Chất ô nhiễm dạng hạt (PM) và biện pháp giảm thiểu

Chất thải dạnghạt PM chiếm tỷ lệ ít trong các khí thải động cơ, nhưng tác động và ảnhhưởng của nó lại rõ hơn cả, tuy với thành phần ít trong không khí, nhưng nólại đặc biệt nguy hiểm.Để

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI NÓI ĐẦU 3

TS Nguyễn Trung Kiên 4

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ KHÍ XẢ 4

1.1 Khái quát chung 4

1.2 Thành phần độc hại trong khí xả động cơ đốt trong 12

1.2.1 Thành phần CO 12

1.2.2 Thành phần NOX 14

1.2.3 Thành phần HC 19

1.2.4 Thành phần khí thải dạng hạt PM 22

1.3 Tác động và ảnh hưởng của khí thải động cơ đốt trong đến môi trường và con người 22

1.3.1 Tác động đến con người 22

1.3.2 Tác động đến môi trường 23

1.4 Các phương pháp xác định khí thải động cơ đốt trong 24

1.5 Mục đích, nội dung và ý nghĩa của đề tài 26

1.5.1 Mục đích của đề tài 26

1.5.2 Nội dung nghiên cứu của đề tài 26

1.5.3 Ý nghĩa của đề tài 27

CHƯƠNG II CƠ CHẾ HÌNH THÀNH KHÍ XẢ DẠNG HẠT PM 27

2.1 Khái niệm khí xả dạng hạt (PM) 27

2.2 Thành phần khí thải dạng hạt PM 28

2.3 Cơ chế hình thành PM 31

2.4 Phương pháp xác định hạt PM 36

CHƯƠNG 3 BIỆN PHÁP GIẢM KHÍ XẢ DẠNG HẠT PM 39

3.1 Đặt vấn đề 39

3.2 Phương pháp tiếp cận để giảm khí thải động cơ diesel 42

3.2.1 Điều khiển động cơ 42

3.2.2 Kiểm soát khí thải 44

3.3 Giảm khí thải dạng hạt PM tại nguồn phát sinh 45

3.2.1 Tối ưu hóa tốc độ phun nhiên liệu 45

3.2.2 Lựa chọn phương pháp tạo hỗn hợp thích hợp 46

3.2.3 Lựa chọn góc phun sớm thích hợp 47

3.2.4 Điều chỉnh lượng nhiên liệu lớn nhất cung cấp cho một chu trình .48

3.2.5 Giảm hệ số dư lượng không khí và giảm bớt mức độ xoáy lốc 48

3.2.6 Sử dụng hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử 49

3.2.7 Ảnh hưởng của các chất phụ gia 49

3.2.8 Ảnh hưởng của vận động rối trong buồng cháy 51

3.2.9 Ảnh hưởng của hình dạng buồng cháy 51

3.2.10 Đặc tính của nhiên liệu 52

3.2.11 Phương pháp đốt cháy HCCI 55

3.2.12 Phương pháp phun nhiên liệu 56

3.4 Các biện pháp giảm thiểu khí thải dạng hạt PM sau nguồn phát sinh 58

3.4.1 Đặt vấn đề 58

3.4.2 Bộ lọc và ô xy hóa PM 58

3.4.3 Bộ lọc bằng vật liệu thiêu kết 68

3.4.4 Bộ lọc hạt diesel (DPFs) 69

3.4.5 Thông hơi kín hộp trục khuỷu 75

3.4.6 Bộ lọc chất xúc tác có chọn lọc 76

3.4.7 Bộ lọc chất xúc tác ô xi hóa diesel (DOCs) 79

3.4.8 Hệ thống xử lý khí thải kết hợp 82

3.4.9 Công nghệ BLUETEC-Technology 85

3.4.10 Phục hồi khả năng lọc 85

3.5 Sử dụng nhiên liệu thay thế 87

3.5.1 Vấn đề chung 87

3.5.2 Nhiên liệu LPG 90

3.5.3 Khí Gas tự nhiên dùng cho động cơ 91

3.5.4 Methanol và MTBE 94

3.5.5 Nhiên liệu sinh học 96

3.5.6 Dimethyl Ether (DME) 99

3.5.7 Dimethoxy Methane 99

3.5.8 Nước nhũ tương 100

3.5.9 Fischer-Tropsch Diesel (F-T) 100

3.5.9 Nhiên liệu biodiesel 100KẾT LUẬN 103TÀI LIỆU THAM KHẢO 104

LỜI NÓI ĐẦU

Với lịch sử phát triển hàng trăm năm, ngành động cơ đã phát triển vàđạt được những thành tựu vượt bậc Trong những năm gần đây việc thiết kếcũng như phát triển động cơ đốt trong không chỉ chú trọng đến tính năng vậnhành và tính kinh tế mà còn đặc biệt chú ý đến vấn đề môi trường Động cơnói chung và động cơ diesel nói riêng đang là một trong những nguồn phátthải gây ô nhiễm nặng nề ở nước ta nói riêng và trên thế giới nói chung, nhất

là các đô thị Cùng với sự tăng trưởng của nền kinh tế thì nhu cầu về các loạiphương tiện giao thông dùng trong các lĩnh vực vận tải đường bộ, hàngkhông, vận tải biển ngày một gia tăng Trong đó để đáp ứng nhu cầu sử dụngdịch vụ vận tải công cộng thì số lượng xe buýt cũng tăng lên Tuy nhiên sốlượng xe buýt đạt tiêu chuẩn phát thải Euro2 theo quy định còn rất ít Để hạnchế các thành phần gây ô nhiễm này, đã có rất nhiều giải pháp được đưa rabao gồm các giải pháp liên quan tới động cơ và các giải pháp xử lý khí thải.Các biện pháp giảm phát thải cho động cơ diesel lắp trên xe buýt nói riêng vàphương tiện nói chung là một trong những vấn đề hết sức cấp bách

Với tất các lý do trên, em xin được chọn đề tài:

“Chất ô nhiễm dạng hạt (PM) và biện pháp giảm thiểu’’

Mặc dù đã có nhiều cố gắng, nhưng do thời gian và kinh nghiệm còn

hạn chế nên trong đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót Em rất mong sự góp ýcủa các thầy cô trong bộ môn, các chuyên gia và những người quan tâm đếnvấn đề này để đề tài được hoàn thiện hơn

Em xin cảm ơn Thầy Nguyễn Trung Kiên đã tận tình hướng dẫn để em

có thể hoàn thành đề tài này Em xin bày tỏ lòng biết ơn các thầy giáo Khoa

Kĩ Thuật Ô tô Và Máy Động Lực Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên

đã tận tình giúp đỡ chúng em trong thời gian qua Em xin chân thành cảm ơn

Giáo viên hướng dẫn

TS Nguyễn Trung Kiên

Sinh viên thực hiện

Trần Ngọc Vi

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ KHÍ XẢ

1.1 Khái quát chung

Ngày nay với sự phát triển của nền kinh tế, cùng với với sự gia tăng củadân số thì nhu cầu đi lại ngày càng tăng, cùng với sự phát mạnh mẽ của cácphương tiện đi lại ngày càng được dùng phổ biến, một trong những ngànhcông nghiệp đang đi nên đó chính là nghành công nghiệp ô tô Đây là nghànhcông nghiệp phát triển từ rất nâu, đem lại lợi ích to lớn cho các quốc gia trênthế giới Bên cạnh những tác động tích cực mà nghành ô tô mang lại đó là đápứng nhu cầu đi lại, xuất khẩu linh kiện thu về ngoại tệ cho các quốc gia nhất

là các quốc gia đang phát triển, thì bên cạnh đó không ít tiêu cực mà nó manglại như là vấn đề ô nhiễm do khí xả động cơ đốt trong, tiếng ồn

Trên thế giới, vấn đề phát triển bền vững ngày càng được các quốc giaquan tâm và đã có rất nhiều công trình đề cập đến vấn đề phát thải của cácphương tiện cơ giới và các tác hại của chúng đến con người và môi trường, nócòn kìm hãm sự phát triển kinh tế, đặc biệt đối với các nước đang phát triển

Trong xu thế phát triển hiện nay, trên thế giới có khoảng 750 triệu ôtô,hàng năm thải ra ngoài môi trường hằng trăm tấn độc hại Ở Việt Nam,cùng với sự phát triển của kinh tế - xã hội, tốc độ tăng hàng năm của cácphương tiện trên càng cao, ví dụ tốc độ tăng bình quân của xe máy của nhữngnăm 90 là 11,94% Tại thời điểm 31/12/1999 cả nước có 460.000 ô tô và5.585.000 xe máy đang hoạt động, cuối năm 2003 tăng nên đến 500.000 ô tô,khoảng 11 triệu xe máy, cuối năm 2004 thì con số tương ứng là 523.509 và 13triệu theo số liệu của Đăng Kiểm Việt Nam Năm 2008 theo ước tính cả nước

ta có khoảng 700.000 ô tô và 20 triệu xe máy Phần lớn số ô tô, xe máy tậptrung ở các đô thị lớn như Hà Nội 12% và thành phố Hồ Chí Minh 30% gây

ra ô nhiễm nặng nề.Tại đây, nồng độ các chất độc hại một số nút dân cư vàogiờ cao điểm đã đến ngưỡng cho phép Có thể nói vấn đề ô nhiễm khí thải của

động cơ đã mang tính thời sự toàn cầu và Việt Nam chúng ta không thể là mộtngoại lệ, [6].

Trước ảnh hưởng của khí xả tới môi trường và con người, trên thế giới

và ở Việt Nam đã có nhiều biệp pháp để giảm thiểu sự phát thải từ động cơđốt trong, chẳng hạn như các tiêu chuẩn về khí xả ở Mỹ, Nhật, EURO…Cũng như các biện pháp hướng tới sử dụng các nhiên liệu ít gây ô nhiễm hơncho động cơ đốt trong Nội dung chính của một số tiêu chuẩn về khí xả đượcgiới thiệu ở các bảng từ 1.1 tới 1.6

+Hoa Kỳ :

Bảng 1.1 Tiêu chuẩn khí xả của nước Mỹ đối ô tô du lịch, [1].

Năm CO, [g/mile] HC, [g/mile] NOx, [g/mile]

NMOG,[g/dặm]

CO,[g/dặm]

NOx,[g/dặm]

HCHO,[g/dặm]

PM,[g/dặm]TLEV 100.00050.000 0,1250,156 3,44,2 0,40,6 0,0150,018 0,08-LEV 100.00050.000 0,0750,090 3,44,2 0,20,3 0,0150,018 0,08-

HC +NOX[g/km]

NOX[g/km]

Năm ápdụng

Bảng 1.5 Mức ô nhiễm cho phép khi thử nghiệm ô nhiễm công nhận kiểu

phương tiện vận tải hạng trung theo tiêu chuẩn Châu Âu, [2].

Loại

phương

tiện

Tiêuchuẩn

(1350-1760 kg)

1Euro

5123-400 kg Hàm lượng CO được đo trực tiếp trong ống xả, cách miệng xả300mm, ở hai chế độ tốc độ: nmin và 0,6ndm (ndm là tốc độ định mức) Hàmlượng 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 5418-91quy định về độ khói trong khí xả động cơ diesel Tiêu chuẩn này được ápdụng 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) và50% HSU (động cơ tăng áp), [1]

Năm 1998, Chính phủ Việt Nam ban hành tiêu chuẩn TCVN 6438-98quy định lại cụ thể hơn giới hạn cho phép của các chất ô nhiễm trong khí xảcủa phương tiện vận tải

Bảng 1.6 Giới hạn tôi đa cho phép thành phần ô nhiễm trong khí thải

của các phương tiện vận tải, [1]

Thành phần ô

nhiễm trong khí

thải

Phương tiện sử dụngPhương tiện động

cơ xăng

Phươngtiện động

Phươngtiện

Phươngtiện động

cơ diesel động

cơxăng

cơ dieselMức

1

Mức2

Mức3

Mức1

Mức2

Mức1

Mức2

-150078003300

120078003300

-120078003300

Hầu hết các phương tiện vận tải hiện nay, thì nói chung sử dụng chủyếu là động cơ xăng và động cơ diezel Ở động cơ diesel, ngoài các chất độchại như động cơ xăng là CO, HC, NOx ngoài ra còn có các chất ô nhiễm như

SO2, SO3 và các loại hạt siêu nhỏ như muội than, bụi kim loại, tàn tro … Sovới động cơ xăng, lượng khí độc chỉ chiếm 1% lượng khí thải của động cơ,lượng khí CO và HC ít hơn, NOx thì tương đương Còn các hạt siêu nhỏ(PM2,5) thì nhiều hơn hẳn so với động cơ xăng Ngoài ra trong khí xả củađộng cơ diesel còn có Formaldehyde nên có mùi hôi

Bảng 1.7 So sánh hàm lượng các chất độc trong khí thải giữa hai loại

<10

<3000

2000÷40000,01

Ở động cơ xăng gấp 20 lầnĐộng cơ xăng gấp 6 lần.Tương đương

Động cơ Diesel gấp 50 lần

Bảng 1.8 Nồng độ các chất độc ở các chế độ vận hành khác nhau, [1].

Trạng thái vận

hành CO % HC [ppm] NOx [ppm] SO 2 [ppm] Muội than[g/km]Galăng -ti 0,1 300 ÷ 500 50 ÷ 70

20 ÷ 100 0,06 ÷ 0,4

Tăng tốc 0 ÷ 0,4 200 800÷ 100

0 Chạy ổn định 0,1 90 ÷ 150 200÷ 100

0 Giảm tốc 0,1 300 ÷ 400 30 ÷ 50

Động cơ đốt trong, được ứng dụng rộng rãi đối với các, máy móc hiệnnay, đặc biệt trên ô tô, xe máy, tàu thủy … bên cạnh những lợi ích mà nómang lại thì đông cơ đốt trong cũng gây nên và thải ra các khí thải nguyhiểm

Ta đã biết động cơ động cơ đốt trong là động cơ nhiệt chuyển nhiệtnăng của quá trình đốt cháy nhiên liệu thành cơ năng Quá trình cháy củanhiên liệu trong động cơ đốt trong diễn ra khá phức tạp, thực chất đó là quátrình oxy hóa nhiên liệu, giải phóng nhiệt năng, diễn ra trong buồng cháyđộng cơ, trong quá trình cháy diễn ra trong động cơ sinh ra các hợp chất rấtphức tạp Vấn đề này được nghiên cứu rất tỷ mỉ trong các công trình nghiêncứu về lý thuyết động học phản ứng Vì vậy trong quá trình cháy của động cơsản phẩm cháy gồm các chất như: CO2, HC, NOx, NO2, NO, Andehyt, Chì,

SO2, khí thải dạng PM Đó là những khí thải trong quá trình làm việc củađộng cơ và hiện nay những thành phần trên cũng là nguyên nhân trực tiếp ảnhhưởng đến môi trường và sức khỏe con người Mỗi loại khí thải trên có cơ chếhình thành và tác hại, ảnh hưởng khác nhau đến môi trường và con người Sauđây là nồng độ khí thải trong động cơ xăng trong môi trường không khí: N2chiếm 70%, H2O chiếm 9,2%,CO2 chiếm 18,1%, các chất độc hạ chiếm 1,1%,chất rắn 0,0008%, NOx 0,13%, CmHn 0,09%, CO 0,9%

Hình 1.1.Tỷ lệ các thành phần độc hại trong động cơ diesel

Nhìn vào số liệu trên thì ta thấy chất rắn và các chất độc hại chiếm tỷ lệrất nhỏ, nhưng với tỷ lệ nhỏ thì các chất độc hại gây nguy hiểm và tồn tại cáctiềm ẩn cao ảnh hưởng đến sức khỏe con người và môi trường Chất thải dạnghạt PM chiếm tỷ lệ ít trong các khí thải động cơ, nhưng tác động và ảnhhưởng của nó lại rõ hơn cả, tuy với thành phần ít trong không khí, nhưng nólại đặc biệt nguy hiểm.

Để hiểu rõ hơn về khí thải dạng hạt và mức độ ảnh hưởng của nó đếnsức khỏe con người và môi trường ta đi xem một số tiêu chuẩn của Châu Âu

về lượng phát thải từ các phương tiện cơ giới qua các năm:

Bảng 1.9 Các tiêu chuẩn EURO giới hạn lượng phát thải cho xe tải nặng

Giới hạn quy định của thành phần NOxvà PM đối với xe tải hạng nhẹ

và xe tải hạng nặng theo tiêu chuẩn của Mỹ được giới thiệu từ bảng 1.10 vàbảng 1.11

- Đối với phương tiện hạng nhẹ

Bảng 1.10 Tiêu chuẩn khí thải qua các năm đối với xe tải nhẹ, [1].

Năm áp dụng Thành phần PM, [g/km] Thành phần NOx,

[g/km]

1987 0,2 1,0

- Đối với phương tiện hạng nặng:

Bảng 1.11 Tiêu chuẩn khí thải của nước Mỹ đối với xe hạng nặng,[3].

Năm áp dụng Thành phần khí thải

dạng hạt, [g/km]

Thành phần NOx[g/km]

Hình 1.2 Giới hạn cho phép đối với chất thải rắn đối với động cơ nhẹ theo

tiêu chuẩn châu Âu đo theo chu trình ECE 15 + EUDC

- Tiêu chuẩn khí thải của CHLB Đức:

Bảng 1.12 Tiêu chuẩn TA -Luft -86 của CHLB Đứccho động cơ tĩnh tại

Nhìn vào bảng số liệu trên ta có thể thấy rằng nồng độ các chất trongkhí thải giảm qua các năm như bảng số liệu 1.10 tiêu chuẩn về phát thải từnăm 1987 đến năm 1998 Đặc biệt là khí thải dạng hạt PM, việc hạn chế vàgiảm thiểu một cách liên tục hàm lượng khí xả PM cho thấy tầm quan trọngtrong việc cắt giảm lượng khí thải này.

Khí thải dạng hạt PM ngày nay được nhiều chuyên gia, các nhà khoahọc tìm những giải pháp ngăn chặn và giảm thiếu đến mức thấp nhất Bởi vìkhí thải dạng hạt là tổng hợp của nhiều thành phần độc hại.Trước tình hìnhcấp thiết và sự ảnh hưởng xấu của thành phần PM trong khí xả động cơ đốt

trong tới môi trường và con người tác giả lựa chọn đề tài : " Chất ô nhiễm

dạng hạt PM và các biện pháp giảm thiểu" làm nội dung nghiên cứu cho đồ

án tốt nghiệp của mình

1.2 Thành phần độc hại trong khí xả động cơ đốt trong

Trong động cơ đốt trong có rất nhiều thành phần độc hại gây nguy hiểmđến môi trường và con người như CO, NOx, HC, khí xả dạng hạt, chì Pd,SO2 nhưng trong đó những thành phần độc hại chủ yếu và có những tác độngmạnh mẽ đến môi trường và con người đó là những chất CO, HC, PM, NOx.Sau đây ta sẽ đi sâu vào nghiên cứu về từng thành phần cụ thể:

cháy nên đâu đó trong không gian buồng cháy vẫn có vùng thiếu oxy Lượng

CO sinh ra thấp nhất khi tỷ lệ hòa khí 15:1 [1] Góc đánh lửa sớm ít ảnhhưởng đến nồng độ của CO, nhưng khi đánh lửa quá trễ thì thời gian cháy củahỗn hợp giảm nên nồng độ CO tăng

CO là một sản phẩm trung gian của quá trình oxy hóa nhiên liệuHydrocacbon để tạo ra sản phẩm cuối cùng là CO2:

RH→R→RO2→RCO→COTrong đó R là gốc hydrocacbon, CO tạo ra sẽ bị oxy hóa với tốc độchậm để tạo thành CO2 theo phản ứng sau đây:

CO+OH →CO2+HTốc độ oxy hóa phụ thuộc vào nồng độ oxy, nhiệt độ khí và thời giandành cho phản ứng Yếu tố chính gây ra việc phát sinh CO là độ đậm đặc củahỗn hợp nhiên liệu và không khí Theo nguyên lý sự phát thải CO có thể bằngkhông khí cháy với hỗn hợp nghèo nhiên liệu, tuy nhiên điều này khó đạtđược trong thực tế do các nguyên nhân sau: tỷ số A/F không đồng nhất trongxylanh và sự oxy hóa một phần HC trong hệ thống thải của động cơ

Mức CO trong khí thải cũng phụ thuộc vào hàm lượng cacbon củanhiên liệu, nhưng sự thay đổi thường rất nhỏ Trong động cơ đốt cháy cưỡngbức thì hỗn hợp không khí nhiên liệu thường rất giàu, sảy ra quá trình cháykhông hoàn toàn, hàm lượng CO lớn Nhưng ở động cơ diesel thì hàm lượng

CO lại thấp hơn so với động cơ xăng do động cơ diesel luôn làm việc ở chế

độ nghèo nhiên liệu

Trong động cơ diesel, CO là sản phẩm cháy trung gian Nếu đủ ôxi, nó

có thể tiếp tục ôxi hóa thành CO2 Nhưng nếu thiếu ôxi, nhiệt độ cháy thấphoặc quá trình cháy kéo dài không đủ để oxy hóa tiếp thì CO tồn tại Sự hìnhthành CO ở động cơ diesel rất giống hiện tượng tạo muội than, nó phụ thuộcvào việc có đủ ôxi hay không

Ở tải trọng thấp, nhiệt độ cháy thấp, phản ứng oxy hóa yếu, lượng COthải ra tương đối lớn Khi tải trọng tăng, lượng nhiên liệu cung cấp tăng, αgiảm, nên lượng CO cũng sẽ tăng Tuy nhiên, so với sự hình thành CO ở động

cơ xăng, sự hình thành CO ở động cơ diesel ít hơn nhiều Tại một số vòngquay nào đó, lượng CO thải ra có thể bằng không vì nhiên liệu được đốt cháyhoàn toàn

Có 4 cơ chế hóa học khác nhau mô tả sự hình thành hoặc phá hủy NOxtrong buồng cháy: cơ chế hình thành NOx do nhiệt, cơ chế hình thành NOxfenimore, cơ chế hình thành NOx từ nhiên liệu và cơ chế phá hủy NOx do cháythêm NOx do nhiệt được hình thành nhờ sự oxy hóa các phân tử N2 có trongkhí nạp vào buồng cháy ở nhiệt độ cao NOx nhanh (Fenimore NOx ) hìnhthành phản ứng giữa các phân tử N2 với gốc HC ở các vùng nhiên liệu giàungọn lửa NOx hình thành từ nhiên liệu theo cơ chế nguyên tử N có trongnhiên liệu dạng HCN hoặc NH3 được oxy hóa thành NO Cơ chế phá hủy NOx

do cháy thêm là giảm lượng phát thải NOx bằng cách cấp thêm nhiên liệu gốc

HC để phản ứng với NOx

- Mô hình tính theo cơ chế Zeldovich

Trong mô hình tính toán này bỏ qua lượng NOx hình thành từ N2 trongnhiên liệu khi xem xét quá trình cháy động cơ đốt trong.Thành phần NOxnhanh cũng bỏ qua vì nó chiếm tỉ lệ rất nhỏ so với lượng NOx hình thành donhiệt (chỉ chiếm không tới 5% tổng lượng NOx do động cơ phát thải gây ra)

NOx được hình thành cả trước và sau ngọn lửa vùng cháy

Trong động cơ, áp suất xilanh tăng lên quá trình cháy nên các khí cháyđược nén đến nhiêt độ ngay sau khi cháy

Trong động cơ áp suất xilanh tăng lên trong quá trình cháy nên khicháy trước được nén tới nhiệt độ cao hơn so với nhiệt độ ngay sau khi quátrình cháy, vì thế sự hình thành NO chủ yếu diễn ra ở phía sau ngọn lửa vùngcháy Cơ Chế Zeldovich mở rộng bao gồm các phản ứng sau:

N2 + O ↔ NO +N (1)

N +O2 ↔NO +O (2)

N +OH ↔ NO +H (3)

Phản ứng (1) diễn ra rất nhanh trong điều kiện nhiệt độ cao vì nó yêucầu năng lượng ( hoặc nhiệt độ )hoạt hóa rất cao để có thể phá vỡ liên kếtvững chắc của phân tử N2 Về nguyên tắc có thể thấy rằng sự hình thành NO

do nhiệt chủ yếu được xác định qua 5 thành phần hóa học đó là O, C, H, OH,

N và O2 không phụ thuộc vào loại nhiên liệu sử dụng

Trong nội dung mô phỏng quá trình cháy FRIE sử dụng một cơ chếphản ứng đơn không thuân nghịch đối với nhiên liệu, trong đó chỉ tính tới cácphân tử bền vũng như CNHM, O2, CO2, H2O và N2 để tính ra lượng NO hìnhthành do nhiệt

Lượng CO hình thành nhiều nhất tại vùng tỷ lệ nhiên liệu /không khíkhỏng 0,9 nghĩa là hỗn hợp hơi nghèo Khi hỗn hợp hòa khí chuẩn hoặcnghèo nhiên liệu thì mật độ OH hình thành là rất nhỏ Do đó hản ứng (2) theo

cơ chế Zeldovich ở trên có thể bỏ qua Ngoài ra, tốc độ phản ứng hình thành

NO cũng nhỏ hơn vài lần so với tốc độ cháy nên quá trình cháy và hình thành

NO có thể được tách thành 2 quá trình riêng biệt và mật độ O2, N, O, OH và

H có thể được tính gần đúng với giả thiết phản ứng diễn ra ở trạng thái ổnđịnh

Thực nghiệm cũng như tính toán mô phỏng đều chỉ ra rằng ở nhiệt độcao trên 1600[K] thì tốc độ phản ứng thuận và nghịch là như nhau Quá trìnhtính toán thực hiện trên giả thiết là các phản ứng diễn ra ở trạng thái ổn định

Các hệ số phản ứng của 2 phản ứng (1), (2) có thể biểu diễn như sau:

Do chỉ xét tới phản ứng thuận nên tốc độ phản ứng thuận k1 được tínhtheo công thức:

Kf = A EXP E

RT T

E: năng lượng hoạt hóa

- Mô hình tính hiện đại (Advanced NOx Model)

Cơ chế hình thành NOx do nhiệt

Cơ chế hình thành NOx do nhiệt ở đây cũng giống như cơ chế hìnhthành NOx Zeldovich mở rộng đã nêu ở phần trên Cơ chế này được xác lậpdựa trên giả thiết trạng thái cân bằng hóa học, nghĩa là chỉ có nguyên tử N làthành phần trung gian phu gia Vì mật độ N không phụ thuộc vào động hóahọc cảu hỗn hợp cháy nên không cần đi sâu vào quá trình oxy hóa nhiên liệu

mà chỉ cần xét tới một vài phản ứng hóa học

Trong các phản ứng theo cơ chế Zeldovich mở rộng nêu ở muc trên thìcác nguyên tử N từ phản ứng (1) được ô xi hóa thành NO chủ yếu nhờ gốc H

ở điều kiện hòa khí gần chuẩn hoặc giàu nhiên liệu phản ứng (3) thường chỉđực xét đến trong trường hợp hỗn hợp cháy giàu nhiên liệu các trường hợpkhác bỏ qua Tất cả 3 phản ứng theo cơ chế Zeldovich đều chị ảnh hưởng rấtlớn đến nhiệt độ

Để tính được tốc độ hình thành NO và N cần biết mật độ O, H và OH.Các phản ứng hình thành NO do nhiệt độ phụ thuộc vào rất nhiều vào nhiệt

độ, thời gian phản ứng và mật độ O nguyên tử Phản ứng (1) yêu cầu mộtnăng lượng hoạt hóa rất cao để phá vỡ kết cấu phân tử N2 bền vững nên tốc độhình thành NOx chỉ đáng kể ở vùng nhiệt độ trên 1800[K] Mặt khác nănglượng hoạt hóa để oxy hóa các nguyên tử N lại rất nhỏ nên ở các vùng buồngcháy có đủ oxy (vùng nhiên liệu nghèo) thì tốc độ tiêu thụ các nguyên tử N tự

do cân bằng với tốc độ hình thành chính nó vì thế thiêt lập trạng thái cân bằngtựa tĩnh

Tốc độ hình thành NO gần như không đáng kể nếu nhiệt độ buồng cháyđộng cơ dưới 1600 -1800 [K] cũng như tại vùng hỗn hợp giàu vì mật độ O

nguyên tử thấp Nếu nhiệt độ buồng cháy tăng lên, đặc biệt trên 1800 [K] thì

sự hình thành NO sẽ rất nhanh

Cơ chế hình thành NOx nhanh

Cơ chế hình thành NOx kiểu này (NOx fenimore) chiếm vị trí quantrọng ở dải nhiệt độ thấp dưới 1000 [K], hỗn hợp giàu nhiên liệu và thời gianphản ứng ngắn, NOx Fenimore hình thành rõ nét nhất trong quá trình đốt cháyhydrocarbon ở phía trước ngọn lửa thông qua phản ứng giữa gốc CH và phân

tử N2 để trở thành HCN và giải phóng nguyên tử N Nguyên tử N này sau đótiếp tục oxy hóa để tạo ra NO Còn HCN sẽ phản ứng với gốc OH tự do tạo ra

CN và thành phần này cũng lại được oxy hóa để tạo ra NO Cơ chế phản ứngsau:

Cơ chế hình thành NOx từ nhiên liệu

Chúng ta biết rằng các hợp chất hữu cơ chứa N2 trong nhiên liệu hóathạch góp phần tạo ra NOx trong quá trình cháy, đặc biệt là với nhiên liệu than

đá và dầu cặn vì thành phần khối lượng của N2 trong các loại nhiên liệu liệunày chiếm 0,3%- 2%

Quá trình chuyển đổi N2 trong nhiên liệu thành NOx được mở rộng tùytheo đặc tính cháy cục bộ và mật độ ban đầu cảu các hợp chất chứa N2 Cáchợp chất chứa N2 này sẽ chuyển sang dạng khí khi các giọt nhiên liệu đượcsấy nóng và bay hơi

Trong vùng phản ứng các hợp chất trên bị phân hủy do nhiệt và các gốcnhư HCN, NH3, N, CN, NH, được tạo ra để tạo thành NOx Tuy nhiên trong

mô hình tính toán sự hình thành NOx thì chỉ xét tới hai gốc HCN và NH3 Cácnghiên cứu gần đây cũng cho thấy rằng nếu nhiên liệu chứa N ở dạnghydrocarbon thơm hoặc dạng mạch vòng thì HCN là sản phẩm chủ đạo còn

khi nhiên liệu chứa N ở dạng amin béo thì NH3 là sản phẩm chính của quátrình chuyển đổi nhiên liệu chứa N.

Các gốc tự do nếu trên hợp chất chứa N trung gian là đối tượng chínhcủa phản ứng kép góp phần tạo ra NOx hoặc phá hủy NOx

+ Cơ chế hình thành NO: 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 loạiđộng cơ, sản phẩm cháy của bộ phận nhiên liệu cháy trước tiên trong chutrình đóng vai trò quan trọng nhất đối với sự hình thành NO vì sau khi hìnhthành, bộ phận sản phẩm cháy đó bị nén làm nhiệt độ gia tăng do đó làm tăngnồng độ NO

Các quan sát thực nghiệm cho thấy hầu hết NO được hình thành trongkhoảng 2000 góc quay trục khủyu từ lúc bắt đầu cháy Do đó, khi giảm gócphun sớm, điểm bắt đầu cháy lùi gần ĐCT hơn, điều kiện hình thành NO cũngbắt 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 đến50% nồng độ NO trong khí xả trong phạm vi gia tăng suất tiêu hao nhiên liệuchấp nhận được Đối với động cơ diesel nói chung, nồng độ NOx tăng theo độđậm đặc trung bình Tuy nhiên nồng độ NOx giảm theo độ đậm đặc chậm hơntrong trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức do sự phân bố không đồng nhấtcủa nhiên liệu Trong quá trình cháy của động cơ diesel, độ đậm đặc trungbình phụ thuộc trực tiếp vào lượng nhiên liệu chu trình Do đó, ở chế độ tảilớn nghĩa là áp suất cực đại cao, nồng độ NO tăng

Có nhiều tác giả đưa ra nhiều giả thiết khác nhau về sự tạo thành NO.Nhưng theo Zeidovitch,trong điều kiện hệ số dư lượng không khí xấp xỉ bằng

1, mô hình tạo thành NO gồm 3 phản ứng thuận nghịch sau:

+ Cơ chế hình thành NO2: là chất khí có màu nâu đỏ, mùi khó chịu,khối lượng riêng 1,491g/lít, nhiệt độ sôi -11,20C.

Trong động cơ đốt cháy cưỡng bức thì lượng NO2 không đáng kể,nhưng đối với động cơ diesel nó lại chiếm đến 30% họ NOx NO2 được hìnhthành từ NO và chất trung gian của sản vật cháy HO2 theo phản ứng sau:

NO +HO2→NO2 +OH

Ngoài ra lượng NO2 cũng được hình thành trên đường thải với tốc độdòng khí thải thấp và có ô xy

+ Cơ chế hình thành N2O: N2O chủ yếu được sinh ra từ các chất trunggian NH và NCO khi chúng tác dụng với NO theo phản ứng:

b Cơ chế hình thành: việc tạo thành HC trong khí thải động cơ là doquá trình cháy không hoàn toàn Có nhiều nguồn phát thải HC chưa cháytrong động cơ:

+ Do hiện tượng ngọn lửa bị dập tắt ở gần thành vách buồng cháy.Trong một thời gian dài, hiện tượng này đã bị coi là nguyên nhân chính tạo ralượng thải HC chưa cháy

+ Hỗn hợp chưa cháy trong quá trình nén đã chèn vào các vùng thể tíchchết, tại đó ngọn lửa không lan tới được và lượng HC chưa cháy này sẽ thải rangoài

+ Hơi HC của hỗn hợp chưa cháy bị màng dầu bôi trơn hấp thụ trong

kỳ nạp, nén và chúng sẽ được thải ra trong kỳ giãn nở, thải

+ Do ngọn lửa yếu và cháy cục bộ

+ Do hơi HC lắng đọng trên thành vách buồng cháy

+ Do sự thay đổi hóa học của nhiên liệu

+ Đối với động cơ xăng: lượng HC thải ra môi trường phụ thuộc vào độđậm đặc của hỗn hợp, hỗn hợp càng giàu thì lượng thải HC càng lớn

+ Đối với động cơ diesel: do nguyên lý làm việc của động cơ diesel,thời gian lưu lại của nhiên liệu trong buồng cháy ngắn hơn trong động cơđánh lửa cưỡng bức nên thời gian dành cho việc hình thành sản phẩm cháykhông hoàn toàn cũng rút ngắn làm giảm thành phần hydrocarbure cháykhông hoàn toàn trong khí xả Khi độ đậm đặc trung bình của hỗn hợp quálớn hoặc quá bé đều làm giảm khả năng tự cháy và lan tràn màng lửa Trongtrường hợp đó, chủ yếu là khu vực hỗn hợp quá nghèo diễn ra sự cháy khônghoàn toàn còn khu vực hỗn hợp quá giàu sẽ tiếp tục cháy khi hòa trộn thêmkhông khí Đối với bộ phận nhiên liệu phun sau giai đoạn cháy trễ, sự oxy hóanhiên liệu hay các sản phẩm phân hủy nhiệt diễn ra nhanh chóng khi chúngdịch chuyển trong khối khí ở nhiệt độ cao Tuy nhiên sự hòa trộn không đồngđều có thể làm cho hỗn hợp quá giàu cục bộ hay dẫn đến sự làm mát đột ngộtlàm tắt màng lửa, sinh ra các sản phẩm cháy không hoàn toàn trong khí xả.

Mức độ phát sinh HC trong động cơ diesel phụ thuộc nhiều vào điềukiện vận hành, ở chế độ không tải hay tải thấp, nồng độ HC cao hơn ở chế độđầy tải Thêm vào đó, khi thay đổi tải đột ngột có thể gây ra sự thay đổi mạnhcác điều kiện cháy dẫn đến sự gia tăng HC do những chu trình bỏ lửa Cuốicùng, khác với động cơ đánh lửa cưỡng bức, không gian chết trong động cơdiesel không gây ảnh hưởng quan trọng đến nồng độ HC trong khí xả vì trongquá trình nén và giai đoạn đầu của quá trình cháy, các không gian chết chỉchứa không khí và khí sót Ảnh hưởng của lớp dầu bôi trơn trên mặt gương xilanh, ảnh hưởng của lớp muội than trên thành buồng cháy cũng như ảnhhưởng của sự tôi màng lửa đối với sự hình thành HC trong động cơ Dieselcũng không đáng kể so với trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức

Hình 1.3 Phân bố sự đậm đặc trong tia phun diesel

Có hai nguyên nhân dẫn đến sự phát sinh HC khi hỗn hợp công tác quágiàu Nguyên nhân thứ nhất do nhiên liệu phun với tốc độ thấp và thời gian

phun kéo dài Nguồn phát sinh HC chính trong trường hợp này là không gianchết ở đầu vòi phun và sự phun rớt do sự đóng kim phun không dứt khoát.Nguyên nhân thứ hai là do sự thừa nhiên liệu trong buồng cháy do hỗn hợpquá đậm Vào cuối giai đoạn phun, lỗ phun (không gian chết) ở mũi vòi phunchứa đầy nhiên liệu Trong giai đoạn cháy và giãn nở, nhiên liệu được sấynóng và một bộ phận bốc hơi thoát ra khỏi lỗ phun (ở pha lỏng và hơi) và đivào xi lanh với tốc độ thấp và hòa trộn chậm với không khí, do đó chúngkhông bị đốt cháy trong giai đoạn cháy chính Ở động cơ phun trực tiếp, thờigian của giai đoạn cháy trễ ngắn, mức độ phát sinh HC tỷ lệ với thể tíchkhông gian chết ở mũi vòi phun Tuy nhiên, không phải toàn bộ thể tích nhiênliệu chứa trong không gian chết đều có mặt trong khí xả Ví dụ 1mm3 khônggian chết trong buồng cháy động cơ phát sinh khoảng 350[ppm] trong khí xả,trong khi đó 1mm3 nhiên liệu cho 1660[ppm] Sự chênh lệch này là do một bộphận hydrocarbure nặng tiếp tục lưu lại trong vòi phun và một bộ phậnhydrocarbure nhẹ bị oxy hóa khi thoát ra khỏi không gian chết Trong động cơ

có buồng cháy dự bị cơ chế này cũng diễn ra tương tự nhưng với mức độ thấphơn

Ở động cơ phun trực tiếp, hiện tượng nhả khói đen làm giới hạn khảnăng tăng độ đậm đặc trung bình của hỗn hợp ở chế độ toàn tải Ở chế độ tảithấp, tốc độ phun bé và lượng nhiên liệu phun vào nhỏ, do đó động lượng củatia phun bé làm giảm lượng không khí kéo theo vào tia nên độ đậm đặc cục bộrất cao Trong điều kiện quá độ khi gia tốc, hỗn hợp trong buồng cháy có thểrất đậm đặc Trong trường hợp đó, dù tỷ lệ nhiên liệu không khí tổng quáttrong toàn buồng cháy thấp nhưng độ đậm đặc cục bộ rất cao trong giai đoạngiãn nở và thải Khi độ đậm đặc cục bộ vượt quá 0,9 thì nồng độ HC sẽ giatăng đột ngột Ảnh hưởng tương tự như vậy cũng diễn ra trong động cơ cóbuồng cháy dự bị Tuy nhiên cơ chế này chỉ gây ảnh hưởng đến nồng độ HCkhi gia tốc và nó gây ảnh hưởng đến nồng độ HC ít hơn khi hỗn hợp nghèo ởchế độ không tải hay tải thấp

Như động cơ đánh lửa cưỡng bức, sự tôi ngọn lửa diễn ra gần thành và

đó chính là nguồn phát sinh HC Hiện tượng này phụ thuộc đặc biệt vào khuvực va chạm giữa tia nhiên liệu và thành buồng cháy Sự bỏ lửa dẫn đến sựgia tăng mạnh nồng độ HC hiếm khi xảy ra đối với động cơ làm việc bình

thường Nó chỉ diễn ra khi động cơ có tỷ số nén thấp và phun trễ Mặt khác,

sự bỏ lửa cũng xảy ra khi khởi động động cơ diesel ở trạng thái nguội với sựhình thành khói trắng (chủ yếu là do những hạt nhiên liệu không cháy tạothành)

1.2.4 Thành phần khí thải dạng hạt PM.

Khí thải dạng hạt PM tuy chiếm tỷ lệ nhỏ trong không khí ,nhưng tácđộng và ảnh hưởng của nó lại vô cùng to lớn, thực chất khí thải dạng hạt PM

là những thực thể của khí thải sau khi được hòa trộn với không khí đạt nhiệt

độ nhỏ hơn 51,7[0C] và được tách ra bằng một bộ lọc quy định

- Thành phần khí thải dạng hạt PM gồm các loại hạt rắn và các chấtlỏng bám theo Các hạt rắn bao gồm: cacbon tự do và tro còn gọi là bồ hóng,các chất phụ gia dầu bôi trơn, các hạt và vẩy tróc do mài mòn Chất lỏng bámbao gồm có các thành phần trong nhiên liệu và dầu bôi trơn

- Tác động của khí thải dạng hạt PM: các chất rắn gây độc hại với conngười đặc biệt đối với đường hô hấp Ngoài ra còn có một số hydrocacbonthơm bám vào muội than có thể gây ung thư, gây nên hiện tượng sương mùảnh hưởng đến giao thông và sinh hạt Còn thành phần cụ thể, cơ chế hìnhthành và tác động khí thải dạng hạt, cũng như các biện pháp làm giảm lượngkhí thải dạng hạt được trình bày cụ thể trong các nội dung ở chương 2 vàchương 3

1.3 Tác động và ảnh hưởng của khí thải động cơ đốt trong đến môi trường và con người.

Trong quá trình làm việc của động cơ đốt trong, nhiên liệu được đốtcháy và chuyển nhiệt năng thành cơ năng, nhưng do trong quá trình đó mộtlượng khí thải ra ngoài môi trường và hòa trộn vào không khí gây nên các tácđộng tiêu cực đối với môi trường và con người

1.3.1 Tác động đến con người

Khí thải động cơ đốt trong tác động trực tiếp đến sức khỏe con người,những tác động mà khí thải động cơ đốt trong tác động đến con người như:ngăn cản sự dịch chuyển của hồng cầu trong máu làm cho các bộ phận cơ thểthiếu oxy hoặc đau đầu chóng mặt khi hít phải khí CO Ngoài các ảnh

hưởng trên khí thải động cơ đốt trong ở một số chất còn gây ung thư máu, cácbệnh về gan, rối loạn hệ thần kinh và làm chậm sự phát triển của trẻ nhỏ nếuhít vào các loại khí thải trên.

Trong họ NOx thì Dioxit Nitơ (NO2) là chất độc hại nhất, NO2 là chấtkhó hòa tan nên có thể theo đường hô hấp đi sâu vào phổi gây viêm phổi vàlàm hủy hoại các tế bào của phế nang Khi đi vào phổi 80% lượng NO2 bị giữlại Bệnh nhân bị mất ngủ, ho và khó thở, ngoài ra NO2 còn gây tổn thươngcho mắt và dạ dày Nếu nồng độ NO2 vượt quá 100 [ppm] thì người và độngvật có thể bị tử vong

1.3.2 Tác động đến môi trường

Ngoài tác động đến sức khỏe con người thì khí thải động cơ đốt trongcác tác động đến môi trường và gần đây sự tác động ngày càng rõ rệt và cónhững thay đổi mang tính thời sự đó, cũng là vấn đề quan tâm của nhiều nước

và quốc gia trên thế giới Trong những năm gần đây thì sự biến khí hậu, tráiđất ấm lên, hiện tượng nước biển dâng, hiệu ứng nhà kính đó là những vấn

đề được dư luận quan tâm Sau đây là những tác động cụ thể của khí thải động

cơ đốt trong đến môi trường có thể kể đến như:

-Thay đổi nhiệt độ khí quyển: sự hiện diện các chất gây ô nhiễm, đặcbiệt là chất gây hiệu ứng nhà kính, trong không khí mà trước hết ảnh hưởngđến quá trình cân bằng nhiệt của khí quyển Trong một số chất gây hiệu ứngnhà kính, người ta quan tâm đến khí CO2 vì nó là thành phần chính trong sảnphẩm cháy của nhiên liệu có chứa thành phần cacbon Sự tăng nhiệt độ củabầu khí quyển có sự góp mặt các chất khí gây hiệu ứng nhà kính

-Tác động đến môi trường sinh thái: sự gia tăng của khí NOx, đặc biệt

là khí N2Ocó nguy cơ làm tăng sự hủy hoại lớp ozon ở tầng thượng 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 đột biến sinh ra các loại vi trùng có khảnăng lây lan các bệnh lạ dẫn hủy hoại sự sống trên trái đất Mặt khác các chấtkhí như CO2, NO2 bị oxy hóa thành H2SO4, HNO3 hòa tan trong mưa, trongtuyết, sương mù làm hủy hoại thảm thực vật và ăn mòn các công trình kimloại Ngoài ra nồng độ NOxtrong không khí lớn hơn từ 0,5-0,7 [ppm] sẽ làmgiảm quá trình quang hợp của thực vật

1.4 Các phương pháp xác định khí thải động cơ đốt trong

+ Khí CO: thành phần khí CO được xác định bằng phương pháp phântích tia hồng ngoại Khi chiếu tia hồng ngoại qua hỗn hợp khí, tia sẽ bị COhấp thụ và yếu đi Thông qua mức độ suy giảm của tia đo được sẽ xác địnhđược hàm lượng CO trong hỗn hợp khí mẫu

+ Khí HC: Thành phần HC được xác định bằng phương pháp ion hóangọn lửa Nguyên lý như sau: khí mẫu được phun vào ngọn lửa hydro, cácphân tử HC sẽ cháy và bị ion hóa Cường độ dòng ion được xác định tỷ lệ vớithành HC trong mẫu thử

+ Khí NOx: vì NOx tồn tại chủ yếu ở hai dạng NO và NO2 được xácđịnh bằng phương pháp huỳnh quang hóa Mẫu thử trước hết đi qua bộ xúctác nhiệt, tại đây NO2 bị phân hủy thành NO và O2 Mẫu thử, giờ đây với Noxchỉ gồm NO, sẽ được đưa vào bộ phận phân tích huỳnh quang hóa Tại đâythành NO sẽ tác dụng với O3 tạo thành NO2 có mức năng lượng cao, tồn tạitrong thời gian ngắn, nhảy xuống mức năng lượng thấp và phát ra tia bức xạ.Cường độ bức xạ đo được sẽ phản ánh thành phần NOx trong mẫu thử banđầu Thông thường, các bộ phận phân tích khí nói trên được bố trí trong một

tủ chung gọi là tủ phân tích khí

Hình 1.4 Tủ phân tích khí

+ Khí thải dạng hạt PM: trong thử nghiệm công nhận kiểu về khí xả,người ta dùng phương pháp đo trực tiếp PM trong khí của động cơ diesel đểxác định lượng phát thải g/km (đối với xe con, xe tải nhẹ) hay g/kWh (đối vớiđộng cơ xe tải nặng Khí thải trước hết được làm loãng Một phần hỗn hợp khí

đã được loãng sẽ được hút qua phần tử lọc bằng giấy qui chuẩn, tại đây, PM

bị giữ lại Cân giấy lọc trước và sau khi thử nghiệm sẽ xác định được độ tăngkhối lượng phần tử lọc đo được, qua đó sẽ cho biết hàm lượng PM trong khíthải Hình vẽ là chiếc cân siêu chính xác kiểu điện tử Sartorius CP2 P-F củaphòng thí nghiệm Động Cơ Đốt Trong, Đại Học Bách Khoa Hà Nội có dải đo1mg - 2100mg với độ chính xác 0,001mg Khi đo phải đặt cân trong mộtphạm vi khí hậu duy trì nhiệt độ và độ ẩm ổn định, đồng thời tránh ảnh hưởngcủa gió và rung động đến độ chính xác phép đo

Hình 1.5 Cân siêu chính xác Satorius CP2P-F

Ngoài ra, đối với một số thử nghiệm công nhận kiểu hoặc thử nghiệmkhí thải khi nghiên cứu, phát triển và kiểm tra khí thải định kỳ hàm lượng PM

có thể xác định gián tiếp thông qua xác định độ mờ bằng thiết bị Opacimeterhoặc độ khói bằng thiết bị Smoke meter Những thiết bị này đều có thể nối vớimáy tính của hệ thống thử nghiệm Kết quả đo độ mờ hoặc độ khói về nguyêntắc có thể chuyển đổi thành hàm lượng PM

Thiết bị Opacimeter dùng phương pháp so sánh cường độ thu được củacùng một nguồn sáng đi qua không khí và đi qua khí thải Độ suy giảm củaánh áng khi đi qua khí thải so với khi đi qua không khí tinh khiết phản ánhhàm lượng các hạt cản quang, chủ yếu là PM Với nguyên tắc như vậy,thang

đo của Opacimeter có giá trị từ 0 đến 100 % Tuy nhiên, kết quả nhận đượchoàn toàn chính xác vì kể đến cả ảnh hưởng của hơi nước và hơi dầu bôi trơn

ở dạng sương mù Trên hình 1.6 là thiết bị Opacimeter AVL 439 dùng vớibăng thử động cơ một xylanh diesel của Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội.Thiết bị sử dụng phương pháp đo liên tục, cho phép đo khí xả trong cả haitrạng thái tĩnh và động với sai số 0,1%

Trong phòng thí nghiệm người ta còn sử dụng phương pháp Bosh đểxác định độ khói bằng thiết bị Smoke Meter Cụ thể như sau: cho một lượngkhí thải nhất định đi qua màng giấy lọc chuẩn, PM sẽ bị giữ lại làm giấy lọc

bị đen đi Độ đen của giấy lọc xác định được sẽ phản ánh độ khói của khí thải.Hình 5 thể hiện thiết bị Smoke Meter AVL 415 dùng cho băng thử động cơnhiều xy lanh của Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội có dải đo từ 0 đến9,99FSN hoặc từ 0 đến 31999 mg/m3 với độ chính xác 0,1%, [3]

1.5.2 Nội dung nghiên cứu của đề tài

Thuyết minh của đề tài bao gồm:

-Mở đầu

-Chương 1: Tổng quan về khí thải động cơ đốt trong

Tổng quan về khí thải động cơ đốt trong giúp chúng ta hiểu và nắmđược những vấn đề cơ bản về khí thải động cơ đốt trong, cũng như tầm quantrọng trong việc hạn chế và giảm thiểu các khí thải, đặc biệt là khí thải dạnghạt PM, một trong những khí thải chiếm tỷ lệ nhỏ, nhưng tác động của nó là

vô cùng to lớn, qua các tiêu chuẩn về khí thải thì nồng độ khí thải này ngàycàng được siết chặt, từ đó nêu được tính cấp thiết trong việc nghiên cứu, cũngnhư đưa ra các biện pháp hạn chế được khí thải dạng hạt ở chương tiếp theo

-Chương 2: Cơ chế hình thành khí thải dạng hạt PM

Từ việc nêu được tính cấp thiết trong việc nghiên cứu và giảm thiểu khíthải dạng hạt PM ở chương mở đầu trong chương này sẽ cung cấp những kiếnthức cơ bản về khí thải dạng hạt như thành phần khí thải dạng hạt, cũng như

cơ chế hình thành từ đó đưa ra được những phương pháp xác định khí thảidạng hạt PM trong thành khí xả

-Chương 3: Các biện pháp giảm thiếu khí thải dạng hạt PM

Từ việc xác định thành phần, cơ chế hình thành khí thải dạng hạt PM ởtrong chương này sẽ đề ra những biện pháp để giảm lượng khí thải PM và trênthế giới hiện nay có hai biện pháp chủ yếu là giảm phát thải dạng tại nguồnphát sinh và sau nguồn phát sinh

-Kêt luận

1.5.3 Ý nghĩa của đề tài

Khí thải dạng hạt PM là một trong những đề tài trong những năm gầnđây được nhiều nhà nghiên cứu và các nhà khoa học quan tâm Thông qua đềtài nay cho chúng ta một cái nhìn tổng quan, cụ thể về khí thải dạng hạt PM.Qua đó sẽ cung cấp và mở rộng khả năng ứng dụng những phương pháp đểgiảm tối đa lượng khí thải này

Kết luận chương 1

Thông qua chương tổng quan về khí xả cho chúng ta cái nhìn tổng quan

và đầy đủ về thành phần các chất gây ô nhiễm trong thành phần khí xả, cũngnhư những tác động của khí xả đến môi trường và con người Qua đó cungcấp những tiêu chuẩn về khí xả mà một số nước trên thế giới đang sử dụng

CHƯƠNG II CƠ CHẾ HÌNH THÀNH KHÍ XẢ DẠNG HẠT PM

2.1 Khái niệm khí xả dạng hạt (PM)

- Khái niệm khí xả dạng hạt PM: là tất cả các chất không hòa tan trongnước, thường tồn tại trong khí thải động cơ ở trạng thái rắn.Trong các chấtnày có các hạt bồ hóng đường kính rất nhỏ và nếu hít phải chúng có thể gâynguy hiểm đối với đường hô hấp

- Các phương tiện cơ giới đường bộ lắp động cơ diesel thải ra lượng khíthải dạng hạt nhiều hơn so với các phương tiện cơ giới lắp động cơ xăng.Ngay cả điều chỉnh tốt thì thải ra lượng khí thải dạng hạt niều hơn động cơxăng Quá trình cháy và khuếch tán của động cơ diesel rất thuận lợi cho việchình thành PM Do đặc điểm phân bố nhiên liệu không đồng nhất nên việckiểm soát quá trình cháy gặp nhiều khó khăn hơn so với động cơ xăng Cũngchính vì cháy không đồng nhất mặc dù hệ số dư lượng không khí lớn hơn 1nhưng vẫn sảy ra hiện tượng cháy không hoàn toàn.

- Sự hình thành khí thải dạng hạt PM trong ngọn lửa khuếch tán phụthuộc vào 2 yếu tố chủ yếu, đó là thành phần hóa học của nhiên liệu và thànhphần hỗn hợp cháy Nhiên liệu chứa càng nhiều cacbon thì hàm lượng PMcàng cao Khi hỗn hợp nghèo và đồng nhất thì lượng PM sẽ rất nhỏ, ngược ạikhi hỗn hợp giàu và không đồng nhất thì hàm lượng PM sẽ rất lớn PM đặctrưng bởi nồng độ thể tích F (m3/m3), mật độ hạt N(hạt /m3) và đường kínhcủa hạt d (mm), [2]

2.2 Thành phần khí thải dạng hạt PM

- Khí thải dạng hạt bao gồm các hạt có đường kính 15-30 nm [2], loại

thứ nhất gồm có cacbon và các hạt kim loại, các hợp chất hữu cơ, sun phat.Loại thứ 2 gồm các hạt mầm gồm có hydrocacbon đặc và SO4

- Khí thải dạng hạt PM gồm rất nhiều thành phần kết hợp và tạothành ,nó bao gồm các thành phần sau đây:

+ Cacbon: Thành phần này phụ thuộc vào nhiệt độ cháy, hệ số dư lượngkhông khí trong bình của hỗn hợp cháy

+ Dầu bôi trơn không cháy: chiếm tỷ lệ đáng kể (phụ thuộc vào điềukiện vận hành, loại động cơ và mức tiêu thụ nhiên liệu của chúng Khi đó cácsản phẩm tương ứng trong PM có cấu tạo hóa học gần với dầu nhờn thay vì cócấu tạo hóa học gần với dầu nhờn thay vì có cấu tạo hóa học giống nhiên liệu

+ Nhiên liệu chưa cháy và cháy không hết: phần này phụ thuộc vào khảnăng cháy hoàn toàn của nhiên liệu, nhiệt độ và hệ số dư lượng không khí

+ Sun phát: do lưu huỳnh có trong hơi nhiên liệu tạo thành SO2 hoặc

SO4

+ Các chất khác: có thể là hơi nước, hợp chất của can xi, sắt, chì,silicon…[2]

Hình 2.1 Hình ảnh cấu tạo của hạt PM

Hình 2.2 Hình ảnh hợp chất PAH

Hợp chất đa vòng thơm ngưng tụ còn gọi là các Hydrocacbon thơm đavòng ngưng tụ trong đó thành phần hóa học của chúng bao gồm các vòngthơm, không chứa các dị tố PAHs có trong than đá, dầu mỏ, nhựa, sản phẩmcủa quá trình đốt cháy nhiên liệu Những công việc sau đó của Miguel,Kirchstetter, Harley và Hering năm 1998 đã lợi dụng lỗ hổng trên đường hầmtìm ra giới hạn cho phép về lượng phát thải trên động cơ xăng và động cơdiesel, sử dụng 1kg nhiên liệu cho thấy lượng phát thải PAH của động cơdiesel cao hơn 60 lần so với động cơ xăng

Khi nghiên cứu về thành phần, PM được phân tích bằng dung môithường dùng di-chloromethane Phần hòa tan, được gọi là phần hữu cơ hòa an–SOF, bao gồm các HC nặng (hydrocarbon béo, hydrocarbon thơm vàhydrocarbon thơm nhiều phân) Phần không hòa tan, hay còn gọi là Phần khôhoặc phần rắn SOL, bao gồm các sun phát và lượng cặn giầu các bon

Thành phần của PM trong khí thải động cơ diesel, [2].

Thành phần PM

(% khối lượng )

Động cơ diesel trênPTCGĐB hạng nặng(Chu trình thử ECE 49)

Động cơ diesel trên xechở khách (Chu trình thử ECE+EUDC)Phương

tiện 1

Phươngtiện 2

6811

368

- Trong động cơ xăng: nói chung PM chỉ sinh ra trong động cơ đánh lửacưỡng bức khi hỗn hợp quá giàu và lượng thải PM thường có 3 nguồn (chì cótrong xăng, sun phát lưu huỳnh có trong nhiên liệu và bồ hóng ) Sự phát thảisun phát lưu huỳnh thường gặp ở động cơ có lắp BXLKT Xăng pha chì cũngtạo ra các hạt muội chì (với xăng chứa 0,15gam chì /lít, hàm lượng muội chìtrong khí thải vào khoảng 100-150 mg/Kw

- Trong động cơ diesel: các hạt PM trong khí thải diesel chứa các bon,trên bề mặt chúng hấp thụ các hợp chất hữu cơ khác (andehyt,ê te,xe ton,cácaxit hữu cơ, các sun phát ) Cấu trúc hạt PM phụ thuộc vào điều kiện làmviệc của động cơ mà trước hết là nhiệt độ khí thải của động cơ Khi nhiệt độkhí thải trên 500[0C] kích thước các hạt PM từ 15-30 nm, diện tích bề mặt củacác hạt PM lên đến 200 m2/g, với các hạt PM hình cầu đặc thì diện tích bềmặt vào khoảng 100m2/g Điều này cho thấy các hạt PM có kết cấu dạng xốp

Trong ngọn lửa khuếch tán, PM được hình thành chủ yếu ở khu vựcnhiệt độ cao và giàu nhiên liệu trong buồng cháy diesel, PM hình thành trongkhu vực có nhiệt độ khoảng 1000-2000[0K], áp suất trong khoảng 50-100 at.Thời gian cần thiết để hình thành một hạt PM phụ thuộc rất nhiều vào chấtlượng phun Đường kính hạt nhiên liệu vào buồng cháy càng lớn thì hàmlượng PM trong khí thải càng cao

Hình 2.3 Hình ảnh tro được phóng đại

2.3 Cơ chế hình thành PM

Quá trình hình thành và tác động của PM đến con người, môi trường làchủ đề được quan tâm trong nhưng năm gần đây Nhiều tác giả đã đưa ranhững cơ chế khác nhau về sự hình thành hạt PM Tuy nhiên cơ chế chi tiết về

sự hình thành của chúng cũng trưa rõ ràng Dưới đây, sẽ đề cập đến vấn đề cơchế hình thành hạt PM theo 4 giai đoạn thường được sử dụng hiện nay

Theo cơ chế này, quá trình hình thành PM bắt đầu từ sự phân rã nhiênliệu có chứa từ 12-22 nguyên tử C và có tỷ số H/C =2 và kết thúc với việc tạothành hạt tụ cầu tiêu biểu có đường kính vài trăm nm (kết từ các hạt có đườngkính 20-30 nm) chứa 105-106 nguyên tử C và có tỷ số H/C =0,1 Quá trìnhcháy được tóm tắt như sau:

+ Tạo hạt cơ sở: phản ứng ngưng tụ các chất khí trong quá trình cháy

làm xuất hiện các hạt bồ hóng Các chất khí có khả năng tạo bồ hóng là HCbão hòa và HC thơm mạch vòng Các hạt nhân ban đầu có đường kính rất bé

<2nm Nồng độ thể tích của chúng có thể bỏ qua nhưng chính chúng là cơ sở

Nồng độ bồ hóng tại một điểm trong một ngọn lửa được xác định bởi

sự tương tác lý hóa: đối lưu và khuếch tán, khống chế sự dịch chuyển của cácphần tử trong dòng chảy và sản sinh tiêu tán, khống chế sự sinh ra hay mất đicủa các phần tử trong quá trình cháy Nồng độ hạt PM được xác định theođịnh luật bảo phần tử trong dòng chảy:

< >

= +Trong trường hợp bên ngoài không chứa khí thải dạng hạt PM thì

- Mô hình hóa sự sản sinh khí thải dạng hạt PM:

Những nghiên cứu thực nghiệm cho thấy sự hình thành khí thải dạnghạt PM được tiến hành qua trung gian của những hydrocacbon thơm đa phân

và sự phát triển của những hạt PM là do phản ứng của những phân tử

hydrocacbure thơm và etylen Mô hình động hóa học của những hydrocacburethơm đa phân mô tả sự hình thành hạt PM theo cơ chế này do Frenklach thiếtlập bao gồm khoảng 1000 phản ứng thuận nghịch được khởi động bới 18phản ứng chính ban đầu Nghiệm số hoàn chỉnh của mô hình này vì vậy rấtphức tạp.

Theo Tensor-Magnussen, khí thải dạng hạt PM được hình thành trongquá trình cháy của hydrocacbure được tiến hành qua hai giai đoan cơ bản, đầutiên là hình thành các hạt nhân cơ sở và sau đó là hình thành phát thải dạnghạt PM từ các hạt nhân này Tốc độ sản sinh các hạt cơ sở được tính

Theo công thức sau:

Rs,f=Kϕf3pfexp(-20000/T)Trong đó :

pf: áp suất cục bộ của nhiên liệu

T: nhiệt độ khí cháy

K: hằng số tỷ lệ

-Mô hình Hiroyasu và Kadota:

Rs,f=Kpexp(-10000/Tb) Trong đó :

Rf: tốc độ cháy của nhiên liệu

Tf: nhiệt độ của ngọn lửa

YO2:nồng độ ô xy có mặt trong buồng cháy

+ Phát triển thể tích hạt: các hạt PM phát triển thể tích hấp thụ bề mặt

các phân tử khí và sau đó liên kết nhiều hạt với nhau thành một hạt có đườngkính lớn hơn Sự phát triển hạt do phản ứng bề mặt làm tăng hàm lượng thểtích F nhưng không làm thay đổi mật độ hạt N Trong khi đó, sự liên kết cáchạt sẽ giữ nguyên hàm lượng thể tích nhưng àm giảm mật độ hạt Khi sự pháttriển bề mặt hạt kết thúc, quá trình liên kết hạt theo chuỗi và cụm vẫn có thểsảy ra Lúc này lực tĩnh điện của chúng trở nên đáng kể và là nguyên nhâncủa sự liên kết này Trong xy lanh động cơ liên tục sảy ra các quá trình tạo hạtnhân ,phát triển bề mặt và liên kết hạt PM

+ Ô xy hóa hạt PM: quá trình tạo thành PM diễn ra song song với quá

trình ô xy hóa PM, khiến cho phần lớn PM bị đốt cháy trước khi bắt đầu quátrình thải Có nhiều chất có thể đóng vai trò là chất ô xy hóa PM như O2, O,

H2O, OH, CO2

Khi hỗn hợp loãng, O2 đóng vai trò quyết định Nhưng khi hỗn hợpgiàu, gốc OH trở thành chất ô xy hóa chính Nước có vai trò ô xy hóa đặc biệtđối với PM thực nghiệm cho thấy, khi hòa tan 25% thể tích nước vào nhiênliệu dưới dạng nhũ tương, nồng độ PM trong khí thải động cơ giảm 50%.Phản ứng ô xy hóa PM chỉ diễn ra khi nhiệt độ trong buồng cháy đủ lớnkhoảng 700-800[0C] Áp suất càng cao thì thì tốc độ ô xy hóa càng lớn Tốc

độ ô xy hóa PM trong động cơ phụ thuộc vào sự khuếch tán của các chất thamgia cũng như động học phản ứng Sự tuần hoàn khí thải có thể giảm hàmlượng NOx, nhưng ngược lại có thể làm tăng lượng PM do nó hạn chế tốc độ ô

xy hóa PM

Thực nghiệm cho thấy rằng tốc độ cháy của bề mặt bồ hóng tươngđương với tốc độ cháy bề mặt của graphite Do đó công thức của Nagle vàStricland –Constable thường được dùng tính toán tốc độ ô xy hóa bề mặtgraphite cũng được dùng để tính toán sự ô xy hóa PM Theo đó tốc độ ô xyhóa bề mặt bồ hóng được xác định theo công thức sau:

k P k

χ =+

Ngoài ra còn nhiều mô hình tính toán tốc độ ô xy hóa PM như:

- Do quá trình phá hủy dây truyền các phân tử nhiên liệu, khuếch tán từ

bề mặt nhiên liệu vào vùng cháy

- Do phản ứng trùng hợp nhiệt độ cao và quá trình khử hydro của lõihạt nhiên liệu bay hơi

Quá trình cháy các hạt PM diễn song song với quá trình giảm mật độthể tích của chúng do giãn nở

Vận tốc PM trong vùng đốt cháy được xác định theo công thức:

[ ] 0,004 ct K

- gct là lượng nhiên liệu cung cấp cho một chu trình [kg].

- dx/dt là vận tốc tỏa nhiệt

Vận tốc PM được hình thành theo cơ chế trùng hợp nhân các hạt nhiênliệu tỷ lệ với vận tốc biến mất của các hạt nhiên liệu lỏng do sự bay hơi hoàntoàn của chúng

Đối với các quá trình khác nhau chúng được tính toán theo công thứcsau:

-Trong quá trình phun nhiên liệu:

1 exp 1 1,7

n

ct

bp P

K d

- τ là thời gian tính từ lúc bắt đầu phun [s]

- τbp là mức độ kéo dài của quá trình phun [s]

- n là đặc tính phân tán (đối với các vòi phun diesel n=2-4)

- K là hằng số bay hơi

- d32 đường kính Stater của hạt nhiên liệu , [m]

Sau khi kết thúc quá trình phun:

- τ2 thời gian tính từ thời điểm kết thúc phun nhiên liệu, [s]

- Xnkp là lượng nhiệt tỏa ra tính từ thời điểm kết thúc phunnhiên liệu, [J]

- pcyl là áp suất tức thời trong xy lanh, [MPa]

- [C]=C/V là mật độ tức thời của PM tính theo thể tích của xy lanh

Vận tốc thay đổi hàm lượng PM trong xy lanh do giãn nở:

Tổng vận tốc thay đổi hàm lượng PM trong xy lanh được xác định theocông thức:

480

0,1 6

k H

B

d C d C

φ

ϕ τ

- p480 là áp suất trong xy lanh tại thời điểm 600 trước ĐCT

- k hệ số đoạn nhiệt của khí thải

Trong phần mềm diesel –RK, hàm lượng PM có thể tính theo thang đoBosh hoặc biểu diễm theo độ khói của khí thải k, [1/m].Chỉ số phát thải đượcxác định theo công thức, thực nghiệm của Akidas theo độ khói:

CHƯƠNG 3 BIỆN PHÁP GIẢM KHÍ XẢ DẠNG HẠT PM

3.1 Đặt vấn đề

Động cơ diesel cung cấp nhiên liệu quan trọng cho nền kinh tế và độbền cần thiết cho các xe tải hạng nặng, xe buýt, xe trở khách.Chúng thườngđược lựa chọn làm nguồn năng lượng cho các nhà máy năng suất cao.Trongkhi chúng có nhiều thuận lợi, bên cạnh đó cũng tồn tại không ít những hạnchế như lượng khí PM, CO, SO, HC, NO và các chất ô nhiễm không khí

Các hạt phát ra từ động cơ diesel là nhỏ và có đường kính nhỏ hơn 2,5micromet Các hạt rất phức tạp, bao gồm cacbon, hấp thụ hydrocacbon từ dầuđộng cơ và nhiên liệu diesel, vật liệu vô cơ xản xuất bởi động cơ Bởi vì kíchthước và thành phần rất nhỏ, những hạt phát ra từ động cơ diesel, đã ảnhhưởng rất nhiều đến sức khỏe Các chuyên gia y tế đã lo ngại rằng khí thải

PM của động cơ diesel đã góp phần và làm tăng các căn bệnh về phổi như hensuyễn, viêm phế quản

Ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy khí thải PM có thể làm tăngnguy cơ gây ung thư ở người, đầu năm 1988, cơ quan nghiên cứu quốc tế vềung thư (IARC) đã kết luận rằng khí thải dạng hạt của động cơ diesel là thủphạm gây nên ung thư cho con người Thuật ngữ chất gây ung thư được sử

dụng bởi IARC để biểu thị một tác nhân có tỷ lệ mắc các khối u ác tính Vàotháng 8/1998, bộ tài nguyên bang califoria xác định khí thải PM từ động cơdiesel là một chất gây ô nhiễm không khí Tháng 9/2000 một kế hoạch về việcgiảm khí thải diesel được thông qua với mục tiêu giảm 85% lượng phát thải

PM đến năm 2020 Năm 2000, tổ chức EPA của hoa kỳ tuyên bố khí thải PM

là chất có khả năng gây ung thư Những mối đe dọa kéo dài, phát hành vàotháng 2/2005 Một báo cáo đánh giá tác động khí thải dạng hạt động cơ dieselđến sức khỏe con người của hoa kỳ, những hạt mịn này có thể rút ngắn cuộcsống 21000 hoa kỳ mỗi năm Với những thiệt hại về sức khỏe liên quan đến từkhí thải PM của động cơ diesel ước tính tổng chi phí 139 tỷ USD năm 2010

Mặc dù sức khỏe và môi trường là những mối quan tâm hiện nay, động

cơ diesel hiện nay được ứng dụng phổ biến trên các xe tải hạng nặng, xe buýt

và các thiết bị hạng nặng khác Hầu hết xe buýt và xe tải hạng nặng hiện nayđều trang bị động cơ diesel Động cơ diesel đáng tin cậy, tiết kiệm nhiên liệu,

dễ sửa chữa, hoạt động không tốn kém Một trong những ấn tượng về thuộctính của động cơ diesel là độ bền Tại Châu Âu mỗi năm có hơn 50 phần trămnhững chiếc xe trang bị động cơ diesel bán ra mỗi năm Đây cũng là sự vượttrội về phương diện tiết kiệm nhiên liệu của động cơ diesel Các nhà sản xuất

đã áp dụng những công nghệ tiến bộ trong việc nâng cao hiệu suất của động

cơ diesel trong các nhà máy Không giống như các động cơ diesel cách đây10-15 năm, động cơ được coi là tiếng ồn và công suất thấp Với những động

cơ diesel hiện đại sẽ đạt được momen xoắn cao, khả năng tăng tốc vượt trội

Để ứng phó với vấn đề sức khỏe cộng đồng, một số quốc gia trên thếgiới đã thiết lập các tiêu chuẩn về khí thải của động cơ diesel được thực hiệnqua khoảng thời gian 2005-2015 Tổ chức EPA của Hoa Kỳ cũng đã có nhữngquy định mới về khí thải đối với xe tải và xe khách có trang bị động cơ diesel,quy định này bắt đầu với các mẫu xe năm 2007 và lượng khí thải này sẽ giảmhơn nữa vào năm 2010 Các công nghệ điều khiển lượng khí xả được ghi rõtrong tài liệu các nước, cũng là một phương pháp tiếp cận mới đối với các nhàsản xuất xe hơi