QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH NOx TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

26

Chương 3

CƠ CHẾ HÌNH THÀNH NO
X
TRONG QUÁ TRÌNH CHÁY
CỦA ĐỘNG CƠ Đ
Ố
T
TRONG


3.1. Giới thiệu

NO
x
là tên gọi chung của oxyde nitơ gồm các chất NO, NO
2
và N
2
O hình thành do
sự kết hợp giữa oxy và nitơ ở điều kiện nhiệt độ cao. Chất ô nhiễm này ngày càng được
quan tâm và trong một số trường hợp, nó là chất ô nhiễm chính làm giới hạn tính năng kỹ
thuật của động cơ.

Thật vậy, một trong những xu hướng nâng cao tính kinh tế của động cơ ngày nay
là áp dụng kỹ thuật chế hòa khí phân lớp cho động cơ làm việc với hỗn hớp nghèo. Trong
điều kiện đó, NO
x
là đối tượng chính của việc xử lý ô nhiễm. Mặt khác, việc xử lý NO

x

trong điều kiện đó gặp nhiều khó khăn vì bộ xúc tác ba chức năng chỉ hoạt động có hiệu
quả khi a = 1. Các giải pháp kỹ thuật khác nhằm hạn chế NO
x
ngay trong quá trình cháy
cũng đã được áp dụng trên động cơ hiện đại: giải pháp hồi lưu khí xả, giải pháp thay đổi
thời kỳ trùng điệp của góc độ phối khí.

Vì vậy, việc hiểu biết tường tận cơ chế hình thành NO
x
để tìm biện pháp hạn chế
nồng độ của chúng ngay trong quá trình cháy là cần thiết. Mức độ phát sinh ô nhiễm trung
bình của quá trình cháy nhiên liệu hydrocarbure như sau:

Chất ô nhiễm Lượng phát sinh
(g/kg nhiên liệu)
NO
x
20
CO 200
HC 25
Bồ hóng
2÷5

Đây là số liệu mang tính chất trung bình ở điều kiện cháy của hỗn hợp có hệ số dư
lượng không khí a=1. Tuy nhiên trong những điều kiện cháy đặc biệt ở áp suất và nhiệt độ
cao với hệ số dư lượng không khí lớn thì tỉ lệ thành phần các chất ô nhiễm cho trong bảng
trên đây thay đổi theo hướng gia tăng NO
x

.
3.2. Tác hại của Oxyde Nitơ

Chương 3: Cơ chế hình thành NO
x
trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
27
Oxyde nitơ có thể phát sinh do các quá trình tự nhiên hay do hoạt động công
nghiệp. NO
x
trong khí quyển do các quá trình tự nhiên sinh ra ước chừng 50.10
7
tấn. Nó
phân bố đều trên mặt địa cầu với nồng độ khoảng 2 ÷ 10µg/m
3
, gọi là nồng độ nền. NO
x

do hoạt động của con người tạo ra, tập trung chính ở vùng thành thị và các khu công
nghiệp, chiếm khoảng 1/10 lượng NO
x
trong tự nhiên hiện nay.

3.2.1. Ảnh hưởng của NO
x
đến sức khỏe con người

NO
x
có thể đi sâu vào phổi con người do ít hòa tan trong nước. Khi vào được trong

phổi, 80% lượng NO
x
bị giữ lại (đối với SO
2
, cơ quan này chỉ giữ lại khoảng 5%). Trong
các chất của NO
x
, độc tính của NO
2
cao hơn rất nhiều lần so với NO.

NO
x
chủ yếu do quá trình cháy gây ra. Ngoài các quá trình cháy công nghiệp và
gia dụng, trong sinh hoạt, con người còn chịu đựng ảnh hưởng trực tiếp của NO
x
do khói
thuốc lá gây ra. Tùy theo loại thuốc lá, khi hút một điếu thuốc người hút đã đưa vào phổi
từ 100 đến 600µg NO
x
, trong đó hơn 5% là NO
2
. Với thuốc lá nâu thông thường, trung
bình mỗi điếu sinh ra 350µg NO
x
. Nếu người hút thuốc hít 8 lần, mỗi lần 2s với dung tích
35ml và khoảng thời gian giữa hai lần hít là 60s, chúng ta tính được nồng độ NO
x
trung
bình là 933ppm theo thể tích trong toàn bộ khói thuốc. Nhưng mỗi lần hít vào, khói thuốc

lá hòa tan vào phổi có thể tích 3500ml, nghĩa là đã làm loãng đi 100 lần, nồng độ NO
x

trung bình trong phổi khoảng 9,3ppm đối với người chủ động hút thuốc lá.

Đối với người thụ động chịu ảnh hưởng của thuốc lá (người hít không khí trong
không gian bị ô nhiễm bởi khói thuốc lá) ảnh hưởng này nhỏ nhưng cũng đáng kể. Tính
trung bình theo số liệu trên đây thì trong một phòng kín có thể tích 50m
3
, khi người ta hút
một gói 20 điếu thuốc, thì nồng độ NO
x
trong phòng đạt khoảng 0,1ppm do người hút thải
ra. Nếu tính luôn phần khói thuốc thoát ra giữa hai lần hít, người ta ước chừng nồng độ
NO
x
trong phòng gấp 2÷5 lần so với nồng độ trên đây, nghĩa là 0,2 ÷ 0,5ppm.

3.2.2. Ảnh hưởng của NO
x
đến thực vật

NO
x
chỉ ảnh hưởng đến thực vật khi nồng độ của nó đủ lớn. Người ta thấy ở vùng
đô thị hóa cao, nồng độ NO
x
đạt khoảng 3,93ppm, sự quang hợp của thực vật chỉ giảm đi
25%. Thí nghiệm đặt cây dưa leo trong không khí có nồng độ NO
x

0,75ppm trong hai
tháng cho thấy không bị ảnh hưởng gì. Những thí nghiệm khác được thực hiện trên cà
chua và đậu Hà Lan đặt trong môi trường không khí nhân tạo với nồng độ NO
x
cao hơn
10 lần so với nồng độ của chúng trong không khí khi bị ô nhiễm nặng nhất cho thấy các
loại cây này không bị hư hại gì nhưng nồng độ nitơ tổng cộng trong môi trường gia tăng.
Các thí nghiệm trên cây cam trồng trong không gian nhà kính với 4 điều kiện môi
trường không khí như sau:

a. Không khí nguyên thủy nơi làm thí nghiệm
b. Không khí được lọc
c. Không khí lọc + NO
2
với nồng độ môi trường
d. Không khí lọc + 2 lần nồng độ NO
2
trong môi trường
Chương 3: Cơ chế hình thành NO
x
trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
28

Thí nghiệm được tiến hành bằng cách cân lá rụng và trái cây thu hoạch được trong
thời gian cho trước trên một số cành xác định. Người ta thấy rằng lá cây trong điều kiện c
có khuynh hướng rụng nhiều hơn cây trong điều kiện b; Lượng lá rụng nhiều nhất trong
môi trường không khí d nhưng lượng trái cây thu hoạch được tối ưu nhất trong môi trường
c.

Những thí nghiệm khác được tiến hành bằng cách đặt cam trong môi trường không

khí ô nhiễm nặng hơn, có nồng độ NO
2
từ 0,5 đến 1ppm, kéo dài trong 35 ngày cho thấy lá
cây bị vàng và rụng nghiêm trọng. Vì vậy thực vật chỉ bị tác hại khi nồng độ NO
x
đủ lớn
và thời gian đủ dài (2÷10ppm; 4÷20µg/m
3
trong nhiều ngày). Oxyde nitơ không gây tác
hại đến thực vật với nồng độ của chúng hiện nay trong khí quyển. Chỉ có sự tham dự của
NO
x
vào các phản ứng hóa quang mới được xem là nguy hiểm vì NO
x
tác dụng với một số
chất khác có mặt trong không khí trong những điều kiện nhất định tạo ra những chất nguy
hiểm đối với thực vật. Chẳng hạn dưới tác dụng của tia cực tím trong môi trường có chứa
hydrocarbure, NO
x
có thể tạo ra những hợp chất nguy hiểm đối với thực vật gấp ngàn lần
hơn so với chính bản thân NO
x
.

3.2.3. Ảnh hưởng đến quang hợp

Hình 3.1: Ảnh hưởng của NO đến Hình 3.2: Ảnh hưởng của NO
2
đến
quang hợp quang hợp

Khi nồng độ NO
x
lớn hơn 0,5 ÷ 0,7ppm chúng sẽ làm giảm sự quang hợp. Hình 3.1
và 3.2 cho thấy rằng NO và NO
2
làm giảm sự quang hợp với nhiều mức độ khác nhau đối
với cùng thời gian tác động. Sự giảm quang hợp đạt đến trạng thái cân bằng đối với NO
nhanh hơn đối với NO
2
và sau khi môi trường hết ô nhiễm, sự quay trở lại trạng thái ban
đầu đối với NO nhanh hơn đối với NO
2
. Trong những vùng đô thị hóa cao (nồng độ NO
x
đạt khoảng 3,93ppm), sự quang hợp có thể bị giảm đi 25%.

3.3. Cơ chế hình thành Oxyde Nitơ

3.3.1. Cơ chế hình thành monoxyde nitơ

Trong họ NO
x
thì NO chiếm tỉ lệ lớn nhất. NO
x
chủ yếu do N
2
trong không khí nạp
0
100
200
0
40
80
20
60
100
t(s)
Tỉ lệ gia tăng CO
2

9ppm
8ppm
2,5ppm
Ảnh hưởng

Phục hồi
0
100

200
0
40
80
20
60
100
t(s)
Tỉ lệ gia tăng CO
2
5,8ppm
3,2ppm
1,6ppm
Phục hồi
Ảnh hưởng
Chương 3: Cơ chế hình thành NO
x
trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
29
vào động cơ tạo ra. Nhiên liệu xăng hay Diesel chứa rất ít nitơ nên ảnh hưởng của chúng
đến nồng độ NO
x
không đáng kể. Nhiên liệu nặng sử dụng ở động cơ tàu thủy tốc độ thấp
có chứa khoảng vài phần nghìn nitơ (tỉ lệ khối lượng) nên có thể phát sinh một lượng nhỏ
NO
x
trong khí xả. Sự hình thành NO do oxy hóa nitơ trong không khí có thể được mô tả
bởi cơ chế Zeldovich. Trong điều kiện hệ số dư lượng không khí xấp xỉ 1, những phản ứng
chính tạo thành và phân hủy NO là:

(3.1)

(3.2)

(3.3)

Phản ứng (3.3) xảy ra khi hỗn hợp
rất giàu. NO tạo thành trong màng lửa và
trong sản phẩm cháy phía sau màng lửa.
Trong động cơ, quá trình cháy diễn ra trong
điều kiện áp suất cao, vùng phản ứng rất
mỏng (khoảng 0,1mm) và thời gian cháy rất
ngắn; thêm vào đó, áp suất trong xilanh tăng
trong quá trình cháy, điều này làm nhiệt độ
của bộ phận khí cháy trước cao hơn nhiệt độ
đạt được ngay sau khi ra khỏi khu vực màng
lửa nên đại bộ phận NO hình thành trong
khu vực sau màng lửa.











Hình 3.3: Sự phụ thuộc nồng độ NO theo nhiệt độ

Sự hình thành NO phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt độ (hình 3.3). Hình 3.4 cho thấy
mức độ tiến triển của phản ứng:
(3.4)

Phản ứng tạo NO có tốc độ thấp hơn nhiều so với phản ứng cháy. Nồng độ NO
cũng phụ thuộc mạnh vào nồng độ oxy. Vì vậy trong điều kiện nhiệt độ cao và nồng độ O
2

lớn thì nồng độ NO trong sản phẩm cháy cũng lớn.


3.3.2. Sự hình thành dioxide nitơ

Nồng độ NO
2
có thể bỏ qua so
với NO nếu tính toán theo nhiệt động
học cân bằng trong điều kiện nhiệt độ
bình thường của ngọn lửa. Kết quả này
có thể áp dụng gần đúng trong trường
hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức. Đối
với động cơ Diesel, người ta thấy có
đến 30% NO
x
dưới dạng NO
2
. Dioxyde
nitơ NO
2

được hình thành từ monoxyde
nitơ NO và các chất trung gian của sản










10
20
0,5
1,0
2500

2600
2800
3000K
t(ms)
X/X
e
2800
v/phút
0
200 400
10
30

2400
2000
1000
p
me(kPa)
20
N
O
2
/NO(%)
ON NON
++
←
→
2
NO NOO
++
←
→
2
NOH NOH
++
←
→
NO HO NO OH
++
←
→
22
NO NO

22
2
+
←
→
Chương 3: Cơ chế hình thành NO
x
trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
30
vật cháy theo phản ứng sau:

(3.5)

Hình 3.4: Biến thiên tỉ số NO
2
/NO theo tải của
động cơ Diesel

Trong điều kiện nhiệt độ cao, NO
2
tạo thành có thể phân giải theo phản ứng:

(3.6)

Trong trường hợp NO
2
sinh ra trong ngọn lửa bị làm mát ngay bởi môi chất có
nhiệt độ thấp thì phản ứng (3.6) bị khống chế, nghĩa là NO
2
tiếp tục tồn tại trong sản vật

cháy. Vì vậy khi động cơ xăng làm việc kéo dài ở chế độ không tải thì nồng độ NO
2
trong
khí xả sẽ gia tăng. Tương tự như vậy, khi động cơ Diesel làm việc ở chế độ tải thấp thì
phản ứng ngược biến đổi NO
2
thành NO cũng bị khống chế bởi các vùng không khí có
nhiệt độ thấp. Dioxyde nitơ cũng hình thành trên đường xả khi tốc độ thải thấp và có sự
hiện diện của oxy. Hình 3.4 cho thấy biến thiên của tỉ lệ NO
2
/NO
x
trên đường xả động cơ
Diesel theo chế độ tải. Tỉ lệ này càng cao khi tải càng thấp. NO
2
là chất độc khí nhất trong
họ NO
x
vì vậy việc tổ chức tốt quá trình cháy để giảm tốc độ phản ứng tạo thành và tăng
tốc độ phản ứng phân giải chất ô nhiễm này có ý nghĩa quan trọng.

3.3.3. Sự hình thành protoxyde nitơ

Protoxyde nitơ N
2
O chủ yếu hình thành từ các chất trung gian NH và NCO khi
chúng tác dụng với NO:
(3.7)

(3.8)

N
2
O chủ yếu được hình thành ở vùng oxy hóa có nồng độ nguyên tử H cao, mà
hydrogène là chất tạo ra sự phân hủy mạnh protoxyde nitơ theo phản ứng:

(3.9)

(3.10)

Chính vì vậy N
2
O chỉ chiếm tỉ lệ rất thấp trong khí xả của động cơ đốt trong
(khoảng 3 ÷ 8ppmV).

3.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành Oxyde Nitơ

3.4.1. Trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức

Những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến sự hình thành NO là hệ số dư lượng
không khí của hỗn hợp, hệ số khí sót và góc đánh lửa sớm. Ảnh hưởng của tính chất nhiên
liệu đến nồng độ NO có thể bỏ qua so với ảnh hưởng của các yếu tố này.

NO O NO O
22
++
←
→
NH NO N O H
++

←
→
2
NCO NO N O CO
++
←
→
2
NO H NH NO
2
++
←
→
NO H N OH
22
++
←
→
Chương 3: Cơ chế hình thành NO
x
trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
31
1. Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí

Hình 3.5 minh họa ảnh hưởng của hệ số
dư lượng không khí đến mức độ phát sinh NO.
Nhiệt độ cháy đạt giá trị cực đại tương ứng với
hệ số dư lượng không khí khoảng 0,9, nghĩa là
khi hỗn hợp hơi giàu. Tuy nhiên trong điều
kiện đó nồng độ O

2
thấp nên nồng độ NO
không đạt giá trị lớn nhất. Khi hệ số dư lượng
không khí tăng, ảnh hưởng của sự gia tăng áp
suất riêng O
2
đến nồng độ NO lớn hơn ảnh
hưởng của sự giảm nhiệt độ cháy nên NO đạt
giá trị cực đại ứng với hệ số dư lượng không
khí khoảng 1,1 (hỗn hợp hơi nghèo). Nếu độ
đậm đặc của hỗn hợp tiếp tục giảm thì tốc độ
của phản ứng tạo thành NO cũng giảm do nhiệt
độ cháy thấp. Điều ấy giải thích sự giảm nồng
độ NO
x
khi tăng hệ số dư lượng không khí.

Hình 3.5: Biến thiên nồng độ NO theo
Hệ số dư lượng không khí
2. Ảnh hưởng của hệ số khí sót

Trước khi cháy, hỗn hợp trong xi lanh bao gồm không khí, hơi nhiên liệu và khí
sót. Khí sót có mặt trong hỗn hợp là do khí cháy của chu trình trước còn sót lại trong xy
lanh hay do hồi lưu khí xả. Khi không có sự hồi lưu, lượng khí sót trong xi lanh phụ thuộc
vào tải, góc độ phối khí và đặc biệt là khoảng trùng điệp giữa các soupape thải và nạp. Khi
khoảng trùng điệp tăng thì lượng khí sót tăng làm giảm nồng độ NO. Mặt khác, lượng khí
sót còn phụ thuộc vào chế độ động cơ, độ đậm đặc của hỗn hợp và tỉ số nén.

Khí sót giữ vai trò làm bẩn hỗn hợp, do đó làm giảm nhiệt độ cháy dẫn đến sự
giảm nồng độ NO
x
. Tuy nhiên, khi hệ số khí sót gia tăng quá lớn, động cơ sẽ làm việc
không ổn định làm giảm tính kinh tế và tăng nồng độ HC.

Hình 3.6 trình bày ảnh hưởng của tỉ lệ khí xả hồi lưu đến nồng độ NO ứng với các
độ đậm đặc khác nhau của hỗn hợp. Nồng độ các chất ô nhiễm giảm mạnh theo sự gia tăng
của tỉ lệ khí xả hồi lưu cho đến khi tỉ lệ này đạt 15 ÷ 20%, đây là tỉ lệ khí sót lớn nhất chấp
nhận được đối với động cơ làm việc ở tải cục bộ. Nhiệt độ cháy giảm khi gia tăng lượng
khí sót trong hỗn hợp là do sự gia tăng của nhiệt dung riêng môi chất.

0,8
1,0

1,2 1,4
1000
2000
3000
4000
N
O(ppm)
50
1000
2000
3000
N
O(ppm)
Góc đánh lửa sớ
m

17
16
A/F=15
40
30
20
10
0
a
10
20
1000
2000
3000
N
O(ppm)
EGR(%)
17
16
A/F=15
Chương 3: Cơ chế hình thành NO
x
trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
32




Hình 3.6: Ảnh hưởng của tỉ lệ khí xả
hồi lưu đến nồng độ NO

Hình 3.7: Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm
đến nồng độ NO
Sự gia tăng tỉ lệ khí sót vượt quá giới hạn cho phép làm giảm chất lượng quá trình
cháy dẫn đến sự cháy không hoàn toàn và động cơ làm việc không ổn định do bỏ lửa. Vì
vậy, luợng khí sót tối ưu cần phải cân nhắc giữa sự giảm nồng độ NO và sự gia tăng suất
tiêu hao nhiên liệu. Điều này chỉ có thể thực hiện một cách tự động nhờ hệ thống điều
khiển điện tử cho phép điều khiển lượng khí xả hồi lưu tối ưu ứng với mỗi chế độ vận
hành của động cơ.
3. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm
Góc đánh lửa sớm có ảnh hưởng mạnh đến sự phát sinh NO (hình 3.7). Khi tăng
góc đánh lửa sớm, điểm bắt đầu cháy xuất hiện sớm hơn trong chu trình công tác, áp suất
cực đại xuất hiện gần ĐCT hơn do đó giá trị của nó cao hơn. Vì vậy, tăng góc đánh lửa
sớm cũng làm tăng nhiệt độ cực đại. Mặt khác, vì thời điểm cháy bắt đầu sớm hơn nên
thời gian tồn tại của khí cháy ở nhiệt độ cao cũng kéo dài. Hai yếu tố này đều tạo điều kiện
thuận lợi cho sự hình thành NO.

Tóm lại, tăng góc đánh lửa sớm làm tăng nồng độ NO trong khí xả. Trong điều
kiện vận hành bình thường của động cơ, giảm góc đánh lửa 10 độ có thể làm giảm nồng
độ NO từ 20 ÷ 30% ở cùng áp suất cực đại của động cơ.

3.4.2. Trường hợp động cơ Diesel

Khác với động cơ đánh lửa cưỡng bức, do đặc điểm của quá trình tạo hỗn hợp
không đồng nhất, quá trình cháy trong động cơ Diesel gồm hai giai đoạn: giai đoạn cháy
đồng nhất diễn ra ngay sau kì cháy trễ và giai đoạn cháy khuếch tán. Sự phân bố nhiệt độ

và thành phần khí cháy trong không gian buồng cháy là không đồng nhất. Đối với quá
trình cháy hòa trộn trước, thành phần hỗn hợp có thể thay đổi trong phạm vi r
ộng; trong
khi đó, đối với quá trình cháy khuếch tán, màng lửa xuất hiện ở những khu vực cục bộ có
thành phần hỗn hợp gần với giá trị cháy hoàn toàn lí thuyết.

Cũng như trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức, nhiệt độ cực đại là yếu tố ảnh
hưởng lớn đến sự hình thành NO trong quá trình cháy của động cơ Diesel. Trong mọi loại
động cơ, sả
n phẩm cháy của bộ phận nhiên liệu cháy trước tiên trong chu trình đóng vai
trò quan trọng nhất đối với sự hình thành NO vì sau khi hình thành, bộ phận sản phẩm
cháy đó bị nén làm nhiệt độ gia tăng do đó làm tăng nồng độ NO.

Mặt khác, do quá trình cháy khuếch tán, trong buồng cháy động cơ Diesel luôn tồn
tại những khu vực hay các ‘túi’ không khí có nhiệt độ thấp. Nhờ bộ phận không khí này
mà NO hình thành trong buồng cháy động cơ Diesel được làm mát (gọi là sự ‘tôi’ NO)
nhanh chóng hơn trong trương hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức và do đó NO ít có khuynh
Chương 3: Cơ chế hình thành NO
x
trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
33
hướng bị phân giải hơn.

Các quan sát thực nghiệm cho thấy hầu hết NO được hình thành trong khoảng 20
0

góc quay trục khuỷu từ lúc bắt đầu cháy. Do đó, khi giảm góc phun sớm, điểm bắt đầu
cháy lùi gần ĐCT hơn, điều kiện hình thành NO cũng bắt đầu trễ hơn và nồng độ của nó
giảm do nhiệt độ cực đại thấp. Đối với động cơ Diesel cỡ lớn, giảm góc phun sớm có thể
làm giảm đến 50% nồng độ NO trong khí xả trong phạm vi gia tăng suất tiêu hao nhiên

liệu chấp nhận được. Đối với động cơ Diesel nói chung, nồng độ NO
x
tăng theo độ đậm
đặc trung bình (hình 3.8). Tuy nhiên nồng độ NO
x
giảm theo độ đậm đặc chậm hơn trong
trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức do sự phân bố không đồng nhất của nhiên liệu.
Trong quá trình cháy của động cơ Diesel, độ đậm đặc trung bình phụ thuộc trực tiếp vào
lượng nhiên liệu chu trình. Do đó, ở chế độ tải lớn nghĩa là áp suất cực đại cao, nồng độ
NO tăng.

Ở động cơ Diesel phun gián tiếp, một
bộ phận nhỏ NO hình thành trong buồng cháy
chính (khoảng 35%) còn phần lớn được hình
thành trong buồng cháy dự bị (khoảng 65%).
Quá trình cháy trong buồng cháy phụ nói
chung diễn ra trong điều kiện độ đậm đặc
trung bình rất lớn, trừ trường hợp tải thấp, do
đó nồng độ NO trong buồng cháy này cao.
Thời gian dành cho sự phân giải NO trong
hỗn hợp đậm đặc của buồng cháy dự bị rút
ngắn vì ngay sau khi hình thành, nó được
chuyển sang buồng cháy chính và ở đó, các
phản ứng phân giải NO bị khống chế vì chúng
được hòa trộn với không khí có nhiệt độ thấp.

Hình 3.8: Ảnh hưởng độ đăm đặc trung
bình đến nồng độ NO
x
trong động cơ Diesel

Hình 3.8 trình bày biến thiên của nồng độ NO
x
và NO trong khí xả theo độ đậm
đặc trung bình đối với động cơ Diesel phun trực tiếp, tốc độ 1000v/phút và góc phun sớm
27
0
trước ĐTC.

Cũng như trong trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức, sự hồi lưu khí xả làm
giảm NO do làm giảm nhiệt độ khí cháy. Tuy nhiên, ở động cơ Diesel ảnh hưởng của khí
xả hồi lưu đến NO phụ thuộc mạnh vào chế độ tải. Ở chế độ tải cao, khí thải chứa nhiều
CO
2
và hơi nước, hỗn hợp có nhiệt dung riêng lớn, còn ở chế độ tải thấp, khí hồi lưu chủ
yếu là nitơ có nhiệt dung riêng bé. Ở động cơ Diesel tăng áp, sự gia tăng áp suất dẫn đến
sự gia tăng nhiệt độ khí cháy, do đó làm tăng nồng độ NO.

3.5. Ví dụ tính toán nồng độ NO
x
trong khí xả động cơ
Diesel


3.5.1. Giới thiệu
0,3
1000
2000
3000
N
O,NO
x
(ppm)
f
N
O
x

N
O
0,4
0,5
0,6 0,7
0,8
4000
Chương 3: Cơ chế hình thành NO
x

trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
34
Trởn ợờy chóng ta ợỈ ợồ cẹp ợỏn cĨc phộn ụng hÈnh thÌnh NO
x
. KhĨc víi phđn lín
cĨc chÊt khĨc cã mật trong sộn phẻm chĨy, nạng ợé NO
x
ợỨîc khèng chỏ bẽi ợéng hảc
phộn ụng vÈ thêi gian chóng ợÓt ợiồu kiơn cờn bững nhiơt ợéng hảc xÊp xừ thêi gian
chĨy. ớèi víi quĨ trÈnh chĨy trong ợéng cŨ, cĨc nhÌ nghiởn cụu ợỈ ợỨa ra nhƠng hơ
phỨŨng trÈnh ợéng hảc phộn ụng khĨc nhau ợố mỡ tộ sù hÈnh thÌnh NO
x
nhỨ mỡ hÈnh
Newhall, Annand, Zeldovich. CĨc yỏu tè cŨ bộn ợố tÝnh toĨn nạng ợé NO
x
theo cĨc mỡ
hÈnh nÌy lÌ nạng ợé côc bé cĐa oxy, nhiởn liơu vÌ nhiơt ợé chĨy. Mỡ hÈnh ợố xĨc ợẺnh
cĨc thỡng sè nÌy trong quĨ trÈnh chĨy cĐa ợéng cŨ Diesel ợỈ lÌ ợồ tÌi bÌn cỈi cĐa cĨc nhÌ
khoa hảc tõ nhiồu thẹp kủ qua.
Tõ lờu, mỡ hÈnh mét khu vùc ợỨîc sö dông nhỨ mét phỨŨng tiơn ợố tÝnh toĨn quĨ
trÈnh chĨy ợéng cŨ Diesel. Mỡ hÈnh nÌy giộ ợẺnh hçn hîp trong buạng chĨy lÌ ợạng nhÊt,
bá qua ộnh hỨẽng cĐa cĨc hiơn tỨîng lỶ hoĨ vÌ sù khuỏch tĨn nhiởn liơu - khỡng khÝ
trong ngản löa. Mỡ hÈnh ợã râ rÌng khỡng cho phƯp xĨc ợẺnh ợỨîc nạng ợé NO
x
. Mỡ
hÈnh ợa khu vùc ợỨîc thiỏt lẹp nhữm khÕc phôc nhỨîc ợiốm trởn. Tuy ợỨîc ghi nhẹn lÌ
bỨíc tiỏn ợĨng kố, nhỨng mỡ hÈnh nÌy tạn tÓi mét nhỨîc ợiốm cŨ bộn ợã lÌ tèc ợé tiởu
thô nhiởn liơu ợỨîc xĨc ợẺnh dùa trởn nhƠng biốu thục thùc nghiơm, do ợã khã cã thố
khĨi quĨt hoĨ cho cĨc trỨêng hîp khĨc nhau cĐa ợéng cŨ Diesel.
Mỡ hÈnh ngản löa khuỏch tĨn lÌ mỡ hÈnh ợa khu vùc ợỨîc thiỏt lẹp trong thêi gian

gđn ợờy ợố tÝnh toĨn quĨ trÈnh chĨy cĐa ợéng cŨ Diesel. Tèc ợé tiởu thô nhiởn liơu ợỨîc
xĨc ợẺnh dùa trởn cŨ sẽ cờn bững vẹt chÊt trong ngản löa rèi. Mỡ hÈnh nÌy ợỈ mẽ ra triốn
vảng trong tÝnh toĨn nạng ợé cĨc chÊt ỡ nhiÔm cĐa quĨ trÈnh chĨy ợéng cŨ Diesel, ợậc
biơt lÌ bạ hãng vÌ NO
x
.

Phđn sau ợờy sỹ giíi thiơu mét vÝ dô vồ tÝnh toĨn sù hÈnh thÌnh NO
x
trong ợéng
cŨ Diesel phun giĨn tiỏp bững mỡ hÈnh khuỏch tĨn.

3.5.2. Mỡ hÈnh tÓo NO
x

Trong trỨêng hîp ợđy ợĐ cã thố xem trong sộn vẹt chĨy cĐa khỡng khÝ vÌ nhiởn
liơu hydrocarbure cã 12 chÊt: H
2
O, H
2
, OH, H, N
2
, NO, N, CO
2
, CO, O
2
, O, Ar. Phộn ụng
hãa hảc trong trỨêng hîp tăng quĨt ợỨîc viỏt dỨíi dÓng:

aCH O a n
mr
ONArx
nmr i
i
q
().++−
⎛
⎝
⎜
⎞
⎠
⎟
++
⎛
⎝
⎜
⎞
⎠
⎟
→
∑
=
α
42
78
21
1
21
22

1
(3.11)
Trong ợã q lÌ tăng sè cĨc thÌnh phđn sộn vẹt chĨy vÌ x
i
lÌ thÌnh phđn mol cĐa chÊt i
trong sộn vẹt chĨy.
Phđn lín cĨc chÊt cã mật trong sộn phẻm chĨy cã thố xem ẽ trÓng thĨi cờn bững
Chương 3: Cơ chế hình thành NO
x
trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
35
nhiơt ợéng hảc trõ NO
x
, chÊt cã nạng ợé thay ợăi theo thêi gian. Trong phđn trởn chóng ta
giíi thiơu hơ phỨŨng trÈnh Zeldovich. Trong vÝ dô nÌy chóng ta sö dông hơ phỨŨng
trÈnh ợđy ợĐ hŨn cĐa ANNAND. Theo ANNAND, hơ cĨc phỨŨng trÈnh ợéng hảc phộn
ụng khèng chỏ sù hÈnh thÌnh NO
x
bao gạm 7 phỨŨng trÈnh thuẹn nghẺch sau ợờy:
NNO N O++
←⎯⎯
⎯→⎯
2
, k
T
f1
10
3110
160
=

−
⎛
⎝
⎜
⎞
⎠
⎟
,. .exp
(3.12)
N O NO O++
←⎯⎯
⎯→⎯
2
, kT
T
f2
6
6410
3125
=
−
⎛
⎝
⎜
⎞
⎠
⎟
, . . .exp (3.13)
NOH NOH++
←⎯⎯

⎯→⎯
, k
f3
10
4210= ,. (3.14)
HNO N OH++
←⎯⎯
⎯→⎯
22
,
(
)
kT
f4
10
310 5350=−. .exp . (3.15)
ONO N O++
←⎯⎯
⎯→⎯
222
, k
T
f5
12
3210
18900
=
−
⎛
⎝

⎜
⎞
⎠
⎟
,. .exp
(3.16)
ONO NONO++
←⎯⎯
⎯→⎯
2
, kk
ff65
=
(3.17)
NO M N O M
22
+++
←⎯⎯
⎯→⎯
, k
T
f7
12
10
30500
=
−
⎛
⎝
⎜

⎞
⎠
⎟
.exp
(3.18)
Tèc ợé tÓo thÌnh NO khi tÝnh theo gãc quay trôc khuủu viỏt dỨíi dÓng sau:
[]
dNO
d
V
n
R
R
RR
R
R
RRR
V
()
.
()
α
θ
θ
=−
+
+
+
+
++

⎛
⎝
⎜
⎜
⎜
⎜
⎞
⎠
⎟
⎟
⎟
⎟
30
1
11
2
1
1
23
6
6
457
(3.19)
Trong ợã:V: Thố tÝch cĐa phđn sộn phẻm chĨy (cm
3
); n: Sè vßng quay ợéng cŨ
(v/ph); α: Gãc quay trôc khuủu (ợé);
∏
=
=

n
j
ejfii
XkR
1
][; k
fi
: lÌ hững sè tèc ợé phộn ụng
thuẹn thụ i. (i=1÷7); [X
j
]
e
: nạng ợé ẽ trÓng thĨi cờn bững nhiơt ợéng cĐa chÊt tham gia
phộn ụng j trong phộn ụng thuẹn thụ i (mol/cm
3
); θ= [NO]
pỨ
/[NO]
e
.

3.5.3. Mỡ hÈnh chĨy khuỏch tĨn trong ợéng cŨ Diesel phun giĨn tiỏp
Trong giai ợoÓn chĨy khuỏch tĨn khỡng gian cĨc buạng chĨy cĐa ợéng cŨ Diesel
PGT ợỨîc chia thÌnh bèn khu vùc nhỨ hÈnh 3.9 vÌ 3.10. Sau giai ợoÓn chĨy nhanh,
nhiởn liơu ợỨîc tiỏp tôc phun vÌo, khỡng khÝ cßn lÓi trong buạng chĨy phô khuỏch tĨn
vÌo tia phun vÌ chĨy khuỏch tĨn (khu vùc 1). ớé ợẹm ợậc trung bÈnh trong khu vùc 1 tÙng
dđn vÌ quĨ trÈnh chĨy tÓi ợờy kỏt thóc khi ợé ợẹm ợậc trung bÈnh lín hŨn giĨ trẺ giíi hÓn
trởn cĐa φ. Khu vùc nÌy bao gạm nhiởn liơu chỨ
a chĨy, sộn phẻm chĨy. ẽ khu vùc 2, ban
Chương 3: Cơ chế hình thành NO

x
trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
36
ợđu lÌ khỡng khÝ, thố tÝch khu vùc nÌy thu hỦp dđn vÌ cuèi cĩng lÌ sộn phẻm chĨy chiỏm
chç.

Khu vùc 3 lÌ chĨy trong buạng chĨy chÝnh. ớđu tiởn nã bao gạm nhiởn liơu chỨa
chĨy hỏt, sộn phẻm chĨy khỡng hoÌn toÌn. Oxy trong buạng chĨy chÝnh khuỏch tĨn vÌo
khu vùc 3 (ợỨîc xem nhỨ mét ngản löa khuỏch tĨn míi). ớé ợẹm ợậc trung bÈnh cĐa khu
vùc nÌy giộm dđn vÌ quĨ trÈnh chĨy kỏt thóc khi toÌn bé lỨîng nhiởn liơu phun vÌo ợỈ
tiởu
thô hỏt. Khu vùc 4, chụa khỡng khÝ, thố tÝch khu vùc nÌy giộm dđn vÌ ợỏn cuèi quĨ
trÈnh chĨy nã bẺ sộn phẻm chĨy chiỏm chç hoÌn toÌn.



HÈnh 3.9: SŨ ợạ phờn chia khu vùc giai ợoÓn chĨy
khuỏch tĨn trong buạng chĨy chÝnh vÌ phô
HÈnh 3.10: Mỡ hÈnh cĨc vĩng phộn ụng trong
ợéng cŨ phun giĨn tiỏp
NhỨ vẹy cã thố xem quĨ trÈnh chĨy khuỏch tĨn trong ợéng cŨ Diesel phun giĨn tiỏp
gạm hai ngản löa khuỏch tĨn: Ngản löa thụ nhÊt chĨy trong buạng chĨy phô, cã ợậc ợiốm lÌ
tÓi miơng vßi phun chừ cã nhiởn liơu, ngản löa thụ hai chĨy trong buạng chĨy chÝnh tèc
ợé phun thÊp hŨn, ợỨêng kÝnh lç phun lín hŨn (chÝnh lÌ ợỨêng kÝnh hảng thỡng) vÌ
tÓi miơng hảng thỡng lÌ hçn hîp gạm nhiởn liơu vÌ sộn phẻm chĨy.
H
ơ phỨŨng trÈnh cđn giội ụng víi 6 ẻn sè lÌ nhiơt ợé khÝ tÓi cĨc vĩng 1, 2, 3, 4, Ĩp
suÊt trong buạng chĨy p vÌ nạng ợé NO
x
. Hơ phỨŨng trÈnh nÌy ợỨîc thiỏt lẹp dùa trởn

ợẺnh luẹt nhiơt ợéng hảc thụ nhÊt, phỨŨng trÈnh trÓng thĨi khÝ lỶ tỨẽng vÌ phỨŨng
trÈnh (3.19).

3.5.4. Kỏt quộ
Hơ phỨŨng trÈnh trởn ợỨîc Ĩp dông ợố tÝnh toĨn quĨ trÈnh chĨy vÌ sù hÈnh thÌnh
NO
x
trong ợéng cŨ KUBOTA. So sĨnh kỏt quộ tÝnh toĨn NO
x
víi kỏt quộ thùc nghiơm ẽ
cĨc gãc phun sím khĨc nhau ợỨîc trÈnh bÌy trởn hÈnh 3.11. Kỏt quộ tÝnh toĨn rÊt phĩ hîp
víi thùc nghiơm. Khi tÙng gãc phun sím dÉn ợỏn thêi ợiốm bÕt ợđu chĨy diÔn ra sím
e
d
c
f
Tia phun
Piston
Buạng chĨy
phô
Buạng chĨy
chÝnh
c
d
e
f
Chng 3: C ch hỡnh thnh NO
x
trong quỏ trỡnh chỏy ca ng c t trong
37

hn do ó lèm tng gi tr p suất cực ểi, nhit ộ cực ểi cao hn vẩ vy nng ộ
NO
x
sinh ra lớn hn.
So snh kt qu tính ton NO
x
với kt qu thực nghim cc số vòng quay khc
nhau trẩnh bèy trn hẩnh 3.12. Cèng tng số vòng quay tốc ộ vn ộng rối ca khng
khí trong bung chy cèng tng, lèm tng tốc ộ chy do ó NO
x
tng ln. Sự sai lch
gia tính ton l thuyt với thực nghim có th do vic gin hóa trong gi thit tính ton
khi dng m hẩnh rối k--g c trng cho vn ộng rối ca mi chất trong bung chy.
So snh kt qu tính ton NO
x
với kt qu thực nghim theo ộ m c trung bẩnh
ca hỗn hợp cc số vòng quay 1200 vòng/phút vè 2200 vòng/phút trẩnh bèy trn hẩnh
3.13 vè 3.14. Sự ph hợp gia tính ton vè thực nghim cho thấy có th dng h phng
trẩnh ộng hc phn ng ca Annand tính ton sự hẩnh thènh NO
x
trong khí x
ộng c Diesel.
0
10
20
30
40
50
60
70

80
16.5 18 19.5 21 22.5 24
Goùc phun sồùm (õọỹ)
Nọửng õọỹ NO
x
(ppm)
NOx Tờnh toaùn
NOx Thờ nghióỷm

15
20
25
30
35
40
45
50
1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200
Sọỳ voỡng quay (v/ph)
Nồng độ NO
x
(ppm)
NOx Tờnh toaùn
NOx Thờ nghióỷm

Hẩnh 3.11: So snh kt qu tính ton vè thí
nghim NO
x
ca ộng c KUBOTA theo góc
phun sớm, lợng nhin liu cung cấp chu trẩnh

Qct= 0.037g/ct
Hẩnh 3.12: So snh kt qu tính ton vè thí nghim
nng ộ NO
x
ca ộng c KUBOTA theo số vòng quay,
lợng nhin liu cung cấp chu trẩnh Qct=0.03g/ct; góc
phun sớm 21
o


Chương 3: Cơ chế hình thành NO
x
trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
38
0
10
20
30
40
50
11.11.21.31.4
HÖ sè d− l−îng kh«ng khÝ
Nång ®é NO
x
(ppm)
NOx Tinh to¸n(ppm)
NOx Thi nghiÖm (ppm)

0
10

20
30
40
50
60
1 1.1 1.2 1.3 1.4
HÖ sè d− l−
î
n
g
kh«n
g
khÝ
Nång ®é NO
x
(ppm)
NOx Tênh toaïn(ppm)
NOx Thê nghiãûm(ppm)

HÈnh 3.13: Kỏt quộ tÝnh toĨn vÌ thÝ nghiơm nạng ợé
NO
x
cĐa ợéng cŨ KUBOTA theo hơ sè dỨ lỨîng
khỡng khÝ khi n= 1200v/ph
HÈnh 3.14: Kỏt quộ tÝnh toĨn vÌ thÝ nghiơm nạng ợé
NO
x
cĐa ợéng cŨ KUBOTA theo hơ sè dỨ lỨîng
khỡng khÝ trung bÈnh khi n= 2200v/ph