Những tạp chất, đặc biệt là các hợp chất chứa lưu huỳnh và các phụ gia có trong nhiên liệu cũng có ảnh hưởng đến thành phần các chất ô nhiễm trong sản phẩm cháy. Một trong những thông số có tính tổng quát ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm
của động cơ là hệ số dư lượng không khí λ. Động cơ xăng thường làm việc với hệ số
dư lượng λ ≈ 1. Đồ thị H. 2-16 cho thấy động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo có mức độ phát sinh ô nhiễm thấp hơn, tuy nhiên nếu hỗn hợp quá nghèo thì tốc độ cháy thấp, dễ có tình trạng mất lửa và đó là nguyên nhân làm gia tăng nồng độ HC chưa cháy.
Khi hỗn hợp cháy có hệ số dư lượng không khí λ = 1 thì mức độ phát sinh ô
ở áp suất và nhiệt độ cao với hệ số dư lượng không khí lớn thì thành phần các chất ô nhiễm sẽ thay đổi theo hướng gia tăng NOx.
Nhiệt độ cực đại của quá trình cháy cũng là một nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến thành phần các chất ô nhiễm vì nó ảnh hưởng mạnh đến động học phản ứng, đặc biệt là các phản ứng tạo NOx. Nói chung, tất cả những thông số kết cấu hay vận hành nào của động cơ có tác động đến thành phần hỗn hợp và nhiệt độ cháy đều gây ảnh hưởng trực tiếp hay gián tiếp đến sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí xả.
Bảng 2-5. Mức độ phát sinh ô nhiễm trung bình của quá trình cháy[4]
Chất ô nhiễm Lượng phát sinh (g/kg nhiên liệu)
NOx 20
CO 200
HC 25
Bồ hóng 2÷5
Bảng 2-6. Thành phần các chất độc hại khi sử dụng những nguồn nhiên liệu khác nhau ở phương tiện vận tải[4]
STT Chất thải (g/kg) Xăng Diesel
1 CO 20,810 1,146 2 CO2 172,83 175,64 3 HC 29,100 5,740 4 SOx 2,325 3,800 5 NOx 19,788 24,581 6 R-COOH 1,432 1,327 7 R-CHO 1,125 0,944 8 Muội (C) 1,250 6,250 9 Chì 0,625 0,000 10 Bụi 3,902 117,06
2.2.1.1 Cơ chế hình thành các Oxyde (NOx):
NOx là tên gọi chung của các oxyde nitơ NO, NO2, và N2O được hình thành do sự kết hợp giữa oxy và nitơ (chủ yếu do N2 trong không khí nạp vào động cơ) ở điều kiện nhiệt độ cao. Trong một số trường hợp, nó là chất ô nhiễm chính làm giới hạn tính năng kỹ thuật của động cơ.
NO là hợp chất chiếm tỉ lệ cao nhất trong họ NOx. Sự hình thành NO do quá trình oxy hóa nitơ trong không khí có thể được mô tả bởi cơ chế Zeldovich. Trong điều kiện λ≈ 1, những phản ứng chính tạo thành và phân hủy NO là:
O + N2 NO + N (2.1)
N + O2 NO + O (2.2)
N + OH NO + H (2.3)
Phản ứng (2.1) và (2.2) diễn ra mạnh trong khu vực màng lửa và trong vùng khí đã cháy còn phản ứng (2.3) xảy ra khi hỗn hợp rất giàu. NO tạo thành trong màng lửa và trong sản phẩm cháy phía sau màng lửa. Trong động cơ, quá trình cháy diễn ra ở điều kiện áp suất cao, vùng phản ứng rất mỏng (khoảng 0,1mm) và thời gian cháy rất ngắn, thêm vào đó áp suất trong cylinder tăng trong quá trình cháy, điều này làm nhiệt độ của bộ phận khí cháy trước cao hơn nhiệt độ đạt được ngay sau khi ra khỏi khu vực màng lửa nên đại bộ phận NO hình thành trong khu vực sau màng lửa:
N2 + O2 2NO (2.4)
Còn NO hình thành trong màng lửa có khả năng tạo ra những hợp chất còn lại của họ NOx. Sự hình thành NO phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt độ, nhiệt độ càng cao thì tốc độ tạo NO càng lớn. Nồng độ NO cũng phụ thuộc mạnh vào nồng độ oxy. Do đó, trong điều kiện nhiệt độ cao và nồng độ oxy lớn thì nồng độ NO trong sản phẩm cháy sẽ lớn.
Trong động cơ xăng, một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến sự hình thành NO là hệ số dư lượng không khí của hỗn hợp. Khi hỗn hợp quá đậm hay quá nhạt đều dẫn đến tốc độ phản ứng tạo NO giảm. Bên cạnh đó, hệ số khí sót cũng ảnh hưởng đáng kể đến lượng NO tạo thành. Sự có mặt của khí sót là do khí cháy của chu trình trước còn sót lại trong cylinder hay do quá trình hồi lưu khí xả. Khi không có sự hồi lưu, lượng khí sót trong cylinder phụ thuộc vào các chế độ tải, góc độ phối khí và đặc biệt là khoảng trùng điệp giữa các soupap thải và nạp. Khoảng trùng điệp càng tăng thì lượng khí sót càng tăng, điều đó dẫn đến nồng độ NO phát xả sẽ giảm. Tuy nhiên, sự tăng quá mức tỉ lệ khí sót sẽ làm giảm chất lượng quá trình cháy, động cơ làm việc không ổn định, tính kinh tế giảm và tăng hàm lượng HC trong khói thải. Một yếu tố nữa ảnh hưởng mạnh đến sự phát sinh NO là góc đánh lửa sớm. Khi tăng góc đánh lửa sớm sẽ làm tăng nồng độ NO phát xả. Nguyên nhân là do khi tăng góc đánh lửa sớm, điểm bắt đầu cháy sẽ xuất hiện sớm hơn trong chu trình công tác, áp suất cực
đại xuất hiện gần ĐCT hơn và cũng đạt giá trị lớn hơn, lúc này nhiệt độ cực đại cũng tăng lên tương ứng. Mặc khác, do thời điểm cháy bắt đầu sớm nên thời gian tồn tại của khí cháy ở nhiệt độ cao cũng kéo dài. Hai yếu tố này đều tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành NO.
• Quá trình hình thành dioxyde nitơ (NO2):
Dioxyde nitơ (NO2) được hình thành từ monoxyde nitơ (NO) và các chất trung
gian của sản vật cháy theo phản ứng sau:
NO + HO2 NO2 + OH (2.5)
Trong điều kiện nhiệt độ cao, NO2 tạo thành có thể phân giải theo phản ứng: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
NO2 + O NO + O2 (2.6)
Trong trường hợp NO2 sinh ra bị làm mát ngay bởi sự vận động của dòng khí
có nhiệt độ thấp trong buồng cháy thì phản ứng (2.6) bị khống chế, nghĩa là NO2 tiếp tục tồn tại trong sản vật cháy. Vì vậy khi động cơ làm việc kéo dài ở chế độ không tải hay ở chế độ tải thấp thì nồng độ NO2 trong khí xả sẽ gia tăng do phản ứng ngược biến đổi NO2 thành NO bị khống chế bởi các vùng không khí có nhiệt độ thấp. Dioxyde nitơ cũng hình thành trên đường xả khi tốc độ tải thấp và có sự hiện diện của oxy.
• Quá trình hình thành protoxyde nitơ (N2O):
Protoxyde nitơ (N2O) chủ yếu hình thành từ các chất trung gian NH và NCO khi chúng tác dụng với NO theo phản ứng:
NH + NO N2O + H (2.7)
NCO + NO N2O + CO (2.8)
N2O chủ yếu được hình thành ở vùng oxy hóa có nồng độ nguyên tử H cao, mà
nguyên tử H lại tạo ra sự phân hủy mạnh protoxyde nitơ theo phản ứng:
N2O + H NH + NO (2.9)
N2O + H N2 + OH (2.10)
Chính vì vậy N2O chỉ chiếm tỉ lệ rất thấp trong khí xả của động cơ đốt trong (khoảng 3÷8 ppmV).
2.2.1.2 Cơ chế hình thành Monoxyde Cacbon (CO):
CO sinh ra do quá trình cháy không hoàn toàn của hỗn hợp giàu hay do sự phân giải sản phẩm của quá trình cháy. Nồng độ CO phụ thuộc mạnh vào thành phần hỗn hợp hay hệ số dư lượng không khí λ. Ở điều kiện hỗn hợp giàu, lượng O2 có mặt trong
ở điều kiện nhiệt độ cao, phản ứng phân giải sản phẩm cháy cũng làm tăng nồng độ CO ngay cả khi hỗn hợp nghèo. Ở điều kiện nhiệt độ rất cao (trên 1200 oC), hơi nước tạo thành có thể bị nhiệt phân tạo H2 và O2. Khi đó, H2 có thể phản ứng với CO2 tạo thành CO theo phản ứng:
CO2 + H2 CO + H2O (2.11)
Khi động cơ làm việc ở chế độ non tải, do điều kiện cháy của hỗn hợp không thuận lợi, tạo ra các vùng cháy không hoàn toàn cục bộ nên nồng độ CO trong khí xả cao hơn dù hệ số dư lượng không khí λ được điều chỉnh dao động chung quanh giá trị cháy hoàn toàn lý thuyết. Chính vì lẽ đó, khi phương tiện hoạt động trong thành phố thì sự phát sinh CO đáng quan tâm nhất, do động cơ thường xuyên làm việc ở chế độ tải thấp.
Sự hình thành CO chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như áp suất nạp nhiên liệu vào động cơ, thành phần của hỗn hợp nhiên liệu-không khí, góc đánh lửa sớm, bản chất của nhiên liệu, hệ số khí sót…
2.2.1.3 Cơ chế hình thành Hydro Carbure (HC):
Sự phát sinh HC là do quá trình cháy không hoàn toàn ở một số chu trình làm việc của động cơ (khi có sự thay đổi về độ đậm đặc, góc đánh lửa sớm hay hồi lưu khí xả) hoặc do một bộ phận hỗn hợp nằm ngoài khu vực lan tràn màng lửa. Điều này xảy ra do sự không đồng nhất của hỗn hợp hoặc do sự dập tắt màng lửa ở khu vực gần thành hay trong các không gian chết. Nghĩa là ở các khu vực có nhiệt độ thấp, khác với
sự hình thành CO và NOx diễn ra trong pha đồng nhất ở những khu vực có nhiệt độ
cao.
Những chất còn lại trong hỗn hợp sau khi màng lửa đi qua không phải là nguồn phát sinh HC chính đo được trên đường xả của động cơ. H. 2-17 biểu diễn sự biến thiên nồng độ các thành phần hydrocarbure theo góc quay trục khuỷu trên thành buồng cháy của động cơ một cylindre cho thấy ngay khi màng lửa đi qua, nồng độ HC đo được thấp hơn nồng độ HC có mặt trong khí xả và cuối chu trình nồng độ HC lại tăng lên. Đó là do khi màng lửa lan đến khu vực gần thành thì nó bị dập tắt và chính HC thoát ra từ các vùng không bị cháy đóng vai trò chủ yếu trong việc tăng nồng độ HC.
Sự dập tắt màng lửa hay còn gọi là tôi màng lửa diễn ra khi màng lửa tiếp xúc với thành buồng cháy hay ở trong những không gian nhỏ liên thông với buồng cháy, chẳng hạn như khe hở giữa piston và thành cylinder (H. 2-18). Khi màng lửa bị tôi, nó
giải phóng một lớp mỏng hỗn hợp chưa cháy hay cháy không hoàn toàn trên các bề mặt tiếp xúc (culasse, piston, cylinder, soupape...) hay ở những không gian chết.
Bề dày của vùng bị tôi phụ thuộc vào những yếu tố khác nhau: nhiệt độ và áp suất của hỗn hợp khí, tốc độ lan tràn màng lửa, hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, tình trạng bề mặt của thành buồng cháy, lớp muội than, nhiệt độ thành buồng cháy...
Quá trình tôi màng lửa diễn ra theo hai giai đoạn. Trong giai đoạn đầu, màng lửa bị tắt khi nhiệt lượng hấp thụ vào thành buồng cháy cân bằng với nhiệt lượng do màng lửa tỏa ra. Vài giây sau khi tôi, do diễn ra sự khuếch tán hay sự oxy hóa nên nồng độ HC tại khu vực này nhỏ hơn nồng độ đo được khi tôi. Mặc khác, những HC thoát ra do màng lửa bị dập tắt có thể bị oxy hóa trong quá trình giãn nở hay thải.