Đề tài Nghiên cứu ảnh hưởng của khí thải động cơ diesel tăng áp đến môi trường sống

Mục lục

LỜI NÓI ĐẦU 3

Chương 1. TỔNG QUAN 5

1.1. Những vấn đề chung: 5

1.2. Động cơ diesel và tiêu chuẩn khí thải châu Âu: 6

1.2.1. Động cơ diesel tăng áp: 6

1.2.2. Tiêu chuẩn khí thải Châu Âu (EURO): 7

1.3. Mục đích, nội dung, ý nghĩa của đề tài: 10

1.3.1. Mục đích: 10

1.3.2. Nội dung: 10

1.3.3. Ý nghĩa: 10

Chương 2. CƠ CHẾ HÌNH THÀNH KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ DIESEL VÀ TÁC HẠI. 11

2.1. Cơ chế hình thành khí thải của động cơ diesel: 11

2.1.1. Một số vấn đề liên quan đến quá trình cháy. 11

2.1.2. Cơ chế hình thành CO : 18

2.1.3. Cơ chế hình thành NOx: 20

2.1.4. Cơ chế hình thành bồ hóng: 22

2.1.5. Cơ chế hình thành khí các-te: 24

2.1.6. Cơ chế hình thành các chất ô nhiễm đăc trưng: 25

2.1.7. Cơ chế hình thành SOx: 27

2.2. Ảnh hưởng của khí thải động cơ diesel đối với con người và môi trường: 28

2.2.1. Ảnh hưởng của CO: 28

2.2.2. Ảnh hưởng của NOx: 29

2.2.3. Ảnh hưởng của bồ hóng: 30

2.2.4. Ảnh hưởng của khí các-te: 31

2.2.5. Ảnh hưởng của các chất ô nhiễm đặc trưng: 31

2.2.6. Ảnh hưởng của SOx: 32

Chương 3.CÁC GIẢI PHÁP GIẢM LƯỢNG KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ DIESEL: 32

3.1. Các vấn đề chung: 32

3.1.1. Tính kinh tế nhiên liệu và mức độ độc hại khí xả: 32

3.1.2. Phân loại các giải pháp: 32

3.2. Giảm ô nhiễm tại nguồn phát sinh: 32

3.2.1. Tối ưu hoá tốc độ phun nhiên liệu: 32

3.2.2. Sử dụng hệ thống tuần hoàn khí xả: 33

3.2.3. Lựa chọn phương pháp tạo hỗn hợp thích hợp. 34

3.2.4. Phun nước vào trong xy-lanh. 34

3.2.5. Điều chỉnh lượng nhiên liệu lớn nhất cung cấp cho một chu trình. 35

3.2.6. Giảm hệ số dư lượng không khí và giảm bớt mức độ xoáy lốc. 37

3.2.7. Sử dụng hệ thống phun nhiên liệu diesel điều khiển điện tử. 37

3.3. Xử lý khí xả: 37

3.3.1. Các biện pháp xử lý khí xả: 37

3.3.2. Đối với BXLKX kiểu ô-xy hoá trên động cơ diesel. 38

3.4. Bộ lọc và ôxy hoá bồ hóng: 40

3.4.1. Các vấn đề chung 40

3.4.2. Một số phương pháp lọc bồ hóng: 40

3.5. Xu hướng sử dụng nhiên liệu mới 41

Chương 4. KẾT LUẬN. 42

TÀI LIỆU THAM KHẢO 43

 

 

doc47 trang | Chia sẻ: lethao | Ngày: 10/01/2013 | Lượt xem: 2447 | Lượt tải: 35download
Tóm tắt tài liệu Đề tài Nghiên cứu ảnh hưởng của khí thải động cơ diesel tăng áp đến môi trường sống, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Mục lục LỜI NÓI ĐẦU 3 Chương 1. TỔNG QUAN 5 1.1. Những vấn đề chung: 5 1.2. Động cơ diesel và tiêu chuẩn khí thải châu Âu: 6 1.2.1. Động cơ diesel tăng áp: 6 1.2.2. Tiêu chuẩn khí thải Châu Âu (EURO): 7 1.3. Mục đích, nội dung, ý nghĩa của đề tài: 10 1.3.1. Mục đích: 10 1.3.2. Nội dung: 10 1.3.3. Ý nghĩa: 10 Chương 2. CƠ CHẾ HÌNH THÀNH KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ DIESEL VÀ TÁC HẠI. 11 2.1. Cơ chế hình thành khí thải của động cơ diesel: 11 2.1.1. Một số vấn đề liên quan đến quá trình cháy. 11 2.1.2. Cơ chế hình thành CO : 18 2.1.3. Cơ chế hình thành NOx: 20 2.1.4. Cơ chế hình thành bồ hóng: 22 2.1.5. Cơ chế hình thành khí các-te: 24 2.1.6. Cơ chế hình thành các chất ô nhiễm đăc trưng: 25 2.1.7. Cơ chế hình thành SOx: 27 2.2. Ảnh hưởng của khí thải động cơ diesel đối với con người và môi trường: 28 2.2.1. Ảnh hưởng của CO: 28 2.2.2. Ảnh hưởng của NOx: 29 2.2.3. Ảnh hưởng của bồ hóng: 30 2.2.4. Ảnh hưởng của khí các-te: 31 2.2.5. Ảnh hưởng của các chất ô nhiễm đặc trưng: 31 2.2.6. Ảnh hưởng của SOx: 32 Chương 3.CÁC GIẢI PHÁP GIẢM LƯỢNG KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ DIESEL: 32 3.1. Các vấn đề chung: 32 3.1.1. Tính kinh tế nhiên liệu và mức độ độc hại khí xả: 32 3.1.2. Phân loại các giải pháp: 32 3.2. Giảm ô nhiễm tại nguồn phát sinh: 32 3.2.1. Tối ưu hoá tốc độ phun nhiên liệu: 32 3.2.2. Sử dụng hệ thống tuần hoàn khí xả: 33 3.2.3. Lựa chọn phương pháp tạo hỗn hợp thích hợp. 34 3.2.4. Phun nước vào trong xy-lanh. 34 3.2.5. Điều chỉnh lượng nhiên liệu lớn nhất cung cấp cho một chu trình. 35 3.2.6. Giảm hệ số dư lượng không khí và giảm bớt mức độ xoáy lốc. 37 3.2.7. Sử dụng hệ thống phun nhiên liệu diesel điều khiển điện tử. 37 3.3. Xử lý khí xả: 37 3.3.1. Các biện pháp xử lý khí xả: 37 3.3.2. Đối với BXLKX kiểu ô-xy hoá trên động cơ diesel. 38 3.4. Bộ lọc và ôxy hoá bồ hóng: 40 3.4.1. Các vấn đề chung 40 3.4.2. Một số phương pháp lọc bồ hóng: 40 3.5. Xu hướng sử dụng nhiên liệu mới 41 Chương 4. KẾT LUẬN. 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 LỜI NÓI ĐẦU Với lịch sử phát triển hàng trăm năm, ngành động cơ đã phát triển và đạt được những thành tựu vượt bậc. Trong những năm gần đây việc thiết kế cũng như phát triển động cơ đốt trong không chỉ chú trọng đến tính năng vận hành và tính kinh tế mà còn đặc biệt chú ý đến vấn đề môi trường. Động cơ nói chung và động cơ diesel nói riêng đang là một trong những nguồn phát thải gây ô nhiễm nặng nề ở nước ta, nhất là các đô thị. Cùng với sự tăng trưởng của nền kinh tế thì nhu cầu về các loại phương tiện giao thông dùng trong các lĩnh vực vận tải đường bộ, hàng không, vận tải biển ngày một gia tăng. Trong đó để đáp ứng nhu cầu sử dụng dịch vụ vận tải công cộng thì số lượng xe buýt cũng tăng lên. Tuy nhiên số lượng xe buýt đạt tiêu chuẩn phát thải Euro2 theo quy định còn rất ít. Để hạn chế các thành phần gây ô nhiễm này, đã có rất nhiều giải pháp được đưa ra bao gồm các giải pháp với động cơ và giải pháp xử lý khí thải. Các biện pháp giảm phát thải cho động cơ diesel lắp trên xe buýt nói riêng và phương tiện nói chung là một trong những vấn đề hết sức cấp bách.           Với tất các lý do trên, chúng em chọn đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của khí thải động cơ diesel tăng áp đối với sức khoẻ và môi trường sống của con người”           Mặc dù đã có nhiều cố gắng, nhưng do thời gian và kinh nghiệm còn ít nên trong đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Em rất mong sự góp ý của các thầy cô trong bộ môn, các chuyên gia và những người quan tâm đến vấn đề này để đề tài được hoàn thiện hơn.           Chúng em xin cảm ơn cô Khương Thị Hà đã tận tình hướng dẫn để chúng em có thể hoàn thành đề tài này. Chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn các thầy cô giáo Bộ môn Động Cơ Đốt Trong, Khoa Cơ khí, trường Đại học Giao thông vận tải đã tận tình giúp đỡ chúng em trong thời gian qua. Em xin chân thành cảm ơn. Nhóm sinh viên thực hiện: Nguyễn Trung Kiên Phùng Tiến Dũng Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. Những vấn đề chung: Ngày nay vấn đề phát triển bền vững luôn được mọi quốc gia trên thế giới quan tâm, đặc biệt là bảo vệ môi trường sống của con người. Môi trường của con người đang bị huỷ hoại nghiêm trọng từ nhiều nguồn khác nhau và một trong những nguồn ô nhiễm chủ yếu là khí thải động cơ đốt trong - động cơ cung cấp tới 80% tổng số năng lượng tiêu thụ trên thế giới. Động cơ đốt trong là một loại động cơ nhiệt, vì quá trình đốt cháy nhiên liệu, quá trình chuyển từ nhiệt năng của khí sang cơ năng đều được tiến hành ngay trong bản than động cơ. Động cơ đốt trong kiểu pittông có hiệu suất nhiệt cao vì nhiệt độ cực đại trong quá trình cháy có thể đến 1800K- 2800K, còn nhiệt độ khí xả thải ra môi trường chỉ khoảng vào 900 - 1500K. Đặc biệt động cơ tăng áp tua bin có hiệu suất cao nhất trong tất cả các loaị động cơ nhiệt hiện nay. Việc xem xét chi tiết tác động tiêu cực của động cơ đốt trong là hêt sức quan trong và các khía cạnh sẽ được xem xét đó là : Ô nhiễm do bay hơi của nhiên liệu. Ô nhiễm do khí cac te. Ô nhiễm do khí xả, ô nhiễm do tạp chat và các chất phụ gia trong nhiên liệu, sự giảm tầm nhìn do khói và mùi khó chịu của khí thải diesel. Như chúng ta đã biết thì trên thế giới hiện nay có khoảng xấp xỉ 1 tỷ ôtô, hàng năm thải ra môi trường hàng triệu tấn độc hại.Riêng ở Việt Nam, cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội, tốc độ tăng hang năm của các phương tiện nêu trên khá cao. Chẳng hạn , tốc độ tăng bình quân xe máy của những năm 2005 là 11,94%. Tại thời điểm 31.12.1999 cả nước có 460.000 ôtô, 5.585.000 xe máy. Đến cuối năm 2003 đã có 500.000 ôtô, khoảng 11triệu xe máy, cuối năm 2004 thì các con số tương ứng là 523.509 và 13triệu theo số liệu của Đăng Kiểm Việt Nam.Hiện tại, phần lớn ôtô xe máy tập trung ở các khu vực đô thị lớn như Hà Nội , thành phố HCM gây ô nhiễm môi trường hết sức nặng nề. Tại đây, vào giờ cao điểm đã đạt tới giới hạn cho phép [2].Vì vậy, việc nghiên cứu để hạn chế ô nhiễm do khí thải của động cơ là 1 yêu cầu cấp bách của không cứ một quốc gia nào. Để kiểm soát khí thải cần phải : - Kiểm soát khí thải từ nguồn cung cấp . - Xử lý khí xả Kiểm soát khí thải đối với động cơ đang lưu hành gọi là kiểm định khí thải được thực hiện bởi cơ quan đăng kiểm. Như vậy , có thể thấy rằng , để có thể giảm ô nhiễm do khí thải một cách toàn diện và hiệu quả phải tiến hành đồng bộ hang loạt những công việc phức tạo từ khâu nghiên cứu, thiết kế, chế tạo đến vận hành phương tiện và nghiên cứu, xây dựng và thực hiện những tiêu chuẩn cho từng đối tượng cụ thể. 1.2. Động cơ diesel và tiêu chuẩn khí thải châu Âu: 1.2.1. Động cơ diesel tăng áp:           Động cơ diesel được dùng phổ biến trên các phương tiện vận tải cả đường bộ và thuỷ, chúng có vai trò rất quan trọng nền kinh tế quốc dân. Do đó, nghiên cứu phát triển động cơ diesel là một trong những chiến lược phát triển kinh tế. Trên quan điểm năng lượng động cơ diesel có hiệu suất nhiệt động cao hơn trong hầu hết các điều kiện vận hành, ở chế độ tải thấp nó không bị bất lợi bởi tổn thất bơm (do không có bướm ga nên không tạo ra cản khí động trên đường nạp) vì vậy hiệu suất chỉ thị của chúng khá cao. Tuy nhiên, hiệu suất của động cơ diesel giảm khá nhanh ở tốc độ cao (khoảng 4000 vòng / phút) do tổn thất do ma sát cao hơn và khó đảm bảo cháy hoàn toàn trong thời gian ngắn. Bên cạnh đó, nhiên liệu diesel có ưu điểm nội tại về tiêu thụ nhiên liệu so với xăng và có giá trị nhiệt dung riêng (kJ/dm3) lớn hơn xăng 10% do vậy tiêu thụ nhiên liệu tính theo l/100km sẽ thấp hơn 10% với cùng mức hiệu suất động cơ. 1.2.2. Tiêu chuẩn khí thải Châu Âu (EURO): Theo quyết định số 249/2005/QĐTTg ngày 10/10/2005 của thủ tướng chính phủ, ngày 1/7/2007 Việt Nam sẽ chính thức áp dụng tiêu chuẩn khí thải EURO 2. Đồng thời một lộ trình áp dụng các tiêu chuẩn EURO cao hơn nữa cũng được thảo luận và sẽ được áp dụng trong một tương lai không xa. Với những tiểu chuẩn EURO cao hơn như EURO 3 và đặc biệt là EURO 4, EURO 5 thì những thành phần độc hại như HC, CO, PM, NOx… ngày càng được thắt chặt. Điều đó đòi hỏi cần có những biện pháp xử lý trong động cơ như luân hồi khí thải hay dùng bộ xúc tác DeNOx để giảm phác thải NOx, trang bị cho động cơ bộ lọc khí thải hay các biện pháp khác để giảm lượng bồ hóng (PM)           Năm 1987, tại Châu Âu, một dự luật hoàn chỉnh quy định giá trị nồng độ giới hạn của các loại khí thải mới được thông qua và người ta vẫn thường gọi đó là EURO 0. Trải qua 18 năm, thêm 5 tiêu chuẩn nữa được ban hành bao gồm: Euro 1 năm 1992, EURO 2 năm 1996, Euro 3 năm 2000 và EURO 4 năm 2005, EURO 5 năm 2008. Với mỗi tiêu chuẩn mới ra đời, nồng độ giới hạn của khí thải lại thấp hơn tiêu chuẩn trước. Tiêu chuẩn EURO áp dụng cho tất cả các loại xe máy, xe 3 bánh, 4 bánh và trên 4 bánh lắp động cơ đốt trong chạy bằng nhiên liệu xăng, dầu, LPG (Liquefied Petroleum Gas) và chia theo tính năng như: xe du lịch, xe công suất nhỏ, xe công suất lớn và xe bus.           Tiêu chuẩn khí thải Châu Âu rất chú ý giới hạn lượng phát thải của động cơ diesel xe tải nặng đặc biệt là EURO III, EURO IV. Các tiêu chuẩn này còn đòi hỏi những biện pháp tự chuẩn đoán ngay trên xe (OBD – Onboard Diagnostic), khi xe tải có lỗi dẫn đến tăng lượng phát thải của động cơ, hệ thống phải cảnh báo cho lái xe biết. Bảng 1.1 dưới đây thể hiện cụ thể lượng phát thải với các thành phần độc hại khác nhau đối với xe tải nặng sử dụng động cơ diesel. Tất cả các phép đo đều được tiến hành theo các qui trình thử tiêu chuẩn. Bảng 1.1. Các tiêu chuẩn EURO giới hạn lượng phát thải cho xe tải nặng sử dụng động cơ diesel, g/kWh ( với khói là g/kWm-1 )      Ngày có có hiệu lực  Chu trình thử  CO  HC  NOx  PM  Khói   EURO I  1992, <85kW  ECE R49  4.5  1.1  8.0  0.612       1992, >85kW   4.5  1.1  8.0  0.36      EURO II  10/1996   4.0  1.1  7.0  0.25       10/1998   4.0  1.1  7.0  0.25      EURO III  10/1999  ESC&ELR  1.5  0.25  2.0  0.02  0.15    10/2000  ESC,ETC &ELR    2.1  0.66  5.0  0.10  0.8   EURO IV  10/2005   1.5  0.46  3.5  0.02  0.5   EURO V  10/2008   1.5  0.46  2.0  0.02  0.5             Tiêu chuẩn Euro 2 sử dụng chu trình thử tĩnh ECE R49, từ tiêu chuẩn Euro 3 trở đi chu trình thử gồm chu trình thử tĩnh ESC/ELR và chu trình thử động ETC. Độ mờ của khói được đo trên chu trình thử ELR. 1.3. Mục đích, nội dung, ý nghĩa của đề tài: 1.3.1. Mục đích: - Tìm hiểu tác hại của khí thải động cơ diesel tăng áp đối với con người và môi trường. - Các giải pháp khắc phục tác hại của khí thải động cơ diesel tăng áp. 1.3.2. Nội dung: - Cơ chế hình thành khí thải động cơ diesel. - Các thành phần độc hại trong khí thải động cơ diesel. - Các tác hại của khí thải động cơ diesel. - Nghiên cứu các biện pháp giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực của khí xả. 1.3.3. Ý nghĩa: Chương 2. CƠ CHẾ HÌNH THÀNH KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ DIESEL VÀ TÁC HẠI. 2.1. Cơ chế hình thành khí thải của động cơ diesel: 2.1.1. Một số vấn đề liên quan đến quá trình cháy. 2.1.1.1. Quá trình cháy nhiên liệu: Cháy là quá trình phản ứng hoá học , trong đó các chất phản ứng nhanh với O2 để sản sinh nhiệt và ánh sang . Đây là các phản ứng dây chuyền toả tròn tự do, trong đó xảy ra quá trình ô xy hoá cácbon (để tạo ra ôxit của nó ) và quá trình ô xy hoá hydro ( để tạo thành nước ).Phản ứng cháy là hoàn toàn nếu giả thiết rằng phản ứng giữa C và H2 ( trong nhiên liệu ) với ôxy (trong không khí) tạo thành CO2 và H2O. - Quá trình cháy C thành CO2: C + O2 CO2  (2.1)     (2.2)   - Quá trình cháy hoàn toàn C thành CO: Khi C cháy trong điều kiện thiếu O2:   (2.3)     (2.4)   - Quá trình cháy CO thành CO2: 2CO + O2 2 CO2  (2.5)     (2.6)   - Đốt cháy H2 thành H2O: Khi đốt cháy H2 trong điều kiện đủ O2: 2H2 + O2  2H2O  (2.7)     (2.8)   - Đốt cháy S thành SO2: Khi S đốt cháy trong điều kiện đủ O2:   (2.9)     (2.10)   - Đốt cháy N thành NO2: Khi N2 bị đốt cháy trong điều kiện đủ O2:   (2.11)     (2.12)   2.1.1.2. Lượng không khí lý thuyết để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu: Việc đốt cháy nhiên liệu có thể tóm tắt bằng các phương trình sau:   (2.13)     (2.14)     (2.15)   Như vậy: - Lượng O2 yêu cầu để đốt cháy hết C kg cacbon là  - Lượng O2 yêu cầu để đốt cháy hết H kg hydro là  - Lượng O2 yêu cầu để đốt cháy hết S kg lưu huỳnh là  Cho nên tổng lượng O2 yêu cầu là:  Nếu nhiên liệu đã chứa O kg oxi thì lượng oxi lý thuyết cần để đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu () sẽ là: Occ = -O  (2.16)   Không khí chứa 23% khối lượng là O2 còn khoảng 77% khối lượng là N2. Do đó lượng không khí lý thuyết cần để đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu, có thể biểu diễn dưới dạng () như sau: -O)  (2.17)   2.1.1.3. Tỷ số Stoichiometry, tỷ số tương đương, hệ số dư lượng không khí: Trong quá trình làm việc của động cơ, thường không đảm bảo được tỷ số  chính xác theo lý thuyết . Người ta thường sử dụng các đại lượng này để biểu thị hỗn hợp công tác là giàu hhay nghèo (thiếu hoặc thừa không khí so với tính toán lý thuyết). - Tỷ số Stoichiometry: Cấu trúc hoá học của nhiên liệu không tác động trực tiếp đến quá trình cháy.Tuy nhiên tổng lượng C ,H ,O trong nhiên liệu là những thông số tác động mạnh đến quá trình cháy.Do đó khi phân tích định lượng nhiên liệu thường được biểu diễn tổng quát bằng công thức (CHyOz)x ( chỉ số x liên quan đến khối lượng phân tử trung bình và không tác động đến tỷ số ) . Quá trình cháy của nhiên liệu có thể mô tả ngắn gọn bằng phương trình sau:   (2.18)   Stoichiometry là sự phối hợp của không khí và nhiên liệu để có thể đạt được quá trình cháy hoàn toàn theo phương trình trên. Tỷ số Stoichiometry được tính như sau:  Trong đó: :Khối lượng không khí mc:Khối lượng nhiên liệu Độ lớn của r nằm trong khoảng 13-15 (với các hydrocacbon nói chung) và từ 14-14,5 đối với nhiên liệu lỏng thông thường ( xăng, dâù diesel). Giá trị r tăng theo tỉ số  trong nhiên liệu, nó thay đổi từ 11,49 (với C) đến 34,46 (với H thuần khiết). Tỷ số tương đương: Điều kiện cháy trong động cơ thông thường không đúng với điều kiện Stoichiometry và đặc trưng là thừa hoặc là thiếu nhiên liệu so với không khí. Tại một số quốc gia người ta thường dung tỷ số tương đương () để biểu diễn tỷ lệ các nguyên tố liên quan trong phản ứng cháy, nó được định nghĩa theo công thức:  Trong đó: mce,mae: Tương ứng là khối lượng của nhiên liệu và không khí. Do đó  có thể biểu diễn theo tỷ số Stoichiometry bằng công thức:  Tỷ số tương đương được dùng để biểu diễn lượng chất quý trong phản ứng (nhiên liệu) và hỗn hợp được nhắc đến là giàu hay nghèo (phụ thuộc vào lượng nhiên liệu có mặt tương ứng với điều kiện Stoichiometry). Nhìn chung, động cơ diesel vận hành với hỗn hợp nghèo và tỷ số tương đương ít ảnh hưởng đến hoạt động của chúng.Vận hành với hỗn hợp nghèo  có ưu điểm với chế độ tiết kiệm nhiên liệu. Hệ số dư lượng không khí: Tại một số quốc gia (Nga, Đức, Việt Nam) thành phần hỗn hợp cháy được biễu diễn bằn hệ số dư lượng không khí (). Hệ số dư lượng không khí là tỉ số giữa lượng không khí thực tế (nạp vào buồng cháy động cơ) và lượng không khí cần thiết lý thuyết để đốt cháy hoàn toàn một đơn vị nhiên liệu. Hệ số dư lượng không khí có thể nhỏ hơn, bằng hoặc lớn hơn 1. Nó là thông số dánh giá chất lượng tạo hỗn hợp, đánh giá chế độ làm việc là kinh tế hay không kinh tế. Khi biểu diễn theo tỉ số tương đương ta có:  Nếu  ta có hỗn hợp đậm. Nếu  ta có hỗn hợp đậm. Giá trị của  với động cơ diesel nằm trong phạm vi sau: Đông cơ diesel tốc độ thấp:  Đông cơ diesel tốc độ trung bình:  Động cơ diesel cao tốc:  2.1.1.4. Sản phẩm cháy: Về mặt lý thuyết sản phẩm của quá trình cháy hoàn toàn là CO2 và H2O. Đối với quá trình cháy không hoàn toàn,sản phẩm cháy bao gồm: Hydrocacbon chưa cháy CnHm: Paraffins,Olefins, Aromatic hydrocacbons Hydrocacbon cháy dở: CnHm.CHO-Andehyt, CnHm.CO-Xeton, CnHm.COOH-cacboxylic, CO Sản phẩm của quá trình cracking nhiệt và các chất dẫn xuất: C2H2, C2H4, C (soot), hydrocacbon đa vòng… Ngoài ra, quá trình cháy còn sản sinh các sản phẩm phụ và chất oxy hoá: Sản phẩm phụ: Đây là các sản phẩm từ N trong không khí (NO,NO2); từ phụ gia nhiên liệu (oxit chì, halogen chì); từ tạp chất trong nhiên liệu (oxit lưu huỳnh) Các chất oxi hoá (oxidants): Các chất oxy hoá được tạo thành khi khí xả thải ra môi trường có ánh sáng mặt trời; peroxyt hữu cơ (organic peroxides); ozon; peroxy-acetyl-nitrates…  Hình 2.1.Tỷ lệ các thành phần khí thải trong động cơ diesel. Từ những năm 1970, các điều luật liên quan đến khí xả động cơ thường đề cập đến CO, HC, NOx va PM. Các chất này thường được gọi là chất ô nhiễm thong thường. Từ những năm 1990, để hiểu biết sâu hơn về hiện tượng và nguyên nhân ô nhiễm, các nhà chuyên môn quan tâm rât nhiều đến các hợp chất đặc biệt có trong khí xả (Benzene, formaldehyde, PAHs,…) và chúng thường được gọi là các chất ô nhiễm đặc trưng. Đây là những chất có ảnh hưởng xấu tới sức khỏe và môi trường sống của con người. Cơ chế hình thành CO : CO là một loại khí không màu, không mùi, không vị.Trong phản ứng dây chuyền khi hỗn hợp bị đốt cháy, CO chỉ là một sản phẩm trung gian của quá trình ô-xy hóa nhiên liệu hydro cacbon để tạo thành sản phẩm cuối cùng CO2. RH R  RO2  RCO  CO  (2.19)   Trong đó: R là gốc hydrocacbua. CO tạo ra sẽ bị ôxy hóa với tốc độ chậm tạo thành CO2 theo phương trình: CO + OH CO2 + H  (2.20)   Yếu tố chính gây ra việc phát sinh CO là độ đậm đặc của hỗn hợp nhiên liệu và không khí . Thông thường, người ta tính toán nồng độ gần đúng của CO chứa trong khí thải theo phản ứng : CO + H2O CO2 +H2  (2.21)   Theo nguyên lý , sự phát thải CO có thể bằng không khí cháy với hỗn hợp nghèo nhiên liệu. Tuy nhiên, điều này khó đạt được trong thực tế do các nguyên nhân sau : Tỷ số  không đồng nhất trong xylanh và sự ô xy hóa một phần HC trong hệ thống xả. Bảng 2.1.Tác động của một số thành phần nhiên liệu đến mức CO trong khí xả( ứng với Ф = 1,1 ) Kiểu hydrocacbon  Hàm lượng cacbon (%)  Hàm lượng CO trong khí xả (% thể tích)   Methane  75  2.2   LPG (nhiên liệu hóa lỏng)  83.0  2.7   Isooctan  84.2  2.8   Benzene  92.3  3.5   Toluene  91.3  3.3   Mức CO trong khí xả cũng phụ thuộc vào hàm lượng cácbon của nhiên liệu như bảng số liệu 2.1. Trong thực tế ,nhìn chung thì động cơ diesel thải Co ít hơn so với động cơ xăng.Trong quá trình hoạt động ,các xe tải hạng nhẹ lắp động cơ diesel thải CO ở mức khoảng 2g/dặm, trong khi các xe con lắp động cơ xăng thải ra khoảng 90g/dặm.Từ đó ta thấy rằng nhiên liệu diesel có được ưu điểm so với động cơ xăng ở việc thải ra ít CO. Đối với động cơ diesel , do luôn làm việc với hỗn hợp nghèo ở tất cả các chế độ. Do vậy, không xuất hiện vấn đề tăng lượng thải CO khi khởi động nguội. Đối với các phương tiện có hàm lượng CO cao hơn định mức cho phép thì cần có thêm thiết bị phụ để xử lý. 2.1.3. Cơ chế hình thành NOx:           Việc tìm hiểu cơ chế hình thành NOx trong động cơ dieselvà kiểm soát thành phần khí thải này gặp nhiều khó khăn do quá trình cháy của động cơ diesel xảy ra nhanh và hỗn hợp cháy là không đồng nhất. NO, NO2 là hai thành phần chính của NOx. Trong đó,NO là khí không mùi không màu trong khi NO2 có màu nâu đỏ và mùi gắt. Cả hai loại khí đều rất độc nhưng NO2 độc gấp 5 lần so với NO, phần lớn NO2 hình thành từ việc oxi hoá NO.             NO được hình thành trong quá trình cháy rớt trong xi lanh tại vùng nhiệt độ cao, cơ chế hình thành NO được chấp nhận rộng rãi là cơ chế được đưa ra bởi Zendovich. Thành phần chính để hình thành NO là khí N2 trong không khí nạp vào động cơ. Phản ứng dây chuyền oxi hoá khí nitơ được tạo bởi các nguyên tử oxi, được hình thành từ việc tách ra khỏi phân tử O2 tại nhiệt độ cao trong quá trình cháy. Phản ứng chủ đạo để hình thành NO từ phân tử N2 là: O2 ( 2O  (2.22)   N2 + O →NO + N  (2.23)   N + O2 → NO +O  (2.24)   N + OH →NO + H  (2.25)    Các phương trình cân bằng hoá học này chỉ ra rằng khí cháy tại nhiệt độ cháy bình thường thì tỷ lệ NO2/NO là rất nhỏ. Trong khi đó các thí nghiệm trên động cơ xăng hay diesel chỉ ra rằng NO2 có thể chiếm từ 10% đến 30% trong thành phần NOx. Điều đó được giải thích là do NO được hình thành trong vùng ngọn lửa có thể nhanh chóng trở thành NO2 qua phản ứng:  NO + HO2 → NO2 + OH  (2.26)   Tiếp đó NO2 lại phản ứng và trở thành NO qua phản ứng:     NO2 + O → NO + O2  (2.27)   Nếu không sự hình thành NO2 trong vùng ngọn lửa nóng sẽ bị dập tắt khi tiếp xúc với vùng lạnh. Do đó tỷ lệ NO2/NO sẽ cao nhất tại chế độ tải cao của động cơ diesel, khi mà những vùng lạnh có thể dập tắt sự hình thành trở lại NO. Nồng độ cục bộ của những nguyên tử oxy phụ thuộc vào nồng độ phân tử oxi cũng như nhiệt độ cục bộ. Sự hình thành NOx tồn tại chủ yếu ở nhiệt độ trên 2000 oK. Do đó bất kỳ kỹ thuật nào có thể khống chế được nhiệt độ tức thời trong buồng cháy dưới 2000 oK thì có thể giảm được sự hình thành NOx. NOx hình thành từ phản ứng oxi hóa nitơ trong điều kiện nhiệt độ cao của quá trình cháy. Thành phần NOx phụ thuộc rất nhiều vào hệ số dư lượng không khí ( (tức nồng độ oxi của hỗn hợp) và nhiệt độ của quá trình cháy. Nồng độ NOx đạt giá trị cực đại tại ( = 1.05 (1.1 [18]. Tại đây, nhiệt độ của quá trình cháy đủ lớn để ô xi và nitơ phân hủy thành nguyên tử có tính năng hoạt hóa cao, và tại đây nồng độ ôxi đủ lớn đảm bảo đủ ô xi cho phản ứng, do đó NOx đạt cực đại. Do đặc điểm của động cơ diesel là hình thành hỗn hợp bên trong nên hệ số dư lượng không khí ( nằm trong một giới hạn rất rộng, cụ thể là 1.2 đến 10 tương ứng từ toàn tải đến không tải. Ở động cơ diesel, khi ( tăng, nhiệt độ cháy giảm nên thành phần NOx giảm. So với động cơ xăng thì động cơ diesel có thành phần NOx thấp hơn. Tuy nhiên, thành phần NO2 trong NOx lại cao hơn, chiếm trong khi tỷ lệ này ở động cơ xăng là .  Phương pháp hình thành hỗn hợp có ảnh hưởng lớn đến sự hình thành NOx. Đối với buồng cháy ngăn cách, quá trình cháy diễn ra ở buồng cháy phụ (hạn chế không khí), rất thiếu oxi nên mặc dù nhiệt độ lớn nhưng NOx vẫn nhỏ. Khi cháy ở buồng cháy chính, mặc dù ( rất lớn, oxi nhiều nhưng nhiệt độ quá trình cháy không lớn nên NOx cũng nhỏ. Tổng hợp lại, NOx của động cơ có buồng cháy ngăn cách chỉ bằng khoảng một nửa so với động cơ có buồng cháy thống nhất. Tuy vậy, động cơ sử dụng buồng cháy ngăn cách có tính kinh tế không cao do có suất tiêu hao nhiên liệu lớn nên ngày nay không được sử dụng nhiều. 2.1.4. Cơ chế hình thành bồ hóng:    Khái niệm được nhiều người biết đến về bồ hóng đó là: Bồ hóng được cấu thành từ các phân tử hydrocacbon thơm nhiều nhân (PAH). Các phân tử bồ hóng ban đầu lớn dần lên theo hai cách sau: - Thứ nhất, đường kính của bồ hóng tăng lên là nhờ chúng bám, dính vào nhau làm cho kích thước bề mặt lớn bằng phân tử C2H2. - Thứ hai, phản ứng cộng hyđro được diễn ra liên tục và kết quả cuối cùng được đặc trưng bởi số phân tử C lớn tạo thành chuỗi hạt có kích thước lớn hơn theo cách thứ nhất nhiều. Các phân tử này có đường kính từ 10 - 1000 nm, thường là 100 nm, khối lượng trung bình của bồ hóng là 2000kg/m3.  Bồ hóng có thuộc tính xốp nên các phần tử bồ hóng được đặc trưng bởi tỷ lệ khối lượng chia cho diện tích bề mặt, vì vậy chúng rất dễ dính và cô đọng trong phản ứng cộng hyđrô, thậm chí ngay cả sau khi rời động cơ chúng vẫn có tính chất như vậy. Bồ hóng là chất ô nhiễm đặc biệt quan trọng với động cơ diesel. Quá trình cháy khuếch tán của động cơ diesel rất thuận lợi cho việc hình thành bồ hóng. Sự hình thành bồ hóng trong ngọn lửa khuếch tán phụ thuộc khá mạnh vào tính chất nhiên liệu. Nhiên liệu có thành phần C lớn thì nồng đọ bồ hóng càng cao. Yếu tố quyết định hàm lượng bồ hóng là nồng đọ nhiên liệu và nồng độ oxy. Hỗn hợp không đồng nhất giàu nhiên liệu thì hàm lượng bồ hóng rất lớn và ngược lại. Nồng độ oxy chủ yếu ảnh hưởng đến tốc độ oxy hoá bồ hóng sau khi chúng được hình thành. Lượng bồ hóng thoát ra khỏi động cơ là kết quả cân bằng giữa quá trình tạo bồ hóng và quá trinh oxy hoá bồ hóng. Bồ hóng được đăc trưng bởi: Nồng độ thể tích F(m3/m3), mật độ hạt N(hạt/m3) và đường kính trung bình của hạt d(m).  Hình 2.2.Quá trình hình thành bồ hóng.  Hình 2.3 : Giới hạn cho phép về thải hạt rắn đối với động cơ nhẹ theo tiêu chuẩn của châu Âu đo theo chu trình ECE 15 + EUDC 2.1.5. Cơ chế hình thành khí các-te:

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • docNghiên cứu ảnh hưởng của khí thải động cơ diesel tăng áp đến môi trường sống.doc