Báo cáo môn học ô tô và ô nhiễm môi trường

Các thành phần độc hại chính trong khí thải bao gồm: Ô xít các bon CO: chủ yếu có trong khí thải động cơ xăng, được hình thành do hỗn hợp cháy giàu nhiên liệu, không đủ ô xi để chuyển hó

MỤC LỤC

1 THÀNH PHẦN VÀ ĐẶC TÍNH PHÁT THẢI CỦA XE CƠ GIỚI 2

1.1 Thành phần phát thải 2

1.2 Đặc tính phát thải của xe cơ giới 3

1.1.1 Đặc tính phát thải CO 3

1.1.2 Đặc tính phát thải HC 3

1.1.3 Đặc tính phát thải NOx 4

1.1.4 Bụi hạt (PM) 5

1.1.5 Khói, ồn và mùi khó chịu 5

2 CƠ CHẾ HÌNH THÀNH HC CHƯA CHÁY 5

2.1 Sự phát sinh HC trong khí thải động cơ đốt trong 5

2.2 Cơ chế tôi màng lửa 6

3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH HC TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 8

3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phát sinh HC trong quá trình cháy của động cơ đánh lửa cưỡng bức 8

3.1.1 Ảnh hưởng của tôi màng lửa trên thành buồng cháy 8

3.1.2 Ảnh hưởng của các không gian chết 9

3.1.3 Ảnh hưởng của sự hấp thụ và giải phóng HC ở màng dầu bôi trơn 10

3.1.4 Ảnh hưởng của chất lượng quá trình cháy 11

3.1.5 Ảnh hưởng của lớp muội than 11

3.1.6 Ảnh hưởng của sự oxy hóa HC trong kì giãn nở và thải 11

3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phát sinh HC trong quá trình cháy của động cơ đốt cháy do nén 12

3.2.1 Ảnh hưởng do hỗn hợp quá nghèo 12

3.2.2 Ảnh hưởng của hỗn hợp quá giàu 13

3.2.3 Ảnh hưởng do tôi ngọn lửa và hỗn hợp không tự bốc cháy 14

4 CÁC GIẢI PHÁP HẠN CHẾ PHÁT THẢI HC 14

5 CÁC GIẢI PHÁP SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU THAY THẾ ĐỂ HẠN CHẾ HC 15

5.1 Nhiên liệu Hyđrô 15

5.2 Nhiên liệu giàu Hyđrô 16

5.3 Nhiên liệu sinh học (NLSH) 16

5.4 Nhiên liệu lỏng: 17

5.5 Khí sinh học (Biogas): 19

5.6 Nhiên liệu sinh học rắn: 19

Kết luận 19

1 THÀNH PHẦN VÀ ĐẶC TÍNH PHÁT THẢI CỦA XE CƠ GIỚI

1.1 Thành phần phát thải

Xe cơ giới khi hoạt động thải ra các khí độc hại tới sức khỏe con người và môitrường sống chủ yếu qua ống xả, một phần do sự bay hơi nhiên liệu từ hệ thống nhiên liệunhư bình chứa, caburetor, đường ống dẫn và và một phần khí cháy lọt xuống hộp các te -trục khuỷu Các thành phần độc hại chính trong khí thải bao gồm:

Ô xít các bon (CO): chủ yếu có trong khí thải động cơ xăng, được hình thành do

hỗn hợp cháy giàu nhiên liệu, không đủ ô xi để chuyển hóa cácbon thành CO2

Các Hyđrô cácbon (HC): chủ yếu có trong khí thải động cơ xăng do hỗn hợp không

được đốt cháy hoặc cháy một phần Ngoài ra, ở những xe không có các hệ thống kiểm soátkhí thải thì một lượng đáng kể HC (đến 20 %) bị bay hơi từ hệ thống nhiên liệu khi xe ởcác trạng thái vận hành khác nhau và một phần (khoảng 20 %) do khí cháy lọt xuống hộpcác te

Do hiện tượng khí quét nên ở những xe chạy bằng động cơ 2 kỳ, có khoảng 15-35%hỗn hợp không khí/nhiên liệu không cháy thoát ra ngoài Hiện tượng này càng trầm trọngkhi sử dụng không đúng dầu 2T (dầu bôi trơn chuyên dùng cho xe 2 kỳ) và pha quá nhiềuvào xăng

Các ô xít Ni tơ (NO X ): chủ yếu là ôxít Nitơ (NO) chiến đến 90 % và điôxít Nitơ

(NO2) được hình thành do sự kết hợp của Ni tơ và ôxi tự do ở nhiệt độ cao NOx có nhiều

ở xe điêzen hạng nặng Trong khi đó, phát thải NOx ở xe điêzen hạng nhẹ chỉ bằng 50-70

% so với xe xăng cùng loại Phát thải NOx ở xe xăng 2 kỳ cũng ít hơn so với xe xăng 4 kỳ

Bụi hạt, Particulate Mater (PM): có thành phần chính ở giữa là muội than

(mồhóng) và được bao bọc xung quanh bởi các hy đrô các bon nặng (từ dầu nhớt, nhiênliệu thừa) cùng với sun phát, hơi nước Hạt muội là các bon dạng graphít hình cầu cóđường kính rất nhỏ, dưới 10 àm gọi là PM10 hoặc dưới 2,5 àm gọi là PM2,5 Bụi hạt gây rakhói và liên quan đến phát thải HC nhưng không tỷ lệ

Phát thải PM ở động cơ điêzen lớn gấp khoảng 5-6 lần so với động cơ xăng 4 kỳ.Phát thải PM ở xe 2 kỳ cũng cao hơn nhiều so với xe xăng 4 kỳ

Ô xít Lưu huỳnh (SO x ): có ít trong thành phần khí thải xe cơ giới nhưng lượng phát

Khí gây hiệu ứng nhà kính: Bao gồm CO2, N2O và CH4, trong đó chủ yếu là đi ô xitcác bon CO2 Đây là sản phẩm cháy bình thường của tất cả các loại động cơ đốt trong.Muốn giảm CO2 phải sử dụng các biện pháp tiết kiệm nhiên liệu Xe điêzen phát thải CO2

ít hơn xe xăng cùng loại do tiết kiệm nhiên liệu hơn

Các độc tố trong nhiên liệu: bao gồm Benzen, Formalđêhít, Axetanđêhít, chì,

butađien

Khói, ồn và mùi khó chịu:

+ Khói là thành phần nhìn thấy được, chủ yếu có ở động cơ điênzen và động cơxăng 2 kỳ, được tạo ra do thành phần PM trong khí thải Khói đen do thành phần khí thảichủ yếu là muội than (thừa nhiên liệu) Khói xanh hoặc xám do có dầu bôi trơn lọt vàobuồng cháy động cơ Còn khói xám do sự có mặt của hơi nước

+ Tiếng ồn, thường phát ra lớn ở động cơ điêzen do áp lực lớn được tạo ra trong xilanh ở quá trình cháy

+ Mùi sinh ra từ khí thải động cơ xăng là do xăng thừa, còn ở động cơ điêzen là do

sự có mặt của các Aldehyde trong khí thải

1.2 Đặc tính phát thải của xe cơ giới

1.1.1 Đặc tính phát thải CO

CO chủ yếu có trong khí thải động cơ xăng, được tạo ra do đốt cháy hỗn hợp giàunhiên liệu (tỷ số không khí/nhiên liệu λ <1), không đủ O2 để chuyển hoá C thành CO2 Mộtlượng nhỏ CO cũng có thể được hình thành trong điều kiện đốt nghèo do hiệu ứng độnghoá học Phát thải CO có thể được kiểm soát bằng cách điều chỉnh hệ số λ

1.1.2 Đặc tính phát thải HC

HC chủ yếu phát thải từ động cơ chạy nhiên liệu xăng do hỗn hợp nhiên liệu thừakhông được đốt cháy hoặc cháy một phần, do lọt khí xuống các te hoặc do sự bay hơi củanhiên liệu trong hệ thống cung cấp nhiên liệu trên xe và khí nạp nhiên liệu vào xe

• Phát thải HC từ quá trình cháy

Trong quá trình cháy nguồn hình thành HC ở động cơ 4 kỳ là từ các khoảng trống,

kẽ hở giữa pittông và thành xylanh ngay trên vòng găng hay lớp làm mát ngay sau thànhbuồng cháy do hỗn hợp không cháy được đẩy vào các khoảng trống này và thoát ra ở kỳ

xả Khi bỏ máy hoặc đốt nghèo (tốc độ ngọn lửa quá chậm để hoàn thành quá trình cháyhoặc quá trình cháy không xảy ra) cũng làm tăng HC HC tiếp tục được đốt cháy trong hệthống xả nếu có O2 và nhiệt độ trên 6000C nên khi ở điều kiện hỗn hợp cháy lý tưởng, tạo

ra nhiệt độ cao thì HC trong ống xả thấp hơn đáng kể so với khi rời xylanh

Ở động cơ 2 kỳ thì hiện tượng “khí quét” và động cơ bỏ máy ở chế độ tải nhẹ làmtăng đáng kể phát thải HC Hiện tượng này càng trầm trọng khi sử dụng không đúng dầubôi trơn chuyên dùng cho động cơ 2 kỳ và pha quá nhiều vào xăng

HC cũng có trong phát thải khí các te do hỗn hợp khí không cháy hoặc cháy mộtphần lọt qua vòng găng xuống hộp cacste được thông thẳng ra ngoài

• Phát thải bay hơi

Có một lượng lớn HC trong hơi xăng Phát thải bay hơi phụ thuộc chủ yếu vào mức

độ bốc hơi của nhiên liệu và có thể ở các dạng sau:

- Thất thoát hàng ngày từ sự co giãn của hơi xăng trong bình chứa do thay đổinhiệt độ không khí, vì vậy nó phụ thuộc vào phạm vi thay đổi nhiệt độ và thể tích hơitrong bình chứa

- Thất thoát từ hệ thống nhiên liệu do được hâm nóng sau khi đã tắt động cơ: Bộchế hòa khí cũng được hâm nóng và hơi xăng thoát ra ngoài

- Thất thoát từ hệ thống nhiên liệu trong quá trình vận hành

- Thất thoát trong quá trình nghỉ, do sự thẩm thấu qua vật liệu nhựa và cao sutrong hệ thống nhiên liệu

- Thất thoát trong lúc nạp nhiên liệu vào bình chứa

Động cơ diesel phát thải rất ít HC chủ yếu là do nhiên liệu và dầu nhớt không cháyhết, phần lớn ở chế độ tải nhẹ, hỗn hợp quá nghèo nên không cháy được Một nguồn khácsinh ra HC là cặn nhiên liệu ở thành buồng cháy hoặc trong các kẽ hở do quá trình phun.Aldehyde và xeton là hai chất phát thải cùng HC trong động cơ diesel

1.1.3 Đặc tính phát thải NO x

NOx bao gồm NO và NO2, trong đó chủ yếu là NO NOx hình thành do sự kết hợpcủa N và Oxi tự do ở nhiệt độ cao, tùy thuộc vào sự có mặt của Oxi và tăng cấp số mũ

theo nhiệt độ Hầu hết NOx được hình thành trong thời gian đầu của quá trình cháy, khipittông gần điểm chết trên và nhiệt độ là cao nhất.

1.1.4 Bụi hạt (PM)

PM trong khí thải động cơ diesel có ba thành phần gồm muội than hình thành trongquá trình cháy, hydrocacbon nặng bám xung quanh và sunphat Hạt muội là cacbon dạnggraphit hình cầu do kích thước rất nhỏ nên có khả năng chui rất sâu vào phổi rất nguyhiểm đến sức khỏe con người

Muội sơ cấp được hình thành bởi phản ứng hóa học của các hydrocacbon dạng hơinhư axetylen ở điều kiện nhiệt độ cao vừa phải và thiếu oxy Điều kiện này luôn tồn tạitrong quá trình cháy được kiểm soát khi mà thành phần cháy phía trước ngọn lửa gần đạt

lý tưởng với một bên là vùng giàu oxy và bên kia là vùng giàu nhiên liệu Muội sơ cấp sau

đó được tích tụ lại thành chuỗi và đám Phần lớn muội hình thành trong quá trình cháyđược đốt tiếp ở kỳ giãn nở

Hydrocacbon từ dầu nhớt không cháy đóng góp đáng kể lượng phát thải PM ở xehạng nặng chạy nhiên liệu diesel

1.1.5 Khói, ồn và mùi khó chịu

Khói là thành phần nhìn thấy được chủ yếu có ở khí thải động cơ diesel, bao gồmkhói đen, khói xanh hoặc xám và khói trắng Khói đen là do thành phần muội trong PM.Khói đen thường do phun quá nhiều nhiên liệu hoặc hòa trộn nhiên liệu và không khí kém

2 CƠ CHẾ HÌNH THÀNH HC CHƯA CHÁY

2.1 Sự phát sinh HC trong khí thải động cơ đốt trong

Sự phát sinh hydrocarbure chưa cháy HC, hay nói một cách tổng quát hơn, sự hìnhthành các sản phẩm hữu cơ, là do quá trình cháy không hoàn toàn hoặc do một bộ phậnhỗn hợp nằm ngoài khu vực lan tràn màng lửa Điều này xảy ra do sự không đồng nhất củahỗn hợp hoặc do sự dập tắt màng lửa ở khu vực gần thành hay trong các không gian chết,nghĩa là ở khu vực có nhiệt độ thấp, khác với sự hình thành CO và NOx diễn ra trong phađồng nhất ở những khu vực có nhiệt độ cao

HC bao gồm các thành phần hydrocarbure rất khác biệt, có độc tính khác nhau đốivới sức khỏe con người cũng như có tính phản ứng khác nhau trong quá trình biến đổi hóahọc trong bầu khí quyển Thông thường HC chứa một bộ phận lớn méthane Thêm vào đó,

chúng còn có các thành phần chứa oxygène có tính phản ứng cao hơn như aldehyde,cetone, phenol, alcool Nếu thành phần chứa carbon chỉ chiếm vài phần trăm trong HCcủa động cơ đánh lửa cưỡng bức thì aldehyde có thể đạt đến 10% trong HC động cơ Diesel

và trong số aldehyde này, formaldehyde chiếm tới 20% tổng số thành phần chứa carbon

Hình 1 Biến thiên nồng độ một số hydrocarbure theo góc quay trục khuỷu

Những chất còn lại trong hỗn hợp sau khi màng lửa đi qua không phải là nguồnphát sinh HC chính đo được trên đường xả của động cơ đốt trong Hình 4.11 biểu diễn sựbiến thiên nồng độ các thành phần hydrocarbure theo góc quay trục khuỷu đo được trênthành buồng cháy của động cơ một xylanh Chúng ta thấy rằng, ngay khi màng lửa đi qua,nồng độ HC đo được thấp hơn HC có mặt trong khí xả Vào cuối chu trình, nồng độ HClại tăng lên Thật vậy, khi màng lửa đã lan đến khu vực gần thành thì nó bị dập tắt vàchính HC thoát ra từ các vùng không bị cháy đóng vai trò chủ yếu trong việc làm tăngnồng độ HC

2.2 Cơ chế tôi màng lửa

Tôi màng lửa hay sự dập tắt màng lửa diễn ra khi nó tiếp xúc với thành buồng cháy.Quá trình tôi màng lửa có thể xảy ra trong những điều kiện khác nhau: màng lửa bị làmlạnh khi tiếp xúc với thành trong quá trình dịch chuyển hoặc màng lửa bị dập tắt trongnhững không gian nhỏ liên thông với buồng cháy, chẳng hạn như khe hở giữa pittông vàthành xylanh

Khi màng lửa bị tôi, nó giải phóng một lớp mỏng hỗn hợp chưa cháy hay cháykhông hoàn toàn trên các bề mặt tiếp xúc (culasse, piston, xylanh, soupape ) hay ở nhữngkhông gian chết.

Bề dày của vùng bị tôi phụ thuộc vào những yếu tố khác nhau: nhiệt độ và áp suấtcủa hỗn hợp khí, tốc độ lan tràn màng lửa, hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, tình trạng bềmặt của thành buồng cháy, lớp muội than, nhiệt độ thành buồng cháy Người ta có thể sửdụng những công thức thực nghiệm để tính kích thước bé nhất của không gian chết đểmàng lửa có thể đi qua mà không bị dập tắt

Hình 2 Sự hình thành HC do tôi màng lửa trên thành buồng cháy

Quá trình tôi màng lửa diễn ra theo hai giai đoạn: trong giai đoạn đầu, màng lửa bịtắt khi nhiệt lượng hấp thụ vào thành buồng cháy cân bằng với nhiệt lượng do màng lửatỏa ra Vài giây sau khi tôi, do diễn ra sự khuếch tán hay sự oxy hóa nên nồng độ HC tạikhu vực này nhỏ hơn nồng độ đo được khi tôi Mặt khác, những hydrocarbure thoát ratrong quá trình oxy hóa ban đầu do màng lửa bị dập tắt có thể bị oxy hóa trong quá trìnhgiãn nở hay thải

Cuối cùng lớp dầu bôi trơn trên mặt gương xylanh có thể hấp thụ hydrocarbure,nhất là các hydrocarbure trước khi bén lửa và thải HC ra hỗn hợp cháy trong kì giãn nở.Quá trình hấp thụ và thải HC như vừa nêu đôi khi là nguồn phát sinh HC quan trọng trongkhí xả động cơ đốt trong

3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH HC TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phát sinh HC trong quá trình cháy của động cơ đánh lửa cưỡng bức

Khí xả động cơ xăng thường có chứa từ 1000 đến 3000 ppmC, tương ứng vớikhoảng từ 1 đến 2,5% lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ Như đã trình bày ở trênnồng độ HC tăng nhanh theo độ đậm đặc của hỗn hợp Tuy nhiên, khi độ đậm đặc của hỗnhợp quá thấp, HC cũng tăng do sự bỏ lửa hay do sự cháy không hoàn toàn diễn ra ở một sốchu trình công tác Sự hình thành HC trong động cơ đánh lửa cưỡng bức có thể được giảithích theo các cơ chế sau đây:

- Sự tôi màng lửa khi tiếp xúc với thành tạo ra một lớp hỗn hợp không bị bén lửatrên mặt thành buồng cháy

- Hỗn hợp chứa trong các không gian chết không cháy được do màng lửa bị dập tắt

- Hơi nhiên liệu hấp thụ vào lớp dầu bôi trơn trên mặt gương xylanh trong giai đoạnnạp và nén và thải ra trong giai đoạn giãn nở và cháy

- Sự cháy không hoàn toàn diễn ra ở một số chu trình làm việc của động cơ (cháycục bộ hay bỏ lửa) do sự thay đổi độ đậm đặc, thay đổi góc đánh lửa sớm hay hồi lưu khí

xả, đặc biệt khi gia giảm tốc độ

Mặt khác, muội than trong buồng cháy cũng có thể gây ra sự gia tăng mức độ phátsinh ô nhiễm do sự thay đổi các cơ chế trên đây Tất cả những quá trình này (trừ trườnghợp bỏ lửa) làm gia tăng nồng độ HC chưa cháy ở gần thành buồng cháy chứ không phảitrong toàn bộ thể tích buồng cháy Trong quá trình thải có thể xuất hiện hai đỉnh cực đạicủa nồng độ HC: đỉnh thứ nhất tương ứng với đại bộ phận HC sinh ra trong quá trình cháychính, đỉnh thứ hai xuất hiện vào cuối kì thải ở thời điểm những bộ phận HC cuối cùngthoát ra khỏi xylanh trong điều kiện lưu lượng khí xả đã giảm

3.1.1 Ảnh hưởng của tôi màng lửa trên thành buồng cháy

Bề dày của lớp bị tôi thay đổi từ 0,05 đến 0,4mm phụ thuộc vào chế độ tải của động

cơ Khi tải càng thấp thì lớp bị tôi càng dày Sự hiện diện của aldehyde dạng HCHO hayCH3CHO trong lớp tôi chứng tỏ rằng khu vực lớp tôi là nơi diễn ra các phản ứng oxy hóa

ở nhiệt độ thấp Sau khi màng lửa bị dập tắt, những phần tử HC có mặt trong lớp tôikhuếch tán vào khối khí nhiệt độ cao trong buồng cháy và đại bộ phận bị oxy hóa.

Trạng thái bề mặt của thành buồng cháy cũng ảnh hưởng đến mức độ phát sinh HC:nồng độ HC có thể giảm đi 14% trong trường hợp thành buồng cháy được đánh bóng sovới trường hợp thành buồng cháy ở dạng đúc thô Lớp muội than gây ảnh hưởng đến nồng

độ HC tương tự như trường hợp thành buồng cháy nhám

3.1.2 Ảnh hưởng của các không gian chết

Các không gian này được xem là nguyên nhân chủ yếu phát sinh HC Các khônggian chết quan trọng nhất là các khe hở giới hạn giữa piston, segment và cylindre Nhữngkhông gian chết khác bao gồm chân ren và không gian quanh cực trung tâm của bougie,không gian quanh nấm và đế soupape, không gian giới hạn giữa nắp cylindre, thân máy vàđệm culasse Ở thời điểm gia tăng áp suất trong quá trình nén, hỗn hợp nhiên liệu-khôngkhí bị đẩy vào các không gian chết Do tỉ số giữa diện tích bề mặt và thể tích của cáckhông gian chết lớn nên lượng khí dồn vào đây được làm mát nhanh chóng Trong giaiđoạn cháy, áp suất tiếp tục tăng và một bộ phận hỗn hợp mới lại được nén vào không gianchết Khi màng lửa lan đến các khu vực này, nó có thể lan tràn vào bên trong để đốt cháyhỗn hợp này hoặc nó bị tôi ngay trước khi vào trong không gian chết Khả năng màng lửa

bị tôi phụ thuộc vào dạng hình học của lối vào không gian chết, thành phần của hỗn hợpchưa cháy và trạng thái nhiệt động học của nó Thực nghiệm cho thấy sự tôi màng lửa diễn

ra khi khe hở giữa piston và cylindre nhỏ hơn 0,18mm Sau khi màng lửa đến và bị tôi, khícháy lại chui vào không gian chết cho đến khi áp suất bắt đầu giảm Khi áp suất trongkhông gian chết trở nên lớn hơn áp suất trong cylindre, bộ phận khí chứa trong các khônggian này quay trở ngược lại cylindre

Vị trí của nến đánh lửa cũng ảnh hưởng đến mức độ phát sinh HC; nếu nến đánhlửa đặt gần các không gian chết thì trong không gian đó có chứa một bộ phận sản phẩmcháy; ngược lại, nếu nến đánh lửa đặt xa thì không gian chết chứa chủ yếu hỗn hợp khíchưa cháy Trong nhiều trường hợp, sự chênh lệch nồng độ HC có thể đạt đến 20%

Lọt khí carter là lượng khí lọt từ cylindre xuống carter trong quá trình nén và cháy

do sự không kín khít của segment Lọt khí carter cũng là nguồn phát sinh HC nếu nó đượcthải trực tiếp ra khí quyển Ngày nay, ở hầu hết động cơ ô tô, lượng khí này được dẫn vàođường nạp để tăng tính kinh tế và giảm mức độ phát sinh HC Để lượng hỗn hợp chưa