Nghiên cứu ảnh hưởng của khí thải động cơ diesel tăng áp đối với sức khoẻ và môi trường sống của con người

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2009- 2010

Mục lục
LỜI NÓI ĐẦU.......................................................................................................3
Nhóm sinh viên thực hiện:....................................................................................4
Nguyễn Trung Kiên
Phùng Tiến Dũng................4
Chương 1. TỔNG QUAN.................................................................................5
1.1. Những vấn đề chung:.............................................................................5
1.2. Động cơ diesel và tiêu chuẩn khí thải châu Âu:.....................................6
1.2.1. Động cơ diesel tăng áp:...................................................................6
1.2.2. Tiêu chuẩn khí thải Châu Âu (EURO):...........................................7
1.3. Mục đích, nội dung, ý nghĩa của đề tài:...............................................10
1.3.1. Mục đích:.......................................................................................10
1.3.2. Nội dung:.......................................................................................10
1.3.3. Ý nghĩa:.........................................................................................10
Chương 2. CƠ CHẾ HÌNH THÀNH KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ DIESEL VÀ
TÁC HẠI.........................................................................................................11
2.1. Cơ chế hình thành khí thải của động cơ diesel:....................................11
2.1.1. Một số vấn đề liên quan đến quá trình cháy..................................11
Cơ chế hình thành CO :...........................................................................18
2.1.3. Cơ chế hình thành NOx:................................................................19
2.1.4. Cơ chế hình thành bồ hóng: .........................................................22
2.1.5. Cơ chế hình thành khí các-te:........................................................24
2.1.6. Cơ chế hình thành các chất ơ nhiễm đăc trưng:............................25
2.1.7. Cơ chế hình thành SOx:.................................................................27
2.2. Ảnh hưởng của khí thải động cơ diesel đối với con người và môi
trường:.........................................................................................................28
2.2.1. Ảnh hưởng của CO:.......................................................................28
2.2.2. Ảnh hưởng của NOx:....................................................................29
2.2.3. Ảnh hưởng của bồ hóng:...............................................................30

2.2.4. Ảnh hưởng của khí các-te:.............................................................31
2.2.5. Ảnh hưởng của các chất ô nhiễm đặc trưng:.................................31
2.2.6. Ảnh hưởng của SOx:.....................................................................32
Chương 3.CÁC GIẢI PHÁP GIẢM LƯỢNG KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ
DIESEL:..........................................................................................................32
3.1. Các vấn đề chung:................................................................................32
3.1.1. Tính kinh tế nhiên liệu và mức độ độc hại khí xả:........................32
3.1.2. Phân loại các giải pháp:.................................................................32
3.2. Giảm ơ nhiễm tại nguồn phát sinh:.......................................................33
3.2.1. Tối ưu hoá tốc độ phun nhiên liệu: ...............................................33
Sử dụng hệ thống tuần hồn khí xả:........................................................34

-1-


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2009- 2010
Lựa chọn phương pháp tạo hỗn hợp thích hợp........................................35
Phun nước vào trong xy-lanh..................................................................36
Điều chỉnh lượng nhiên liệu lớn nhất cung cấp cho một chu trình.........37
Giảm hệ số dư lượng khơng khí và giảm bớt mức độ xoáy lốc..............37
Sử dụng hệ thống phun nhiên liệu diesel điều khiển điện tử...................37
Xử lý khí xả:................................................................................................38
Các biện pháp xử lý khí xả:.....................................................................38
Đối với BXLKX kiểu ơ-xy hố trên động cơ diesel................................40
Bộ lọc và ơxy hố bồ hóng:.........................................................................41
Các vấn đề chung.....................................................................................41
Một số phương pháp lọc bồ hóng:...........................................................42
3.5. Xu hướng sử dụng nhiên liệu mới........................................................45
Chương 4. KẾT LUẬN...................................................................................46
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................47

-2-


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2009- 2010

LỜI NÓI ĐẦU
Với lịch sử phát triển hàng trăm năm, ngành động cơ đã phát triển và đạt
được những thành tựu vượt bậc. Trong những năm gần đây việc thiết kế cũng
như phát triển động cơ đốt trong không chỉ chú trọng đến tính năng vận hành và
tính kinh tế mà cịn đặc biệt chú ý đến vấn đề môi trường. Động cơ nói chung và
động cơ diesel nói riêng đang là một trong những nguồn phát thải gây ô nhiễm
nặng nề ở nước ta, nhất là các đô thị. Cùng với sự tăng trưởng của nền kinh tế
thì nhu cầu về các loại phương tiện giao thông dùng trong các lĩnh vực vận tải
đường bộ, hàng không, vận tải biển ngày một gia tăng. Trong đó để đáp ứng
nhu cầu sử dụng dịch vụ vận tải cơng cộng thì số lượng xe buýt cũng tăng lên.
Tuy nhiên số lượng xe buýt đạt tiêu chuẩn phát thải Euro2 theo quy định cịn rất
ít. Để hạn chế các thành phần gây ô nhiễm này, đã có rất nhiều giải pháp được
đưa ra bao gồm các giải pháp với động cơ và giải pháp xử lý khí thải. Các biện
pháp giảm phát thải cho động cơ diesel lắp trên xe buýt nói riêng và phương tiện
nói chung là một trong những vấn đề hết sức cấp bách.
Với tất các lý do trên, chúng em chọn đề tài:
“Nghiên cứu ảnh hưởng của khí thải động cơ diesel tăng áp đối với sức
khoẻ và môi trường sống của con người”
Mặc dù đã có nhiều cố gắng, nhưng do thời gian và kinh nghiệm cịn ít
nên trong đề tài khơng thể tránh khỏi thiếu sót. Em rất mong sự góp ý của các
thầy cơ trong bộ mơn, các chuyên gia và những người quan tâm đến vấn đề này
để đề tài được hoàn thiện hơn.
Chúng em xin cảm ơn cơ Khương Thị Hà đã tận tình hướng dẫn để chúng
em có thể hồn thành đề tài này. Chúng em xin bày tỏ lịng biết ơn các thầy cơ

-3-


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2009- 2010
giáo Bộ môn Động Cơ Đốt Trong, Khoa Cơ khí, trường Đại học Giao thơng vận
tải đã tận tình giúp đỡ chúng em trong thời gian qua. Em xin chân thành cảm ơn.

Nhóm sinh viên thực hiện:

Nguyễn Trung Kiên

Phùng Tiến Dũng

-4-


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2009- 2010

Chương 1. TỔNG QUAN
1.1. Những vấn đề chung:
Ngày nay vấn đề phát triển bền vững luôn được mọi quốc gia trên thế giới
quan tâm, đặc biệt là bảo vệ môi trường sống của con người. Môi trường của
con người đang bị huỷ hoại nghiêm trọng từ nhiều nguồn khác nhau và một
trong những nguồn ơ nhiễm chủ yếu là khí thải động cơ đốt trong - động cơ
cung cấp tới 80% tổng số năng lượng tiêu thụ trên thế giới.
Động cơ đốt trong là một loại động cơ nhiệt, vì quá trình đốt cháy nhiên
liệu, q trình chuyển từ nhiệt năng của khí sang cơ năng đều được tiến hành
ngay trong bản than động cơ. Động cơ đốt trong kiểu pittơng có hiệu suất nhiệt
cao vì nhiệt độ cực đại trong quá trình cháy có thể đến 1800 0 K- 2800 0 K, cịn
nhiệt độ khí xả thải ra mơi trường chỉ khoảng vào 900 - 1500 0 K. Đặc biệt động

cơ tăng áp tua bin có hiệu suất cao nhất trong tất cả các loaị động cơ nhiệt hiện
nay.
Việc xem xét chi tiết tác động tiêu cực của động cơ đốt trong là hêt sức
quan trong và các khía cạnh sẽ được xem xét đó là :
- Ơ nhiễm do bay hơi của nhiên liệu.
- Ơ nhiễm do khí cac te.
- Ơ nhiễm do khí xả, ơ nhiễm do tạp chat và các chất phụ gia
trong nhiên liệu, sự giảm tầm nhìn do khói và mùi khó chịu của
khí thải diesel.
Như chúng ta đã biết thì trên thế giới hiện nay có khoảng xấp xỉ 1 tỷ ôtô,
hàng năm thải ra môi trường hàng triệu tấn độc hại.Riêng ở Việt Nam, cùng với
sự phát triển kinh tế - xã hội, tốc độ tăng hang năm của các phương tiện nêu trên
khá cao.

-5-


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2009- 2010
Chẳng hạn , tốc độ tăng bình quân xe máy của những năm 2005 là
11,94%.
Tại thời điểm 31.12.1999 cả nước có 460.000 ơtơ, 5.585.000 xe máy. Đến
cuối năm 2003 đã có 500.000 ơtơ, khoảng 11triệu xe máy, cuối năm 2004 thì các
con số tương ứng là 523.509 và 13triệu theo số liệu của Đăng Kiểm Việt
Nam.Hiện tại, phần lớn ôtô xe máy tập trung ở các khu vực đô thị lớn như Hà
Nội , thành phố HCM gây ô nhiễm môi trường hết sức nặng nề. Tại đây, vào
giờ cao điểm đã đạt tới giới hạn cho phép [2].Vì vậy, việc nghiên cứu để hạn chế
ơ nhiễm do khí thải của động cơ là 1 yêu cầu cấp bách của không cứ một quốc
gia nào. Để kiểm sốt khí thải cần phải :
- Kiểm sốt khí thải từ nguồn cung cấp .
- Xử lý khí xả

Kiểm sốt khí thải đối với động cơ đang lưu hành gọi là kiểm định khí
thải được thực hiện bởi cơ quan đăng kiểm.
Như vậy , có thể thấy rằng , để có thể giảm ơ nhiễm do khí thải một cách
tồn diện và hiệu quả phải tiến hành đồng bộ hang loạt những công việc phức
tạo từ khâu nghiên cứu, thiết kế, chế tạo đến vận hành phương tiện và nghiên
cứu, xây dựng và thực hiện những tiêu chuẩn cho từng đối tượng cụ thể.
1.2. Động cơ diesel và tiêu chuẩn khí thải châu Âu:
1.2.1. Động cơ diesel tăng áp:
Động cơ diesel được dùng phổ biến trên các phương tiện vận tải cả đường
bộ và thuỷ, chúng có vai trị rất quan trọng nền kinh tế quốc dân. Do đó, nghiên
cứu phát triển động cơ diesel là một trong những chiến lược phát triển kinh tế.
Trên quan điểm năng lượng động cơ diesel có hiệu suất nhiệt động cao hơn
trong hầu hết các điều kiện vận hành, ở chế độ tải thấp nó khơng bị bất lợi bởi
tổn thất bơm (do khơng có bướm ga nên khơng tạo ra cản khí động trên đường

-6-


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2009- 2010
nạp) vì vậy hiệu suất chỉ thị của chúng khá cao. Tuy nhiên, hiệu suất của động
cơ diesel giảm khá nhanh ở tốc độ cao (khoảng 4000 vòng / phút) do tổn thất do
ma sát cao hơn và khó đảm bảo cháy hồn tồn trong thời gian ngắn. Bên cạnh
đó, nhiên liệu diesel có ưu điểm nội tại về tiêu thụ nhiên liệu so với xăng và có
giá trị nhiệt dung riêng (kJ/dm 3) lớn hơn xăng 10% do vậy tiêu thụ nhiên liệu
tính theo l/100km sẽ thấp hơn 10% với cùng mức hiệu suất động cơ.
1.2.2. Tiêu chuẩn khí thải Châu Âu (EURO):
Theo quyết định số 249/2005/QĐTTg ngày 10/10/2005 của thủ tướng
chính phủ, ngày 1/7/2007 Việt Nam sẽ chính thức áp dụng tiêu chuẩn khí thải
EURO 2. Đồng thời một lộ trình áp dụng các tiêu chuẩn EURO cao hơn nữa
cũng được thảo luận và sẽ được áp dụng trong một tương lai không xa. Với

những tiểu chuẩn EURO cao hơn như EURO 3 và đặc biệt là EURO 4, EURO 5
thì những thành phần độc hại như HC, CO, PM, NO x… ngày càng được thắt
chặt. Điều đó địi hỏi cần có những biện pháp xử lý trong động cơ như luân hồi
khí thải hay dùng bộ xúc tác DeNOx để giảm phác thải NOx, trang bị cho động
cơ bộ lọc khí thải hay các biện pháp khác để giảm lượng bồ hóng (PM)
Năm 1987, tại Châu Âu, một dự luật hoàn chỉnh quy định giá trị nồng độ
giới hạn của các loại khí thải mới được thơng qua và người ta vẫn thường gọi đó
là EURO 0. Trải qua 18 năm, thêm 5 tiêu chuẩn nữa được ban hành bao gồm:
Euro 1 năm 1992, EURO 2 năm 1996, Euro 3 năm 2000 và EURO 4 năm 2005,
EURO 5 năm 2008. Với mỗi tiêu chuẩn mới ra đời, nồng độ giới hạn của khí
thải lại thấp hơn tiêu chuẩn trước. Tiêu chuẩn EURO áp dụng cho tất cả các loại
xe máy, xe 3 bánh, 4 bánh và trên 4 bánh lắp động cơ đốt trong chạy bằng nhiên
liệu xăng, dầu, LPG (Liquefied Petroleum Gas) và chia theo tính năng như: xe
du lịch, xe công suất nhỏ, xe công suất lớn và xe bus.
Tiêu chuẩn khí thải Châu Âu rất chú ý giới hạn lượng phát thải của động
cơ diesel xe tải nặng đặc biệt là EURO III, EURO IV. Các tiêu chuẩn này còn

-7-


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2009- 2010
đòi hỏi những biện pháp tự chuẩn đoán ngay trên xe (OBD – Onboard
Diagnostic), khi xe tải có lỗi dẫn đến tăng lượng phát thải của động cơ, hệ thống
phải cảnh báo cho lái xe biết.
Bảng 1.1 dưới đây thể hiện cụ thể lượng phát thải với các thành phần độc hại
khác nhau đối với xe tải nặng sử dụng động cơ diesel. Tất cả các phép đo đều
được tiến hành theo các qui trình thử tiêu chuẩn.

-8-

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2009- 2010
Bảng 1.1. Các tiêu chuẩn EURO giới hạn lượng phát thải cho xe tải nặng sử
dụng động cơ diesel, g/kWh ( với khói là g/kWm-1 )
Ngày có

Chu

có hiệu lực

trình thử

CO HC

NOx

PM

4.5

1.1

8.0

0.612

4.5 1.1

8.0

0.36

10/1996

4.0 1.1

7.0

0.25

10/1998

4.0 1.1

7.0

0.25

10/1999

ESC&ELR 1.5 0.25

2.0

0.02

0.15

10/2000

2.1 0.66

5.0

0.10

0.8

1.5 0.46

3.5

0.02

0.5

1.5 0.46

2.0

0.02

0.5

1992, <85kW

Khói

EURO I
1992, >85kW

ECE R49

EURO II

EURO
III

EURO IV

10/2005

EURO V

ESC,ETC

10/2008

&ELR

Tiêu chuẩn Euro 2 sử dụng chu trình thử tĩnh ECE R49, từ tiêu chuẩn
Euro 3 trở đi chu trình thử gồm chu trình thử tĩnh ESC/ELR và chu trình thử
động ETC. Độ mờ của khói được đo trên chu trình thử ELR.

-9-


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2009- 2010
1.3. Mục đích, nội dung, ý nghĩa của đề tài:
1.3.1. Mục đích:

- Tìm hiểu tác hại của khí thải động cơ diesel tăng áp đối với con người
và môi trường.
- Các giải pháp khắc phục tác hại của khí thải động cơ diesel tăng áp.
1.3.2. Nội dung:
- Cơ chế hình thành khí thải động cơ diesel.
- Các thành phần độc hại trong khí thải động cơ diesel.
- Các tác hại của khí thải động cơ diesel.
- Nghiên cứu các biện pháp giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực của khí xả.
1.3.3. Ý nghĩa:

- 10 -


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2009- 2010

Chương 2. CƠ CHẾ HÌNH THÀNH KHÍ THẢI ĐỘNG
CƠ DIESEL VÀ TÁC HẠI.
2.1. Cơ chế hình thành khí thải của động cơ diesel:
2.1.1. Một số vấn đề liên quan đến quá trình cháy.
2.1.1.1. Quá trình cháy nhiên liệu:
Cháy là quá trình phản ứng hố học , trong đó các chất phản ứng nhanh
với O2 để sản sinh nhiệt và ánh sang . Đây là các phản ứng dây chuyền toả tròn
tự do, trong đó xảy ra q trình ơ xy hố cácbon (để tạo ra ơxit của nó ) và q
trình ơ xy hoá hydro ( để tạo thành nước ).Phản ứng cháy là hoàn toàn nếu giả
thiết rằng phản ứng giữa C và H2 ( trong nhiên liệu ) với ôxy (trong khơng khí)
tạo thành CO2 và H2O.
- Q trình cháy C thành CO2:
C + O2 ⇔ CO2

(2.1)

8
11
1kgC + kgO2 ⇔ kgCO2
3
3

(2.2)

- Q trình cháy hồn tồn C thành CO:
Khi C cháy trong điều kiện thiếu O2:
C + O2 ⇔ CO
1kgC +

4
7
kgO2 ⇔ kgCO
3
3

(2.3)
(2.4)

- Quá trình cháy CO thành CO2:
2CO + O2 ⇔ 2 CO2

- 11 -

(2.5)

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2009- 2010

1kgC +

4
11
kgO2 ⇔ kgCO2
7
7

(2.6)

- Đốt cháy H2 thành H2O:
Khi đốt cháy H2 trong điều kiện đủ O2:
2H2 + O2 ⇔ 2H2O
1kgH 2 + 8kgO2 ⇔ 9kgH 2 O

(2.7)
(2.8)

- Đốt cháy S thành SO2:
Khi S đốt cháy trong điều kiện đủ O2:
S + O2 ⇔ SO2
1kgS + 1kgO2 ⇔ 2kgSO2

(2.9)
(2.10)

- Đốt cháy N thành NO2:

Khi N2 bị đốt cháy trong điều kiện đủ O2:
N + O2 ⇔ NO2
1kgN +

(2.11)

16
23
kgO2 ⇔
kgNO2
7
7

(2.12)

2.1.1.2. Lượng khơng khí lý thuyết để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu:
Việc đốt cháy nhiên liệu có thể tóm tắt bằng các phương trình sau:

- 12 -


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2009- 2010
8
11
1kgC + kgO2 ⇔ kgCO2
3
3

(2.13)

1kgH 2 + 8kgO2 ⇔ 9kgH 2 O

(2.14)

1kgS + 1kgO2 ⇔ 2kgSO2

(2.15)

Như vậy:
- Lượng O2 yêu cầu để đốt cháy hết C kg cacbon là

8
C
3

- Lượng O2 yêu cầu để đốt cháy hết H kg hydro là 8H
- Lượng O2 yêu cầu để đốt cháy hết S kg lưu huỳnh là 1S
Cho nên tổng lượng O2 yêu cầu là:

8
C + 8 H + 1S
3

Nếu nhiên liệu đã chứa O kg oxi thì lượng oxi lý thuyết cần để đốt cháy
hoàn toàn 1kg nhiên liệu ( Occ ) sẽ là:
Occ =

8
C + 8 H + 1S -O
3

(2.16)

Khơng khí chứa 23% khối lượng là O 2 còn khoảng 77% khối lượng là
N2. Do đó lượng khơng khí lý thuyết cần để đốt cháy hồn tồn 1kg nhiên liệu,
có thể biểu diễn dưới dạng

A
F

Air

( Fuel ) như sau:

A 100
8
=
× ( C + 8 H + 1S -O)
F
23
3

(2.17)

2.1.1.3. Tỷ số Stoichiometry, tỷ số tương đương, hệ số dư lượng khơng khí:

- 13 -


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2009- 2010

Trong quá trình làm việc của động cơ, thường không đảm bảo được tỷ
số

A
F

chính xác theo lý thuyết . Người ta thường sử dụng các đại lượng này để

biểu thị hỗn hợp công tác là giàu hhay nghèo (thiếu hoặc thừa khơng khí so với
tính tốn lý thuyết).
- Tỷ số Stoichiometry:
Cấu trúc hố học của nhiên liệu không tác động trực tiếp đến quá trình
cháy.Tuy nhiên tổng lượng C ,H ,O trong nhiên liệu là những thơng số tác động
mạnh đến q trình cháy.Do đó khi phân tích định lượng nhiên liệu thường được
biểu diễn tổng quát bằng công thức (CHyOz)x ( chỉ số x liên quan đến khối lượng
phân tử trung bình và khơng tác động đến tỷ số

A
F

) . Q trình cháy của nhiên

liệu có thể mơ tả ngắn gọn bằng phương trình sau:
CH y O z + (1 +

y z
y
y z
− )(O2 + 3,78 N 2 ) → CO2 + H 2 O + 3,78(1 + − ) N 2
4 2

2
4 2

(2.18)

Stoichiometry là sự phối hợp của khơng khí và nhiên liệu để có thể đạt
được q trình cháy hồn tồn theo phương trình trên. Tỷ số Stoichiometry được
tính như sau:
r=

Trong đó:

ma
mc

ma

:Khối lượng khơng khí

mc:Khối lượng nhiên liệu
Độ lớn của r nằm trong khoảng 13-15 (với các hydrocacbon nói chung) và
từ 14-14,5 đối với nhiên liệu lỏng thông thường ( xăng, dâù diesel). Giá trị r tăng

- 14 -


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2009- 2010
theo tỉ số

H

C

trong nhiên liệu, nó thay đổi từ 11,49 (với C) đến 34,46 (với H

thuần khiết).
- Tỷ số tương đương:
Điều kiện cháy trong động cơ thông thường không đúng với điều kiện
Stoichiometry và đặc trưng là thừa hoặc là thiếu nhiên liệu so với khơng khí. Tại
một số quốc gia người ta thường dung tỷ số tương đương ( ϕ ) để biểu diễn tỷ lệ
các nguyên tố liên quan trong phản ứng cháy, nó được định nghĩa theo cơng
thức:
mce
m
ϕ = ae
mc
ma

Trong đó:

mce,mae: Tương ứng là khối lượng của nhiên liệu và khơng

khí.
Do đó ϕ có thể biểu diễn theo tỷ số Stoichiometry bằng công thức:
ϕ=

mce
.r
mae

Tỷ số tương đương được dùng để biểu diễn lượng chất quý trong phản

ứng (nhiên liệu) và hỗn hợp được nhắc đến là giàu hay nghèo (phụ thuộc vào
lượng nhiên liệu có mặt tương ứng với điều kiện Stoichiometry).
Nhìn chung, động cơ diesel vận hành với hỗn hợp nghèo và tỷ số tương
đương ít ảnh hưởng đến hoạt động của chúng.Vận hành với hỗn hợp nghèo
(ϕ = 0,85 ÷ 0,95)

có ưu điểm với chế độ tiết kiệm nhiên liệu.

- Hệ số dư lượng khơng khí:
Tại một số quốc gia (Nga, Đức, Việt Nam) thành phần hỗn hợp cháy
được biễu diễn bằn hệ số dư lượng khơng khí ( α ). Hệ số dư lượng khơng khí là

- 15 -


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2009- 2010
tỉ số giữa lượng khơng khí thực tế (nạp vào buồng cháy động cơ) và lượng
khơng khí cần thiết lý thuyết để đốt cháy hoàn toàn một đơn vị nhiên liệu. Hệ số
dư lượng khơng khí có thể nhỏ hơn, bằng hoặc lớn hơn 1. Nó là thơng số dánh
giá chất lượng tạo hỗn hợp, đánh giá chế độ làm việc là kinh tế hay không kinh
tế.
Khi biểu diễn theo tỉ số tương đương ta có:
α=

Nếu

α 〈1

1

ϕ

ta có hỗn hợp đậm. Nếu

α 〉1 ta có hỗn hợp đậm. Giá trị của

α với động cơ diesel nằm trong phạm vi sau:
- Đông cơ diesel tốc độ thấp:

α = 1,8 ÷ 2,2

- Đơng cơ diesel tốc độ trung bình:
- Động cơ diesel cao tốc:

α =1,6 ÷1,8

α =1,3 ÷1,6

2.1.1.4. Sản phẩm cháy:
Về mặt lý thuyết sản phẩm của q trình cháy hồn tồn là CO 2 và
H2O.
Đối với q trình cháy khơng hồn tồn,sản phẩm cháy bao gồm:
- Hydrocacbon

chưa

cháy

cháy

dở:

CnHm:

Paraffins,Olefins,

Aromatic

hydrocacbons
- Hydrocacbon

CnHm.CHO-Andehyt,

CnHm.CO-Xeton,

CnHm.COOH-cacboxylic, CO
- Sản phẩm của quá trình cracking nhiệt và các chất dẫn xuất: C 2H2,
C2H4, C (soot), hydrocacbon đa vịng…
Ngồi ra, q trình cháy cịn sản sinh các sản phẩm phụ và chất oxy hoá:

- 16 -


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2009- 2010
- Sản phẩm phụ: Đây là các sản phẩm từ N trong không khí (NO,NO 2);
từ phụ gia nhiên liệu (oxit chì, halogen chì); từ tạp chất trong nhiên liệu (oxit lưu
huỳnh)
- Các chất oxi hoá (oxidants): Các chất oxy hoá được tạo thành khi khí
xả thải ra mơi trường có ánh sáng mặt trời; peroxyt hữu cơ (organic peroxides);
ozon; peroxy-acetyl-nitrates…

Hình 2.1.Tỷ lệ các thành phần khí thải trong động cơ diesel.
Từ những năm 1970, các điều luật liên quan đến khí xả động cơ thường
đề cập đến CO, HC, NOx va PM. Các chất này thường được gọi là chất ô nhiễm
thong thường. Từ những năm 1990, để hiểu biết sâu hơn về hiện tượng và
nguyên nhân ô nhiễm, các nhà chuyên môn quan tâm rât nhiều đến các hợp chất
đặc biệt có trong khí xả (Benzene, formaldehyde, PAHs,…) và chúng thường
được gọi là các chất ô nhiễm đặc trưng. Đây là những chất có ảnh hưởng xấu tới
sức khỏe và mơi trường sống của con người.

- 17 -


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2009- 2010
Cơ chế hình thành CO :
CO là một loại khí khơng màu, khơng mùi, không vị.Trong phản ứng dây
chuyền khi hỗn hợp bị đốt cháy, CO chỉ là một sản phẩm trung gian của q
trình ơ-xy hóa nhiên liệu hydro cacbon để tạo thành sản phẩm cuối cùng CO2.
RH → R → RO2 → RCO → CO

(2.19)

Trong đó: R là gốc hydrocacbua.
CO tạo ra sẽ bị ơxy hóa với tốc độ chậm tạo thành CO2 theo phương trình:
CO + OH ⇔ CO2 + H

(2.20)

Yếu tố chính gây ra việc phát sinh CO là độ đậm đặc của hỗn hợp nhiên
liệu và khơng khí .

Thơng thường, người ta tính tốn nồng độ gần đúng của CO chứa trong
khí thải theo phản ứng :
CO + H2O ⇔ CO2 +H2

(2.21)

Theo nguyên lý , sự phát thải CO có thể bằng khơng khí cháy với hỗn hợp
nghèo nhiên liệu. Tuy nhiên, điều này khó đạt được trong thực tế do các nguyên
nhân sau : Tỷ số

A
F

không đồng nhất trong xylanh và sự ơ xy hóa một phần HC

trong hệ thống xả.
Bảng 2.1.Tác động của một số thành phần nhiên liệu đến mức CO trong
khí xả( ứng với Ф = 1,1 )

- 18 -


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2009- 2010
Kiểu hydrocacbon

Hàm lượng cacbon

Hàm lượng CO trong

(%)

khí xả (% thể tích)

Methane

75

2.2

83.0

2.7

Isooctan

84.2

2.8

Benzene

92.3

3.5

Toluene

91.3

3.3

LPG (nhiên liệu hóa lỏng)

Mức CO trong khí xả cũng phụ thuộc vào hàm lượng cácbon của nhiên
liệu như bảng số liệu 2.1.
Trong thực tế ,nhìn chung thì động cơ diesel thải Co ít hơn so với động cơ
xăng.Trong quá trình hoạt động ,các xe tải hạng nhẹ lắp động cơ diesel thải CO
ở mức khoảng 2g/dặm, trong khi các xe con lắp động cơ xăng thải ra khoảng
90g/dặm.Từ đó ta thấy rằng nhiên liệu diesel có được ưu điểm so với động cơ
xăng ở việc thải ra ít CO.
Đối với động cơ diesel , do luôn làm việc với hỗn hợp nghèo ở tất cả các
chế độ. Do vậy, không xuất hiện vấn đề tăng lượng thải CO khi khởi động
nguội.
Đối với các phương tiện có hàm lượng CO cao hơn định mức cho phép thì
cần có thêm thiết bị phụ để xử lý.
2.1.3. Cơ chế hình thành NOx:
Việc tìm hiểu cơ chế hình thành NOx trong động cơ dieselvà kiểm
sốt thành phần khí thải này gặp nhiều khó khăn do q trình cháy của động cơ
diesel xảy ra nhanh và hỗn hợp cháy là không đồng nhất. NO, NO2 là hai thành
phần chính của NOx. Trong đó,NO là khí khơng mùi không màu trong khi NO2

- 19 -


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2009- 2010
có màu nâu đỏ và mùi gắt. Cả hai loại khí đều rất độc nhưng NO2 độc gấp 5 lần
so với NO, phần lớn NO2 hình thành từ việc oxi hố NO.
NO được hình thành trong quá trình cháy rớt trong xi lanh tại vùng
nhiệt độ cao, cơ chế hình thành NO được chấp nhận rộng rãi là cơ chế được đưa
ra bởi Zendovich. Thành phần chính để hình thành NO là khí N 2 trong khơng khí

nạp vào động cơ. Phản ứng dây chuyền oxi hố khí nitơ được tạo bởi các nguyên
tử oxi, được hình thành từ việc tách ra khỏi phân tử O2 tại nhiệt độ cao trong
quá trình cháy. Phản ứng chủ đạo để hình thành NO từ phân tử N2 là:
O2 ↔ 2O

(2.22)

N2 + O →NO + N

(2.23)

N + O2 → NO +O

(2.24)

N + OH →NO + H

(2.25)

Các phương trình cân bằng hố học này chỉ ra rằng khí cháy tại nhiệt độ
cháy bình thường thì tỷ lệ NO 2/NO là rất nhỏ. Trong khi đó các thí nghiệm trên
động cơ xăng hay diesel chỉ ra rằng NO2 có thể chiếm từ 10% đến 30% trong
thành phần NOx. Điều đó được giải thích là do NO được hình thành trong vùng
ngọn lửa có thể nhanh chóng trở thành NO2 qua phản ứng:
NO + HO2 → NO2 + OH

(2.26)

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

- 20 -

(2.27)


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2009- 2010
Nếu không sự hình thành NO 2 trong vùng ngọn lửa nóng sẽ bị dập tắt khi
tiếp xúc với vùng lạnh. Do đó tỷ lệ NO 2/NO sẽ cao nhất tại chế độ tải cao của
động cơ diesel, khi mà những vùng lạnh có thể dập tắt sự hình thành trở lại NO.
Nồng độ cục bộ của những nguyên tử oxy phụ thuộc vào nồng độ phân tử oxi
cũng như nhiệt độ cục bộ. Sự hình thành NO x tồn tại chủ yếu ở nhiệt độ trên
2000 oK. Do đó bất kỳ kỹ thuật nào có thể khống chế được nhiệt độ tức thời
trong buồng cháy dưới 2000 oK thì có thể giảm được sự hình thành NOx.
NOx hình thành từ phản ứng oxi hóa nitơ trong điều kiện nhiệt độ cao của
quá trình cháy. Thành phần NOx phụ thuộc rất nhiều vào hệ số dư lượng khơng
khí λ (tức nồng độ oxi của hỗn hợp) và nhiệt độ của quá trình cháy. Nồng độ
NOx đạt giá trị cực đại tại λ = 1.05 ÷1.1 [18]. Tại đây, nhiệt độ của q trình
cháy đủ lớn để ô xi và nitơ phân hủy thành ngun tử có tính năng hoạt hóa cao,
và tại đây nồng độ ôxi đủ lớn đảm bảo đủ ô xi cho phản ứng, do đó NO x đạt cực
đại. Do đặc điểm của động cơ diesel là hình thành hỗn hợp bên trong nên hệ số
dư lượng khơng khí λ nằm trong một giới hạn rất rộng, cụ thể là 1.2 đến 10
tương ứng từ tồn tải đến khơng tải.
Ở động cơ diesel, khi λ tăng, nhiệt độ cháy giảm nên thành phần NO x
giảm. So với động cơ xăng thì động cơ diesel có thành phần NOx thấp hơn. Tuy
nhiên, thành phần NO2 trong NOx lại cao hơn, chiếm
ở động cơ xăng là

trong khi tỷ lệ này

.

Phương pháp hình thành hỗn hợp có ảnh hưởng lớn đến sự hình thành
NOx. Đối với buồng cháy ngăn cách, quá trình cháy diễn ra ở buồng cháy phụ
(hạn chế khơng khí), rất thiếu oxi nên mặc dù nhiệt độ lớn nhưng NOx vẫn nhỏ.
Khi cháy ở buồng cháy chính, mặc dù λ rất lớn, oxi nhiều nhưng nhiệt độ q
trình cháy khơng lớn nên NOx cũng nhỏ. Tổng hợp lại, NOx của động cơ có
buồng cháy ngăn cách chỉ bằng khoảng một nửa so với động cơ có buồng cháy

- 21 -


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2009- 2010
thống nhất. Tuy vậy, động cơ sử dụng buồng cháy ngăn cách có tính kinh tế
khơng cao do có suất tiêu hao nhiên liệu lớn nên ngày nay không được sử dụng
nhiều.
2.1.4. Cơ chế hình thành bồ hóng:
Khái niệm được nhiều người biết đến về bồ hóng đó là: Bồ hóng được
cấu thành từ các phân tử hydrocacbon thơm nhiều nhân (PAH). Các phân tử bồ
hóng ban đầu lớn dần lên theo hai cách sau:
- Thứ nhất, đường kính của bồ hóng tăng lên là nhờ chúng bám, dính vào
nhau làm cho kích thước bề mặt lớn bằng phân tử C2H2.
- Thứ hai, phản ứng cộng hyđro được diễn ra liên tục và kết quả cuối cùng
được đặc trưng bởi số phân tử C lớn tạo thành chuỗi hạt có kích thước lớn hơn
theo cách thứ nhất nhiều. Các phân tử này có đường kính từ 10 - 1000 nm,
thường là 100 nm, khối lượng trung bình của bồ hóng là 2000kg/m 3.
Bồ hóng có thuộc tính xốp nên các phần tử bồ hóng được đặc trưng bởi tỷ
lệ khối lượng chia cho diện tích bề mặt, vì vậy chúng rất dễ dính và cơ đọng
trong phản ứng cộng hyđrơ, thậm chí ngay cả sau khi rời động cơ chúng vẫn có
tính chất như vậy. Bồ hóng là chất ơ nhiễm đặc biệt quan trọng với động cơ

diesel. Quá trình cháy khuếch tán của động cơ diesel rất thuận lợi cho việc hình
thành bồ hóng. Sự hình thành bồ hóng trong ngọn lửa khuếch tán phụ thuộc khá
mạnh vào tính chất nhiên liệu. Nhiên liệu có thành phần C lớn thì nồng đọ bồ
hóng càng cao. Yếu tố quyết định hàm lượng bồ hóng là nồng đọ nhiên liệu và
nồng độ oxy. Hỗn hợp khơng đồng nhất giàu nhiên liệu thì hàm lượng bồ hóng
rất lớn và ngược lại. Nồng độ oxy chủ yếu ảnh hưởng đến tốc độ oxy hố bồ
hóng sau khi chúng được hình thành. Lượng bồ hóng thốt ra khỏi động cơ là
kết quả cân bằng giữa quá trình tạo bồ hóng và q trinh oxy hố bồ hóng. Bồ
hóng được đăc trưng bởi: Nồng độ thể tích F(m 3/m3), mật độ hạt N(hạt/m3) và
đường kính trung bình của hạt d(m).
- 22 -


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2009- 2010

Hình 2.2.Quá trình hình thành bồ hóng.

- 23 -


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2009- 2010

Hình 2.3 : Giới hạn cho phép về thải hạt rắn đối với động cơ nhẹ theo tiêu chuẩn
của châu Âu đo theo chu trình ECE 15 + EUDC

2.1.5. Cơ chế hình thành khí các-te:
Piston và xéc măng được thiết kế nhằm bao kín thể tích cơng tác của động
cơ. Tuy nhiên, trong thực tế ln có một bộ phận khí nén và khí cháy lọt qua xéc
măng khí,xéc măng dầu vào trong các-te. Các loại khí này có thể là: hỗn hợp
nhiên liệu-khơng khí chưa cháy,các sản phẩm cháy (hoặc là cháy dở), CO 2, CO,

hơi nước.
Trong quá trình động cơ hoạt động, lọt khí xảy ra ở khe hở miệng xéc
măng, khe hở xéc măng với rãnh, khe hở lưng xéc măng với mặt gương xylanh.
Lượng khí lọt tăng theo tốc độ động cơ, đặc biệt khi xéc măng với thành xilanh
bị mịn nhiều. Hiện tượng lọt khí có thể trở lên nghiêm trọng ở một vận tốc giới
hạn nào đó của động cơ, khi sự rung xuất hiện do quán tính trực tiếp của xéc
măng lệch pha với chuyển động của pittơng. Hiện tượng này có thể hạn chế
bằng cách giảm trọng lượng của mỗi xéc măng và tăng áp suất hướng kính của
mặt lưng xéc măng với mặt gương xilanh.

- 24 -


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2009- 2010
Hiện tượng lọt khí sẽ làm tăng hàm lượng hơi nhiên liệu trong hộp truc
khuỷu và có thể la nguyên nhân gây nổ trong các-te. Mặt khác, hỗn hợp khơng
khí nhiên liệu, các sản phẩm cháy sẽ ngưng tụ lại và làm hư hỏng dầu bôi trơn sẽ
tạo ra cặn dầu làm giảm tính nhờn và khả năng chống oxi hố, dẫn đến các ổ đỡ
bị mài mòn với tốc độ cao hơn nhiều.
Do khơng thể loại trừ hồn tồn hiện tượng lọt khí, người ta tạo ra 1 dịng
đối lưu nhằm mang các loại khí khơng mong muốn ra khỏi các-te. Mục đích này
đạt được bằng cách tạo ra sự giảm áp cục bộ để hút khí các-te ra khỏi hộp trục
khuỷu. Có 2 phương pháp hay dùng :
- Thơng gió các-te kiểu hở
- Thơng gió các-te kiểu kín (Nhờ độ chân khơng trên đường ống nạp)

2.1.6. Cơ chế hình thành các chất ô nhiễm đăc trưng:
2.1.6.1. Các vấn đề chung:
Với một số các điều luật chống ô nhiễm ở Mỹ , việc phân tích chi tiết sự
phát thải hydrocacbon(HC) dựa trên các tiêu chí sau:

- Mêtan và có thể là êtan : có thể loại được bởi tính chất khơng độc của
chúng.vì vậy nó có thể được bỏ qua trong nhóm HC.Khi đó trong nhóm HC này
bao gồm tồn bộ nhóm sản phẩm hưu cơ như rượu cồn ,ete , aldehit . xeton ,…
- Các loại hydrocacbon còn lại khác : benzene, một số loại aldehit
- Các chất gây ung thư (carcinogenic) và gây đột biến gen (mutagenic):
Chất đột biến gen là một chất hay một tác nhân gây ra sự thay đơi có tính di
truyền trong các tế bào và cơ thể. Chất gây ung thư là chất gây ra những quá

- 25 -