CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.2. Khái quát về các chất ô nhiễm trong khí thải động cơ Diesel phun trực tiếp
là các chất khí có thể ảnh hưởng lớn đến môi trường cần được kiểm soát.
Carbon Dioxide (CO2) quan hệ trực tiếp đến hiệu suất của một đơn vị quá trình cháy. Hiệu suất càng cao bao nhiêu thì lượng khí CO2 thải ra càng thấp bấy nhiêu.
Động cơ Diesel có hiệu suất cao vì thế lượng khí CO2 thải ra thấp hơn rất nhiều so với các loại động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu khác. CO2 là khí gây nên hiệu ứng nhà kính, vì thế cần được kiểm soát ở mức độ có thể chấp nhận được.
CO và HC trực tiếp liên quan đến quá trình cháy. Nếu quá trình cháy xảy ra hoàn hảo thì lượng khí CO và HC sẽ thấp. Tương tự CO2, CO và HC cũng cần được kiểm soát khi nói đến ô nhiễm do khí thải của động cơ đốt trong. SOx lại liên quan đến việc chọn nhiên liệu sử dụng. Nếu nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh cao thì khí thải sẽ có nhiều SOx. Chính vì vậy, ngày nay dầu Diesel có hàm lượng lưu huỳnh thấp được sử dụng rất phổ biến trong ngành vận tải. Bên cạnh việc sử dụng nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh thấp, các nhà sản xuất có thể trang bị thêm bộ lọc SOx, tuy nhiên bộ lọc ngày nay có kích thước to và giá đắt nên vẫn chưa được sử dụng nhiều.
Bồ hóng là chất ô nhiễm đặc biệt quan trọng trong khí thải động cơ Diesel, đặc biệt là động cơ Diesel phun trực tiếp. Quá trình cháy khuếch tán của loại động cơ này rất
thuận lợi cho việc tạo ra bồ hóng. Trong quá trình bốc hơi của nhiên liệu, sự tập trung cục bộ hơi nhiên liệu tại vùng có nhiệt độ cao là nguyên nhân chính sản sinh ra bồ hóng.
Bên cạnh đó, đối với động cơ Diesel phun trực tiếp, NOx là một trong những chỉ tiêu quan trọng đánh giá khí thải. Quá trình cháy khuếch tán của động cơ Diesel là một trong những tác nhân chính dẫn đến sự xuất hiện của NOx trong khí thải. Chính vì lí do đó, việc khống chế NOx là công việc đầu tiên và quan trọng khi nói đến việc xử lí khí thải trên động cơ này.
2.2.1. Bồ hóng (muội than)
Thành phần hạt bồ hóng:
- Cacbon: thành phần này ít nhiều phụ thuộc vào nhiệt độ cháy và hệ số dư lượng không khí trung bình, đặc biệt là khi động cơ hoạt động ở chế độ đầy tải hoặc quá tải.
- Dầu bôi trơn không cháy: đối với động cơ cũ, thành phần này chiếm tỉ lệ lớn, lượng dầu bôi trơn bị tiêu hao và lượng hạt bồ hóng có quan hệ với nhau.
- Nhiên liệu chưa cháy hoặc cháy không hoàn toàn: thành phần này phụ thuộc vào nhiệt độ và hệ số dư lượng không khí.
- Sunfur: do lưu huỳnh trong nhiên liệu bị oxi hóa thành SO2 hoặc SO4. - Các chất khác: canxi, silicon, chromium, photpho…
Thành phần hạt bồ hóng còn phụ thuộc vào tính chất nhiên liệu, đặc điểm của quá trình cháy, dạng động cơ cũng như thời hạn sử dụng của động cơ. Thành phần bồ hóng trong sản phẩm cháy của nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh cao khác với nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh thấp.
Cấu trúc hạt bồ hóng:
Hình 2-3 và 2-4 trình bày ảnh chụp khuếch đại của chuỗi và hạt sơ cấp tạo thành hạt bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel. Một cách tổng quát có thể nói hạt bồ hóng mà người ta thường gọi hình thành do sự liên kết của nhiều hạt sơ cấp hình cầu thành từng khối hoặc chuỗi. Một hạt bồ hóng có thể chứa đến 4000 hạt hình cầu sơ cấp. Các hạt sơ cấp này có đường kính từ 10 đến 80nm và đại bộ phận hạt nằm trong khoảng 15-30nm.
Đường kính trung bình của các hạt bồ hóng nằm trong khoảng 100-150nm, có khi đến 500-1000nm.
Hình 2-3: Cấu trúc chuỗi bồ hóng
Hình 2-4: Dạng những hạt ấp
Cấu trúc tinh thể của hạt bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel có dạng tương tự như graphit (hình 2-5 và 2-6) nhưng ít đều đặn hơn. Mỗi hạt sơ cấp hình cầu là một tập hợp khoảng 1000 mầm tinh thể, có dạng phiến mỏng, được xếp đồng tâm quanh tâm của mỗi hạt cầu, tương tự như cấu trúc hạt cacbon đen. Những nguyên tử cacbon kết nối với nhau theo các phiến lục giác phẳng, cách nhau 0,34-0,36nm (nhỉnh hơn một chút so với graphit: 0,33nm) các phiến này kết hợp với nhau tạo thành mầm tinh thể (từ 2-5 phiến) với cấu trúc giống như cacbon đen. Những mầm tinh này lại sắp xếp theo các hướng song song với mặt hạt cầu với kết cấu siêu tĩnh để tạo thành các hạt.
Hình 2-5: Mô hình cấu trúc dạng hạt
Hình 2-6: Cấu trúc tinh thể graphit
2.2.2. Oxit Nitơ NOx
Oxit Nitrogen là kết quả của sự kết hợp giữa Oxi và Nitơ trong không khí ở điều kiện nhiệt độ cao và áp suất cao trong buồng đốt. Nhiệt độ cần thiết để hình thành NOx là trên 1800K, chỉ xuất hiện trong kỳ nổ của động cơ.
Quá trình cháy trong động cơ Diesel gồm 2 giai đoạn: giai đoạn cháy đồng nhất diễn ra ngay sau thời kỳ cháy trễ và giai đoạn cháy khuếch tán. Sự phân bố nhiệt độ và thành phần khí cháy trong không gian buồng cháy là không đồng nhất. Với quá trình cháy khuếch tán, màng lửa xuất hiện ở những khu vực cục bộ có thành phần hỗn hợp gần với giá trị cháy lí thuyết. Trong quá trình này, luôn tồn tại những khu vực hay các
“túi” không khí có nhiệt độ thấp. Nhờ bộ phận không khí này mà NO hình thành trong buồng cháy động cơ Diesel được làm mát (gọi là sự “tôi” NO) nhanh chóng hơn và do đó NO ít có khuynh hướng bị phân giải.
Các quan sát thực nghiệm cho thấy hầu hết NO được hình thành trong khoảng 200 góc quay trục khuỷu tính từ lúc bắt đầu cháy. Do đó, khi giảm góc phun sớm, điểm bắt đầu cháy lùi dần về điểm chết trên (TDC), điều kiện hình thành NO cũng bắt đầu trễ hơn và nồng độ của nó cũng giảm do nhiệt độ cực đại thấp. Đối với động cơ Diesel cỡ lớn, giảm góc phun sớm có thể làm giảm 50% nồng độ NO trong khí xả trong phạm vi gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu chấp nhận được. Đối với động cơ Diesel nói chung, nồng độ NOx tăng theo độ đậm đặc trung bình. Tuy nhiên nồng độ NOx giảm theo độ đậm đặc chậm hơn động cơ đánh lửa cưỡng bức do sự phân bố không đồng nhất của nhiên liệu. Trong quá trình cháy của động cơ Diesel, độ đậm đặc trung bình phụ thuộc trực tiếp vào lượng nhiên liệu chu trình. Do đó, ở chế độ tải lớn nghĩa là áp suất cực đại tăng cao, nồng độ NOx tăng.
NOx có thành phần cấu tạo gồm 97% đến 98% NO và 2% NO2. NO bản thân là chất khí không màu nhưng khi kết hợp với oxi để hình thành NO2 thì nó lại có màu hơi nâu. Khi NO2 kết hợp với hydrocarbon dưới tác động của ánh sáng mặt trời sẽ gây nên hiện tượng quang hóa.