Giáo trình Ô tô và ô nhiễm môi trường - Chương 3: Cơ chế hình thành NOx trong quá trình cháy của động cơ đốt trong

Chương 3

CƠ CHẾ HÌNH THÀNH NO_X

TRONG QUÁ TRÌNH CHÁY

CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT

TRONG

3.1. Giới thiệu

NO_xlà tên gọi chung của oxyde nitơ gồm các chất NO, NO₂và 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, NO_xlà đối tượng chính của việc xử lý ô nhiễm. Mặt khác, việc xử lý NO_x

trong điều kiện đó gặp nhiều khó khăn vì bộ xúc tác ba chức năng chỉ hoạt động có hiệu

quả khi a = 1. Các giải pháp kỹ thuật khác nhằm hạn chế NO_xngay trong quá trình cháy

cũng đã được áp dụng trên động cơ hiện đại: giải pháp hồi lưu khí xả, giải pháp thay đổi

thời kỳ trùng điệp của góc độ phối khí.

Vì vậy, việc hiểu biết tường tận cơ chế hình thành NO_xđể tìm biện pháp hạn chế

nồng độ của chúng ngay trong quá trình cháy là cần thiết. Mức độ phát sinh ô nhiễm trung

bình của quá trình cháy nhiên liệu hydrocarbure như sau:

Chất ô nhiễm

Lượng phát sinh

(g/kg nhiên liệu)

20

NO_x

CO

200

25

HC

Bồ hóng

2÷5

Đây là số liệu mang tính chất trung bình ở điều kiện cháy của hỗn hợp có hệ số dư

lượng không khí a=1. Tuy nhiên trong những điều kiện cháy đặc biệt ở áp suất và nhiệt độ

cao với hệ số dư lượng không khí lớn thì tỉ lệ thành phần các chất ô nhiễm cho trong bảng

trên đây thay đổi theo hướng gia tăng NO_x.

3.2. Tác hại của Oxyde Nitơ

26

Chương 3: Cơ chế hình thành NO_xtrong 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. NO_xtrong khí quyển do các quá trình tự nhiên sinh ra ước chừng 50.10⁷tấn. Nó

phân bố đều trên mặt địa cầu với nồng độ khoảng 2 ÷ 10µg/m³, gọi là nồng độ nền. NO_x

do hoạt động của con người tạo ra, tập trung chính ở vùng thành thị và các khu công

nghiệp, chiếm khoảng 1/10 lượng NO_xtrong tự nhiên hiện nay.

3.2.1. Ảnh hưởng của NO_xđến sức khỏe con người

NO_xcó thể đi sâu vào phổi con người do ít hòa tan trong nước. Khi vào được trong

phổi, 80% lượng NO_xbị giữ lại (đối với SO₂, cơ quan này chỉ giữ lại khoảng 5%). Trong

các chất của NO_x, độc tính của NO₂cao hơn rất nhiều lần so với NO.

NO_xchủ yếu do quá trình cháy gây ra. Ngoài các quá trình cháy công nghiệp và

gia dụng, trong sinh hoạt, con người còn chịu đựng ảnh hưởng trực tiếp của NO_xdo khói

thuốc lá gây ra. Tùy theo loại thuốc lá, khi hút một điếu thuốc người hút đã đưa vào phổi

từ 100 đến 600µg NO_x, trong đó hơn 5% là NO₂. Với thuốc lá nâu thông thường, trung

bình mỗi điếu sinh ra 350µg NO_x. Nếu người hút thuốc hít 8 lần, mỗi lần 2s với dung tích

35ml và khoảng thời gian giữa hai lần hít là 60s, chúng ta tính được nồng độ NO_xtrung

bình là 933ppm theo thể tích trong toàn bộ khói thuốc. Nhưng mỗi lần hít vào, khói thuốc

lá hòa tan vào phổi có thể tích 3500ml, nghĩa là đã làm loãng đi 100 lần, nồng độ NO_x

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

Đối với người thụ động chịu ảnh hưởng của thuốc lá (người hít không khí trong

không gian bị ô nhiễm bởi khói thuốc lá) ảnh hưởng này nhỏ nhưng cũng đáng kể. Tính

trung bình theo số liệu trên đây thì trong một phòng kín có thể tích 50m³, khi người ta hút

một gói 20 điếu thuốc, thì nồng độ NO_xtrong phòng đạt khoảng 0,1ppm do người hút thải

ra. Nếu tính luôn phần khói thuốc thoát ra giữa hai lần hít, người ta ước chừng nồng độ

NO_xtrong phòng gấp 2÷5 lần so với nồng độ trên đây, nghĩa là 0,2 ÷ 0,5ppm.

3.2.2. Ảnh hưởng của NO_xđến thực vật

NO_xchỉ ảnh hưởng đến thực vật khi nồng độ của nó đủ lớn. Người ta thấy ở vùng

đô thị hóa cao, nồng độ NO_xđạt khoảng 3,93ppm, sự quang hợp của thực vật chỉ giảm đi

25%. Thí nghiệm đặt cây dưa leo trong không khí có nồng độ NO_x0,75ppm trong hai

tháng cho thấy không bị ảnh hưởng gì. Những thí nghiệm khác được thực hiện trên cà

chua và đậu Hà Lan đặt trong môi trường không khí nhân tạo với nồng độ NO_xcao 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 + NO₂với nồng độ môi trường

d. Không khí lọc + 2 lần nồng độ NO₂trong môi trường

27

Chương 3: Cơ chế hình thành NO_xtrong 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 NO₂từ 0,5 đến 1ppm, kéo dài trong 35 ngày cho thấy lá

cây bị vàng và rụng nghiêm trọng. Vì vậy thực vật chỉ bị tác hại khi nồng độ NO_xđủ lớn

và thời gian đủ dài (2÷10ppm; 4÷20µg/m³trong nhiều ngày). Oxyde nitơ không gây tác

hại đến thực vật với nồng độ của chúng hiện nay trong khí quyển. Chỉ có sự tham dự của

NO_xvào các phản ứng hóa quang mới được xem là nguy hiểm vì NO_xtác dụng với một số

chất khác có mặt trong không khí trong những điều kiện nhất định tạo ra những chất nguy

hiểm đối với thực vật. Chẳng hạn dưới tác dụng của tia cực tím trong môi trường có chứa

hydrocarbure, NO_xcó thể tạo ra những hợp chất nguy hiểm đối với thực vật gấp ngàn lần

hơn so với chính bản thân NO_x.

3.2.3. Ảnh hưởng đến quang hợp

Tỉ lệ gia tăng CO₂

100

2,5ppm

80

1,6ppm

80

3,2ppm

8ppm

60

5,8ppm

40

9ppm

40

Ảnh hưởng

Phục hồi

t(s)

Phục hồi

t(s)

Ảnh hưởng

20

0

Hình03.1: Ảnh hưởng của NO đến

Hình 3.2: Ảnh hưởng của NO đến

100

200

100

2

200

quang hợp

Khi nồng độ NO_xlớn hơn 0,5 ÷ 0,7ppm chúng sẽ làm giảm sự quang hợp. Hình 3.1

và 3.2 cho thấy rằng NO và NO₂làm 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 NO₂và 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 NO_x

đạt khoảng 3,93ppm), sự quang hợp có thể bị giảm đi 25%.

3.3. Cơ chế hình thành Oxyde Nitơ

3.3.1. Cơ chế hình thành monoxyde nitơ

Trong họ NO_xthì NO chiếm tỉ lệ lớn nhất. NO_xchủ yếu do N₂trong không khí nạp

28

Chương 3: Cơ chế hình thành NO_xtrong 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 NO_xkhông đáng kể. Nhiên liệu nặng sử dụng ở động cơ tàu thủy tốc độ thấp

có chứa khoảng vài phần nghìn nitơ (tỉ lệ khối lượng) nên có thể phát sinh một lượng nhỏ

NO_xtrong khí xả. Sự hình thành NO do oxy hóa nitơ trong không khí có thể được mô tả

bởi cơ chế Zeldovich. Trong điều kiện hệ số dư lượng không khí xấp xỉ 1, những phản ứng

chính tạo thành và phân hủy NO là:

→

(3.1)

O

N

+

N₂

O₂

NO

+

N

←

(3.2)

(3.3)

→

NO

+

O

H

←

→

←

N + OH

Phản ứng (3.3) xảy ra khi hỗn hợp

rất giàu. NO tạo thành trong màng lửa và

trong sản phẩm cháy phía sau màng lửa.

Trong động cơ, quá trình cháy diễn ra trong

điều kiện áp suất cao, vùng phản ứng rất

mỏng (khoảng 0,1mm) và thời gian cháy rất

ngắn; thêm vào đó, áp suất trong xilanh tăng

trong quá trình cháy, điều này làm nhiệt độ

của bộ phận khí cháy trước cao hơn nhiệt độ

đạt được ngay sau khi ra khỏi khu vực màng

lửa nên đại bộ phận NO hình thành trong

khu vực sau màng lửa.

1,0

3000K

2800

X/X_e

2600

2500

0,5

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

t(ms)

20

10

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)

N₂

+

O₂

2NO

←

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 NO₂có thể bỏ qua so

30

1000

với NO nếu tính toán theo nhiệt động

học cân bằng trong điều kiện nhiệt độ

bình thường của ngọn lửa. Kết quả này

có thể áp dụng gần đúng trong trường

hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức. Đối

với động cơ Diesel, người ta thấy có

đến 30% NO_xdưới dạng NO₂. Dioxyde

nitơ NO₂được hình thành từ monoxyde

nitơ NO và các chất trung gian của sản

2000

2400

20

10

2800

v/phút

0

200

400

pme(kPa)

29

→

NO

+

HO₂

NO₂+ OH

←

Chương 3: Cơ chế hình thành NO_xtrong 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, NO₂tạo thành có thể phân giải theo phản ứng:

→

(3.6)

NO₂

+

O

NO + O₂

←

Trong trường hợp NO₂sinh 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 NO₂tiếp 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 NO₂trong

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 NO₂thành 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/NO_xtrên đường xả động cơ

Diesel theo chế độ tải. Tỉ lệ này càng cao khi tải càng thấp. NO₂là chất độc khí nhất trong

họ NO_xvì 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

N₂O

+

H

←

(3.8)

→

NCO

+

NO

N₂O

+

CO

←

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:

→

(3.9)

N₂O

+

H

NH

+

NO

←

(3.10)

→

N₂

+

OH

←

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

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

1. Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí

Hình 3.5 minh họa ảnh hưởng của hệ số

dư lượng không khí đến mức độ phát sinh NO.

Nhiệt độ cháy đạt giá trị cực đại tương ứng với

hệ số dư lượng không khí khoảng 0,9, nghĩa là

khi hỗn hợp hơi giàu. Tuy nhiên trong điều

kiện đó nồng độ O₂thấp nên nồng độ NO

không đạt giá trị lớn nhất. Khi hệ số dư lượng

không khí tăng, ảnh hưởng của sự gia tăng áp

suất riêng O₂đến nồng độ NO lớn hơn ảnh

hưởng của sự giảm nhiệt độ cháy nên NO đạt

giá trị cực đại ứng với hệ số dư lượng không

khí khoảng 1,1 (hỗn hợp hơi nghèo). Nếu độ

đậm đặc của hỗn hợp tiếp tục giảm thì tốc độ

của phản ứng tạo thành NO cũng giảm do nhiệt

độ cháy thấp. Điều ấy giải thích sự giảm nồng

độ NO_xkhi tăng hệ số dư lượng không khí.

2. Ảnh hưởng của hệ số khí sót

4000

NO(ppm)

3000

2000

1000

Hình 3.5: Biến thiên nồng độ NO theo

1,2 1,4

1,0

Hệ số dư lượng không khí

a

0,8

Trước khi cháy, hỗn hợp trong xi lanh bao gồm không khí, hơi nhiên liệu và khí

sót. Khí sót có mặt trong hỗn hợp là do khí cháy của chu trình trước còn sót lại trong xy

lanh hay do hồi lưu khí xả. Khi không có sự hồi lưu, lượng khí sót trong xi lanh phụ thuộc

vào tải, góc độ phối khí và đặc biệt là khoảng trùng điệp giữa các soupape thải và nạp. Khi

khoảng trùng điệp tăng thì lượng khí sót tăng làm giảm nồng độ NO. Mặt khác, lượng khí

sót còn phụ thuộc vào chế độ động cơ, độ đậm đặc của hỗn hợp và tỉ số nén.

Khí sót giữ vai trò làm bẩn hỗn hợp, do đó làm giảm nhiệt độ cháy dẫn đến sự

giảm nồng độ NO_x. Tuy nhiên, khi hệ số khí sót gia tăng quá lớn, động cơ sẽ làm việc

không ổn định làm giảm tính kinh tế và tăng nồng độ HC.

Hình 3.6 trình bày ảnh hưởng của tỉ lệ khí xả hồi lưu đến nồng độ NO ứng với các

độ đậm đặc khác nhau của hỗn hợp. Nồng độ các chất ô nhiễm giảm mạnh theo sự gia tăng

của tỉ lệ khí xả hồi lưu cho đến khi tỉ lệ này đạt 15 ÷ 20%, đây là tỉ lệ khí sót lớn nhất chấp

nhận được đối với động cơ làm việc ở tải cục bộ. Nhiệt độ cháy giảm khi gia tăng lượng

khí sót trong hỗn hợp là do sự gia tăng của nhiệt dung riêng môi chất.

NO(ppm)

3000

NO(ppm)

16

2000

1000

2000

1000

A/F=15

17

31

0

20

10

50

40

30

10

20

EGR(%)

Góc đánh lửa sớm

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

Hình 3.6: Ảnh hưởng của tỉ lệ khí xả

hồi lưu đến nồng độ NO

Hình 3.7: Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm

đến nồng độ NO

Sự gia tăng tỉ lệ khí sót vượt quá giới hạn cho phép làm giảm chất lượng quá trình

cháy dẫn đến sự cháy không hoàn toàn và động cơ làm việc không ổn định do bỏ lửa. Vì

vậy, luợng khí sót tối ưu cần phải cân nhắc giữa sự giảm nồng độ NO và sự gia tăng suất

tiêu hao nhiên liệu. Điều này chỉ có thể thực hiện một cách tự động nhờ hệ thống điều

khiển điện tử cho phép điều khiển lượng khí xả hồi lưu tối ưu ứng với mỗi chế độ vận

hành của động cơ.

3. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm

Góc đánh lửa sớm có ảnh hưởng mạnh đến sự phát sinh NO (hình 3.7). Khi tăng

góc đánh lửa sớm, điểm bắt đầu cháy xuất hiện sớm hơn trong chu trình công tác, áp suất

cực đại xuất hiện gần ĐCT hơn do đó giá trị của nó cao hơn. Vì vậy, tăng góc đánh lửa

sớm cũng làm tăng nhiệt độ cực đại. Mặt khác, vì thời điểm cháy bắt đầu sớm hơn nên

thời gian tồn tại của khí cháy ở nhiệt độ cao cũng kéo dài. Hai yếu tố này đều tạo điều kiện

thuận lợi cho sự hình thành NO.

Tóm lại, tăng góc đánh lửa sớm làm tăng nồng độ NO trong khí xả. Trong điều

kiện vận hành bình thường của động cơ, giảm góc đánh lửa 10 độ có thể làm giảm nồng

độ NO từ 20 ÷ 30% ở cùng áp suất cực đại của động cơ.

3.4.2. Trường hợp động cơ Diesel

Khác với động cơ đánh lửa cưỡng bức, do đặc điểm của quá trình tạo hỗn hợp

không đồng nhất, quá trình cháy trong động cơ Diesel gồm hai giai đoạn: giai đoạn cháy

đồng nhất diễn ra ngay sau kì cháy trễ và giai đoạn cháy khuếch tán. Sự phân bố nhiệt độ

và thành phần khí cháy trong không gian buồng cháy là không đồng nhất. Đối với quá

trình cháy hòa trộn trước, thành phần hỗn hợp có thể thay đổi trong phạm vi rộng; trong

khi đó, đối với quá trình cháy khuếch tán, màng lửa xuất hiện ở những khu vực cục bộ có

thành phần hỗn hợp gần với giá trị cháy hoàn toàn lí thuyết.

Cũng như trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức, nhiệt độ cực đại là yếu tố ảnh

hưởng lớn đến sự hình thành NO trong quá trình cháy của động cơ Diesel. Trong mọi loại

động cơ, sản phẩm cháy của bộ phận nhiên liệu cháy trước tiên trong chu trình đóng vai

trò quan trọng nhất đối với sự hình thành NO vì sau khi hình thành, bộ phận sản phẩm

cháy đó bị nén làm nhiệt độ gia tăng do đó làm tăng nồng độ NO.

Mặt khác, do quá trình cháy khuếch tán, trong buồng cháy động cơ Diesel luôn tồn

tại những khu vực hay các ‘túi’ không khí có nhiệt độ thấp. Nhờ bộ phận không khí này

mà NO hình thành trong buồng cháy động cơ Diesel được làm mát (gọi là sự ‘tôi’ NO)

nhanh chóng hơn trong trương hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức và do đó NO ít có khuynh

32

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

hướng bị phân giải hơn.

Các quan sát thực nghiệm cho thấy hầu hết NO được hình thành trong khoảng 20⁰

góc quay trục khuỷu từ lúc bắt đầu cháy. Do đó, khi giảm góc phun sớm, điểm bắt đầu

cháy lùi gần ĐCT hơn, điều kiện hình thành NO cũng bắt đầu trễ hơn và nồng độ của nó

giảm do nhiệt độ cực đại thấp. Đối với động cơ Diesel cỡ lớn, giảm góc phun sớm có thể

làm giảm đến 50% nồng độ NO trong khí xả trong phạm vi gia tăng suất tiêu hao nhiên

liệu chấp nhận được. Đối với động cơ Diesel nói chung, nồng độ NO_xtăng theo độ đậm

đặc trung bình (hình 3.8). Tuy nhiên nồng độ NO_xgiảm theo độ đậm đặc chậm hơn trong

trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức do sự phân bố không đồng nhất của nhiên liệu.

Trong quá trình cháy của động cơ Diesel, độ đậm đặc trung bình phụ thuộc trực tiếp vào

lượng nhiên liệu chu trình. Do đó, ở chế độ tải lớn nghĩa là áp suất cực đại cao, nồng độ

NO tăng.

Ở động cơ Diesel phun gián tiếp, một

bộ phận nhỏ NO hình thành trong buồng cháy

NO,NO_x(ppm)

4000

NO_x

NO

chính (khoảng 35%) còn phần lớn được hình

thành trong buồng cháy dự bị (khoảng 65%).

Quá trình cháy trong buồng cháy phụ nói

chung diễn ra trong điều kiện độ đậm đặc

trung bình rất lớn, trừ trường hợp tải thấp, do

đó nồng độ NO trong buồng cháy này cao.

Thời gian dành cho sự phân giải NO trong

hỗn hợp đậm đặc của buồng cháy dự bị rút

ngắn vì ngay sau khi hình thành, nó được

chuyển sang buồng cháy chính và ở đó, các

phản ứng phân giải NO bị khống chế vì chúng

được hòa trộn với không khí có nhiệt độ thấp.

3000

2000

1000

f

Hình 3.8: Ảnh hưởng độ đăm đặc trung

0,3

0,8

bình đến nồng độ NO_xtrong động cơ Diesel

0,6 0,7

0,5

0,4

Hình 3.8 trình bày biến thiên của nồng độ NO_xvà NO trong khí xả theo độ đậm

đặc trung bình đối với động cơ Diesel phun trực tiếp, tốc độ 1000v/phút và góc phun sớm

27⁰trước ĐTC.

Cũng như trong trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức, sự hồi lưu khí xả làm

giảm NO do làm giảm nhiệt độ khí cháy. Tuy nhiên, ở động cơ Diesel ảnh hưởng của khí

xả hồi lưu đến NO phụ thuộc mạnh vào chế độ tải. Ở chế độ tải cao, khí thải chứa nhiều

CO₂và hơi nước, hỗn hợp có nhiệt dung riêng lớn, còn ở chế độ tải thấp, khí hồi lưu chủ

yếu là nitơ có nhiệt dung riêng bé. Ở động cơ Diesel tăng áp, sự gia tăng áp suất dẫn đến

sự gia tăng nhiệt độ khí cháy, do đó làm tăng nồng độ NO.

3.5. Ví dụ tính toán nồng độ NO_xtrong khí xả động cơ

Diesel

3.5.1. Giới thiệu

33

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

Trởn ợờy chóng ta ợỈ ợồ cẹp ợỏn cĨc phộn ụng hÈnh thÌnh NO_x. KhĨc víi phđn lín

cĨc chÊt khĨc cã mật trong sộn phẻm chĨy, nạng ợé NO_xợỨîc khèng chỏ bẽi ợéng hảc

phộn ụng vÈ thêi gian chóng ợÓt ợiồu kiơn cờn bững nhiơt ợéng hảc xÊp xừ thêi gian

chĨy. ớèi víi quĨ trÈnh chĨy trong ợéng cŨ, cĨc nhÌ nghiởn cụu ợỈ ợỨa ra nhƠng hơ

phỨŨng trÈnh ợéng hảc phộn ụng khĨc nhau ợố mỡ tộ sù hÈnh thÌnh NO_xnhỨ mỡ hÈnh

Newhall, Annand, Zeldovich. CĨc yỏu tè cŨ bộn ợố tÝnh toĨn nạng ợé NO_xtheo cĨc mỡ

hÈnh nÌy lÌ nạng ợé côc bé cĐa oxy, nhiởn liơu vÌ nhiơt ợé chĨy. Mỡ hÈnh ợố xĨc ợẺnh

cĨc thỡng sè nÌy trong quĨ trÈnh chĨy cĐa ợéng cŨ Diesel ợỈ lÌ ợồ tÌi bÌn cỈi cĐa cĨc nhÌ

khoa hảc tõ nhiồu thẹp kủ qua.

Tõ lờu, mỡ hÈnh mét khu vùc ợỨîc sö dông nhỨ mét phỨŨng tiơn ợố tÝnh toĨn quĨ

trÈnh chĨy ợéng cŨ Diesel. Mỡ hÈnh nÌy giộ ợẺnh hçn hîp trong buạng chĨy lÌ ợạng nhÊt,

bá qua ộnh hỨẽng cĐa cĨc hiơn tỨîng lỶ hoĨ vÌ sù khuỏch tĨn nhiởn liơu - khỡng khÝ

trong ngản löa. Mỡ hÈnh ợã râ rÌng khỡng cho phƯp xĨc ợẺnh ợỨîc nạng ợé NO_x. Mỡ

hÈnh ợa khu vùc ợỨîc thiỏt lẹp nhữm khÕc phôc nhỨîc ợiốm trởn. Tuy ợỨîc ghi nhẹn lÌ

bỨíc tiỏn ợĨng kố, nhỨng mỡ hÈnh nÌy tạn tÓi mét nhỨîc ợiốm cŨ bộn ợã lÌ tèc ợé tiởu

thô nhiởn liơu ợỨîc xĨc ợẺnh dùa trởn nhƠng biốu thục thùc nghiơm, do ợã khã cã thố

khĨi quĨt hoĨ cho cĨc trỨêng hîp khĨc nhau cĐa ợéng cŨ Diesel.

Mỡ hÈnh ngản löa khuỏch tĨn lÌ mỡ hÈnh ợa khu vùc ợỨîc thiỏt lẹp trong thêi gian

gđn ợờy ợố tÝnh toĨn quĨ trÈnh chĨy cĐa ợéng cŨ Diesel. Tèc ợé tiởu thô nhiởn liơu ợỨîc

xĨc ợẺnh dùa trởn cŨ sẽ cờn bững vẹt chÊt trong ngản löa rèi. Mỡ hÈnh nÌy ợỈ mẽ ra triốn

vảng trong tÝnh toĨn nạng ợé cĨc chÊt ỡ nhiÔm cĐa quĨ trÈnh chĨy ợéng cŨ Diesel, ợậc

biơt lÌ bạ hãng vÌ NO_x.

Phđn sau ợờy sỹ giíi thiơu mét vÝ dô vồ tÝnh toĨn sù hÈnh thÌnh NO_xtrong ợéng

cŨ Diesel phun giĨn tiỏp bững mỡ hÈnh khuỏch tĨn.

3.5.2. Mỡ hÈnh tÓo NO_x

Trong trỨêng hîp ợđy ợĐ cã thố xem trong sộn vẹt chĨy cĐa khỡng khÝ vÌ nhiởn

liơu hydrocarbure cã 12 chÊt: H₂O, H₂, OH, H, N₂, NO, N, CO₂, CO, O₂, O, Ar. Phộn ụng

hãa hảc trong trỨêng hîp tăng quĨt ợỨîc viỏt dỨíi dÓng:

q

m r

78

1

⎛

⎝

⎞⎛

⎟⎜

⎠⎝

⎞

⎠

∑

a(C H O ) + α.a n +

−

O + N₂+ Ar → x_i

(3.11)

⎜

⎟

n

m

r

2

i=1

4

2

21

Trong ợã q lÌ tăng sè cĨc thÌnh phđn sộn vẹt chĨy vÌ x_ilÌ thÌnh phđn mol cĐa chÊt i

trong sộn vẹt chĨy.

Phđn lín cĨc chÊt cã mật trong sộn phẻm chĨy cã thố xem ẽ trÓng thĨi cờn bững

34

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

nhiơt ợéng hảc trõ NO_x, chÊt cã nạng ợé thay ợăi theo thêi gian. Trong phđn trởn chóng ta

giíi thiơu hơ phỨŨng trÈnh Zeldovich. Trong vÝ dô nÌy chóng ta sö dông hơ phỨŨng

trÈnh ợđy ợĐ hŨn cĐa ANNAND. Theo ANNAND, hơ cĨc phỨŨng trÈnh ợéng hảc phộn

ụng khèng chỏ sù hÈnh thÌnh NO_xbao gạm 7 phỨŨng trÈnh thuẹn nghẺch sau ợờy:

−160

T

⎛

⎞

⎯⎯→

←⎯⎯

N + NO

N + O

N₂+ O ,

k = 3,1.10¹⁰.exp

(3.12)

(3.13)

⎜

⎝

⎟

⎠

f1

− 3125

⎛

⎞

⎯⎯→

NO + O ,

NO + H ,

k_{f 2}= 6,4.10⁶.T.exp

⎜

⎝

⎟

⎠

2 ←⎯⎯

T

⎯⎯→

N + OH

k_{f 3}= 4,2.10¹⁰

(3.14)

(3.15)

←⎯⎯

⎯⎯→

10

(

)

H + N₂O

N₂+ OH,

k_{f 4}= 3.10 .exp − 5350.T

←⎯⎯

−18900

⎛

⎞

⎠

k_f5= 3,2.10¹².exp

k_{f 6}= k_f5

(3.16)

(3.17)

⎯⎯→

←⎯⎯

O + N₂O

N₂+ O₂,

⎜

⎝

⎟

T

⎯⎯→

←⎯⎯

NO + NO,

− 30500

⎛

⎞

N₂+ O + M, k_{f 7}= 10¹².exp

(3.18)

⎯⎯→

←⎯⎯

N₂O + M

⎜

⎝

⎟

⎠

T

Tèc ợé tÓo thÌnh NO khi tÝnh theo gãc quay trôc khuủu viỏt dỨíi dÓng sau:

⎛

⎜

⎞

⎟

[

]

d( NO )

R₁

R₂+ R₃

R₆

R₄+ R₅+ R₇

V

2

⎜

⎟

=

(1− θ )

+

(3.19)

dα

30.n

1+ θ

1+

⎜

⎟

⎝

⎠

Trong ợã:V: Thố tÝch cĐa phđn sộn phẻm chĨy (cm³); n: Sè vßng quay ợéng cŨ

n

(v/ph); α: Gãc quay trôc khuủu (ợé); R_i= k _fi[X _j]_e; k_fi: lÌ hững sè tèc ợé phộn ụng

∏

j=1

thuẹn thụ i. (i=1÷7); [X_j]_e: nạng ợé ẽ trÓng thĨi cờn bững nhiơt ợéng cĐa chÊt tham gia

phộn ụng j trong phộn ụng thuẹn thụ i (mol/cm³); θ= [NO]_pỨ/[NO]_e.

3.5.3. Mỡ hÈnh chĨy khuỏch tĨn trong ợéng cŨ Diesel phun giĨn tiỏp

Trong giai ợoÓn chĨy khuỏch tĨn khỡng gian cĨc buạng chĨy cĐa ợéng cŨ Diesel

PGT ợỨîc chia thÌnh bèn khu vùc nhỨ hÈnh 3.9 vÌ 3.10. Sau giai ợoÓn chĨy nhanh,

nhiởn liơu ợỨîc tiỏp tôc phun vÌo, khỡng khÝ cßn lÓi trong buạng chĨy phô khuỏch tĨn

vÌo tia phun vÌ chĨy khuỏch tĨn (khu vùc 1). ớé ợẹm ợậc trung bÈnh trong khu vùc 1 tÙng

dđn vÌ quĨ trÈnh chĨy tÓi ợờy kỏt thóc khi ợé ợẹm ợậc trung bÈnh lín hŨn giĨ trẺ giíi hÓn

trởn cĐa φ. Khu vùc nÌy bao gạm nhiởn liơu chỨa chĨy, sộn phẻm chĨy. ẽ khu vùc 2, ban

35

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

ợđu lÌ khỡng khÝ, thố tÝch khu vùc nÌy thu hỦp dđn vÌ cuèi cĩng lÌ sộn phẻm chĨy chiỏm

chç.

Khu vùc 3 lÌ chĨy trong buạng chĨy chÝnh. ớđu tiởn nã bao gạm nhiởn liơu chỨa

chĨy hỏt, sộn phẻm chĨy khỡng hoÌn toÌn. Oxy trong buạng chĨy chÝnh khuỏch tĨn vÌo

khu vùc 3 (ợỨîc xem nhỨ mét ngản löa khuỏch tĨn míi). ớé ợẹm ợậc trung bÈnh cĐa khu

vùc nÌy giộm dđn vÌ quĨ trÈnh chĨy kỏt thóc khi toÌn bé lỨîng nhiởn liơu phun vÌo ợỈ tiởu

thô hỏt. Khu vùc 4, chụa khỡng khÝ, thố tÝch khu vùc nÌy giộm dđn vÌ ợỏn cuèi quĨ

trÈnh chĨy nã bẺ sộn phẻm chĨy chiỏm chç hoÌn toÌn.

Tia phun

Buạng chĨy

phô

d

c

Buạng chĨy

chÝnh

d

f

e

f

e

Piston

HÈnh 3.9: SŨ ợạ phờn chia khu vùc giai ợoÓn chĨy

khuỏch tĨn trong buạng chĨy chÝnh vÌ phô

HÈnh 3.10: Mỡ hÈnh cĨc vĩng phộn ụng trong

ợéng cŨ phun giĨn tiỏp

NhỨ vẹy cã thố xem quĨ trÈnh chĨy khuỏch tĨn trong ợéng cŨ Diesel phun giĨn tiỏp

gạm hai ngản löa khuỏch tĨn: Ngản löa thụ nhÊt chĨy trong buạng chĨy phô, cã ợậc ợiốm lÌ

tÓi miơng vßi phun chừ cã nhiởn liơu, ngản löa thụ hai chĨy trong buạng chĨy chÝnh tèc

ợé phun thÊp hŨn, ợỨêng kÝnh lç phun lín hŨn (chÝnh lÌ ợỨêng kÝnh hảng thỡng) vÌ

tÓi miơng hảng thỡng lÌ hçn hîp gạm nhiởn liơu vÌ sộn phẻm chĨy.

Hơ phỨŨng trÈnh cđn giội ụng víi 6 ẻn sè lÌ nhiơt ợé khÝ tÓi cĨc vĩng 1, 2, 3, 4, Ĩp

suÊt trong buạng chĨy p vÌ nạng ợé NO_x. Hơ phỨŨng trÈnh nÌy ợỨîc thiỏt lẹp dùa trởn

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

trÈnh (3.19).

3.5.4. Kỏt quộ

Hơ phỨŨng trÈnh trởn ợỨîc Ĩp dông ợố tÝnh toĨn quĨ trÈnh chĨy vÌ sù hÈnh thÌnh

NO_xtrong ợéng cŨ KUBOTA. So sĨnh kỏt quộ tÝnh toĨn NO_xvíi kỏt quộ thùc nghiơm ẽ

cĨc gãc phun sím khĨc nhau ợỨîc trÈnh bÌy trởn hÈnh 3.11. Kỏt quộ tÝnh toĨn rÊt phĩ hîp

víi thùc nghiơm. Khi tÙng gãc phun sím dÉn ợỏn thêi ợiốm bÕt ợđu chĨy diÔn ra sím

36

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

hŨn do ợã lÌm tÙng giĨ trẺ Ĩp suÊt cùc ợÓi, nhiơt ợé cùc ợÓi cao hŨn vÈ vẹy nạng ợé

NO_xsinh ra lín hŨn.

So sĨnh kỏt quộ tÝnh toĨn NO_xvíi kỏt quộ thùc nghiơm ẽ cĨc sè vßng quay khĨc

nhau trÈnh bÌy trởn hÈnh 3.12. CÌng tÙng sè vßng quay tèc ợé vẹn ợéng rèi cĐa khỡng

khÝ trong buạng chĨy cÌng tÙng, lÌm tÙng tèc ợé chĨy do ợã NO_xtÙng lởn. Sù sai lơch

giƠa tÝnh toĨn lỶ thuyỏt víi thùc nghiơm cã thố do viơc giộn hãa trong giộ thiỏt tÝnh toĨn

khi dĩng mỡ hÈnh rèi k-ε-g ợậc trỨng cho vẹn ợéng rèi cĐa mỡi chÊt trong buạng chĨy.

So sĨnh kỏt quộ tÝnh toĨn NO_xvíi kỏt quộ thùc nghiơm theo ợé ợẹm ợậc trung bÈnh

cĐa hçn hîp ẽ cĨc sè vßng quay 1200 vßng/phót vÌ 2200 vßng/phót trÈnh bÌy trởn hÈnh

3.13 vÌ 3.14. Sù phĩ hîp giƠa tÝnh toĨn vÌ thùc nghiơm cho thÊy cã thố dĩng hơ phỨŨng

trÈnh ợéng hảc phộn ụng cĐa Annand ợố tÝnh toĨn sù hÈnh thÌnh NO_xtrong khÝ xộ

ợéng cŨ Diesel.

NOx Tênh toan

50

45

40

35

30

25

20

15

NOx Thê nghiãm

80

70

60

50

40

30

20

10

0

1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200

16.5

18

19.5

21

22.5

24

Sä vong quay (v/ph)

Goc phun såm (âä)

HÈnh 3.11: So sĨnh kỏt quộ tÝnh toĨn vÌ thÝ HÈnh 3.12: So sĨnh kỏt quộ tÝnh toĨn vÌ thÝ nghiơm

nghiơm NO_xcĐa ợéng cŨ KUBOTA theo gãc nạng ợé NO_xcĐa ợéng cŨ KUBOTA theo sè vßng quay,

phun sím, lỨîng nhiởn liơu cung cÊp chu trÈnh lỨîng nhiởn liơu cung cÊp chu trÈnh Qct=0.03g/ct; gãc

Qct= 0.037g/ct

phun sím 21^o

37

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

NOx Tinh to¸n(ppm)

NOx Tênh toan(ppm)

NOx Thê nghiãm(ppm)

50

40

30

20

10

0

NOx Thi nghiÖm (ppm)

60

50

40

30

20

10

0

1

1.1

1.2

1.3

1.4

1

1.1

1.2

1.3

1.4

HÖ sè d− l−îng kh«ng khÝ

HÈnh 3.13: Kỏt quộ tÝnh toĨn vÌ thÝ nghiơm nạng ợé HÈnh 3.14: Kỏt quộ tÝnh toĨn vÌ thÝ nghiơm nạng ợé

NO_xcĐa ợéng cŨ KUBOTA theo hơ sè dỨ lỨîng NO_xcĐa ợéng cŨ KUBOTA theo hơ sè dỨ lỨîng

khỡng khÝ khi n= 1200v/ph

khỡng khÝ trung bÈnh khi n= 2200v/ph

38