Quá trình phát thải động cơ diesel

Quá trình phát thải động Diesel Quá trình cháy lí tưởng hỗn hợp hydrocarbon với không khí sinh CO2, H2O N2 Tuy nhiên, không đồng hỗn hợp tính chất phức tạp tượng lý hóa diễn trình cháy nên khí thải động đốt có chứa hàm lượng đáng kể chất độc hại Oxít Nitơ (NO, NO2, N2O, gọi chung NOx), carbon monoxide (CO), hydrocarbon chưa cháy (HC) hạt rắn, đặc biệt bồ hóng Nồng độ chất ô nhiễm khí thải 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 ô nhiễm quan trọng khí thải động Diesel [25] Hình 2.4 – Hàm lượng khí thải động Diesel Những tạp chất, đặc biệt lưu huỳnh chất phụ gia nhiên liệu có ảnh hưởng đến thành phần chất ô nhiễm sản phẩm cháy Thông thường Diesel thương mại cho động Diesel có chứa khoảng 500ppm lưu huỳnh Trong trình cháy, lưu huỳnh bị oxy hóa thành SO 2, sau phận SO2 bị oxy hóa thành SO3, chất kết hợp với nước để tạo H2SO4 Một thông số có tính tổng quát ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm động hệ số dư lượng không khí ʎ Sự phụ thuộc nồng độ NOx, CO, HC bồ hóng (PM) khí thải theo ʎ Hình 2.5 - Biến thiên nồng độ chất ô nhiễm theo hệ số dư lượng không khí Đặc điểm tác hại khí độc hại khí xả động Diesel - CO: carbon monoxide sản phẩm khí không màu, không mùi, không vị, sinh ô xy hoá không hoàn toàn cacbon nhiên liệu điều kiện thiếu oxy CO ngăn cản dịch chuyển hồng cầu máu làm cho phận thể bị thiếu oxy Nạn nhân bị tử vong 70% số hồng cầu bị khống chế (khi nồng độ CO không khí lớn 1000 ppm) 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 [25] Cơ chế hình thành CO: CO sinh trình cháy không hoàn toàn hỗn hợp giàu hay phân giải sản phẩm trình cháy Nồng độ CO phụ thuộc mạnh vào thành phần hỗn hợp, hay nói cách khác, phụ thuộc vào hệ số dư lượng không khí Ở điều kiện hỗn hợp giàu, lượng oxy có mặt hỗn hợp không đủ để oxy hóa hoàn toàn cacbon nhiên liệu thành khí CO2 Mặt khác, điều kiện nhiệt độ cao, phản ứng phân giải sản phẩm cháy làm tăng nồng độ CO hỗn hợp nghèo - NOx: NOx họ Oxit Nitơ, NO chiếm đại phận NO x hình thành N2 tác dụng với O2 điều kiện nhiệt độ cao (vượt 1100°C) Nitơ monoxide (x=1) không nguy hiểm mấy, sở để tạo nitơ dioxide (x=2) NO2 chất khí màu hồng, có mùi, khứu giác phát nồng độ không khí đạt khoảng 0,12 ppm NO chất khó hòa 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 Nitơ protoxide N2O chất sở tạo ozone hạ tầng khí Cơ chế hình thành NOx: Trong họ NOx NO chiếm tỉ lệ lớn NOx chủ yếu N2 không khí nạp vào động tạo Nhiên liệu chứa nitơ nên ảnh hưởng chúng đến nồng độ NOx không đáng kể Nhiên liệu nặng sử dụng động tàu thủy tốc độ thấp có chứa khoảng vài phần nghìn nitơ (tỉ lệ khối lượng) nên phát sinh lượng nhỏ NO x khí thải Sự hình thành NO oxy hóa nitơ không khí mô tả chế Zeldovich Trong điều kiện hệ số dư lượng không khí xấp xỉ 1, phản ứng tạo thành phân hủy NO là: O + N2  NO + N (1) N + O2  NO + O (2) N + OH  NO + H (3) Phản ứng (3) xảy hỗn hợp giàu NO tạo thành màng lửa sản phẩm cháy phía sau màng lửa Trong động cơ, trình cháy diễn điều kiện áp suất cao, vùng phản ứng mỏng ( khoảng 0.1 mm) thời gian cháy ngắn; thêm vào đó, áp suất xylanh tăng trình cháy, điều làm nhiệt độ phận khí cháy trước cao nhiệt độ đạt sau khỏi khu vực màng lửa nên đại phận NO hình thành khu vực sau màng lửa Sự hình thành NO phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ N2 + O2  2NO (4) Phản ứng (4) tạo NO có tốc độ thấp nhiều so với phản ứng cháy Nồng độ NO phụ thuộc mạnh vào nồng độ oxy Vì điều kiện nhiệt độ cao nồng độ O2 lớn nồng độ NO sản phẩm cháy lớn [15] Sự hình thành NO2 Đối với động diesel, người ta thấy có đến 30% NO x dạng NO2 Nitơ dioxide NO2 hình thành từ nitơ monooxit NO chất trung gian sản vật cháy theo phản ứng: NO + HO2  NO2 + OH (5) Trong điều kiện nhiệt độ cao NO tạo thành phân giải theo phản ứng: NO2 + O  NO + O2 (6) Trong trường hợp NO2 sinh lửa bị làm mát môi chất có nhiệt độ thấp phản ứng (6) bị khống chế, nghĩa NO tiếp tục tồn sản vật cháy Khi động Diesel làm việc chế độ tải thấp phản ứng ngược biến đổi NO2 thành NO bị khống chế vùng không khí có nhiệt độ thấp Nitơ dioxide hình thành đường xả tốc độ thải thấp có diện oxy NO2 chất độc khí họ NOx việc tổ chức tốt trình cháy để giảm tốc độ phản ứng tạo thành tăng tốc độ phản ứng phân giải chất ô nhiễm có ý nghĩa quan trọng [25] Sự hình thành N2O Nitơ protoxide N2O chủ yếu hình thành từ chất trung gian NH NCO chúng tác dụng với NO: NH + NO  N2O + H (7) NCO + NO  N2O + CO (8) N2O chủ yếu hình thành vùng oxy hóa có nồng độ nguyên tử H cao, mà hydrogene chất tạo phân hủy mạnh nitơ protoxide theo phản ứng: N2O + H  NH + NO (9) N2O + H  N2 + OH (10) Chính N2O chiếm tỉ lệ thấp khí thải động đốt (khoảng ÷ 8ppmV) - Hydrocarbon: Hydrocarbon (HC) có mặt khí thải trình cháy không hoàn toàn hỗn hợp giàu, tượng cháy không bình thường Chúng gây tác hại đến sức khỏe người chủ yếu hydrocarbon thơm Từ lâu người ta xác định vai trò benzen bệnh ung thư máu (leucémie) nồng độ lớn 40 ppm gây rối loạn hệ thần kinh nồng độ lớn 1g/m 3, nguyên nhân gây bệnh gan Cơ chế hình thành HC: Sự phân bố không đồng nhiên liệu xylanh lúc bắt đầu phun giới thiệu Hình 2.6 Trong dòng xoáy lốc, tự cháy diễn khu vực có độ đậm đặc thấp Do vùng có mặt nhiên liệu chưa cháy hết, sản vật phân giải từ nhiên liệu, sản phẩm oxy hóa cục (CO, aldehyde oxít khác) phận sản phẩm có mặt khí thải Tầm quan trọng hydrocarbon chưa cháy từ khu vực nghèo phụ thuộc vào lượng nhiên liệu phun vào động thời kì cháy trễ, phụ thuộc vào tỉ lệ không khí kéo theo vào tia giai đoạn điều kiện lí hóa ảnh hưởng đến tự cháy xylanh Hình 2.6 - Cơ chế hình thành HC [25] ...Một thông số có tính tổng quát ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm động hệ số dư lượng không khí ʎ Sự phụ thuộc nồng độ NOx, CO, HC bồ hóng (PM) khí thải theo ʎ Hình 2.5 - Biến thiên... cháy phía sau màng lửa Trong động cơ, trình cháy diễn điều kiện áp suất cao, vùng phản ứng mỏng ( khoảng 0.1 mm) thời gian cháy ngắn; thêm vào đó, áp suất xylanh tăng trình cháy, điều làm nhiệt... (9) N2O + H  N2 + OH (10) Chính N2O chiếm tỉ lệ thấp khí thải động đốt (khoảng ÷ 8ppmV) - Hydrocarbon: Hydrocarbon (HC) có mặt khí thải trình cháy không hoàn toàn hỗn hợp giàu, tượng cháy không