Chuyên đề Môi trường và tác động của ô tô đến môi trường

hững nhân tố liên quan đến kết cấu ảnh hưởng đến việc thải khí độc có những mặt sau : - Tỷ lệ diện tích bề mặt buồng cháy và thể tích buồng cháy (F/V) - Tỷ số S/D. - Thể tích xy lanh. - Tỷ số nén v.v… Nói chung, nếu F/V tăng sẽ làm tăng HC do tác dụng dập tắt của vách buồng cháy. Tỷ số F/S lại chịu ảnh hưởng của V, e, S/D và số xy lanh của động cơ. Hình 3.8. Ảnh hưởng của tham số F/V đến hàm lượng phát thải HC Hình 3.9. Ảnh hưởng của tham số S/D đến HC (n=2000 vòng/min, e=10) Bảng 3.14. Tổng hợp ảnh hưởng của một số yếu tố đến thải khí độc Bảng 3.15. Tổng hợp ảnh hưởng của nồng độ hỗn hợp đến phát thải khí độc 3.2.3. Nitrogen oxide (NOx) Những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến sự hình thành NO trong khí thải 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. 3.2.3.1. Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí 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 3.10. Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí đến phát thải NO 3.2.3.2. Ảnh hưởng của hệ số khí sót Trước khi cháy, hỗn hợp trong cylinder bao gồm không khí, hơi nhiên liệu và khí sót. Khi không có sự hồi lưu, lượng khí sót trong cylinder 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 tỷ 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 3.11 trình bày ảnh hưởng của tỷ 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 tỷ lệ khí xả hồi lưu cho đến khi tỷ lệ này đạt 15 ÷ 20%, đây là tỷ 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. Sự gia tăng tỷ 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. Hình 3.11. Ảnh hưởng của tỷ lệ khí xả hồi lưu (EGR) đến phát thải NO 3.2.3.3. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm Góc đánh lửa sớm có ảnh hưởng mạnh đến sự phát sinh NO. 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. Hình 3.12. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến phát thải NO (1) 200 (2) 300 (3) 400 (4) 500 Hình 3.13. Ảnh hưởng của nồng độ hỗn hợp đến NOx theo từng góc đánh lửa sớm 3.2.4. Các hợp chất hữu cơ của chì Trong quá khứ, nguồn gốc chủ yếu thải các chất chì vào khí quyển là từ các động cơ ôtô. Tuy nhiên, kết quả của các giải pháp nhằm giảm hàm lượng chì trong xăng đã làm giảm việc thải ra các chất khí có chứa chì của các phương tiện vận chuyển và ôtô trong hai thập niên qua. Chỉ khi nào dùng xăng pha chì thì ôtô mới thải ra các chất độc có chì trong khí thải. Chì pha vào xăng để chống các peroxide trong khi nhiên liệu bị môi trường buồng cháy động cơ kích thích tự oxy hóa, oxy hóa mãnh liệt và tự bùng cháy. Các peroxide này bị chì hữu cơ Pb(C2H5)4 trao đổi, cướp oxy, hủy peroxide nên không còn là tác nhân gây kích nổ nữa. Tuy nhiên PbO2 sinh ra sẽ đọng bám vào các chấu bugi gây mất lửa, đọng bám vào tán soupape làm kênh soupape, đọng bám vào vào bộ xúc tác khử độc (CO, HC, NOx) làm tắc nghẽn và vô hiệu hóa chức năng khử độc của nó. Vì vậy phải khử PbO2, cách khử thông thường là pha vào xăng chì hoặc Br(C2H5)2 hoặc Cl(C2H5). Kết quả PbO2 trao đổi ion với các chất này sẽ hình thành các hợp chất halogen chì là dạng sol khí và theo khói thải bay ra ngoài gây ô nhiễm cho người. Nếu sử dụng xăng không pha chì thì không có vấn đề ô nhiễm chì xảy ra đối với ôtô lắp động cơ xăng. 3.2.5. Dioxide Sulfur (SO2) Hàm lượng lưu huỳnh trong xăng rất ít (0.15% theo thể tích), nên lượng SO2 phát thải của động cơ xăng không đáng kể 3.2.6. Các chất khác không sinh ra từ phản ứng cháy của động cơ Các chất gây ô nhiễm của ôtô lắp động cơ xăng: CO, CO2, HC, SO2, NOx và các hợp chất của chì là do phản cháy bình thường hoặc không bình thường của nhiên liệu sinh ra. Nhưng đối với xe xăng, ngoài các nguồn gây ô nhiễm trên thì còn có HC do nhiên liệu trong thùng chứa bay hơi khuếch tán vào không khí, hơi acid từ ắc quy, HC từ buồng đốt lọt xuống cacte bay ra ngoài, HC từ bầu phao của chế hòa khí bay hơi… Tuy nhiên, trên các xe hiện đại thì hơi xăng từ cacte, từ bình chứa nhiên liệu, từ bầu phao,.. đều được thu hồi đưa về buồng đốt để khắc phục ô nhiễm. 3.3. Ô nhiễm từ xe ôtô lắp động cơ Diesel Ở động cơ Diesel, ngoài các chất độc hại như động cơ xăng là CO, HC, NOx ra, còn có các chất ô nhiễm như SO2, SO3 và các loại hạt siêu nhỏ như muội than, bụi kim loại, tàn tro v.v…So với 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 khói xả của động cơ Diesel còn có Formaldehyde nên có mùi hôi. Bảng 3.16. So sánh hàm lượng các chất độc trong khí thải giữa hai loại động cơ Loại chất độc Động cơ Diesel Động cơ xăng Ghi chú CO% HC (ppm) NOx (ppm) Siêu bụi (g/km) <0,5 <500 1000¸4000 0,5 <10 <3000 2000¸4000 0,01 Ở động cơ xăng gấp 20 lần Động cơ xăng gấp 6 lần. Tương đương Động cơ Diesel gấp 50 lần. Bảng 3.17. Nồng độ các chất độc ở các trạng thái vận hành khác nhau Trạng thái vận hành CO % HC (ppm) NOx (ppm) SO2 (ppm) Muội than (g/km) Ralentie 0,1 300¸500 50¸70 20¸100 0,06¸0,4 Gia tốc 0¸0,4 200 800¸1000 Chạy ổn định 0,1 90¸150 200¸1000 Giảm tốc 0,1 300¸400 30¸50 Bảng 3.18. Tác hại của các bụi than đối với sức khỏe con người Cỡ hạt (mm) Tác hại 2¸10 Sau khi hít vào có thể được bài tiết ra. Vô hại đối với sức khỏe. <2 Sau khi hít vào có thể đọng lại trong phổi 0,1¸0,5 Sau khi vào phổi có thể làm sưng phổi, làm sạm da, biến thái sinh dục, ung thư, rất có hại. Muội than ngoài việc hạn chế tầm nhìn còn thường dính SO2 và các chất gây ung thư như pyridine và các dẫn xuất của nó nên rất độc với cơ thể con người. 3.3.1. Nitrogen oxide (NOx) 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. Các quan sát thực nghiệm cho thấy hầu hết NO được hình thành trong khoảng 2000 góc quay trục khủyu 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 3.14). 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. Hình 3.14 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 2700 trước ĐTC. Hình 3.14. Ảnh hưởng độ đậm đặc trung bình đến nồng độ NOx phát thải 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 Nitrogen 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. 3.3.2. Carbon monoxide (CO) Trong động cơ Diesel, CO là sản phẩm cháy trung gian. Nếu đủ oxygen, nó có thể tiếp tục oxy hóa thành CO2. Nhưng nếu thiếu oxygen, nhiệt độ cháy thấp hoặc quá trình cháy kéo dài không đủ để oxy hóa tiếp thì CO tồn tại. Sự hình thành CO ở động cơ Diesel rất giống hiện tượng tạo muội than, nó phụ thuộc vào việc có đủ oxy hay không. Ở tải trọng thấp, nhiệt độ cháy thấp, phản ứng oxy hóa yếu, lượng CO thải ra tương đối lớn. Khi tải trọng tăng, lượng nhiên liệu cung cấp tăng, a giảm, 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 vòng quay nào đó, lượng CO thải ra có thể bằng không vì nhiên liệu được đốt cháy hoàn toàn. 3.3.3. Sulfur oxide (SOx) Trong khí thải của động cơ Diesel có một tỷ lệ nhất định các khí SO2 và SO3, sau khi ra khỏi buồng đốt chúng sẽ kết hợp với hơi nước trong môi trường để tạo thành hơi acid. Các Sulfur oxide có trong khí xả là do trong nhiên liệu Diesel có tồn tại thành phần lưu huỳnh (S). Ở các nước tiên tiến hàm lượng lưu huỳnh tổng trong nhiên liệu rất thấp. EPA ( U.S Enviroment Protection Engcy) quy định thành phần lưu huỳnh trong Diesel là không quá 0.05% (500 ppm). Ở Việt Nam, từ năm 2007 về trước, quy định hàm lượng lưu huỳnh trong Diesel không quá 0.5%. Tuy nhiên, kể từ 1/7/2007 đã áp dụng quy định hàm lượng lưu huỳnh không quá 0.05%. Hiện nay thì có nhiều công nghệ làm giảm tối thiểu lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu xuống tới 10 ppm như Process ultra-low sulfur Diesel, với quá trình này thì sử dụng xúc tác NiMo và CoMo để làm tăng tính họat động của Hydro. Loại lưu huỳnh ra khỏi dibenzothiophene, sử dụng phản ứng hydrogenolysis (loại lưu huỳnh bằng hydro). 3.3.4. Hydrocarbure (HC) Do nguyên lý 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. 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, chủ yếu là khu vực hỗn hợp quá nghèo diễn ra sự cháy không hoàn toàn còn khu vực hỗn hợp quá giàu sẽ tiếp tục cháy khi hòa trộn thêm không khí. Đối với bộ phận nhiên liệu phun sau giai đoạn cháy trễ, sự oxy hóa nhiên liệu hay các sản phẩm phân hủy nhiệt diễn ra nhanh chóng khi chúng dịch chuyển trong khối khí ở nhiệt độ cao. Tuy nhiên sự hòa trộn không đồng đều có thể làm cho hỗn hợp quá giàu cục bộ hay dẫn đến sự làm mát đột ngột làm 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 điều kiện vận hành; ở chế độ không tải hay tải thấp, nồng độ HC cao hơn ở chế độ đầy tải. Thêm vào đó, khi thay đổi tải đột ngột có thể gây ra sự thay đổi mạnh các điều kiện cháy dẫn đến sự gia tăng HC do những chu trình bỏ lửa. Cuối cùng, khác với động cơ đánh lửa cưỡng bức, không gian chết trong động cơ Diesel không gây ảnh hưởng quan trọng đến nồng độ HC trong khí xả vì trong quá trình nén và giai đoạn đầu của quá trình cháy, các không gian chết chỉ chứa không khí và khí sót. Ảnh hưởng của lớp dầu bôi trơn trên mặt gương cylinder, ảnh hưởng của lớp muội than trên thành buồng cháy cũng như ảnh hưởng của sự tôi màng lửa đối với sự hình thành HC trong động cơ Diesel cũng không đáng kể so với trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức. Hình 3.15. Phân bố độ đậm đặc trong tia phun Diesel Có hai nguyên nhân dẫn đến sự phát sinh HC do hỗn hợp quá giàu. Nguyên nhân thứ nhất do nhiên liệu rời khỏi vòi phun với tốc độ thấp và thời gian phun kéo dài. Nguồn phát sinh HC chính trong trường hợp này là không gian chết ở mũi 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 hợp quá đậm. Vào cuối giai đoạn phun, lỗ phun (không gian chết) ở mũi vòi phun chứa đầy nhiên liệu. Trong giai đoạn cháy và giãn nở, nhiên liệu được sấy nóng và một bộ phận bốc hơi thoát ra khỏi lỗ phun (ở pha lỏng và hơi) và đi vào cylinder với tốc độ thấp và hòa trộn chậm với không khí, do đó chúng không bị đốt cháy trong giai đoạn cháy chính. Ở động cơ phun trực tiếp, thời gian của giai đoạn cháy trễ bé, mức độ phát sinh HC tỷ lệ với thể tích không gian chết ở mũi vòi phun. Tuy nhiên, không phải toàn bộ thể tích nhiên liệu chứa trong không gian chết đều có mặt trong khí xả. Ví dụ 1mm3 không gian chết trong buồng cháy động cơ phát sinh khoảng 350ppmC trong khí xả, trong khi đó 1mm3 nhiên liệu cho 1660ppmC. Sự chênh lệch này là do một bộ phận hydrocarbure nặng tiếp tục lưu lại trong vòi phun và một bộ phận hydrocarbure 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 thấp hơn. Ở động cơ phun trực tiếp, hiện tượng nhả khói đen làm giới hạn khả năng tăng độ đậm đặc trung bình của hỗn hợp ở chế độ toàn tải. Ở chế độ tải thấp, tốc độ phun bé và lượng nhiên liệu phun vào nhỏ, do đó động lượng của tia phun bé làm giảm lượng không khí kéo theo vào tia nên độ đậm đặc cục bộ rất cao. Trong điều kiện quá độ khi gia tốc, hỗn hợp trong buồng cháy có thể rất đậm đặc. Trong trường hợp đó, dù tỷ lệ nhiên liệukhông khí tổng quát trong toàn buồng cháy thấp nhưng độ đậm đặc cục bộ rất cao trong giai đoạn giãn nở và thải. Khi độ đậm đặc cục bộ vượt quá 0,9 thì nồng độ HC sẽ gia tăng đột ngột. Ảnh hưởng tương tự như vậy cũng diễn ra trong động cơ có buồng cháy dự bị. Tuy nhiên cơ chế này chỉ gây ảnh hưởng đến nồng độ HC khi gia tốc và nó gây ảnh hưởng đến nồng độ HC ít hơn khi hỗn hợp nghèo ở chế 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 khu vực va chạm giữa tia nhiên liệu và thành buồng cháy. Sự bỏ lửa dẫn đến sự gia 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 sự hình thành khói trắng (chủ yếu là do những hạt nhiên liệu không cháy tạo thành). 3.3.5. Từ muội than, bồ hóng cho đến các Particulate Matter (PM) 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 kỳ một tạp chất cơ học nào khác có mặt trong không khí, các HAP, kể cả các nitro-HAP và dinitro-HAP hấp thụ trong bồ hóng Diesel đều có khả năng gây đột biến tế bào và gây ung thư đường hô hấp. Ngoài ra, bồ hóng cũng có khả năng gây ung thư da nếu nạn nhân tiếp xúc thường xuyên với chúng và gây bệnh tụ máu dẫn đến những tác động nguy hiểm đến hệ tim mạch. Trong môi trường, các hạt bồ hóng trong không khí có tác dụng hấp thụ và khuếch tán ánh sáng mặt trời, làm giảm độ trong suốt của khí quyển và do đó làm giảm tầm nhìn. So với nông thôn, ở đô thị bức xạ mặt trời đo được trên mặt đất nhỏ hơn khoảng 15-20%. Khi nồng độ bồ hóng trong không khí đạt khoảng 0,1mg/m3 thì tầm nhìn xa chỉ còn 12km (so với tầm nhìn xa cực đại 36km), nhất là trong các đô thị có độ phát tán tầm thấp yếu và trên các trục lộ có sự tập trung phương tiện Diesel ở giờ cao điểm (nếu có khoảng 20% xe vận tải Diesel trong luồng thì tầm nhìn giảm từ 25-30%). Điều này gây mất an toàn giao thông. Ngoài ra, khi bồ hóng bám vào lá cây xanh thì khả năng quang hợp của lá cây bị giảm, làm cây cối dễ bị héo chết. Bồ hóng bám vào các công trình xây dựng sẽ gây ra sự ăn mòn kim loại... Quá trình cháy khuếch tán trong động cơ Diesel rất thuận lợi cho việc hình thành bồ hóng. Thật vậy, sự cháy của hạt nhiên liệu lỏng trong khi chúng dịch chuyển trong buồng cháy cũng như sự tập trung cục bộ hơi nhiên liệu ở những vùng có nhiệt độ cao là nguyên nhân chính sản sinh bồ hóng. Bồ hóng trong khí xả là một trong những yếu tố chính giới hạn khả năng ứng dụng của động cơ Diesel hiện nay. Ngày nay, người ta đã biết rõ bồ hóng bao gồm các thành phần chính sau đây: - Carbon: Thành phần này ít nhiều phụ thuộc vào nhiệt độ cháy và hệ số dư lượng không khí trung bình, đặc biệt là khi động cơ hoạt động ở chế độ đầy tải hoặc quá tải. - Dầu bôi trơn không cháy: Đối với động cơ cũ thành phần này chiếm tỷ lệ lớn. Lượng dầu bôi trơn bị tiêu hao và lượng hạt bồ hóng có quan hệ với nhau. - Nhiên liệu chưa cháy hoặc cháy không hoàn toàn: Thành phần này phụ thuộc vào nhiệt độ và hệ số dư lượng không khí. - Sulphate: do lưu huỳnh trong nhiên liệu bị oxy hóa và tạo thành SO2 hoặc SO4. - Các chất khác: lưu huỳnh, calcium, sắt, silicon, chromium, phosphor, các hợp chất calcium từ dầu bôi trơn. Thành phần hạt bồ hóng còn phụ thuộc vào tính chất nhiên liệu, đặc điểm của quá trình cháy, dạng động cơ cũng như thời hạn sử dụng của động cơ (cũ hay mới). Thành phần bồ hóng trong sản phẩm cháy của nhiên liệu có thành phần lưu huỳnh cao khác với thành phần bồ hóng trong sản phẩm cháy của nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh thấp. Mặc dù các nhà khoa học và các nhà sản xuất ô tô đã quan tâm rất nhiều đến việc nghiên cứu vấn đề này nhưng đến nay người ta vẫn chưa tìm ra được một giải pháp kỹ thuật nào hữu hiệu nhằm hạn chế nồng độ bồ hóng trong giới hạn cho phép của các quy định về bảo vệ môi trường. Hai hướng nghiên cứu chính hiện nay là: - Cải thiện và tổ chức tốt quá trình cháy trong động cơ Diesel - Lọc bồ hóng trên đường ống xả. Giải pháp xử lý bồ hóng trên đường ống xả gặp rất nhiều khó khăn trong thực tế, nhất là giải quyết vấn đề tái sinh lõi lọc để giảm trở lực trên đường thải và việc nâng cao tuổi thọ các bộ lọc. Vì vậy, giải pháp có tính cơ bản của vấn đề bồ hóng chỉ có thể rút ra được trên cơ sở nghiên cứu tường tận quá trình hình thành chất ô nhiễm này để tìm cách hạn chế chúng ngay từ trong buồng cháy động cơ. Động cơ Diesel cho tới nay vẫn là loại động cơ đốt trong được sử dụng rộng rãi nhờ tính kinh tế của nó cao. Tuy nhiên, với sự cạnh tranh của các loại động cơ đánh lửa cưỡng bức hiện đại, viễn ảnh áp dụng của loại động cơ này trên các phương tiện vận tải trong tương lai phụ thuộc nhiều vào kỹ thuật làm giảm nồng độ bồ hóng trong khí xả. 3.4. Ô nhiễm từ trạng thái vận hành động cơ Trạng thái vận hành của động cơ phản ánh sự chi phối của các đại lượng vật lý xảy ra trong buồng cháy và ảnh hưởng đến sự hình thành CO, HC và NOx. Trạng thái vận hành ổn định của động cơ được xác định khi các thông số vật lý của môi trường hoạt động của động cơ như nhiệt độ nước làm mát, dầu bôi trơn, áp suất khí trời, nhiệt độ môi trường, tải trọng của động cơ, số vòng quay của động cơ đều là hằng số. Trong thực tiễn, động cơ luôn luôn vận hành ở trạng thái không ổn định chẳng hạn như khi khởi động động cơ, khi gia tốc, giảm tốc… * Trường hợp khởi động lúc máy còn nguội: xăng và không khí hòa trộn kém. Do đó, ngoài việc cháy không hết, còn một lượng xăng đọng lại bám trên đường ống nạp, vì vậy hỗn hợp phải đậm (l<1). Do đó lượng CO cao, HC rất cao và NOx thấp. * Trường hợp động cơ gia tốc: lượng nhiên liệu cung cấp tăng đột ngột, trong lúc số vòng quay động cơ chưa kịp tăng đồng bộ với sự gia tăng của lượng nhiên liệu cung cấp (đối với động cơ sử dụng bộ chế hòa khí). Vì vậy, CO và HC cũng tăng rất cao. Nhưng đối với động cơ phun xăng thì tình trạng này có đỡ hơn. * Trong trường hợp động cơ giảm tốc: khi giảm tốc đột ngột, số vòng quay của động cơ đang còn cao, đột nhiên bướm ga đóng, độ chân không trên đường ống nạp tăng, nhiên liệu phun ra nhiều, do đó CO và HC đều tăng. Vì vậy ở động cơ xăng còn dùng bộ chế hòa khí, việc khởi động động cơ lúc nguội, gia-giảm tốc đột ngột đều làm cho nồng độ CO và HC đều tăng lên. * Trong trường hợp điều chỉnh sai các thông số động cơ, sẽ đưa động cơ vào chế độ hoạt động không ổn định. 3.5. Ô nhiễm do chất lượng nhiên liệu: xăng, dầu 3.5.1. Nhiên liệu động cơ xăng Nhiên liệu cũng gây ảnh hưởng đến sự phát ô nhiễm, chủ yếu là do tỷ số không khí/nhiên liệu có thể bị thay đổi do sự thay đổi các đặc trưng hóa lý của chúng không phải lúc nào cũng được bù lại bởi sự điều chỉnh các thông số của động cơ. Như chúng ta đã biết, độ đậm đặc của hỗn hợp ảnh hưởng lớn đến mức độ phát sinh ô nhiễm: NOx đạt cực đại trong môi trường hơi nghèo; CO, HC đạt cực tiểu trong môi trường nghèo; sự xuất hiện bồ hóng diễn ra trong môi trường rất giàu (a<0,6), điều kiện này diễn ra chung quanh hạt nhiên liệu trong buồng cháy động cơ Diesel. Các tính chất của nhiên liệu ô tô, nhiên liệu thông thường hay đặc biệt tốt (super) sẽ thỏa mãn những đặc trưng yêu cầu của từng quốc gia. Mỗi quốc gia có tiêu chuẩn riêng xác định phạm vi cho phép của khối lượng riêng, phạm vi chưng cất, sự bốc hơi, nồng độ lưu huỳnh và nồng độ các chất phụ gia. Ảnh hưởng của khối lượng riêng nhiên liệu: Khối lượng riêng nhiên liệu có quan hệ chặt chẽ với thành phần các hydrocarbure tạo thành hỗn hợp nhiên liệu, đặc biệt là tỷ lệ nguyên tử tổng quát carbon/hydrogen. Sự gia tăng khối lượng riêng của nhiên liệu có khuynh hướng làm nghèo hỗn hợp đối với động cơ dùng bộ chế hòa khí và ngược lại, làm giàu hỗn hợp đối với động cơ phun xăng. Tuy nhiên, do phạm vi thay đổi khối lượng riêng nhiên liệu rất bé (từ 2,5 đến 4%), ảnh hưởng của nó đến mức độ phát ô nhiễm của động cơ đã điều chỉnh sẵn với một nhiên liệu cho trước không đáng kể. Ảnh hưởng của tỷ lệ hydrocarbure thơm Các hydrocarbure thơm có chỉ số octane nghiên cứu RON>100 và chỉ số octane động cơ MON thường lớn hơn 90. Do đó thêm thành phần hydrocarbure thơm vào nhiên liệu là một biện pháp làm tăng tính chống kích nổ của nhiên liệu hiện đại. Hiện nay người ta có khuynh hướng gia tăng hàm lượng các chất hydrocarbure thơm trong nhiên liệu nhằm phổ biến nhiên liệu không chì. Theo tiêu chuẩn Cộng Đồng Châu Âu, hàm lượng benzene trong nhiên liệu phải thấp hơn 5%. Hình 3.16. Ảnh hưởng của tỷ số không khí/nhiên liệu đến NOx Các hydrocarbure thơm có tỷ số C/H cao hơn do đó khối lượng riêng lớn hơn. Do nhiệt lượng tỏa ra đối với một đơn vị thể tích cao hơn nên nhiệt độ cháy của hỗn hợp tăng làm tăng NOx. Hình 3.17, cho thấy ví dụ trên động cơ có tốc độ 1500 vòng/phút ở chế độ tải trung bình sự thay đổi NOx theo tỷ số không khí/nhiên liệu đối với alkylat không thơm và đối với nhiên liệu super thơm. Chúng ta thấy ở vị trí phát ô nhiễm cực đại, alkylat làm giảm nồng độ ô nhiễm khoảng 20%. Mức độ phát sinh CO ít bị ảnh hưởng bởi hàm lượng hydrocarbure thơm. Tuy nhiên, các hydrocarbure thơm có cấu tạo ổn định hơn parafine nên có động học phản ứng cháy chậm hơn. Do đó trong cùng điều kiện cháy, sự phát sinh hydrocarbure chưa cháy của nhiên liệu chứa nhiều hydrocarbure thơm hơn sẽ cao hơn. Khi chuyển từ nhiên liệu super thơm sang alkylat, mức độ phát sinh HC giảm đi 16% Hình 3.17. Ảnh hưởng của tỷ số không khí nhiên liệu đến HC Mặt khác, các chất thơm trong nhiên liệu giữ vai trò phát sinh các hydrocarbure thơm đa nhân HAP, phenol và aldehyde thơm mà những chất này tăng theo các chất thơm còn formaldehyde thì giảm. Sự phụ thuộc của HAP vào tỷ lệ các chất thơm trong nhiên liệu thay đổi một mặt theo HAP xem xét và mặt khác theo dạng chất thơm trong nhiên liệu: benzene ít ảnh hưởng đến HAP hình thành, HAP nhẹ (đến 4 nhân) gia tăng tuyến tính theo tỷ lệ các chất thơm trong nhiên liệu, những HAP nặng hơn (đến 5 nhân) không chịu ảnh hưởng bởi tỷ lệ này. HAP