suất tiêu hao nhiên liệu lớn hơn buồng cháy thống nhất nên ngày nay động cơ có buồng cháy thống nhất được sử dụng rộng rãi trên các loại động cơ. Tác hại của NOX - Ảnh hưởng của NO X đến sức khỏe con người NO2 là chất khó hoà tan trong nước nên nó có thể theo đường hô hấp đi sâu vào phổi gây viêm phổi và làm huỷ hoại các tế bào của phế nang. Khi vào được trong phổi, 80 % lượng NO 2 bị giữ lại (đối với SO2, chỉ 5% được giữ lại) làm cho bệnh nhân bị mất ngủ, ho, khó thở. Một số nghiên cứu còn cho thấy NO2 còn gây tổn thương cho mắt và dạ dày.
NO X được quan tâm là do những tác động của chúng đến sức khỏe, sự hình thành ôzôn và các chất ôxy quang hoá trong khí quyển [5]. - Ảnh hưởng của NO X đến thực vật NOX chỉ ảnh hưởng đến thực vật khi nồng độ của nó đủ lớn. Người ta thấy ở các vùng đô thị hóa cao thì nồng độ NOX đạt khoảng 3,93ppm, sự quang hợp của thực vật giảm đi 25%. Chất thải dạng hạt - PM 1.
Cơ chế hình thành Theo định nghĩa của tổ chức bảo vệ môi trường bang Carlifornia thì PM là những thực thể (trừ nước) của khí thải sau khi hòa trộn với không khí (làm loãng đạt nhiệt độ nhỏ hơn 51,7 0C), và được tách bằng một bộ lọc quy định. PM bao gồm các hạt rắn như cácbon tự do và tro hay còn gọi là bồ hóng (soot), các chất phụ gia dầu bôi trơn, các hạt và vẩy tróc do mài mòn và các chất lỏng như nhiên liệu và dầu bôi trơn bám theo [5]. Tác hại Mặc dù PM chỉ chiếm tỷ lệ 0,002% như trên Hình 1.3 đã thể hiện, trong tổng lượng phát thải của động cơ diesel nhưng chúng lại có kích thước hạt và lơ lửng trong không khí nên dễ theo đường hô hấp đi vào trong cơ thể người và bị giữ lại. Do đó gây ra các bệnh về đường hô hấp (hen suyễn, viêm phế quản…) và là tác nhân gây ung thư, gây đột biến gen, có khả năng làm rối loạn hệ hô hấp và tạo điều kiện thuận lợi cho 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 nếu tiếp xúc liên tục, ngoài ra PM có thể gây ra tác động xấu đến hoạt động của hệ tim mạch [5]. Ngoài ra khi PM bám vào lá sẽ cản trở quá trình quang hợp làm cho cây dễ bị héo và chết, gây ăn mòn kim loại và phân huỷ công trình xây dựng [5].3 Mônôxít cácbon - Khí CO 1. Cơ chế hình thành CO là loại khí không màu, không mùi, không vị, là một sản phẩm trung gian của quá trình đốt cháy Các bon có trong nhiên liệu trong điều kiện thiếu ôxy để tạo thành sản phẩm cuối cùng là CO2 và được hình thành từ phản ứng sau: 2C + O 2 = 2CO (1.