NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ GIẢM PHÁT THẢI NOx CHO ĐỘNG CƠ DIESEL BẰNG PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ XÚC TÁC CHỌN LỌC SỬ DỤNG UREA

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN QUANG HIỆP

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
NGHÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ GIẢM PHÁT THẢI NOx
CHO ĐỘNG CƠ DIESEL BẰNG PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ XÚC TÁC
CHỌN LỌC SỬ DỤNG UREA

CBHD: Ths. Nguyễn Huy Chiến

CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

Sinh viên: Nguyễn Quang Hiệp
Mã số sinh viên: 2018605632

Hà Nội – Năm 2022


i

MỤC LỤC
MỤC LỤC .................................................................................................................. i
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .................................................................................. iii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .............................................. vii
LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................... x

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIẢM PHÁT THẢI NOx CHO
ĐỘNG CƠ DIESEL................................................................................................... 1
Thành phần khí thải động cơ diesel và cơ chế hình thành ...................... 1
1.1.1 Thành phần khí thải động cơ diesel .................................................. 1
1.1.2 Cơ chế hình thành các chất trong khí thải diesel .............................. 3
1.1.3 Yêu cầu về giảm phát thải độc hại ................................................... 8
1.1.4 Tiêu chuẩn khí thải Euro tại Việt Nam ............................................ 9
Các biện pháp xử lý khí thải diesel ....................................................... 10
1.2.1 Các biện pháp kết cấu ..................................................................... 10
1.2.2 Các biện pháp xử lý sau cửa thải .................................................... 13
Kết luận chương 1 ................................................................................. 19
BỘ XỬ LÝ XÚC TÁC CHỌN LỌC (SCR) ..................................... 20
Nhiệm vụ và phân loại........................................................................... 20
2.1.1 Nhiệm vụ ........................................................................................ 20
2.1.2 Phân loại ......................................................................................... 20
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ............................................................ 47
2.2.1 Cấu tạo chung bộ SCR ................................................................... 47
2.2.2 Nguyên lý hoạt động ...................................................................... 48
Các chi tiết chính của bộ xử lý xúc tác SCR ......................................... 49
2.3.1 Bộ xúc tác khử NOx ....................................................................... 49
2.3.2 Thiết bị chứa urea ........................................................................... 50
2.3.3 Bơm cấp urea .................................................................................. 50


ii
2.3.4 BĐK điều khiển lượng urea phun vào đường thải ......................... 51
2.3.5 Vòi phun urea ................................................................................. 52
Kết luận chương 2 ................................................................................. 53
MÔ PHỎNG BỘ XỬ LÝ XÚC TÁC CHỌN LỌC .......................... 54
Cơ sở tính tốn mơ phỏng ..................................................................... 54

3.1.1 Cơ sở lý thuyết để tính tốn mơ phỏng SCR .................................. 54
3.1.2 Cơ chế phản ứng SCR .................................................................... 57
3.1.3 Tính tốn lượng urea cần cung cấp ................................................ 57
Mô phỏng bộ xử lý xúc tác bằng phần mềm AVL-BOOST ................. 59
3.2.1 Mô hình xử lý xúc tác chọn lọc trên AVL-BOOST ....................... 59
3.2.2 Mô phỏng trên phần mềm AVL-BOOST ....................................... 60
Kết luận chương 3 ................................................................................. 63
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 64
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 65
PHỤ LỤC BOOST .................................................................................................. 66


iii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Tỷ lệ của các thành phần khí thải trong động cơ diesel [1]. ………………2
Hình 1.2 Đặc tính phát thải theo hệ số dư lượng khơng khí λ [1].…………………..2
Hình 1.3 Q trình hình thành PM ………………………………………………….6
Hình 1.4 Giới hạn NOx, PM đối với động cơ diesel xe tải . ………………………...8
Hình 1.5 Sơ đồ luân hồi khí thải . ………………………………………………….11
Hình 1.6 Kết cấu chung bộ lọc DPF của hãng Johnson Matthey . ………………...14
Hình 1.7 Nguyên lý và kết cấu bộ lọc kín chất thải dạng hạt DPF . ……………….15
Hình 1.8 Sơ đồ hệ thống LNT.……………………………………………………..16
Hình 1.9 Quá trình hấp phụ NOx trong hỗn hợp nghèo . ………………………….17
Hình 1.10 Các phản ứng trong các buồng xử lý. …………………………………..17
Hình 1.11 Q trình giải phóng N2 trong hỗn hợp giàu nhiên liệu. ……………….18
Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống SCR. ………………………...19
Hình 2.1 Ơ-xy hóa NH3 theo nhiệt độ trên hệ xúc tác Zeolite . ............................... 23
Hình 2.2 Sơ đồ quá trình khử NOx bằng NH3. ......................................................... 24
Hình 2.3 Hiệu suất khử theo nhiệt độ ở các mức lưu lượng khí xả khác nhau. ....... 25

Hình 2.4 Hiệu suất chuyển đổi NOx phụ thuộc tỷ lệ mol rNO2 /NOx ở 200 oC. ... 26
Hình 2.5 Hiệu suất chuyển đổi NOx và tạo thành N2O theo nhiệt độ với thành phần
NO2 khác nhau trên hệ xúc tác Zeolite . .................................................................. 27
Hình 2.6 Nồng độ các muối a-mơn theo thành phần SO3. ...................................... 28
Hình 2.7 Hiệu quả chuyển đổi theo tỷ lệ mol rNH3/NOx ở các nhiệt độ khác nhau
trên hệ xúc tác Zeolite. ............................................................................................. 29
Hình 2.8 Cơ chế khử NOx bằng ê-ta-non. ............................................................... 30
Hình 2.9 Hiệu suất khử NOx theo nhiệt độ trên hệ xúc tác Ag/Al2O3. .................. 31
Hình 2.10 Ảnh hưởng của SO2 và H2O đến hiệu suất khử NOx với Ê-ta-non trên hệ
xúc tác Ag/Al2O3. ................................................................................................... 32


iv
Hình 2.11 Sơ đồ cơ chế khử NOx bằng hy-đrơ các-bon. ......................................... 33
Hình 2.12 Hiệu suất khử NOx với các hy-đrơ các-bon ........................................... 33
Hình 2.13 Cơ chế khử NO bằng NH3 trên hệ xúc tác V2O5................................... 35
Hình 2.14 Sơ đồ lắp đặt SCR trên đường thải. ........................................................ 36
Hình 2.15 Ảnh hưởng của thành phần NO2 đến hiệu quả khử NOx . ..................... 36
Hình 2.16 Suy giảm hiệu suất khử theo thời gian khi thử bền động cơ với nhiên liệu
chứa 350 ppm lưu huỳnh ở nhiệt độ thấp................................................................. 37
Hình 2.17 Suy giảm hiệu suất khử theo thời gian khi thử bền động cơ với nhiên liệu
chứa 1620 ppm lưu huỳnh ở nhiệt độ thấp . ............................................................. 38
Hình 2.18 Hiệu quả khử NOx theo nhiệt độ của 2 hệ xúc tác Zeolite (Cu-Zeolite và
Fe-Zeolite) . .............................................................................................................. 39
Hình 2.19 Hấp phụ NH3 với điều kiện hỗn hợp nghèo (10% O2) và giàu (khơng có
O2) với xúc tác Cu-Zeolite . ..................................................................................... 40
Hình 2.20 Hấp phụ NH3 với điều kiện hỗn hợp nghèo (10% O2) và giàu (khơng có
O2) với xúc tác Fe-Zeolite . ...................................................................................... 40
Hình 2.21 Xúc tác Al2O3 hoặc SiO2 với 1% Rh, Pd hoặc Pt. .................................. 41
Hình 2.22 Xúc tác Al2O3 hoặc SiO2 với 1% Rh, Pd hoặc Pt . ................................. 42

Hình 2.23 Tạo N2 và N2O từ NO trên xúc tác Pt. .................................................... 42
Hình 2.24 Hấp phụ NO trên nền Al2O3 và Hấp phụ NO2 trên nền Al2O3. ............. 44
Hình 2.25 Sơ đồ khối điều khiển vòng hở SCR . ..................................................... 44
Hình 2.26 Sơ đồ tổng quát với hệ điều khiển kín. ................................................... 45
Hình 2.27 Sơ đồ điều khiển vịng kín sử dụng tín hiệu phản hồi từ cảm biến NOx .
.................................................................................................................................. 46
Hình 2.28 Sơ đồ điều khiển vịng kín với tín hiệu phản hồi từ cảm biến NH3. ...... 47
Hình 2.29 Sơ đồ và nguyên lý làm việc của bộ SCR ............................................... 48
Hình 2.30 Bộ xúc tác khử NOx. ............................................................................... 49


v
Hình 2.31 Cấu trúc monolith. ................................................................................... 49
Hình 2.32 Bình chứa urea. ....................................................................................... 50
Hình 2.33 Kết cấu và hoạt động của bơm urea loại con lăn. ................................... 51
Hình 2.34 Kết cấu vịi phun urea.. ........................................................................... 52
Hình 3.1 Mơ hình lị phản ứng (CAT1) với các điều kiện biên (ATB1, ATB2). .... 59
Hình 3. 2 Ảnh hưởng của lưu lượng khí xả đến hiệu suất khử NOx. ...................... 61
Hình 3.3 Ảnh hưởng của NO2 đến hiệu suất khử NOx. .......................................... 62
Hình 3.4 Ảnh hưởng của NH3 đến hiệu suất khử NOx. ........................................... 62


vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của động cơ. ................................................................ 59
Bảng 3.2 Thông số cấu trúc của bộ xúc tác ............................................................. 60


vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
ĐCĐT

Diễn giải

Thứ
nguyên

Động cơ đốt trong

-

Mã lực

-

Bộ điều khiển

-

Cảm biến

-

Pulse Width Modulation (Điều khiển lƣợng phun
dựa trên thay đổi độ rộng chuỗi xung vng)

-

N2

Khí ni-tơ

-

O2

Khí ơ-xy

-

CO

Các-bon mơ-nơ-xít

-

CO2

Các-bon đi-ơ-xít

-

HC

Hy-đrơ các-bon

-

PM

Particulate Matter (Phát thải dạng hạt)

-

NOx

Các ơ-xít ni-tơ

-

NO

Ni-tơ ơ-xít

-

NO2

Ni-tơ đi-ơ-xít

-

N2O

Đi-ni-tơ ơ-xít

-

SOx

Các lƣu huỳnh ơ-xít

-

NH3

Am-mơ-ni-ắc

-

C3H6

Prơ-pen

-

∆H 298

En-tan-pi ở 298 oC

-

Hệ số phản ứng

-

V2O5

Vanadium (Va-na-đi, Va-na-đi ơ-xít)

-

Cu-Zeolite

Xúc tác Zeolite sử dụng cation là Cu

-

Fe-Zeolite

Xúc tác Zeolite sử dụng cation là Fe

-

Pt

Platinum (Bạch kim)

-

Rh

Rhodium

-

ML

BĐK
CB
PWM

R


viii

Pd

Palladium

-

Ag

Bạc

-

Al2O3

Aluminium oxide (nhơm ơ-xít)

-

SiO2

Silicon dioxide, Silica (Si-líc đi-ơ-xít, si-li-ca)

-

TiO2

Titanium dioxide, titania (ti-tan đi-ơ-xít)

-

WO3

Vonfram trioxide (vơn-phờ-ram tri-ơ-xít)

-

H2SO4

Sulfuric acid (a-xít sun-phu-ríc)

-

HCNO

Fulminic acid (a-xít phu-mi-níc)

-

Barium nitrate (Muối Ba-ri ni-tơ-rát)

-

Barium oxide (Ba-ri Ơ-xít)

-

Ba(NO3)2
BaO

NH4(HSO4) Ammonium hydrogen sulfate (Muối a-môn hy-đrô
sun-phát)

-

Ammonium sulfate (Muối a-môn sun-phát)

-

Zeolite Mordenit

-

Cu-MOR

Zeolite Mordenit sử dụng cation là Cu

-

Fe-MOR

Zeolite Mordenit sử dụng cation là Fe

-

Số Reynolds

-

NH3/NOx

Tỷ lệ mol của NH3 so với NOx

-

r

Tỷ lệ mol của thành phần NO2 trong hỗn hợp NOx

-

Tỷ lệ mol của NH3 so với SO3

-

DOC

Diesel Oxidation Catalyst (bộ xúc tác ơ-xy hóa)

-

EGR

Exhaust Gas Recirculation (hệ thống ln hồi khí
thải)

-

DPF

Diesel Particulate Filter (bộ lọc hạt PM kiểu kín)

-

SCR

Selective Catalytic Reduction (bộ xử lý xúc tác
chọn lọc)

-

(NH4)2SO4
MOR

Re
r

NO2/NOx

r

NH3/SO3

NH3-SCR

Bộ xử lý xúc tác chọn lọc sử dụng chất khử trực tiếp
am-môni-ắc

-


ix

Urea-SCR
HC-SCR
EtOH-SCR
LNT
φ
SV
GHSV
Qx

Bộ xử lý xúc tác chọn lọc sử dụng chất khử gián
tiếp am-môni-ắc thông qua urea

-

Bộ xử lý xúc tác chọn lọc sử dụng chất khử hy-đrô
các-bon

-

Bộ xử lý xúc tác chọn lọc sử dụng chất khử ê-tanon

-

Lean NOx Trap (Bộ hấp phụ NOx bằng bẫy hỗn hợp
nghèo)

-

Hệ số dư lượng khơng khí

-

Space velocity (vận tốc khơng gian)

s1-

Gas hourly space velocity (vận tốc khơng gian tính
theo giờ)

h-1

Lƣu lƣợng khí xả

l/ph

Phần mềm mơ phỏng của hãng AVL (Áo)

-

ESC

Chu trình gồm 13 chế độ có trạng thái ổn định

-

ETC

Chu trình thử gồm 1800 chế độ chuyển tiếp diễn ra
rất nhanh theo từng giây một

-

ATB

(Điều kiện biên)

-

CAT

(Lị phản ứng xúc tác)

-

PTN

Phịng thí nghiệm

-

LCD

Liquid-crystal display (Màn hình hiển thị)

-

AVLBOOST


x

LỜI NÓI ĐẦU
Trong vài năm gần đây, nền kinh tế Việt Nam có những bước phát triển
vượt bậc, đời sống người dân được nâng cao, cùng với việc chính phủ đang đầu
tư rất nhiều vào quy hoạch và xây dựng hệ thống giao thông vận tải, đã khiến
ô tô trở thành phương tiện đi lại tiện nghi và phổ biến, được nhiều người quan
tâm. Không như các nước phát triển, với Việt Nam thì ơtơ vẫn là chủ đề mới
mẻ, đặc biệt là những ứng dụng công nghệ tiên tiến trên xe. Vì thế việc nghiên
cứu về ơtơ là rất cần thiết, nó là cơ sở để các nhà nhập khẩu cũng như các nhà
sản xuất trong nước kiểm tra chất lượng xe khi nhập cũng như sau khi xe xuất
xưởng, đồng thời trang bị kiến thức cho những người dân mua và sử dụng xe
có hiệu quả kinh tế cao.
Bên cạnh đó thì vẫn đề xử lý khí thải ô tô cũng là một biện pháp vô cùng
quan trọng. Hiện nay công nghệ giảm phát thải NOx cho động cơ diesel bằng
phương pháp xử lý xúc tác chọn lọc sử dụng urea là biện pháp vô cùng hiệu
quả. Áp dụng giải pháp xử lý xúc tác chọn lọc sử dụng urea để cắt giảm phát
thải NOx cho động cơ diesel đạt tiêu chuẩn khí thải Việt Nam hiện hành.
Bởi những lý do trên em đã được khoa giao đề tài Đồ án tốt nghiệp
“NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ GIẢM PHÁT THẢI NOx CHO ĐỘNG

CƠ DIESEL BẰNG PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ XÚC TÁC CHỌN LỌC SỬ
DỤNG UREA.” để tổng kết đánh giá quá trình học tập, rèn luyện tại trường
cũng như trau dồi thêm kiến thức chun mơn.
Trong q trình thực hiện đề tài, với sự cố gắng của bản thân cùng với
sự giúp đỡ, chỉ bảo, tạo điều kiện thuận lợi của thầy Ths.Nguyễn Huy Chiến
đã giúp em hoàn thành đề tài này. Qua đây em xin chân thành cảm ơn thầy đã
giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đề tài này.


1

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIẢM PHÁT THẢI NOx
CHO ĐỘNG CƠ DIESEL
Thành phần khí thải động cơ diesel và cơ chế hình thành
1.1.1 Thành phần khí thải động cơ diesel
Q trình cháy của động cơ diesel thực chất là các phản ứng cháy của
nhiên liệu với khơng khí. Trước đây người ta cho rằng phản ứng này xảy ra
hoàn toàn, với sản phẩm sinh ra gồm: CO2, H2O và N2 có trong khơng khí.
Cùng với tỷ lệ tương ứng của O2 trong khơng khí thì có thể cịn O2 lẫn trong
sản phẩm cháy. Trong thực tế quá trình cháy của động cơ là khơng hồn tồn.
Có hai lý do để giải thích việc đó:
Thứ nhất là các phản ứng hố học không bao giờ diễn ra theo một chiều
mà luôn có phản ứng thuận nghịch giữa chất phản ứng và sản phẩm sinh ra. Do
đó phản ứng khơng thể xảy ra hồn tồn vì các chất tham gia phản ứng vẫn còn
dư.
Thứ hai là các khu vực cháy với điều kiện hồ trộn, nhiệt độ và tốc độ
xốy lốc của khơng khí, dịng nhiên liệu phun vào khơng gian buồng cháy khác
nhau cũng là một vấn đề. Điều đó làm cho ngọn lửa bị tắt không đốt cháy được
hết lượng nhiên liệu, các điều kiện phản ứng khác nhau sẽ sinh ra sản phẩm
cháy mới như là bụi, phát thải NOx… Do vậy khối lượng, số lượng phát thải

của động cơ tăng lên so với trường hợp cháy hoàn toàn. Các thành phần của
khí thải bao gồm: CO2, H2O, N2, O2, CO, HC cháy khơng hết, NOx, bụi, khói
và tuỳ thuộc vào chất lượng của nhiên liệu mà sản phẩm cháy có thể có SO x.
Trong các thành phần khí thải thì NOx, bụi khói, CO và HC cháy khơng hết
được gọi là phát thải độc hại của động cơ đốt trong. Tỷ lệ của các thành phần
khí thải trong động cơ được thể hiện trong Hình 1.1.
Tuy khối lượng phát thải chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ (khoảng 0,2% trong tổng
khối lượng khí thải) nhưng nó rất được quan tâm do gây ơ nhiễm khơng khí.
Một điều dễ nhận thấy là lượng phát thải này cũng không gây ảnh hưởng nhiều
tới hiệu suất nhiệt của động cơ, tuy nhiên hiện nay người ta đang nỗ lực để xử
lý, giảm thiểu phát thải của động cơ, vì những nguy hiểm của nó đối với mơi


2

trường tự nhiên và sức khoẻ của con người. Thậm chí một phần triệu của phát
thải mà giảm được cũng rất quan trọng [3].

Hình 1.1 Tỷ lệ của các thành phần khí thải trong động cơ diesel [1].

Hình 1.2 Đặc tính phát thải theo hệ số dư lượng khơng khí λ [1].
Như ta đã biết khối lượng của phát thải phụ thuộc vào hiệu suất và các
thông số của động cơ. Ví dụ: thời điểm phun của động cơ diesel tác động tới
tính kinh tế của nhiên liệu và khối lượng khí thải phát ra. Tuy nhiên, ảnh hưởng
của thơng số động cơ không ảnh hưởng nhiều lắm tới tổng nhiệt của quá trình
cháy nhưng thời điểm phun và tốc độ phun có liên quan tới nhiệt nhả ra của
chu trình làm việc động cơ.
Nồng độ các phát thải độc hại chính được cho trên Hình 1.2, thể hiện mối
quan hệ của nồng độ HC, CO, NOx, PM theo hệ số dư lượng khơng khí λ.

3

1.1.2 Cơ chế hình thành các chất trong khí thải diesel
1.1.2.1 Cơ chế hình thành NOx trên động cơ diesel
Việc tìm hiểu cơ chế hình thành NOx trong động cơ diesel và kiểm sốt
thành phần khí thải này gặp nhiều khó khăn do q trình cháy của động cơ
diesel xảy ra nhanh và hỗn hợp cháy là không đồng nhất. NO và NO 2 là hai
thành phần chính của NOx, trong đó NO là khí khơng mùi, khơng màu cịn NO2
có màu nâu đỏ, mùi gắt. Cả hai loại khí đều rất độc nhưng NO 2 độc gấp 5 lần
so với NO, phần lớn NO2 hình thành từ việc ơ-xy hố NO.
NO được hình thành trong q trình cháy rớt trong xy-lanh tại vùng nhiệt
độ cao, cơ chế hình thành NO được chấp nhận rộng rãi là cơ chế được đưa ra
bởi Zeldovich [8]. Thành phần chính để hình thành NO là khí N2 trong khơng
khí nạp vào động cơ. Phản ứng dây chuyền ơ-xy hố khí ni-tơ được tạo bởi các
ngun tử ơxy, hình thành từ việc tách ra khỏi phân tử O2 tại nhiệt độ cao trong
quá trình cháy [4].
Phản ứng chủ đạo để hình thành NO từ phân tử N2 là:
O2 →2O
N2 + O → NO + N

(1-1)

N + O2 → NO +O
N +OH →NO+ H
Các phương trình cân bằng hố 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 + H2O → NO2 + OH

(1-2)

Tiếp đó NO2 lại phản ứng và trở thành NO qua phản ứng:
NO2 + O → NO + O2

(1-3)


4

Nếu khơng 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 ô-xy phụ thuộc vào nồng độ phân tử ôxy cũng như nhiệt độ cục bộ. Sự hình thành NOx tồn tại chủ yếu ở nhiệt độ trên
2000 K. Do đó bất kỳ kỹ thuật nào có thể khống chế được nhiệt độ tức thời
trong buồng cháy dưới 2000 K thì có thể giảm được sự hình thành NOx.
NOx hình thành từ phản ứng ơ-xy hóa ni-tơ trong điều kiện nhiệt độ cao
của quá trình cháy. Thành phần NOx phụ thuộc rất nhiều vào hệ số dư lượng
khơng khí λ (tức nồng độ ô-xy của hỗn hợp) và nhiệt độ của quá trình cháy.
Nồng độ NOx đạt giá trị cực đại tại λ = 1,05, λ=1,1. Tại đây, nhiệt độ của quá
trình cháy đủ lớn để ô-xy và ni-tơ phân hủy thành nguyên tử có tính năng hoạt
hóa cao, và tại đây nồng độ ôxy đủ lớn đảm bảo đủ ô-xy 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 khơng khí λ nằm trong một giới hạn rất rộng, cụ thể
là 1,2 đến 10 tương ứng từ tồn tải đến khơng tải [5].
Ở động cơ diesel, khi λ tăng, nhiệt độ cháy giảm nên thành phần NO x
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 5-10% trong khi tỷ lệ này

ở động cơ xăng là 2-10% [1].
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 khơng khí), rất thiếu ơ-xy nên mặc dù nhiệt độ lớn nhưng NOx vẫn
nhỏ. Khi cháy ở buồng cháy chính, mặc dù λ rất lớn, ơ-xy nhiều nhưng nhiệt
độ q 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 khơng cao do có suất tiêu hao nhiên liệu lớn nên ngày nay không được sử
dụng nhiều.


5

1.1.2.2 Cơ chế hình thành PM
Theo định nghĩa của Tổ chức bảo vệ mơi trường bang Ca-li-phóc-ni-a thì
PM là những thực thể (trừ nước) của khí thải sau khi được hồ trộn với khơng
khí (làm lỗng) đạt nhiệt độ nhỏ hơn 51,7 oC và được tách ra bằng một bộ lọc
qui định.
Với định nghĩa như vậy, PM gồm các hạt rắn và các chất lỏng bám theo.
Các hạt rắn gồm: cácbon tự do và tro còn gọi là PM (soot), các chất phụ gia
dầu bôi trơn, các hạt và vảy tróc do mài mịn... Chất lỏng bám theo gồm có các
thành phần trong nhiên liệu và dầu bôi trơn.
Các hạt (PM) có kích thước từ 0,01 đến 1 µm. Phần lớn hạt có kích thước
nhỏ hơn 0,3 µm nên rất dễ bị hít vào và gây tổn thương cho đường hô hấp và
phổi. Thành phần của PM phụ thuộc rất nhiều vào chế độ làm việc của động cơ
và phương pháp hình thành khí hỗn hợp. Thơng thường, trong PM chứa:
 40% dầu bơi trơn,
 31% bồ hóng (soot),
 14% các muối sun-phát ngậm nước,

 7% nhiên liệu diesel,
 8% các loại khác còn lại.
Các phân tử PM ban đầu lớn dần lên theo hai cách sau:
Thứ nhất, đường kính của PM 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 hy-đrô 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 riêng trung bình của PM là 2000 kg/m3.
PM có thuộc tính xốp nên các phần tử PM 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


6

ứng cộng hy-đrơ, thậm chí ngay cả sau khi rời động cơ chúng vẫn có tính chất
như vậy. Cơ chế hình thành PM tổng quan nhất của Fusco được mơ tả theo sơ
đồ cho trên Hình 1.3.

Hình 1.3 Quá trình hình thành PM .
Theo Fusco thì sự hình thành PM của động cơ tuân theo 8 bước cơ bản
như ở trên sơ đồ trên. Nhiên liệu bốc hơi trong quá trình cháy dẫn tới sự hình
thành PM, PM được hình thành qua các q trình sau:
(1) q trình chuyển hố để làm tăng kích thước hạt cơ bản (bán kính hạt
lớn dần lên),
(2) tham gia cộng hợp tạo thành C2H2,
(3) q trình ơ-xy hố hình thành các hạt PM ban đầu, các hạt PM này có
kích thước hạt lớn dần lên,
(4) q trình ơ-xy hố hình thành các hạt PM ban đầu có nguồn gốc là các
gốc hy-đrơ các-bon (C2H2),

7

(5) quá trình hình thành các hạt PM hình cầu (soot particles - P),
(6) quá trình phát triển bề mặt của các phân tử C2H2 tạo thành các hạt PM
hình cầu ,
(7) q trình ơ-xy hố PM tạo thành các cụm PM trơ hình cầu thể tích đơn,
lúc này khối lượng tăng lên nhưng số lượng lại giảm xuống,
(8) quá trình hợp dính, ngưng tụ, phát triển bề mặt, liên kết hạt để tạo
thành chuỗi PM.
Tám phần này sẽ tham gia các phản ứng phá vỡ mạch vịng, ơ-xy hố,
tăng kích thước bề mặt… như ở sơ đồ trên.
1.1.2.3 Cơ chế hình thành CO
Trong khí thải của động cơ diesel, tuy λ > 1 và khá lớn (thừa ô-xy) nhưng
vẫn có thành phần CO mặc dù khá nhỏ là do vẫn có những vùng với λ < 1 (thiếu
ơxy). Như trên Hình 1.2, khi λ tăng, ban đầu CO giảm do nồng độ ô-xy tăng và
đạt cực tiểu tại λ = 2. Tiếp tục tăng λ, CO tăng do tỷ lệ tái hợp của CO với ơxy trong q trình giãn nở giảm đi nên lượng CO còn lại trong khí thải tăng lên.
1.1.2.4 Cơ chế hình thành HC
Do λ lớn nên HC trong động cơ diesel so với ở động cơ xăng cũng nhỏ
hơn. Khi λ tăng, nhiệt độ cháy giảm nên phần nhiên liệu không cháy được HC
sẽ tăng lên. Đối với phương pháp hỗn hợp màng, do hiệu ứng sát vách ảnh
hưởng mạnh nên HC lớn hơn so với trường hợp hỗn hợp thể tích. Nếu tổ chức
xốy lốc và hồ trộn tốt trong q trình hình thành hỗn hợp, thành phần HC sẽ
giảm.
1.1.2.5 Hợp chất chứa lưu huỳnh
Trong khí thải có các hợp chất chứa lưu huỳnh là do trong nhiên liệu còn
một lượng tạp chất lưu huỳnh còn lại khi chưng cất dầu mỏ. Do nhiên liệu chứa
lưu huỳnh nên trong khí thải có SO2, khi kết hợp với hơi nước sẽ tạo thành a-

8

xít. Các hợp chất chứa lưu huỳnh trong khí thải là một trong những nguyên
nhân gây ra mưa a-xít và tạo ra PM thơng qua các muối có gốc sun-phát.
1.1.3 Yêu cầu về giảm phát thải độc hại
Đối với phát thải động cơ diesel thì các thành phần phát thải được quan
tâm chủ yếu là NOx và PM. Về giới hạn theo các tiêu chuẩn khí thải phổ biến
(châu Âu, Mỹ, Nhật) được thể hiện trên Hình 1.4 .

Hình 1.4 Giới hạn NOx, PM đối với động cơ diesel xe tải .
Trong các tiêu chuẩn khí thải thì tiêu chuẩn của Mỹ là ngặt nghèo nhất.
Ngay từ những năm đầu thế kỷ 21, thì tiêu chuẩn Mỹ đã yêu cầu nồng độ NOx
trong khí thải ở mức thấp nhất (2,7 g/kWh), sau đó là đến tiêu chuẩn Nhật (3,5
g/kWh) cịn nồng độ PM thì tiêu chuẩn Mỹ và Nhật đều lớn hơn tiêu chuẩn
Châu Âu. Sở dĩ vậy do tiêu chuẩn Châu Âu cịn áp dụng chương trình thử tĩnh
khi mà tiêu chuẩn Mỹ, Nhật đều đã sử dụng chương trình thử động [1].
Sau đó, các tiêu chuẩn đều sử dụng chương trình thử động riêng, với tiêu
chuẩn Mỹ và Nhật đều thấp hơn tiêu chuẩn Châu Âu. Riêng với tiêu chuẩn Mỹ
thì nghiêm ngặt với phát thải NOx (0,35 g/kWh – US 2010) hơn cả tiêu chuẩn
Nhật (1 g/kWh – JP 2008) và Châu Âu (2 g/kWh – EURO V, 2008) [4].


9

1.1.4 Tiêu chuẩn khí thải Euro tại Việt Nam
Ở nước ta, ngồi tiêu chuẩn khí thải đối với ơ tơ sản xuất, lắp ráp và nhập
khẩu mới tại Việt Nam, nhà nước cịn áp dụng cho cả xe mơ tơ, xe gắn máy 2
bánh - phương tiện phổ biến nhất trên đường phố hiện nay. Những quy định đó
được xây dựng dựa trên các tiêu chuẩn Euro đã ban hành. Điều này được thể

hiện qua Quyết định số 49/2011/QĐ-TTg do Thủ tướng ban hành và có hiệu
lực từ 18/10/2011.
Theo quy định này, phạm vi điều chỉnh là bao gồm quy định về lộ trình áp
dụng các tiêu chuẩn về khí thải đối với ô tô, mô tô 2 bánh động cơ sử dụng
nhiên liệu được sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới.
Đối tượng áp dụng gồm: Các cơ quan quản lý nhà nước có liên quan và
các tổ chức, cá nhân tiến hành sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu ôtô, mô tô 2 bánh
(trừ các loại xe cơ giới đặc chủng thuộc quân đội và công an được dùng cho
mục đích quốc phịng, an ninh, được quy định bởi Bộ Quốc phịng và Bộ Cơng
an).
Về lộ trình, quy định chỉ rõ xe mô tô hai bánh được nhập khẩu hoặc sản
xuất, lắp ráp mới áp dụng tiêu chuẩn khí thải mức 3 từ ngày 1/1/2017. Cịn ơtơ
nhập khẩu, lắp ráp và sản xuất mới sẽ áp dụng như sau:
-Tiêu chuẩn khí thải Euro 4 (mức 4) chính thức áp dụng từ ngày 1/1/2017.
Euro 4 được đưa ra vào tháng 1/2005 (tháng 1/2006), tập trung vào việc
làm sạch khí thải từ xe chạy bằng động cơ diesel, giảm giới hạn PM và NOx.
Euro 4 được đưa ra vào tháng 1/2005 (tháng 1/2006), tập trung vào việc làm
sạch khí thải từ xe chạy bằng động cơ diesel, giảm giới hạn PM và NOx.
 CO: 0.50 g/km
 HC + NOx: 0.30 g/km
 NOx: 0.25 g/km
 PM: 0.025 g/km
-Tiêu chuẩn khí thải Euro 5 (mức 5) chính thức áp dụng từ ngày 1/1/2022.


10

Euro 5 áp dụng từ tháng 9/2009 (tháng 1/2011) thắt chặt hơn nữa các giới
hạn về phát thải hạt từ động cơ diesel. Tất cả các xe ô tô chạy diesel đều cần bộ
lọc hạt để đáp ứng các yêu cầu mới. Euro cũng bắt đầu giới hạn hạt cho động

cơ xăng và chỉ áp dụng cho động cơ phun xăng trực tiếp.
Để giải quyết các tác động của phát thải hạt mịn, Euro 5 đưa ra giới hạn
về số lượng hạt đối với động cơ diesel (bên cạnh giới hạn trọng lượng hạt).
Điều này áp dụng cho các phê duyệt mới từ tháng 9/2011 và cho tất cả các xe
động cơ diesel mới từ tháng 1 năm 2013.
Giới hạn khí thải Euro 5 đối với động cơ diesel:
 CO: 0.50 g/km
 HC + NOx: 0.23 g/km
 NOx: 0.18 g/km
 PM: 0.005 g/km
 PM: 6.0x10 ^ 11 g/km
Các biện pháp xử lý khí thải diesel
1.2.1 Các biện pháp kết cấu
Nhóm các biện pháp kết cấu bao gồm các biện pháp nhằm giảm lượng
phát thải các chất độc hại ra khỏi buồng cháy động cơ. Có thể điểm qua một số
biện pháp thường được sử dụng như sau.
Tối ưu các hệ thống và kết cấu động cơ: hệ thống nhiên liệu, hệ thống nạp,
kết cấu buồng cháy, áp dụng điều khiển điện tử nhằm mục đích điều khiển
lượng nhiên liệu chu trình, tăng cường khả năng nạp, tăng cường khả năng hịa
trộn nhiên liệu với khơng khí, đốt cháy triệt để nhiên liệu…
Luân hồi khí thải (EGR): Đưa một phần khí xả ngược trở về buồng cháy,
do đó làm bẩn hỗn hợp cháy làm quá trình cháy diễn ra ở nhiệt độ thấp hơn,
phản ứng giữa ô-xy và ni-tơ giảm, do đó có thể giảm thiểu lượng phát thải NOx
từ 50 đến 70%.


11

Có ba cách giải thích cho ảnh hưởng của ln hồi khí thải đến việc giảm
NOx là: kéo dài thời gian cháy, tăng nhiệt dung riêng và làm lỗng khí nạp bằng

khí trơ (chủ yếu là CO2). Giả thuyết kéo dài thời gian cháy đã được khẳng định
bởi luân hồi khí thải gây kéo dài thời gian cháy tương tự như việc giảm góc
phun sớm. Giả thiết tăng nhiệt lượng cho rằng việc thêm khí trơ vào khí nạp sẽ
tăng nhiệt dung riêng của những phần tử phản ứng xuất hiện trong quá trình
cháy làm giảm nhiệt độ cháy. Theo giả thiết làm lỗng khí nạp, ảnh hưởng của
ln hồi khí xả lên NOx gây ra bởi tăng lượng khí trơ không cháy trong hỗn
hợp sẽ làm giảm nhiệt độ của quá trình cháy đoạn nhiệt.
Hiện tại thì luân hồi khí thải có hai nhóm chính: ln hồi áp suất cao và
luân hồi áp suất thấp. Trong đó, luân hồi áp suất thấp có kết cấu phức tạp hơn
nhưng lại cho hiệu quả tốt hơn so với luân hồi áp suất cao.

a)

b)

Hình 1.5 Sơ đồ ln hồi khí thải .
a - Luân hồi áp suất thấp;

b - Luân hồi áp suất cao.

Tối ưu q trình cháy: có một số phương pháp đã được áp dụng nhằm
tăng hiệu quả quá trình cháy.


12

Tăng áp suất phun nhiên liệu để xé tơi hơn các hạt nhiên liệu, qua đó tăng
khả năng hịa trộn với khơng khí, q trình cháy sẽ diễn ra đồng đều và triệt để
hơn.
Cháy với hỗn hợp nghèo: khi hỗn hợp có tỉ lệ nhiên liệu/khơng khí thấp

sẽ hạn chế các vùng thiếu ơ-xy, qua đó làm giảm CO, HC và PM.
Tạo chuyển động xốy dịng khí nạp vừa đủ: tăng khả năng hịa trộn nhiên
liệu, đưa khơng khí tới mọi vùng trong buồng cháy làm giảm thiểu việc thiếu
ô-xy cục bộ: giảm phát thải HC, CO, PM.
Phun nước kèm nhiên liệu: giảm thành phần NOx khi giảm nhiệt độ cháy
trung bình trong quá trình làm việc của động cơ.
Làm giàu ô-xy trong nhiên liệu: giảm thiểu việc thiếu ô-xy cục bộ, tăng
khả năng cháy kiệt, do đó giảm phát thải độc hại.
Ngoài các biện pháp đã nêu trên, người ta cũng cịn áp dụng các phương
pháp cơng nghệ nhằm giảm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu, lượng chất vô
cơ và phốt-pho trong dầu bôi trơn. Đây là biện pháp làm giảm thành phần SO2,
SO3, các muội gốc vô cơ… và giảm tác động xấu đến các bộ xử lí khí thải.
Cuối cùng, sử dụng nhiên liệu thay thế cũng là một biện pháp khả thi.
Ngoài việc giảm phát thải các thành phần độc hại thì đây cịn là sự lựa chọn có
tiềm năng để đối phó với vấn đề cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch.
Do các biện pháp về kết cấu động cơ và nhiên liệu chỉ đạt được hiệu quả
nhất định trong giảm thiểu khí thải độc hại, mặt khác những biện pháp này lại
gặp phải sự đối lập giữa giảm phát thải và tính kinh tế, các thành phần độc hại
trong khí thải cũng khơng thể giảm được đồng thời. Chẳng hạn, khi áp dụng
luân hồi khí xả để giảm NOx thì các thành phần PM, CO, HC lại tăng; hay khi
tối ưu hóa q trình cháy để giảm PM thì NOx lại tăng do nhiệt độ cháy tăng.
Vì vậy, để giảm được đồng thời các thành phần độc hại nhằm đảm bảo yêu cầu
ngày càng khắt khe về tiêu chuẩn khí thải, phải sử dụng đến nhóm biện pháp
thứ hai là xử lý khí thải sau cửa thải (after-treatment).


13

1.2.2 Các biện pháp xử lý sau cửa thải
1.2.2.1 Bộ xúc tác ơ-xy hóa (DOC) xử lý CO và HC

Bộ xử lý xúc tác ơ-xy hóa dùng cho động cơ diesel (Diesel Oxydation
Catalyst-DOC) được sử dụng với mục đích để giảm phát thải CO, HC và PM
trong khí thải. Khí thải từ động cơ diesel được dẫn qua bộ xúc tác ơ-xy hóa
DOC, với sự có mặt của các chất xúc tác Platinum và Palladium thì các phản
ứng ơ-xy hóa diễn ra dễ dàng ngay cả ở nhiệt độ thấp (làm giảm nhiệt độ phản
ứng ơ-xy hóa của HC và CO từ 600 oC xuống 250 oC). Các phản ứng ơ-xy hóa
gồm:
HnCm,khí/lỏng + O2 → CO2 + H2O
1

CO + O2 → CO2
2

(1-4)
(1-5)

Các hy-đrơ các-bon trong khí thải động cơ có thể ở dạng hơi hoặc ngưng
tụ ở dạng lỏng. Trong cả hai trạng thái, các hy-đrô các-bon đều được ô-xy hóa
và chuyển thành CO2 và nước. Trường hợp khơng có bộ DOC, thành phần hyđrô cácbon lỏng sẽ thải ra ngồi dưới dạng PM. Do đó, sử dụng bộ DOC khơng
những làm giảm đáng kể lượng CO, HC mà cịn làm giảm lượng phát thải dạng
hạt PM.
Tuy nhiên, bên cạnh đó, bộ DOC cũng thúc đẩy một số phản ứng ô-xy hóa
và tạo thành các sản phẩm không mong muốn khác:
2SO2 + O2 → 2SO3
SO3 +H2O →H2SO4

(1-6)

(1-7)

1

NO + O2 → NO2
2

(1-8)

Sự hình thành H2SO4 trong bộ DOC làm giảm hiệu quả của các vật liệu
xúc tác, khi thải ra ngoài môi trường sẽ ngưng tụ thành các hạt làm tăng lượng
phát thải PM. Mức độ tăng PM do hình thành các hạt H 2SO4 có liên quan mật


14

thiết đến hàm lượng lưu huỳnh chứa trong nhiên liệu. Việc NO chuyển thành
NO2 khi qua bộ DOC không làm thay đổi tổng lượng NOx trong khí thải nhưng
làm tăng lượng NO2, đây là chất khí độc hại hơn đối với sức khỏe con người
và môi trường so với NO.
1.2.2.2 Bộ lọc hạt PM kiểu kín (DPF)
Bộ lọc chất thải dạng hạt (Diesel Particulate Filter - DPF) là hệ thống được
sử dụng khá phổ biến hiện nay trong các phương tiện giao thông vận tải như để
giảm thiểu hàm lượng PM trong khí thải. Bộ lọc kín PM là thiết bị giữ lại các
chất thải dạng hạt trong khí thải động cơ khơng cho thải ra ngồi mơi trường.
Các bộ lọc kín có hiệu quả lọc khá cao thường lớn hơn 90%. Các loại lọc thường
có kết cấu bên ngồi gần giống nhau (Hình 1.6), chúng khác nhau chủ yếu là
phần lõi lọc (Hình 1.7).

Hình 1.6 Kết cấu chung bộ lọc DPF của hãng Johnson Matthey .
Kết cấu của bộ DPF thường gồm lõi lọc làm bằng gốm xốp được chế tạo
thành các rãnh bị bịt một đầu và được sắp xếp so le nhau (Hình 1.7).