7. Nội dung nghiên cứu
2.2. Cơ chế hình thành các chất độc hại trong khí xả động cơ diesel
Đặc điểm của động cơ diesel là hình thành hỗn hợp bên trong xi lanh nên hệ số dư lượng không khí λ, so với ở động cơ xăng, nằm trong một giới hạn rất rộng, cụ thể từ 1,2 ÷ 10 từ toàn tải đến không tải. Chính vì giới hạn λ rộng nên điều chỉnh tải bằng phương pháp điều chỉnh λ còn gọi là điều chỉnh chất. Do đó khác với điều chỉnh lượng ở động cơ xăng, trên đường nạp không có tiết lưu.
Trên hình 2.1 thể hiện cơ chế hình thành chất thải độc hại ở động cơ diesel và hình 2.2 trình bày đặc tính của các thành phần độc hại chủ yếu trong động cơ diesel theo hệ số dư lượng không khí .
Hình 2.1. Cơ chế hình thành các chất thải độc hại ở động cơ diesel
Qua hình 2.1 ta thấy lượng NOx hình thành nhiều nhất ở vùng cháy hoàn toàn λ = 1 do nhiệt độ cao. HC tồn tại nhiều ở vùng hỗn hợp nhạt do không đủ không khí để nhiên liệu tự cháy. Ở khu vực giữa tia phun, chất thải dạng hạt hình thành nhiều nhất, đây chính là vùng bị ôxy hóa trong lòng ngọn lửa khuếch tán.
Hình 2.2. Đặc tính các thành phần độc hại của động cơ diesel theo λ
Thành phần CO
Trong khí thải của động cơ diesel, tuy λ > 1 và khá lớn (thừa ô-xy) nhưng vẫn có thành phần CO mặc dù khá nhỏ là do vẫn có những vùng với λ < 1 (thiếu ô-xy). Khi λ tăng, ban đầu CO giảm do nồng độ ô-xy tăng và đạt cực tiểu tại λ
≈ 2. Tiếp tục tăng λ, CO tăng do tỷ lệ tái hợp của CO với ô-xy trong quá trình giãn nở giảm đi nên lượng CO còn lại trong khí thải tăng lên.
Thành phần Hydro cacbon chưa cháy (CmHn)
Do λ lớn nên CmHn trong động cơ diesel so với ở động cơ xăng cũng nhỏ hơn. Khi λ tăng, nhiệt độ cháy giảm nên phần nhiên liệu không cháy được CmHn
sẽ tăng lên. Đối với phương pháp hình thành hỗn hợp dạng màng, do hiệu ứng sát vách ảnh hưởng mạnh nên CmHn lớn hơn so với trường hợp hình thành hỗn hợp theo phương pháp thể tích. Nếu tổ chức xoáy lốc và hoà trộn tốt trong quá trình hình thành hỗn hợp, thành phần CmHn sẽ giảm.
Thành phần NOx
Khi λ tăng, nhiệt độ cháy giảm nên thành phần NOx giảm (hình 2.1 và hình 2.2). So với ở động cơ xăng thì thành phần NO2 trong NOx cao hơn, cụ thể chiếm từ 5 ÷ 15%.
Phương pháp hình thành hỗn hợp có ảnh hưởng lớn đến hình thành NOx. Đối với buồng cháy ngăn cách, quá trình cháy diễn ra ở buồng cháy phụ (hạn chế không khí) rất thiếu ô-xy nên mặc dù nhiệt độ lớn nhưng NOx vẫn nhỏ. Khi cháy ở buồng cháy chính, mặc dù λ rất lớn, ô-xy nhiều nhưng nhiệt độ quá trình cháy không lớn nên NOx cũng nhỏ. Tổng hợp lại, NOx của động cơ buồng cháy ngăn cách chỉ bằng khoảng 1/2 so với ở động cơ buồng cháy thống nhất.
Chất thải dạng hạt (PM)
Theo định nghĩa của Tổ chức bảo vệ môi trường bang California - Mỹ thì PM là những thực thể (trừ nước) của khí thải sau khi được hoà trộn với không khí (làm loãng) đạt nhiệt độ nhỏ hơn 51,70C và được tách ra bằng một bộ lọc qui định.
Với định nghĩa như vậy, PM gồm các hạt rắn và các chất lỏng bám theo. Các hạt rắn gồm: cac-bon tự do và tro còn gọi là bồ hóng (soot), các chất phụ
gia dầu bôi trơn, các hạt và vảy tróc do mài mòn... Chất lỏng bám theo gồm có các thành phần trong nhiên liệu và dầu bôi trơn.
Các hạt (PM) có kích thước từ 0,01 đến 1 μm. Phần lớn hạt có kích thước < 0,3 μm nên rất dễ bị hít vào và gây tổn thương cho đường hô hấp và phổi.
Thành phần PM trong khí xả phụ thuộc rất nhiều vào chế độ làm việc của động cơ và phương pháp hình thành khí hỗn hợp.