Giáo trình ô tô và ô nhiễm môi trường trường đh công nghiệp quảng ninh

Ngoài ra quá trình cháy không hoàn toàn sẽ tạo ra chất CnHmđa vòng dễ gây ung thư như benzo-3,4-pyrene, benzanthracene… d.Andehyt Andehyt là hợp chất rất độc và gây kích thích có trong k

LỜI NÓI ĐẦU

Để đáp ứng kịp thời yêu cầu của nhiệm vụ đào tạo, Trường ĐHCN Quảng Ninh tổ chức biên soạn cuốn giáo trình Ô tô và ô nhiễm môi trường Sách được dùng làm tài liệu giảng dạy và học tập cho sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô

tô trong nhà trường và làm tài liệu tham khảo cho những người làm công tác kĩ thuật trong ngành ô tô, kỹ thuật viên thiết kế

Trong quá trình biên soạn chúng tôi đã rất cố gắng để cuốn sách đảm bảo được tính khoa học, hiện đại và gắn liền với thực tế về sự phát triển của ngành công nghiệp sản xuất ô tô Nhưng do khả năng có hạn và những hạn chế về thời gian và những điều kiện khách quan khác, cuốn giáo trình chắc chắn sẽ không tránh khỏi những khiếm khuyết.

Chúng tôi mong nhận được ý kiến đóng góp của các bạn đọc và đồng nghiệp để lần tái bản sau được hoàn chỉnh hơn

Nhóm tác giả

1

CHƯƠNG 1

Ô TÔ – NGUỒN Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ 1.1 Khái niệm chung về không khí và ô nhiễm không khí

1.1.1 Đặc điểm của khí quyển

Khí quyển hay môi trường không khí là lớp vỏ khí bao bọc xung quanh Trái Đất Nó được cấu tạo bởi những đơn chất và hợp chất hóa học khác nhau Đặc điểm nổi bật của khí quyển là hầu hết các nguyên tố đều tồn tại ở trạng thái khí; trong đó hai nguyên tố chính là Nitơ và Oxy luôn ở trạng thái phân tử tự do (N2và O2) Thành phần các chất trong không khí khô, chưa bị ô nhiễm (không khí sạch) cách bề mặt Trái đất khoảng vài km được trình bày trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Hàm lượng trung bình của không khí khô chưa bị ô nhiễm

Thông thường trong tầng đối lưu, thành phần các chất khí chủ yếu tương đối ổn định, chỉ có nồng độ CO2 và hơi nước dao động mạnh Lượng hơi nước thường thay đổi theo thời tiết từ 4% thể tích vào mùa nóng ẩm tới 0,4% vào mùa khô Ngoài ra trong không khí ở tầng đối lưu còn có một lượng nhất định khí SO2và bụi

Trong tầng bình lưu luôn tồn tại quá trình hình thành và phá hủy ozôn Hiện nay, do hoạt động của con người, lớp khí ozôn có xu hướng mỏng dần

Không khí bao quanh con người là không khí ẩm Nó gồm không khí khô, hơi nước, các chất độc hại, các loại bụi vũ trụ, bụi Mặt đất, vi khuẩn, nấm, virut, phấn hoa, khí phóng

xạ, các loại chất hữu cơ và vô cơ dễ bay hơi…

1.1.2 Cấu trúc của khí quyển

Khí quyển có nhiều tầng, nhiều lớp khác nhau, được mở rộng đến độ cao khoảng 1000km rồi chuyển dần vào không gian không có không khí Nhiệt độ khí quyển thay đổi

từ -920C đến 17000C Cứ lên cao 100m thì nhiệt độ giảm 0,60

C

Khí quyển Trái đất có cấu trúc phân lớp, với các tầng đặc trưng từ dưới lên trên: tầng đối lưu, tầng bình lưu, tầng trung gian, tầng nhiệt, tầng điện ly

Tầng đối lưu (Troposphere) là tầng thấp nhất của khí quyển Nó chiếm khoảng 70%

khối lượng khí quyển, có nhiệt độ thay đổi giảm dần từ +400C ở lớp sát mặt đất tới -500C ở trên cao Ranh giới phía trên của tầng đối lưu khoảng 7-8 km ở hai cực và 16-18 km ở vùng xích đạo Trong tầng này luôn có sự chuyển động đối lưu của khối không khí bị nung nóng từ mặt đất Tầng đối lưu là tầng có mật độ không khí cao nhất và tập trung nhiều nhất hơi nước, bụi, là tầng luôn xuất hiện các hiện tượng thời tiết như mây, mưa, tuyết, mưa đá, bão v.v Giữa tầng đối lưu và tầng bình lưu có một lớp không khí dày khoảng 1km, ở đó

có sự chuyển đổi xu hướng từ giảm nhiệt theo chiều cao sang xu hướng tăng nhiệt độ theo chiều cao Lớp này được gọi là đối lưu hạn

Tầng bình lưu (Stratosphere): nằm trên tầng đối lưu, với ranh giới trên dao động

trong khoảng độ cao 50km Nhiệt độ không khí của tầng bình lưu có xu hướng tăng dần theo chiều cao, từ -560C ở phía dưới đến -20C ở phía trên Không khí tầng bình lưu loãng hơn, ít chứa bụi và ít xảy ra các hiện tượng thời tiết bất thường Ở độ cao khoảng 25km trong tầng bình lưu tồn tại một lớp không khí giàu ozôn thường được gọi là tầng ozôn Tầng ozôn có chức năng như một lá chắn bảo vệ cho Trái đất tránh khỏi những ảnh hưởng độc hại của tia tử ngoại từ mặt trời chiếu xuống

Tầng trung gian (Mesosphere): nằm ở phía trên tầng bình lưu kéo dài đến độ cao

khoảng 80km Nhiệt độ tầng này giảm dần theo độ cao, từ -20C ở phía dưới đến -920C ở lớp trên Tầng trung gian ngăn cách với tầng bình lưu bằng một lớp không khí mỏng

(khoảng 1km), ở đó sự biến thiên nhiệt độ của khí quyển chuyển từ dương sang âm gọi là bình lưu hạn

3

Tầng nhiệt (Thermosphere): có độ cao từ 80km đến 500km Ở tầng này nhiệt độ

không khí có xu hướng tăng dần theo độ cao, từ -920C đến 12000C Tuy nhiên, nhiệt độ không khí cũng thay đổi theo thời gian trong ngày, ban ngày thường rất cao và ban đêm thì thấp hơn Lớp chuyển tiếp giữa trung quyển và nhiệt quyển gọi là trung quyển hạn

Tầng điện ly nằm ở độ cao từ 800km trở lên Nhiệt độ tầng này lên đến 17000

C Do tác động của tia tử ngoại, các phân tử không khí loãng trong tầng bị phân hủy thành các ion dẫn điện và các điện trở tự do Tầng điện ly là nơi xuất hiện cực quang và phản xạ các sóng ngắn vô tuyến

Cấu trúc tầng khí quyển được hình thành do kết quả của lực hấp dẫn và nguồn phát sinh khí từ bề mặt Trái đất, có tác động to lớn trong việc bảo vệ và duy trì sự sống trên Trái đất

1.1.3 Khái niệm về ô nhiễm không khí

Không khí là một trong các yếu tố quan trọng và không thể thiếu để con người cũng như động thực vật sinh sống Sức khỏe và tuổi thọ của con người, sự sinh trưởng và phát triển của các loài động thực vật phụ thuộc rất nhiều vào: thành phần hỗn hợp của không khí, vào độ trong sạch và đặc tính lý hóa của nó

Không khí trong khí quyển mà chúng ta đang hít thở là một hỗn hợp các chất ở dạng khí có thể tích hầu như không đổi và hơi nước

Ngoài các thành phần chính của không khí sạch đã nêu trên, bất kỳ sự có mặt của một chất lạ nào khác gây biến đổi thành phần không khí, tạo ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người cũng như đến môi trường sinh thái cũng được gọi là chất ô nhiễm Như vậy các chất phát tán vào không khí từ nhiều nguồn khác nhau như SOx, NOx, bụi, các chất hữu cơ bay hơi… là các chất ô nhiễm Không khí chứa các chất ô nhiễm được gọi là các chất bị ô nhiễm

Ô nhiễm không khí và sự lan truyền của nó có thể biểu thị bằng sơ đồ trình bày trên Trong sơ đồ trên thì:

- Nguồn ô nhiễm được hiểu là nguồn thải ra các chất ô nhiễm Ví dụ, khí thải từ ống khói, khí thải từ xe cộ, đốt than, đốt dầu… Nó chủ yếu được phân thành nguồn ô nhiễm tự nhiên và nguồn ô nhiễm nhân tạo

- Khí quyển được coi là môi trường trung gian để vận chuyển chất ô nhiễm từ nguồn gây ô nhiễm tới nguồn tiếp nhận chất ô nhiễm Tại đây chất ô nhiễm còn có sự chuyển hóa Quá trình chuyển hóa khá phức tạp và phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố

- Nguồn tiếp nhận ô nhiễm là con người, động vật, thực vật và các đồ vật, các công trình xây dựng trên bề mặt Trái đất Để nghiên cứu ảnh hưởng của ô nhiễm không khí đến nguồn tiếp nhận cần có kiến thức về sinh lý học, sinh vật và y học

1.1.4 Các chất gây ô nhiễm không khí

Như đã nêu những chất gây biến đổi thành phần không khí làm cho nó trở lên không sạch hoặc gây ra mùi khó chịu hay làm giảm tầm nhìn xa được gọi là các chất gây ô nhiễm không khí

4

Các nguồn thải trên Trái đất hàng ngày phát tán vào khí quyển một lượng lớn các chất gây ô nhiễm Để dễ nghiên cứu người ta phân thành các chất ô nhiễm thể khí, ô nhiễm không khí do bụi, ô nhiễm không khí do mùi hôi và ô nhiễm nhiệt

1.1.4.1 Các chất ô nhiễm thể khí

a Thán khí (CO2, dioxid carbon)

CO2là chất cấu tạo bình thường của khí quyển Nồng độ của nó trong khí quyển liên tục tăng, chủ yếu do việc dùng nhiên liệu hóa thạch để tạo năng lượng Thông thường cứ 12g C khi bị đốt cháy tạo ra 44g CO2, từ đó có thể thấy lượng CO2phát tán vào khí quyển

là rất lớn Nó là chất không thường xuyên gây ô nhiễm sơ cấp, nhưng lại là tác nhân quan trọng gây ô nhiễm thứ cấp

b Monoxid carbon, CO

Trong điều kiện tự nhiên, CO có hàm lượng rất nhỏ, khoảng 0,1 ppm Nguồn gốc phát sinh ra CO chủ yếu là do hoạt động của núi lửa, quá trình lên men ở môi trường khí hiếm, sấm chớp, cháy rừng, đốt nhiên liệu, than đá Khí CO có nhiều tác động khác nhau đến sinh vật Nếu nồng độ CO quá cao sẽ gây hại cho thực vật vì nó ngăn chặn quá trình hô hấp Động vật máu nóng rất mẫn cảm với CO vì CO kết hợp với hemoglobin, tạo thành carboxyhemoglobin, làm các tế bào thiếu oxy gây ngạt thở Hít không khí ô nhiễm

6,4×1000ppm CO trong vòng 2 phút gây nhức đầu và choáng váng, trong vòng 15 phút có thể bất tỉnh và tử vong Liều 100ppm CO được xem là giới hạn tối đa cho phép

c Hydrocarbon, CnHm

Thực vật là nguồn tạo ra CnHmlớn nhất trong tự nhiên Còn nguồn nhân tạo là do phương tiện vận tải, khai thác dầu mỏ cũng như lò sưởi dùng dầu căn (fuel) Sự cháy

không hoàn toàn các hợp chất CnHm không no sẽ tạo ra peroxy-acyl-nitrates (PAN)

Trường hợp không khí bị ô nhiễm CnHm gặp nắng nhiều sẽ gây nên sương mù quang hóa (Smogs photochimiques) Ngoài ra quá trình cháy không hoàn toàn sẽ tạo ra chất CnHmđa vòng dễ gây ung thư như benzo-3,4-pyrene, benzanthracene…

d.Andehyt

Andehyt là hợp chất rất độc và gây kích thích có trong không khí quanh các nhà máy lọc dầu, trong khí thải của các phương tiện giao thông, quanh lò đốt rác…

e Dioxid lưu huỳnh, SO2

Núi lửa là nguồn tự nhiên chủ yếu tạo ra SO2 Một phần lớn SO2 thải vào không khí

là do hoạt động của con người, như đốt cháy nhiên liệu hóa thạch, than đá, dầu FO (fuel Oil) Ngành luyện kim và điều chế axit sulfuric cũng thải ra SO2

SO2 thải vào không khí có thể biến đổi thành SO3và axit sulfuric Nó là một nguyên nhân tạo ra mưa axit ở nhiều vùng trên thế giới SO2cũng rất độc với thực vật và động vật

f Hợp chất của Nitrogen

Các oxit nitơ (NO và NO2) là những chất ô nhiễm sơ cấp sinh ra từ quá trình khai thác dầu mỏ, sản xuất công nghiệp và hoạt động của các phương tiện giao thông Nó có thể kết hợp với các loại khí khác dưới tác dụng của phản ứng quang hóa tạo ra chất gây ô nhiễm thứ cấp

g Ozôn (O3)

5

Là một chất cấu tạo khí quyển Nồng độ O3tăng dần theo độ cao và đạt trị số tối đa trong tầng bình lưu, khoảng 18-35km Tại tầng đối lưu, sự ô nhiễm không khí làm gia tăng lượng O3 ở gần mặt đất Trong khi đó quá trình ô nhiễm có nguyên nhân từ việc sử dụng các hợp chất chứa CFC, đốt nhiên liệu lại làm giảm O3trong tầng bình lưu

1.1.4.2 Ô nhiễm không khí do bụi

Bụi được hiểu là một tập hợp nhiều hạt, có kích thước khác nhau, tồn tại lâu dài trong không khí dưới dạng bụi bay hoặc bụi lắng

Bụi bay có kích thước từ 0,001-10μm như tro, muội, khói và những hạt rắn được nghiền nhỏ

Bụi lắng có kích thước lớn 10μm Loại bụi này thường rơi nhanh xuống mặt đất hoặc lơ lửng cách mặt đất khoảng 1,5m

Bụi được tạo ra từ những nguồn tự nhiên như động đất, núi lửa, bão bụi… Hoặc những nguồn nhân tạo như: giao thông vận tải (hạt mài, bồ hóng, bụi chì, cao su, nhựa đường…); công nghiệp (bụi hóa học, xi măng, thạch anh, than đá, bụi kim loại, bụi gỗ, bụi hỗn hợp…)

Bụi có ảnh hưởng lớn đến sự phát triển của thực vật và cuộc sống của con người cũng như các loài động vật khác

1.1.4.2 Ô nhiễm không khí do mùi

Thực chất các chất gây ô nhiễm mùi hôi đều là các loại khí độc gây ô nhiễm môi trường không khí Các chất gây mùi đều phát sinh từ các quá trình tự nhiên (các quá trình phân hủy, lên men) và hầu hết các hoạt động kinh tế xã hội (công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải, dịch vụ thương mại) các hoạt động sinh hoạt của con người (đun nấu, chăn nuôi…)

Các chất gây mùi xuất hiện do các nguồn thải ra và quá trình phát tán chúng trong khí quyển Các chất gây mùi dễ nhận biết nhờ khứu giác, nhưng rất khó xác định nó là chất

Ảnh hưởng chủ yếu do hoạt động của các phương tiện giao thông vận tải đến môi trường là gây ô nhiễm không khí, gây ồn, rung động và bụi Khí thải phát tán từ các

phương tiện vận tải chiếm tỷ trọng lớn so với các nguồn phát thải khác trong việc gây ô nhiễm không khí, như tại Bắc Kinh khí thải do các phương tiện giao thông chiếm 75%, tại Mannila -70%, tại Kualalampua-86%

Với các phương tiện vận tải khác nhau, lượng khí phát thải cũng khác nhau Thí dụ khi vận chuyển 1 hành khách trên đoạn đường 1km, lượng phát thải Cacbonmonoxit –CO như sau: Môtô 2 bánh: 4,82g/hk.Km; ôtô con: 6 g/hk.Km; ôtô khách 40 chỗ ngồi:

1,87g/hk.Km

6

Những chất gây ô nhiễm không khí bắt nguồn từ phương tiện vận tải phát tán vào môi trường là do khí thải hoặc sự bay hơi của nhiên liệu (xăng, dầu dieze) Các chất ô nhiễm đặc trưng là : CO, HC, NOx…Các phương tiện vận tải ước tính đã tải ra môi trường khoảng hơn 85% Cacbonmonoxit–CO, hơn 40% oxit nitơ-NOx, 50% Hydrocacbon-HC, 15%dioxitcacbon-CO2, 5% SO2 và các hợp chất hữu cơ tổng hợp bay hơi khác (VOC)

1.2.2 Ô nhiễm không khí do khí xả, khí lọt và nhiên liệu bay hơi

Có ba nguồn chính sinh ra những chất gây ô nhiễm không khí từ phương tiện vận tải: Khí xả, khí lọt và nhiên liệu bay hơi (hình 1.4)

Các hợp chất Hydrocacbon (HC) được tạo ra từ cả ba nguồn, còn CO và NOxchỉ xuất hiện trong khí xả của động cơ

a Khí xả

Khí xả là sản phẩm cháy từ trong buồng đốt của động cơ được thả ra ngoài môi trường qua ống xả Thành phần chất độc hại trung bình trong khí thải khi đốt cháy 1kg nhiên liệu được thể hiện trong bảng 1.2

Mỗi năm, hoạt động của các phương tiện giao thông vận tải tiêu thụ tới 1,5 triệu tấn xăng và dầu diezel, tương ứng với lượng khí thải ước tính như trong bảng 1.3

Bảng 1.3 Lượng không khí thải ra do các phương tiện giao thông đường bộ

số nguyên tử Cacbon, m là số nguyên tử Hydro)

Khi nhiên liệu lỏng cháy hoàn toàn, sản phẩm cháy chủ yếu gồm CO2 và H2O và N2

(có trong không khí) Phản ứng oxy hóa trong trường hợp này có thể viết như sau:

2 2 2

2 2

2

) 4 (n m O N 0 nCO m H O N H

C n m    t  

Trong thực tế, trường hợp cháy hoàn toàn khó có thể xảy ra vì nó còn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: thông số kết cấu động cơ, quá trình hình thành và đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu, chế độ làm việc và trạng thái kỹ thuật của động cơ Khi nhiên liệu cháy không hoàn toàn, thành phần của sản phẩm cháy chủ yếu gồm CO2, H2O, CO, HC, NOx

(từ N2có trong không khí):

2 2

2 2

2

0

N NO CO H

C O H CO N

O H

C n m   t   n m  X  (dư)

Nhiên liệu thể khí được dùng trong động cơ đốt trong thường là khí thiên nhiên hoặc khí thiên nhiên hóa lỏng Thành phần chủ yếu gồm các nguyên tử C, H, O tạo nên được viết dưới dạng tổng quát là CnHmOrvà lượng nhỏ N2và H2S Nếu lược bỏ thành phần H2S thì khi cháy hoàn toàn phản ứng oxy hóa sẽ là:

2 2 2

2 2

2

) 2 4 (n m r O N 0 nCO m H O N O

H

C n m r      t  

Khi cháy không hoàn toàn:

2 2

2 2

2

0

) 2 4 (n m r O N CO H O CO C H O NO N O

H

C n m r      t    n m r X  (dư)

So với nhiên liệu lỏng thì nồng độ CO, HC, NOxphát sinh khi dùng nhiên liệu khí nhỏ hơn nhiều

8

- Oxit cacbon (CO)

CO là khí không màu, không mùi vị, là thành phần độc hại đặc trưng của khí thải

CO sinh ra do quá trình cháy không hoàn toàn của hỗn hợp cháy vì thiếu oxy (hỗn hợp đậm) nên một phần C của nhiên liệu chỉ được chuyển hóa thành CO:

kJ CO

O

C 124019 2

1



Ngoài ra, CO còn sinh ra do các nguyên nhân khác như:

- Sự cháy không đều của khí hỗn hợp;

- Do nhiệt độ xung quanh vùng thành xilanh thấp;

- Do phản ứng (2CO + O2=2CO2) diễn ra chậm nên không thể biến đổi tất cả lượng CO thành CO2

Nồng độ CO trong khí xả phụ thuộc đáng kể vào hệ số dư không khí  hoặc tỷ lệ không khí – nhiên liệu trong hỗn hợp cháy

Từ đồ thị hình 1.5 cho thấy để giảm nồng độ CO trong khí xả thì tỷ lệ khí – nhiên liệu càng nhạt càng tốt ( 1)

- Hydrocacbon (HC)

HC gây kích thích thành bên trong của các cơ quan hô hấp, ngoài ra còn gây ra hiện tượng sương mù quang hóa làm cản trở tầm nhìn, kích thích mắt và bị coi là nguyên nhân gây ra bệnh ung thư và tàn lụi rừng

9

Sự hình thành HC trong động cơ đốt trong là do những nguyên nhân sau:

+ Sự dập tắt màng lửa khi tiếp xúc với thành buồng cháy tạo ra một lớp hỗn hợp không bị bén lửa hay cháy không hoàn toàn trên các bề mặt tiếp xúc Hiện tượng này xảy

ra lớn nhất ở chế độ không tải hay tải nhỏ

+ Hỗn hợp cháy chứa trong các không gian chết, không cháy được do màng lửa bị dập tắt Các không gian chết chủ yếu là khe hở giới hạn giữa sécmăng và pittông với

xilanh, không gian quanh nấm và đế supáp, không gian quanh cực trung tâm của

bugi…Các không gian này được xem là nguyên nhân chủ yếu phát sinh HC

+ Hơi nhiên liệu được hấp thụ vào màng dầu bôi trơn trong thành xilanh, khi cháy hết nhiên liệu, sự giải phóng hơi nhiên liệu từ màng dầu bôi trơn bắt đầu Trong quá trình

đó, một phần hơi này sẽ hòa trộn với khí cháy ở nhiệt độ cao và bị oxy hóa; một phần khác hòa trộn với khí cháy ở nhiệt độ thấp và không bị oxy hóa, do vậy làm tăng lượng HC

+ Quá trình cháy không hoàn toàn do độ đậm đặc của nhiên liệu, do sự thay đổi góc đánh lửa sớm hay khi thay đổi tốc độ

Khi hỗn hợp cháy đậm (1), lượng HC trong khí thải tăng vì cháy không hoàn toàn do thiếu oxy Nếu hỗn hợp cháy quá nhạt (1) sẽ làm chậm sự lan truyền của ngọn lửa và làm giảm hiệu suất của quá trình cháy dẫn đến lượng HC trong khí thải tăng

+ Sự trùng lặp thời điểm đóng mở supáp nạp và thải Trong quá trình làm việc của động cơ có thời điểm cả supáp nạp và supáp thải đều mở làm một lượng HC bị hút ra khỏi buồng cháy Hiện tượng này được coi là “lọt khí do nổ sớm đóng muộn supáp”

+ Sự hình thành lớp muội than trong buồng cháy cũng góp phần làm gia tăng lượng

HC Sự hấp thụ và giải phóng HC ở lớp muội than cũng giống như với màng dầu

Ngoài ra HC còn sinh ra do một phần nhỏ hỗn hợp khí ở sát thành xilanh chỉ cháy một phần hoặc không cháy hết đã xả ra khỏi xilanh Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng lượng

HC do thành phần này đóng góp còn lớn hơn so với lượng HC tạo ra do quá trình cháy

- Các ôxit nitơ (NO x )

NOxcó thể đi sâu vào phổi, gây kích thích mắt mũi họng Nếu nồng độ NOxkhí quyển ở mức cao thì sẽ gây ho, đau đầu chóng mặt và có thể hư hại phổi

NOxcó ảnh hưởng lớn đến sự sống của thực vật khi nồng độ đủ lớn

Diôxit nitơ (NO2) gây việc gia tăng lây nhiễm đường hô hấp, làm nghẽn thở ở người mắc bệnh hen và giảm chức năng của phổi

Các dạng ôxit nitơ (NOx) cũng góp phần gây lắng đọng axit làm hỏng cây cối và tăng độ axit ở ao, hồ, sông, suối làm tổn hại nghiêm trọng đến hệ sinh thái dưới nước

NOxlà tên gọi chung của các ôxit nitơ, chúng được tạo bởi N2và O2ở điều kiện nhiệt độ cao Các chất này đặc trưng là NO, NO2, N2O

N2 2t 0cao 2

Phản ứng tạo NO có tốc độ thấp hơn nhiều so với phản ứng cháy

Chú ý: Các phân tử N2 rất ổn định ở điều kiện bình thường Chỉ khi nhiệt độ khoảng trên 18000C và nồng độ O2cao mới có thể làm N2kết hợp với O2để tạo ra NO Nếu nhiệt

độ không cao hơn 18000C thì N2 và O2sẽ bị thải ra ngoài Do vậy, cách tốt nhất để giảm lượng khí thải NOxlà làm giảm nhiệt độ trong buồng cháy xuống dưới 18000C hoặc giảm thời gian xuất hiện nhiệt độ cao

Nồng độ NO2trong động cơ đánh lửa cưỡng bức so với NO là rất nhỏ, nhưng ở động cơ diezel thì có đến 30% NOx ở dưới dạng NO2 NO2được hình thành từ NO và chất trung gian của sản phẩm cháy:

OH NO HO

NO 2 2

N2O chủ yếu hình thành do các chất trung gian NH và NCO khi chúng tác dụng với NO:

H O N NO

NH  2 

CO O N CO NCO  2 

Nồng độ NOxtrong khí thải phụ thuộc đáng kể vào tỷ lệ không khí- nhiên liệu (hệ

HC

Ở động cơ xăng, nồng độ NOxsinh ra còn phụ thuộc vào thời điểm đánh lửa sớm hay muộn, vì thời điểm đánh lửa sẽ làm thay đổi nhiệt độ trong buồng cháy (hình 1.9) Khi tăng góc đánh lửa sớm, làm tăng nồng độ NO trong khí xả

11

Nồng độ NOxtăng lên đáng kể khi bướm ga mở hoàn toàn

Đối với động cơ diezel, khi giảm góc phun sớm, điểm bắt đầu cháy lùi gần điểm chết trên hơn, điều kiện hình thành NO cũng trễ hơn và nồng độ của nó giảm do nhiệt độ cực đại thấp Tuy nhiên, trong trường hợp này độ khói và nồng độ CO trong khí xả lại tăng

- Chì (Pb)

Chì xuất hiện trong thành phần khí xả của phương tiện giao thông là do xăng pha chì (để tăng trị số oocstan của xăng nhằm chống cháy kích nổ) Chì trong không khí có thể lắng đọng vào đất và nước, và từ đó thâm nhập vào cơ thể con người qua thức ăn và nước uống

Chì là một loại độc tố và trẻ em là đối tượng dễ bị tổn thương nhất Chì có ảnh hưởng đến rất nhiều bộ phận trong cơ thể con người, dễ thấy nhất là ảnh hưởng tới sự phát triển của hệ thần kinh (làm giảm chỉ số thông minh IQ) Ngoài ra, còn có những ảnh

hưởng khác như: giảm chức năng vận động của các giác quan, suy giảm chức năng của thận, tăng huyết áp

Khi sử dụng xăng pha chì, người ta thường bổ sung thêm chất lọc chì và chất này cũng được xả hết ra ngoài không khí Đáng chú ý nhất là chất êtylen- đibrômua vì nó có thể gây ung thư cho động vật và con người

Vì những tác hại nêu trên, ngày nay người ta sử dụng xăng không pha chì (lượng chì trong xăng nhỏ hơn giới hạn cho phép)

- Bụi hạt (PM)

Bụi hạt hình thành do các hạt cứng lẫn trong nhiên liệu, dầu bôi trơn,…thải trực tiếp

ra không khí, hoặc do quá trình biến đổi khí thải như SO2, NO2 Đặc tính lý hóa của PM thay đổi theo thời gian, khu vực, thời tiết

Ở nồng độ cao, bụi hạt có ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người, làm giảm tầm nhìn và hủy hoại các hệ sinh thái Thành phần của bụi hạt như H2SO4, HNO3 góp phần gây lắng đọng axit

Bụi hạt ảnh hưởng đến sức khỏe con người ở các dạng: chết yểu, trầm trọng thêm bệnh tim mạch, bệnh hô hấp, hen xuyễn ở mọi lứa tuổi khác nhau

Bụi hạt thường có ở hai dạng: hạt nhỏ thô và hạt mịn

Hạt nhỏ thô, như silicat và bụi lơ lửng, loại bụi này dễ gây bệnh hô hấp, hen xuyễn Hạt mịn chứa bụi axit, sunphat, nitrat, kim loại chuyển hóa, khói thải diezel, loại bụi hạt mịn có liên quan trực tiếp tới các bệnh tim, phổi, chết yểu

- Khí thải diezel

Trong khí thải diezel, bụi hạt mịn chiếm khoảng 20% khối lượng, những hạt mịn này rất dễ thâm nhập sâu vào phổi

- Các chất thải khác

SO2xuất hiện trong khí thải do lưu huỳnh trong thiên nhiên khi cháy bị oxy hóa Thành phần này chiếm tỷ lệ nhỏ trong khí thải động cơ Ở nồng độ cao, SO2gây kích thích các màng nhày của hệ thống hô hấp và gây viêm phế quản, hen, xuyễn, đồng thời là tác nhân tạo mưa axit

Alđêhyt (R-CHO) tạo ra trong quá trình cháy không hoàn toàn Mặc dù nồng độ của chúng trong khí thải không lớn nhưng độ độc hại rất cao

b Nhiên liệu bay hơi

Đó là khí HC bốc hơi từ thùng chứa nhiên liệu, từ chế hòa khí vào không khí và từ

sự rò rỉ nhiên liệu trong hệ thống cung cấp nhiên liệu

1.2.3 Ô nhiễm thứ cấp

a Hiệu ứng nhà kính

Như đã biết, phần lớn năng lượng của các tia bức xạ mặt trời có bước sóng nhỏ hơn 0,3μm (tia tử ngoại) bị khí oxy và ozon hấp thụ Nếu không có sự hấp thụ này thì nhiều sinh vật trên trái đất đã bị hủy diệt do bức xạ tử ngoại quá lớn Hơi nước có bức xạ lớn nhất khi tia nhiệt có bước sóng lớn hơn 18μm Khí cacbonic hấp thụ lớn nhất khi tia nhiệt

có bước sóng với dải sóng 13-18μm (bước sóng giữa dải là 15μm) và 2,7-4,3μm Trong khoảng bước sóng 7-12μm,bức xạ nhiệt sóng dài dễ dàng thoát vào không trung và được gọi là cửa sổ bức xạ của khí quyển

Bức xạ từ bề mặt trái đất là sóng dài có năng lượng thấp, dễ bị khí quyển giữ lại làm tăng nhiệt độ của không khí bao quanh trái đất Các tác nhân gây nên sự hấp thụ bức xạ

xạ nhiệt của bên trong nhà kính với nhiệt độ thấp, thuộc loại bức xạ sóng dài, không thể xuyên qua lớp kính truyền ra ngoài được và kết quả là môi trường vi khí hậu phía trong ấm hơn phía ngoài nhà kính

Nếu không có tác động của các khí nhà kính thì nhiệt độ trung bình bề mặt của Trái đất ước tính khoảng 2550K, tương đương là -180

C hay 00F Khi hiện tượng hiệu ứng nhà kính xảy ra thì nhiệt độ trung bình của bề mặt trái đất tăng lên Nếu nồng độ của các khí nhà kính trong khí quyển tăng thì sẽ làm tăng mức nhiệt độ của bề mặt trái đất từ ấm tới nóng Nhiệt độ bề mặt trái đất tăng thì sẽ làm tăng mực nước biển, làm nhiều hệ sinh thái mất cân bằng và nhiều loại dịch bệnh mới xuất hiện

Trong số các khí nhà kính thì CO2chiếm vai trò quan trọng nhất đối với sự biến đổi khí hậu Một phân tử khí CFC gây hiệu ứng nhà kính làm tăng nhiệt độ trái đất tương đương với 1500 phân tử khí CO2 Tuy nhiên nồng độ khí CO2 trong khí quyển rất lớn nên

nó vẫn có vai trò quyết định đối với biến đổi khí hậu toàn cầu Nguồn phát thải khí CO2

nhân tạo chủ yếu do các quá trình đốt cháy nhiên liệu Đặc tính của những khí gây hiệu ứng nhà kính chủ yếu được thể hiện ở bảng 1.4

Bảng 1.4 Đặc tính của những khí gây hiệu ứng nhà kính chủ yếu

Nồng độ hiện

nay

354 ppm

1,7 ppm

310 ppb

20-40 ppb

14

Ghi chú: ( ppm: 10-6

, ppb:10-9, ppt:10-12)

b Hiện tƣợng mƣa axit

Trong khí quyển có chứa các loại khí ô nhiễm như SO2và NOx Các loại khí này hòa tan với hơi nước tạo ra các hạt axit sunfuric, axit nitơric và các muối kim loại Khi trời mưa, nước mưa mang theo những hạt axit trên tạo thành mưa axit

Sự chuyển hóa thành axit do quá trình oxy hóa trong pha khí được thể hiện theo các phương trình phản ứng sau:

- Axit hóa và làm nghèo đất, kéo theo làm hư hại lớn đối với rừng

- Những sự cố về sức khỏe của người vì sự làm ô nhiễm nguồn nước với kim loại gây độc (chì, nhôm…)

- Làm hư hại các công trình bằng xi măng và các kết cấu kim loại

Mưa axit làm tăng tính axit của Trái đất, làm hủy diệt rừng và mùa màng, gây nguy hại đối với sinh vật dưới nước, nguy hại đối với người và động vật Đồng thời nó còn làm han gỉ nhà cửa, cầu cống và các công trình lộ thiên Người ta đã ước lượng thiệt hại do mưa axit gây ra trên toàn thế giới mỗi năm là 1450 triệu USD

Hiện tượng mưa axit có nhiều khả năng xảy ra tại các khu vực có nhà máy nhiệt điện lớn, có khu luyện kim, luyện dầu và công nghiệp hóa chất lớn đang hoạt động

c Suy giảm tầng ozôn

Khí ozôn có tác dụng che chắn không cho các tia tử ngoại cực ngắn chiếu xuống trái đất Vì vậy người ta gọi tầng ozôn trong khí quyển là cái “ô bảo vệ” sự sống trên trái đất

Trong thiên nhiên khí ozôn luôn bị phân hủy và luôn được tái tạo, giữ được sự tồn tại vĩnh cửu và có tác dụng hấp thụ bức xạ tử ngoại Một số năm gần đây các nhà khoa học

đã phát hiện thấy nồng độ ozôn trong khí quyển ở cực Nam bán cầu của trái đất đã bị suy giảm do sự tăng trưởng sử dụng chất chlorfluorocacbon (CFC) và chlorfluoromethane (CFM)

15

Hợp chất cacbon florua thường được gọi là florua metan hay CFM, hay là “freon” Freon-12 thường được dùng làm chất trao đổi nhiệt trong các bình nén khí thuộc kỹ thuật làm lạnh Chúng là khí trơ đối với các phản ứng hóa học, lý học thông thường, nhưng khi chúng được tích lũy ở tầng cao khí quyển, dưới tác dụng của các tia bức xạ tử ngoại CFC

và CFM đã làm thoát ra nguyên tử clo Mỗi một nguyên tử clo lại phản ứng dây truyền với 100.000 phân tử ozôn và biến ozôn thành oxi

Vì vậy sự giảm 40% nồng độ ozôn ở cực Nam trái đất hiện nay (mầm mống của lỗ thủng tầng ozôn) có thể là do con người đã sử dụng nhiều chất CFC và CFM

Các máy bay siêu âm bay ở độ cao lớn, thải ra nhiều khí NOxcũng gây nguy hiểm cho tầng ozôn Các hợp chất halogen hữu cơ, như là tetraclometan (CCl4), metyl clorofom (CH3Cl), metyl bromua (CH3Br)… cũng được liệt vào các chất tương tự CFM

Trong tầng bình lưu của khí quyển luôn luôn xảy ra phản ứng quang hóa phân hủy phân tử CFC và tạo ra nguyên tử clo Nguyên tử clo là chất xúc tác phân hủy ozôn theo phản ứng sau đây:

Cl + O3 ClO + O2

ClO + O  Cl + O2

Như vậy theo các phản ứng trên thì khí O3sẽ mất đi, còn khí clo luôn tồn tại và tiếp tục phá hủy tầng ozôn Theo tính toán dự báo của một số chuyên gia thì cứ giảm 1% lượng ozôn trong tầng bình lưu sẽ làm tăng khoảng 2% bức xạ tử ngoại có hại chiếu trên mặt trái đất Tăng bức xạ tử ngoại chiếu trên mặt trái đất sẽ làm tăng bệnh ung thư da, bệnh khô mắt và rối loạn cơ chế miễn dịch đối với con người và làm rối loạn hệ sinh thái biển cũng như đời sống thực vật trên mặt trái đất Nếu tầng ozôn tiếp tục bị suy giảm, lỗ thủng tầng ozôn sẽ hình thành và càng mở rộng thì đến một lúc nào đó bức xạ tử ngoại chiếu xuống trái đất sẽ đạt tới giới hạn làm chết nhiều sinh vật, trong đó có thể gồm cả con người

Hội nghị quốc tế tại Viên năm 1985 đã ra công ước Viên về bảo vệ tầng ozôn Các hóa chất làm suy yếu tầng ozôn đã được xác định tại hội nghị quốc tế Montreal năm 1987

và được bổ sung thêm tại hội nghị ở Luân Đôn năm 1990 và hội nghị ở Copenhaghen năm 1992 Theo biên bản của các hội nghị trên thì các hóa chất làm suy yếu tầng ozôn cần phải được kiểm soát là: chlorfluorocacbon (CFC), halon, methylchloroform, cacbon

tetrachloride, hydrochlorfluorocacbon (HCFC), hydrobromofluorocacbon (HBFC) và methylbromit

Ngày 26-1-1994 Việt Nam đã chính thức phê duyệt và tham gia công ước Viên về bảo vệ tầng ozôn

Hiện nay tại một số nước công nghiệp phát triển đã có luật cấm sử dụng khí

freon-12 trong công nghiệp làm lạnh, để bảo vệ tầng ozôn trong khí quyển

1.3 Xác định khối lƣợng các chất ô nhiễm

16

Để đánh giá được mức độ ô nhiễm không khí từ các nguồn thải gây ra cần phải thống kê nguồn thải Thống kê bao gồm các nội dung: xác định vị trí và số lượng nguồn gây ô nhiễm, xác định tổng lượng và loại lượng chất ô nhiễm, xác định mức tiêu thụ nhiên liệu hàng ngày hoặc hàng năm của các nguồn tập trung, nguồn không tập trung, nguồn giao thông vận tải và các nguồn khác Đồng thời thống kê các nguồn bốc hơi gây ô nhiễm khác

Khi đã xác định được những chất ô nhiễm có trong một khu vực hoặc tại một

nguồn, thì có thể xác định được khối lượng chất ô nhiễm gây ra bằng cách tính theo phản ứng hóa học, hoặc theo hệ số ô nhiễm

1.3.1 Theo phản ứng hóa học

Dựa vào thành phần của nhiên liệu đốt, định mức tiêu hao nhiên liệu của các động

cơ, máy móc… Chúng ta có thể tính được thành phần và lượng chất ô nhiễm sinh ra bằng các phản ứng hóa học Trên cơ sở số liệu thống kê của các nhiên liệu đốt theo chu kỳ thời gian (ví dụ: tổng lượng tiêu thụ xăng dầu, than đá…hàng năm), sẽ tính được tổng lượng ô nhiễm phát sinh

1.3.1.1 Đối với nhiên liệu rắn và lỏng

Thành phần của các nhiên liệu rắn và lỏng bao gồm: cacbon, hydro, oxy, nitơ, lưu huỳnh, độ tro và độ ẩm Các thành phần của nhiên liệu được biểu diễn bằng phần trăm trọng lượng và tổng các thành phần bằng 100%

C + O + H + N + S + A + W = 100%

Trong đó: A: ký hiệu của độ tro

W: ký hiệu của độ ẩm

Các thành phần khác được ký hiệu theo các chữ cái đầu của tên gọi

Khi đốt 1kg nhiên liệu lỏng, các thành phần cacbon, hydro và lưu huỳnh chuyển thành CO2, H2O, và SO2 theo các phương trình phản ứng sau:

 Đối với cacbon

- Khi phản ứng cháy hoàn toàn:

C + O2  CO2

Hoặc: 12kg C + 32kg O2 sinh ra 44kg CO2 + 8.100kcal/kg C

- Khi phản ứng cháy không hoàn toàn:

C + 1/2O2  COHoặc: 12kg C + 16kg O2 sinh ra 28kg CO+ 2.440kcal/kg C

 Đối với khí hydro

2H2 + O2  2H2O,

17

Hoặc: 4kg H2 + 32kg O2 sinh ra 36kg H2O + 34.200 kcal/kg H2

 Đối với lưu huỳnh

S + O2  SO2, Hoặc: 32kg S + 32kg O2 sinh ra 64kg SO2 + 2.600kcal/kg S

Dựa trên phản ứng cháy, chúng ta có thể xác định được lượng oxy cần cho quá trình cháy, từ đó tính toán được lượng không khí cần cung cấp cũng như lượng sản phẩm cháy

do 1 kg nhiên liệu tạo ra

Ví dụ: Tính tổng lượng SO 2 sinh ra trong quá trình vận hành của một động cơ ô tô chạy bằng dầu diezen Biết thành phần lưu huỳnh trong dầu chiếm 0,3% khối lượng và lượng dầu mà ô tô đó sử dụng trong 1 năm là 5.10 3 tấn coi như phản ứng cháy xảy ra đạt hiệu suất 100%

Giải:

Thành phần lưu huỳnh chứa 0,3% khối lượng dầu Diezen, vậy cứ 100kg dầu có 0,3

kg lưu huỳnh, hay cứ 1 tấn dầu chứa 3 kg lưu huỳnh

Tính lượng lưu huỳnh trong dầu mà ô tô đốt trong 1 năm:

3kg/tấn x 5.103tấn = 15 tấn lưu huỳnh

Khi đốt lưu huỳnh, phản ứng cháy xảy ra như sau:

S + O2  SO2 Theo phản ứng trên: cứ 32kg S cháy sinh ra 64 kg SO2

Vậy, 15 tấn lưu huỳnh khi cháy sẽ sinh ra lượng SO2là:

000 30 32

64 000

 Ngoài ra, chúng ta có thể dựa vào các phương trình phản ứng hóa học để xác định được lượng oxy cần cho quá trình cháy, từ đó tính toán được lượng không khí cần cung cấp cũng như các sản phẩm cháy do 1kg nhiên liệu thải ra, trong đó chủ yếu là các yếu tố độc hại làm ô nhiễm môi trường

Các công thức tính sản phẩm cháy ở điều kiện tiêu chuẩn (t = 00

C, p = 760 mmHg) được thể hiện như sau (٭):

- Lượng không khí khô lý thuyết cần cho quá trình cháy (V lt ):

V lt 0,089C + 0,264H  0,0333(O  S), m3/kg

- Lượng không khí ẩm lý thuyết ( ở điều kiện t = 300C,   65%, d  17g/kg) cần cho quá trình cháy (Va):

V a (1 + 0,0016d) V lt , m3/kg

1.3.1.2 Đối với nhiên liệu khí

Nhiên liệu khí bao gồm các thành phần của các chất khí như CO2, CO, N2, H2, H2S,

O2và các hydro cacbon Trong các hydro cacbon, CH4chiếm một tỷ trọng lớn trong nhiên liệu khí, công thức hydro cacbon được xác lập là CmHn

Trong quá trình cháy nhiên liệu khí sinh ra nhiệt lượng Phương trình phản ứng cháy của các thành phần trong nhiên liệu khí được thiết lập như sau:

 Trường hợp cháy hoàn toàn:

- Lượng không khí lý thuyết cần cho quá trình cháy hoàn toàn ở điều kiện chuẩn (Vlt):

, 1 5 , 0 5 , 0 476 ,

2 2 2

V   (   1 ) , m3/m3

 Trường hợp cháy không hoàn toàn:

Các thành phần của sản phẩm cháy sẽ được xác định theo các công thức sau với giả thiết tỷ lệ của khí CO trong sản phẩm cháy là kCO%:

CO

Ctt CO CO

k

V k V

5 , 0

100 

 , m3/m3

20

CO n

Bảng 1.5 Hệ số ô nhiễm không khí đối với các loại phương tiện giao thông

0,07 0,80 0,07 0,68 0,07 0,06

1,74S 20S 2S 20S 2,3S 20S

1,31 15,13 1,13 10,97 1,13 9,56

10,24

118 6,46 62,9 6,46 54,9

1,29 14,83 0,6 5,85 0,6 5,1

0,4 3,5 0,2 3,5 0,9 4,3 1,6 4,3 1,4 4,3

4,5S 20S 1,16S 20S 4,2S 20S 7,26S 20S 6,6S 20S

4,5

20 0,7

12 11,8

55 18,2

20 16,5

20 6,6

20

7

30 0,15 2,6 2,6 2,6 5,8

16 5,3

0,12 7,6 0,12

4

0,36S 20S 0,6S 20S 0,76S 20S

0,05 2,8 0,08 2,7 0,3

Ghi chú: S- hàm lượng lưu huỳnh trong xăng dầu

Ví dụ: Tính tổng lượng ô nhiễm CO phát thải trên một tuyến đường dài 3.000 km Biết lưu lượng xe trung bình trong 1 giờ trên tuyến đường trên là:

- Ô tô con : 620 xe - Ô tô tải : 1.474 xe

Tổng lượng thải khí CO đối với 1000km cho tất cả các loại phương tiện giao thông nói trên là:

MCO  (620 ô tô con + 450 ô tô khách) x 7,72kgCO/1000km + 1.474 ô tô tải x 18,2kgCO/1000km + 21.640 xe máy x 16,7kgCO/1000km  x 1 giờ = (8260,4 + 26826,8 +361388) = 396475,2 kgCO/1000km

Vậy trên tuyến đường 3000km, tổng lượng CO phát thải là:

h kgCO km

km kgCO

/ 6 , 425 189 1 1000

3000 2

, 475

Bảng 1.6 Hệ số ô nhiễm của xe ô tô ( Henry C Perkins, 1974)

4 Nitơ ôxit (NOx)

5 Sulfua dioxit (SO2)

6 Axit hữu cơ (Acetic)

7 Bụi

0,3

165 12,5 8,5 0,6 0,3 0,8

4 Nitơ ôxit (NOx)

5 Sulfua dioxit (SO2)

6 Axit hữu cơ (Acetic)

1.4 Các biện pháp giảm thiểu ô nhiễm

1.4.1 Xử lý chất ô nhiễm trước khi thoát ra ngoài Supáp xả

Để giảm ô nhiễm không khí do khí xả từ các phương tiện giao thông vận tải thì phải tìm các biện pháp làm giảm chất ô nhiễm trước và sau khi ra khỏi supap xả và phát tán vào môi trường Như vậy việc thiết kế và chế tạo động cơ ngoài các chỉ tiêu về công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và độ bền còn phải quan tâm đến mức độ phát sinh các chất gây ô nhiễm

Khi sản xuất lắp ráp các loại phương tiện giao thông vận tải, riêng về lĩnh vực bảo

vệ môi trường cần tuân theo các nguyên tắc chung sau:

- Lựa chọn loại động cơ mà sự phát thải thỏa mãn tiêu chuẩn hiện hành

- Nồng độ khí thải phải ổn định trong suốt quá trình sử dụng

- Các kết cấu làm giảm chất ô nhiễm phải đơn giản nhưng có hiệu quả cao

- Ưu tiên loại động cơ sử dụng nhiên liệu ít gây ô nhiễm môi trường

Để đáp ứng các nguyên tắc nêu trên, các loại động cơ sản xuất trong thời gian gần đây đã sử dụng nhiều biện pháp khác nhau

Đối với động cơ đánh lửa cưỡng bức (động cơ xăng), khi làm việc với hỗn hợp nghèo (  1,25), thì nồng độ các chất gây ô nhiễm chính như CO, HC, NOxđều giảm Để

- Tạo hình dạng buồng cháy phù hợp, bố trí hai nến đánh lửa để tăng năng lượng đánh lửa và tốc độ cháy, trang bi hai supáp nạp cho mỗi xilanh, một supáp đóng khi tải cục

bộ và mở khi đầy tải

- Thay đổi dạng hình học của buồng cháy, của đường ống nạp của supáp, tạo ra tia khí có tốc độ cao phun vào đường ống nạp phụ có kích thước nhỏ hơn đường ống nạp chính hoặc tăng áp suất phun nhằm tăng tốc độ phun để giảm nồng độ khói do tốc độ hòa trộn không khí – nhiên liệu tăng Biện pháp này làm tăng cường chuyển động rối của hỗn hợp cháy trong quá trình cháy để giảm nồng độ các chất ô nhiễm

- Việc tăng vận tốc rối của hỗn hợp nhiên liệu – không khí trong quá trình cháy sẽ làm giảm nồng độ các chất ô nhiễm, đặc biệt là HC (CxHy) vì khi tăng chuyển động rối thì tốc độ lan tràn màng lửa tăng và hạn chế được những vùng chết (gần buồng cháy)

Ngoài ra phương pháp phun nhiên liệu cũng có ảnh hưởng đến sự hình thành các chất ô nhiễm, với phương pháp phun tập trung có ưu điểm là thời gian dành cho việc bốc hơi nhiên liệu tương đối dài do đó hạn chế được hiện tượng ngưng tụ nhiên liệu trên

đường ống nạp, trong khi đó phương pháp phun riêng rẽ cho phép tránh được sự không đồng đều về thành phần hỗn hợp giữa các xilanh

Dùng nhiều supáp với trục cam có thể điều chỉnh được góc phối khí để hạn chế phát sinh ô nhiễm Biện pháp này cho phép giảm nồng độ HC và NOxtừ 20- 25% so với động

cơ kiểu cũ

- Điều chỉnh giảm góc đánh lửa sớm để kéo dài thời gian cháy, làm giảm nhiệt độ cháy và lượng NOxgiảm Mặt khác, đánh lửa muộn làm tăng nhiệt độ khí thải thuận lợi cho việc tiếp tục đốt cháy HC trong ống xả

Đối với động cơ diezen cần cân nhắc khi lựa chọn các giải pháp kỹ thuật để giảm nồng độ các chất thải gây ô nhiễm như HC, NOxvà bụi khói Thí dụ khi thay đổi góc phun sớm thì lượng HC và NOxthay đổi trái ngược nhau Để hạn chế nồng độ các chất gây ô nhiễm cần dùng các biện pháp sau:

- Tăng tốc độ phun nhiên liệu để tăng tốc độ hòa trộn hỗn hợp cháy để giảm độ

khói phát thải

- Điều chỉnh quy luật phun theo hướng giảm thời gian phun để giảm HC

25

- Lựa chọn dạng buồng cháy phù hợp để tăng chất lượng hỗn hợp cháy tạo điều kiện cháy sạch hơn Ở động cơ diezen dạng buồng cháy ảnh hưởng đến mức độ phát sinh chất ô nhiễm lớn hơn nhiều so với động cơ xăng

Ngoài các biện pháp xử lý chất ô nhiễm trước khi thoát ra ngoài supap xả nêu trên, người ta còn dùng các biện pháp xử lý các chất ô nhiễm sau khi đã thoát ra ngoài supap xả

và trước khi phát tán vào môi trường không khí như: Sử dụng hệ thống tuần hoàn khí xả (đốt lại khí xả trong xilanh); hệ thống xử lý khí xả bằng bộ xúc tác (bộ lọc khí xả); hệ thống hút và phun không khí vào khí xả (tiếp tục đốt khí xả trong đường ống xả) và các hệ thống xử lý khí lọt và nhiên liệu bay hơi…

1.4.2 Xử lý chất ô nhiễm trong ống xả trước khi thải vào môi trường

1.4.2.1 Hệ thống tuần hoàn khí xả (EGR: Exhaust Gas Recirculation)

Như đã biết, nếu nhiệt độ trong buồng cháy càng tăng thì lượng NO2 thải ra càng lớn Do vậy, cách tốt nhất để giảm lượng NOxlà giảm nhiệt độ trong buồng cháy Để giảm nhiệt độ trong buồng cháy, một số loại động cơ có bố trí hệ thống tuần hoàn khí xả

(khoảng 6% ÷13% lượng khí xả tái tuần hoàn vào ống nạp) Khí xả sẽ hấp thụ một phần nhiệt của kỳ cháy dãn nở và làm giảm nhiệt độ buồng cháy Hệ thống tuần hoàn khí xả đơn giản được trình bày trên hình 1.12

Trong hệ thống tuần hoàn khí xả, lượng khí xả tuần hoàn được điều khiển bằng van điều khiển chân không Khi tải nhỏ (động cơ chạy không tải), lượng khí xả tái tuần hoàn được hạn chế ở mức nhất định để động cơ chạy ổn định và khi động cơ làm việc ở tốc độ cao lượng khí xả tái tuần hoàn tăng lên Quan hệ giữa lượng khí xả tuần hoàn với lượng

NOxvà bụi khói phát sinh ở động cơ diezen được trình bày trên hình 1.13

Ngoài ra, để giảm mức độ phát thải khí NOxvà HC người ta còn điều chỉnh góc độ phối khí bằng cách gia tăng góc độ trùng điệp để làm tăng lượng khí xả tuần hoàn Phương pháp này cho phép giảm nồng độ NOxvà HC từ 20 - 25% so với động cơ kiểu cũ có cùng tính năng

Hãng Toyota sử dụng hệ thống tuần hoàn khí thải như trên hình 1.14 Hệ thống này

sẽ hướng phần lớn lượng khí thải quay lại xilanh để được đốt cháy lần thứ hai Quá trình cháy diễn ra trong điều kiện nghèo oxy sẽ làm nhiệt độ buồng đốt giảm và tăng nhiệt độ ở đường ống xả Nhờ nhiệt độ cao tại đường xả, bộ lọc hỗn hợp- xúc tác sẽ trung hòa hết các chất CO, HC, NO và chỉ giữ lại muội than

Hiện hệ thống tuần hoàn khí xả được sử dụng rộng rãi trên các loại động cơ chạy xăng

1.4.2.2 Các thiết bị xử lý khí xả

Để góp phần làm giảm lượng khí thải độc hại phát tán vào môi trường không khí, các nhà sản xuất ô tô đã chế tạo ra một số loại thiết bị xử lý khí thải lắp trên đường ống xả

Nếu HC, CO và NOxđược đun nóng với O2đến 5000C thì cũng không có phản ứng hóa học nào xảy ra giữa chúng Nhưng khi chúng đi qua chất xúc tác, phản ứng hóa học xảy ra sẽ biến chúng thành những chất ít độc hại hơn như CO2, H2O và N2(hình 1.15)

Hình 1.15 Sơ đồ biến đổi chất khí gây ô nhiễm

Các chất xúc tác được dùng trên các bộ lọc khí xả là không như nhau Chất xúc tác

ưu việt nhất để làm sạch khí xả là Platin Đây là kim loại hiếm và đắt tiền Do vậy, chất xúc tác hiện nay thường dùng là: Paladi, Esidi, Rodi…còn bạch kim ít phổ biến hơn

Những chất xúc tác này được phủ lên bề mặt của rất nhiều “vật mang” để tăng diện tích tiếp xúc với khí xả (hình 1.16)

Chú ý: các chất xúc tác không thể hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ dưới 4000

Trong hệ thống xúc tác ôxy hóa (bộ lọc khí xả ôxy hóa), CO và HC kết hợp với O2

taọ thành chất ít ô nhiễm hơn:

2CO + O2  2CO2

C3H8 + 5O2  3CO2 + 4H2O

Để chất xúc tác oxy hóa làm việc hiệu quả cần phải có dư oxy Để cung cấp đủ oxy

bộ lọc khí xả cần kết hợp với hệ thống hút hoặc phun không khí vào đường ống; (hình 1.17)

27

Hình 1.17 Sơ đồ hệ thống xúc tác ôxy hóa

c Bộ lọc khí xả ba thành phần

Bộ lọc khí xả ba thành phần được sử dụng cho cả động cơ xăng và động cơ diezen

Nó còn được gọi là bộ xúc tác ba chức năng

Bộ lọc này không chỉ biến đổi được CO, HC mà còn cả NOxthành chất không ô nhiễm bởi các phản ứng ôxy hóa khử NO và O2là những chất oxy hóa (những chất có thể tạo ra sự cháy) kết hợp với CO, HC là những chất khử (chất bị cháy) tạo ra những chất trung tính N2, H2O, CO2 Những phản ứng chính diễn ra trong bộ xúc tác gồm:

+ Phản ứng ôxy hóa: CO + 21 O2  CO2

CnHm + (n + m4 )O2  nCO2 + m2 H2O

+ Phản ứng khử:

Lọc gió Chế hòa khí

Van ĐK chân không

Hệ thống hút hoặc phun khí

Bộ lọc khí xả ba thành phần hiện nay được đặt trên nhiều loại xe ô tô hiện đại mới sản xuất Hệ thống này sử dụng hai lớp xúc tác, một lớp có tác dụng oxy hóa và một lớp có tác dụng khử

Bộ lọc khí xả ba thành phần bao gồm: hộp đỡ và hệ thống điều khiển

Hộp đỡ gồm có lớp nền và lớp kim loại hoạt tính Cấu trúc của hộp đỡ có thể theo dạng tổ ong hay dạng hạt ceramic, ngày nay đa số ô tô sử dụng cấu trúc dạng tổ ong Cấu trúc tổ ong làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc giữa lớp xúc tác với khí xả, đồng thời làm giảm lượng kim loại xúc tác nhưng vẫn đảm bảo hiệu quả xử lý khí xả Cấu trúc tổ ong có dạng ống tiết diện tròn hay ovan, bên trong được chia nhỏ bởi những vách ngăn song song với trục Mặt cắt ngang có dạng tổ ong với tiết diện tam giác hay vuông Đối với động cơ

có công suất khoảng 100kW, tiết diện tổng cộng cần thiết của các phần tử công tác khoảng 130cm2, thể tích tổng cộng của lớp này là 2 – 3 lít (0,02-003 dm3/kW) Các ống này được làm từ gốm (ceramic) có phủ một lớp kim loại

Lớp nền có tác dụng như lớp đỡ Nó được chế tạo bằng gốm hay bằng kim loại liền một khối Vật liệu dùng phổ biến là cordierite 2MgO, 2Al2O3, 5SiO2 Vật liệu này có ưu điểm là nhiệt độ nóng chảy cao (14000C), do vậy nó có thể chịu được nhiệt độ khí xả và nhiệt độ xúc tác Ngoài ra lớp nền còn có thể được chế tạo từ thép lá không gỉ có bề dày rất mỏng, ưu điểm của kim loại là dẫn nhiệt tốt nên thời gian khởi động hệ thống xúc tác giảm

29

Lớp kim loại hoạt tính chính là lớp xúc tác, là nơi diễn ra các phản ứng hóa học Nó được chế tạo bằng kim loại quý (platinum, rhodium hoặc palladium) mạ thành lớp rất mỏng trên lớp nền Khối lượng kim loại dùng cho mỗi bộ xúc tác rất thấp khoảng từ 1-2gam cho mỗi ô tô Ngoài ra trong thành phần của bộ xúc tác còn chứa một số chất khác như cerium, lanthane, bary, sắt silicium…với hàm lượng nhỏ để tăng cường thêm hoạt tính xúc tác, tăng tính ổn định và chống lão hóa cho kim loại quý

Lớp xúc tác thử là lớp lọc đầu tiên của bộ xúc tác khí xả Nó sử dụng platium và rhodium để làm giảm khí NOx Khi một phân tử NO hay NO2tiếp xúc với lớp xúc tác, nguyên tử Nitơ sẽ bị tách ra khỏi phân tử, bám lại trên bề mặt lớp xúc tác Các nguyên tử Nitơ kết hợp với nhau tạo ra N2 (2NO  N2+O2hoăc 2NO2  N2+ 2O2)

Lớp xúc tác oxy hóa là lớp lọc thứ hai của bộ xúc tác Nó làm giảm lượng

hydrocarbon và carbon monoxide bằng cách đốt cháy (oxy hóa) chúng nhờ platium và palladium Lớp này giúp CO và HC phản ứng với lượng oxy còn lại trong khí xả

Bộ lọc khí thải có tác dụng rất lớn trong việc làm giảm ô nhiễm, tuy nhiên nó có nhược điểm là chỉ làm việc tốt trong điều kiện nhiệt độ đủ cao (>2500