Cao Tấn Lợi - LUẬN VĂN THẠC SĨ - 2011
Cấu trỳc tinh thể của hạt bồ húng trong khớ thải động cơ diesel cú dạng tương tự như graphit nhưng ớt đồng đều hơn. Mỗi hạt sơ cấp hỡnh cầu là một tập hợp khoảng 1000 mầm tinh thể, cú dạng phiến mỏng được xếp đồng tõm quanh tõm của mỗi hạt cầu, tương tự như cấu trỳc hạt cacbon đen. Những nguyờn tử cacbon kết nối với nhau theo cỏc phiến lục giỏc phẳng cỏch nhau 0,34 0,36 nm. Cỏc phiến này kết hợp với nhau tạo thành cỏc mầm tinh thể cú 2 5 phiến với cấu trỳc giống như cacbon đen. Những mầm tinh thể này lại sắp xếp lại theo cỏc hướng song song với mặt hạt cầu với kết cấu siờu tĩnh để tạo thành cỏc hạt.
Cao Tấn Lợi - LUẬN VĂN THẠC SĨ - 2011
2.2. YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HÀM LƯỢNG CHẤT ĐỘC HẠI
TRONG KHÍ THẢI CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
2.2.1. ẢNH HƯỞNG CỦA NHIấN LIỆU
2.2.1.1. NHIấN LIỆU ĐỘNG CƠ PHÁT HỎA CƯỠNG BỨC
Những tớnh chất của nhiờn liệu dựng cho động cơ phỏt hỏa cưỡng bức cú ảnh hưởng đỏng kể đến hàm lượng cỏc chất độc hại trong khớ thải của ĐCĐT bao gồm:
1) Tớnh chống kớch nổ của nhiờn liệu.
Tớnh chống kớch nổ của nhiờn liệu là khả năng đảm bảo cho ngọn lửa xuất phỏt từ buji lan truyền và đốt chỏy phần hoà khớ phớa trước ngọn lửa một cỏch đều đặn mà khụng tạo ra kớch nổ.
Khả năng xuất hiện kớch nổ khụng chỉ được quyết định bởi tớnh chất của nhiờn liệu mà cũn phụ thuộc vào hàng loạt yếu tố khỏc liờn quan đến cấu tạo và chế độ làm việc của động cơ. Với cựng một mẫu nhiờn liệu, nếu tiến hành thớ nghiệm xỏc định tớnh chống kớch nổ bằng cỏc thiết bị và phương phỏp khỏc nhau sẽ cho những kết quả khỏc nhau. Hiện nay, số octane (Octane Number - ON) là chỉ tiờu đỏnh giỏ tớnh chống kớch nổ của nhiờn liệu được sử dụng phổ biến nhất ở tất cả cỏc nước. Số octane được xỏc định trờn một loại động cơ thớ nghiệm được tiờu chuẩn hoỏ bằng cỏch so sỏnh tớnh chống kớch nổ của nhiờn liệu thớ nghiệm với tớnh chống kớch nổ của nhiờn liệu chuẩn trong những điều kiện quy ước như nhau. Tuỳ thuộc vào phương phỏp xỏc định số octane, cú thể phõn loại số octane như sau:
Research Octane Number (RON) - RON là số octane được xỏc định theo phương phỏp nghiờn cứu ( Research Octane Number Method ). RON đỏnh giỏ tớnh chống kớch nổ của nhiờn liệu được xỏc định trong điều kiện động cơ làm việc ở chế độ tải và tốc độ trung bỡnh .
Motor Octane Number Method (MON) - MON là số octane được xỏc định theo phương phỏp motor ( Motor Octane Number Method ). MON đặc trưng cho tớnh chống kớch nổ của nhiờn liệu được xỏc định khi động cơ làm việc trong điều kiện khắc nghiệt hơn so với phương phỏp nghiờn cứu .
R1000C Method - Xăng là một hỗn hợp của nhiều loại hydrocarbon cú khả năng chống kớch nổ khỏc nhau. Núi chung, phần cú nhiệt độ sụi thấp cú số octane thấp hơn so với xăng núi chung, trừ butane, isopentane và benzene. Khi tăng tốc động cơ ở
Cao Tấn Lợi - LUẬN VĂN THẠC SĨ - 2011
tỷ số truyền lớn sẽ xảy ra hiện tượng một số xylanh nhận được nhiều hơn phần xăng cú nhiệt độ sụi thấp và tớnh chống kớch nổ kộm. Hiện tuợng kớch nổ cú thể xuất hiện do nguyờn nhõn núi trờn và càng dễ nhận thấy khi gia tốc ở tốc độ khởi điểm thấp. Đú là dạng kớch nổ phổ biến nhất, gọi là kớch nổ tốc độ thấp (Low Speed Knock -LSK). LSK khụng gõy hư hại gỡ cho động cơ vỡ chỉ xuất hiện trong giai đoạn chuyển tiếp rất ngắn, nhưng dễ dàng nhận thấy bằng tai và dẫn đến sự phàn nàn của khỏch hàng. Để phõn tớch khả năng chống kớch nổ của những phần cú nhiệt độ sụi thấp của xăng, người ta chưng cất mẫu và sau đú xỏc định RON của phần cất cú khoảng nhiệt độ sụi từ nhiệt độ sụi đầu đến 100 0C. Số octane được xỏc định như vậy gọi là R100 0C của xăng.
Hiện tượng kớch nổ khụng những cú ảnh hưởng xấu đến cụng suất, hiệu suất và tuổi thọ của động cơ, mà cũn làm tăng mức độ độc hại của khớ khải do gia tăng hiện tượng phõn hủy nhiờn liệu và sản phẩm chỏy trong điều kiện nhiệt độ và ỏp suất cao cục bộ tại khu vực kớch nổ.
2) Hàm lượng hydrocarbon thơm.
Xột từ gúc độ ụ nhiễm mụi trường, cỏc hydrocarbon thơm cú tỏc động theo hai chiều ngược nhau. Cỏc hydrocarbon thơm cú tớnh chống kớch nổ (RON > 100 , MON > 90) cao hơn cỏc loại hydrocarbon khỏc. Do đú, bổ sung hydrocarbon thơm vào nhiờn liệu là một trong cỏc biện phỏp làm tăng tớnh chống kớch nổ của nhiờn liệu. Mặt khỏc, cỏc hydrocacbon thơm cú tỷ số C/H trong phõn tử cao hơn do đú khối lượng riờng lớn hơn. Do nhiệt lượng toả ra ứng với một đơn vị thể tớch cao hơn nờn nhiệt độ chỏy của hỗn hợp tăng làm tăng NOx. Tuy nhiờn, cac hydrocacbon thơm cú cấu tạo ổn định hơn paraffin nờn cú động học phản ứng chỏy chậm hơn. Do đú, trong cựng điều kiện chỏy, sự phỏt sinh hydrocacbon thơm sẽ cao hơn. Ngoài ra, cỏc hydrocarbon thơm trong nhiờn liệu cũn là nguồn phỏt sinh cỏc hydrocacbon thơm đa nhõn (HAP), phenol và aldehyde thơm - những chất được ghi nhận là cú vai trũ gõy ung thư ở con người.
3) Tớnh bay hơi của nhiờn liệu
Tớnh bay hơi của nhiờn liệu thường được đặc trưng bởi đường cong chưng cất và ỏp suất hơi Reid (PVR) đo ở 37,8 0C. Tớnh bay hơi là một tớnh chất quan trọng đối với hoạt động của động cơ, nú ảnh hưởng đến thời gian khởi động động cơ ở trạng thỏi nguội, tớnh tăng tốc và tớnh ổn định khi làm việc ở chế độ khụng tải và khi chạy ấm mỏy. Những thành phần quỏ nặng của nhiờn liệu (bay hơi ở nhiệt độ lớn hơn 200
Cao Tấn Lợi - LUẬN VĂN THẠC SĨ - 2011
220 0C) cú ảnh hưởng đến sự phỏt sinh hydrocacbon chưa chỏy, do sự bốc hơi kộm dẫn tới sự chỏy khụng hoàn toàn với sự hỡnh thành aldehyde và sự gia tăng CH. Những thành phần nhẹ hơn, cần thiết cho việc khởi động và làm việc ở trạng thỏi nguội, ảnh hưởng đến mức độ gõy ụ nhiễm của khớ thải và nhất là ảnh hưởng đến tổn thất do bay hơi. Tớnh bay hơi tiờu chuẩn của nhiờn liệu phụ thuộc vào điều kiện khớ hậu và mựa. Chớnh những thành phần dễ bày hơi nhất, đặc biệt là cặp butane-pentane gõy ảnh hưởng đến PVR. Cặp hydrocarbon này thường được pha vào nhiờn liệu đến giới hạn tối đa cho phộp để tận dụng tớnh chống kớch nổ cao của nú (butane cú RON = 94). Tớnh bay hơi của nhiờn liệu khụng gõy ảnh hưởng đến sự phỏt sinh NOx trong khớ thải.
4) Ảnh hưởng của cỏc chất phụ gia.
Chất phụ gia, cũn gọi là chất thờm, là chất được pha với một tỷ lệ rất nhỏ vào nhiờn liệu, chất bụi trơn, chất lỏng chuyờn dựng, v.v. để cải thiện cỏc tớnh chất tự nhiờn của chỳng hoặc tạo cho chỳng cỏc tớnh chất mới cú lợi trong sử dụng, vận chuyển và bảo quản. Cỏc sản phẩm dầu mỏ thương mại cú thể khụng cú hoặc được pha thờm một hoặc nhiều loại phụ gia. Một chất phụ gia cú thể chỉ cú ảnh hưởng đến một tớnh chất (tỏc dụng đơn) hoặc tỏc dụng đồng thời đến nhiều tớnh chất (tỏc dụng kộp) của sản phẩm dầu mỏ.
Trong xăng núi riờng và nhiờn liệu dựng cho động cơ phỏt hỏa cưỡng bức núi chung cú thể cú những chất phụ gia làm tăng tớnh chống kớch nổ của nhiờn liệu, chất phụ gia chống oxy húa nhiờn liệu, chất phụ gia làm sạch bề mặt đường ống nạp, chất phụ gia chống đúng băng làm kẹt bướm ga và bướm giú, v.v.
Tetraethyllead (TEL), thường cú tờn gọi khụng chớnh thức là chỡ hay nước chỡ, là chất lỏng cú cụng thức húa học Pb (C2H5)4 , cú nhiệt độ sụi là 390 0F, được phỏt hiện là chất cú tỏc dụng chống kớch nổ vào năm 1921 và đó được sử dụng rộng rói từ đú do cú hiệu quả chống kớch nổ cao và giỏ thành thấp.
Tetramethyllead (TML - (CH3)4Pb) được đưa vào sử dụng từ năm 1960. TML cú nhiệt độ sụi là 230 0F, cú xu hướng bay hơi cựng với phần nhẹ của xăng. Như vậy, TML thớch hợp hơn TEL đối với xăng cú R100 0C thấp.
TEL và MTL đó từng được sử dụng rộng rói trờn quy mụ toàn cầu trong suốt mấy chục năm vừa qua. Gần đõy, vai trũ của TEL và TML như là cỏc tỏc nhõn tăng khả năng chống kớch nổ của xăng đó bị hạn chế dần. Lý do chớnh là do tớnh độc hại của
Cao Tấn Lợi - LUẬN VĂN THẠC SĨ - 2011
chỡ (Pb) đối với mụi trường sống. Hầu hết cỏc nước cụng nghiệp phỏt triển đó cấm hoàn toàn việc sử dụng phụ gia chỡ trong xăng. Ở Việt Nam, quy định về việc sử dụng xăng khụng chỡ cú hiệu lực thi hành từ ngày 01 thỏng 07 năm 2001. Rất tiếc là cho đến nay chưa cú loại phụ gia chống kớch nổ nào khụng độc hại mà lại cú hiệu quả chống kớch nổ cao và giỏ thành thấp như TEL và TML. Một lý do khỏc để loại bỏ phụ gia chỡ là ảnh hưởng xấu của chỳng đến hoạt tớnh của chất xỳc tỏc cú trong cỏc thiết bị xử lý khớ thải của động cơ hoạt động theo nguyờn tắc trung hoà cỏc thành phần độc hại nhờ chất xỳc tỏc.
Phụ gia cú chỡ đó và đang được thay thế bằng cỏc chất pha khỏc ớt độc hại cho mụi trường hơn, như methanol, ethanol, tertiary-buthyl alcohol (TBA), tertiary-amyl methyl ether (TAME), methyl tertiary-buthyl ether (MTBE), v.v. Cỏc loại phụ gia núi trờn thường được gọi chung là phụ gia họ oxygen .
Cỏc chất phụ gia hữu cơ hay hữu cơ-kim loại thờm vào nhiờn liệu để tỏc động đến cỏc phản ứng chỏy dường như khụng gõy ảnh hưởng đến mức độ phỏt sinh ụ nhiễm, cỏc chất phụ gia chống cỏc lớp bỏm cũng vậy. Tuy nhiờn, việc duy trỡ độ sạch trờn đường nạp cho phộp giữ được sự điều chỉnh ban đầu và sự ổn định về mức độ phỏt sinh CO ở chế độ khụng tải.
2.2.1.2. NHIấN LIỆU DIESEL
Những tớnh chất của nhiờn liệu diesel cú ảnh hưởng đỏng kể đến hàm lượng cỏc chất độc hại trong khớ thải của ĐCĐT bao gồm :
1) Tớnh tự bốc chỏy của nhiờn liệu.
H. 2-9. Ảnh hưởng của số cetane đến hàm lượng CO và HC trong khớ thải của động cơ diesel