Hình 2.2 Đặc tính các thành phần độc hại của động cơ xăng theo hệ số dƣ lƣợng khơng
khí λ [17]
Nhƣ vậy các chất thải chính có trong khí thải động cơ xăng là NOx, CnHm, và CO. Nồng độ các chất nói trên phụ thuộc rất nhiều vào hệ số dƣ lƣợng khơng khí λ (mức độ đậm nhạt của hỗn hợp) đƣợc thể hiện một cách định tính nhƣ trên hình 2.2, sau đây ta sẽ phân tích rõ hơn về sự phụ thuộc này:
17
Ta có Carbon monoxyde đƣợc hình thành từ phản ứng sau: 2C + O2 = 2CO
Đây là phản ứng cháy thiếu oxy. Rõ ràng hệ số dƣ lƣợng khơng khí λ càng nhỏ thì CO càng tăng và ngƣợc lại.
Khi λ < 1, quá trình cháy thiếu oxy nên thành phần CO lớn, trong quá trình giãn nở một phần CO sẽ kết hợp với hơi nƣớc (có trong sản phẩm cháy để tạo thành CO2).
CO + H2O = CO2 + H2
Khi λ > 1, về lý thuyết sẽ thừa oxy nhƣng vẫn còn một lƣợng nhỏ CO. Lý do là trong buồng cháy vẫn có những vùng cục bộ có λ < 1, tại đó q trình cháy thiếu oxy. Mặt khác, tại những vùng sát vách, do hiệu ứng làm lạnh cịn gọi là hiệu ứng sát vách nên CO khơng oxy - hóa tiếp thành CO2.
CnHm (các hydrocarbure chƣa cháy hết):
Trên hình 2.2 thể hiện rõ CnHm đạt giá trị nhỏ nhất ở λ = 1,1 ÷ 1,25. Những vùng có giá trị ngồi vùng này có tỉ lệ nhiên liệu – khơng khí q đậm hoặc q nhạt, có khi vƣợt ra ngồi giới hạn cháy nên nhiên liệu không cháy đƣợc. Mặt khác, đối với bất cứ giá trị λ nào, trong buồng cháy cũng có những vùng đặc biệt mà hỗn hợp không thể cháy đƣợc nhƣ:
Lớp sát vách các chi tiết: Có nhiệt độ thấp nên khi màng lửa lan tràn đến đây sẽ bị dập tắt, do đó nhiên liệu tại đây không đƣợc đốt cháy. Hiện tƣợng này đƣợc gọi là hiệu ứng sát vách.
Vùng giữa các kẽ hẹp: Khe giữa đầu Piston và xy lanh…
Ngồi ra, trong q trình nén thƣờng hình thành màng dầu trên mặt gƣơng xy lanh. Trong quá trình giãn nở áp suất giảm, màng dầu bay hơi làm tăng CmHn.
Thành phần của CnHm rất đa dạng: Thành phần chủ yếu là hydrocarbure thơm (benzene, toluen, etyl benzene…) Olephin (propan, etan…) hay Paraphin (metan…)…
NOx (Oxyde Nito):
NOx hình thành từ phản ứng Oxy-hố nitơ trong điều kiện nhiệt độ cao của quá trình cháy. Thành phần của NOx phụ thuộc rất nhiều vào hệ số dƣ khơng khí λ tức nồng độ
18
Oxy của hỗn hợp và nhiệt độ quá trình cháy, đạt giá trị cực đại tại λ = 1,05 ÷ 1,1. Tại đây nhiệt độ của quá trình cháy đủ lớn để Oxy và Nitơ phân huỷ thành ngun tử có tính năng hoạt hố cao và cũng tại đây nồng độ Oxy đủ lớn bảo đảm đủ Oxy cho phản ứng, do đó NOx đạt cực đại. Trƣớc giá trị này, khi λ tăng, nồng độ Oxy tăng, nên NOx tăng. Sau khi đạt cực đại, khi λ tăng hỗn hợp nhạt nhiệt độ của quá trình cháy giảm nên NOx giảm.
Thành phần của NOx: NO chiếm tới 90 ÷ 98% tuỳ thuộc vào λ, phần cịn lại là NO2. Cơ chế hình thành NO đƣợc mô tả dƣới đây, trƣớc hết dƣới nhiệt độ cao Oxy bị phân huỷ thành Oxy nguyên tử.
O2 ↔ 2O
Tiếp theo là các phản ứng với sự tham gia của các ngun tử có tính năng hoạt hố cao:
N2 + O ↔ NO +N O2 + N ↔ NO +O
Hai phản ứng này đƣợc gọi là chuỗi Zeldovich. Ngồi ra NO cịn đƣợc hình thành từ phản ứng sau:
OH + N ↔ NO + H
Thực nghiệm chứng tỏ, NO hình thành chủ yếu ở phía sau ngọn lửa trong vùng cháy và các phản ứng hình thành NO diễn ra rất chậm so với quá trình hình thành CO.
Ngồi 3 thành phần độc hại chính trên trong khí thải động cơ đốt trong cịn có các hợp chất chứa chì.
Các hợp chất chứa chì:
Để chống kích nổ trong động cơ xăng ngƣời ta thƣờng pha vào xăng các hợp chất phụ gia chứa chì nhƣ: Tetraetin chì có cơng thức hoá học là Pb(C2H5)4. Do đó trong sản phẩm cháy của động cơ xăng (dùng xăng pha chì) có các hợp chất chứa chì ở dạng hạt rắn rất nhỏ, tuy cũng có tác dụng rà khít xupap với đế xupap nhƣng cũng gây mài mòn các chi tiết của động cơ, đồng thời gây tác hại đối với môi trƣờng và sức khoẻ con ngƣời. Để giảm ảnh hƣởng mài mòn các chi tiết của động cơ, ngƣời ta pha vào xăng các
19
hợp chất vô cơ của nhóm halogen (nhƣ clo và brôm). Các hợp chất này có tác dụng làm giảm nhiệt độ sơi của Oxit chì. Sau phản ứng cháy các hợp chất của nhóm halogen với chì sẽ đƣợc thải ra khỏi buồng cháy dƣới dạng khí.
Do những tác hại nêu trên phụ gia pha chì ngày càng ít đƣợc sử dụng. Nhiều nƣớc đã thực hiện thành cơng cấm hồn tồn xăng pha chì nhƣ: Mỹ, Nhật Bản, Canada, Áo, Thuỵ Điển, Brazin, Clombia, Crotia, Thái Lan… từ 29/11 đến 01/12/1999 tại Hà Nội đã diễn ra hội thảo quốc tế với sự bảo trợ của ngân hàng thế giới về loại bỏ xăng pha chì ở Việt Nam. Tại cuộc hội thảo, Chính Phủ đã đƣa ra một dự án bắt đầu vào năm 2002 với mục tiêu loại bỏ hồn tồn xăng pha chì vào năm 2006. Dự án thử nghiệm đối chứng xăng khơng pha Chì đã đƣợc thử nghiệm ngay sau hội thảo tại phịng thí nghiệm của bộ mơn Động Cơ Đốt Trong trƣờng ĐH Bách Khoa Hà Nội. Kết quả thử nghiệm đã góp phần quan trọng cho Thủ Tƣớng Chính Phủ đƣa ra quyết định sử dụng xăng khơng pha chì cho tồn bộ lãnh thổ Việt Nam (trừ mục đích quân sự) từ ngày 01/07/2001.
b. Đối với động cơ Diesel
Hình 2.3 sau đây thể hiện đƣờng đặc tính các chất độc hại chủ yếu trong động cơ Diesel phun trực tiếp theo hệ số dƣ lƣợng khơng khí a.