TÁC HẠI CỦA CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG KHÍ XẢ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Chương TÁC HẠI CỦA CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG KHÍ XẢ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.1 Giới thiệu Quá trình cháy lí tưởng hỗn hợp hydrocarbure với khơng khí sinh CO2, H2O N2 Tuy nhiên, không đồng hỗn hợp cách lí tưởng tính chất phức tạp tượng lí hóa diễn q trình cháy nên khí xả động đốt ln có chứa hàm lượng đáng kể chất độc hại oxyde nitơ (NO, NO2, N2O, gọi chung NOx), monoxyde carbon (CO), hydrocarbure chưa cháy (HC) hạt rắn, đặc biệt bồ hóng Nồng độ chất nhiễm khí xả phụ thuộc vào loại động chế độ vận hành Ở động Diesel, nồng độ CO bé, chiếm tỉ lệ không đáng kể; nồng độ HC khoảng 20% nồng độ HC động xăng nồng độ NOx hai loại động có giá trị tương đương Trái lại, bồ hóng chất nhiễm quan trọng khí xả động Diesel, hàm lượng khơng đáng kể khí xả động xăng NOx Những tạp chất, đặc biệt lưu huỳnh, chất phụ gia nhiên liệu có ảnh hưởng đến thành phần chất nhiễm sản phẩm cháy Thơng thường xăng thương mại có chứa khoảng 600ppm lưu huỳnh Thành phần lưu huỳnh lên đến 0,5% dầu Diesel Trong trình cháy, lưu huỳnh bị oxy hố HC thành SO2, sau phận SO2 bị oxy hố tiếp thành SO3, chất kết hợp với nước để tạo H2SO4 Mặt khác, để tăng CO tính chống kích nổ nhiên liệu, người ta pha thêm Thétrắtyle chì Pb(C2H5)4 vào a xăng Sau cháy, hạt chì có đường kính cực bé theo khí xả, lơ lửng 1,2 0,8 khơng khí trở thành chất nhiễm Hình 1.1: Biến thiên nồng độ chất bầu khí quyển, khu vực ô nhiễm theo hệ số dư lượng khơng khí thành phố có mật độ giao thơng cao Một thơng số có tính tổng qt ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm động hệ số dư lượng khơng khí a Hình 1.1 trình bày cách định tính phụ thuộc nồng độ NO, CO HC khí xả theo a Động đánh lửa cưỡng thường làm việc với hệ số dư lượng khơng khí a ≈ Theo đồ thị động làm Chương 1: Tác hại chất ô nhiễm khí xả động đốt việc với hỗn hợp nghèo có mức độ phát sinh nhiễm thấp Tuy nhiên, hỗn hợp nghèo tốc độ cháy thấp, đơi lúc diễn tình trạng bỏ lửa nguyên nhân làm gia tăng nồng độ HC Nhiệt độ cực đại trình cháy nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến thành phần chất nhiễm ảnh hưởng mạnh đến động học phản ứng, đặc biệt phản ứng tạo NOx bồ hóng Nói chung tất thông số kết cấu hay vận hành động có tác động đến thành phần hỗn hợp nhiệt độ cháy gây ảnh hưởng trực tiếp hay gián tiếp đến hình thành chất ô nhiễm khí xả Trong thực tế sống, hàm lượng chất độc hại khí xả động đốt bé nên người sử dụng quan tâm tới nguy hiểm trước mắt gây Tuy nhiên phân tích liệu thay đổi thành phần khơng khí năm gần (bảng 1.1) cho thấy gia tăng đáng ngại chất ô nhiễm Nếu khơng có biện pháp hạn chế gia tăng cách kịp thời, hệ tương lai phải đương đầu với môi trường sống khắc nghiệt Bảo vệ môi trường yêu cầu nước, khu vực mà có ý nghĩa phạm vi tồn cầu Tùy theo điều kiện quốc gia, luật lệ tiêu chuẩn ô nhiễm môi trường áp dụng thời điểm với mức độ khắt khe khác Ơ nhiễm mơi trường động phát nhà khoa học quan tâm từ đầu kỉ 20 bắt đầu thành luật số nước vào năm 50 Ở nước ta, luật bảo vệ mơi trường có hiệu lực từ ngày 10-1-1994 Chính phủ ban hành Nghị định số 175/CP ngày 18-10-1994 để hướng dẫn việc thi hành Luật bảo vệ mơi trường 1.2 Ơ nhiễm khơng khí gì? Chúng ta tham khảo định nghĩa sau Cộng đồng Châu Âu đưa vào năm 1967: "Khơng khí gọi nhiễm thành phần bị thay đổi hay có diện chất lạ gây tác hại mà khoa học chứng minh hay gây khó chịu người" Theo định nghĩa thì: - Các chất gây nhiễm gây nguy hại đến tự nhiên người mà khoa học thời điểm nhận biết hay đơn gây khó chịu chẳng hạn mùi hôi, màu sắc - Danh sách chất ô nhiễm giới hạn nồng độ cho phép chúng nguồn phát thải thay đổi theo thời gian Chương 1: Tác hại chất nhiễm khí xả động đốt Đến nay, người ta xác định chất nhiễm khơng khí mà phần lớn chất có mặt khí xả động đốt Bảng 1.1 cho thấy gia tăng nồng độ cách đáng ngại số chất nhiễm bầu khí quyển: Bảng 1.1 : Sự gia tăng chất ô nhiễm khí Chất nhiễm Hiện (ppm) Tốc độ tăng (%/năm) CO2 Thời kì tiền cơng nghiệp (ppm) 270 340 0,4 N2O 0,28 0,30 0,25 CO 0,05 0,13 SO2 0,001 0,002 Tùy theo sách lượng nước, phân bố tỉ lệ phát sinh ô nhiễm nguồn khác không đòng Bảng 1.2 1.3 giới thiệu tỉ lệ phát thải CO, HC NOx Nhật Mĩ Bảng 1.2: Tỉ lệ phát thải chất ô nhiễm Nhật (tính theo %) Nguồn phát nhiễm CO HC NOx Ơ tơ 93,0 57,3 39 Sản xuất điện 0,1 0,1 21,5 Q trình cháy cơng nghiệp Các q trình cháy khác Cơng nghiệp dầu mỏ 0,0 26,4 31,3 6,3 0,7 0,8 - 14,8 5,1 Các hoạt động khác 0,6 0,7 2,6 100 100 100 Tổng cộng Bảng 1.3: Tỉ lệ phát thải chất ô nhiễm Mĩ (tính theo %) Nguồn phát nhiễm CO HC NOx Ơ tơ 64,7 45,7 36,6 Các phương tiện giao thơng khác Q trình cháy cơng nghiệp 9,0 7,2 10,5 9,1 16,8 42,8 Chương 1: Tác hại chất nhiễm khí xả động đốt Công nghiệp dầu mỏ 5,2 5,3 1,7 Các hoạt động khác 12,0 25,0 8,4 Tổng cộng 100 100 100 1.3 Tác hại chất nhiễm khí xả động 1.3.1 Đối với sức khỏe người - CO : Monoxyde carbon sản phẩm khí khơng màu, khơng mùi, khơng vị, sinh xy hố khơng hồn tồn carbon nhiên liệu điều kiện thiếu oxygène CO ngăn cản dịch chuyển hồng cầu máu làm cho phận thể bị thiếu oxygène Nạn nhân bị tử vong 70% số hồng cầu bị khống chế (khi nồng độ CO khơng khí lớn 1000ppm) Ở nồng độ thấp hơn, CO gây nguy hiểm lâu dài người: 20% hồng cầu bị khống chế, nạn nhân bị nhức đầu, chóng mặt, buồn nôn tỉ số lên đến 50%, não người bắt đầu bị ảnh hưởng mạnh - NOx: NOx họ oxyde nitơ, NO chiếm đại phận NOx hình thành N2 tác dụng với O2 điều kiện nhiệt độ cao (vượt 1100°C) Monoxyde nitơ (x=1) không nguy hiểm mấy, sở để tạo dioxyde nitơ (x=2) NO2 chất khí màu hồng, có mùi, khứu giác phát nồng độ khơng khí đạt khoảng 0,12ppm NO2 chất khó hịa tan, theo đường hô hấp sâu vào phổi gây viêm làm hủy hoại tế bào quan hô hấp Nạn nhân bị ngủ, ho, khó thở Protoxyde nitơ N2O chất sở tạo ozone hạ tầng khí - Hydocarbure: Hydrocarbure (HC) có mặt khí thải q trình cháy khơng hồn tồn hỗn hợp giàu, tượng cháy khơng bình thường Chúng gây tác hại đến sức khỏe người chủ yếu hydrocarbure thơm Từ lâu người ta xác định vai trò benzen bệnh ung thư máu (leucémie) nồng độ lớn 40ppm gây rối loạn hệ thần kinh nồng độ lớn 1g/m3, đơi nguyên nhân gây bệnh gan - SO2: Oxyde lưu huỳnh chất háu nước, dễ hịa tan vào nước mũi, bị oxy hóa thành H2SO4 muối amonium theo đường hô hấp vào sâu phổi Mặt khác, SO2 làm giảm khả đề kháng thể làm tăng cường độ tác hại chất ô nhiễm khác nạn nhân - Bồ hóng: Bồ hóng chất nhiễm đặc biệt quan trọng khí xả động Diesel Nó tồn dạng hạt rắn có đường kính trung bình khoảng 0,3mm nên dễ xâm nhập sâu vào phổi Sự nguy hiểm bồ hóng, ngồi việc gây trở ngại cho quan hơ hấp tạp chất học khác có mặt khơng khí, cịn Chương 1: Tác hại chất ô nhiễm khí xả động đốt nguyên nhân gây bệnh ung thư hydrocarbure thơm mạch vòng (HAP) hấp thụ bề mặt chúng qua trình hình thành - Chì: Chì có mặt khí xả Thétrắtyl chì Pb(C2H5)4 pha vào xăng để tăng tính chống kích nổ nhiên liệu Sự pha trộn chất phụ gia vào xăng đề tài bàn cãi giới khoa học Chì khí xả động tồn dạng hạt có đường kính cực bé nên dễ xâm nhập vào thể qua da theo đường hô hấp Khi vào thể, khoảng từ 30 đến 40% lượng chì vào máu Sự hiện chì gây xáo trộn trao đổi ion não, gây trở ngại cho tổng hợp enzyme để hình thành hồng cầu, đặc biệt nữa, tác động lên hệ thần kinh làm trẻ em chậm phát triển trí tuệ Chì bắt đầu gây nguy hiểm người nồng độ máu vượt q 200 đến 250mg/lít 1.3.2 Đối với môi trường Thay đổi nhiệt độ khí Sự diện chất nhiễm, đặc biệt chất khí gây hiệu ứng nhà kính, khơng khí trước hết ảnh hưởng đến q trình cân nhiệt bầu khí Trong số chất khí gây hiệu ứng nhà kính, người ta quan tâm đến khí carbonic CO2 thành phần sản phẩm cháy nhiên liệu có chứa thành phần carbon Sự gia tăng nhiệt độ bầu khí diện chất khí gây hiệu ứng nhà kính giải thích sau: Quả đất nhận lượng từ mặt trời xạ lại không gian phần nhiệt lượng mà nhận Phổ xạ nhiệt mặt trời vỏ trái đất trình bày hình 1.4 hình 1.5 Bức xạ mặt trời đạt cực đại vùng ánh sáng thấy (có bước sóng khoảng 0,4-0,73mm) cịn xạ cực đại vỏ trái đất nằm vùng hồng ngoại (7-15mm) Các chất khí khác có dải hấp thụ xạ khác Do đó, thành phần chất khí có mặt khí có ảnh hưởng đến trao đổi nhiệt mặt trời, đất không gian Carbonic chất khí có dải hấp thụ xạ cực đại ứng với bước sóng 15mm, xem suốt xạ mặt trời chất hấp thụ quan trọng tia xạ hồng ngoại từ mặt đất Một phần nhiệt lượng lớp khí CO2 giữ lại xạ ngược lại trái đất (hình 1.6) làm nóng thêm bầu khí theo hiệu ứng nhà kính (Serre) Hồng ngoại 30oC 0oC Vùng thấy l(mm) 0,4 0,73 l(mm) 0,73 10 20 30 Chương 1: Tác hại chất nhiễm khí xả động đốt Hình 1.4: Phổ xạ từ mặt trời BcxồmƠttrâi Bc x mt t Hỡnh 1.5: Ph bc x từ mặt đất Bức xạ mặt trời Bức xạ mặt đất Lớp khí gây hiệu ứng nhà kính Hình 1.6: Hiệu ứng nhà kính Với tốc độ gia tăng nồng độ khí carbonic bầu khí nay, người ta dự đoán vào khoảng kỉ 22, nồng độ khí carbonic tăng lên gấp đơi Khi đó, theo dự tính nhà khoa học, xảy thay đổi quan trọng cân nhiệt đất: - Nhiệt độ bầu khí tăng lên từ đến 3°C - Một phần băng vùng Bắc cực Nam cực tan làm tăng chiều cao mực nước biển - Làm thay đổi chế độ mưa gió sa mạc hóa thêm bề mặt trái đất Ảnh hưởng đến sinh thái Sự gia tăng NOx, đặc biệt protoxyde nitơ N2O có nguy làm gia tăng hủy hoại lớp ozone thượng tầng khí quyển, lớp khí cần thiết để lọc tia cực tím phát xạ từ mặt trời Tia cực tím gây ung thư da gây đột biến sinh học, đặc biệt đột biến sinh vi trùng có khả làm lây lan bệnh lạ dẫn tới hủy hoại sống sinh vật trái đất giống điều kiện Sao Hỏa Mặt khác, chất khí có tính acide SO2, NO2, bị oxy hóa thành acide sulfuric, acide nitric hịa tan mưa, tuyết, sương mù làm hủy hoại thảm thực vật mặt đất (mưa acide) gây ăn mịn cơng trình kim loại 10 Chương 1: Tác hại chất nhiễm khí xả động đốt 11 Chương QUY TRÌNH ĐO CÁC CHỈ TIÊU Ô NHIỄM CỦA Ô TÔ Mức độ phát sinh chất ô nhiễm phụ thuộc vào điều kiện vận hành tình trạng kĩ thuật động Do đó, tùy theo tình trạng giao thơng mức độ khắt khe luật môi trường nước mà quy trình thử có khác Trên thực tế tồn số quy trình chuẩn nước cơng nghiệp phát triển quy trình nhiều nước phát triển áp dụng quy phạm thức để đo mức độ phát sinh ô nhiễm ô tô nước 2.1 Lịch sử phát triển Ơ nhiễm mơi trường khí xả động gây mối quan tâm của nhiều quốc gia từ lúc công nghiệp ô tô bắt đầu phát triển Theo thời gian, danh sách chất ô nhiễm ngày trở tiết hơn, giới hạn nồng độ chúng khí xả ngày trở nên khắt khe ngày nhiều quốc gia hưởng ứng vấn đề chống nhiễm mơi trường khí xả tơ gây Theo trình tự thời gian, kể quốc gia sớm đặt vấn đề ô nhiễm môi trường khí xả động gây sau: - Đức - Pháp : 1910 : 1963 - Mĩ - Nhật : 1959 : 1966 Tiếp theo nước khác cộng đồng Châu Âu, Canada, Úc, nước thuộc khối Đông Âu cũ, nước Châu Á (Singapore, Đài Loan, Hàn Quốc ) 2.2 Quy trình đo tiêu nhiễm Hiện chưa có quy trình áp dụng chung cho tất nước để đo tiêu ô nhiễm khí xả động đốt Do giới tồn nhiều quy trình khác nhau, quy trình ứng với tiêu chuẩn nhiễm xác định khơng có quan hệ tương đương xác lập tiêu chuẩn Quy trình đo tiêu nhiễm nước vào chế độ giao thông tiêu biểu nước Bảng 2.1 so sánh thơng số đặc trưng số quy trình áp dụng rộng rãi Bảng 2.1: So sánh thông số đặc trưng số quy trình thử tiêu biểu 12 Chương 2: Quy trình đo tiêu ô nhiễm ô tô Thông số Đơn vị ECE California FTP72 FTP75 Nhật 10 chế độ Nhật 11 chế độ Tốc độ trung bình (km/h) 18,7 35,6 31,5 34,1 17,7 30,6 Tốc độ trung bình (khơng kể thời gian khơng tải) Gia tốc trung bình (km/h) 27,1 41,7 38,3 41,6 24,1 39,1 (m/s2) 0,75 0,68 0,60 0,67 0,54 0,64 Giảm tốc trung bình (m/s2) 0,75 0,68 0,70 0,71 0,65 0,60 Thời gian trung bình chu kì thử Không tải (s) 45 117 66 70 50 94 (% thời gian) (% thời gian) (% thời gian) (% thời gian) 30,8 14,6 17,8 18,0 26,7 21,7 18,5 31,4 33,5 33,1 24,4 34,2 32,3 21,9 20,1 20,4 23,7 13,3 18,5 32,1 28,6 28,5 25,2 30,8 Gia tốc Tốc độ không đổi Giảm tốc 2.3 Cơ sở xây dựng quy trình đo nhiễm Quy trình thử quy phạm quốc gia, phụ thuộc vào điều kiện giao thông nước Nó dựa nhiều yếu tố, mật độ giao thông chất lượng đường sá hai yếu tố quan trọng - Mật độ giao thơng: Mức độ nhiễm cục bầu khơng khí tổng hợp mức độ phát thải tất phương tiện vận tải khu vực khảo sát gây ra, nghĩa mức độ ô nhiễm phụ thuộc vào mật độ ô tô Ở thành phố lớn, mức độ ô nhiễm vượt giới hạn báo động, người ta khuyến khích dân chúng sử dụng phương tiện vận tải công cộng để giảm bớt mật độ xe Ở nơi có mật độ lưu thơng bé, tô không thiết phải tuân thủ quy định nghiêm ngặt mức độ phát sinh ô nhiễm thành phố mật độ giao thông cao - Điều kiện đường sá: Tùy vào chất lượng đường sá nước mà chế độ hoạt động phương tiện khác nhau, khả phát nhiễm chúng khác Tiêu chuẩn nhiễm cần xét đến yếu tố 2.4 Quy trình thử số nước 2.4.1 Quy trình thử Mĩ a Quy trình FTP 72 FTP 75 Vận tốc (m/s) 60 40 13 Chương 2: Quy trình đo tiêu ô nhiễm ô tô a Vận tốc (m/s) 60 40 20 b 400 Thời gian (s) Quy trình FTP 72 (Federal Test Procedure) (hình 2.1a) bao gồm hai giai đoạn Giai đoạn kéo dài 505s, tương ứng với quãng đường 5,78km với tốc độ trung bình 41,2km/h Giai đoạn kéo dài 867s bắt đầu sau tạm dừng hoàn toàn động 10 phút Khi bắt đầu thử, động khởi động trạng thái nguội sau đêm để nhiệt độ môi trường (20 °C) Hình 2.1: Quy trình FTP 72 FTP 75 q độ nóng Quy Giai trìnhđoạn FTP 75 gồm ba giai đoạn Hai giai đoạn đầu giống chu trình FTP 72 Giai đoạn giống giai đoạn chu trình trước (hình 2.1b) khởi động lại sau dừng động 10 phút kể từ lúc kết thúc giai đoạn Quãng đường tương ứng tổng cộng 17,86km với tốc độ trung bình 34,1km/h Lượng khí nhiễm đo riêng giai đoạn kết chung tính g/km với hệ số điều chỉnh 0,43 giai đoạn đầu, giai đoạn 0,57 giai đoạn b Quy trình California Đây quy trình thử cũ sử dụng từ năm 1968 Nó gồm giai đoạn giống hệt (hình 2.2) cách thời gian chạy khơng tải Quy trình thử kéo dài 16 phút 19 giây Động khởi động trạng thái nguội sau dừng 12 điều kiện nhiệt độ môi trường Quy trình thay quy trình FTP km/h 100 50 14 979s