26

Chương 3

CƠ CHẾ HÌNH THÀNH NO
X
TRONG QUÁ TRÌNH CHÁY
CỦA ĐỘNG CƠ Đ
Ố
T
TRONG 3.1. Giới thiệu

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

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

.
3.2. Tác hại của Oxyde Nitơ

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

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

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

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

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

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

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

3.2.2. Ảnh hưởng của NO
x
đến thực vật

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

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

3.2.3. Ảnh hưởng đến quang hợp
3.3.1. Cơ chế hình thành monoxyde nitơ

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

9ppm
8ppm
2,5ppm
Ảnh hưởng

Phục hồi
0
100

(3.1)

(3.2)

(3.3)

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

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

10
20
0,5
1,0
2500

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

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

(3.5)

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

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

(3.6)

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


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

(3.9)

(3.10)

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

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

3.4.1. Trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức

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

NO O NO O
22
++
←
→
NH NO N O H
++

2
thấp nên nồng độ NO
không đạt giá trị lớn nhất. Khi hệ số dư lượng
không khí tăng, ảnh hưởng của sự gia tăng áp
suất riêng O
2
đến nồng độ NO lớn hơn ảnh
hưởng của sự giảm nhiệt độ cháy nên NO đạt
giá trị cực đại ứng với hệ số dư lượng không
khí khoảng 1,1 (hỗn hợp hơi nghèo). Nếu độ
đậm đặc của hỗn hợp tiếp tục giảm thì tốc độ
của phản ứng tạo thành NO cũng giảm do nhiệt
độ cháy thấp. Điều ấy giải thích sự giảm nồng
độ NO
x
khi tăng hệ số dư lượng không khí. 0,8
1,0

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

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

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

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

3.5. Ví dụ tính toán nồng độ NO
x
trong khí xả động cơ
Diesel3.5.1. Giới thiệu
0,3
1000
2000
3000
N
O,NO
x
(ppm)
f
N
O
x

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

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

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

3.5.2. Mỡ hÈnh tÓo NO
x

Trong trỨêng hîp ợđy ợĐ cã thố xem trong sộn vẹt chĨy cĐa khỡng khÝ vÌ nhiởn
liơu hydrocarbure cã 12 chÊt: H
2
O, H
2
, OH, H, N
2
, NO, N, CO
2
, CO, O
2
, O, Ar. Phộn ụng
hãa hảc trong trỨêng hîp tăng quĨt ợỨîc viỏt dỨíi dÓng:
1
(3.11)
Trong ợã q lÌ tăng sè cĨc thÌnh phđn sộn vẹt chĨy vÌ x
i
lÌ thÌnh phđn mol cĐa chÊt i
trong sộn vẹt chĨy.
Phđn lín cĨc chÊt cã mật trong sộn phẻm chĨy cã thố xem ẽ trÓng thĨi cờn bững
Chương 3: Cơ chế hình thành NO
x
trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
35
nhiơt ợéng hảc trõ NO
x
, chÊt cã nạng ợé thay ợăi theo thêi gian. Trong phđn trởn chóng ta
giíi thiơu hơ phỨŨng trÈnh Zeldovich. Trong vÝ dô nÌy chóng ta sö dông hơ phỨŨng
trÈnh ợđy ợĐ hŨn cĐa ANNAND. Theo ANNAND, hơ cĨc phỨŨng trÈnh ợéng hảc phộn
ụng khèng chỏ sù hÈnh thÌnh NO
x
bao gạm 7 phỨŨng trÈnh thuẹn nghẺch sau ợờy:
NNO N O++
←⎯⎯
⎯→⎯
2
, k
T
f1
10
3110
160
=

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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