Tác động của khí thải động cơ diesel tới môi trường

Biến đổi khí hậu đang được coi là mối đe dọa môi trường toàn cầu do con người gây ra. Nó được coi là vấn đề nghiêm trọng thứ hai mà thế giới phải đối mặt và đã mang lại những kết quả ảnh hưởng xấu đến cuộc sống (Ủy ban Châu Âu 2011 ). Những tác động chính của những tác động này là sự nóng lên toàn cầu trung bình 0,8 °C trên mức tiền công nghiệp, 0,09 °C ấm lên và axit hóa đại dương kể từ những năm 1950, mực nước biển dâng 3,2 cm mỗi thập kỷ, một số lượng lớn các đợt nắng nóng khắc nghiệt trong thập kỷ trước, và hạn hán ảnh hưởng đến các khu vực trồng cây lương thực. Trừ khi các biện pháp giảm thiểu, các cam kết và cam kết hiện tại được thực hiện đầy đủ, các tác động tiêu cực của biến đổi khí hậu sẽ còn tiếp diễn. Dự kiến, sự ấm lên 4 °C và mực nước biển dâng 0,5–1 m có thể xảy ra sớm nhất vào những năm 2060.

Hiệu ứng nhà kính là một quá trình tự nhiên đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành khí hậu trái đất. Các hoạt động của con người, đặc biệt là đốt nhiên liệu hóa thạch, đã góp phần làm tăng hiệu ứng nhà kính tự nhiên. Hiệu ứng nhà kính tăng cường này bắt nguồn từ sự gia tăng nồng độ trong khí quyển được gọi là khí nhà kính. Khí nhà kính trong khí quyển dẫn đến biến đổi khí hậu. Các khí nhà kính chính được phát thải vào bầu khí quyển thông qua các hoạt động của con người là carbon dioxide, mêtan, nitơ oxit và khí flo (hydrofluorocarbon, perfluorocarbon và sulfur hexafluoride).

Carbon dioxide (CO2) có tỷ lệ lớn nhất trong số các khí nhà kính, và nó là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng ấm lên toàn cầu. Lượng khí thải carbon dioxide toàn cầu đã lên tới 34 tỷ tấn với mức tăng 3% trong năm 2011. Trên toàn thế giới, lượng khí thải CO 2 hiện là khoảng 35.000 triệu tấn mỗi năm. Trừ khi các chính sách cấp bách được thực hiện, lượng khí thải CO 2 sẽ được dự báo sẽ tăng lên 41.000 triệu tấn mỗi năm vào những năm 2020. Ngoài việc nóng lên trong các hệ thống khí hậu, sự gia tăng nồng độ CO 2 trong khí quyển dẫn đến hiện tượng axit hóa đại dương do kết quả của quá trình phân hủy (Viện Nghiên cứu Tác động Khí hậu và Khí hậu Potsdam 2012 ).

Ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC) đã nêu trong Báo cáo tổng hợp rằng, “ Nếu không có các chính sách khí hậu bổ sung, sự gia tăng phát thải khí nhà kính toàn cầu cơ bản từ các nguồn của con người sẽ tăng từ 25 đến 90  % từ năm 2000 đến 2030 ”(IPCC 2007 ). Trong Báo cáo đánh giá lần thứ tư, IPCC đã dự báo nhiệt độ toàn cầu tăng từ 1,1 đến 6,4 °C và mực nước biển toàn cầu tăng từ 7 đến 23 inch vào năm 2100. Theo IPCC, lượng phát thải khí nhà kính toàn cầu phải giảm xuống còn 50–85% so với mức năm 2000 vào năm 2050 để hạn chế sự nóng lên ở mức 2–2,4 ° C. Để có thể đạt được mục tiêu này, phải giảm phát thải khí nhà kính từ tất cả các lĩnh vực thông qua nỗ lực của nhiều thế hệ.

Giao thông vận tải là ngành chính gây ô nhiễm môi trường và biến đổi khí hậu. Khí thải từ phương tiện giao thông, và đặc biệt là các phương tiện cơ giới, làm tăng đáng kể mức khí nhà kính trong khí quyển (OECD 2002 ). Giao thông vận tải là lĩnh vực lớn thứ hai trong việc tạo ra lượng khí thải CO2 toàn cầu với phạm vi 22% (Cơ quan Năng lượng Quốc tế 2012). Do sự gia tăng nhanh chóng của các phương tiện cơ giới và việc sử dụng rất hạn chế các công nghệ kiểm soát khí thải, giao thông đang trở thành nguồn gây ô nhiễm không khí đô thị lớn nhất, đây là một vấn đề sức khỏe cộng đồng quan trọng ở hầu hết các thành phố của các nước đang phát triển. Ô nhiễm không khí ở các nước đang phát triển gây ra hàng chục nghìn ca tử vong và hàng tỷ đô la chi phí y tế và làm giảm năng suất mỗi năm. Tổ chức Y tế Thế giới ước tính có khoảng 2,4 triệu người chết hàng năm do ô nhiễm không khí (WHO 2007 ).

Khí thải diesel
Khí thải diesel

Trong thế giới ngày nay, bảo vệ môi trường, biến đổi khí hậu và ô nhiễm không khí đã trở thành những đối tượng được quan tâm hàng đầu. Nhiều cơ quan, tổ chức (EPA, OECD, IPCC, IEA, EEA, v.v.) trên toàn thế giới được thành lập và hoạt động nhằm ngăn chặn ô nhiễm không khí và biến đổi khí hậu do phát thải chất ô nhiễm. Trong các công trình của mình, họ đã báo cáo rằng khoảng 20–30% lượng khí thải gây ô nhiễm bắt nguồn từ giao thông vận tải và những khí thải này có tác động quan trọng đến sự nóng lên toàn cầu và biến đổi khí hậu. Để ngăn chặn tác động của các khí thải ô nhiễm này, họ đã nhấn mạnh vào các vấn đề như thực hiện một số thỏa thuận pháp lý, thúc đẩy sự phát triển công nghệ, tạo ra một số cấu trúc mô hình, phát triển hệ thống kiểm soát và tổ chức cấu trúc giao thông.

Động cơ diesel được sử dụng rộng rãi so với động cơ xăng do chi phí vận hành thấp, tiết kiệm năng lượng, độ bền cao và độ tin cậy. Chúng là nguồn năng lượng của vận tải thương mại, được sử dụng trong xe tải, xe buýt, xe lửa và tàu thủy cũng như các phương tiện công nghiệp địa hình như máy đào và thiết bị khai thác. Mặc dù chúng có nhiều ưu điểm nhưng lại có tác động không nhỏ đến vấn đề ô nhiễm môi trường trên toàn thế giới. Đặc biệt, khí thải động cơ diesel chứa lượng hạt vật chất và lượng khí thải NOx cao hơn gây ra các vấn đề nghiêm trọng về môi trường và sức khỏe (Prasad và Bella 2010). Các chuyên gia y tế đã kết luận rằng các chất ô nhiễm do động cơ diesel thải ra ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người và gây ra mưa axit, tầng ôzôn trên mặt đất, giảm tầm nhìn. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tiếp xúc với khí thải diesel gây tổn thương phổi và các vấn đề về hô hấp, và có bằng chứng cụ thể cho thấy khí thải diesel có thể gây ung thư ở người.

Bài báo này trình bày một đánh giá về lượng khí thải ô nhiễm từ các phương tiện sử dụng động cơ diesel và hệ thống điều khiển của chúng. Trong bối cảnh này, bốn phát thải chất ô nhiễm chính (CO, HC, NOx , và PM) từ động cơ diesel được giải thích riêng. Luật kiểm soát khí thải trên toàn thế giới được làm rõ và giải thích các xu hướng trong hệ thống kiểm soát khí thải, đặc biệt là đối với xe động cơ diesel hạng nặng. Ba hệ thống kiểm soát khí thải khác nhau được kiểm tra là chất xúc tác oxy hóa diesel (DOC) để kiểm soát khí thải CO và HC, bộ lọc hạt động cơ diesel (DPF) để kiểm soát lượng khí thải PM và giảm lượng xúc tác chọn lọc (SCR) để kiểm soát lượng khí thải NOx .

Khí thải từ động cơ diesel

Động cơ diesel là động cơ tự động đánh lửa trong đó nhiên liệu và không khí được trộn lẫn bên trong động cơ. Không khí cần thiết cho quá trình đốt cháy được nén nhiều bên trong buồng đốt. Điều này tạo ra nhiệt độ cao, đủ để nhiên liệu diesel tự bốc cháy khi nó được phun vào xi lanh. Do đó, động cơ diesel sử dụng nhiệt để giải phóng năng lượng hóa học có trong nhiên liệu diesel và chuyển nó thành lực cơ học.

Khí thải diesel
Khí thải diesel

Carbon và hydro tạo nên nguồn gốc của nhiên liệu diesel giống như hầu hết các nhiên liệu hóa thạch. Đối với trạng thái cân bằng nhiệt động lý tưởng, quá trình đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu diesel sẽ chỉ tạo ra CO 2 và H 2 O trong buồng đốt của động cơ. Tuy nhiên, nhiều lý do (tỷ lệ không khí – nhiên liệu, thời điểm đánh lửa, sự hỗn loạn trong buồng đốt, dạng cháy, nồng độ không khí – nhiên liệu, nhiệt độ cháy, v.v.) làm cho điều này trở nên khó hiểu và một số sản phẩm có hại được tạo ra trong quá trình đốt cháy. Các sản phẩm có hại đáng kể nhất là CO, HC, NOx và PM.

 

Hình 1 cho thấy thành phần gần đúng của khí thải diesel. Khí thải ô nhiễm có tỷ lệ nhỏ hơn 1% trong khí thải động cơ diesel. NO x có tỷ lệ phát thải chất ô nhiễm diesel cao nhất với tỷ lệ hơn 50%. Sau phát thải NO x , PM có tỷ trọng cao thứ hai trong phát thải chất ô nhiễm. Bởi vì động cơ diesel là động cơ đốt trong, và nồng độ CO và HC là tối thiểu. Bên cạnh đó, khí thải ô nhiễm bao gồm một lượng môđun SO 2 tùy thuộc vào thông số kỹ thuật và chất lượng của nhiên liệu. Nó được tạo ra bởi các sulfat có trong nhiên liệu diesel. Hiện tại, không có bất kỳ hệ thống xử lý sau nào giống như một bộ chuyển đổi xúc tác để loại bỏ SO2. Ngày nay, hầu hết các nhà phân phối và khách hàng dầu đều ưa chuộng loại dầu diesel có hàm lượng lưu huỳnh cực thấp (ULSD) cho động cơ diesel để ngăn chặn tác hại của SO 2 .

Hình 1: Các thành phần của khí thải diesel
Hình 1: Các thành phần của khí thải diesel

Trong phần này, bốn loại khí thải ô nhiễm chính (CO, HC, PM và NO x ) từ động cơ diesel được giải thích. Mỗi loại phát thải được điều tra riêng lẻ và tác động của từng loại phát thải đối với các vấn đề sức khỏe và môi trường cũng được tiết lộ.

Carbon monoxide (CO)

Carbon monoxide là kết quả của quá trình đốt cháy không hoàn toàn, trong đó quá trình oxy hóa không xảy ra hoàn toàn. Nồng độ này phụ thuộc phần lớn vào hỗn hợp không khí / nhiên liệu và cao nhất khi hệ số không khí dư ( λ ) nhỏ hơn 1,0 được xếp vào loại hỗn hợp giàu. Nó có thể được gây ra đặc biệt là tại thời điểm khởi động và tăng tốc tức thời của động cơ khi yêu cầu nhiều hỗn hợp. Trong các hỗn hợp giàu, do thiếu không khí và nồng độ chất phản ứng, tất cả cacbon không thể chuyển thành CO 2 và được hình thành nồng độ CO. Mặc dù CO được tạo ra trong quá trình vận hành ở dạng hỗn hợp giàu, nhưng một phần nhỏ CO cũng được thải ra trong điều kiện gầy do tác động động học hóa học.

Động cơ diesel là động cơ đốt trong có tỷ lệ không khí – nhiên liệu cao nhất quán ( λ  > 1). Vì vậy, sự hình thành CO là tối thiểu trong động cơ diesel. Tuy nhiên, CO được tạo ra nếu các giọt nhỏ trong động cơ diesel quá lớn hoặc nếu không đủ độ hỗn loạn hoặc xoáy trong buồng đốt.

Carbon monoxide là một chất khí không mùi và không màu. Ở người, CO trong không khí được phổi hít vào và truyền vào máu. Nó liên kết với hemoglobin và ức chế khả năng vận chuyển oxy của nó. Tùy thuộc vào nồng độ CO trong không khí, do đó dẫn đến ngạt thở, điều này có thể ảnh hưởng đến chức năng của các cơ quan khác nhau, dẫn đến suy giảm khả năng tập trung, phản xạ chậm và nhầm lẫn.

Hydrocacbon (HC)

Khí thải hydrocacbon bao gồm các nhiên liệu chưa cháy hết do nhiệt độ không đủ ở gần thành xi lanh. Tại thời điểm này, nhiệt độ hỗn hợp không khí – nhiên liệu thấp hơn đáng kể so với tâm xi lanh. Hydrocacbon bao gồm hàng nghìn loài, chẳng hạn như ankan, anken và chất thơm. Chúng thường được nêu dưới dạng hàm lượng CH 4 tương đương.

Động cơ diesel thường thải ra lượng hydrocacbon thấp. Phát thải hydrocacbon điêzen chủ yếu xảy ra ở tải nhẹ. Nguồn chính phát thải hydrocacbon tải trọng nhẹ là trộn không khí với nhiên liệu. Trong hỗn hợp nạc, tốc độ ngọn lửa có thể quá thấp để quá trình đốt cháy được hoàn thành trong quá trình công suất, hoặc quá trình đốt cháy có thể không xảy ra và những điều kiện này gây ra lượng khí thải hydrocacbon cao.

Trong động cơ Diesel, loại nhiên liệu, điều chỉnh động cơ và thiết kế ảnh hưởng đến hàm lượng hydrocacbon. Bên cạnh đó, lượng khí thải HC trong khí thải phụ thuộc vào các điều kiện vận hành không thường xuyên. Mức độ thay đổi tức thời của tốc độ động cơ cao, phun không cẩn thận, thể tích khoang vòi phun quá nhiều và kim phun bị nảy có thể khiến lượng nhiên liệu chưa cháy hết đáng kể đi vào ống xả.

Các hydrocacbon chưa cháy tiếp tục phản ứng trong khí thải nếu nhiệt độ trên 600 °C và có oxy, do đó lượng hydrocacbon thải ra từ ống xả có thể thấp hơn đáng kể so với lượng hydrocacbon rời khỏi xi lanh.

Khí thải hydrocacbon không chỉ xảy ra trong khí thải của xe mà còn ở cacte động cơ, hệ thống nhiên liệu và từ việc thoát hơi trong khí quyển trong quá trình phân phối và phân phối nhiên liệu. Phát thải hydrocacbon cacte và tổn thất do bay hơi của khí thải hydrocacbon lần lượt là 20–35 và 15–25% trong khi phát thải hydrocacbon dạng ống có 50–60% tổng lượng phát thải hydrocacbon.

Hydrocacbon có tác hại đối với môi trường và sức khỏe con người. Với các khí thải gây ô nhiễm khác, chúng đóng một vai trò quan trọng trong việc hình thành tầng ôzôn ở mặt đất. Các phương tiện giao thông là nguyên nhân của khoảng 50% lượng khí thải tạo thành ozone. Hydrocacbon là chất độc có khả năng gây kích ứng đường hô hấp và gây ung thư.

Khí thải được thải ra từ ô tô
Khí thải được thải ra từ ô tô

Vật chất hạt (PM)

Phát thải vật chất dạng hạt trong khí thải là kết quả của quá trình đốt cháy. Chúng có thể bắt nguồn từ sự kết tụ của các hạt rất nhỏ của nhiên liệu được đốt cháy một phần, dầu bôi trơn được đốt cháy một phần, hàm lượng tro của dầu nhiên liệu và dầu bôi trơn xi lanh hoặc các sulfat và nước. Hầu hết các chất dạng hạt là do quá trình đốt cháy không hoàn toàn các hydrocacbon trong nhiên liệu và dầu bôi trơn. Trong một nghiên cứu thử nghiệm, thành phần hạt điển hình của động cơ diesel hạng nặng được phân loại là 41% cacbon, 7% nhiên liệu chưa cháy, 25% dầu chưa cháy, 14% sunfat và nước, 13% tro và các thành phần khác. Trong một nghiên cứu khác, người ta báo cáo rằng PM bao gồm cacbon nguyên tố (≅31%), sunfat và độ ẩm (≅14%), nhiên liệu chưa cháy (≅7%), dầu bôi trơn chưa cháy (≅40%) và còn lại có thể là kim loại và các chất khác.

Các chất dạng hạt diesel thường là những hình cầu có đường kính khoảng 15–40 nm và khoảng hơn 90% PM có đường kính nhỏ hơn 1 μm. Quá trình hình thành phát thải PM phụ thuộc vào nhiều yếu tố như quá trình đốt cháy và giãn nở, chất lượng nhiên liệu (hàm lượng lưu huỳnh và tro), chất lượng dầu bôi trơn và mức tiêu thụ, nhiệt độ đốt cháy, làm mát khí thải.

Phát thải vật chất dạng hạt từ động cơ diesel cao hơn đáng kể (sáu đến mười lần) so với động cơ xăng. Phát thải hạt diesel có thể được chia thành ba thành phần chính: muội than, thành phần hữu cơ hòa tan (SOF) và thành phần vô cơ (IF). Hơn 50% tổng lượng phát thải PM là muội than, được coi là khói đen. SOF bao gồm các hydrocacbon nặng được hấp phụ hoặc ngưng tụ trên muội than. Nó có nguồn gốc một phần từ dầu bôi trơn, một phần từ nhiên liệu chưa cháy, và một phần từ các hợp chất hình thành trong quá trình đốt cháy. Giá trị SOF quá cao khi tải động cơ nhẹ khi nhiệt độ khí thải thấp.

Nhiều nghiên cứu được thực hiện nhằm phát hiện tác động của khí thải PM đối với môi trường và sức khỏe con người. Trong các nghiên cứu này, người ta đã ghi nhận rằng việc hít phải các hạt này có thể gây ra các vấn đề sức khỏe quan trọng như tử vong sớm, hen suyễn, ung thư phổi và các vấn đề tim mạch khác. Các khí thải này góp phần gây ô nhiễm không khí, nước và đất; làm bẩn các tòa nhà; giảm khả năng hiển thị; tác động đến năng suất nông nghiệp; biến đổi khí hậu toàn cầu.

Ôxít nitơ (NOx)

Động cơ diesel sử dụng không khí nóng có độ nén cao để đốt cháy nhiên liệu. Không khí, chủ yếu bao gồm oxy và nitơ, ban đầu được hút vào buồng đốt. Sau đó, nó được nén, và nhiên liệu được phun trực tiếp vào khí nén này ở khoảng trên cùng của hành trình nén trong buồng đốt. Nhiên liệu được đốt cháy, và tỏa nhiệt. Thông thường trong quá trình này, nitơ trong không khí không phản ứng với oxy trong buồng đốt và nó được thải ra ngoài động cơ giống hệt nhau. Tuy nhiên, nhiệt độ cao trên 1.600 °C trong các bình làm cho nitơ phản ứng với oxy và tạo ra khí thải NOx . Vì vậy, sẽ không sai khi nói rằng những ảnh hưởng chính của sự hình thành NOx là nhiệt độ và nồng độ oxy trong quá trình đốt cháy.

Lượng NOx tạo ra là hàm của nhiệt độ tối đa trong xi lanh, nồng độ oxy và thời gian lưu trú. Phần lớn lượng NO x thải ra được hình thành sớm trong quá trình đốt cháy, khi piston vẫn ở gần đỉnh của hành trình của nó. Đây là lúc nhiệt độ ngọn lửa cao nhất. Việc tăng nhiệt độ của quá trình đốt cháy sẽ làm tăng lượng NOx lên gấp ba lần cho mỗi lần tăng 100 °C.

Ôxít nitơ được gọi là ôxít nitơ (NO) và nitơ điôxít (NO2). NO tạo thành 85–95% NOx. Nó dần dần được chuyển thành NO2 trong không khí. Trong khi NO và NO2 được gộp lại với nhau dưới dạng NOx , có một số khác biệt đặc biệt giữa hai chất ô nhiễm này. NO là một chất khí không màu và không mùi, trong khi NO2 là một chất khí màu nâu đỏ, mùi hắc.

Giao thông đường bộ là nguyên nhân quan trọng nhất gây phát thải NO x đô thị trên toàn thế giới, góp phần tạo ra 40-70% lượng NOx. Trong số các loại phương tiện khác nhau, xe chạy bằng động cơ diesel là phương tiện đóng góp quan trọng nhất vào lượng khí thải NO x . So với động cơ xăng, chúng cần nhiệt độ cao hơn vì chúng là động cơ đánh lửa nén. Động cơ diesel chịu trách nhiệm cho khoảng 85% tổng lượng phát thải NO x từ các nguồn di động, chủ yếu ở dạng NO.

Khí thải oxit nitơ từ các phương tiện giao thông là nguyên nhân gây ra một lượng lớn nguy cơ đối với môi trường và sức khỏe. Phát thải NO x góp phần vào quá trình axit hóa, hình thành ôzôn, làm giàu chất dinh dưỡng và hình thành sương mù, đã trở thành những vấn đề đáng kể ở hầu hết các thành phố lớn trên toàn thế giới. Trong khí quyển, khí thải NOx phản ứng hóa học với các chất ô nhiễm khác để tạo thành ôzôn tầng đối lưu (thành phần chính của sương mù quang hóa) và các chất ô nhiễm độc hại khác.

NO và NO2 được coi là độc hại; nhưng NO2 có mức độ độc hại gấp 5 lần NO và nó cũng là mối quan tâm trực tiếp của bệnh phổi ở người. Nitrogen dioxide có thể gây kích ứng phổi và giảm khả năng chống nhiễm trùng đường hô hấp (chẳng hạn như cúm). Khí thải NO x là tiền thân quan trọng của mưa axit có thể ảnh hưởng đến cả hệ sinh thái trên cạn và dưới nước. Nitrogen dioxide và nitrate trong không khí cũng góp phần tạo ra khói mù ô nhiễm, làm giảm tầm nhìn.

0901.856.888