2.1 Khí thải hình thành từ động cơ đốt trong
2.1.2.2 Cơ chế hình thành các chất độc hại trong khí thải
Do khác nhau về nhiên liệu, quá trình hình thành hỗn hợp và quá trình cháy nên tỉ lệ các chất độc hại có trong khí thải động cơ xăng và động cơ Diesel cũng khác nhau.
a. Đối với động cơ xăng
16
khí thải động cơ xăng theo chu trình thử đặc trƣng của châu Âu.
Hình 2.1 Tỉ lệ (khối lƣợng) các chất độc hại trong khí xả động cơ xăng [17]
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 còn gọi là hiệu ứng sát vách nên CO không 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 quá 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 khơng 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 mơ 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. Ngoài 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 hố 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 hoàn 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 môn 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.
20
Đặc điểm của động cơ Diezel là hỗn hợp cháy đƣợc hình thành bên trong xylanh nên hệ số dƣ lƣợng khơng khí a nằm trong một giới hạn rất rộng, cụ thể từ 1,2 đến 10 từ tồn tải đến khơng tải. Chính vì giới hạn a rộng nên điều chỉnh tải bằng phƣơng pháp điều chỉnh a cịn gọi là điều chỉnh chất. Do đó, khác với điều chỉnh lƣợng của động cơ xăng, trên đƣờng nạp khơng có tiết lƣu.
Hình 2.4 Cơ chế hình thành các chất độc hại của động cơ Diesel truyền thống khơng
hình thành hỗn hợp trƣớc
Qua hình 2.4 ta thấy lƣợng NOx hình thành nhiều nhất ở vùng cháy hoàn toàn a = 1 do nhiệt độ cao. HC tồn tại nhiều ở vùng hỗn hợp nhạt do khơng đủ khơng 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 oxy hố trong lịng ngọn lửa bị khuếch tán. Sau đây ta sẽ khảo sát những đặc tính này.
CO (Carbon monoxyde):
Trong khí thải động cơ Diezel, tuy a > 1 và khá lớn (thừa Oxy) nhƣng vẫn có thành phần CO mặc dù khá nhỏ là do vẫn có những vùng với a < 1 (thiếu Oxy). Khi a tăng ban đầu CO giảm do nồng độ Oxy tăng và đạt giá trị cực tiểu tại a = 1,6. Tiếp tục tăng a, CO tăng do tỷ lệ tái hợp của CO và Oxy trong quá trình giãn nở giảm đi nên lƣợng CO cịn lại trong khí thải tăng lên.
CnHm(các hydrocarbure chƣa cháy hết):
Do a lớn nên CnHm trong động cơ Diezel so với động cơ xăng cũng nhỏ hơn. Khi a tăng, nhiệt độ cháy giảm nên phần nhiên liệu không cháy đƣợc CnHm sẽ tăng lên. Đối với phƣơng pháp hỗn hợp màng, do hiệu ứng sát vách ảnh hƣởng mạnh nên CnHm lớn
21
hơn so với trƣờng hợp hỗn hợp thể tích. Nếu tổ chức xốy lốc và hòa trộn tốt trong quá trình hình thành hỗn hợp, thành phần CnHm sẽ giảm.
NOx (Oxyde Nito):
Khi a tăng, nhiệt độ cháy giảm nên thành phần NOx giảm (xem Hình 2.3). So với ở động cơ xăng thì thành phần NO2 trong NOx cao hơn, cụ thể chiếm 5 đến 15%. Phƣơng pháp hình thành hỗn hợp khí có ảnh hƣởng lớn đến hình thành NOx. Đối với buồng cháy ngăn cách, quá trình cháy diễn ra ở buồng cháy phụ (hạn chế khơng khí) rất thiếu Oxy nên mặc dù nhiệt độ lớn nhƣng NOx vẫn nhỏ. Khi cháy ở buồng cháy chính, mặc dù a rất lớn, Oxy nhiều nhƣng 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.
Các chất thải dạng hạt:
Theo định nghĩa của Tổ chức bảo vệ mơi trƣờng bang California thì “P–M là những
thực thể (trừ nước) của khí thải sau khi được hồ trộn với khơng khí (làm lỗng) đạt nhiệt độ nhỏ hơn 51,70C và được tách ra bằng một bộ lọc quy định”.
Với định nghĩa nhƣ vậy, P–M gồm các hạt rắn và các chất lỏng bám theo. Các hạt rắn gồm: Carbon tự do và tro cịn gọi là bồ hóng (soot), các chất phụ gia dầu bơi trơn, các hạt và vảy tróc do mài mịn… chất lỏng bám theo gồm có các thành phần trong nhiên liệu và dầu bôi trơn.
Các hạt P–M có kích thƣớc từ 0,01 đến 1μm. Phần lớn hạt có kích thƣớc nhỏ hơn 0,3μm nên rất dễ bị hít vào và gây tổn thƣơng cho đƣờng hô hấp và phổi.
Thành phần của P–M phụ thuộc rất nhiều vào chế độ làm việc của động cơ và phƣơng pháp hình thành khí hỗn hợp. Thơng thƣờng P–M chứa:
- 40% dầu bôi trơn - 31% bồ hóng
- 14% các muối sunfat ngâm nƣớc - 7% nhiên liệu Diezel
22 - 8% các loại khác còn lại
Hợp chất chứa lƣu huỳnh:
Trong khí thải có các hợp chất chứa lƣu huỳnh là do trong nhiên liệu còn một lƣợng tạp chất lƣu huỳnh còn lại khi chƣng cất dầu mỏ. Trƣớc năm 1996, ở châu Âu quy định giới hạn hàm lƣợng lƣu huỳnh trong nhiên liệu tính theo khối lƣợng [S] < 0,2%. Sau năm 1996, giới hạn này càng đƣợc siết chặt hơn, [S] < 0,05%. Do nhiên liệu chứa lƣu huỳnh nên trong khí thải có SO2, kết hợp với hơi nƣớc sẽ tạo thành axít. Các hợp chất chứa lƣu huỳnh trong khí thải là một trong những nguyên nhân gây ra mƣa axít và tạo P–M thông qua các muối gốc sulfat.
2.1.3 Ảnh hƣởng của các khí thải trong động cơ đối với con ngƣời và môi trƣờng
Theo định nghĩa đƣợc Cộng đồng Châu Âu đƣa ra vào năm 1967: “Khơng khí gọi là ơ nhiễm khi thành phần của nó bị thay đổi hay khi có sự hiện diện của những chất lạ gây ra những tác hại mà khoa học chứng minh đƣợc hay gây ra sự khó chịu đối với con ngƣời” [20].