Ô tô và ô nhiễm môi trường

Tuy nhiên, do sự không đồng nhất của hỗn hợp một cách lí tưởng cũng như do tính chất phức tạp của các hiện tượng lí hóa diễn ra trong quá trình cháy nên trong khí xả động cơ đốt trong lu

CÁC CHẤT Ô NHIỄM

TRONG KHÍ XẢ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Quá trình cháy lí tưởng của hỗn hợp hydrocarbure với không khí chỉ sinh ra CO2,

H2O và N2 Tuy nhiên, do sự không đồng nhất của hỗn hợp một cách lí tưởng cũng như do tính chất phức tạp của các hiện tượng lí hóa diễn ra trong quá trình cháy nên trong khí xả động cơ đốt trong luôn có chứa một hàm lượng đáng kể những chất độc hại như oxyde nitơ (NO, NO2, N2O, gọi chung là NOx), monoxyde carbon (CO), các hydrocarbure chưa cháy (HC) và các hạt rắn, đặc biệt là bồ hóng Nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả 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 xả động cơ Diesel, nhưng hàm lượng của nó không đáng kể trong khí xả động cơ xăng

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 xăng thương mại có chứa khoảng

600ppm lưu huỳnh Thành phần lưu huỳnh

có thể lên đến 0,5% đối với dầu Diesel

Trong quá trình cháy, lưu huỳnh bị oxy hoá

thành SO2, sau đó một bộ phận SO2 bị oxy

hoá tiếp thành SO3, chất có thể kết hợp với

nước để tạo ra H2SO4 Mặt khác, để tăng

tính chống kích nổ của nhiên liệu, người ta

pha thêm Thétraétyle chì Pb(C2H5)4 vào

xăng Sau khi cháy, những hạt chì có đường

kính cực bé thoát ra theo khí xả, lơ lửng

trong không khí và trở thành chất ô nhiễm

đối với bầu khí quyển, nhất là ở khu vực

thành phố có mật độ giao thông cao

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 a Hình 1.1 trình bày một cách định tính

sự phụ thuộc của nồng độ NO, CO và HC trong khí xả theo a Động cơ đánh lửa cưỡng bức thường làm việc với hệ số dư lượng không khí a ≈ 1 Theo đồ thị này thì động cơ làm

việc với hỗn hợp nghèo có mức độ phát sinh ô nhiễm thấp hơn Tuy nhiên, nếu hỗn hợp quá nghèo thì tốc độ cháy thấp, đôi lúc diễn ra tình trạng bỏ lửa và đó là những nguyên nhân làm gia tăng nồng độ HC

Nhiệt độ cực đại của quá trình cháy cũng là một nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến thành phần các chất ô nhiễm vì nó ảnh hưởng mạnh đến động học phản ứng, đặc biệt là các phản ứng tạo NOx và bồ hóng

Nói chung tất cả những thông số kết cấu hay vận hành nào của động cơ có tác động đến thành phần hỗn hợp và nhiệt độ cháy đều gây ảnh hưởng trực tiếp hay gián tiếp đến sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí xả

Trong thực tế cuộc sống, do hàm lượng các chất độc hại trong khí xả động cơ đốt trong bé nên người sử dụng ít quan tâm tới sự nguy hiểm trước mắt do nó gây ra Tuy nhiên sự phân tích các dữ liệu về sự thay đổi thành phần không khí trong những năm gần đây (bảng 1.1) đã cho thấy sự gia tăng rất đáng ngại của các chất ô nhiễm Nếu không có những biện pháp hạn chế sự gia tăng này một cách kịp thời, những thế hệ tương lai sẽ phải đương đầu với một môi trường sống rất khắc nghiệt

Bảo vệ môi trường không phải chỉ là yêu cầu của từng nước, từng khu vực mà nó

có ý nghĩa trên phạm vi toàn cầu Tùy theo điều kiện của mỗi quốc gia, luật lệ cũng như tiêu chuẩn về ô nhiễm môi trường được áp dụng ở những thời điểm và với mức độ khắt khe khác nhau

Ô nhiễm môi trường do động cơ phát ra được các nhà khoa học quan tâm từ đầu thế kỉ 20 và nó bắt đầu thành luật ở một số nước vào những năm 50 Ở nước ta, luật bảo

vệ môi trường có hiệu lực từ ngày 10-1-1994 và Chính phủ đã ban hành Nghị định số 175/CP ngày 18-10-1994 để hướng dẫn việc thi hành Luật bảo vệ môi trường

1.2 Ô nhiễm không khí là gì?

Chúng ta có thể tham khảo định nghĩa sau đây do Cộng đồng Châu Âu đưa ra vào

năm 1967: "Không khí gọi là ô 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 được hay gây ra sự khó chịu đối với con người" Theo định nghĩa đó thì:

- Các chất gây ô nhiễm có thể gây nguy hại đến tự nhiên và con người mà khoa học

ở thời điểm đó nhận biết được hay chỉ đơn thuần gây ra sự khó chịu chẳng hạn như mùi hôi, màu sắc

- Danh sách các chất ô nhiễm cũng như giới hạn về nồng độ cho phép của chúng trong các nguồn phát thải có thể thay đổi theo thời gian

Đến nay, người ta đã xác định được các chất ô nhiễm trong không khí mà phần lớn những chất đó có mặt trong khí xả của động cơ đốt trong Bảng 1.1 dưới đây cho thấy sự gia tăng nồng độ một cách đáng ngại của một số chất ô nhiễm trong bầu khí quyển:

Bảng 1.1 : Sự gia tăng của các chất ô nhiễm trong khí quyển

Chất ô nhiễm

Thời kì tiền công nghiệp (ppm)

Hiện nay (ppm)

Tốc độ tăng (%/năm)

Quá trình cháy trong công nghiệp

Các quá trình cháy khác

Công nghiệp dầu mỏ 5,2 5,3 1,7

1.3 Tác hại của các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ

- CO : Monoxyde carbon là sản phẩm khí không màu, không mùi, không vị, sinh

ra do ô xy hoá không hoàn toàn carbon trong nhiên liệu trong điều kiện thiếu oxygène

CO ngăn cản sự dịch chuyển của hồng cầu trong máu làm cho các bộ phận của cơ thể bị thiếu oxygène Nạn nhân bị tử vong khi 70% số hồng cầu bị khống chế (khi nồng độ

CO trong không khí lớn hơn 1000ppm) 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

- NO x: NOx là họ các oxyde nitơ, trong đó NO chiếm đại bộ phận NOx được hình thành do N2 tác dụng với O2 ở điều kiện nhiệt độ cao (vượt quá 1100°C) Monoxyde nitơ (x=1) không nguy hiểm mấy, nhưng nó là cơ sở để tạo ra dioxyde nitơ (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 0,12ppm NO2 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 Protoxyde nitơ N2O là chất cơ sở tạo ra ozone ở hạ tầng khí quyển

- Hydocarbure: Hydrocarbure (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 hydrocarbure 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 40ppm hoặc gây rối loạn hệ thần kinh khi nồng độ lớn hơn 1g/m3, đôi khi nó là nguyên nhân gây các bệnh về gan

- SO 2: Oxyde lưu huỳnh là một chất háu nước, vì vậy nó rất dễ hòa tan vào nước mũi, bị oxy hóa thành H2SO4 và muối amonium rồi đi theo đường hô hấp vào sâu trong phổi Mặt khác, SO2 làm giảm khả năng đề kháng của cơ thể và làm tăng cường độ tác hại của các chất ô nhiễm khác đối với nạn nhân

- Bồ hóng: Bồ hóng là chất ô nhiễm đặc biệt quan trọng trong khí xả động cơ

Diesel Nó tồn tại dưới dạng những hạt rắn có đường kính trung bình khoảng 0,3mm nên rất dễ xâm nhập sâu vào phổi Sự nguy hiểm của bồ hóng, ngoài việc gây trở ngại cho cơ quan hô hấp như bất kì một tạp chất cơ học nào khác có mặt trong không khí, nó còn là

hô hấp Khi đã vào được trong cơ thể, khoảng từ 30 đến 40% lượng chì này đi vào máu

Sự hiện hiện của chì gây xáo trộn sự trao đổi ion ở não, gây trở ngại cho sự tổng hợp enzyme để hình thành hồng cầu, và đặc biệt hơn nữa, nó tác động lên hệ thần kinh làm trẻ

em chậm phát triển trí tuệ Chì bắt đầu gây nguy hiểm đối với con người khi nồng độ của

nó trong máu vượt quá 200 đến 250mg/lít

1.3.2 Đối với môi trường

1 Thay đổi nhiệt độ khí quyển

Sự hiện diện của các chất ô nhiễm, đặc biệt là những chất khí gây hiệu ứng nhà kính, trong không khí trước hết ảnh hưởng đến quá trình cân bằng nhiệt của bầu khí quyển Trong số những chất khí gây hiệu ứng nhà kính, người ta quan tâm đến khí carbonic CO2 vì nó là thành phần chính trong sản phẩm cháy của nhiên liệu có chứa thành phần carbon Sự gia tăng nhiệt độ bầu khí quyển do sự hiện diện của các chất khí gây hiệu ứng nhà kính có thể được giải thích như sau:

Quả đất nhận năng lượng từ mặt trời và bức xạ lại ra không gian một phần nhiệt lượng mà nó nhận được Phổ bức xạ nhiệt của mặt trời và vỏ trái đất trình bày trên các hình 1.4 và hình 1.5 Bức xạ mặt trời đạt cực đại trong vùng ánh sáng thấy được (có bước sóng trong khoảng 0,4-0,73mm) còn bức xạ cực đại của vỏ trái đất nằm trong vùng hồng ngoại (7-15mm)

Các chất khí khác nhau có dải hấp thụ bức xạ khác nhau Do đó, thành phần các chất khí có mặt trong khí quyển có ảnh hưởng đến sự trao đổi nhiệt giữa mặt trời, quả đất

và không gian Carbonic là chất khí có dải hấp thụ bức xạ cực đại ứng với bước sóng 15mm, vì vậy nó được xem như trong suốt đối với bức xạ mặt trời nhưng là chất hấp thụ quan trọng đối với tia bức xạ hồng ngoại từ mặt đất Một phần nhiệt lượng do lớp khí CO2

giữ lại sẽ bức xạ ngược lại về trái đất (hình 1.6) làm nóng thêm bầu khí quyển theo hiệu ứng nhà kính (Serre)

Hình 1.4: Phổ bức xạ từ mặt trời Hình 1.5: Phổ bức xạ từ mặt đất

Hình 1.6: Hiệu ứng nhà kính

Với tốc độ gia tăng nồng độ khí carbonic trong bầu khí quyển như hiện nay, người

ta dự đoán vào khoảng giữa thế kỉ 22, nồng độ khí carbonic có thể tăng lên gấp đôi Khi

đó, theo dự tính của các nhà khoa học, sẽ xảy ra sự thay đổi quan trọng đối với sự cân bằng nhiệt trên quả đất:

- Nhiệt độ bầu khí quyển sẽ tăng lên từ 2 đến 3°C

- Một phần băng ở vùng Bắc cực và Nam cực sẽ tan làm tăng chiều cao mực

nước biển

- Làm thay đổi chế độ mưa gió và sa mạc hóa thêm bề mặt trái đất

2 Ảnh hưởng đến sinh thái

Sự gia tăng của NOx, đặc biệt là protoxyde nitơ N2O có nguy cơ làm gia tăng sự hủy hoại lớp ozone ở thượng tầng khí quyển, lớp khí cần thiết để lọc tia cực tím phát xạ từ mặt trời Tia cực tím gây ung thư da và gây đột biến sinh học, đặc biệt là đột biến sinh ra các vi trùng có khả năng làm lây lan các bệnh lạ dẫn tới hủy hoại sự sống của mọi sinh vật trên trái đất giống như điều kiện hiện nay trên Sao Hỏa

Mặt khác, các chất khí có tính acide như SO2, NO2, bị oxy hóa thành acide sulfuric, acide nitric hòa tan trong mưa, trong tuyết, trong sương mù làm hủy hoại thảm thực vật trên mặt đất (mưa acide) và gây ăn mòn các công trình kim loại

Lớp khí gây hiệu ứng nhà kính

CÁC CHỈ TIÊU Ô NHIỄM

CỦA Ô TÔ

Mức độ phát sinh các chất ô nhiễm phụ thuộc vào điều kiện vận hành cũng như tình trạng kĩ thuật của động cơ Do đó, tùy theo tình trạng giao thông cũng như mức độ khắt khe của luật môi trường ở mỗi nước mà quy trình thử có khác nhau Trên thực tế hiện nay tồn tại một số quy trình chuẩn của các nước công nghiệp phát triển và những quy trình đó được nhiều nước đang phát triển áp dụng như quy phạm chính thức để đo mức độ phát sinh ô nhiễm của ô tô ở nước mình

2.1 Lịch sử phát triển

Ô nhiễm môi trường do khí xả động cơ gây ra đã là mối quan tâm của của nhiều quốc gia từ lúc nền công nghiệp ô tô bắt đầu phát triển Theo thời gian, danh sách các chất ô nhiễm ngày càng trở nên chi tiết hơn, giới hạn nồng độ của chúng trong khí xả ngày càng trở nên khắt khe hơn và ngày càng nhiều quốc gia hưởng ứng vấn đề chống ô nhiễm môi trường do khí xả ô tô gây ra

Theo trình tự thời gian, chúng ta có thể kể các quốc gia đã sớm đặt vấn đề ô nhiễm môi trường do khí xả động cơ gây ra như sau:

- Pháp : 1963 - Nhật : 1966

Tiếp theo là những nước khác trong cộng đồng Châu Âu, Canada, Úc, các nước thuộc khối Đông Âu cũ, các nước Châu Á (Singapore, Đài Loan, Hàn Quốc )

2.2 Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm

Hiện nay chưa có một quy trình nào được áp dụng chung cho tất cả các nước để đo các chỉ tiêu ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong Do đó trên thế giới tồn tại nhiều quy trình khác nhau, mỗi quy trình ứng với một tiêu chuẩn ô nhiễm xác định và không có quan

hệ tương đương nào được xác lập giữa các tiêu chuẩn này

Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của mỗi nước căn cứ vào chế độ giao thông tiêu biểu của nước đó Bảng 2.1 so sánh các thông số đặc trưng của một số quy trình được áp dụng rộng rãi nhất hiện nay

Bảng 2.1: So sánh các thông số đặc trưng của một số quy trình thử tiêu biểu

13

chế độ

Nhật 11 chế độ

Thời gian trung bình

2.3 Cơ sở xây dựng các quy trình đo ô nhiễm

Quy trình thử là quy phạm quốc gia, phụ thuộc vào điều kiện giao thông của mỗi nước Nó dựa trên nhiều yếu tố, trong đó mật độ giao thông và chất lượng đường sá là hai yếu tố quan trọng nhất

- Mật độ giao thông: Mức độ ô nhiễm cục bộ bầu không khí là tổng hợp mức độ phát thải của tất cả những phương tiện vận tải trong khu vực khảo sát gây ra, nghĩa là mức độ ô nhiễm phụ thuộc vào mật độ ô tô Ở những thành phố lớn, khi mức độ ô nhiễm vượt giới hạn báo động, người ta khuyến khích dân chúng sử dụng phương tiện vận tải công cộng để giảm bớt mật độ xe Ở những nơi có mật độ lưu thông bé, ô tô không nhất thiết phải tuân thủ những quy định nghiêm ngặt về mức độ phát sinh ô nhiễm của những thành phố mật độ giao thông cao

- Điều kiện đường sá: Tùy vào chất lượng đường sá của mỗi nước mà chế độ hoạt động của các phương tiện khác nhau, do đó khả năng phát ô nhiễm của chúng cũng khác nhau Tiêu chuẩn ô nhiễm vì vậy cũng cần xét đến yếu tố này

2.4 Quy trình thử của một số nước

b Quy trình California

Đây là quy trình thử cũ được sử dụng từ năm 1968 Nó gồm 7 giai đoạn giống hệt nhau (hình 2.2) và cách bởi thời gian chạy không tải Quy trình thử kéo dài trong 16 phút 19 giây Động cơ khởi động ở trạng thái nguội sau khi dừng ít nhất 12 giờ ở điều kiện nhiệt độ môi trường Quy trình này hiện nay đã được thay thế bằng các quy trình FTP trên đây

Hình 2.2: Quy trình thử của Bang California

2.4.2 Quy trình thử của Cộng đồng Châu Âu

a Quy trình thử thành phố ECE :

Quy trình này được hình thành năm 1962 dựa vào điều kiện giao thông ở vùng Paris, rất khác biệt so với điều kiện giao thông ở California Đến năm 1966, quy trình này được sử dụng chung cho Cộng đồng Châu Âu Hình 2.3 trình bày diễn biến tốc độ của quy trình thử

Nó gồm 4 công đoạn y hệt nhau với quãng đường tổng cộng là 4,052km

b Quy trình thử ngoại thành của Cộng đồng Châu Âu EUDC

Quy trình EUDC được thực hiện bằng cách bổ sung thêm vào qui trình ECE một công đoạn thử tương ứng với chế độ vận hành của ô tô ở vùng ngoại thành (hình 2.3b) Công đoạn bổ sung có tốc độ cực đại là 120km/h, thời gian thử là 400s tương ứng một quãng đường 6,955km với tốc độ trung bình 62,6km/h Công đoạn thử bổ sung này được tiến hành sau khi đã thực hiện chu trình ECE và được bắt đầu bằng một giai đoạn chạy không tải 20s Mức độ ô nhiễm được cho theo đơn vị g/km thay vì g/lần thử

Số chu trình/lần thử : 4 Tốc độ trung bình (kể cà không tải) : 18,7 km/h

Thời gian/chu trình : 195s Tốc độ trung bình (không kể không tải): 27,01 km/h

Quãng đường thử : 1,013 km x 4 Tốc độ cực đại : 50 km/h

1: Số 1 2: Số 2 3: Số 3

ll : Chuyển số K: Mở ly hợp PM: Điểm chết R: Không tải Tốc độ (km/h)

Thời gian

Thời gian chu trình : 400s Quãng đường thử : 6,955 km Tốc độ trung bình : 62,6 km/h Tốc độ cực đại : 120 km/h

a Quy trình thử thành phố ECE

b Công đoạn bổ sung ngoại thành

Hình 2.3: Quy trình thử ECE, EUDC của Cộng đồng Châu Âu

2.4.3 Quy trình thử của Nhật Bản

a Quy trình thử 10 chế độ

Hình 2.4: Quy trình thử 10 chế độ của Nhật Hình 2.5: Quy trình thử 11 chế độ của Nhật

Quy trình thử 10 chế độ ứng với điều kiện giao thông trong thành phố Thời gian của mỗi công đoạn thử là 135s, ứng với quãng đường 0,664km với tốc độ trung bình 17,7km/h (hình 2.4) Quy trình thử được lập lại với 6 công đoạn như nhau Nồng độ ô nhiễm được biểu diễn theo g/km

b Quy trình thử 11 chế độ

Qui trình này thể hiện chế độ giao thông trên xa lộ Động cơ được khởi động nguội ở nhiệt độ khoảng từ 20 đến 30°C và chạy không tải trong 25s, sau đó tiến hành thử trong 120s tương ứng với quãng đường 1,021km với tốc độ trung bình 30,6km/h (hình 2.5) Mức

độ phát sinh ô nhiễm của ô tô được tính theo g/lần thử

b Quy trình thử 10-15 chế độ

Hình 2.6: Quy trình thử 10-15 chế độ của Nhật

Quy trình thử 10-15 chế độ ứng với điều kiện giao thông ở các vùng ngoại ô Nhật Bản Quy trình này sử dụng 3 công đoạn của quy trình thử 10 chế độ trên đây và kéo dài thêm một đoạn có tốc độ cực đại 70km/h (hình 2.6) Quãng đường thử tương ứng dài

km/h

120s 60

17

4,16km trong thời gian 660s với tốc độ trung bình 22,7km/h Quy trình này được áp dụng cho ô tô du lịch xuất xưởng sau tháng 11 năm 1991 Đến tháng 10 năm 1993 nó được áp dụng thêm cho xe tải dưới 2,5 tấn

2.5 Nồng độ cho phép của các chất ô nhiễm trong khí xả ô tô

2.5.1 Các chất ô nhiễm thể khí

1 Hoa Kì

Bảng 2.2 giới thiệu sự thay đổi về giới hạn nồng độ cho phép của các chất ô nhiễm trong khí xả ô tô ở Mĩ theo thời gian đối với ô tô du lịch Giới hạn này được áp dụng ở hầu hết các Bang trừ California và Newyork (những Bang có yêu cầu khắt khe hơn) và đo theo quy trình FTP 75 Các bảng này cho thấy mức độ khắt khe của tiêu chuẩn tăng dần theo thời gian: nồng độ cho phép của CO từ 84 g/dặm năm 1960 giảm xuống còn 3,4 g/dặm hiện nay (giảm khoảng 25 lần); nồng độ HC cũng trong thời gian đó giảm từ 10,6 g/dặm xuống còn 0,25 g/dặm (giảm khoảng 40 lần); mức độ giảm NOx có thấp hơn, từ 4,1 xuống 0,4 (giảm khoảng 10 lần)

Bảng 2.2: Tiêu chuẩn của Mĩ đối với ô tô du lịch (tính theo g/dặm, quy trình FTP 75)

% giá trị trước khi quy định

Ô tô cỡ trung 1130kg, 1400-2000 cm 3

60

50 40

30

20

CO (g/km)

Hình 2.7 : Biến thiên nồng độ giới hạn cho phép theo thời gian của các chất ô nhiễm

trong khí xả ô tô theo quy định của Cộng đồng Châu Âu

Mức độ phát sinh ô nhiễm cho phép đối với xe du lịch và xe vận tải hạng nhẹ theo quy trình thử ECE áp dụng ở Cộng đồng Châu Âu cho ở bảng 2.3

Bảng 2.3: Tiêu chuẩn Cộng Đồng Châu Âu đối với xe tải hạng nhẹ

- Đối với ô tô du lịch sử dụng động cơ xăng

Tiêu chuẩn Nhật Bản theo chu trình thử 10 chế độ và 11 chế độ ứng với các loại ô

tô khac nhau trình bày trên các bảng 2.4, 2.5, 2.6

Bảng 2.4: Tiêu chuẩn Nhật Bản đối với ô tô du lịch sử dụng động cơ xăng

Các nước đang phát triển sử dụng quy trình thử của các nước công nghiệp phát triển

và ấn định mức độ phát sinh ô nhiễm cho phép phù hợp với điều kiện của nước mình Quy trình thử và giới hạn cho phép về nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ ở một số nước đối với ô tô có tải trọng nhỏ hơn 2,7 tấn áp dụng ở một số nước được giới thiệu trong bảng 2.7 Chúng ta thấy các nước đang phát triển thường sử dụng các chu trình của Mĩ, Châu Âu và Nhật Bản Tính khắt khe về giới hạn nồng độ các chất ô nhiễm tăng dần theo

thời gian

Bảng 2.7: Quy trình thử và giới hạn ô nhiễm ở một số nước đang phát triển

(g/km)

HC

(g/km) Canada 1975

1987

1994

FTP 75 FTP 75 FTP 75

15,53 2,11 2,11

1,24 0,25 0,15

1,92 0,62 0,25

Úc và New Zealand

1976

1982

1986

FTP 72 FTP 72 FTP 75

24,20 22,00 9,30

2,10 1,91 0,93

1,90 1,73 1,90

1988

1989

ECE ECE FTP 75

14,31 14,31 2,11

4,69 4,69 0,25

(HC+NOx) (HC+NOx) 0,25 Singapore

10 C.độ

10 C.độ FTP 75 FTP 75

26

18

8 2,11

3,8 2,8 2,1 0,25

3,0 2,5 1,5 0,62 Mexico 1989

1990

1991

1993

FTP 75 FTP 75 FTP 75 FTP 75

21,9 18,52 6,96 2,11

1,99 1,79 0,70 0,25

2,29 1,99 1,39 0,62 Brazil 1988

1992

FTP 75 FTP 75

24

12

2,10 1,20

2,00 1,40

(1) Ô tô có động cơ V<800 cm 3 (2) Ô tô <2,5 tấn, có động cơ V>800 cm 3

2.5.2 Các quy định về nồng độ bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel

Các quy định về nồng độ cho phép của các chất ô nhiễm dạng khí trong khí xả động

cơ được áp dụng rất sớm so với các quy định về nồng độ bồ hóng Tiêu chuẩn Liên Bang Hoa Kì quy định, theo chu trình đo 2.8, độ mờ không được vượt quá 20% khi gia tốc, 15% khi phanh và 50% ở một điểm bất kì của chu trình Theo tiêu chuẩn Cộng đồng Châu Âu ở chế độ ổn định đầy tải, giới hạn của hệ số hấp thụ quang học theo lưu lượng của dòng khí

xả cho ở bảng 2.8 hoặc hình 2.9

Tiêu chuẩn độ khói trong khí xả động cơ Diesel được đo theo các đơn vị khác nhau phụ thuộc từng nước: Hệ số hấp thụ quang học k (Cộng đồng Châu Âu, Úc, Brazil), độ mờ (Mĩ, Hàn Quốc), chỉ số Bosch (Nhật, Thụy Điển) Bảng 2.9 giới thiệu tiêu chuẩn độ khói của một số nước

Bảng 2.8: Giới hạn hệ số hấp thụ quang học theo lưu lượng khí xả của động cơ Diesel làm việc ở chế độ ổn định đầy tải (tiêu chuẩn EU)

Hình 2.8: Tiêu chuẩn Cộng đồng Châu Âu

Hình 2.9: Tiêu chuẩn của Cộng đồng Châu Âu về độ khói trong khí xả động cơ Diesel

Bảng 2.9: Tiêu chuẩn độ khói của động cơ Diesel áp dụng ở một số nước

Cộng đồng Châu Âu

Độ mờ 50%

Độ mờ 50%

4 đ.v Bosch

2.6 Quy trình kiểm tra định kì mức độ phát sinh ô nhiễm của ô tô

Các quy định trên đây được áp dụng từ lúc ô tô xuất xưởng đến khi đã qua một thời gian sử dụng nhất định và quy trình đo được thực hiện ở những trung tâm kiểm định theo quy phạm nhà nước Ở Mĩ, các tiêu chuẩn đó được áp dụng cho đến khi ô tô đạt được 80.000 km Để thỏa mãn các quy định của tiêu chuẩn, trong quá trình sử dụng, ô tô phải được bảo trì tốt Tuy nhiên khi qua tay người sử dụng ô tô không phải lúc nào cũng được bảo trì đúng kĩ thuật Thống kê ở Mĩ cho thấy chỉ có 33% ô tô được bảo trì tốt, số còn lại bị điều chỉnh không đúng qui định hoặc bị thay thế các bộ phận không đúng tiêu chuẩn Tình trạng bảo trì ô tô sử dụng ở các quốc gia có nền công nghiệp chưa phát triển chắc chắn còn tồi hơn nhiều Điều này làm nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả gia tăng vượt quá giới hạn cho phép của các quy định

Để đánh giá định kì mức độ phát ô nhiễm của ô tô đã qua sử dụng, người ta áp dụng các quy trình kiểm tra sơ bộ

Bảng 2.10: Tiêu chuẩn ô nhiễm của ô tô ở chế độ không tải

20

40

60

Quốc gia Loại xe Chất ô nhiễm Giới hạn

Ô tô tải <0,76t hay khách <9 chỗ

Ô tô tải >0,76t hay khách >9 chỗ

HC

1,2%V 220ppmV

HC

4,5%V 1200ppmV

HC

3,5%V 900ppmV

2.6.1 Quy định về kiểm tra sơ bộ mức độ phát ô nhiễm của ô tô

ở các nước phát triển

Phần lớn các tiểu bang ở Mĩ đã sử dụng quy trình kiểm tra đơn giản để đánh giá mức

độ phát ô nhiễm của ô tô đã qua sử dụng Quy trình đo được thực hiện ở chế độ không tải

với các tiêu chuẩn quy định đối với nồng độ CO, HC và độ mờ của khí xả động cơ Diesel

Định kì hằng năm hay cứ hai năm một lần, tất cả ô tô phải qua kiểm tra ô nhiễm bằng quy

trình này Bảng 2.10 giới thiệu tiêu chuẩn ô nhiễm của ô tô đo ở chế độ không tải ở một số

nước

Cộng hòa Liên Bang Đức là nước đi đầu ở Châu Âu về kiểm tra định kì tình hình ô

nhiễm của ô tô Quy trình kiểm tra được thực hiện bằng cách đo nồng độ CO ở chế độ

không tải Tiếp theo là các nước Thụy Sĩ, Áo, Thụy Điển, Hà Lan

Ở Thụy Sĩ, từ năm 1986 trở đi, cứ một năm hay ba năm một lần, ô tô phải qua kiểm

tra thành phần CO, CO2 và HC ở chế độ không tải Ở Áo, từ năm 1985, hằng năm ô tô buộc

phải qua kiểm tra HC ở chế độ không tải (<600ppm) và độ mờ của khí xả động cơ Diesel ở

chế độ gia tốc tự do Ở Anh, kiểm tra nồng độ CO ở chế độ không tải bắt buộc đối với ô tô

hằng năm Giới hạn cho phép của CO là 4,5% Ở Thụy Điển, hằng năm ô tô phải qua kiểm

tra định kì Nồng độ CO ở chế độ không tải phải nhỏ hơn 5,5% và độ khói của khí xả Diesel

không được vượt quá 4,5 đơn vị Bosch ở chế độ đầy tải Thụy điển cũng đề nghị quy trình

thử INCOLL, trong đó không cần băng thử ru-lô mà dùng quán tính của các bộ phận quay

tự do sau động cơ (bánh đà, ly hợp, các bánh răng của hộp tốc độ ) làm tải khi tăng tốc tự

do Ở Hà Lan, tất cả ô tô đã qua sử dụng quá ba năm đều phải qua kiểm tra ô nhiễm dựa trên

việc đo nồng độ CO ở chế độ không tải

2.6.2 Tiêu chuẩn Việt Nam

- Năm 1990, Chính phủ Việt Nam đã ban hành tiêu chuẩn (TCVN 5123-90) quy định về hàm lượng CO trong khí xả động cơ xăng ở chế độ không tải Tiêu chuẩn này được

áp dụng cho tất cả ô tô chạy xăng có khối lượng lớn hơn 400 kg Hàm lượng CO được đo trực tiếp trong ống xả, cách miệng xả 300mm, ở hai chế độ tốc độ: nmin và 0,6ndm (ndm là tốc

độ định mức) Hàm lượng CO không được vượt quá 3,5% ở chế độ nmin và 2,0% ở chế độ 0,6ndm

- Năm 1991, Chính phủ Việt Nam ban hành tiêu chuẩn TCVN 5418-91 quy định về

độ khói trong khí xả động cơ Diesel Tiêu chuẩn này được áp dụng cho tất cả các loại ô tô dùng động cơ Diesel Độ khói của khí xả đo ở chế độ gia tốc tự do không được vượt quá 40% HSU (động cơ không tăng áp) và 50% HSU (động cơ tăng áp)

- Năm 1998, Chính phủ Việt Nam ban hành tiêu chuẩn TCVN 6438-98 quy định lại

cụ thể hơn giới hạn cho phép của các chất ô nhiễm trong khí xả của phương tiện vận tải (bảng 2.11)

Bảng 2.11 : Giới hạn tối đa cho phép của thành phần ô nhiễm trong khí thải

của các phương tiện vận tải

Thành phần ô nhiễm Phương tiện đang sử dụng Phương tiện đăng ký lần đầu

trong khí thải Phương tiện

động cơ xăng

Phương tiện động cơ Diesel

Phương tiện động

cơ xăng

Phương tiện động cơ Diesel Mức 1 Mức 2 Mức 3 Mức 1 Mức 2 Mức 1 Mức 2

cấu khác với động cơ

kiểu piston tịnh tiến)

_

NOx là tên gọi chung của oxyde nitơ gồm các chất NO, NO2 và N2O hình thành do

sự kết hợp giữa oxy và nitơ ở điều kiện nhiệt độ cao Chất ô nhiễm này ngày càng được quan tâm và trong một số trường hợp, nó là chất ô nhiễm chính làm giới hạn tính năng kỹ thuật của động cơ

Thật vậy, một trong những xu hướng nâng cao tính kinh tế của động cơ ngày nay

là áp dụng kỹ thuật chế hòa khí phân lớp cho động cơ làm việc với hỗn hớp nghèo Trong điều kiện đó, NOx là đối tượng chính của việc xử lý ô nhiễm Mặt khác, việc xử lý NOx

trong điều kiện đó gặp nhiều khó khăn vì bộ xúc tác ba chức năng chỉ hoạt động có hiệu quả khi a = 1 Các giải pháp kỹ thuật khác nhằm hạn chế NOx ngay trong quá trình cháy cũng đã được áp dụng trên động cơ hiện đại: giải pháp hồi lưu khí xả, giải pháp thay đổi thời kỳ trùng điệp của góc độ phối khí

Vì vậy, việc hiểu biết tường tận cơ chế hình thành NOx để tìm biện pháp hạn chế nồng độ của chúng ngay trong quá trình cháy là cần thiết Mức độ phát sinh ô nhiễm trung bình của quá trình cháy nhiên liệu hydrocarbure như sau:

Chất ô nhiễm Lượng phát sinh

3.2 Tác hại của Oxyde Nitơ

Oxyde nitơ có thể phát sinh do các quá trình tự nhiên hay do hoạt động công nghiệp NOx trong khí quyển do các quá trình tự nhiên sinh ra ước chừng 50.107 tấn Nó phân bố đều trên mặt địa cầu với nồng độ khoảng 2 ÷ 10µg/m3, gọi là nồng độ nền NOx

do hoạt động của con người tạo ra, tập trung chính ở vùng thành thị và các khu công nghiệp, chiếm khoảng 1/10 lượng NOx trong tự nhiên hiện nay

3.2.1 Ảnh hưởng của NOx đến sức khỏe con người

NOx có thể đi sâu vào phổi con người do ít hòa tan trong nước Khi vào được trong phổi, 80% lượng NOx bị giữ lại (đối với SO2, cơ quan này chỉ giữ lại khoảng 5%) Trong các chất của NOx, độc tính của NO2 cao hơn rất nhiều lần so với NO

NOx chủ yếu do quá trình cháy gây ra Ngoài các quá trình cháy công nghiệp và gia dụng, trong sinh hoạt, con người còn chịu đựng ảnh hưởng trực tiếp của NOx do khói thuốc lá gây ra Tùy theo loại thuốc lá, khi hút một điếu thuốc người hút đã đưa vào phổi

từ 100 đến 600µg NOx, trong đó hơn 5% là NO2 Với thuốc lá nâu thông thường, trung bình mỗi điếu sinh ra 350µg NOx Nếu người hút thuốc hít 8 lần, mỗi lần 2s với dung tích 35ml và khoảng thời gian giữa hai lần hít là 60s, chúng ta tính được nồng độ NOx trung bình là 933ppm theo thể tích trong toàn bộ khói thuốc Nhưng mỗi lần hít vào, khói thuốc

lá hòa tan vào phổi có thể tích 3500ml, nghĩa là đã làm loãng đi 100 lần, nồng độ NOx

trung bình trong phổi khoảng 9,3ppm đối với người chủ động hút thuốc lá

Đối với người thụ động chịu ảnh hưởng của thuốc lá (người hít không khí trong không gian bị ô nhiễm bởi khói thuốc lá) ảnh hưởng này nhỏ nhưng cũng đáng kể Tính trung bình theo số liệu trên đây thì trong một phòng kín có thể tích 50m3, khi người ta hút một gói 20 điếu thuốc, thì nồng độ NOx trong phòng đạt khoảng 0,1ppm do người hút thải

ra Nếu tính luôn phần khói thuốc thoát ra giữa hai lần hít, người ta ước chừng nồng độ

NOx trong phòng gấp 2÷5 lần so với nồng độ trên đây, nghĩa là 0,2 ÷ 0,5ppm

3.2.2 Ảnh hưởng của NOx đến thực vật

NOx chỉ ảnh hưởng đến thực vật khi nồng độ của nó đủ lớn Người ta thấy ở vùng

đô thị hóa cao, nồng độ NOx đạt khoảng 3,93ppm, sự quang hợp của thực vật chỉ giảm đi 25% Thí nghiệm đặt cây dưa leo trong không khí có nồng độ NOx 0,75ppm trong hai tháng cho thấy không bị ảnh hưởng gì Những thí nghiệm khác được thực hiện trên cà chua và đậu Hà Lan đặt trong môi trường không khí nhân tạo với nồng độ NOx cao hơn

10 lần so với nồng độ của chúng trong không khí khi bị ô nhiễm nặng nhất cho thấy các loại cây này không bị hư hại gì nhưng nồng độ nitơ tổng cộng trong môi trường gia tăng

Các thí nghiệm trên cây cam trồng trong không gian nhà kính với 4 điều kiện môi trường không khí như sau:

a Không khí nguyên thủy nơi làm thí nghiệm

b Không khí được lọc

c Không khí lọc + NO2 với nồng độ môi trường

d Không khí lọc + 2 lần nồng độ NO2 trong môi trường

Thí nghiệm được tiến hành bằng cách cân lá rụng và trái cây thu hoạch được trong thời gian cho trước trên một số cành xác định Người ta thấy rằng lá cây trong điều kiện c

có khuynh hướng rụng nhiều hơn cây trong điều kiện b; Lượng lá rụng nhiều nhất trong môi trường không khí d nhưng lượng trái cây thu hoạch được tối ưu nhất trong môi trường

c

Những thí nghiệm khác được tiến hành bằng cách đặt cam trong môi trường không khí ô nhiễm nặng hơn, có nồng độ NO2 từ 0,5 đến 1ppm, kéo dài trong 35 ngày cho thấy lá cây bị vàng và rụng nghiêm trọng Vì vậy thực vật chỉ bị tác hại khi nồng độ NOx đủ lớn

và thời gian đủ dài (2÷10ppm; 4÷20µg/m3 trong nhiều ngày) Oxyde nitơ không gây tác hại đến thực vật với nồng độ của chúng hiện nay trong khí quyển Chỉ có sự tham dự của

NOx vào các phản ứng hóa quang mới được xem là nguy hiểm vì NOx tác dụng với một số chất khác có mặt trong không khí trong những điều kiện nhất định tạo ra những chất nguy hiểm đối với thực vật Chẳng hạn dưới tác dụng của tia cực tím trong môi trường có chứa hydrocarbure, NOx có thể tạo ra những hợp chất nguy hiểm đối với thực vật gấp ngàn lần hơn so với chính bản thân NOx

3.2.3 Ảnh hưởng đến quang hợp

Hình 3.1: Ảnh hưởng của NO đến Hình 3.2: Ảnh hưởng của NO 2 đến

Khi nồng độ NOx lớn hơn 0,5 ÷ 0,7ppm chúng sẽ làm giảm sự quang hợp Hình 3.1

và 3.2 cho thấy rằng NO và NO2 làm giảm sự quang hợp với nhiều mức độ khác nhau đối với cùng thời gian tác động Sự giảm quang hợp đạt đến trạng thái cân bằng đối với NO nhanh hơn đối với NO2 và sau khi môi trường hết ô nhiễm, sự quay trở lại trạng thái ban đầu đối với NO nhanh hơn đối với NO2 Trong những vùng đô thị hóa cao (nồng độ NOx

đạt khoảng 3,93ppm), sự quang hợp có thể bị giảm đi 25%

3.3.1 Cơ chế hình thành monoxyde nitơ

Trong họ NO thì NO chiếm tỉ lệ lớn nhất NO chủ yếu do N trong không khí nạp

Ảnh hưởng Phục hồi

0 40 80

20 60 100

t(s)

Tỉ lệ gia tăng CO 2

5,8ppm

3,2ppm 1,6ppm

Phục hồi Ảnh hưởng

29

vào động cơ tạo ra Nhiên liệu xăng hay Diesel 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

NOx trong khí xả 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:

(3.1) (3.2) (3.3) Phản ứng (3.3) 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 0,1mm) và thời gian cháy rất

ngắn; thêm vào đó, áp suất trong xilanh 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 Hình 3.3: Sự phụ thuộc nồng độ NO theo nhiệt độ

Sự hình thành NO phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt độ (hình 3.3) Hình 3.4 cho thấy mức độ tiến triển của phản ứng:

(3.4) Phản ứng 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

3.3.2 Sự hình thành dioxide nitơ

Nồng độ NO2 có thể bỏ qua so

với NO nếu tính toán theo nhiệt động

học cân bằng trong điều kiện nhiệt độ

bình thường của ngọn lửa Kết quả này

có thể áp dụng gần đúng trong trường

hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức Đối

với động cơ Diesel, người ta thấy có

đến 30% NOx dưới dạng NO2 Dioxyde

nitơ NO2 được hình thành từ monoxyde

nitơ NO và các chất trung gian của sản

0,5 1,0

2500

2600 2800

3000K

t(ms) X/X e

2800 v/phút

vật cháy theo phản ứng sau:

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

Chính vì vậy N2O chỉ chiếm tỉ lệ rất thấp trong khí xả của động cơ đốt trong (khoảng 3 ÷ 8ppmV)

3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành Oxyde Nitơ

3.4.1 Trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức

Những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến sự hình thành NO là hệ số dư lượng không khí của hỗn hợp, hệ số khí sót và góc đánh lửa sớm Ảnh hưởng của tính chất nhiên liệu đến nồng độ NO có thể bỏ qua so với ảnh hưởng của các yếu tố này

31

1 Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí

Hình 3.5 minh họa ảnh hưởng của hệ số

dư lượng không khí đến mức độ phát sinh NO

Nhiệt độ cháy đạt giá trị cực đại tương ứng với

hệ số dư lượng không khí khoảng 0,9, nghĩa là

khi hỗn hợp hơi giàu Tuy nhiên trong điều

kiện đó nồng độ O2 thấp nên nồng độ NO

không đạt giá trị lớn nhất Khi hệ số dư lượng

không khí tăng, ảnh hưởng của sự gia tăng áp

suất riêng O2 đến nồng độ NO lớn hơn ảnh

hưởng của sự giảm nhiệt độ cháy nên NO đạt

giá trị cực đại ứng với hệ số dư lượng không

khí khoảng 1,1 (hỗn hợp hơi nghèo) Nếu độ

đậm đặc của hỗn hợp tiếp tục giảm thì tốc độ

của phản ứng tạo thành NO cũng giảm do nhiệt

độ cháy thấp Điều ấy giải thích sự giảm nồng

độ NOx khi tăng hệ số dư lượng không khí

Hình 3.5: Biến thiên nồng độ NO theo

Hệ số dư lượng không khí

2 Ảnh hưởng của hệ số khí sót

Trước khi cháy, hỗn hợp trong xi lanh bao gồm không khí, hơi nhiên liệu và khí sót Khí sót có mặt trong hỗn hợp là do khí cháy của chu trình trước còn sót lại trong xy lanh hay do hồi lưu khí xả Khi không có sự hồi lưu, lượng khí sót trong xi lanh phụ thuộc vào tải, góc độ phối khí và đặc biệt là khoảng trùng điệp giữa các soupape thải và nạp Khi khoảng trùng điệp tăng thì lượng khí sót tăng làm giảm nồng độ NO Mặt khác, lượng khí sót còn phụ thuộc vào chế độ động cơ, độ đậm đặc của hỗn hợp và tỉ số nén

Khí sót giữ vai trò làm bẩn hỗn hợp, do đó làm giảm nhiệt độ cháy dẫn đến sự giảm nồng độ NOx Tuy nhiên, khi hệ số khí sót gia tăng quá lớn, động cơ sẽ làm việc không ổn định làm giảm tính kinh tế và tăng nồng độ HC

Hình 3.6 trình bày ảnh hưởng của tỉ lệ khí xả hồi lưu đến nồng độ NO ứng với các

độ đậm đặc khác nhau của hỗn hợp Nồng độ các chất ô nhiễm giảm mạnh theo sự gia tăng của tỉ lệ khí xả hồi lưu cho đến khi tỉ lệ này đạt 15 ÷ 20%, đây là tỉ lệ khí sót lớn nhất chấp nhận được đối với động cơ làm việc ở tải cục bộ Nhiệt độ cháy giảm khi gia tăng lượng khí sót trong hỗn hợp là do sự gia tăng của nhiệt dung riêng môi chất

0,8 1,0 1,2 1,4 1000

2000 3000

4000 NO(ppm)

1000 2000

Hình 3.6: Ảnh hưởng của tỉ lệ khí xả

hồi lưu đến nồng độ NO Hình 3.7: Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến nồng độ NO

Sự gia tăng tỉ lệ khí sót vượt quá giới hạn cho phép làm giảm chất lượng quá trình cháy dẫn đến sự cháy không hoàn toàn và động cơ làm việc không ổn định do bỏ lửa Vì vậy, luợng khí sót tối ưu cần phải cân nhắc giữa sự giảm nồng độ NO và sự gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu Điều này chỉ có thể thực hiện một cách tự động nhờ hệ thống điều khiển điện tử cho phép điều khiển lượng khí xả hồi lưu tối ưu ứng với mỗi chế độ vận hành của động cơ

3 Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm

Góc đánh lửa sớm có ảnh hưởng mạnh đến sự phát sinh NO (hình 3.7) Khi tăng góc đánh lửa sớm, điểm bắt đầu cháy xuất hiện sớm hơn trong chu trình công tác, áp suất cực đại xuất hiện gần ĐCT hơn do đó giá trị của nó cao hơn Vì vậy, tăng góc đánh lửa sớm cũng làm tăng nhiệt độ cực đại Mặt khác, vì thời điểm cháy bắt đầu sớm hơn nên thời gian tồn tại của khí cháy ở nhiệt độ cao cũng kéo dài Hai yếu tố này đều tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành NO

Tóm lại, tăng góc đánh lửa sớm làm tăng nồng độ NO trong khí xả Trong điều kiện vận hành bình thường của động cơ, giảm góc đánh lửa 10 độ có thể làm giảm nồng

độ NO từ 20 ÷ 30% ở cùng áp suất cực đại của động cơ

Khác với động cơ đánh lửa cưỡng bức, do đặc điểm của quá trình tạo hỗn hợp không đồng nhất, quá trình cháy trong động cơ Diesel gồm hai giai đoạn: giai đoạn cháy đồng nhất diễn ra ngay sau kì 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 Đối với quá trình cháy hòa trộn trước, thành phần hỗn hợp có thể thay đổi trong phạm vi rộng; trong khi đó, đối 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 hoàn toàn lí thuyết

Cũng như trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức, nhiệt độ cực đại là yếu tố ảnh hưởng lớn đến sự hình thành NO trong quá trình cháy của động cơ Diesel Trong mọi loại động cơ, sản phẩm cháy của bộ phận nhiên liệu cháy trước tiên trong chu trình đóng vai trò quan trọng nhất đối với sự hình thành NO vì sau khi hình thành, bộ phận sản phẩm cháy đó bị nén làm nhiệt độ gia tăng do đó làm tăng nồng độ NO

Mặt khác, do quá trình cháy khuếch tán, trong buồng cháy động cơ Diesel 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 trong trương hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức và do đó NO ít có khuynh

hướng bị phân giải hơn

Các quan sát thực nghiệm cho thấy hầu hết NO được hình thành trong khoảng 200

góc quay trục khuỷu từ lúc bắt đầu cháy Do đó, khi giảm góc phun sớm, điểm bắt đầu cháy lùi gần ĐCT hơn, điều kiện hình thành NO cũng bắt đầu trễ hơn và nồng độ của nó giảm do nhiệt độ cực đại thấp Đối với động cơ Diesel cỡ lớn, giảm góc phun sớm có thể làm giảm đến 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 (hình 3.8) Tuy nhiên nồng độ NOx giảm theo độ đậm đặc chậm hơn trong trường hợp 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 cao, nồng độ

NO tăng

Ở động cơ Diesel phun gián tiếp, một

bộ phận nhỏ NO hình thành trong buồng cháy

chính (khoảng 35%) còn phần lớn được hình

thành trong buồng cháy dự bị (khoảng 65%)

Quá trình cháy trong buồng cháy phụ nói

chung diễn ra trong điều kiện độ đậm đặc

trung bình rất lớn, trừ trường hợp tải thấp, do

đó nồng độ NO trong buồng cháy này cao

Thời gian dành cho sự phân giải NO trong

hỗn hợp đậm đặc của buồng cháy dự bị rút

ngắn vì ngay sau khi hình thành, nó được

chuyển sang buồng cháy chính và ở đó, các

phản ứng phân giải NO bị khống chế vì chúng

được hòa trộn với không khí có nhiệt độ thấp Hình 3.8: Ảnh hưởng độ đăm đặc trung

bình đến nồng độ NO x trong động cơ Diesel

Hình 3.8 trình bày biến thiên của nồng độ NOx và NO trong khí xả theo độ đậm đặc trung bình đối với động cơ Diesel phun trực tiếp, tốc độ 1000v/phút và góc phun sớm

270 trước ĐTC

Cũng như trong trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức, sự hồi lưu khí xả làm giảm NO do làm giảm nhiệt độ khí cháy Tuy nhiên, ở động cơ Diesel ảnh hưởng của khí

xả hồi lưu đến NO phụ thuộc mạnh vào chế độ tải Ở chế độ tải cao, khí thải chứa nhiều

CO2 và hơi nước, hỗn hợp có nhiệt dung riêng lớn, còn ở chế độ tải thấp, khí hồi lưu chủ yếu là nitơ có nhiệt dung riêng bé Ở động cơ Diesel tăng áp, sự gia tăng áp suất dẫn đến

sự gia tăng nhiệt độ khí cháy, do đó làm tăng nồng độ NO

Diesel

3.5.1 Giới thiệu

0,3 1000 2000 3000 NO,NO x (ppm)

f

NO x

NO

0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 4000

Trởn ợờy chóng ta ợỈ ợồ cẹp ợỏn cĨc phộn ụng hÈnh thÌnh NOx KhĨc víi phđn lín cĨc chÊt khĨc cã mật trong sộn phẻm chĨy, nạng ợé NOx ợỨîc khèng chỏ bẽi ợéng hảc phộn ụng vÈ thêi gian chóng ợÓt ợiồu kiơn cờn bững nhiơt ợéng hảc xÊp xừ thêi gian chĨy ớèi víi quĨ trÈnh chĨy trong ợéng cŨ, cĨc nhÌ nghiởn cụu ợỈ ợỨa ra nhƠng hơ phỨŨng trÈnh ợéng hảc phộn ụng khĨc nhau ợố mỡ tộ sù hÈnh thÌnh NOx nhỨ mỡ hÈnh Newhall, Annand, Zeldovich CĨc yỏu tè cŨ bộn ợố tÝnh toĨn nạng ợé NOx theo cĨc mỡ hÈnh nÌy lÌ nạng ợé côc bé cĐa oxy, nhiởn liơu vÌ nhiơt ợé chĨy Mỡ hÈnh ợố xĨc ợẺnh cĨc thỡng sè nÌy trong quĨ trÈnh chĨy cĐa ợéng cŨ Diesel ợỈ lÌ ợồ tÌi bÌn cỈi cĐa cĨc nhÌ khoa hảc tõ nhiồu thẹp kủ qua

Tõ lờu, mỡ hÈnh mét khu vùc ợỨîc sö dông nhỨ mét phỨŨng tiơn ợố tÝnh toĨn quĨ trÈnh chĨy ợéng cŨ Diesel Mỡ hÈnh nÌy giộ ợẺnh hçn hîp trong buạng chĨy lÌ ợạng nhÊt,

bá qua ộnh hỨẽng cĐa cĨc hiơn tỨîng lỶ hoĨ vÌ sù khuỏch tĨn nhiởn liơu - khỡng khÝ trong ngản löa Mỡ hÈnh ợã râ rÌng khỡng cho phƯp xĨc ợẺnh ợỨîc nạng ợé NOx Mỡ hÈnh ợa khu vùc ợỨîc thiỏt lẹp nhữm khÕc phôc nhỨîc ợiốm trởn Tuy ợỨîc ghi nhẹn lÌ bỨíc tiỏn ợĨng kố, nhỨng mỡ hÈnh nÌy tạn tÓi mét nhỨîc ợiốm cŨ bộn ợã lÌ tèc ợé tiởu thô nhiởn liơu ợỨîc xĨc ợẺnh dùa trởn nhƠng biốu thục thùc nghiơm, do ợã khã cã thố khĨi quĨt hoĨ cho cĨc trỨêng hîp khĨc nhau cĐa ợéng cŨ Diesel

Mỡ hÈnh ngản löa khuỏch tĨn lÌ mỡ hÈnh ợa khu vùc ợỨîc thiỏt lẹp trong thêi gian gđn ợờy ợố tÝnh toĨn quĨ trÈnh chĨy cĐa ợéng cŨ Diesel Tèc ợé tiởu thô nhiởn liơu ợỨîc xĨc ợẺnh dùa trởn cŨ sẽ cờn bững vẹt chÊt trong ngản löa rèi Mỡ hÈnh nÌy ợỈ mẽ ra triốn vảng trong tÝnh toĨn nạng ợé cĨc chÊt ỡ nhiÔm cĐa quĨ trÈnh chĨy ợéng cŨ Diesel, ợậc biơt lÌ bạ hãng vÌ NOx

Phđn sau ợờy sỹ giíi thiơu mét vÝ dô vồ tÝnh toĨn sù hÈnh thÌnh NOx trong ợéng

cŨ Diesel phun giĨn tiỏp bững mỡ hÈnh khuỏch tĨn

3.5.2 Mỡ hÈnh tÓo NOx

Trong trỨêng hîp ợđy ợĐ cã thố xem trong sộn vẹt chĨy cĐa khỡng khÝ vÌ nhiởn liơu hydrocarbure cã 12 chÊt: H2O, H2, OH, H, N2, NO, N, CO2, CO, O2, O, Ar Phộn ụng hãa hảc trong trỨêng hîp tăng quĨt ợỨîc viỏt dỨíi dÓng:

121

nhiơt ợéng hảc trõ NOx, chÊt cã nạng ợé thay ợăi theo thêi gian Trong phđn trởn chóng ta giíi thiơu hơ phỨŨng trÈnh Zeldovich Trong vÝ dô nÌy chóng ta sö dông hơ phỨŨng trÈnh ợđy ợĐ hŨn cĐa ANNAND Theo ANNAND, hơ cĨc phỨŨng trÈnh ợéng hảc phộn ụng khèng chỏ sù hÈnh thÌnh NOx bao gạm 7 phỨŨng trÈnh thuẹn nghẺch sau ợờy:

d NO

d

Vn

RR

RR

3.5.3 Mỡ hÈnh chĨy khuỏch tĨn trong ợéng cŨ Diesel phun giĨn tiỏp

Trong giai ợoÓn chĨy khuỏch tĨn khỡng gian cĨc buạng chĨy cĐa ợéng cŨ Diesel PGT ợỨîc chia thÌnh bèn khu vùc nhỨ hÈnh 3.9 vÌ 3.10 Sau giai ợoÓn chĨy nhanh, nhiởn liơu ợỨîc tiỏp tôc phun vÌo, khỡng khÝ cßn lÓi trong buạng chĨy phô khuỏch tĨn vÌo tia phun vÌ chĨy khuỏch tĨn (khu vùc 1) ớé ợẹm ợậc trung bÈnh trong khu vùc 1 tÙng dđn vÌ quĨ trÈnh chĨy tÓi ợờy kỏt thóc khi ợé ợẹm ợậc trung bÈnh lín hŨn giĨ trẺ giíi hÓn trởn cĐa φ Khu vùc nÌy bao gạm nhiởn liơu chỨa chĨy, sộn phẻm chĨy ẽ khu vùc 2, ban

ợđu lÌ khỡng khÝ, thố tÝch khu vùc nÌy thu hỦp dđn vÌ cuèi cĩng lÌ sộn phẻm chĨy chiỏm chç

Khu vùc 3 lÌ chĨy trong buạng chĨy chÝnh ớđu tiởn nã bao gạm nhiởn liơu chỨa chĨy hỏt, sộn phẻm chĨy khỡng hoÌn toÌn Oxy trong buạng chĨy chÝnh khuỏch tĨn vÌo khu vùc 3 (ợỨîc xem nhỨ mét ngản löa khuỏch tĨn míi) ớé ợẹm ợậc trung bÈnh cĐa khu vùc nÌy giộm dđn vÌ quĨ trÈnh chĨy kỏt thóc khi toÌn bé lỨîng nhiởn liơu phun vÌo ợỈ tiởu thô hỏt Khu vùc 4, chụa khỡng khÝ, thố tÝch khu vùc nÌy giộm dđn vÌ ợỏn cuèi quĨ trÈnh chĨy nã bẺ sộn phẻm chĨy chiỏm chç hoÌn toÌn

HÈnh 3.9: SŨ ợạ phờn chia khu vùc giai ợoÓn chĨy

khuỏch tĨn trong buạng chĨy chÝnh vÌ phô HÈnh 3.10: Mỡ hÈnh cĨc vĩng phộn ụng trong ợéng cŨ phun giĨn tiỏp

NhỨ vẹy cã thố xem quĨ trÈnh chĨy khuỏch tĨn trong ợéng cŨ Diesel phun giĨn tiỏp gạm hai ngản löa khuỏch tĨn: Ngản löa thụ nhÊt chĨy trong buạng chĨy phô, cã ợậc ợiốm lÌ tÓi miơng vßi phun chừ cã nhiởn liơu, ngản löa thụ hai chĨy trong buạng chĨy chÝnh tèc

ợé phun thÊp hŨn, ợỨêng kÝnh lç phun lín hŨn (chÝnh lÌ ợỨêng kÝnh hảng thỡng) vÌ tÓi miơng hảng thỡng lÌ hçn hîp gạm nhiởn liơu vÌ sộn phẻm chĨy

Hơ phỨŨng trÈnh cđn giội ụng víi 6 ẻn sè lÌ nhiơt ợé khÝ tÓi cĨc vĩng 1, 2, 3, 4, Ĩp suÊt trong buạng chĨy p vÌ nạng ợé NOx Hơ phỨŨng trÈnh nÌy ợỨîc thiỏt lẹp dùa trởn ợẺnh luẹt nhiơt ợéng hảc thụ nhÊt, phỨŨng trÈnh trÓng thĨi khÝ lỶ tỨẽng vÌ phỨŨng trÈnh (3.19)

3.5.4 Kỏt quộ

Hơ phỨŨng trÈnh trởn ợỨîc Ĩp dông ợố tÝnh toĨn quĨ trÈnh chĨy vÌ sù hÈnh thÌnh

NOx trong ợéng cŨ KUBOTA So sĨnh kỏt quộ tÝnh toĨn NOx víi kỏt quộ thùc nghiơm ẽ cĨc gãc phun sím khĨc nhau ợỨîc trÈnh bÌy trởn hÈnh 3.11 Kỏt quộ tÝnh toĨn rÊt phĩ hîp víi thùc nghiơm Khi tÙng gãc phun sím dÉn ợỏn thêi ợiốm bÕt ợđu chĨy diÔn ra sím

e d c

hŨn do ợê lÌm tÙng giĨ trẺ Ĩp suÍt cùc ợÓi, nhiơt ợĩ cùc ợÓi cao hŨn vỈ vẹy nạng ợĩ

NOx sinh ra lín hŨn

So sĨnh kỏt quộ tÝnh toĨn NOx víi kỏt quộ thùc nghiơm ẽ cĨc sỉ vßng quay khĨc nhau trỈnh bÌy trởn hỈnh 3.12 CÌng tÙng sỉ vßng quay tỉc ợĩ vẹn ợĩng rỉi cĐa khỡng khÝ trong buạng chĨy cÌng tÙng, lÌm tÙng tỉc ợĩ chĨy do ợê NOx tÙng lởn Sù sai lơch giƠa tÝnh toĨn lỶ thuyỏt víi thùc nghiơm cê thố do viơc giộn hêa trong giộ thiỏt tÝnh toĨn khi dĩng mỡ hỈnh rỉi k-ε-g ợậc trỨng cho vẹn ợĩng rỉi cĐa mỡi chÍt trong buạng chĨy

So sĨnh kỏt quộ tÝnh toĨn NOx víi kỏt quộ thùc nghiơm theo ợĩ ợẹm ợậc trung bỈnh cĐa hìn hîp ẽ cĨc sỉ vßng quay 1200 vßng/phót vÌ 2200 vßng/phót trỈnh bÌy trởn hỈnh 3.13 vÌ 3.14 Sù phĩ hîp giƠa tÝnh toĨn vÌ thùc nghiơm cho thÍy cê thố dĩng hơ phỨŨng trỈnh ợĩng hảc phộn ụng cĐa Annand ợố tÝnh toĨn sù hỈnh thÌnh NOx trong khÝ xộ ợĩng cŨ Diesel

NOx Tính toán

NOx Thí nghiệm

HỈnh 3.11: So sĨnh kỏt quộ tÝnh toĨn vÌ thÝ

nghiơm NO x cĐa ợĩng cŨ KUBOTA theo gêc

phun sím, lỨîng nhiởn liơu cung cÍp chu trỈnh

Qct= 0.037g/ct

HỈnh 3.12: So sĨnh kỏt quộ tÝnh toĨn vÌ thÝ nghiơm nạng ợĩ NO x cĐa ợĩng cŨ KUBOTA theo sỉ vßng quay, lỨîng nhiởn liơu cung cÍp chu trỈnh Qct=0.03g/ct; gêc phun sím 21 o

HÈnh 3.13: Kỏt quộ tÝnh toĨn vÌ thÝ nghiơm nạng ợé

NO x cĐa ợéng cŨ KUBOTA theo hơ sè dỨ lỨîng

khỡng khÝ khi n= 1200v/ph

HÈnh 3.14: Kỏt quộ tÝnh toĨn vÌ thÝ nghiơm nạng ợé

NO x cĐa ợéng cŨ KUBOTA theo hơ sè dỨ lỨîng khỡng khÝ trung bÈnh khi n= 2200v/ph

4.2.5 Ảnh hưởng của hệ số khí sót

Hình 4.10 trình bày ảnh hưởng của hệ số khí sót xb đến nồng độ CO trong khí xả động cơ Toyota Khi tăng hệ số khí sót, nhiệt độ cháy giảm làm giảm tốc độ phản ứng phân giải CO2 thành CO do đó nồng độ CO trong sản phẩm cháy giảm Vì vậy, hệ thống hồi lưu khí xả EGR lắp trên các động cơ hiện đại để khống chế nồng độ NOx đồng thời

cũng góp phần làm giảm nồng độ CO ở chế độ tải thấp

4.3 Cơ chế hình thành hydrocarbure chưa cháy HC

4.3.1 Sự phát sinh hydrocarbure chưa cháy trong khí xả động đốt trong

Sự phát sinh hydrocarbure chưa cháy HC, hay nói một cách tổng quát hơn, sự hình thành các sản phẩm hữu cơ, là do quá trình cháy không hoàn toàn hoặc do một bộ phận hỗn hợp nằm ngoài khu vực lan tràn màng lửa Điều này xảy ra do sự không đồng nhất của hỗn hợp hoặc do sự dập tắt màng lửa ở khu vực gần thành hay trong các không gian chết, nghĩa là ở khu vực có nhiệt độ thấp, khác với sự hình thành CO và NOx diễn ra trong pha đồng nhất ở những khu vực có nhiệt độ cao

Hình 4.11: Biến thiên nồng độ một số hydrocarbure

HC bao gồm các thành phần hydrocarbure rất khác biệt, có độc tính khác nhau đối với sức khỏe con người cũng như có tính phản ứng khác nhau trong quá trình biến đổi hóa học trong bầu khí quyển Thông thường HC chứa một bộ phận lớn méthane Thêm vào đó, chúng còn có các thành phần chứa oxygène có tính phản ứng cao hơn như aldehyde, cetone, phenol, alcool Nếu thành phần chứa carbon chỉ chiếm vài phần trăm trong HC của động cơ đánh lửa cưỡng bức thì aldehyde có thể đạt đến 10% trong HC động cơ Diesel và trong số aldehyde này, formaldehyde chiếm tới 20% tổng số thành phần chứa carbon

Những chất còn lại trong hỗn hợp sau khi màng lửa đi qua không phải là nguồn phát sinh HC chính đo được trên đường xả của động cơ đốt trong Hình 4.11 biểu diễn sự biến thiên nồng độ các thành phần hydrocarbure theo góc quay trục khuỷu đo được trên thành buồng cháy của động cơ một cylindre Chúng ta thấy rằng, ngay khi màng lửa đi qua, nồng độ HC đo được thấp hơn HC có mặt trong khí xả Vào cuối chu trình, nồng độ

HC lại tăng lên Thật vậy, khi màng lửa đã lan đến khu vực gần thành thì nó bị dập tắt và chính HC thoát ra từ các vùng không bị cháy đóng vai trò chủ yếu trong việc làm tăng nồng độ HC

4.3.2 Cơ chế tôi màng lửa

Tôi màng lửa hay sự dập tắt màng lửa diễn ra khi nó tiếp xúc với thành buồng cháy Quá trình tôi màng lửa có thể xảy ra trong những điều kiện khác nhau: màng lửa bị làm lạnh khi tiếp xúc với thành trong quá trình dịch chuyển hoặc màng lửa bị dập tắt trong những không gian nhỏ liên thông với buồng cháy, chẳng hạn như khe hở giữa piston và thành cylindre (hình 4.12)

Hình 4.12: Sự hình thành HC do tôi màng lửa

Khi màng lửa bị tôi, nó giải phóng một lớp mỏng hỗn hợp chưa cháy hay cháy không hoàn toàn trên các bề mặt tiếp xúc (culasse, piston, cylindre, soupape ) hay ở những không gian chết

Bề dày của vùng bị tôi phụ thuộc vào những yếu tố khác nhau: nhiệt độ và áp suất của hỗn hợp khí, tốc độ lan tràn màng lửa, hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, tình trạng bề mặt của thành buồng cháy, lớp muội than, nhiệt độ thành buồng cháy Người ta có thể sử dụng những công thức thực nghiệm để tính kích thước bé nhất của không gian chết để màng lửa có thể đi qua mà không bị dập tắt

Quá trình tôi màng lửa diễn ra theo hai giai đoạn: trong giai đoạn đầu, màng lửa bị tắt khi nhiệt lượng hấp thụ vào thành buồng cháy cân bằng với nhiệt lượng do màng lửa tỏa ra Vài giây sau khi tôi, do diễn ra sự khuếch tán hay sự oxy hóa nên nồng độ HC tại khu vực này nhỏ hơn nồng độ đo được khi tôi Mặt khác, những hydrocarbure thoát ra trong quá trình oxy hóa ban đầu do màng lửa bị dập tắt có thể bị oxy hóa trong quá trình

Sản phẩm cháy

Hỗn hợp chưa cháy Vùng

màng lửa

bị kẹt

48

giãn nở hay thải

Cuối cùng lớp dầu bôi trơn trên mặt gương cylindre có thể hấp thụ hydrocarbure, nhất là các hydrocarbure trước khi bén lửa và thải HC ra hỗn hợp cháy trong kì giãn nở Quá trình hấp thụ và thải HC như vừa nêu đôi khi là nguồn phát sinh HC quan trọng trong khí xả động cơ đốt trong

4.4 Sự phát sinh HC trong quá trình cháy của động cơ

đánh lửa cưỡng bức

Khí xả động cơ xăng thường có chứa từ 1000 đến 3000ppmC, tương ứng với khoảng từ 1 đến 2,5% lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ Như đã trình bày trên hình 1.1, nồng độ HC tăng nhanh theo độ đậm đặc của hỗn hợp Tuy nhiên, khi độ đậm đặc của hỗn hợp quá thấp, HC cũng tăng do sự bỏ lửa hay do sự cháy không hoàn toàn diễn ra ở một số chu trình công tác Sự hình thành HC trong động cơ đánh lửa cưỡng bức có thể được giải thích theo các cơ chế sau đây (hình 4.13):

- Sự tôi màng lửa khi tiếp xúc với thành tạo ra một lớp hỗn hợp không bị bén lửa trên mặt thành buồng cháy

- Hỗn hợp chứa trong các không gian chết không cháy được do màng lửa bị dập tắt

- Hơi nhiên liệu hấp thụ vào lớp dầu bôi trơn trên mặt gương cylindre trong giai đoạn nạp và nén và thải ra trong giai đoạn giãn nở và cháy

- Sự cháy không hoàn toàn diễn ra ở một số chu trình làm việc của động cơ (cháy cục bộ hay bỏ lửa) do sự thay đổi độ đậm đặc, thay đổi góc đánh lửa sớm hay hồi lưu khí

xả, đặc biệt khi gia giảm tốc độ

Mặt khác, muội than trong buồng cháy cũng có thể gây ra sự gia tăng mức độ phát sinh ô nhiễm do sự thay đổi các cơ chế trên đây Tất cả những quá trình này (trừ trường hợp bỏ lửa) làm gia tăng nồng độ HC chưa cháy ở gần thành buồng cháy chứ không phải trong toàn bộ thể tích buồng cháy Trong quá trình thải có thể xuất hiện hai đỉnh cực đại của nồng độ HC: đỉnh thứ nhất tương ứng với đại bộ phận HC sinh ra trong quá trình cháy chính, đỉnh thứ hai xuất hiện vào cuối kì thải ở thời điểm những bộ phận HC cuối cùng thoát ra khỏi cylindre trong điều kiện lưu lượng khí xả đã giảm

Lớp dầu bôi

trơn hấp thụ

HC

Lớp muội than hấp thụ HC

Hỗn hợp chưa cháy bị nén vào không gian chết

Màng lửa

Hỗn hợp cháy không hoàn toàn là nguồn phát sinh HC

HC trên thành Lớp muội thangiải phóng HC

NÉN

CHÁY

Hình 4.13: Sơ đồ các nguồn phát sinh HC

4.4.1 Tôi màng lửa trên thành buồng cháy

Bề dày của lớp bị tôi thay đổi từ 0,05 đến 0,4mm phụ thuộc vào chế độ tải của động cơ Khi tải càng thấp thì lớp bị tôi càng dày Sự hiện diện của aldehyde dạng HCHO hay CH3CHO trong lớp tôi chứng tỏ rằng khu vực lớp tôi là nơi diễn ra các phản ứng oxy hóa ở nhiệt độ thấp Sau khi màng lửa bị dập tắt, những phần tử HC có mặt trong lớp tôi khuếch tán vào khối khí nhiệt độ cao trong buồng cháy và đại bộ phận bị oxy hóa

Trạng thái bề mặt của thành buồng cháy cũng ảnh hưởng đến mức độ phát sinh HC: nồng độ HC có thể giảm đi 14% trong trường hợp thành buồng cháy được đánh bóng

so với trường hợp thành buồng cháy ở dạng đúc thô Lớp muội than gây ảnh hưởng đến nồng độ HC tương tự như trường hợp thành buồng cháy nhám

4.4.2 Ảnh hưởng của các không gian chết

Các không gian này được xem là nguyên nhân chủ yếu phát sinh HC Các không gian chết quan trọng nhất là các khe hở giới hạn giữa piston, segment và cylindre (hình 4.15) Những không gian chết khác bao gồm chân ren và không gian quanh cực trung tâm của bougie, không gian quanh nấm và đế soupape, không gian giới hạn giữa nắp cylindre, thân máy và đệm culasse Ở thời điểm gia tăng áp suất trong quá trình nén, hỗn hợp nhiên liệu-không khí bị đẩy vào các không gian chết Do tỉ số giữa diện tích bề mặt và thể tích của các không gian chết lớn nên lượng khí dồn vào đây được làm mát nhanh chóng Trong giai đoạn cháy, áp suất tiếp tục tăng và một bộ phận hỗn hợp mới lại được nén vào không gian chết Khi màng lửa lan đến các khu vực này, nó có thể lan tràn vào bên trong để đốt cháy hỗn hợp này hoặc nó bị tôi ngay trước khi vào trong không gian chết Khả năng màng lửa bị tôi phụ thuộc vào dạng hình học của lối vào không gian chết, thành phần của hỗn hợp chưa cháy và trạng thái nhiệt động học của nó Thực nghiệm cho thấy sự tôi màng lửa diễn ra khi khe hở giữa piston và cylindre nhỏ hơn 0,18mm Sau khi màng lửa đến và

bị tôi, khí cháy lại chui vào không gian chết cho đến khi áp suất bắt đầu giảm Khi áp suất trong không gian chết trở nên lớn hơn áp suất trong cylindre, bộ phận khí chứa trong các không gian này quay trở ngược lại cylindre

Hình 4.15 thể hiện những không gian chết quan trọng nhất, đó là thể tích bao gồm giữa piston, segment và thành cylindre Nó bao gồm một loạt các thể tích nối liền nhau bởi những khe hẹp như khe hở segment, không gian giới hạn giữa hai segment liên tiếp Dạng hình học của các không gian chết này thay đổi khi segment dịch chuyển trong rãnh

để che kín mặt trên hay mặt dưới rãnh segment Các không gian chết vừa nêu có thể chứa

từ 5 đến 10% hỗn hợp trong cylindre và bộ phận hỗn hợp này không cháy được trong quá trình cháy chính Trong giai đoạn giãn nở, khi quay ngược lại cylindre, một bộ phận HC chứa trong không gian chết bị oxy hóa, phần còn lại (hơn 50%) thoát ra ngoài theo khí xả Thực nghiệm cho thấy hơn 80% HC chứa trong sản phẩm cháy do các không gian chết của nhóm piston-segment-cylindre gây ra; 13% lượng HC do không gian chết của đệm culasse 2% do không gian chết của bougie Giảm khoảng cách giữa segment thứ nhất so với đỉnh piston có thể làm giảm nồng độ HC từ 47 đến 74% so với giá trị bình thường tùy theo điều kiện làm việc của động cơ

Vị trí của nến đánh lửa cũng ảnh hưởng đến mức độ phát sinh HC; nếu nến đánh lửa đặt gần các không gian chết thì trong không gian đó có chứa một bộ phận sản phẩm cháy; ngược lại, nếu nến đánh lửa đặt xa thì không gian chết chứa chủ yếu hỗn hợp khí chưa cháy Trong nhiều trường hợp, sự chênh lệch nồng độ HC có thể đạt đến 20%

Lọt khí carter là lượng khí lọt từ cylindre xuống carter trong quá trình nén và cháy

do sự không kín khít của segment Lọt khí carter cũng là nguồn phát sinh HC nếu nó được thải trực tiếp ra khí quyển Ngày nay, ở hầu hết động cơ ô tô, lượng khí này được dẫn vào đường nạp để tăng tính kinh tế và giảm mức độ phát sinh HC Để lượng hỗn hợp chưa cháy chứa trong các không gian chết không quay ngược lại buồng cháy, trong một số trường hợp người ta có thể giảm độ kín khít của segment để lượng khí này lọt xuống carter

và bị đốt cháy khi quay vào lại cylindre theo đường nạp

Hình 4.15: Nguồn phát sinh HC trong động cơ đánh lửa cưỡng bức

Không gian chết giữa đế và nấm soupape

Không gian chết

ở chân ren bougie

Không gian chết

ở đệm culasse

Không gian chết giữa segment và rãnh segment

Vì vậy, việc thiết kế hợp lí buồng cháy, lựa chọn hợp lí dạng piston, segment, đệm culasse để giảm các không gian chết, lựa chọn vị trí đặt bougie tốt sẽ làm giảm đáng kể nồng độ HC trong khí xả

4.4.3 Sự hấp thụ và giải phóng HC ở màng dầu bôi trơn

Pha dầu bôi trơn vào nhiên liệu, như trường hợp động cơ 2 kì, sẽ làm gia tăng mức

độ phát sinh HC Khi pha thêm 5% dầu bôi trơn vào nhiên liệu thì nồng độ HC trong khí

xả có thể tăng gấp đôi hay gấp ba so với trường hợp động cơ làm việc với nhiên nhiên không pha dầu bôi trơn

Cơ chế làm tăng HC khi pha dầu bôi trơn vào nhiên liệu có thể giải thích như sau Trong giai đoạn nạp, màng dầu bôi trơn được tráng trên mặt gương cylindre ở trạng thái bão hòa hơi hydrocarbon ở áp suất nạp Khi cháy hết nhiên liệu, sự giải phóng hơi nhiên liệu từ màng dầu bôi trơn vào khí cháy bắt đầu và đồng thời quá trình này tiếp tục trong kì giãn nở và thải Trong quá trình đó, một bộ phận hơi này sẽ hòa trộn với khí cháy ở nhiệt

độ cao và bị oxy hóa; một bộ phận khác hòa trộn với hỗn hợp khí cháy nhiệt độ thấp, không bị oxy hóa, góp phần làm tăng HC Luợng HC này tăng theo độ hòa tan của nhiên liệu trong dầu bôi trơn

Sự hiện diện của muội than trong buồng cháy cũng ảnh hưởng đến sự phát sinh

HC Thực tế cho thấy HC có khuynh hướng gia tăng theo mức độ tiêu thụ dầu bôi trơn Vì vậy, lựa chọn dạng segment dầu hợp lý sẽ làm giảm mức độ tiêu thụ dầu bôi trơn đồng thời làm giảm mức độ phát sinh HC

4.4.4 Ảnh hưởng của chất lượng quá trình cháy

Sự dập tắt màng lửa khi nó lan đến gần thành là một trong những nguyên nhân làm gia tăng HC trong khí xả động cơ Màng lửa có thể bị tắt khi áp suất và nhiệt độ giảm xuống nhanh Hiện tượng này diễn ra ở chế độ không tải hay tải nhỏ và tốc độ thấp với thành phần khí sót cao Ngay cả khi động cơ được điều chỉnh tốt ở chế độ làm việc bình thường, sự dập tắt màng lửa cũng diễn ra ở chế độ quá độ (gia tốc hay giảm tốc)

4.4.5 Ảnh hưởng của lớp muội than

Sự hình thành lớp muội than (oxyde chì đối với động cơ sử dụng nhiên liệu pha chì hay là lớp than do dầu bôi trơn bị cháy) xuất hiện trong buồng cháy khi ô tô chạy được khoảng vài ngàn cây số, cũng góp phần làm gia tăng HC

Cơ chế làm tăng HC do sự hiện diện của muội than khá phức tạp Sự hấp thụ và giải phóng HC ở lớp muội than cũng giống như màng dầu Mặt khác, nếu kích thước ban đầu của các không gian chết hẹp, lớp bồ hóng làm giảm lượng hỗn hợp khí chưa cháy chứa trong các không gian này vì vậy làm giảm HC Ngược lại, nếu các không gian này nguyên thủy đủ lớn, sự bám bồ hóng làm giảm tiết diện lối vào, tăng khả năng dập tắt màng lửa do đó làm tăng mức độ phát sinh HC

4.4.6 Ảnh hưởng của sự oxy hóa HC trong kì giãn nở và thải

Lượng hydrocarbure không tham gia vào quá trình cháy chính trong thực tế lớn hơn nhiều so với lượng hydrocarbure đo được trong khí xả động cơ Thật vậy, sau khi thoát ra khỏi các không gian chết, nhiên liệu chưa cháy khuếch tán vào khối sản phẩm cháy ở nhiệt độ cao và tại đây chúng bị oxy hóa một cách nhanh chóng Sự oxy hóa này càng thuận lợi khi lượng oxy trong sản vật cháy càng nhiều (hỗn hợp nghèo) Hydrocarbure ở thể khí bị oxy hóa khi nó tồn tại trong môi trường có nhiệt độ khoảng 600°C (nhiệt độ thông thường của nấm soupape xả) ít nhất là 50ms Lượng HC thải ra bao gồm nhiên liệu chưa cháy hết và các sản phẩm cháy không hoàn toàn Mặt khác, quá trình oxy hóa cũng tiếp tục diễn ra trên đường xả làm giảm thêm nồng độ HC sau khi chúng thoát ra khỏi buồng cháy Vì vậy những điều kiện vận hành của động cơ làm gia tăng nhiệt

độ khí xả (hỗn hợp có độ đậm đặc xấp xỉ 1, động cơ làm việc với tốc độ cao, đánh lửa muộn, tỉ số nén cao ) và thời gian tồn tại của hỗn hợp trong buồng cháy dài (tải thấp) sẽ làm gia tăng tỉ lệ HC bị oxy hóa Giảm góc đánh lửa sớm làm tăng nhiệt độ hỗn hợp khí ở cuối quá trình giãn nở tạo điều kiện thuận lợi cho việc oxy hóa HC trên đường thải Về mặt kỹ thuật, để tăng khả năng oxy hóa HC trên đường thải cần làm giảm tổn thất nhiệt ở soupape và cổ góp bằng cách gia tăng tiết diện lưu thông và cách nhiệt đoạn đầu đường thải, chẳng hạn như phủ một lớp vật liệu gốm trên thành ống

4.5 Trường hợp động cơ Diesel

4.5.1 Đặc điểm phát sinh HC trong quá trình cháy động cơ Diesel

Do nguyên lí làm việc của động cơ Diesel, thời gian lưu lại của nhiên liệu trong buồng cháy ngắn hơn trong động cơ đánh lửa cưỡng bức 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

Do nhiên liệu Diesel chứa hydrocarbure có điểm sôi cao, nghĩa là khối lượng phân

tử cao, sự phân hủy nhiệt diễn ra ngay từ lúc phun nhiên liệu Điều này là tăng tính phức tạp của thành phần hydrocarbure cháy không hoàn toàn trong khí xả

Quá trình cháy trong động cơ Diesel là một quá trình phức tạp, trong quá trình đó diễn ra đồng thời sự bay hơi nhiên liệu và hòa trộn nhiên liệu với không khí và sản phẩm cháy Khi độ đậm đặc trung bình của hỗn hợp quá lớn hoặc quá bé đều làm giảm khả năng

tự cháy và lan tràn màng lửa Trong trường hợp đó nhiên liệu sẽ được tiêu thụ từng phần trong những phản ứng oxy hóa diễn ra chậm ở giai đoạn giãn nở sau khi hòa trộn thêm không khí

Chúng ta có thể chia ra hai khu vực đối với bộ phận nhiên liệu được phun vào buồng cháy trong giai đoạn cháy trễ: khu vực hỗn hợp quá nghèo do pha trộn với không khí quá 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