Ô tô và ô nhiễm môi trường

Chương 1

TÁC HẠI CỦA
CÁC CHẤT Ô NHIỄM
TRONG KHÍ XẢ
ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

1.1. Giới thiệu
Quá trình cháy lí tưởng của hỗn hợp hydrocarbure với không khí chỉ sinh ra CO2,
H2O và N2. Tuy nhiên, do sự không đồng nhất của hỗn hợp một cách lí tưởng cũng như do
tính chất phức tạp của các hiện tượng lí hóa diễn ra trong quá trình cháy nên trong khí xả
động cơ đốt trong luôn có chứa một hàm lượng đáng kể những chất độc hại như oxyde
nitơ (NO, NO2, N2O, gọi chung là NOx), monoxyde carbon (CO), các hydrocarbure chưa
cháy (HC) và các hạt rắn, đặc biệt là bồ hóng. Nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả phụ
thuộc vào loại động cơ và chế độ vận hành. Ở động cơ Diesel, nồng độ CO rất bé, chiếm tỉ
lệ không đáng kể; nồng độ HC chỉ bằng khoảng 20% nồng độ HC của động cơ xăng còn
nồng độ NOx của hai loại động cơ có giá trị tương đương nhau. Trái lại, bồ hóng là chất ô
nhiễm quan trọng trong khí xả động cơ Diesel, nhưng hàm lượng của nó không đáng kể
trong khí xả động cơ xăng.
NOx
Những tạp chất, đặc biệt là lưu
huỳnh, và các chất phụ gia trong nhiên liệu
cũng có ảnh hưởng đến thành phần các chất
ô nhiễm trong sản phẩm cháy. Thông
thường xăng thương mại có chứa khoảng
600ppm lưu huỳnh. Thành phần lưu huỳnh
có thể lên đến 0,5% đối với dầu Diesel.
Trong quá trình cháy, lưu huỳnh bị oxy hoá
HC
thành SO2, sau đó một bộ phận SO2 bị oxy
hoá tiếp thành SO3, chất có thể kết hợp với

nước để tạo ra H2SO4. Mặt khác, để tăng
CO
tính chống kích nổ của nhiên liệu, người ta
pha thêm Thétraétyle chì Pb(C2H5)4 vào
a
xăng. Sau khi cháy, những hạt chì có đường
kính cực bé thoát ra theo khí xả, lơ lửng
1,2
1
0,8
trong không khí và trở thành chất ô nhiễm
Hình 1.1: Biến thiên nồng độ các chất
đối với bầu khí quyển, nhất là ở khu vực
ô nhiễm theo hệ số dư lượng không khí
thành phố có mật độ giao thông cao.
Một trong những thông số có tính tổng quát ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô
nhiễm của động cơ là hệ số dư lượng không khí a. Hình 1.1 trình bày một cách định tính
sự phụ thuộc của nồng độ NO, CO và HC trong khí xả theo a. Động cơ đánh lửa cưỡng
bức thường làm việc với hệ số dư lượng không khí a ≈ 1. Theo đồ thị này thì động cơ làm
5


Chương 1: Tác hại của các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong

việc với hỗn hợp nghèo có mức độ phát sinh ô nhiễm thấp hơn. Tuy nhiên, nếu hỗn hợp
quá nghèo thì tốc độ cháy thấp, đôi lúc diễn ra tình trạng bỏ lửa và đó là những nguyên
nhân làm gia tăng nồng độ HC.
Nhiệt độ cực đại của quá trình cháy cũng là một nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến
thành phần các chất ô nhiễm vì nó ảnh hưởng mạnh đến động học phản ứng, đặc biệt là
các phản ứng tạo NOx và bồ hóng.

Nói chung tất cả những thông số kết cấu hay vận hành nào của động cơ có tác động
đến thành phần hỗn hợp và nhiệt độ cháy đều gây ảnh hưởng trực tiếp hay gián tiếp đến sự
hình thành các chất ô nhiễm trong khí xả.
Trong thực tế cuộc sống, do hàm lượng các chất độc hại trong khí xả động cơ đốt
trong bé nên người sử dụng ít quan tâm tới sự nguy hiểm trước mắt do nó gây ra. Tuy
nhiên sự phân tích các dữ liệu về sự thay đổi thành phần không khí trong những năm gần
đây (bảng 1.1) đã cho thấy sự gia tăng rất đáng ngại của các chất ô nhiễm. Nếu không có
những biện pháp hạn chế sự gia tăng này một cách kịp thời, những thế hệ tương lai sẽ phải
đương đầu với một môi trường sống rất khắc nghiệt.
Bảo vệ môi trường không phải chỉ là yêu cầu của từng nước, từng khu vực mà nó
có ý nghĩa trên phạm vi toàn cầu. Tùy theo điều kiện của mỗi quốc gia, luật lệ cũng như
tiêu chuẩn về ô nhiễm môi trường được áp dụng ở những thời điểm và với mức độ khắt
khe khác nhau.
Ô nhiễm môi trường do động cơ phát ra được các nhà khoa học quan tâm từ đầu
thế kỉ 20 và nó bắt đầu thành luật ở một số nước vào những năm 50. Ở nước ta, luật bảo
vệ môi trường có hiệu lực từ ngày 10-1-1994 và Chính phủ đã ban hành Nghị định số
175/CP ngày 18-10-1994 để hướng dẫn việc thi hành Luật bảo vệ môi trường.

1.2. Ô nhiễm không khí là gì?
Chúng ta có thể tham khảo định nghĩa sau đây do Cộng đồng Châu Âu đưa ra vào
năm 1967: "Không khí gọi là ô nhiễm khi thành phần của nó bị thay đổi hay khi có sự hiện
diện của những chất lạ gây ra những tác hại mà khoa học chứng minh được hay gây ra sự
khó chịu đối với con người". Theo định nghĩa đó thì:
- Các chất gây ô nhiễm có thể gây nguy hại đến tự nhiên và con người mà khoa học
ở thời điểm đó nhận biết được hay chỉ đơn thuần gây ra sự khó chịu chẳng hạn như mùi
hôi, màu sắc...
- Danh sách các chất ô nhiễm cũng như giới hạn về nồng độ cho phép của chúng
trong các nguồn phát thải có thể thay đổi theo thời gian.

6

Chương 1: Tác hại của các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong

Đến nay, người ta đã xác định được các chất ô nhiễm trong không khí mà phần lớn
những chất đó có mặt trong khí xả của động cơ đốt trong. Bảng 1.1 dưới đây cho thấy sự
gia tăng nồng độ một cách đáng ngại của một số chất ô nhiễm trong bầu khí quyển:
Bảng 1.1 : Sự gia tăng của các chất ô nhiễm trong khí quyển

Chất ô
nhiễm

Hiện nay
(ppm)

Tốc độ tăng
(%/năm)

CO2

Thời kì tiền
công nghiệp
(ppm)
270

340

0,4

N2O

0,28

0,30

0,25

CO

0,05

0,13

3

SO2

0,001

0,002

2

Tùy theo chính sách năng lượng của mỗi nước, sự phân bố tỉ lệ phát sinh ô nhiễm
của các nguồn khác nhau không đòng nhất. Bảng 1.2 và 1.3 giới thiệu tỉ lệ phát thải CO,
HC và NOx ở Nhật và ở Mĩ.
Bảng 1.2: Tỉ lệ phát thải các chất ô nhiễm ở Nhật (tính theo %)

Nguồn phát ô nhiễm

CO

HC

NOx

Ô tô

93,0

57,3

39

Sản xuất điện năng

0,1

0,1

21,5

Quá trình cháy trong
công nghiệp
Các quá trình cháy
khác
Công nghiệp dầu mỏ

0,0

26,4

31,3

6,3

0,7

0,8

-

14,8

5,1

Các hoạt động khác

0,6

0,7

2,6

100

100

100

Tổng cộng

Bảng 1.3: Tỉ lệ phát thải các chất ô nhiễm ở Mĩ (tính theo %)

Nguồn phát ô nhiễm

CO

HC

NOx

Ô tô

64,7

45,7

36,6

Các phương tiện giao
thông khác
Quá trình cháy công
nghiệp

9,0

7,2

10,5

9,1

16,8

42,8

7


Chương 1: Tác hại của các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong

Công nghiệp dầu mỏ

5,2

5,3

1,7

Các hoạt động khác

12,0

25,0

8,4

Tổng cộng

100

100

100

1.3. Tác hại của các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ
1.3.1. Đối với sức khỏe con người
- CO : Monoxyde carbon là sản phẩm khí không màu, không mùi, không vị, sinh
ra do ô xy hoá không hoàn toàn carbon trong nhiên liệu trong điều kiện thiếu oxygène.
CO ngăn cản sự dịch chuyển của hồng cầu trong máu làm cho các bộ phận của cơ
thể bị thiếu oxygène. Nạn nhân bị tử vong khi 70% số hồng cầu bị khống chế (khi nồng độ
CO trong không khí lớn hơn 1000ppm). Ở nồng độ thấp hơn, CO cũng có thể gây nguy
hiểm lâu dài đối với con người: khi 20% hồng cầu bị khống chế, nạn nhân bị nhức đầu,
chóng mặt, buồn nôn và khi tỉ số này lên đến 50%, não bộ con người bắt đầu bị ảnh hưởng
mạnh.
- NOx: NOx là họ các oxyde nitơ, trong đó NO chiếm đại bộ phận. NOx được hình
thành do N2 tác dụng với O2 ở điều kiện nhiệt độ cao (vượt quá 1100°C). Monoxyde nitơ
(x=1) không nguy hiểm mấy, nhưng nó là cơ sở để tạo ra dioxyde nitơ (x=2). NO2 là chất
khí màu hơi hồng, có mùi, khứu giác có thể phát hiện khi nồng độ của nó trong không khí
đạt khoảng 0,12ppm. NO2 là chất khó hòa tan, do đó nó có thể theo đường hô hấp đi sâu
vào phổi gây viêm và làm hủy hoại các tế bào của cơ quan hô hấp. Nạn nhân bị mất ngủ,
ho, khó thở. Protoxyde nitơ N2O là chất cơ sở tạo ra ozone ở hạ tầng khí quyển.
- Hydocarbure: Hydrocarbure (HC) có mặt trong khí thải do quá trình cháy không
hoàn toàn khi hỗn hợp giàu, hoặc do hiện tượng cháy không bình thường. Chúng gây tác
hại đến sức khỏe con người chủ yếu là do các hydrocarbure thơm. Từ lâu người ta đã xác
định được vai trò của benzen trong căn bệnh ung thư máu (leucémie) khi nồng độ của nó
lớn hơn 40ppm hoặc gây rối loạn hệ thần kinh khi nồng độ lớn hơn 1g/m3, đôi khi nó là
nguyên nhân gây các bệnh về gan.
- SO2: Oxyde lưu huỳnh là một chất háu nước, vì vậy nó rất dễ hòa tan vào nước

mũi, bị oxy hóa thành H2SO4 và muối amonium rồi đi theo đường hô hấp vào sâu trong
phổi. Mặt khác, SO2 làm giảm khả năng đề kháng của cơ thể và làm tăng cường độ tác hại
của các chất ô nhiễm khác đối với nạn nhân.
- Bồ hóng: Bồ hóng là chất ô nhiễm đặc biệt quan trọng trong khí xả động cơ
Diesel. Nó tồn tại dưới dạng những hạt rắn có đường kính trung bình khoảng 0,3mm nên
rất dễ xâm nhập sâu vào phổi. Sự nguy hiểm của bồ hóng, ngoài việc gây trở ngại cho cơ
quan hô hấp như bất kì một tạp chất cơ học nào khác có mặt trong không khí, nó còn là

8


Chương 1: Tác hại của các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong

nguyên nhân gây ra bệnh ung thư do các hydrocarbure thơm mạch vòng (HAP) hấp thụ
trên bề mặt của chúng trong qua trình hình thành.
- Chì: Chì có mặt trong khí xả do Thétraétyl chì Pb(C2H5)4 được pha vào xăng để
tăng tính chống kích nổ của nhiên liệu. Sự pha trộn chất phụ gia này vào xăng hiện nay
vẫn còn là đề tài bàn cãi của giới khoa học. Chì trong khí xả động cơ tồn tại dưới dạng
những hạt có đường kính cực bé nên rất dễ xâm nhập vào cơ thể qua da hoặc theo đường
hô hấp. Khi đã vào được trong cơ thể, khoảng từ 30 đến 40% lượng chì này đi vào máu.
Sự hiện hiện của chì gây xáo trộn sự trao đổi ion ở não, gây trở ngại cho sự tổng hợp
enzyme để hình thành hồng cầu, và đặc biệt hơn nữa, nó tác động lên hệ thần kinh làm trẻ
em chậm phát triển trí tuệ. Chì bắt đầu gây nguy hiểm đối với con người khi nồng độ của
nó trong máu vượt quá 200 đến 250mg/lít.

1.3.2. Đối với môi trường
1. Thay đổi nhiệt độ khí quyển
Sự hiện diện của các chất ô nhiễm, đặc biệt là những chất khí gây hiệu ứng nhà
kính, trong không khí trước hết ảnh hưởng đến quá trình cân bằng nhiệt của bầu khí
quyển. Trong số những chất khí gây hiệu ứng nhà kính, người ta quan tâm đến khí

carbonic CO2 vì nó là thành phần chính trong sản phẩm cháy của nhiên liệu có chứa thành
phần carbon. Sự gia tăng nhiệt độ bầu khí quyển do sự hiện diện của các chất khí gây hiệu
ứng nhà kính có thể được giải thích như sau:
Quả đất nhận năng lượng từ mặt trời và bức xạ lại ra không gian một phần nhiệt
lượng mà nó nhận được. Phổ bức xạ nhiệt của mặt trời và vỏ trái đất trình bày trên các
hình 1.4 và hình 1.5. Bức xạ mặt trời đạt cực đại trong vùng ánh sáng thấy được (có bước
sóng trong khoảng 0,4-0,73mm) còn bức xạ cực đại của vỏ trái đất nằm trong vùng hồng
ngoại (7-15mm).
Các chất khí khác nhau có dải hấp thụ bức xạ khác nhau. Do đó, thành phần các
chất khí có mặt trong khí quyển có ảnh hưởng đến sự trao đổi nhiệt giữa mặt trời, quả đất
và không gian. Carbonic là chất khí có dải hấp thụ bức xạ cực đại ứng với bước sóng
15mm, vì vậy nó được xem như trong suốt đối với bức xạ mặt trời nhưng là chất hấp thụ
quan trọng đối với tia bức xạ hồng ngoại từ mặt đất. Một phần nhiệt lượng do lớp khí CO2
giữ lại sẽ bức xạ ngược lại về trái đất (hình 1.6) làm nóng thêm bầu khí quyển theo hiệu
ứng nhà kính (Serre).
Hồng ngoại

30oC

0oC
Vùng
thấy
được

9
l(mm)

0,4

0,73

l(mm)

0,73

10

20

30


Chương 1: Tác hại của các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong

Hình 1.4: Phổ bức xạ từ mặt trời

BÙcxåm¥ttr©i

Bức xạ mặt đất

Hình 1.5: Phổ bức xạ từ mặt đất

Bức xạ mặt trời

Bức xạ mặt đất

Lớp khí gây hiệu ứng nhà kính

Hình 1.6: Hiệu ứng nhà kính

Với tốc độ gia tăng nồng độ khí carbonic trong bầu khí quyển như hiện nay, người
ta dự đoán vào khoảng giữa thế kỉ 22, nồng độ khí carbonic có thể tăng lên gấp đôi. Khi
đó, theo dự tính của các nhà khoa học, sẽ xảy ra sự thay đổi quan trọng đối với sự cân bằng
nhiệt trên quả đất:
- Nhiệt độ bầu khí quyển sẽ tăng lên từ 2 đến 3°C.
- Một phần băng ở vùng Bắc cực và Nam cực sẽ tan làm tăng chiều cao mực
nước biển.
- Làm thay đổi chế độ mưa gió và sa mạc hóa thêm bề mặt trái đất.
2. Ảnh hưởng đến sinh thái
Sự gia tăng của NOx, đặc biệt là protoxyde nitơ N2O có nguy cơ làm gia tăng sự
hủy hoại lớp ozone ở thượng tầng khí quyển, lớp khí cần thiết để lọc tia cực tím phát xạ từ
mặt trời. Tia cực tím gây ung thư da và gây đột biến sinh học, đặc biệt là đột biến sinh ra
các vi trùng có khả năng làm lây lan các bệnh lạ dẫn tới hủy hoại sự sống của mọi sinh vật
trên trái đất giống như điều kiện hiện nay trên Sao Hỏa.
Mặt khác, các chất khí có tính acide như SO2, NO2, bị oxy hóa thành acide sulfuric,
acide nitric hòa tan trong mưa, trong tuyết, trong sương mù... làm hủy hoại thảm thực vật
trên mặt đất (mưa acide) và gây ăn mòn các công trình kim loại.

10


Chương 1: Tác hại của các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong

11


Chương 2

QUY TRÌNH ĐO
CÁC CHỈ TIÊU Ô NHIỄM

CỦA Ô TÔ

Mức độ phát sinh các chất ô nhiễm phụ thuộc vào điều kiện vận hành cũng như tình
trạng kĩ thuật của động cơ. Do đó, tùy theo tình trạng giao thông cũng như mức độ khắt khe
của luật môi trường ở mỗi nước mà quy trình thử có khác nhau. Trên thực tế hiện nay tồn
tại một số quy trình chuẩn của các nước công nghiệp phát triển và những quy trình đó được
nhiều nước đang phát triển áp dụng như quy phạm chính thức để đo mức độ phát sinh ô
nhiễm của ô tô ở nước mình.

2.1. Lịch sử phát triển
Ô nhiễm môi trường do khí xả động cơ gây ra đã là mối quan tâm của của nhiều
quốc gia từ lúc nền công nghiệp ô tô bắt đầu phát triển. Theo thời gian, danh sách các chất ô
nhiễm ngày càng trở nên chi tiết hơn, giới hạn nồng độ của chúng trong khí xả ngày càng
trở nên khắt khe hơn và ngày càng nhiều quốc gia hưởng ứng vấn đề chống ô nhiễm môi
trường do khí xả ô tô gây ra.
Theo trình tự thời gian, chúng ta có thể kể các quốc gia đã sớm đặt vấn đề ô nhiễm
môi trường do khí xả động cơ gây ra như sau:
- Đức
- Pháp

: 1910
: 1963

- Mĩ
- Nhật

: 1959
: 1966

Tiếp theo là những nước khác trong cộng đồng Châu Âu, Canada, Úc, các nước

thuộc khối Đông Âu cũ, các nước Châu Á (Singapore, Đài Loan, Hàn Quốc...).

2.2. Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm
Hiện nay chưa có một quy trình nào được áp dụng chung cho tất cả các nước để đo
các chỉ tiêu ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong. Do đó trên thế giới tồn tại nhiều quy
trình khác nhau, mỗi quy trình ứng với một tiêu chuẩn ô nhiễm xác định và không có quan
hệ tương đương nào được xác lập giữa các tiêu chuẩn này.
Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của mỗi nước căn cứ vào chế độ giao thông tiêu
biểu của nước đó. Bảng 2.1 so sánh các thông số đặc trưng của một số quy trình được áp
dụng rộng rãi nhất hiện nay.
Bảng 2.1: So sánh các thông số đặc trưng của một số quy trình thử tiêu biểu

12


Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô

Thông số

Đơn vị

ECE

California

FTP72

FTP75

Nhật 10

chế độ

Nhật 11
chế độ

Tốc độ trung bình

(km/h)

18,7

35,6

31,5

34,1

17,7

30,6

Tốc độ trung bình
(không kể thời gian
không tải)
Gia tốc trung bình

(km/h)

27,1

41,7

38,3

41,6

24,1

39,1

(m/s2)

0,75

0,68

0,60

0,67

0,54

0,64

Giảm tốc trung bình

(m/s2)

0,75

0,68

0,70

0,71

0,65

0,60

Thời gian trung bình
của một chu kì thử
Không tải

(s)

45

117

66

70

50

94

(% thời
gian)

(% thời
gian)
(% thời
gian)
(% thời
gian)

30,8

14,6

17,8

18,0

26,7

21,7

18,5

31,4

33,5

33,1

24,4

34,2

32,3

21,9

20,1

20,4

23,7

13,3

18,5

32,1

28,6

28,5

25,2

30,8

Gia tốc
Tốc độ không đổi
Giảm tốc

2.3. Cơ sở xây dựng các quy trình đo ô nhiễm

Quy trình thử là quy phạm quốc gia, phụ thuộc vào điều kiện giao thông của mỗi
nước. Nó dựa trên nhiều yếu tố, trong đó mật độ giao thông và chất lượng đường sá là hai
yếu tố quan trọng nhất.
- Mật độ giao thông: Mức độ ô nhiễm cục bộ bầu không khí là tổng hợp mức độ phát
thải của tất cả những phương tiện vận tải trong khu vực khảo sát gây ra, nghĩa là mức độ ô
nhiễm phụ thuộc vào mật độ ô tô. Ở những thành phố lớn, khi mức độ ô nhiễm vượt giới
hạn báo động, người ta khuyến khích dân chúng sử dụng phương tiện vận tải công cộng để
giảm bớt mật độ xe. Ở những nơi có mật độ lưu thông bé, ô tô không nhất thiết phải tuân
thủ những quy định nghiêm ngặt về mức độ phát sinh ô nhiễm của những thành phố mật độ
giao thông cao.
- Điều kiện đường sá: Tùy vào chất lượng đường sá của mỗi nước mà chế độ hoạt
động của các phương tiện khác nhau, do đó khả năng phát ô nhiễm của chúng cũng khác
nhau. Tiêu chuẩn ô nhiễm vì vậy cũng cần xét đến yếu tố này.

2.4. Quy trình thử của một số nước
2.4.1. Quy trình thử của Mĩ
a. Quy trình FTP 72 và FTP 75
Vận tốc (m/s)

60
40

13


Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô

a.
Vận tốc (m/s)

60
40
20
b.

0
400

Thời gian (s)

Quy trình FTP 72
(Federal Test Procedure) (hình
2.1a) bao gồm hai giai đoạn. Giai
đoạn 1 kéo dài trong 505s, tương
ứng với quãng đường 5,78km với
tốc độ trung bình 41,2km/h. Giai
đoạn 2 kéo dài trong 867s và
được bắt đầu sau khi tạm dừng
hoàn toàn động cơ trong 10 phút.
Khi bắt đầu thử, động cơ được
khởi động ở trạng thái nguội sau
một đêm để ở nhiệt độ môi
trường (20 °C).

Hình 2.1: Quy trình FTP 72 và FTP 75
quá độ nóng
Quy Giai
trìnhđoạn
FTP
75 gồm ba giai đoạn. Hai giai đoạn đầu giống như chu trình FTP 72.

Giai đoạn 3 giống như giai đoạn 1 của chu trình trước (hình 2.1b) và được khởi động lại sau
khi đã dừng động cơ 10 phút kể từ lúc kết thúc giai đoạn 2. Quãng đường tương ứng tổng
cộng là 17,86km với tốc độ trung bình 34,1km/h. Lượng khí ô nhiễm được đo riêng từng
giai đoạn và kết quả chung được tính bằng g/km với các hệ số điều chỉnh 0,43 đối với giai
đoạn đầu, 1 đối với giai đoạn 2 và 0,57 đối với giai đoạn 3.

b. Quy trình California
Đây là quy trình thử cũ được sử dụng từ năm 1968. Nó gồm 7 giai đoạn giống hệt
nhau (hình 2.2) và cách bởi thời gian chạy không tải. Quy trình thử kéo dài trong 16 phút 19
giây. Động cơ khởi động ở trạng thái nguội sau khi dừng ít nhất 12 giờ ở điều kiện nhiệt độ
môi trường. Quy trình này hiện nay đã được thay thế bằng các quy trình FTP trên đây.
km/h
100
50

14

0
979s


Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô

Hình 2.2: Quy trình thử của Bang California

2.4.2. Quy trình thử của Cộng đồng Châu Âu
a. Quy trình thử thành phố ECE :
Quy trình này được hình thành năm 1962 dựa vào điều kiện giao thông ở vùng Paris,
rất khác biệt so với điều kiện giao thông ở California. Đến năm 1966, quy trình này được sử
dụng chung cho Cộng đồng Châu Âu. Hình 2.3 trình bày diễn biến tốc độ của quy trình thử.

Nó gồm 4 công đoạn y hệt nhau với quãng đường tổng cộng là 4,052km.
b. Quy trình thử ngoại thành của Cộng đồng Châu Âu EUDC
Quy trình EUDC được thực hiện bằng cách bổ sung thêm vào qui trình ECE một
công đoạn thử tương ứng với chế độ vận hành của ô tô ở vùng ngoại thành (hình 2.3b).
Công đoạn bổ sung có tốc độ cực đại là 120km/h, thời gian thử là 400s tương ứng một
quãng đường 6,955km với tốc độ trung bình 62,6km/h. Công đoạn thử bổ sung này được
tiến hành sau khi đã thực hiện chu trình ECE và được bắt đầu bằng một giai đoạn chạy
không tải 20s. Mức độ ô nhiễm được cho theo đơn vị g/km thay vì g/lần thử.
Tốc độ (km/h)

a. Quy trình thử thành phố ECE
1: Số 1
2: Số 2
3: Số 3
ll : Chuyển số
K: Mở ly hợp
PM: Điểm chết
R: Không tải

Thời gian
Số chu trình/lần thử : 4
Thời gian/chu trình : 195s
Quãng đường thử
: 1,013 km x 4

Tốc độ trung bình (kể cà không tải)
: 18,7 km/h
Tốc độ trung bình (không kể không tải): 27,01 km/h
Tốc độ cực đại
: 50 km/h

b. Công đoạn bổ sung ngoại thành
Thời gian chu trình
Quãng đường thử
Tốc độ trung bình
Tốc độ cực đại

15

: 400s
: 6,955 km
: 62,6 km/h
: 120 km/h


Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô

Hình 2.3: Quy trình thử ECE, EUDC của Cộng đồng Châu Âu

2.4.3. Quy trình thử của Nhật Bản
a. Quy trình thử 10 chế độ
km/h

km/h
60

40

40

20

20
0

0
135s

Hình 2.4: Quy trình thử 10 chế độ của Nhật.

120s

Hình 2.5: Quy trình thử 11 chế độ của Nhật.

Quy trình thử 10 chế độ ứng với điều kiện giao thông trong thành phố. Thời gian của
mỗi công đoạn thử là 135s, ứng với quãng đường 0,664km với tốc độ trung bình 17,7km/h
(hình 2.4). Quy trình thử được lập lại với 6 công đoạn như nhau. Nồng độ ô nhiễm được
biểu diễn theo g/km.
b. Quy trình thử 11 chế độ
Qui trình này thể hiện chế độ giao thông trên xa lộ. Động cơ được khởi động nguội ở
nhiệt độ khoảng từ 20 đến 30°C và chạy không tải trong 25s, sau đó tiến hành thử trong
120s tương ứng với quãng đường 1,021km với tốc độ trung bình 30,6km/h (hình 2.5). Mức
độ phát sinh ô nhiễm của ô tô được tính theo g/lần thử.
b. Quy trình thử 10-15 chế độ
km/h
80
60
40
20
0

100

200

300

400

500

Hình 2.6: Quy trình thử 10-15 chế độ của Nhật

600 660(s)

Quy trình thử 10-15 chế độ ứng với điều kiện giao thông ở các vùng ngoại ô Nhật
Bản. Quy trình này sử dụng 3 công đoạn của quy trình thử 10 chế độ trên đây và kéo dài
thêm một đoạn có tốc độ cực đại 70km/h (hình 2.6). Quãng đường thử tương ứng dài
16


Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô

4,16km trong thời gian 660s với tốc độ trung bình 22,7km/h. Quy trình này được áp dụng
cho ô tô du lịch xuất xưởng sau tháng 11 năm 1991. Đến tháng 10 năm 1993 nó được áp
dụng thêm cho xe tải dưới 2,5 tấn.

2.5. Nồng độ cho phép của các chất ô nhiễm trong khí xả ô tô
2.5.1. Các chất ô nhiễm thể khí
1. Hoa Kì

Bảng 2.2 giới thiệu sự thay đổi về giới hạn nồng độ cho phép của các chất ô nhiễm
trong khí xả ô tô ở Mĩ theo thời gian đối với ô tô du lịch. Giới hạn này được áp dụng ở hầu
hết các Bang trừ California và Newyork (những Bang có yêu cầu khắt khe hơn) và đo theo
quy trình FTP 75. Các bảng này cho thấy mức độ khắt khe của tiêu chuẩn tăng dần theo thời
gian: nồng độ cho phép của CO từ 84 g/dặm năm 1960 giảm xuống còn 3,4 g/dặm hiện
nay (giảm khoảng 25 lần); nồng độ HC cũng trong thời gian đó giảm từ 10,6 g/dặm xuống
còn 0,25 g/dặm (giảm khoảng 40 lần); mức độ giảm NOx có thấp hơn, từ 4,1 xuống 0,4
(giảm khoảng 10 lần).
Bảng 2.2: Tiêu chuẩn của Mĩ đối với ô tô du lịch (tính theo g/dặm, quy trình FTP 75)

Năm
1960
1968
1970
1972
1973
1975
1977
1980
1983
Dự kiến

CO
84
51
34
28
28
15
15

7,0
3,4
3,4

HC
10,6
6,3
4,1
3,0
3,0
1,5
1,5
0,41
0,41
0,25

NOx
4,1
0,4
0,4
0,4
3,1
3,1
2,0
2,0
1,0
0,4

2. Cộng đồng Châu Âu
Hình 2.7 trình bày sự thay đổi theo thời gian về nồng độ cho phép của các chất ô

nhiễm trong khí xả ô tô áp dụng ở các nước trong Cộng đồng Châu Âu. Trước năm 1984,
tiêu chuẩn được tính chung đối với HC+NOx nhưng sau đó được quy định riêng cho từng
chất.
CO (g/km)
60

Ô tô cỡ trung 1130kg, 1400-2000 cm3
% giá trị trước
khi quy định

50
Đo thêm NOx

40
30

17

20
10

Trước khi có

Quy trình


Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô

Hình 2.7 : Biến thiên nồng độ giới hạn cho phép theo thời gian của các chất ô nhiễm
trong khí xả ô tô theo quy định của Cộng đồng Châu Âu

Mức độ phát sinh ô nhiễm cho phép đối với xe du lịch và xe vận tải hạng nhẹ theo
quy trình thử ECE áp dụng ở Cộng đồng Châu Âu cho ở bảng 2.3.
Bảng 2.3: Tiêu chuẩn Cộng Đồng Châu Âu đối với xe tải hạng nhẹ

Loại động cơ
(V (lít) là thể tích
xi lanh)
Xăng V>2,0

CO
(g/km)

HC+NOx
(g/km)

NOx
(g/km)

Năm áp dụng

6,17

1,6

0,86

1988

Xăng 1,4≤V≤2,0

7,4

1,97

-

1991

Xăng V<1,4

4,6

1,23

-

1992

Diesel V>2,0

7,4

1,97

-

1988

Diesel 1,4≤V≤2,0

7,4

1,97

-

1991

Diesel V<1,4

4,6

1,23

-

1992

Các quốc gia Đông Âu cũ trước đây cũng áp dụng tiêu chuẩn của Cộng đồng Châu
Âu ECE.
3. Nhật Bản
- Đối với ô tô du lịch sử dụng động cơ xăng
Tiêu chuẩn Nhật Bản theo chu trình thử 10 chế độ và 11 chế độ ứng với các loại ô
tô khac nhau trình bày trên các bảng 2.4, 2.5, 2.6.
Bảng 2.4: Tiêu chuẩn Nhật Bản đối với ô tô du lịch sử dụng động cơ xăng

Năm

CO (g/km)

10 C.độ

HC (g/km)

11 C.độ

10 C.độ

18

11 C.độ

NOx (g/km)
10 C.độ

11 C.độ


Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô

1973

26

-

3,8

-

3,0

-

1975

2,7

20,81

0,39

2,33

1,6

2,7

1976

2,7

20,81

0,39

2,33

1,2

2,20

1978

2,7

20,81

0,39

2,33

0,48

1,47

1988

2,7

20,81

0,39

2,33

0,25

1,47

Bảng 2.5: Tiêu chuẩn Nhật Bản đối với ô tô du lịch sử dụng động cơ Diesel

Năm

CO (g/km)

HC (g/km)

NOx (g/km)

10 C.độ

11 C.độ

10 C.độ

11 C.độ

10 C.độ

11 C.độ

1974

-

680ppm

-

670ppm

-

590ppm

1977

-

680ppm

-

670ppm

-

500ppm

1979

-

680ppm

-

670ppm

-

450ppm

1982

-

680ppm

-

670ppm

-

390ppm

1983

-

680ppm

-

670ppm

-

610ppm

1987

2,7(g/km)

-

0,62(g/km)

-

0,98(g/km)

-

Bảng 2.6: Tiêu chuẩn Nhật Bản đối với ô tô vận tải nhẹ sử dụng động cơ xăng hay GPL

CO (g/km)

HC (g/km)

NOx (g/km)

Năm
10 C.độ 11 C.độ

10 C.độ

11 C.độ

10 C.độ

11 C.độ

1973

26

-

3,8

-

3,0

-

1975

17

31,83

2,7

4,16

2,3

4,9

1979

17

31,89

2,7

4,16

1,6

2,69

1981

17

31,83

2,7

4,16

1,26

2,33

1988

17

31,83

2,7

4,16

0,7

2,33

Các loại xe vận tải và ô tô buýt sử dụng động cơ Diesel tuân theo cùng tiêu chuẩn ô
nhiễm của xe du lịch dùng động cơ Diesel.
4. Các nước khác

19


Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô

Các nước đang phát triển sử dụng quy trình thử của các nước công nghiệp phát triển
và ấn định mức độ phát sinh ô nhiễm cho phép phù hợp với điều kiện của nước mình. Quy
trình thử và giới hạn cho phép về nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ ở một số
nước đối với ô tô có tải trọng nhỏ hơn 2,7 tấn áp dụng ở một số nước được giới thiệu trong
bảng 2.7. Chúng ta thấy các nước đang phát triển thường sử dụng các chu trình của Mĩ,
Châu Âu và Nhật Bản. Tính khắt khe về giới hạn nồng độ các chất ô nhiễm tăng dần theo

thời gian.
Bảng 2.7: Quy trình thử và giới hạn ô nhiễm ở một số nước đang phát triển

Nước
Canada
Úc và
New
Zealand
Đài Loan
Singapore
Israel
Ả Rập Xê-út
Hàn Quốc

Mexico

Brazil

Năm

Quy trình

CO
(g/km)

HC
(g/km)

NOx
(g/km)

1,24
1,92
0,25
0,62
0,15
0,25
2,10
1,90
1,91
1,73
0,93
1,90
4,69 (HC+NOx)
4,69 (HC+NOx)
0,25
0,25

1975
1987
1994
1976
1982
1986
1987
1988
1989

FTP 75
FTP 75
FTP 75

FTP 72
FTP 72
FTP 75
ECE
ECE
FTP 75

15,53
2,11
2,11
24,20
22,00
9,30
14,31
14,31
2,11

1986

ECE

1983
1984
1987(1)
1987(2)
1989
1990
1991
1993
1988

1992

10 C.độ
10 C.độ
FTP 75
FTP 75

26
18
8
2,11

3,8
2,8
2,1
0,25

3,0
2,5
1,5
0,62

FTP 75
FTP 75
FTP 75
FTP 75
FTP 75
FTP 75

21,9

18,52
6,96
2,11
24
12

1,99
1,79
0,70
0,25
2,10
1,20

2,29
1,99
1,39
0,62
2,00
1,40

Tiêu chuẩn Cộng đồng Châu Âu

(1) Ô tô có động cơ V<800 cm3 (2) Ô tô <2,5 tấn, có động cơ V>800 cm3

2.5.2. Các quy định về nồng độ bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel
Các quy định về nồng độ cho phép của các chất ô nhiễm dạng khí trong khí xả động
cơ được áp dụng rất sớm so với các quy định về nồng độ bồ hóng. Tiêu chuẩn Liên Bang
Hoa Kì quy định, theo chu trình đo 2.8, độ mờ không được vượt quá 20% khi gia tốc, 15%
khi phanh và 50% ở một điểm bất kì của chu trình. Theo tiêu chuẩn Cộng đồng Châu Âu ở
chế độ ổn định đầy tải, giới hạn của hệ số hấp thụ quang học theo lưu lượng của dòng khí

xả cho ở bảng 2.8 hoặc hình 2.9.

20


Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô

Tiêu chuẩn độ khói trong khí xả động cơ Diesel được đo theo các đơn vị khác nhau
phụ thuộc từng nước: Hệ số hấp thụ quang học k (Cộng đồng Châu Âu, Úc, Brazil), độ mờ
(Mĩ, Hàn Quốc), chỉ số Bosch (Nhật, Thụy Điển). Bảng 2.9 giới thiệu tiêu chuẩn độ khói
của một số nước.
Bảng 2.8: Giới hạn hệ số hấp thụ quang học theo lưu lượng khí xả
của động cơ Diesel làm việc ở chế độ ổn định đầy tải (tiêu chuẩn EU)

G(l/s)

k(1/m)

G(l/s)

k(1/m)

G(l/s)

k(1/m)

<42

2,260

95

1,535

150

1,225

45

2,190

100

1,495

155

1,205

50

2,080

105

1,465

160

1,190

55

1,985

110

1,425

165

1,170

60

1,900

115

1,395

170

1,155

65

1,840

120

1,370

175

1,140

70

1,775

125

1,345

180

1,125

75

1,720

130

1,320

185

1,110

80

1,665

135

1,300

190

1,095

85

1,620

140

1,270

195

1,080

90

1,575

145

1,250

>200

1,065

Mức ga (%)

Tốc độ (v/s)

Độ
mờ
(%)

Thời
gian
Hình 2.8: Tiêu chuẩn của
Hoa
Kì (s)
về độ khói trong
khí xả động cơ Diesel

21


Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô

Hình 2.8: Tiêu chuẩn Cộng đồng Châu Âu

60
40
20

Hình 2.9: Tiêu chuẩn của Cộng đồng Châu Âu về độ khói trong
khí xả động cơ Diesel
Bảng 2.9: Tiêu chuẩn độ khói của động cơ Diesel áp dụng ở một số nước

Quốc gia

Năm

Chế độ đo

Tiêu chuẩn

Cộng đồng
Châu Âu

1972
1982

Gia tốc tự do
(Xem hình 2.9)

Thụy Điển

1972

Gia tốc có tải

k <0,5 m-1
(Xem hình 2.9)
3,5 đ.v. Bosch

Mĩ

1981

(Xem hình 2.8)

(Xem hình 2.8)

Nhật

1972
1975
1984
1980

Đầy tải
Gia tốc không tải
Đầy tải
Đầy tải

Độ mờ 50%
Độ mờ 50%
4 đ.v. Bosch
Độ mờ 50%

Hàn Quốc

2.6. Quy trình kiểm tra định kì mức độ phát sinh ô nhiễm của ô tô
Các quy định trên đây được áp dụng từ lúc ô tô xuất xưởng đến khi đã qua một thời
gian sử dụng nhất định và quy trình đo được thực hiện ở những trung tâm kiểm định theo
quy phạm nhà nước. Ở Mĩ, các tiêu chuẩn đó được áp dụng cho đến khi ô tô đạt được
80.000 km. Để thỏa mãn các quy định của tiêu chuẩn, trong quá trình sử dụng, ô tô phải
được bảo trì tốt. Tuy nhiên khi qua tay người sử dụng ô tô không phải lúc nào cũng được
bảo trì đúng kĩ thuật. Thống kê ở Mĩ cho thấy chỉ có 33% ô tô được bảo trì tốt, số còn lại bị
điều chỉnh không đúng qui định hoặc bị thay thế các bộ phận không đúng tiêu chuẩn. Tình
trạng bảo trì ô tô sử dụng ở các quốc gia có nền công nghiệp chưa phát triển chắc chắn còn
tồi hơn nhiều. Điều này làm nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả gia tăng vượt quá giới
hạn cho phép của các quy định.
Để đánh giá định kì mức độ phát ô nhiễm của ô tô đã qua sử dụng, người ta áp dụng
các quy trình kiểm tra sơ bộ.
Bảng 2.10: Tiêu chuẩn ô nhiễm của ô tô ở chế độ không tải

22


Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô

Quốc gia
Cộng đồng
Châu Âu
Thụy Sĩ

Loại xe
Du lịch, vận tải

Mô tô
Ô tô tải <0,76t hay khách <9 chỗ
Ô tô tải >0,76t hay khách >9 chỗ
Mô tô

Hoa Kì

Ô tô nhẹ

Canada

Ô tô nhẹ

Nhật Bản
Hàn Quốc

Ô tô nhẹ
- Động cơ 4 kì
- Động cơ 2 kì
Ô tô nhẹ

Đài Loan

Ô tô nhẹ

Chất ô nhiễm

Giới hạn

CO

CO
CO
HC
CO
HC
CO
CO
HC
CO

3,5%
4,5%
0,5%V
100ppmV
1%V
200ppmV
3,5%V
1,2%V
220ppmV
0,5%

CO
HC
HC
CO
HC
CO
HC

4,5%

1200ppmV
7800ppmV
4,5%V
1200ppmV
3,5%V
900ppmV

2.6.1. Quy định về kiểm tra sơ bộ mức độ phát ô nhiễm của ô tô
ở các nước phát triển
Phần lớn các tiểu bang ở Mĩ đã sử dụng quy trình kiểm tra đơn giản để đánh giá mức
độ phát ô nhiễm của ô tô đã qua sử dụng. Quy trình đo được thực hiện ở chế độ không tải
với các tiêu chuẩn quy định đối với nồng độ CO, HC và độ mờ của khí xả động cơ Diesel.
Định kì hằng năm hay cứ hai năm một lần, tất cả ô tô phải qua kiểm tra ô nhiễm bằng quy
trình này. Bảng 2.10 giới thiệu tiêu chuẩn ô nhiễm của ô tô đo ở chế độ không tải ở một số
nước.
Cộng hòa Liên Bang Đức là nước đi đầu ở Châu Âu về kiểm tra định kì tình hình ô
nhiễm của ô tô. Quy trình kiểm tra được thực hiện bằng cách đo nồng độ CO ở chế độ
không tải. Tiếp theo là các nước Thụy Sĩ, Áo, Thụy Điển, Hà Lan.
Ở Thụy Sĩ, từ năm 1986 trở đi, cứ một năm hay ba năm một lần, ô tô phải qua kiểm
tra thành phần CO, CO2 và HC ở chế độ không tải. Ở Áo, từ năm 1985, hằng năm ô tô buộc
phải qua kiểm tra HC ở chế độ không tải (<600ppm) và độ mờ của khí xả động cơ Diesel ở
chế độ gia tốc tự do. Ở Anh, kiểm tra nồng độ CO ở chế độ không tải bắt buộc đối với ô tô
hằng năm. Giới hạn cho phép của CO là 4,5%. Ở Thụy Điển, hằng năm ô tô phải qua kiểm
tra định kì. Nồng độ CO ở chế độ không tải phải nhỏ hơn 5,5% và độ khói của khí xả Diesel
không được vượt quá 4,5 đơn vị Bosch ở chế độ đầy tải. Thụy điển cũng đề nghị quy trình
thử INCOLL, trong đó không cần băng thử ru-lô mà dùng quán tính của các bộ phận quay
tự do sau động cơ (bánh đà, ly hợp, các bánh răng của hộp tốc độ...) làm tải khi tăng tốc tự
do. Ở Hà Lan, tất cả ô tô đã qua sử dụng quá ba năm đều phải qua kiểm tra ô nhiễm dựa trên
việc đo nồng độ CO ở chế độ không tải.
23

Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô

2.6.2. Tiêu chuẩn Việt Nam
- Năm 1990, Chính phủ Việt Nam đã ban hành tiêu chuẩn (TCVN 5123-90) quy
định về hàm lượng CO trong khí xả động cơ xăng ở chế độ không tải. Tiêu chuẩn này được
áp dụng cho tất cả ô tô chạy xăng có khối lượng lớn hơn 400 kg. Hàm lượng CO được đo
trực tiếp trong ống xả, cách miệng xả 300mm, ở hai chế độ tốc độ: nmin và 0,6ndm (ndm là tốc
độ định mức). Hàm lượng CO không được vượt quá 3,5% ở chế độ nmin và 2,0% ở chế độ
0,6ndm.
- Năm 1991, Chính phủ Việt Nam ban hành tiêu chuẩn TCVN 5418-91 quy định về
độ khói trong khí xả động cơ Diesel. Tiêu chuẩn này được áp dụng cho tất cả các loại ô tô
dùng động cơ Diesel. Độ khói của khí xả đo ở chế độ gia tốc tự do không được vượt quá
40% HSU (động cơ không tăng áp) và 50% HSU (động cơ tăng áp).
- Năm 1998, Chính phủ Việt Nam ban hành tiêu chuẩn TCVN 6438-98 quy định lại
cụ thể hơn giới hạn cho phép của các chất ô nhiễm trong khí xả của phương tiện vận tải
(bảng 2.11).
Bảng 2.11 : Giới hạn tối đa cho phép của thành phần ô nhiễm trong khí thải
của các phương tiện vận tải
Phương tiện đang sử dụng
Thành phần ô nhiễm
trong khí thải

CO (% thể tích)
HC (ppm thể tích) :
- Động cơ 4 kì
- Động cơ 2 kì
- Động cơ đặc biệt (có kết
cấu khác với động cơ

kiểu piston tịnh tiến)
Độ khói (%HSU)

Phương tiện
động cơ xăng

Phương tiện đăng ký
lần đầu
Phương tiện
Phương
Phương tiện
động cơ Diesel
tiện động
động cơ
cơ xăng
Diesel
Mức 1
Mức 2
Mức 1 Mức 2
4,5

Mức 1
6,5

Mức 2
6,0

Mức 3
4,5

-

1500
7800
3300

1200
7800
3300

-

-

1200
7800
3300

-

-

-

-

-

85

72

-

72

50

_________________________________________________________________________

24


Chương 3

CƠ CHẾ HÌNH THÀNH NOX
TRONG QUÁ TRÌNH CHÁY
CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT
TRONG

3.1. Giới thiệu
NOx là tên gọi chung của oxyde nitơ gồm các chất NO, NO2 và N2O 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, NOx là đối tượng chính của việc xử lý ô nhiễm. Mặt khác, việc xử lý NOx
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 NOx 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 NOx 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
NOx

Lượng phát sinh
(g/kg nhiên liệu)
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 NOx.

3.2. Tác hại của Oxyde Nitơ

26


Chương 3: Cơ chế hình thành NOx trong quá trình cháy của động cơ đốt trong

Oxyde nitơ có thể phát sinh do các quá trình tự nhiên hay do hoạt động công
nghiệp. NOx trong khí quyển do các quá trình tự nhiên sinh ra ước chừng 50.107 tấn. Nó
phân bố đều trên mặt địa cầu với nồng độ khoảng 2 ÷ 10µg/m3, gọi là nồng độ nền. NOx
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 NOx trong tự nhiên hiện nay.

3.2.1. Ảnh hưởng của NOx đến sức khỏe con người
NOx có thể đi sâu vào phổi con người do ít hòa tan trong nước. Khi vào được trong
phổi, 80% lượng NOx bị giữ lại (đối với SO2, cơ quan này chỉ giữ lại khoảng 5%). Trong
các chất của NOx, độc tính của NO2 cao hơn rất nhiều lần so với NO.
NOx 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 NOx 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 NOx, trong đó hơn 5% là NO2. Với thuốc lá nâu thông thường, trung
bình mỗi điếu sinh ra 350µg NOx . 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 NOx 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 NOx
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 50m3, khi người ta hút
một gói 20 điếu thuốc, thì nồng độ NOx 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
NOx trong phòng gấp 2÷5 lần so với nồng độ trên đây, nghĩa là 0,2 ÷ 0,5ppm.

3.2.2. Ảnh hưởng của NOx đến thực vật
NOx chỉ ảnh hưởng đến thực vật khi nồng độ của nó đủ lớn. Người ta thấy ở vùng
đô thị hóa cao, nồng độ NOx 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 NOx 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 NOx 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 + NO2 với nồng độ môi trường
d. Không khí lọc + 2 lần nồng độ NO2 trong môi trường
27


Chương 3: Cơ chế hình thành NOx trong quá trình cháy của động cơ đốt trong

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 NO2 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 NOx đủ lớn
và thời gian đủ dài (2÷10ppm; 4÷20µg/m3 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

NOx vào các phản ứng hóa quang mới được xem là nguy hiểm vì NOx 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, NOx có thể tạo ra những hợp chất nguy hiểm đối với thực vật gấp ngàn lần
hơn so với chính bản thân NOx.

3.2.3. Ảnh hưởng đến quang hợp
Tỉ lệ gia tăng CO2
100
1,6ppm
80
3,2ppm

Tỉ lệ gia tăng CO2
100
2,5ppm
80
8ppm
60
40
20

60
5,8ppm

9ppm
Ảnh hưởng

40
Phục hồi

20

Ảnh hưởng

Phục hồi

t(s)
0
Hình0 3.2: Ảnh hưởng
của NO
100
2 đến
200
quang hợp

t(s)
0
Hình 03.1: Ảnh hưởng
đến
100 của NO200
quang hợp

Khi nồng độ NOx lớn hơn 0,5 ÷ 0,7ppm chúng sẽ làm giảm sự quang hợp. Hình 3.1
và 3.2 cho thấy rằng NO và NO2 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 NO2 và sau khi môi trường hết ô nhiễm, sự quay trở lại trạng thái ban
đầu đối với NO nhanh hơn đối với NO2. Trong những vùng đô thị hóa cao (nồng độ NOx
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 NOx thì NO chiếm tỉ lệ lớn nhất. NOx chủ yếu do N2 trong không khí nạp
28


Chương 3: Cơ chế hình thành NOx trong quá trình cháy của động cơ đốt trong

vào động cơ tạo ra. Nhiên liệu xăng hay Diesel chứa rất ít nitơ nên ảnh hưởng của chúng
đến nồng độ NOx 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
NOx 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:
O + N2

N + O2
N + OH

→
←
→
←
→
←

NO + N

(3.1)

NO + O

(3.2)

NO + H

(3.3)

Phản ứng (3.3) xảy ra khi hỗn hợp
rất giàu. NO tạo thành trong màng lửa và 1,0
3000K
trong sản phẩm cháy phía sau màng lửa.
X/Xe
Trong động cơ, quá trình cháy diễn ra trong
điều kiện áp suất cao, vùng phản ứng rất
2800
mỏng (khoảng 0,1mm) và thời gian cháy rất
2600
ngắn; thêm vào đó, áp suất trong xilanh tăng 0,5
trong quá trình cháy, điều này làm nhiệt độ
2500
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
Hình 3.3: Sự phụ thuộc
t(ms) độ
khu vực sau màng lửa.
20 nhiệt
10 nồng độ NO theo
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)
N 2 + O2 →
← 2 NO
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 O2
lớn thì nồng độ NO trong sản phẩm cháy cũng lớn.

3.3.2. Sự hình thành dioxide nitơ
NO2/NO(%)

Nồng độ NO2 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% NOx dưới dạng NO2. Dioxyde
nitơ NO2 được hình thành từ monoxyde
nitơ NO và các chất trung gian của sản

30
2000
20

NO + HO 2

→ NO + OH
← 2

2400

10

2800
v/phút
0

29

1000

200

pme(kPa)

400


Chương 3: Cơ chế hình thành NOx trong quá trình cháy của động cơ đốt trong

vật cháy theo phản ứng sau:
Hình 3.4: Biến thiên tỉ số NO2/NO theo tải của
động cơ Diesel

(3.5)

Trong điều kiện nhiệt độ cao, NO2 tạo thành có thể phân giải theo phản ứng:
NO 2 + O →

← NO + O 2

(3.6)

Trong trường hợp NO2 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 NO2 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 NO2 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 NO2 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 NO2/NOx trên đường xả động cơ
Diesel theo chế độ tải. Tỉ lệ này càng cao khi tải càng thấp. NO2 là chất độc khí nhất trong
họ NOx 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 N2O chủ yếu hình thành từ các chất trung gian NH và NCO khi
chúng tác dụng với NO:
(3.7)
NH + NO →
← N 2O + H
NCO + NO →
← N 2 O + CO

(3.8)

N2O 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:
N 2O + H →
← NH + NO

N 2O + H →
← N 2 + OH

(3.9)
(3.10)

Chính vì vậy N2O 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.

30