Đồ án tốt nghiệp ngành cơ khí đóng tàu Phân tích kết quả và đề xuất một số giải pháp nhằm hạn chế nồng độ độc tố trong khí xả động cơ diesel

- 1 -
MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU 3
1.Tính thời sự của đề tài 3
2.Mục đích của đề tài 4
3.Nội dung chính của luận văn 4
4.Phương pháp nghiên cứu của đề tài 4
5.Phạm vi nghiên cứu của đề tài 4
6.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 5
PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH CHÁY ĐẾN THÀNH PHẦN
KHÍ THẢI TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL 7
1.1.QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL 7
1.1.1.Diễn biến quá trình cháy trong động cơ diesel 7
1.1.1.1.Giai đoạn chuẩn bị cháy 8
1.1.1.2.Giai đoạn tăng áp suất 8
1.1.1.3.Giai đoạn tăng nhiệt độ 9
1.1.1.4.Giai đoạn cháy rớt 9
1.1.2.Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy trong động cơ diesel 10
1.1.2.1.Các yếu tố ảnh hưởng đến giai đoạn chuẩn bị cháy 10
1.1.2.2.Các yếu tố ảnh hưởng đến các giai đoạn còn lại của quá trình cháy 12
1.1.3.Thành phần của khí xả động cơ diesel 13
1.1.4.Sự hình thành NOx trong động cơ 13
1.1.4.1.Sự hình thành mônôxit nitơ (NO) 15
1.1.4.2.Sự hình thành điôxit nitơ (NO2) 15
1.1.4.3.Sự hình thành Prôtôxit nitơ (N2O) 17
1.2.CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN THÀNH PHẦN KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ DIESEL
18
1.2.1.Ảnh hưởng của các yếu tố kết cấu động cơ 18
1.2.1.1.Ảnh hưởng của hình dạng buồng cháy 18
1.2.1.2.Ảnh hưởng của mức độ xoáy lốc 19
1.2.1.3.Ảnh hưởng của hệ thống tăng áp 20

1.2.2.Ảnh hưởng của các yếu tố khai thác động cơ 21
1.2.2.1.Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí 21
1.2.2.2.Ảnh hưởng của hồi lưu khí xả 22
1.2.2.3.Ảnh hưởng của việc cung cấp nhiên liệu 23
1.2.2.4.Ảnh hưởng của tính chất nhiên liệu 26
1.2.2.5.Ảnh hưởng của phụ tải và vòng quay động cơ 27
1.2.2.6.Ảnh hưởng của nhiệt độ khí cháy 28
1.2.2.7.Ảnh hưởng của các chế độ vận hành 28
1.3.CÁC BIỆN PHÁP GIẢM ĐỘC TỐ KHÍ XẢ CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL 29
1.3.1.Các nguyên tắc cơ bản để giảm thiểu độc tố khí xả động cơ diesel tàu thuỷ 29
1.3.2.Các phương pháp giảm thiểu độc tố khí xả 33
1.3.2.1.Phương pháp hoàn thiện kết cấu động cơ và điều chỉnh các thông số điều chỉnh 33
1.3.2.2.Phương pháp sử dụng phụ gia cho nhiên liệu, nhiên liệu sạch và hỗn hợp nhiên
liệu 39
1.3.2.3.Phương pháp sử dụng chất trung hoà và hồi lưu khí xả 41
LỰA CHỌN CÔNG THỨC TÍNH VÀ CHƯƠNG TRÌNH TÍNH 47
2.1.CƠ SỞ ĐỂ TÍNH TOÁN NỒNG ĐỘ ĐỘC TỐ 47
2.2.LỰA CHỌN CÔNG THỨC TÍNH 51
2.2.1.Phương pháp tính toán nồng độ NOx theo mô hình cân bằng năng lượng 51
2.2.2.Phương pháp tính toán nồng độ NOx theo động học phản ứng 52
2.2.2.1.Phương pháp tính toán theo mô hình ZELDOVICH 52
- 2 -
2.2.2.2.Phương pháp tính toán theo mô hình ANNAND 52
2.3.THUẬT TOÁN 54
2.4.CHƯƠNG TRÌNH TÍNH 54
2.5.TÍNH TOÁN NOX CHO ĐỘNG CƠ MẪU 55
2.5.1.Giới thiệu động cơ 55
2.5.2.Kết quả tính 55
PHÂN TÍCH KẾT QUẢ VÀ ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP NHẰM HẠN
CHẾ NỒNG ĐỘ ĐỘC TỐ TRONG KHÍ XẢ ĐỘNG CƠ DIESEL 58

3.1.PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 58
3.2.ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP HẠN CHẾ NỒNG ĐỘ ĐỘC TỐ TRONG KHÍ XẢ
ĐỘNG CƠ DIESEL 59
3.2.1.Phương pháp thay đổi nhiên liệu dùng cho động cơ 59
3.2.2.Phương pháp tác động vào quá trình cháy 59
3.2.3.Phương pháp xử lý thông qua các thiết bị phía sau động cơ 59
Phụ lục 62
Tài liệu tham khảo 81
- 3 -
PHẦN MỞ ĐẦU
1.Tính thời sự của đề tài
Trên thế giới hiện nay, vấn đề môi trường đang là một trong những vấn đề cấp
bách đối với toàn thể nhân loại. Các thiên tai ngày nay phần lớn do con người tạo ra
như: thủng tầng ozôn, mưa axit, hiệu ứng nhà kính, các hiện tượng bất thường trong tự
nhiên gây lụt lội, hạn hán … đã và đang tiếp tục xảy ra mà chính con người phải gánh
chịu mọi hậu quả.
Xuất phát từ thực trạng trên, tất cả các tổ chức trên thế giới trong đó có các cơ
quan bảo vệ môi trường đã ban hành và sửa đổi nhiều luật lệ, quy định, nghị định cụ
thể nhằm hạn chế sự phát sinh các chất ô nhiễm tới môi trường sống và bầu khí quyển
nói riêng đó là: các chất khí SO
x
, NO
x
, CO
x
, HC thải ra phải được giảm đến mức thấp
nhất ở các nước phát triển và hạn chế sự gia tăng ở các nước đang phát triển. Việc thải
các chất khí gây hiệu ứng nhà kính cần phải được hạn chế hết sức ở những nước có thu
nhập cao và ngăn chặn sự phát sinh nguồn thải mới ở những nước có thu nhập thấp.
Và các nhà chức trách vẫn lớn tiếng cảnh báo rằng: nếu các nhà chế tạo và người

sử dụng vẫn tiếp tục để khí thải từ các thiết bị sản xuất làm ô nhiễm môi trường như
hiện nay mà không có giải pháp cụ thể nào ngăn chặn thì sẽ bị cấm sử dụng hoàn toàn
dù có phải chịu chấp nhận thiệt hại về kinh tế. Nghĩa là không chỉ dừng lại ở mức
khuyến khích và đề nghị mà các cơ quan có thẩm quyền đã đến lúc phải dùng các biện
pháp cứng rắn hơn để cưỡng chế và bắt buộc thi hành luật định. Điều này khiến cho
các cơ sở sản xuất đã và đang sử dụng các loại động cơ đốt trong không thể làm ngơ
bởi họ cũng hiểu quá rõ tác hại của khí thải đối với môi trường.
Trong tất cả các loại động cơ nhiệt sinh công thì động cơ diesel vẫn được ưa
chuộng nhất do nhiều tính năng ưu việt, đặc biệt là tính kinh tế của nó. Tuy nhiên, nếu
những vấn đề liên quan đến mức độ phát sinh ô nhiễm từ khí xả của loại động cơ này
không được giải quyết một cách triệt để thì trong một tương lai gần nó sẽ phải đứng
trước ngưỡng giới hạn của luật môi trường ban hành từ nhiều cơ quan chức năng của
hầu hết các quốc gia trên thế giới. Điều này đồng nghĩa với việc: hoặc là những loại
động cơ này trên toàn thế giới sẽ bị cấm sử dụng hoặc bằng các giải pháp nào đó (kể
cả thay đổi nguyên lý cấu tạo hay quy trình khai thác) làm giảm bới đi hàm lượng độc
tố sinh ra từ động cơ.
Ngày nay bằng nhiều biện pháp công nghệ, người ta đã sản xuất ra loại động cơ
mới có các thiết bị chống ô nhiễm hoặc thay thế nhiên liệu ít ô nhiễm hơn. Tuy nhiên,
- 4 -
tỉ lệ động cơ mới này là quá ít và việc thay thế nhiên liệu không phải ở đâu hay bất cứ
động cơ nào cũng có thể áp dụng được. Bởi vậy, cần phải tìm kiếm các giải pháp có
thể áp dụng để làm giảm nồng độ NO
x
và các chất độc hại ngay trong quá trình cháy
của động cơ diesel. Một trong những giải pháp mà các hãng chế tạo động cơ diesel
trên thế giới hiện nay đang áp dụng mà có thể rút ngắn được quá trình thí nghiệm kiểm
định tính toán, đem lại hiệu quả kinh tế cao là nghiên cứu động cơ trên mô phỏng.
Xuất phát từ quan điểm đó, việc thực hiện đề tài này là nhằm tìm ra các giải pháp tối
ưu để hạn chế nồng độ các chất độc hại trong khí xả động cơ diesel.
2.Mục đích của đề tài

Phân tích ảnh hưởng của quá trình cháy đến thành phần khí thải động cơ diesel,
tính toán nồng độ NO
x
trên động cơ mẫu, từ đó tìm ra các biện pháp tối ưu để giảm
thiểu nồng độ NO
x
trong khai thác mà vẫn duy trì được các chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật
khác của động cơ.
3.Nội dung chính của luận văn
Mở đầu: Tổng quan
Chương I: Phân tích ảnh hưởng của quá trình cháy đến thành phần khí thải trong
động cơ diesel.
Chương II: Lựa chọn công thức tính và chương trình tính
Chương III: Phân tích kết quả và đề xuất một số giải pháp nhằm hạn chế nồng độ
độc tố trong khí xả động cơ diesel.
4.Phương pháp nghiên cứu của đề tài
Về lý thuyết: Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý luận thông qua các tài liệu liên
quan đến quá trình cháy và cơ chế hình thành NO
x
trong quá trình cháy nhiên liệu.
Về thực nghiệm: Tính toán nồng độ NO
x
trên động cơ 6чHCл, trên cơ sở phân
tích và đánh giá kết quả nhận được sẽ đề xuất một số biện pháp nhằm hạn chế nồng độ
độc tố trong khí xả động cơ diesel.
5.Phạm vi nghiên cứu của đề tài
Phạm vi nghiên cứu của đề tài được giới hạn bởi tạo lập một số tình huống tương
đương thông qua việc thay đổi một thông số hay một nhóm thông số đầu vào để tính
toán mà kết quả sẽ được lấy làm cơ sở để đánh giá sự hình thành NO
x

trong khí xả
động cơ và tình trạng kỹ thuật động cơ.
- 5 -
6.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Đề tài đã thực hiện những nghiên cứu cơ bản cơ chế hình thành NO
x
và các chất
độc hại trong khí xả. Thông qua những kết quả lý thuyết và thực nghiệm thu được đã
phân tích và đánh giá được sự ảnh hưởng của các thông số kết cấu và khai thác đến
mức độ hình thành NO
x
từ đó đề ra một số giải pháp tối ưu nhằm hạn chế nồng độ chất
độc hại trong khí xả động cơ diesel.
- 6 -
CHƯƠNG I:
PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG
CỦA QUÁ TRÌNH CHÁY ĐẾN
THÀNH PHẦN KHÍ THẢI
ĐỘNG CƠ DIESEL
- 7 -
PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH CHÁY ĐẾN
THÀNH PHẦN KHÍ THẢI TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL
1.1.QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL
1.1.1.Diễn biến quá trình cháy trong động cơ diesel
Quá trình cháy trong động cơ diesel thực chất là quá trình ôxy hoá các thành
phần hoá học có trong nhiên liệu kèm theo sự toả nhiệt mãnh liệt. Quá trình cháy bao
gồm hàng loạt các biến đổi về lý hoá, cái nọ nối tiếp cái kia và kéo dài cho đến cả sau
khi hỗn hợp đã bốc cháy.
Hình 1.1: Diễn biến quá trình cháy trong động cơ diesel
Ở cuối kỳ nén, nhiên liệu được phun vào trong xylanh động cơ dưới dạng sương,

nhờ nhiệt độ cao trong xylanh, các hạt nhiên liệu sẽ nhanh chóng bay hơi kèm theo
những biến đổi về vật lý, hình thành khí hỗn hợp và chuẩn bị cho nó bốc cháy. Quá
trình này chiếm một khoảng thời gian nhất định và được gọi là thời gian chuẩn bị
cháy, ký hiệu là τ
i
(giây), tương ứng với một khoảng góc quay ϕ
i
(độ) của trục khuỷu.
- 8 -
Quá trình cháy trong động cơ diesel bao gồm nhiều quá trình trung gian kế tiếp
nhau nhưng để cho việc nghiên cứu được dễ dàng, người ta chia qúa trình cháy thành 4
giai đoạn trên cơ sở căn cứ vào bản chất các quá trình xảy ra trong xylanh động cơ.
1.1.1.1.Giai đoạn chuẩn bị cháy
Giai đoạn chuẩn bị cháy được xác định bằng khoảng thời gian từ lúc nhiên liệu
bắt đầu phun vào xilanh động cơ (điểm c’) đến khi áp suất trong xylanh động cơ bắt
đầu tăng đột ngột, tức là đường cong áp suất biểu thị quá trình cháy tách khỏi đường
cong nén (điểm c). Giai đoạn này trong xylanh động cơ diễn ra hàng loạt các quá trình
phức tạp: sấy nóng nhiên liệu, bay hơi, phân huỷ các phần tử có liên kết dài thành các
phần tử có liên kết ngắn, ôxy hoá. Nhiên liệu đưa vào trong xylanh động cơ ở giai
đoạn thứ nhất chiếm 30 ÷ 40 % lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình. Giai đoạn này
được đặc trưng bằng thời gian chuẩn bị cháy τ
i
(giây) hay góc chuẩn bị cháy ϕ
i
(độ góc
quay trục khuỷu). Giữa thời gian chuẩn bị cháy và góc chuẩn bị cháy có quan hệ với
nhau theo công thức:
n
i
i

60
ϕ
τ
=
(s)
Trong đó: n là vòng quay động cơ (vòng/phút)
Thời gian chuẩn bị cháy τ
i
càng dài, lượng nhiên liệu tích luỹ trong giai đoạn này
càng lớn, nó sẽ ảnh hưởng đến đặc tính quá trình cháy. Đặc biệt trong các động cơ cao
tốc, lượng nhiên liệu cấp trong giai đoạn này khá cao. Cá biệt có những động cơ lượng
nhiên liệu cấp trong giai đoạn này bằng 100% lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình.
Thời gian chuẩn bị cháy dài hay ngắn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: trạng thái kỹ
thuật của động cơ, loại nhiên liệu, góc phun sớm …
1.1.1.2.Giai đoạn tăng áp suất
Giai đoạn này gọi là giai đoạn cháy nổ, được xác định bằng khoảng thời gian từ
lúc bắt đầu sự bốc cháy rõ rệt của nhiên liệu (điểm c) đến thời điểm áp suất trong
xilanh động cơ đạt giá trị lớn nhất (điểm z’). Ở giai đoạn này tốc độ toả nhiệt của
nhiên liệu rất lớn đồng thời áp suất chất khí trong xilanh động cơ cũng tăng lên một
cách đág kể.
Để đánh giá chất lượng và mức độ cháy mãnh liệt của giai đoạn này, người ta
dùng hai thông số là:
- 9 -
Tốc độ tăng áp suất: W
ϖ
d
dP
=
; W
max







=
ϖ
d
dP
max
Hoặc tốc độ tăng áp suất trung bình: W
tb
=
ϕ
∆
∆P
Hai thông số trên đánh giá mức độ làm việc nhẹ nhàng, tin cậy của động cơ. Trị
số W, W
tb
lớn, động cơ làm việc cứng có tiếng gõ. Khi tốc độ tăng áp suất quá cao có
thể dẫn đến hư hỏng bệ đỡ, trục khuỷu của động cơ và các chi tiết khác. Khi động cơ
làm việc bình thường, giá trị của W nằm trong khoảng 1÷ 6 (kg/cm
2
.độ GQTK).
Sở dĩ trong giai đoạn này có sự toả nhiệt mãnh liệt là vì phần nhiên liệu phun vào
trong giai đoạn chuẩn bị cháy đã bắt đầu bốc cháy. Nhiệt lượng toả ra trong giai đoạn
này chiếm khoảng 1/3 số nhiệt lượng do nhiên liệu cung cấp.
1.1.1.3.Giai đoạn tăng nhiệt độ
Giai đoạn này được tính từ lúc áp suất trong xilanh động cơ đạt giá trị cực đại

(điểm z’) đến khi nhiệt độ chất khí trong xilanh đạt giá trị cực đại (điểm T
max
). Trong
giai đoạn này, việc cung cấp nhiên liệu vào trong xilanh động cơ cơ bản là chấm dứt.
Cường độ toả nhiệt ở giai đoạn này bắt đầu giảm xuống do nồng độ ôxy giảm. Ở đầu
giai đoạn này mặc dù piston đã đi xuống, thể tích xilanh tăng dần nhưng do nhiên liệu
còn tiếp tục cháy mãnh liệt nên nhiệt độ tiếp tục tăng cao và đạt giá trị lớn nhất còn áp
suất trong xilanh động cơ thay đổi không lớn lắm. Đây là giai đoạn phát nhiệt chủ yếu,
nhiệt lượng toả ra trong giai đoạn này chiếm khoảng (40 ÷ 50)% toàn bộ nhiệt lượng
do nhiên liệu cháy. Sự thay đổi áp suất trong xilanh động cơ ở giai đoạn này phụ thuộc
vào mối tương quan giữa tốc độ cấp nhiên liệu và việc tăng thể tích của xilanh công
tác. Mặc dù quá trình cấp nhiên liệu thường kết thúc ở cuối giai đoạn này nhưng quá
trình cháy có thể còn tiếp tục sau điểm z vì quá trình cháy đã bị chậm lại do số lượng
ôxy tự do trong xilanh động cơ giảm xuống.
1.1.1.4.Giai đoạn cháy rớt
Giai đoạn này tương ứng với thời kỳ cháy rớt của nhiên liệu, được tính từ lúc
nhiệt độ chất khí trong xilanh động cơ đạt giá trị cực đại đến khi kết thúc quá trình
cháy nhiên liệu (điểm d). Trong giai đoạn này, tốc độ toả nhiệt giảm và tốc độ cháy
nhiên liệu diễn ra chậm. Trong tất cả các động cơ diesel hầu như đều tồn tại giai đoạn
cháy rớt này. Do tốc độ quay cao, các động cơ cao tốc có quá trình cháy rớt dài sẽ làm
tổ thất nhiệt khí xả tăng, tính kinh tế của động cơ giảm xuống, làm xấu đi chế độ nhiệt
- 10 -
của các chi tiết, đặc biệt là nhóm piston và cơ cấu phân phối khí. Giảm hệ số dư lượng
không khí α (đặc biệt ở chế độ quá tải), giảm góc phun sớm, chất lượng phun nhiên
liệu kém, thay đổi loại nhiên liệu sử dụng, tăng số vòng quay và hàng loạt các yếu tố
khác thay đổi là nguyên nhân làm cho quá trình cháy rớt phát triển.
Để rút ngắn thời gian cháy rớt cần phải đảm bảo chất lượng tạo hỗn hợp, tăng hệ
số dư lượng không khí α và rút ngắn thời gian cấp nhiên liệu ở giai đoạn 3.
1.1.2.Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy trong động cơ diesel
1.1.2.1.Các yếu tố ảnh hưởng đến giai đoạn chuẩn bị cháy

Thời gian của giai đoạn chuẩn bị cháy rất ngắn τ
i
= 0,005 ÷ 0,001 (giây). Thời
gian chuẩn bị cháy và quy luật cấp nhiên liệu hay lượng nhiên liệu cấp trong thời gian
chuẩn bị cháy có ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ tăng áp suất và độ cứng của động cơ
làm việc êm, tránh được các hư hỏng do các ứng suất cơ gây ra. Các yếu tố ảnh hưởng
đến thời gian chuẩn bị cháy bao gồm các yếu tố hoá học, các yếu tố vật lý, các yếu tố
cấu tạo và các yếu tố khai thác.
Các yếu tố về hoá học bao gồm thành phần, tính chất và cấu trúc của nhiên liệu,
nồng độ ôxy trong buồng đốt, lượng khí sót còn sót lại của chu trình trước và các chất
phụ gia kích thích quá trình cháy khi pha thêm vào nhiên liệu.
Trong các yếu tố về hoá học thì thành phần và tính chất của nhiên liệu có ảnh
hưởng đáng kể đến giai đoạn chuẩn bị cháy. Trị số xêtan của nhiên liệu sử dụng càng
lớn càng rút ngắn thời gian chuẩn bị cháy và do vậy tốc độ tăng áp suất sẽ giảm đi.
Tăng nồng độ ôxy, giảm lượng khí sót trong buồng đốt hay pha thêm các chất phụ gia
kích thích quá trình cháy vào trong nhiên liệu đều có thể làm rút ngắn thời gian chuẩn
bị cháy.
Các yếu tố vật lý bao gồm áp suất, nhiệt độ cuối kỳ nén và mật độ không khí
trong buồng đốt.
Trong các yếu tố vật lý thì áp suất và nhiệt độ cuối kỳ nén có ảnh hưởng nhiều
nhất đến giai đoạn chuẩn bị cháy. Tăng áp suất và nhiệt độ cuối quá trình nén sẽ rút
ngắn được τ
i
. Tuy nhiên người ta cũng chứng tỏ được rằng khi nhiệt độ cuối kỳ nén
nhỏ hơn 400°C thì ảnh hưởng của T
c
đến τ
i
mới thấy rõ. Còn khi T
c

lớn hơn 400°C thì
ảnh hưởng của nó đến thời gian chuẩn bị cháy là không đáng kể.
- 11 -
Các yếu tố kết cấu bao gồm tỷ số nén, kết cấu buồng cháy, vòng quay động cơ,
góc phun sớm nhiên liệu, tính dẫn nhiệt của piston, xilanh, cường độ làm mát piston là
các yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến giai đoạn chuẩn bị cháy.
Các yếu tố kết cấu ảnh hưởng đến thông số cuối kỳ nén và chất lượng hoà trộn
của hỗn hợp. Tăng ε làm cho thông số cuối kỳ nén tăng, tạo điều kiện thuận lợi cho sự
chuẩn bị cháy nhiên liệu. Đối với động cơ sử dụng các loại nhiên liệu khác nhau thì
ảnh hưởng của tỷ số nén đến thời gian chuẩn bị cháy cũng khác nhau.
Tăng số vòng quay của động cơ làm cho thời gian chuẩn bị cháy τ
i
giảm xuống
còn góc tương ứng với thời gian chuẩn bị cháy ϕ
i
ngược lại lại tăng lên. Ảnh hưởng
của tỷ số nén ε và vòng quay động cơ đến thời gian chuẩn bị cháy được thể hiện trên
hình 1.2.
Hình 1.2: Ảnh hưởng của tỉ số nén
ε
và tốc độ quay đến góc chuẩn bị cháy
ϕ
i
(gqtk)
Còn ảnh hưởng của góc phun sớm được giải thích như sau: Trong mỗi động cơ,
khi làm việc ở tốc độ quay định mức đều có một góc phun sớm có lợi nhất gọi là góc
phun sớm tối ưu. Tăng góc phun sớm lớn hơn góc phun sớm tối ưu là nhiên liệu được
phun vào trong xilanh động cơ khi nhiệt độ và áp suẩttong xilanh còn thấp dẫn đến
thời gian chuẩn bị cháy quá lớn sẽ làm cho quá trình cháy cứng, ứng suất cơ tăng. Còn
giảm góc phun sớm so với góc phun sớm tối ưu sẽ làm cho quá trình cháy rớt phát

triển, tính kinh tế của động cơ giảm xuống.
Chất lượng tạo hỗn hợp sẽ làm thay đổi quá trình ôxy hoá các hạt nhiên liệu
trong thời gian chuẩn bị cháy và do đó thời gian chuẩn bị cháy sẽ dài ra hay ngắn đi.
Chất lượng tạo hỗn hợp phụ thuộc chủ yếu vào chất lượng phun nhiên liệu và chuyển
động xoáy lốc của dòng không khí cuối kỳ nén. Động cơ có buồng cháy xoáy lốc có
khả năng tạo hỗn hợp tốt hơn động cơ có buồng cháy thống nhất.
0 9
10
10
11
12 13
14 15
20
30
40
400 800 1200
6
7
8
9
10
- 12 -
Vật liệu chế tạo piston cũng có ảnh hưởng đáng kể tới thời gian chuẩn bị cháy,
đặc biệt là ở chế độ khởi động. Những động cơ có piston chế tạo bằng nhôm khi ở chế
độ khởi động sẽ khó khởi động hơn hoặc dễ bị nhảy van an toàn do thời gian chuẩn bị
cháy kéo dài. Ở những động cơ này, thời gian chuẩn bị cháy bị kéo dài chủ yếu do khả
năng truyền nhiệt tốt của piston và khe hở giữa piston và xilang lớn do hệ số giãn nở
nhiệt lớn, điều này làm giảm chỉ số nén đa biến và dẫn đến làm giảm áp suất và nhiệt
độ cuối kì nén.
Các yếu tố về khai thác bao gồm các điều kiện về môi trường như áp suất, nhiệt

độ, độ ẩm không khí môi trường, nhiệt độ nước làm mát, phụ tải và trạng thái nhiệt
của động cơ. Các yếu tố này sẽ ảnh hưởng đến các thông số vật lý, hoá học và do đó
ảnh hưởng đến thời gian chuẩn bị cháy trong xilanh động cơ.
1.1.2.2.Các yếu tố ảnh hưởng đến các giai đoạn còn lại của quá trình cháy
Giai đoạn 2 tức là giai đoạn cháy nổ phụ thuộc rất nhiều vào thời gian chuẩn bị
cháy. Trong cùng một điều kiện khai thác, khi rút ngắn thời gian chuẩn bị cháy τ
i
sẽ
làm cho tốc độ tăng áp suất
ϕ
d
dP
và áp suất cháy lớn nhất P
z
giảm xuống, động cơ làm
việc êm, nhẹ nhàng hơn.
Ngoài yếu tố τ
i
thì lượng nhiên liệu cấp vào trong thời gian chuẩn bị cháy q
i
cũng
là yếu tố đáng kể ảnh hưởng tới sự thay đổi P
z
và dP/dϕ. Vì vậy:
( )
ii
qf
d
dP
,

τ
ϕ
=
Thay đổi quy luật cấp nhiên liệu sẽ làm q
i
thay đổi, vì vậy trong những động cơ
diesel tàu thuỷ hiện đại, người ta chế tạo cam nhiên liệu có biên dạng thay đổi nhằm
thay đổi vận tốc của piston bơm cao áp. Áp suất phun nhiên liệu ở giai đoạn đầu của
những bơm cao áp loại này có thể nhỏ hơn 2 ÷ 3 lần so với giai đoạn cuối.
Giai đoạn cháy thứ 3 là giai đoạn cháy khi piston đã đi từ ĐCT xuống ĐCD.
Thời gian của giai đoạn 3 phụ thuộc vào thời gian của giai đoạn 1, giai đoạn 2 và góc
cấp nhiên liệu toàn bộ. Thay đổi góc cấp nhiên liệu toàn bộ sẽ làm cho thời gian của
giai đoạn 3 thay đổi. Khi góc cấp nhiên liệu toàn bộ không đổi việc kéo dài hay rút
ngắn thời gian của giai đoạn 1 sẽ làm thay đổi giai đoạn 3.
Có thể dùng thông số sau để phân tích đường cong quá trình cháy đó là:
- 13 -
tb
i
Y
ϕ
ϕ
−= 1
Trong đó:
ϕ
i
: góc quay trục khuỷu tương ứng với thời gian chuẩn bị cháy
ϕ
tb
: góc cấp nhiên liệu toàn bộ
Từ công thức trên có thể thấy.

Khi ϕ
i
= ϕ
tb
→ y = 0 , quá trình cháy diễn ra không khống chế được.
Khi y tăng dần đến 1 tức là ϕ
i
giảm dần đến 0, việc khống chế quá trình cháy
tăng lên. Khi y = 1, (ϕ
i
= 0) quá trình cháy khống chế được hoàn toàn. Thực tế điều
này không thể xảy ra được với các động cơ diesel.
Khi y <0 thời gian chuẩn bị cháy dài hơn thời gian cấp nhiên liệu toàn bộ. Trong
thực tế, trường hợp này có thể xảy ra trong quá trình khởi động động cơ diesel ở trạng
thái nguội lạnh.
Khi ϕ
i
giảm xuống, y tăng lên, quá trình cháy tiến dần đến quá trình cháy nhanh,
hiệu suất chỉ thị của động cơ tăng và đồng thời các thông số động của chu trình cũng
tăng theo. Các động cơ diesel tàu thuỷ công suất lớn, giá trị của y nằm trong khoảng
0,55 ÷ 0,80.
Giai đoạn 4 của quá trình cháy là hậu quả của tất cả các giai đoạn trước. Càng rút
ngắn được thời gian của giai đoạn 4 thì tính kinh tế của động cơ càng tăng, trạng thái
nhiệt của các chi tiết nhóm piston xilanh càng đảm bảo. Giảm tốc độ quay của động
cơ, tăng hệ số dư lượng không khí α hoặc cải thiện chất lượng phun sương và tạo hỗn
hợp là những biện pháp hữu hiệu nhằm rút ngắn giai đoạn cháy rớt này. Tuy nhiên giai
đoạn 4 này vẫn tồn tại trong tất cả các động cơ diesel.
1.1.3.Thành phần của khí xả động cơ diesel
Khí xả động cơ daesel là sản phẩm của phản ứng cháy giữa nhiên liệu và không
khí nạp nên thành phần chủ yếu của nó là CO

2
và H
2
O. Ngoài ra còn có CO và HC
sinh ra trong điều kiện thiếu không khí. Cuối cùng là các hợp chất của NO
x
và SO
x
sinh ra trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao.
1.1.4.Sự hình thành NO
x
trong động cơ
Hợp chất NO
x
là tên gọi chung cho ôxit nitơ, bao gồm hai ôxit: đó chính là ôxit
nitơ (NO) và điôxit nitơ (NO
2
). Về bản chất, NO
x
là chất khí tồn tại trong khí xả có
hàm lượng độc tố cao. Tuy có hàm lượng nhỏ trong khí xả nhưng lại là một trong
- 14 -
những thành phần chủ yếu gây ô nhiễm bên cạnh những chất như CO
2
, SO
2
, HCHO,
Ch
4
… Vì thế, việc xác định tỷ lệ NO

x
trong khí xả là rất cần thiết để có thể biết được
mức độ gây ô nhiễm của từng động cơ.
Hợp chất NO
x
được tạo thành từ hai nguyên tử phổ biến nhất trong khí quyển:
ôxy và nitơ. Ôxy là nguyên tử đóng vai trò quan trọng trong bầu không khí. Nó là
nguyên tử có hoạt tính mạnh tham gia phản ứng ở tất cả các dạng sinh, lý, hoá như:
bảo đảm sự sống cho sinh vật, duy trì sự cháy và ôxy hoá với hầu hết các chất khác.
Còn với nitơ theo quan niệm hoá học, là một chất khí trơ trong môi trường tự nhiên, có
tác dụng kìm hãm sự cháy. Hàm lượng nitơ trong không khí là lớn nhất, tới 78%
(trong khi ôxy đứng thứ hai là 21%), nhưng nó ít gây ảnh hưởng đến quá trình sinh
hoá trong tự nhiên. Nitơ không hoạt động mạnh như ôxy bởi lẽ năng lượng tạo nên các
liên kết phân tử nitơ tương đối lớn (E = 942 kJ/mol). Các quá trình phân ly quang học
của nitơ đòi hỏi các phôton có bước sóng λ < 169 nm, và do đó tất cả chỉ có thể xảy ra
ở tầng bình lưu trong bầu khí quyển.
Nhưng thực tế cho thấy, khả năng hoạt hoá của nitơ tăng theo chiều tăng nhiệt độ
từ 700 ÷ 1700°C. Tại khoảng nhiệt độ này nitơ tác dụng với ôxy theo hai phản ứng
hoàn toàn và không hoàn toàn, hình thành hai ôxit: ôxit nitơ (NO) và điôxit nitơ (NO
2
).
Phương trình phản ứng ôxy hoá ôxit nitơ được thể hiện như sau:
N
2
+ O
2
<=> 2NO
N + O
2
<=> NO + O

Sự hình thành NO
2
cũng được thể hiện qua các phương trình phản ứng sau:
NO + H
2
O <=> NO
2
+ HO
NO + O
3
<=> NO
2
+ O
2
Bởi vậy, việc đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và không khí trong buồng đốt của
xilanh động cơ diesel sẽ tạo ra một lượng NO
x
rất lớn thải vào bầu khí quyển. Khi
nhiệt độ càng cao, khả năng hoạt hoá của nitơ càng lớn tạo các phản ứng nhanh, mạnh
hơn, hình thành lượng NO
x
lớn hơn trong cùng một thời gian công tác của động cơ. Vì
vậy, tất cả các yếu tố tác động nhằm nâng cao nhiệt độ buồng đốt đều làm tăng mức độ
ô nhiễm của NO
x
đối với môi trường.
Theo lý thuyết nói chung NO
x
sinh ra theo 3 cơ chế: NO
x

nhiệt, NO
x
tức thời,
NO
x
nhiên liệu. Tuy nhiên đối với quá trình cháy của động cơ, nguồn chính tạo ra NO
x
là nitơ phân tử (N
2
) trong không khí nạp vào xilanh động cơ (thưo cơ chế nhiệt của
NO
x
). Các loại nhiên liệu diesel nói chung chứa rất ít nitơ (khoảng 0,1%) nên ảnh
- 15 -
hưởng của nitơ có trong nhiên liệu đến nồng độ NO
x
không đáng kể. Chỉ có nhiên liệu
nặng chứa vài ba phần nghìn khối lượng nitơ được sử dụng ở các động cơ thấp tốc
dưới tàu thuỷ là có thể phát sinh ra một lượng nhỏ NO
x
. Tuy nhiên mức độ này quá ít
và không đáng quan tâm.
1.1.4.1.Sự hình thành mônôxit nitơ (NO)
Sự hình thành mônôxit nitơ (NO) do ôxy hoá phân tử nitơ trong không khí đã
được nghiên cứu qua nhiều mô hình khác nhau từ đơn giản đến phức tạp. Trong điều
kiện môi trường của buồng đốt, khi hệ số dư lượng không khí α xấp xỉ bằng 1, những
phản ứng chính tạo thành và phân huỷ NO theo hai chiều thuận nghịch:
O + N
2
<=> NO + N – 316 kJ/mol (1)

N + O
2
<=> NO + O + 136 kJ/mol (2)
N + OH <=> NO + N (3)
Phản ứng (3) chủ yếu xảy ra trong vùng giàu nhiên liệu khi nồng độ hiđrô trong
hỗn hợp cháy cao. Còn các phản ứng khác diễn ra mạnh trong khu vực đang phản ứng
cũng như trong vùng sản phẩm cháy. Trong buồng cháy của động cơ, dưới tác dụng
của áp suất cao, bề dày màng lửa không đáng kể và tồn tại trong thời gian rất ngắn, so
đó hầu như toàn bộ NO hinhg thành phía sau màng lửa. Tuy nhiên, chính bộ phận nhỏ
NO được tạo ra trong khu vực phản ứng (hoặc là trong màng lửa) mới có thể tạo ra
những chất còn lại của họ NO
x
như NO
2
, N
2
O … Vì tốc độ phản ứng tạo NO thấp hơn
nhiều so với tốc độ phản ứng cháy, nên trong khu vực phản ứng cháy nồng độ NO ít
chịu ảnh hưởng của nồng độ ôxy. Theo thí nghiệm Heywoos, sau điểm chết trên
khoảng 20° thì nồng độ NO không thay đổi nữa và bằng chính giá trị đo được trên
đường xả, nghĩa là toàn bộ NO được sinh ra tại giai đoạn cháy mãnh liệt nhất và có
nhiệt độ cao nhất. Từ đó cũng cho biết rằng nồng độ No phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ
của phản ứng cháy.
1.1.4.2.Sự hình thành điôxit nitơ (NO
2
)
Qua việc tính toán nồng độ của các chất trong sản phẩm cháy theo điều kiện cân
bằng nhiệt động cho thấy: trong điều kiện cháy bình thường của hỗn hợp đồng nhất,
nồng độ NO
2

so với nồng độ NO là rất nhỏ trong tổng lượng khí thải NO
x
và ta có thể
bỏ qua. Điều này phù hợp với động cơ đánh lửa cưỡng bức. Còn đối với động cơ nén
tự cháy như động cơ diesel, do quá trình cháy khuếch tán rất mạnh nên người ta
thường thấy có đến 10 ÷ 30% NO
x
ở dạng NO
2
.
- 16 -
Từ các nghiên cứu cho thấy điôxit nitơ (NO
2
) được hình thành từ NO và chất
trung gian của sản phẩm cháy HO
2
(được tạo ra từ quá trình phân huỷ các phân tử
phức tạp của nhiên liệu trong buồng đốt ngay trước khi quá trình cháy diễn ra). Sự
hình thành này xảy ra ngay taong quá trình cháy ơt buồng đốt và được thể hiện bởi
phương trình phản ứng sau:
NO + HO
2
→ NO
2
+ HO
Và cũng trong điều kiện nhiệt độ cao tai buồng đốt, NO
2
tạo thành có thể phân
giải thành NO khi kết hợp với ôxy, được thể hiện qua phương trình phản ứng:
NO

2
+ O → NO + O
2
Trong trường hợp NO
x
sinh ra trong ngọn lửa bị làm mát ngay bởi môi chất có
nhiệt độ thấp thì sẽ không thể trở lại dạng NO ban đầu, nghĩa là lượng NO
2
tạo ra tử
NO sẽ được duy trì trong sản phẩm cháy và trong dòng khí xả của động cơ.
- 17 -
Khi động cơ diesel làm việc ở chế độ tải thấp thì trong buồng cháy tồn tại nhiều
vùng lạnh có khả năng làm giảm và ngăn chặn phản ứng ngược, trong trường hợp này
tỷ lệ NO
2
có trong NO
x
là rất lớn.
Hình 1.3: Tỷ lệ NO
2
/NO
x
theo tải ứng với các tốc độ khác nhau của động cơ
Ngoài ra, NO
2
cũng hình thành từ NO trên đường xả khi tốc độ thải nhỏ và có sự
hiện diện của ôxy trong khí xả, lượng NO
2
hònh thành trên đường xả chiếm khoảng 5
÷ 10% tổng lượng thải NO

2
. Đồng thời một phần NO
2
cũng được hình thành khi ra
khỏi ống khói, tiếp tục quá trình ôxy hoá O
2
ở điều kiện môi trường xung quanh và tạo
nên một lượng NO
2
đáng kể.
Hình 1.3 cho thấy tỷ lệ NO
2
so với tổng lượng thải NO
x
trong đường xả của động
cơ diesel theo chế độ tải và giá trị của nó sẽ tăng khi giảm tải, và đồng thời tỷ lệ này
cũng sẽ giảm khi vòng quay của động cơ tăng lên.
1.1.4.3.Sự hình thành Prôtôxit nitơ (N
2
O)
Trong họ NO
x
thì N
2
O có tỷ lệ thấp nhất, thậm chí có thể bỏ qua, nhưng sự hình
thành N
2
O lại cần phải quan tâm bởi tính chất độc hại cũng như nó tạo ra các sản phẩm
khác qua các quá trình phản ứng kết hợp và phân giải với các chất trung gian.
Prôtôxit nitơ (N

2
O) chủ yếu hình thành từ các sản phẩm trung gian NH và NCO
khi chúng tác dụng với NO, được thể hiện qua các phản ứng sau:
NH + NO → N
2
O + H
NCO + NO → N
2
O + CO
100 200 300 400
5
10
15
20
25
30
0
¸p suÊt cã Ých trung b×nh (kPa)
Tû lÖ NO
2
/NO
x
(%)
1700 (v/p)
2000 (v/p)
2400 (v/p)
- 18 -
Cơ chế hình thành N
2
O bị giới hạn ở vùng hyđrat hoá, nơi có mất độ nguyên tử

hyđrô cao sẽ xảy ra sự phân giải mạnh mẽ Prôtôxit nitơ theo phản ứng:
N
2
O + H → NH + NO
N
2
O + H → N
2
+ OH
Trong các sản phẩm cháy tại buồng đốt, đều là các phản ứng oxy hoá. Chính vì
vậy trong sản phẩm cháy của động cơ diesel, tỷ lệ Prôtôxit nitơ (N
2
O) rất thấp, chỉ đạt
khoảng 3 ÷ 8 ppm trong tổng hợp lượng thải NO
x
được sinh ra trong quá trình cháy.
Theo tính toán, tỷ lệ N
2
O do các phương tiện giao thông gây ra chỉ chiếm khoảng
6,5% trong tổng lượng N
2
O trên toàn cầu.
1.2.CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN THÀNH PHẦN KHÍ THẢI ĐỘNG
CƠ DIESEL
Theo các nhà nghiên cứu, có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự tạo thành NO
x
và
hàm lượng các độc tố như: CO, HC, SO
x
, bồ hóng … và được chia thành 3 loại: yếu tố

kết cấu, tình trạng kỹ thuất và yếu tố khai thác. Các yếu tố kết cấu như: mức độ xoáy
lốc, dạng buồng cháy, việc tăng áp động cơ… Còn các yếu tố khai thác như: hệ số dư
lượng không khí, hồi lưu khí xả, cung cấp nhiên liệu, phụ tải và vòng quay động cơ,
tính chất nhiên liệu, nhiệt độ cực đại, các chế độ vận hành động cơ.
1.2.1.Ảnh hưởng của các yếu tố kết cấu động cơ
1.2.1.1.Ảnh hưởng của hình dạng buồng cháy
Theo các nghiên cứu cho thấy, hình dạng buồng cháy ảnh hưởng lớn đến tính
năng kinh tế - kỹ thuật và mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ, Nếu xét trong các
điều kiện như nhau giữa hai kiểu buồng cháy thống nhất và buồng cháy phân cách thì
nồng độ NO
x
trong kiểu buồng cháy thống nhất lớn hơn. Sự khác nhau này có thể được
giải thích là: trong động phun gián tiếp (buồng cháy phân cách) hỗn hợp quá đậm
trong buồng cháy phụ và quá loãng trong buồng cháy chình có tác dụng làm giảm tốc
độ tạo thành NO
x
.
Người ta đã tính được rằng, một bộ phận nhỏ NO được hình thành trong buồng
cháy chính (không quá 35%), còn phần lớn được hình thành trong buồng cháy phụ ở
môi trường hỗn hợp đậm đặc. Ngay sau đó NO chuyển sang buồng cháy chính ở đó
các phản ứng phân giải NO bị ngăn chặn do hoà trộn bới không khí thừa. Chính vì
phần lớn NO sinh ra trong buồng cháy phụ nên việc tăng thể tích buồng cháy phụ sẽ
tăng nồng độ NO ở động cơ phun gián tiếp.
- 19 -
Hỡnh 1.4 cho thy s nh hng ca t s th tớch bung chỏy ph trờn bung
chỏy chớnh n nng NO
x
trong ng c phun giỏn tip. T s ny c ký hiu V
r
,

v nng NO
x
l hm ca m hn hp nhiờn liu khụng khớ.
Hỡnh 1.4: nh hng ca t s th tớch bung chỏy ph trờn bung chỏy chớnh
n nng NO
x
Nh vy, vi cựng mt ch ti, m c hn hp thỡ t l th tớch gia
bung chỏy ph v bung chỏy chớnh trong ng c phun giỏn tip tng hoc gim s
lm nng NO
x
tng hoc gim theo.
1.2.1.2.nh hng ca mc xoỏy lc
Trong thc t, cú rt nhiu nh piston c thit k nhm mc ớch to xoỏy lc
khi np khụng khớ vo bung t lm tng kh nng ho trn hn hp khụng khớ -
nhiờn liu.
Qua nhiu thc nghim, vn ng xoỏy lc trong quỏ trỡnh np gõy nh hng
ngc nhau gia mt bờn l nng NO
x
v ting n, mt bờn l nng HC v b
húng. Khi mc xoỏy lc khụng khớ np cng cao, ngha l mc ho trn gia
nhiờn liu khụng khớ cng mnh thỡ s cng lm gim i mc phỏt sinh b húng
(khúi en) trong xilanh. Nhng chớnh vỡ iu ny ó lm tng ỏp sut cc i v nhit
cc i trong xilanh nờn lm tng n v tng mc phỏt sinh NO
x
. Ngc li khi
mc xoỏy lc khớ np gim s lm gim vn ng ri ca khụng khớ trong bung
chỏy, tc to thnh NO
x
gim xung nhng b húng li tng lờn.
0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

1,1
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Độ đậm hỗn hợp
Nồng độ NOx (ppm)
50% tải
70% tải
Toàn tải
Vr = 0,4
Vr = 0,35
Vr = 0,3
- 20 -
Hình 1.5 thể hiện sự ảnh hưởng của tỷ số xoáy lốc đến sự phát sinh bồ hóng và
NO
x
trong xilanh động cơ. Hình vẽ đã chỉ ra sự trái ngược nhau giữa việc phát sinh hai
độc tố phổ biến này khi tỉ số xoáy lốc tăng lên hoặc giảm đi.
Hình 1.5: Ảnh hưởng của tỉ số xoáy lốc đến NO
x
và bồ hóng
Mức độ xoáy lốc khí nạp cũng ảnh hưởng đến suất tiêu hao nhiên liệu của động
cơ. Khi tỉ số xoáy lốc tăng sẽ làm tăng tốc độ hình thành NO
x

nhưng lại làm giảm suất
tiêu hao nhiên liệu, cũng là giảm tốc độ phát sinh bồ hóng. Bởi vậy khi thiết kế, việc
lựa chọn một kết cấu động cơ có tỷ số xoáy lốc hợp lý sẽ có khả năng giải quyết đồng
thời việc hạn chế bồ hóng, NO
x
và suất tiêu hao nhiên liệu. Như vậy sẽ đáp ứng được
yêu cầu vừa không gây ô nhiễm, vừa đảm bảo tính kinh tế của động cơ.
1.2.1.3.Ảnh hưởng của hệ thống tăng áp
Tăng áp là một biện pháp kỹ thuật với mục đích nhằm nâng cao công suất động
cơ trong cùng một điều kiện khai thác. Trong các động cơ có tăng áp, áp suất khí nạp
tăng lên làm tăng mật độ khí nạp vào xilanh, tăng nồng độ ôxy dẫn đến tăng tốc độ
cháy trong buồng đốt, do vậy nhiệt độ cực đại T
max
cao hơn nên tốc độ hình thành NO
x
lớn hơn. Nhưng tăng áp cho phép giảm sẹ hình thành CO và bồ hóng. Đồng thời tăng
áp còn làm cho công suất động cơ tăng cao hơn so với động cơ không tăng áp có cùng
thông số thiết kế và điều kiện làm việc. Chính vì điều này mà ngày nay hầu hết các
động cơ (nhất là động cơ chính lai chân vịt) người ta đều trang trí hệ thống tăng áp khí
nạp.
0 2 4 6 8 10
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600

1800
0,2
0,4
0,6
0,8
Nång ®é NO
x
(ppm)
NOx
Bå hãng
Khèi luîng bå hãng (g/m3)
TØ sè xo¸y lèc
- 21 -
1.2.2.Ảnh hưởng của các yếu tố khai thác động cơ
1.2.2.1.Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí
Rất nhiều người cho rằng, tỷ số hoà trộn giữa nhiên liệu và không khí trong sự
tạo thành hỗn hợp cháy trong xilanh là yếu tố quan trọng trong việc xác định tốc độ
hình thành NO
x
và thanhg phần khí thải từ động cơ. Đối với động cơ diesel, hệ số dư
lượng không khí trung bình (α
TB
) của hỗn hợp phụ thuộc trực tiếp vào lượng nhiên liệu
cấp cho chu trình. Theo tính toán, tỉ lệ cần thiết giữa không khí và nhiên liệu để đốt
cháy hoàn toàn nhiên liệu là:
Tỷ lệ = Khối lượng không khí / Khối lượng nhiên liệu = 14,5 (lần)
Đây là hệ số tỷ lệ không khí tối ưu cho quá trình cháy xảy ra hoàn toàn trong
xilanh. Nếu tỷ lệ trên nhỏ hơn 14,5 thì hỗn hợp đó được gọi là hỗn hợp “no”. Ngược
lại, nếu lượng không khí nhiều để tỷ lệ trên lớn hơn 14,5 thì được gọi là hỗn hợp
“đói”.

Trong hỗn hợp “no” sẽ sinh ra khí CO, HC vì nhiên liệu không đủ ôxy để cháy
hoàn toàn, còn nếu hỗn hợp “đói” thì giảm được khí CO và HC nhưng đồng thời năng
lượng sinh ra giảm dẫn đến làm giảm công suất động cơ.
- 22 -
Hình 1.6: Ảnh hưởng của tỉ lệ không khí- nhiên liệu đến hám lượng NO
x
, HC và g
e
Hình 1.6 cho thấy quan hệ giữa nguồn thải CO, HC, NO
x
và suất tiêu hao nhiên
liệu vào tỷ lệ pha trộn giữa không khí và nhiên liệu. Khi tỷ lệ không khí – nhiên liệu
tăng lên sẽ làm giảm hàm lượng NO
x
nhưng làm tăng hàm lượng CO, HC và suất tiêu
hao nhiên liệu. Ngược lại khi tỷ lệ này giảm sẽ làm giảm CO, HC và g
e
, nhưng hàm
lượng NO
x
lại tăng lên. Và nồng độ NO
x
đạt giá trị cao nhất tại tỉ lệ không khí/ nhiên
liệu tối ưu bằng 14,5.
1.2.2.2.Ảnh hưởng của hồi lưu khí xả
Trong quá trình hoà trộn nhiên liệu và không khí, không phải chỉ có nhiên liệu và
không khí sạch mà còn một lượng không khí sót tồn tại trong xilanh. Khi trong hỗn
hợp cháy có tồn tại khí sót còn lại của chu trình trước sẽ làm giảm tỉ lệ khí nạp, dẫn
đến giảm nồng độ ôxy do đó làm giảm nhiệt độ cháy cực đại T
max

, tức là tốc độ tạo
thành và nồng độ NO
x
giảm đi. Vì vậy hệ số khí sót γ
r
càng cao thì nồng độ NO
x
càng
thấp. Tuy nhiên, khí sót tăng lên có xu hướng làm tăng CO và bồ hóng, và khi tỉ lệ khí
sót vượt quá giới hạn cho phép sẽ làm tốc độ cháy giảm dẫn đến quá trình cháy không
hoàn toàn, gây mất ổn định đến quá trình làm việc của động cơ. Vì vậy, tỉ lệ tối ưu của
hồi lưu khí xả cần phải được chọn kỹ để có thể vừa giảm mức độ phát sinh NO
x
, vừa
đảm bảo tính kinh tế - kỹ thuật của động cơ.
1918
171615
0
270
280
290
300
310
2
4
6
8
10
TØ lÖ kh«ng khÝ/nhiªn liÖu
Nång ®é HC, NO

x
(g/kW.h)
g
e
(g/kW.h)
HC
g
e
NO
x
- 23 -
Hình 1.7: Ảnh hưởng của tỉ lệ khí xả đến nồng độ NO
x
, HC và bồ hóng
Hình 1.7 trình bày về ảnh hưởng của tỉ lệ khí xả hồi lưu đến nồng độ NO
x
và các
chất ô nhiễm khác. Nồng độ của các chất ô nhiễm (kể cả CO và bồ hóng) giảm mạnh
khi tỉ lệ khí xả hồi lưu ở khoảng 20 ÷ 25%, đây là tỉ lệ khí xả hồi lưu lớn nhất có thể
chấp nhận được đối với động cơ làm việc ở chế độ tải cục bộ. Bởi vì nếu tỉ lệ cao hơn,
NO
x
chỉ giảm chút ít còn CO, HC và bồ hóng lại tăng vọt, gây ô nhiễm ở khía cạnh
khác.
1.2.2.3.Ảnh hưởng của việc cung cấp nhiên liệu
Ngoài đặc tính của các loại nhiên liệu ra, các thông số từ phía động cơ có liên
quan đến việc cấp nhiên liệu cũng ảnh hưởng không nhỏ đến nồng độ các chất ô
nhiễm, như: góc phun sớm, thời gian cấp, tốc độ phun, quy luật phun và chất lượng
phun nhiên liệu …
Góc phun sớm gây ảnh hưởng đến nồng độ NO

x
thông qua nhiệt độ và áp suất
cực đại trong xilanh. Khi tăng góc phun sớm sẽ làm cho thời điểm bắt đầu cháy xuất
hiện sớm do đó làm tăng giá trị áp suất cực đại, và do hỗn hợp cháy sớm nên thời gian
sản phẩm cháy tồn tại ở nhiệt độ cao sẽ dài. Đó là hai điều kiện thuận lợi thúc đẩy hình
thành NO
x
nhanh hơn. Vì thế khi tăng góc phun sớm sẽ làm tăng nồng độ NO
x
trong
khí xả.
10 20 30
0
50
100
150
200
250
Tû lÖ khÝ x¶ håi luu (%)
Tû lÖ HC, NO , bå hãng (%)
HC
Bå hãng
NO
x
- 24 -
Hình 1.8: Quan hệ giữa NO
x
và bồ hóng khi thay đổi góc phun sớm
Hình 1.8 thể hiện mối quan hệ giữa NO
x

và bồ hóng khi thay đổi góc phun sớm ở
động cơ phun trực tiếp có buồng cháy thống nhất. Ta thấy nếu góc phun sớm giảm
theo chiều (-) thì nồng độ NO
x
giảm nhưng hàm lượng bồ hóng lại tăng lên.
Thời gian cấp nhiên liệu cũng liên quan trực tiếp đến nồng độ bồ hóng và NO
x
,
thời gian cấp ngắn sẽ cho lượng bồ hóng nhỏ nhưng nồng độ NO
x
lại cao hơn. Hình
1.9 cho biết sự ảnh hưởng của thời gian và thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu đến nồng
độ NO
x
và bồ hóng. Thời gian này được đo bằng độ của GQTK, trên đồ thị ứng với hai
giá trị của hai góc quay là 15° và 20°.
0
1098
11
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
0
Gãc phun sím

Hµm luîng NO
x
(g/kW.h)
Bå hãng (g/kW.h)
- 25 -
Hình 1.9: Ảnh hưởng của thời gian và thời điểm cấp nhiên liệu đến NO
x
và bồ hóng
Tốc độ phun nhiên liệu cũng ảnh hưởng đến nồng độ NO
x
và bồ hóng. Với tốc độ
phun cao ở động cơ phun trực tiếp sẽ làm tăng mức độ hoà trộn nhiên liệu – không khí,
hỗn hợp cháy mãnh liệt hơn làm nhiệt độ cực đại T
max
cao hơn, do đó làm tăng nồng độ
NO
x
và lượng bồ hóng giảm đi.
Hình 1.10: Ảnh hưởng của áp suất phun đến độ khói đen và nồng độ NO
x
Hình 1.10 cho thấy ảnh hưởng của áp suất phun (tốc độ phun) đến độ khói đen và
nồng độ NO
x
của động cơ diesel phun trực tiếp.
Quy luật phun nhiên liệu cũng giữ vai trò quan trọng trong việc phát sinh các chất
§CT
5
30 25 20
15
10

0
500
1000
1500
2000
2500
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Thêi ®iÓm phun (®é)
Bå hãng (g/m3)
Nång ®é (ppm)
20
°
15
°
15
°
20
°
: Bå hãng
: NO
x
0
§é khãi (®¬n vÞ Bosh)
Nång ®é NO
x

(ppm)
50 100 150 200 250
0
500
1000
1500
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
§é khãi
NO
x