CHƯƠNG II: ĐẶC TÍNH, CƠ CHẾ HÌNH THÀNH, ẢNH HƯỞNG
2.2. Cơ chế hình thành khí thải của động cơ diezel[2 2]
2.2.1. Cơ chế hình thành NOx
NOx là tên gọi chung của ôxyt nitơ gồm các chất NO, NO2 và N2O hình thành do sự kết hợp giữa ôxy và nitơ ở điều kiện nhiệt độ cao. Trong đó thì NO chiếm tỉ lệ lớn nhất. Trong khí thải động cơ diesel, người ta thấy có đến 30%
NOx dưới dạng NO2.
NOx chủ yếu do N2 trong không khí nạp vào động cơ ở điều kiện nhiệt độ cao tạo ra. Nhiên liệu xăng hay diesel chứa rất ít nitơ nên ảnh hưởng của chúng đến nồng độ NOx không đáng kể. Tuy nhiên phương pháp hình thành hỗn hợp có ảnh hưởng lớn đến việc hình thành NOx. Đối với buồng cháy ngăn cách, quá trình cháy diễn ra ở buồng cháy phụ (hạn chế không khí) rất thiếu oxy nên mặc dù nhiệt độ lớn nhưng NOx vẫn nhỏ. Khi cháy ở buồng cháy chính, mặc dù λ rất lớn, oxy nhiều nhưng nhiệt độ quá trình cháy không lớn nên NOx nhỏ.
Trong một nghiên cứu khác, sự hình thành NO do oxy hóa nitơ trong không khí có thể được mô tả bởi cơ chế Zeldovich. Trong điều kiện hệ số dư lượng không khí xấp xỉ 1, những phản ứng chính tạo thành và phân hủy NO là:
O + N2 ↔ NO + N (2.1)
O2+ N ↔ NO + O (2.2)
N + OH ↔ NO + H (2.3)
Phản ứng (2.3) xảy ra khi hỗn hợp rất giàu, λ lớn . Sự hình thành NO phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt độ và nồng độ oxy. Vì vậy trong điều kiện nhiệt độ cao và nồng độ O2 lớn thì nồng độ NO trong sản phẩm cháy cũng lớn. Diôxyt nitơ NO2
được hình thành từ mônôxyt nitơ NO và các chất trung gian của sản phẩm cháy theo phản ứng sau:
NO + HO2↔ NO2 +OH (2.4)
Trong điều kiện nhiệt độ cao, NO2 tạo thành có thể phân giải theo phản ứng:
NO2 + O ⇄ NO +O2 (2.5)
Khi động cơ diesel làm việc ở chế độ tải thấp thì phản ứng ngược biến đổi NO2
thành NO cũng bị khống chế bởi các vùng không khí có nhiệt độ thấp. Diôxyt nitơ cũng hình thành trên đường xả khi tốc độ thải thấp và có sự hiện diện của ôxy. Hình 2.2 cho thấy biến thiên của tỉ lệ NO2/NOx trên đường xả động cơ diesel theo chế độ tải. Tỉ lệ này càng cao khi tải càng thấp.
2.2.2. Cơ chế hình thành oxyt cacbon (CO)
Trong khí thải động cơ diezel, tuy λ khá lớn (thừa oxy) nhưng vẫn có lượng nhỏ thành phần CO, nguyên nhân là do vẫn có những vùng cục bộ thiếu oxy. Khi λ tăng, ban đầu CO giảm do nồng độ oxy tăng và đạt cực tiểu tại λ≈2.
Nếu tiếp tục tăng λ thì CO tăng do tỷ lệ tái hợp của CO với oxy trên quá trình giãn nở giảm đi.
2.2.3. Cơ chế hình thành hydro cacbon (HC)
Hợp chất cacbuahydro trong khí thải có nguyên nhân từ quá trình cháy không hoàn toàn khi hỗn hợp quá giầu nhiên liệu hoặc do hiện tượng cháy không bình thường. Thành phần của HC ở đây có thể kể tới propan, etan, benzen, toluene,...
Do nguyên lí làm việc của động cơ diesel, thời gian lưu lại của nhiên liệu trong buồng cháy ngắn nên thời gian dành cho việc hình thành sản phẩm cháy không hoàn toàn cũng rút ngắn làm giảm thành phần hydrocarbure cháy không hoàn toàn trong khí xả. Nhiên liệu diesel chứa hydrocarbure có điểm sôi cao, nghĩa là khối lượng phân tử cao, nên sự phân hủy nhiệt diễn ra ngay từ lúc phun nhiên liệu.
Chúng ta có thể chia ra hai khu vực đối với bộ phận nhiên liệu được phun buồng cháy: khu vực hỗn hợp quá nghèo do pha trộn với kh
nhanh và khu vực hỗn hợp quá giàu do pha trộn với không khí quá chậm. Trong trường hợp đó, chủ yếu là khu vực hỗn hợp quá nghèo diễn ra sự cháy không hoàn toàn còn khu vực hỗn hợp quá giàu sẽ tiếp tục cháy khi hòa trộn thêm không khí.
Mức độ phát sinh HC trong động cơ diesel phụ thuộc nhiều vào điều kiện vận hành; ở chế độ không tải hay tải thấp, nồng độ HC cao hơn ở chế độ đầy tải.
Thêm vào đó, khi thay đổi tải đột ngột có thể gây ra sự thay đổi mạnh các điều kiện cháy dẫn đến sự giatăng HC do những chu trình bỏ lửatrong động cơ diesel không gây ảnh hưởng quan trọng đến nồng độ HC trong khí xả vì trong quá trình nén và giai đoạn đầu của quá trình cháy, các không gian chết chỉ chứa không khí và khí sót.
2.2.4. Cơ chế hình thành chất thải dạng hạt (Particulate matter-PM)
Cỏc hạt bụi PM trong khớ thải động cơ diesel cú kớch thước từ 0.01 đến 1 àm.
Trong đú, phần lớn hạt cú kớch thước <0.03 àm nờn dễ bị hớt vào và gõy tổn thương cho đường hô hấp và phổi. Hạt bụi hình thành chủ yếu là do nhiên liệu cháy ở dạng hơi. Thông thường PM trong khói thải động cơ chứa khoảng 40%
dầu bôi trơn, do từ thành xilanh bay hơi lên, 31 % là bồ hóng, 14% muối sunfat ngậm nước, 7% là nhiên liệu diesel, 8% còn lại như chóc vẩy, chất phụ gia cháy ở dạng rắn.
Khi λ nhỏ và nhiệt độ cháy lớn thì nhiên liệu phân hủy nhiều thành bồ hóng, với λ lớn hơn, nhiệt độ cháy giảm nên tỷ lệ nhiên liệu bị phân hủy giảm nên PM cũng giảm, từ λ= 3 trở đi, PM trong khí thải hầu như không đổi.
2.2.5. Cơ chế hình thành bồ hóng
Quá trình cháy khuếch tán trong động cơ diesel rất thuận lợi cho việc hình thành bồ hóng (chính là chất muội khói trong khí thải diesel). Chính 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 có nhiệt độ cao là nguyên nhân chính sản sinh bồ hóng. Quá trình cháy khuếch tác được áp dụng rộng rãi trong nguyên lý cháy động cơ diesl vì nó an toàn. Tuy nhiên do đặc điểm phân bố nhiên liệu không đồng nhất, việc khống chế quá trình cháy của nó gặp nhiều khó
khăn hơn so với quá trình cháy của hỗn hợp đồng nhất. Cũng chính vì sự phân bố hỗn hợp không đồng nhất mà trong sản phẩm cháy của ngọn lửa khuếch tán luôn tồn tại những sản phẩm cháy không hoàn toàn. Trong số những sản phẩm cháy không hoàn toàn này người ta đặc biệt quan tâm đến bồ hóng.
Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, nồng độ bồ hóng có mặt trong khí cháy sau khi thoát ra khỏi ngọn lửa khuếch tán phụ thuộc vào 4 yếu tố cơ bản: thành phần nhiên liệu, nồng độ nhiên liệu, nồng độ ôxy và sự phân bố nhiệt độ trong ngọn lửa.
Một cách tổng quan ta có thể xem quá trình hình thành bồ hóng xảy ra qua 4 giai đoạn [23]:
• Giai đoạn 1: Hình thành các hợp chất trung gian (vd: ethylene, …) từ quá trình pyrolyse nhiên liệu (quá trình hỏa phân). Etylen sẽ được polymer hóa và hình thành các cấu trúc đa vòng, hay chính xác hơn là các cấu trúc turbostratique. Cấu trúc turbostratique là các chồng đồng tâm của các vòng 6 carbon được sắp xếp một cách bất kì.
• Giai đoạn 2: Phát triển nhân và tạo thành các hạt rắn đầu tiên. Các hạt này có hình cầu, bán kính từ 1 đến 2 nm.
• Giai đoạn 3: Kết tụ của các hạt rắn ở trên (các hạt rắn kết dính với nhau và hình thành hạt rắn lớn hơn), cho đến khi hình thành các khối cầu có kích thước khoảng 10 – 30 nm. Đến đây có thể gọi các hạt này là hạt bồ hóng sơ cấp.
• Giai đoạn 4: Sự kết tụ của các hạt bồ hóng sơ cấp tạo thành các tập hợp hạt. Các tập hợp hạt này thu được có kích thước lên đến hàng trăm nm.
Hạt bồ hóng được hình thành như sau:
Hình 2.1. Các giai đoạn hình thành bồ hóng
Bồ húng được tạo thành từ nhiều hạt rắn cú kớch thước khoảng 0.3 àm.
Các hạt rắn này lại được tạo thành từ các hạt cacbon nhỏ hơn có bán kính khoảng 10 – 60 nm liên kết lại với nhau thành dạng chuỗi hay tập hợp hạt, có hình thù
‘kết túm’ đặc trưng và có thể coi hạt bồ hóng diesel là một hỗn hợp của các cấu tử hữu cơ và vô cơ.
Hình 2.2. Cấu trúc của bồ hóng và các hợp chất hấp thụtrên bề mặt Bồ hóng được tạo nên từ một pha rắn ở tâm và một pha ngưng tụ trên bề mặt. Tâm của bồ hóng là than cacbon, pha ngưng tụ thực chất là các chất hữu cơ gồm các hydrocacbon ngưng tụ trong pha lỏng trên bề mặt (SOF) và các sunfat.
2.2.6. Cơ chế hình thành các hợp chất của lưu huỳnh
Hợp chất chứa lưu huỳnh có trong khí thải động cơ diesel có nguồn gốc từ các chất hữu cơ chứa lưu huỳnh trong nhiên liệu. Khi nhiên liệu cháy, lưu huỳnh trong các hợp chất hóa học này chuyển thành SO2, một phần SO2(khoảng 2%) sẽ bị oxi hóa thành SO3, SO3 sau đó sẽ phản ứng với nước để tạo thành các giọt lỏng axit sunfuric.
2.3. Các ảnh hưởng của khí thải động cơ diesel [22,23]
Khí thải từ phương tiện giao thông nói chung và khí thải từ phương tiện lắp động cơ diesel nói riêng gây ra ảnh hưởng rất nghiêm trọng đối với sức khoẻ con người và hệ động thực vật trong môi trường sống (mục 1.3). Trong đó, bồ hóng trong khí thải động cơ diesel gây ra các ảnh hưởng nghiêm trọng.
Bồ hóng là chất ô nhiễm rất độc đối với con người. Các nghiên cứu cho thấy các hạt rắn này góp phần tạo thành các đám bụi lơ lửng trong không khí.
Kích thước của hạt bồ hóng đóng một vai trò quan trọng. Hạt càng nhỏ, chúng càng lơ lửng lâu trong không khí, khi con người hít phải, chúng dễ dàng đi sâu vào phổi, thời gian chúng lưu lại càng lâu. Nếu các hạt có kích thước nhỏ hơn
àm, cỏc hạt này cú thể thõm nhập vào tận cỏc phế nang của phổi. Rừ ràng cỏc hạt rắn này là nguồn gốc của các bệnh về hô hấp thường gặp như: hen suyễn, viêm phế quản và ung thư phổi. Nó còn là nguyên nhân gây ra bệnh ung thư do các hydrocarbure thơm mạch vòng (HAP) hấp thụ trên bề mặt của chúng trong qua trình hình thành. Ngoài ra, bồ hóng cũng có khả năng gây ung thư da nếu nạn nhân tiếp xúc thường xuyên với chúng và gây bệnh tụ máu dẫn đến những tác động nguy hiểm đến hệ tim mạch.
Trong môi trường, các hạt bồ hóng trong không khí có tác dụng hấp thụ và khuếch tán ánh sáng mặt trời, làm giảm độ trong suốt của khí quyển và do đó làm giảm tầm nhìn. Khi nồng độ bồ hóng trong không khí đạt khoảng 0.1mg/m3 thì tầm nhìn xa chỉ còn 12km (so với tầm nhìn xa cực đại 36km), nhất là trong các đô thị có độ phát tán tầm thấp yếu và trên các trục đường có sự tập trung phương tiện diesel cao ở giờ cao điểm (nếu có khoảng 20% xe vận tải diesel trong luồng thì tầm nhìn giảm từ 25-30%). Điều này gây mất an toàn giao thông.
Ngoài ra, khi bồ hóng bám vào lá cây xanh thì khả năng quang hợp của lá cây bị giảm, làm cây cối dễ bị héo chết...