Trong phần này, chúng tơi sẽ thảo luận về sự hình thành tác hại của các chất ơ nhiễm trong khí thải của động cơ diesel: hydrocarbon, carbon monoxide, nitrogen
oxide và độ mờ khĩi. Tìm hiểu về sự hình thành của các chất gây ơ nhiễm cho chúng ta dễ dàng so sánh ảnh hưởng của các mẫu nhiên liệu khác cho động cơ diesel.
Ảnh hưởng chỉ số cetane của nhiên liệu. Độ mờ khĩi giảm khi thời gian cháy trễ kéo dài, nghĩa là khi dùng nhiên liệu cĩ chỉ số cetane thấp. Tuy nhiên việc sử dụng nhiên liệu cĩ chỉ số cetane thấp cĩ thể dẫn đến những nhược điểm như sau: Gia tăng độ ồn nếu quá trình cháy bắt đầu quá muộn, gia tăng lượng nhiên liệu bám trên thành xylanh và buồng cháy làm tăng mức độ phát sinh HC và độ mờ khĩi.
1.4.3.1. Độ mờ khĩi (K) (Bồ hĩng trong khí thải động cơ diesel) a. Ảnh hưởng độ mờ khĩi đến sức khỏe con người
Độ mờ khĩi là chất ơ nhiễm đặc biệt quan trọng trong khí thải động cơ diesel. Nĩ tồn tại dưới dạng những hạt rắn cĩ đường kính trung bình khoảng 0,3µmnên rất dễ xâm nhập sâu vào phổi. Độ mờ khĩi ngồi việc gây trở ngại cho cơ quan hơ hấp như bất kì một tạp chất cơ học nào khác cĩ mặt trong khơng khí, nĩ cịn là nguyên nhân gây ra bệnh ung thư do các hydrocarbon thơm mạch vịng (HAP) hấp thụ trên bề mặt của chúng trong quá trình hình thành.
b. Cơ chế hình thành độ mờ khĩi
Quá trình cháy khuếch tán trong động cơ diesel rất thuận lợi cho việc hình thành bồ hĩng. Sự cháy của hạt nhiên liệu lỏng trong khi chúng dịch chuyển trong buồng cháy cũng như sự tập trung cục bộ hơi nhiên liệu ở những vùng cĩ nhiệt độ cao là nguyên nhân chính sản sinh bồ hĩng. Quá trình cháy khuếch tán, do đặc điểm phân bố nhiên liệu khơng đồng nhất, việc khống chế quá trình cháy của nĩ gặp nhiều khĩ khăn hơn so với quá trình cháy của hỗn hợp đồng nhất. Do sự phân bố hỗn hợp khơng đồng nhất mà trong sản phẩm cháy của ngọn lửa khuếch tán luơn tồn tại những sản phẩm cháy khơng hồn tồn đặc biệt quan tâm đến bồ hĩng. Bồ hĩng trong khí thải là một trong những yếu tố chính giới hạn khả năng ứng dụng của động cơ diesel hiện nay. Mặc dù các nhà khoa học và các nhà sản xuất động cơ đã quan tâm rất nhiều đến việc nghiên cứu vấn đề này nhưng đến nay người ta vẫn chưa tìm ra được một giải pháp kỹ thuật nào hữu hiệu nhằm hạn chế nồng độ bồ hĩng trong giới hạn cho phép t h e o các quy định về bảo vệ mơi trường TCVN 5418-91 và TCVN 6438-98 về độ khĩi trong khí thải động cơ diesel.
Sự hình thành bồ hĩng trong ngọn lửa khuếch tán trước tiên phụ thuộc vào nhiên liệu. Nhiên liệu cĩ thành phần C càng cao thì nồng độ bồ hĩng càng lớn. Yếu tố thứ hai ảnh hưởng đến nồng độ bồ hĩng là nồng độ nhiên liệu và nồng độ oxygene. Sự hình thành bồ hĩng chủ yếu là do quá trình cháy khơng hồn tồn của nhiên liệu. Khi hỗn hợp nghèo và được phân bố đồng nhất thì nồng độ bồ hĩng rất bé, cĩ thể bỏ qua. Nồng độ oxygene ảnh hưởng đến sự oxy hĩa bồ hĩng sau khi chúng được hình thành do đĩ cũng ảnh hưởng đến nồng độ bồ hĩng cuối cùng cĩ mặt trong sản phẩm cháy. Yếu tố thứ ba ảnh hưởng đến sự hình thành bồ hĩng là sự phân bố nhiệt độ trong ngọn lửa. Nhiệt độ cao ở vùng giàu nhiên liệu sẽ thuận lợi cho việc hình thành bồ hĩng. Ngược lại nhiệt độ cao ở vùng thừa oxygene sẽ thuận lợi cho việc oxy hĩa bồ hĩng. Nồng độ bồ hĩng thốt ra khỏi ngọn lửa khuếch tán là hiệu số giữa lượng bồ hĩng hình thành và lượng bồ hĩng bị oxy hĩa.
Thành phần hạt bồ hĩng phụ thuộc vào tính chất nhiên liệu, dầu bơi trơn, đặc điểm của quá trình cháy, dạng động cơ cũng như tình trạng kỹ thuật của động cơ. Thành phần bồ hĩng trong sản phẩm cháy của nhiên liệu cĩ thành phần lưu huỳnh cao khác với thành phần bồ hĩng trong sản phẩm cháy của nhiên liệu cĩ hàm lượng lưu huỳnh thấp. Bồ hĩng bao gồm các thành phần chính sau đây:
- Carbon: Thành phần này ít nhiều phụ thuộc vào nhiệt độ cháy và hệ số dư lượng khơng khí trung bình, đặc biệt là khi động cơ hoạt động ở chế độ đầy tải hoặc quá tải.
- Dầu bơi trơn khơng cháy: Đối với động cơ cũ thành phần này chiếm tỷ lệ lớn. Lượng dầu bơi trơn bị tiêu hao và lượng hạt bồ hĩng cĩ quan hệ với nhau.
- Nhiên liệu chưa cháy hoặc cháy khơng hồn tồn: Thành phần này phụ thuộc vào nhiệt độ và hệ số dư lượng khơng khí.
- Sun phát: Do lưu huỳnh trong nhiên liệu bị oxy hĩa và tạo thành SO2 hoặc SO4. - Các chất khác: Lưu huỳnh, calci, sắt, silicon, chromium, phosphor, các hợp chất calci từ dầu bơi trơn.
Hình 1-4: Cấu trúc chuỗi bồ hĩng Hình 1-5: Mơ hình cấu trúc dạng hạt sơ cấp
Cấu trúc hạt bồ hĩng theo Hình 1-4 và 1-5 trình bày ảnh chụp khuếch đại của chuỗi và hạt sơ cấp tạo thành hạt bồ hĩng trong khí xả động cơ diesel. Một cách tổng quát cĩ thể nĩi hạt bồ hĩng mà người ta thường gọi hình thành do sự liên kết của nhiều hạt sơ cấp hình cầu thành từng khối hoặc chuỗi. Mỗi hạt bồ hĩng (khối hay chuỗi) cĩ thể chứa đến 4000 hạt hình cầu sơ cấp. Các hạt sơ cấp cĩ đường kính từ 10 đến 80nm và đại bộ phận hạt nằm trong khoảng 15-30nm, đường kính trung bình của các hạt bồ hĩng nằm trong khoảng 100-150nm, cĩ khi lên đến 500-1000nm.
Theo báo cáo của các nhà khoa học, ơ nhiễm do giao thơng vận tải sản sinh ra gần 2/3 lượng khí COx, 1/2 các hợp chất hydrocarbon và khí oxit nitơ. Trong đĩ, CO2 là khí gây hiệu ứng nhà kính, cùng với sự biến đổi khí hậu do nồng độ khí CO2 chiếm ưu thế trong khí quyển. Hiện nay, nguồn nhiên liệu thế giới đang sử dụng chủ yếu từ dầu mỏ, trong đĩ cĩ hơn 90% dùng cho giao thơng và phát điện. Trong khi đĩ, nguồn nhiên liệu này đang ngày càng cạn kiệt.
1.4.3.2. Carbon Monoxide (CO)
a. Ảnh hưởng CO đến sức khỏe con người và thực vật
Khí thải CO là chất khí khơng màu, khơng mùi. Khí này là sản phẩm oxy hĩa khơng hồn tồn nhiên liệu. Hàm lượng của CO phụ thuộc vào tỷ lệ khơng khí/nhiên liệu. Hỗn hợp giàu nhiên liệu sẽ thải ra hàm lượng CO cao, hỗn hợp nghèo nhiên liệu sẽ thải ra hàm lượng CO thấp. Tác hại của khí CO đối với con người và động vật xảy ra khi nĩ tác dụng với hồng cầu (hemoglobin) trong máu, tạo thành một hợp chất bền vững làm giảm hồng cầu. Từ đĩ làm giảm khả năng hấp thụ oxy của hồng cầu để nuơi dưỡng tế bào cơ thể. Con người nhạy cảm với CO hơn là động thực vật. Ngộ độc CO nhẹ (<1% CO) để lại di chứng hay quên, thiếu máu. Ngộ độc nặng gây ngất, lên cơn
giật, liệt tay chân và cĩ thể dẫn đến tử vong trong vài phút khi nồng độ CO vượt quá 2%. Thực vật khi tiếp xúc với CO ở nồng độ cao (100÷10000 ppm) sẽ bị rụng lá.
b. Cơ chế hình thành CO
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 (α>1). Khi động cơ làm việc ở chế độ non tải, do điều kiện cháy của hỗn hợp khơng thuận lợi, tạo ra các vùng cháy khơng hồn tồn cục bộ, nên nồng độ CO trong khí thải cao cho dù hệ số dư lượng khơng khí α được bộ tạo hỗn hợp điều chỉnh dao động chung quanh giá trị cháy hồn tồn lý thuyết. Chính vì lẽ đĩ, khi động cơ làm việc ở chế độ tải thấp thì sự phát sinh CO là đáng quan tâm nhất do dao động thường xuyên.
1.4.3.3. Nitrogen Oxide (NOx)
a. Ảnh hưởng NOx đến sức khỏe con người và thực vật
NOx gồm khí NO và NO2 là hai thành phần quan trọng cĩ vai trị nhất định trong quá trình hình thành khĩi quang hĩa và gây ơ nhiễm mơi trường.
NOx tạo ra trong quá trình cháy và tăng khi nhiệt độ tăng. Nhiệt độ càng tăng cao, lượng Nitơ cĩ trong khơng khí sẽ kết hợp với oxy tạo ra nhiều NOx [7]. Khí NO là khí khơng màu, khơng mùi, khơng tan trong nước. NO cĩ thể gây nguy hiểm cho cơ thể do tác dụng với hồng cầu trong máu, làm giảm khả năng vận chuyển ơxy gây bệnh thiếu máu.
Khí NO2 là chất khí màu nâu nhạt, rất dễ hấp thụ bức xạ tử ngoại, dễ hịa tan trong nước và tham gia vào phản ứng quang hĩa. NO2 là loại khí cĩ tính kích thích, khi tiếp xúc với niêm mạc, tạo thành axit qua đường hơ hấp hoặc hịa tan vào nước bọt rồi vào đường tiêu hĩa, sau đĩ vào máu. Ở hàm lượng 15÷50ppm, NO2 gây nguy hiểm cho tim, phổi và gan.
b. Cơ chế hình thành NOx
Khác với động cơ đánh lửa cưỡng bức, do đặc điểm của quá trình tạo hỗn hợp khơng đồng nhất, quá trình cháy trong động cơ Diesel gồm hai giai đoạn: giai đoạn cháy đồng nhất diễn ra ngay sau kì cháy trễ và giai đoạn cháy khuếch tán. Sự phân bố nhiệt độ và thành phần khí cháy trong khơng gian buồng cháy là khơng đồng nhất. Đối với quá trình cháy hịa trộn trước, thành phần hỗn hợp cĩ thể thay đổi trong phạm vi
rộng; trong khi đĩ, đối với quá trình cháy khuếch tán, màng lửa xuất hiện ở những khu vực cục bộ cĩ thành phần hỗn hợp gần với giá trị cháy hồn tồn lí thuyết.
Cũng như trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức, nhiệt độ cực đại là yếu tố ảnh hưởng lớn đến sự hình thành NO trong quá trình cháy của động cơ Diesel. Trong mọi loại động cơ, sản phẩm cháy của bộ phận nhiên liệu cháy trước tiên trong chu trình đĩng vai trị quan trọng nhất đối với sự hình thành NO vì sau khi hình thành, bộ phận sản phẩm cháy đĩ bị nén làm nhiệt độ gia tăng do đĩ làm tăng nồng độ NO.
Mặt khác, do quá trình cháy khuếch tán, trong buồng cháy động cơ diesel luơn tồn tại những khu vực hay các ‘túi’ khơng khí cĩ nhiệt độ thấp. Nhờ bộ phận khơng khí này mà NO hình thành trong buồng cháy động cơ diesel được làm mát (gọi là sự ‘tơi’ NO) nhanh chĩng hơn trong trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức và do đĩ NO ít cĩ khuynh hướng bị phân giải hơn.
1.4.3.4. Khí thải Hydrocarbon (HC)
a. Ảnh hưởng HC đến sức khỏe con người và động vật
Khí thải hydrocarbon là sản phẩm do nhiên liệu khơng cháy hết, cháy khơng hồn tồn là do một số nguyên nhân như tỷ lệ khơng khí/nhiên liệu quá giàu, hịa khí ít cĩ khả năng tiếp cận với màng lửa nên nhiên liệu cháy khơng hết hoặc do hiện tượng cháy khơng bình thường. Hợp chất hydrocarbon gồm nhiều loại từ các hợp chất hữu cơ đơn giản như metan tới hydrocarbon thơm, alđehyt, ester, hợp chất hữu cơ của halogen cũng như hợp chất hữu cơ cĩ chứa liên kết lưu huỳnh hoặc nitơ. Các hợp chất hữu cơ thường rất độc đối với cơ thể người và động vật. Một số hợp chất hữu cơ như benzen, PAH (hợp chất hydrocarbon thơm đa nhân) cĩ thể là nguyên nhân gây bệnh ung thư. Một số hợp chất hữu cơ halogen là xúc tác cho quá trình phân hủy ozone ở tầng bình lưu. Một số chất hữu cơ hoạt tính lại xúc tiến cho quá trình phân hĩa vật chất và đặc biệt là một số chất hữu cơ gây ơ nhiễm do mùi như các mecaptan và aldehyt.
b. Cơ chế hình thành HC
Thành phần nguyên tố và cấu trúc phân tử của nhiên liệu cĩ ảnh hưởng rất lớn đến thời gian dài ngắn của giai đoạn cháy trễ. Trong nhiên liệu chứa càng nhiều hydrocarbon loại parafin thì số cetane của nĩ càng lớn và tương ứng với thời gian cháy trễ càng ngắn nên làm giảm hiện tượng cháy rớt, quá trình cháy triệt để hơn. Ngược lại, nếu nhiên liệu chứa càng nhiều carbon thơm thì thời gian cháy trễ lớn hơn, làm
tăng hiện tượng cháy rớt và quá trình cháy sẽ khơng hồn tồn làm cho thành phần HnCm trong khí thải tăng lên.
Ở động cơ phun trực tiếp, hiện tượng nhả khĩi đen làm giới hạn khả năng tăng độ đậm đặc trung bình của hỗn hợp ở chế độ tồn tải. Ở chế độ tải thấp, tốc độ phun bé và lượng nhiên liệu phun vào nhỏ, do đĩ động lượng của tia phun bé làm giảm lượng khơng khí kéo theo vào tia nên độ đậm đặc cục bộ rất cao. Trong điều kiện quá độ khi gia tốc, hỗn hợp trong buồng cháy cĩ thể rất đậm đặc. Trong trường hợp đĩ, dù tỷ lệ nhiên liệu khơng khí tổng quát trong tồn buồng cháy thấp nhưng độ đậm đặc cục bộ rất cao trong giai đoạn giãn nở và thải. Khi độ đậm đặc cục bộ vượt quá 0,9 thì nồng độ HC sẽ gia tăng đột ngột. Ảnh hưởng tương tự như vậy cũng diễn ra trong động cơ cĩ buồng cháy dự bị. Tuy nhiên cơ chế này chỉ gây ảnh hưởng đến nồng độ HC khi gia tốc và nĩ gây ảnh hưởng đến nồng độ HC ít hơn khi hỗn hợp nghèo ở chế độ khơng tải hay tải thấp.