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

Mục lục 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 l (tức nồng độ oxi của hỗn hợp) và nhiệt độ của quá trình cháy. Nồng độ NOx đạt giá trị cực đại tại l = 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 l 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 l 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 l 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: Piston và xéc măng được thiết kế nhằm bao kín thể tích công tác của động cơ. Tuy nhiên, trong thực tế luôn có một bộ phận khí nén và khí cháy lọt qua xéc măng khí,xéc măng dầu vào trong các-te. Các loại khí này có thể là: hỗn hợp nhiên liệu-không khí chưa cháy,các sản phẩm cháy (hoặc là cháy dở), CO2, CO, hơi nước. Trong quá trình động cơ hoạt động, lọt khí xảy ra ở khe hở miệng xéc măng, khe hở xéc măng với rãnh, khe hở lưng xéc măng với mặt gương xylanh. Lượng khí lọt tăng theo tốc độ động cơ, đặc biệt khi xéc măng với thành xilanh bị mòn nhiều. Hiện tượng lọt khí có thể trở lên nghiêm trọng ở một vận tốc giới hạn nào đó của động cơ, khi sự rung xuất hiện do quán tính trực tiếp của xéc măng lệch pha với chuyển động của pittông. Hiện tượng này có thể hạn chế bằng cách giảm trọng lượng của mỗi xéc măng và tăng áp suất hướng kính của mặt lưng xéc măng với mặt gương xilanh. Hiện tượng lọt khí sẽ làm tăng hàm lượng hơi nhiên liệu trong hộp truc khuỷu và có thể la nguyên nhân gây nổ trong các-te. Mặt khác, hỗn hợp không khí nhiên liệu, các sản phẩm cháy sẽ ngưng tụ lại và làm hư hỏng dầu bôi trơn sẽ tạo ra cặn dầu làm giảm tính nhờn và khả năng chống oxi hoá, dẫn đến các ổ đỡ bị mài mòn với tốc độ cao hơn nhiều. Do không thể loại trừ hoàn toàn hiện tượng lọt khí, người ta tạo ra 1 dòng đối lưu nhằm mang các loại khí không mong muốn ra khỏi các-te. Mục đích này đạt được bằng cách tạo ra sự giảm áp cục bộ để hút khí các-te ra khỏi hộp trục khuỷu. Có 2 phương pháp hay dùng : Thông gió các-te kiểu hở Thông gió các-te kiểu kín (Nhờ độ chân không trên đường ống nạp) 2.1.6. Cơ chế hình thành các chất ô nhiễm đăc trưng: 2.1.6.1. Các vấn đề chung: Với một số các điều luật chống ô nhiễm ở Mỹ , việc phân tích chi tiết sự phát thải hydrocacbon(HC) dựa trên các tiêu chí sau: - Mêtan và có thể là êtan : có thể loại được bởi tính chất không độc của chúng.vì vậy nó có thể được bỏ qua trong nhóm HC.Khi đó trong nhóm HC này bao gồm toàn bộ nhóm sản phẩm hưu cơ như rượu cồn ,ete , aldehit . xeton ,… - Các loại hydrocacbon còn lại khác : benzene, một số loại aldehit - Các chất gây ung thư (carcinogenic) và gây đột biến gen (mutagenic): Chất đột biến gen là một chất hay một tác nhân gây ra sự thay đôi có tính di truyền trong các tế bào và cơ thể. Chất gây ung thư là chất gây ra những quá trình phát triển không bình thường trong các tế bào hay các mô của động vật đa bào , dẫn đến căn bệnh ung thư. 2.1.6.2. Cơ chế hình thành aldehit: Trong số phẩm khác nhau của sản phẩm ôxy hóa có thể đi kèm với HC trong khí xả động cơ , aldehit chiếm tỷ lệ nhiều nhấtvaf chắc chắn là độc hại nhất. Aldehit được tạo tạo thành từ quá trình ôxy hóa chậm theo các bước: RCH3 + O2 RCH2 + HO2 (2.28) RCH2 + O R-CHO-H + OH (2.29) RCH3 + OH RCH2 + H2O (2.30) Tổng lượng Aldehit phát thải từ các động cơ thường không vượt quá vài mg/km,trong tổng lượng phát thải HC thay đổi từ 0,1 đến 1 g/km. Động cơ điesel thải nhiều aldehit hơn so với động cơ xăng. 2.1.6.3. Cơ chế hình thành nhóm chất thải độc: Liên bang Mỹ đã quyết định từ năm 1992 trở đi dùng thuật ngữ chất thải độc dạng khí để chỉ 5 chất ô nhiễm đặc trưng dưới đây : Benzen Buta-1,3-dien Formandehyt Acetaldehyt PAH Trong các thành phần khí thải vừa nêu trên thì butadiene-1,3 có thể là chất nguy hiểm nhất đối với sức khỏe con người. 2.1.7. Cơ chế hình thành SOx: Tất cả lương S chứa trong nhiên liệu diesel sau khi cháy đều chuyển thành SO2. Sau đó chuyển thành SO3 và cuối cùng thành H2SO4 (khi qua các bộ xúc tác kiểu oxy hoặc sau một thời gian trong khí quyển). S + O2 → SO2 (2.31) SO2 + OH· → HOSO2. (2.32) HOSO2· + O2 → HO2· + SO3 (2.33) SO3(k) + H2O(l) → H2SO4(l) (2.34) Nhiên liệu diesel thường chứa một lượng S nhất định (phụ thuộc vào hàm lượng S trong dầu thô gốc và phương pháp tinh luyện tiếp theo). Tỉ lệ S trong nhiên liệu diesel nhẹ có thể khá thấp và thường nhỏ hơn 0,5%, trong khi các loại nhiên liệu nặng hơn hàm lượng S có thể vượt quá 1%. Tuỳ thuộc vào chất lượng nhiên liệu và tình trạng không khí xung quanh của khu vực, động cơ diesel có thể là nguồn đóng góp cục bộ quan trọng vào nồng độ của oxit lưu huỳnh và axit sunfuric trong không khí xung quanh các trục đường giao thông. 2.2. Ảnh hưởng của khí thải động cơ diesel đối với con người và môi trường: 2.2.1. Ảnh hưởng của CO: Hình 2.4. Dự báo tổng lượng thải CO từ hoạt động giao thông của Hà Nội năm 2020 Ảnh hưởng đến con người: - CO gây ra cảm giác chuếnh choáng , nó có tác động rất đáng sợ đối với sức khỏe con người , đặc biệt với những người nhạy cảm như bệnh nhân tim , phụ nữ có thai , bệnh hen suyễn. Hít thở không khí có hàm lượng CO ( theo thể tích ) 0.3% có thể dẫn đến tử vong trong vòng 30 phút - CO ngăn cản sự dịch chuyển hồng cầu trong máu làm cho các bộ phận của cơ thể có thể bị thiếu ô xy.Nạn nhân có thể bị tử vong khi 70% số hồng cầu bị khống chế. - Ở nồng độ thấp hơn , CO cũng có thê gây nguy hiểm lâu dài cho con người. Khi 20% hồng cầu bị khống chế , nạn nhân bị nhức đâu , chóng mặt , buồn nôn và khi tỷ lệ tăng lên bộ não của con người bắt đầu bị ảnh hưởng mạnh. Ngoài các hiện tượng trên ,CO còn có thể gây ra các bênh về tim mạch và thần kinh. 2.2.2. Ảnh hưởng của NOx: - Ảnh hưởng của NOx đến sức khỏe con người: Bình quân con người cần 12m không khí sạch để thực hiện việc chuyển hóa và cung cấp ô xy cho cơ thể. Trong họ NOx thì NO2 là độc hại nhất. Tuy nhiên, ở một điều kiện hộp lý thì NO cũng có thể chuyển thành NO2 do vậy cần phải kiểm soát chặt chẽ đối với NO. NO2 là chất khó hòa tan nên nó có thể đi theo đường hô hấp đi sâu vào phổi gây viêm phổi và làm hủy hoại tế bào của phế nang. Khi vào được phổi ,80% lượng NO2 bị giữ lại. Bệnh nhân bị mất ngủ , ho ,khó thở.Ngoài ra NO2 còn có thể gây tổn thương cho mắt và dạ dày. [ NOx ] = 0,005mg/lit ( không khí) Nếu nồng độ NO2 vượt quá 100ppm thì người và động vật có thể bị tử vong ngay trong vài phút tiếp xúc. - Ảnh hưởng của NOx đến môi trường sinh thái: Trước hết , sự hiện hữu của các chất gây ô nhiễm trong không khí ảnh hưởng đên quá trình cân bằng hydrocacbon tạo thành lớpkhois quang hóa , nguyên nhân tạo ra O3 ở tầng đối lưu, một trong những thành phần làm ô nhiễm môi trường.Tuy nhiên , nó là chất cần thiết ở tầng bình lưu để lọc tia cực tím ( một loại tia rất có hại cho da, có thể gây ung thư da). Trong khi đó , N2O là chất khí có thể gây hủy hoại tầng ôzôn. Mặt khác, trong môi trường NO2 còn tác dụng với H2O tạo thành axit theo phản ứng sau: NO2 +H2O HNO3 + HNO2 (2.35) 3NO2 +H2O 2HNO3 + NO (2.36) Các axit trên hòa tan trong mưa, tuyết, sương mù và nghiêm trọng hơn nồng độ HNO3 đủ lớn có thể tạo thành mưa axit làm hủy hoại thảm thực vật và ăn mòn các công trình kỹ thuật. - Ảnh hưởng của NOx đến thực vật: Khi nồng độ NOx trong không khí lớn hơn 0.5 -0.7 ppm sẽ làm giảm quá trình quang hợp ở thực vật. Với những khu vực đô thị hóa cao, khi NOx đạt khoảng 3,93 ppm thì sự quang hóa có thể giảm đi 25%. Đây là vấn đề cần phải quan tâm, do quá trình quang hợp chính là quá trình tái cung cấp ô xy cho không khí. 2.2.3. Ảnh hưởng của bồ hóng: Nhìn chung tổng lượng bồ hóng trong khí xả động cơ chỉ khoảng miligam/1 gam nhiên liệu tiêu thụ (không phụ thuộc vào điều kiện vận hành). Mặc dù khối lượng này khá nhỏ nhưng cần phải quan tâm vì các lý do sau: Sự góp phần của chúng vào tổng lượng hạt lơ lửng trong các đô thị, chúng có liên đới với các bệnh về đường hô hấp (hen xuyễn, viêm phế quản, khí thũng, viêm cơ phổi). Khả năng có thể gây bệnh ung thư và gây đột biên gen của các hợp chất hưu cơ bị hấp thụ trong bồ hóng. Thực tế đã chỉ ra rằng với tất cả các loại bụi có trong không khí, bồ hóng có kích thước hạt dễ bị giữ lại nhất, với thời gian lâu nhất trong hệ thống hô hấp. Các hạt bồ hóng có khả năng làm rối loạn hệ hô hấp và tạo điều kiện thuận lợi cho các tác động ung thư từ các chất khác.Bồ hóng còn gaay tổn thương mắt, gây dị ứng mũi… và cũng có khả năng gây ung thư da khi tiếp xúc liên tục. Một số nghiên cứu khác cho thấy các hạt bồ hóng qua đường mũi, đường miệng làm tăng khả năng tụ máu và do đó dễ gây tác động đến hoạt động của hệ tim mạch, gây tắc nghẽn động mạch… Cho đến những năm 1930, tác nhân chính gây ung thư trong bồ hóng là các hydrocacbon thơm nhiều nhân (PHA) đã được xác định. Những nghiên cứu chuyên sâu về bồ hóng chỉ thực sự phát triển từ những năm 1970 nhờ kĩ thuật quang học để khảo sát quá trình tạo thành bồ hóng trong buồng cháy. 2.2.4. Ảnh hưởng của khí các-te: Khí các-te do có chứa một lượng nhỏ nitrosamine ( một loại dầu màu vàng hình thành tự nhiên trong môi trường do phản ứng của HNO2 ngậm nước với những amin thứ sinh ) và các hợp chất thơm đa vòng nên đây là một nguồn ô nhiễm cần phải quan tâm.Các kết quả nghiên cứu cho thâý các chất này có thể gây ung thư ở người. 2.2.5. Ảnh hưởng của các chất ô nhiễm đặc trưng: Aldehit có tác dụng gây tê và có mùi gắt. Một số loại có thể gây ung thư Acrolein có đặc tính kích thích làm tấy , rát da làm cho người tiếp xúc với khí xả diesel có mui khó chịu. Đối với foocmondehit , hàm lượng cực đại cho phép là 0,6mg/m. 2.2.6. Ảnh hưởng của SOx: Oxit lưu huỳnh có tác động xấu đến sức khoẻ con người, nhất là khi có mặt các chất thải dạng hạt từ động cơ diesel trong không khí xung quanh. Cũng phải nói thêm rằng,khi sử dụng các chất xúc tác để giảm các chất ô nhiễm khác (CO va HC), dioxyt lưu huỳnh (sulphur dioxide) có xu hướng bị chuyển thành axit lưu huỳnh (sulphur acid) và đây là một chất độc hại hơn. Chương 3.CÁC GIẢI PHÁP GIẢM LƯỢNG KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ DIESEL: 3.1. Các vấn đề chung: 3.1.1. Tính kinh tế nhiên liệu và mức độ độc hại khí xả: Tính kinh tế nhiên liệu và mức độ độc hại của khí xả là hai yếu tố có lien quan chặt chẽ và không thể tách rời.Chúng ta luôn mong mýôn đạt được tính kinh tế nhiên liệu cực đại đồng thời vẫn đảm bảo mức độ độc hại cho trước của khí thải với chi phí hợp lý.Tuy nhiên , đây là những tiêu chí không thể tối ưu đồng thời . Trong thực tế phát triển động cơ đốt trong , đôi khi chúng ta phải mong muốn lĩnh vực khác. Trong thời gian gần đây , việc điêu chỉnh quá trình cháy của ĐCĐT đều nhằm mục tiêu là giảm ô nhiễm ngay tại nguồn ( trong buồng cháy) , nghĩa là trước khi ra khỏi xupap xả của động cơ. 3.1.2. Phân loại các giải pháp: Ngay từ khi vấn đề ô nhiễm môi trường do khí xả động cơ bắt đầu được quan tâm , các nhà nghiên cứu đã tập trung nghiên cứu tìm mọi biện phápđể hạn chế sự phát thải các chất độc hại của động cơ.Nhìn chung các giải pháp ô nhiễm khí xả có thể chia làm 2 nhóm chính : - Nhóm thứ nhất : Bao gồm các biện pháp liên quan đến cấu tạo động cơ , phương pháp hính thành hỗn hợp..nhằm làm giảm ô nhiễm tại gốc. - Nhóm thứ hai: Bao gồm các biện pháp xử lý khí xả , nhằm đảm bảo nồng độ các chất độc hại trong khí xả vào môi trường phải nhỏ hơn giới hạn cho phép. 3.2. Giảm ô nhiễm tại nguồn phát sinh: 3.2.1. Tối ưu hoá tốc độ phun nhiên liệu: Đối với động cơ diesel buồng cháy thống nhất , cả hai mục tiêu quan trọng ( giảm lượng chất thải độc hại và giảm tiếng ồn) có thể đạt được phần lớn nhờ việc điều chỉnh tốc độ phun nhiên liệu vào xilanh động cơ. Tốc độ phun nhiên liệu tối ưu cần phải đảm bảo đồng thơi 3 yếu tố sau: - Tối ưu hoá tốc độ giải phóng nhiệt. - Giảm chất ô nhiễm dạng khí. - Giảm lượng thải P-M.    Khi động cơ làm việc ở chế độ tải cực đại, tức là với l rất nhỏ thì lượng phát thải NOx rất cao (cả CO và PM). Trên mỗi bơm cao áp đều có cơ cấu hạn chế lượng nhiên liệu cung cấp chu trình. Để tránh động cơ làm việc tại chế độ tải cực đại thì có thể điều chỉnh cơ cấu hạn chế về phía giảm nhiên liệu, do đó có thể giảm được tỷ lệ NOx. Tuy nhiên, biện pháp này sẽ làm giảm công suất cực đại của động cơ. Sử dụng hệ thống tuần hoàn khí xả: Hình 3.1.Sơ đồ nguyên lý làm việc hệ thống luân hồi khí xả. Đối với động cơ diesel tỷ lệ tuần hoàn (%ERG) có thể cao hơn so với động cơ xăng (động cơ xăng phun trực tiếp có thể lên tới 60%, với động cơ xăng có thể lên đến 30%) Tuy nhiên, đối với động cơ diesel khi sử dụng hệ thống ERG có thể làm giảm tình kinh tế nhiên liệu , tăng lượng thải HC và PM.Hơn nữa , khi sử dụng ERG cũng có thể làm tăng mài mòn của động cơ.Ta cần phải chú ý khi sử dụng ERG là phải đảm bảo sự hoà trộn tốt giữa lượng khí xả tuần hoàn lại , lượng khí nạp mới và lượng khí sót còn lại trong xylanh.Nếu sự hoà trộn không đều sẽ tọ ra những vung quá nghèo ôxy, không thể duy trì sự cháy , khi đó sẽ dẫn đến có dư thừa một lượng HC. Đồng thơi với việc tuần hoàn khí xả , người ta còn tiến hầnh làm mát lượng khí này , nhằm mục đích giảm nhiệt độ khí nạp. Thiết bị để sử dụng ERG là khá phức tạp do độ chân không thấp để mở van tuần hoàn trên đường nạp. Vì vậy , ngoài bộ kiểm soát điện tử , van điện khí nén , van tuần hoàn hệ thống còn phải bổ sung thêm một bơm chân không để cung cấp tín hiệu chân không. Lựa chọn phương pháp tạo hỗn hợp thích hợp. Động cơ diesel có 2 phương pháp hình thành hỗn hợp : + Sử dụng buồng cháy thống nhất ( phun nhiên liệu trực tiếp ) đây là phương án được sử dụng rộng rãi do có tính kinh tế cao. + Sử dụng buồng cháy phân chia ( phun nhiên liệu gián tiếp ):do tính kinh tế kém nên hiện nay chỉ sử dụng trên các loại xe con). Tuy nhiên, nếu xét trên góc độ ô nhiễm, tuỳ theo phương pháp tạo hỗn hợp mà mức ồn cũng như hàm lượng các chất ô nhiễm trong khí xả sẽ có sự khác biệt đáng kể. Trong buồng cháy phân chia, do cường độ xoáy lốc mãnh liệt trong quá trình hình thành hỗn hợp và cháy nên nhiên liệu hoà trộn với không khí tốt hơn do đó giảm được lượng thải CO. Ngoài ra, do quá trình cháy diễn ra trong buồng cháy phụ thuộc rât thiếu ô-xy và trong buồng cháy chính với nhiệt độ không cao nên giảm đáng kể lượng thải NOx.Hơn nữa , do hỗn hợp được hoà trộn tốt và hệ số dư lượng không khí nhỏ hơn ( hỗn hợp đậm hơn) nên thành phần HC cũng thấp hơn. Tuy nhiên , trong buồng cháy phân chia , thành phần P-M cao hơn nhất là ở chế độ tải cục bộ.Do trong buồng cháy có những khu vực thiếu ô-xy trầm trọng nên phần nhiên liệu bị phân huỷ thành muội than.Trong quá trình lưu động từ buồng cháy phụ sang buồng cháy chính , dưới tác độngcủa nhiệt độ cao, P-M sẽ tiếp tục bị ô-xy hoá.Do chế độ tải cục bộ , nhiệt đô trong buồng cháy thấp hơn làm cho cường độ ô-xy hoá P-M giảm, dẫn đến lượng PM còn lại trong khí thải cao hơn rõ rệt.Mặt khác ,do tính kinh tế nhiên liệu thấp nên đôngj cơ phun gián tiếp có lượng thải CO cao hơn. Lựa chọn góc phun sớm thích hợp Ảnh hưởng của góc phun sớm trong động cơ dieseltương tự trong động cơ xăng.Việc giảm góc phun sớm nhiên liệu( tính từ góc phun sớm tối ưu)và giảm tốc độ phun nhiên liệu có thể giảm lượng phát thải NOx thông qua viêc giảm nhiệt độ cháy ( với sự chấp nhận tăng lượng tiêu thụ nhiên liệu , tăng khói thải và giăm một chút mô men xoắn động cơ). Khi nhiệt độ quá trình cháy giảm sẽ dẫn đến quá trình ô-xy hoá PM giảm nên lượng thải PM của động cơ sẽ tăng.Do vây , việc giảm góc phun sớm nhìn chung chỉ là biên pháp để giảm NOx. Phun nước vào trong xy-lanh. Mục đích của việc phun nước vào trong xy-lanh là nhằm giảm nhiệt đoỌ cực đậi của quá trình cháy . Mặc dù kết quả đạt được là khá khả quan , nhưng đây là giải pháp khá phức tạp vê công nghệ , chưa được áp dụng rộng rãi.Các vân đề đặt ra là : - Điều khiển sự làm việc đồng bộ của hai hệ thống phun (nhiên liệu, nước). - Bố trí vòi phun và vị trí phun - Thời điểm phun và lượng nước được phun vào xylanh . - Độ tơi của phần nước được phun vào xylanh. Các kết quả thực nghiệm cho thấy nhiệt độ của ngọn lửa giẳm đáng kể nhưng vẫn duy trì được nhiệt độ chỉ thị trung bình trong xylanh gần như không đổi. Điều này cho phép giảm NOx trong khi không gây tác động tiêu cực theo hiệu suất nhiệt của động cơ.Voíư động cơ diesel phun nhiên liệu gián tiếp , việc phun nước vào phần buồng cháy xoáy lốc có hiệu quả cao hơn khi phun nước vào buồng cháy chính( có thể giảm được trên 50% lượng thải NOx khi nước được phun trước nhiên liệu từ 6 - 10 góc quay trục khuỷu).Tỷ lệ tối ưu giưũa lượng nước và nhiên liệu được phun vào xylanh W/F  ~ 0.6 . Điều chỉnh lượng nhiên liệu lớn nhất cung cấp cho một chu trình. Khi động cơ siesel làm việc ở chế độ tải cực đại thi hàm lượng CO ,NOx ,PM rất cao đặc biệt là lượng thải PM . Biểu hiện rõ nét nhất là dộng cơ xả nhiều khói đen.Trên mỗi bơm cao áp đều có cơ cấu hạn chế lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình. Do vậy , có thể điều chỉnh để tránh không cho động cơ làm việc ở chế độ tải cực đại. uy nhiên , biện pháp này sẽ khiến cho động cơ không thể phát huy tối đa công suất. Giảm hệ số dư lượng không khí và giảm bớt mức độ xoáy lốc. Giảm hệ số dư lượng không khí và giảm bớt mức độ xoáy lốc của dòng khí trong lbuồng cháy có thể làm giảm nhiệt độ cực đại của quá trình cháy và dẫn đến giảm sự phát thải NOx.Tuy nhiên , vận động xoáy lốc của dòng khí nạp ở cuối quá trình nến có vai trò đặc biệt quan trọng đối với chất lượng quá trình tạo hỗn hợp và cháy của động cơ diesel hiện đại , nhất là động cơ diesel phun gián tiếp . Do vậy , một lần nữa sự giảm NOx đạt được kèm theo sự chấp nhận giảm tính kinh tế nhiên liệu , tăng lượng thải HC vì quá trình cháy kém kém hoàn thiện , mặt khác động cơ khó khởi động ở thoì tiết lạnh. Sử dụng hệ thống phun nhiên liệu diesel điều khiển điện tử. Hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử đã được sử dụng khá nhiều trên các động cơ diesel hiện đại.So với hệ thống phun nhiên liệu diếel truyền thống hệ thống phun nhiên liệu điện tử có khả năng liên kết và xử lý nhiều tín hiệu hơn để đạt được các thông số công tác tối ưu và hàm lượng các chất ô nhiễm ở mứac thấp nhẩt có thể . Đối với các động cơ diesel dung trên Phương tiện cơ giới đường bộ (PTCGĐB) , các thông số đầu vào gồm co : 1. Vị trí cơ cấu điều khiển lượng nhiên liệu cấp ( vị trí chân ga) 2. Tốc độ vòng quay 3. Nhiệt độ nước làm mát,không khí,nhiên liệu 4. Lưu lượng khí nạp 5. Thời điểm bắt đầu phun Vận tốc của xe Vị trí tay số Các thông số khác của bộ xử lý khí thải… Xử lý khí xả: Các biện pháp xử lý khí xả: - Xử lý nhiệt : đó là việc lưu giữ khí thải khá lâu ở trạng thái nhiệt độ cao để kéo dài thời gian phản ứng ô-xy hoá các thành phần CO , HC. Buồng phản ứng phải đủ lớn, được cách nhiệt tốt và phải được bố trí ngay sau xupap thải nhằm đảm bảo nhiệt độ T≥1000K cho quá trình ô-xy hoá. Ở chế độ làm việc với hệ số dư lượng không khí nhỏ, cần bổ sung thêm không khí qua một đường ống nhỏ nằm ngay sau xu-pap thải.Phương pháp này rất hiệu quả đối với động cơ làm việc với hỗn hợp giầu ( với hệ số dư lượng không khí là 0,8 – 0,9 thì có thể giảm HC từ 530 ppm xuống còn 30 ppm ; CO từ 6% xuống còn 0,2%). Tuy nhiên phương pháp này không giảm được NOx. - Hỗ trợ phản ứng trên đường thải : Thực chất của phương pháp này là cung cấp thêm ô-xy để ô-xy hoá CO, HC trong khí thải.Không khí bổ xung thường được đưa vào ngay sau xupap thải .Khí có thể đưa vào bằng 2 phương pháp : Dùng bơm cung cấp Nhờ áp suất thấp không khí sẽ được bổ sung qua van một chiều. Tuy nhiên , phương pháp này cũng không giảm được NOx. - Xử lý bằng xúc tác : Nhờ cá chất xúc tác (catalyst ) sẽ làm tăng tốc độ phản ứng ô-xy hoá ( hoặc phản ứng khử ) các thành phần độc hại trong khí xả mà không cần nhiệt độ trên 1000K .Do vậy BXLKX không cần bố trí ngay sau xupap thải. Hiện nay có 2 kiểu : BXLKX kiểu xúc tác 2 đường: Thực chất gồm 2 bộ xử lý xúc tác nối tiếp nhau.Khí thải từ động cơ sẽ đi vào bộ xử lý NOx trước.Sau đó tiếp tục đi vào bộ xử lý ô-xy hoá để giảm thành phần CO và HC. BXLKX kiểu xúc tác 3 đường : tức là xử lý đồng thời 3 chất ô nhiễm CO ,HC ,NOx. Ưu điểm của bộ xử lý này là có thể xử lý đến 90% các chất ô nhiễm nói trên. Nên hiện nay nó được sử dụng rất rộng rãi trên các phương tiện cơ giới đường bộ. Mục đích của bộ xử lý khí xả 3 đường là loại bỏ các chất ô nhiễm không mong muốn( CO ,HC ,NOx ) trong khí xả bằng cách biến đổi chúng bằng các phản ứng hoá học thành CO,HO và N. Các phản ứng chính diễn ra trong bộ xúc tác gồm : Phản ứng ô-xy hoá : CO + O CO (3.1) CH + (x + ) O xCO + HO (3.2) Phản ứng khử : NO + H N + HO (3.3) NO + CO N + CO (3.4) (2x + )NO + CH (x + )N +xCO + HO (3.5) Đối với BXLKX kiểu ô-xy hoá trên động cơ diesel. Trên thực tế , các động cơ diesel thế hệ mới đều có thể đáp ứng được các yêu cầu khá nghiêm ngặt về giới hạn CO và HC mà không cần các thiết bị xử lý. Hơn nữa ,BXLKX của diesel kiểu ô-xy hoá cũng chỉ có hiệu lực giưói hạn đối với PM còn lượng thải NOx của động cơ không thay đổi. Khí xả diesel chứa một lượng nhỏ CO ,HC ,PM và một lượng ô-xy dư ( do hệ só dư lượng không khí thường lớn hơn 1 ). Vì vậy , quá trình ô-xy hoá chỉ gapự khó khăn là môi trường phản ứng có nhiệt độ thấp. Quá trình ô-xy hoá SO2 trong nhiên liệu thành SO bắt đầu xuất hiện tại nhiẹt độ khoảng 300C. Đây là một hiện tượng rất xấu vì nó làm tăng lượng thải PM. Ngoài ra , sau khi hình thành SO dễ bị chuyển hoá thành axit HSO ( trong khí xả có nước). Một phần lượng axit này bị giữu lại trong BXLKX và sẽ làmgiảm đáng kể tuổi thọ của nó. Việc sử dụng BXLKX trên động cơ diesel với các phương tiện hạng nhẹ thì tỷ lệ giảm ô nhiễm trung bình la 40% - 50% đối với CO và HC. Đối với PM , bộ xúc tác chủ yếu chỉ tác động lên phần có thể hoà tan SÒ ( Soluble Fraction ) , với mức giảm trung bình từ 30% -35%. Bộ lọc và ôxy hoá bồ hóng: Các vấn đề chung Với động cơ diesel cháy với hỗn hợp không đồng nhất thì mức thải PM tương đối cao. Lượng bồ hóng trong khí thải khá là ít và có kích thước rất nhỏ ( 90% số hạt có kích thước trung bình khoảng 1μm) .Và thực tế đã chỉ ra với tất cả các lại bụi trong không khí, bồ hóng có kích thước hạt dễ bị giữ lại nhất và với thời gian lâu nhất trong hệ thông hô hấp. Một số phương pháp lọc bồ hóng: Kết cấu bên trong của các thiết bị này được thiết kế để thúc đẩy sự va chạm của các hạt với lõi lọc hoặc với các lỗ trên than lõi lọc. Hình 2.24. Chiều chuyển động của dòng khí thải qua lõi lọc Hình 2.25. Nguyên tắc bẫy bồ hóng Lọc va chạm: Thường dung để lọc những hạt PM có kích thước lớn lơ lửng trong dòng khí thải, chúng bị va đập và bám dính vào bề mặt của lưới thép. ` Hình 2.27 - Lõi lọc bằng sợi thép mạ crôm Lọc chặn ( dùng lõi gốm kiểu tổ ong ): thường dùng để lọc những hạt PM có kích cỡ trung bình trong khí xả.Khi đi qua bộ lọc , chúng va chạm với miệng các rãnh dẫn khí xả. Các hạt PM sẽ bị giữ trong bộ lọc cho đến khi nhiệt độ đủ cao để đốt cháy lượng PM tích luỹ này. Lọc khuếch tán( dùng lõi gốm xốp) : Thường dùng với các hạt PM có kích cỡ nhỏ, chúng đi vào bộ lọc, bị va chạm và bám vào thành xốp hoặc tiếp tục bám vào cácc hạt PM trước đó đã bám trên bề mặt lõi lọc. Hình 2.26. Lõi lọc bằng lưới sợi gốm 3.5. Xu hướng sử dụng nhiên liệu mới Trong suốt nhiều thập kỷ và trong tương lai, sự phụ thuộc của các phương tiện giao thông đường bộ vào dầu mỏ là hết sức to lớn.Trong khi đây là nguồn tài nguyên có hạn.Mặt khác, nguồn nguyên liệu này sinh ra những khi ảnh hưởng trực tiếp tới sức khoẻ con người. Xu hướng trong thời gian tới sẽ được thay thế bằng nguồn nhiên liệu sạch, ít ô nhiễm hơn ( methanol ,Ethanol, khí tự nhiên , khí propan ,hyđrô, LPG…) Với động cơ diesel, có thể sử dụng Ethanol hoặc methalnol ( dưới dạng nhũ tương) để trộn vào nhiên liệu diesel.Tuy nhiên, hỗn hợp này có độ ổn định thấp nhất là khi nhiên liệu thấp, nhất là khi nhiên liệu có nước hoặc hơi nước. Hỗn hợp pha trộn tới 30% Alcol có thể dung cho động cơ diesel.Tuy nhiên, động cơ khó khởi động. Ngoài ra Alcol có chỉ số xetan thấp nên quá trình tự bốc cháy thấp. Hiện nay người ta đã phát triển một hệ thống phun nhiên liệu kép để phun mồi một lượng nhỏ nhiên liệu diesel để lượng nhiên liệu này sẽ được đốt cháy trước. Đây có thể là một giải pháp có nhiều triển vọng. Đối với động cơ diesel dung alcol nguyên chất , người ta đẫ phát triển “động cơ diesel có trợ giúp tia lửa điện”.Những tín hiệu ban đầu cũng cho thấy đây có thê là sự phối hợp tốt nhất giữa 2 chỉ tiêu năng lượng và môi trường trong tương lai. Các loại nhiên liệu có nguồn gốc phi dần mỏ khác như : dầu dừa, dầu cọ, dầu đậu nành … có chỉ số xetan cao và có thể sử dụng khá tốt với động cơ diesel. Chương 4. KẾT LUẬN. Ngày nay ô nhiễm môi trường ngày càng trở thành một vấn đề nhức nhối với con người, trong đó một phần không nhỏ nguyên nhân có nguồn gốc từ khí thải động cơ. Động cơ Diesel được công nhận có nhiều ưu thế vượt trội nhưng vẫn tồn tại nhiều nhược điểm ở khía cạnh môi trường, đặc biệt là việc thải NOx va bồ hóng. Việc nắm rõ cấu trúc, đặc điểm, và quá trình hình thành của khí thải có vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu các giải pháp để bảo vệ môi trường. Người ta đã và đang nghiên cứu nhiều phương pháp khác nhau để giảm lương phát thải NOx,bồ hóng … Nói chung mỗi phương pháp đều có nhưng ưu và nhược điểm nhất định, trong đó phương pháp sử dụng hệ thống luân hồi khí thải và bộ lọc bụi khói đang được coi là những phương pháp tối ưu nhất.            - Luân hồi khí thải của động cơ góp phần làm giảm đáng kể lượng phát thải NOx, việc tìm tỷ lệ luân hồi tối ưu tại các chế độ tải và tốc độ khác nhau là vô cùng quan trọng. Vì với tỷ lệ luân hồi tối ưu này công suất của động cơ giảm không đáng kể, không ảnh hưởng tới tính năng vận hành của động cơ, đồng thời tiêu hao nhiên liệu lại tăng không đáng kể.            - Lọc bụi giúp ta lọc được 95% lượng bồ hóng sinh ra trong quá trình cháy của động cơ diesel. Nghiên cứu về quá trình hình thành và quá trình tái sinh bầu lọc để tìm ra phương án tối ưu nhằm giảm tới mức lớn nhất có thể lượng phác thải bồ hóng.                TÀI LIỆU THAM KHẢO  [1] PGS Võ Nghĩa, TS. Lê Anh Tuấn. Tăng Áp Động Co Đốt Trong. NXB Khoa Học Kỹ Thuật, 2004. [2] PGS. TS. Phạm Minh Tuấn. Chuyên đề khí thải động cơ và ô nhiễm môi trường. Đại Học Bách Khoa Hà Nội, 9/2003. [3] TS NGuyễn Hoàng Vũ. Ô nhiễm môi trường do động cơ đốt trong. Học viện kỹ thuật quân sự, 2004. [4]  Avinash Kumar Agrawal. Effect of EGR on the exhaust gas temperature and opacity in compression ignition engines. Department of Mechanical Engineering and Environmental Egineering and Management, Indian Intitude of Technology, paper 275-284 vol. 29, part 3, June 2004. [5]                [6]  Carl-Adam Torbjohnsson. Modelling of a Venturi in a Heavy Duty Diesel Engine. Master’s thesis reg nr: LiTH-ISY-EX-3368-2002, Vehicular system, Dept. of Electrical Engineering, Linkoping Universitet, 18th December 2002.  [7] Bùi văn Ga, Văn Thị Bông ,Phạm Xuân Mai, Trần Văn Nam, Trần Thanh Hải Tùng (1999) : Ô tô và ô nhiễm môi trường , NXB GD, Hà Nội. [8] ThS.Khương Thị Hà, Đề tài: “ Sử dụng mô hình cháy AVL-MCC trên phần mềm mô phỏng AVL Boost đánh giá khả năng giảm phát thải của động cơ diesel tăng áp sau khi được trang bị hệ thống luân hồi khí thải và lọc bụi khói.”, 2009, Hà Nội.