Quá trình phát thải động cơ diesel

Quá trình phát thải động cơ Diesel
Quá trình cháy lí tưởng của hỗn hợp hydrocarbon với không khí chỉ
sinh ra CO2, H2O và N2. Tuy nhiên, do sự không đồng nhất của hỗn hợp cũng
như do tính chất phức tạp của các hiện tượng lý hóa diễn ra trong quá trình cháy
nên trong khí thải động cơ đốt trong luôn có chứa một hàm lượng đáng kể
những chất độc hại như Oxít Nitơ (NO, NO2, N2O, gọi chung là NOx), carbon
monoxide (CO), các hydrocarbon chưa cháy (HC) và các hạt rắn, đặc biệt là bồ
hóng. Nồng độ các chất ô nhiễm trong khí thải phụ thuộc vào loại động cơ và
chế độ vận hành. Ở động cơ Diesel, nồng độ CO rất bé, chiếm tỉ lệ không đáng
kể; nồng độ HC chỉ bằng khoảng 20% nồng độ HC của động cơ xăng còn nồng
độ NOx của hai loại động cơ có giá trị tương đương nhau. Trái lại, bồ hóng là
chất ô nhiễm quan trọng trong khí thải động cơ Diesel. [25]

Hình 2.4 – Hàm lượng khí thải của động cơ Diesel
Những tạp chất, đặc biệt là lưu huỳnh và các chất phụ gia trong nhiên liệu
cũng có ảnh hưởng đến thành phần các chất ô nhiễm trong sản phẩm cháy.
Thông thường Diesel thương mại cho động cơ Diesel có chứa khoảng 500ppm
lưu huỳnh. Trong quá trình cháy, lưu huỳnh bị oxy hóa thành SO 2, sau đó một
bộ phận SO2 bị oxy hóa thành SO3, chất có thể kết hợp với nước để tạo H2SO4.


Một trong những thông số có tính tổng quát ảnh hưởng đến mức độ phát
sinh ô nhiễm của động cơ là hệ số dư lượng không khí ʎ. Sự phụ thuộc của
nồng độ NOx, CO, HC và bồ hóng (PM) trong khí thải theo ʎ.

Hình 2.5 - Biến thiên nồng độ các chất ô nhiễm theo hệ số dư lượng không khí
Đặc điểm tác hại của các khí độc hại trong khí xả động cơ Diesel
- CO: carbon monoxide là sản phẩm khí không màu, không mùi, không vị,
sinh ra do ô xy hoá không hoàn toàn cacbon trong nhiên liệu trong điều kiện
thiếu oxy. CO ngăn cản sự dịch chuyển của hồng cầu trong máu làm cho các bộ
phận của cơ thể bị thiếu oxy. Nạn nhân bị tử vong khi 70% số hồng cầu bị

khống chế (khi nồng độ CO trong không khí lớn hơn 1000 ppm). Ở nồng độ
thấp hơn, CO cũng có thể gây nguy hiểm lâu dài đối với con người: khi 20%
hồng cầu bị khống chế, nạn nhân bị nhức đầu, chóng mặt, buồn nôn và khi tỉ số
này lên đến 50%, não bộ con người bắt đầu bị ảnh hưởng mạnh. [25]
Cơ chế hình thành CO: CO sinh ra do quá trình cháy không hoàn toàn của
hỗn hợp giàu hay do phân giải sản phẩm của quá trình cháy. Nồng độ CO phụ
thuộc mạnh vào thành phần hỗn hợp, hay nói cách khác, phụ thuộc vào hệ số dư
lượng không khí . Ở điều kiện hỗn hợp giàu, lượng oxy có mặt trong hỗn hợp
không đủ để oxy hóa hoàn toàn cacbon của nhiên liệu thành khí CO2. Mặt khác,
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.


- NOx: NOx là họ các Oxit Nitơ, trong đó NO chiếm đại bộ phận. NO x
được hình thành do N2 tác dụng với O2 ở điều kiện nhiệt độ cao (vượt quá
1100°C). Nitơ monoxide (x=1) không nguy hiểm mấy, nhưng nó là cơ sở để tạo
ra nitơ dioxide (x=2). NO2 là chất khí màu hơi hồng, có mùi, khứu giác có thể
phát hiện khi nồng độ của nó trong không khí đạt khoảng 0,12 ppm. NO 2 là
chất khó hòa tan, do đó nó có thể theo đường hô hấp đi sâu vào phổi gây viêm
và làm hủy hoại các tế bào của cơ quan hô hấp. Nạn nhân bị mất ngủ, ho, khó
thở. Nitơ protoxide N2O là chất cơ sở tạo ra ozone ở hạ tầng khí quyển.
Cơ chế hình thành NOx: Trong họ NOx thì NO chiếm tỉ lệ lớn nhất. NOx
chủ yếu do N2 trong không khí nạp vào động cơ tạo ra. Nhiên liệu chứa rất ít
nitơ nên ảnh hưởng của chúng đến nồng độ NOx không đáng kể. Nhiên liệu
nặng sử dụng ở động cơ tàu thủy tốc độ thấp có chứa khoảng vài phần nghìn
nitơ (tỉ lệ khối lượng) nên có thể phát sinh một lượng nhỏ NO x trong khí thải.
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

(1)

N + O2  NO + O

(2)

N + OH  NO + H

(3)

Phản ứng (3) xảy ra khi hỗn hợp rất giàu. NO tạo thành trong màng lửa và
trong sản phẩm cháy phía sau màng lửa. Trong động cơ, quá trình cháy diễn ra
trong điều kiện áp suất cao, vùng phản ứng rất mỏng ( khoảng 0.1 mm) và thời
gian cháy rất ngắn; thêm vào đó, áp suất trong xylanh tăng trong quá trình cháy,
điều này làm nhiệt độ của bộ phận khí cháy trước cao hơn nhiệt độ đạt được
ngay sau khi ra khỏi khu vực màng lửa nên đại bộ phận NO hình thành trong
khu vực sau màng lửa. Sự hình thành NO phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt độ.
N2 + O2  2NO

(4)


Phản ứng (4) tạo NO có tốc độ thấp hơn nhiều so với phản ứng cháy. Nồng
độ NO cũng phụ thuộc mạnh vào 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 [15].
Sự hình thành NO2
Đối với động cơ diesel, người ta thấy có đến 30% NO x dưới dạng NO2.
Nitơ dioxide NO2 được hình thành từ nitơ monooxit NO và các chất trung gian
của sản vật cháy theo phản ứng:

NO + HO2  NO2 + OH (5)
Trong điều kiện nhiệt độ cao NO 2 tạo thành có thể phân giải theo phản
ứng:
NO2 + O  NO + O2

(6)

Trong trường hợp NO2 sinh ra trong ngọn lửa bị làm mát ngay bởi môi
chất có nhiệt độ thấp thì phản ứng (6) bị khống chế, nghĩa là NO 2 tiếp tục tồn tại
trong sản vật cháy. 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. Nitơ dioxide cũng hình thành trên đường xả khi tốc độ thải thấp
và có sự hiện diện của oxy. NO2 là chất độc khí nhất trong họ NOx vì vậy việc tổ
chức tốt quá trình cháy để giảm tốc độ phản ứng tạo thành và tăng tốc độ phản
ứng phân giải chất ô nhiễm này có ý nghĩa quan trọng [25].
Sự hình thành N2O
Nitơ protoxide

N2O

chủ yếu hình thành từ các chất trung gian NH và NCO

khi chúng tác dụng với NO:
NH + NO  N2O + H

(7)

NCO + NO  N2O + CO (8)
N2O chủ yếu được hình thành ở vùng oxy hóa có nồng độ nguyên tử H cao,
mà hydrogene là chất tạo ra sự phân hủy mạnh nitơ protoxide theo phản ứng:

N2O + H  NH + NO

(9)


N2O + H  N2 + OH

(10)

Chính vì vậy N2O chỉ chiếm tỉ lệ rất thấp trong khí thải của động cơ đốt
trong (khoảng 3 ÷ 8ppmV).
- Hydrocarbon: Hydrocarbon (HC) có mặt trong khí thải do quá trình
cháy không hoàn toàn khi hỗn hợp giàu, hoặc do hiện tượng cháy không bình
thường. Chúng gây tác hại đến sức khỏe con người chủ yếu là do các
hydrocarbon thơm. Từ lâu người ta đã xác định được vai trò của benzen trong
căn bệnh ung thư máu (leucémie) khi nồng độ của nó lớn hơn 40 ppm hoặc gây
rối loạn hệ thần kinh khi nồng độ lớn hơn 1g/m 3, đôi khi nó là nguyên nhân gây
các bệnh về gan.
Cơ chế hình thành HC: Sự phân bố không đồng đều nhiên liệu trong
xylanh ngay lúc bắt đầu phun được giới thiệu trên Hình 2.6. Trong dòng xoáy
lốc, sự tự cháy diễn ra trong khu vực có độ đậm đặc hơi thấp hơn 1. Do đó trong
vùng này có mặt nhiên liệu chưa cháy hết, những sản vật phân giải từ nhiên liệu,
những sản phẩm oxy hóa cục bộ (CO, aldehyde và những oxít khác) và một bộ
phận của những sản phẩm này có mặt trong khí thải. Tầm quan trọng của những
hydrocarbon chưa cháy từ những khu vực nghèo này phụ thuộc vào lượng nhiên
liệu phun vào động cơ trong thời kì cháy trễ, phụ thuộc vào tỉ lệ không khí kéo
theo vào tia trong giai đoạn này và những điều kiện lí hóa ảnh hưởng đến sự tự
cháy trong xylanh.

Hình 2.6 - Cơ chế hình thành HC [25]