ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐIỀU CHỈNH
ĐẾN HÀM LƯỢNG NO
X
TRONG KHÍ XẢ CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL TS. LÊ HOÀI ĐỨC
Bộ môn Động cơ đốt trong
Khoa Cơ khí
Trường Đại học Giao thông Vận tải

Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông điều chỉnh đến
hàm lượng NOx trong khí xả của động cơ diesel và qua đó tìm ra phạm vi khai thác hợp lý cho
người sử dụng để giảm ô nhiễm môi trường.
Summary: The paper presents some reseach results on the impact of adjustment parameters
on the content of NOx in exhaust gas discharged from diesel engines, based on which suitable
operational ranges have been found to help users reduce environmental pollution.

I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay, các loại thiết bị có công suất lớn, nguồn động lực chính vẫn là động cơ diesel.
Đối với Việt Nam, các động cơ diesel hầu hết là nhập khẩu, khi đưa và sử dụng và khai thác, do
điều kiện khí hậu của Việt Nam thay đổi tác động tới chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật và môi trường của
động cơ. Xác định các thông số điều chỉnh trong quá trình khai thác một cách hợp lý có ý nghĩa
lớn trong việc nâng cao chất lượng khai thác phương tiện có sử dụng động cơ diesel, làm tăng
hiệu quả kinh tế và giảm ô nhiễm môi trường. Do đó việc nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng một
số thông số điều chỉnh đến hàm lượng NO
x
trong khí xả của động cơ diesel để tìm ra phạm vi
khai thác hợp lý cho người sử dụng là vấn đề có ý nghĩa khoa học.
II. NỘI DUNG VÀ CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
2.1. Các vấn đề chung

xác khác nhau, nhưng trong đó mô hình Zeldovich có nhiều ưu điểm và được rất nhiều tác giả
sử dụng.

2.2. Tính toán thành phần mol của sản vật cháy theo nhiệt động cân bằng
Phương trình phản ứng đối với nhiên liệu hydrocacbon trong trường hợp tổng quát có thể
viết dưới dạng:

()
∑
=
→
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
++
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−+
φ
+
q
1i
i


HH
2
1
2
→
(2)

OO
2
1
2
→
(3)

NN
2
1
2
→
(4)
(5)
222
OH2OH2 +→

22
H
2
1
OHOH +→

10
11
2p
=
(10)
p
x
x
K
5
7
3p
=
(11)
p
b
x
K
2
10
4p
=
(12)
p
x.b
x
K
2
3
5p

1i
i
=
∑
=Như vậy, ta đã có tổng số 7 phương trình và cần thêm 5 phương trình nữa để có thể xác
định được 12 ẩn số nói trên. Ta có 5 phương trình cân bằng số nguyên tử các chất trước và sau
phản ứng:
avx
12
=
(17)
awxx
98
=
+
(18)
axxxx2x.2
4321
=
+
++
(19)
ayxx2xxxxx
111098631
=+
+
+

⎞
⎜
⎝
⎛
−+
φ
=
(25)
)ry(
21
78
z −=
(26)
Như vậy ta có 1 hệ gồm 12 phương trình với 12 ẩn số. Giải hệ phương trình trên bằng
phương pháp lặp theo thứ tự các bước sau:
Bước 1: Ước tính giá trị ban đầu của a, b:
Giá trị của a và b đuợc ước tính theo tỷ lệ nhiên liệu, tỉ lệ tương đương φ, áp suất p (tính
theo atm) và nhiệt độ T (tính theo
0
K)

[]
1000
T13.0
e)rm5.0n2(863.1m5.0n
3.1
a
−+++
=
(27)

+++++−
=
(29)
x
1
=bx
2
(30)

2e3
xbKx = (31)
2a4
xKx = (32)
2
2
cgcg
5
4
az8)KbK()KbK(
x
⎟
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎜
⎝
⎛

12
=
2.3. Tính toán hàm lượng NO theo động học phản ứng
Theo mô hình Zeldovich [5] các phương trình phản ứng bao gồm
O + N
2
↔ NO + N (41)
N + O
2
↔ NO + O (42)
N + OH ↔ NO + H (43)
Các hằng số phản ứng có giá trị như sau:
Phương trình (41):
T
38000
14
f
e10.36,1K
−
=
Phương trình (42):
T
3150
9
f
e.T.10.4,6K
−
=
Phương trình (43):
13

ở trạng thái cân bằng, nồng độ N, NO
được khống chế bởi động học phản ứng. Đặt:
[
]
[]
e
NO
NO
=θ
,
[
]
[]
e
N
N
=β

Trong đó chỉ số e biểu diễn trạng thái cân bằng, áp dụng cho phương trình phản ứng (41) ta có:

[]
[][ ] [ ][]
e
e
21b
ee
1f
ONkNONk
dt
NOd

+θβ−=
(48) Tương tự, áp dụng cho phương trình phản ứng (42) và (43)

[
]
22
RR
dt
NOd
β+θβ−=
(49)

[
]
33
RR
dt
NOd
β+θβ−=
(50)
Tổng hợp 3 phương trình phản ứng (48), (49) và (50) và xét thêm ảnh hưởng của sự thay
đổi thể tích sản vật cháy V, ta có:

[]
()(
321321
RRRRRR

+ R
3
) + R
1
+ θ ( R
2
+ R
3
)=0 (53)
Suy ra
321
321
RRR
)RR(R
++θ
+θ+
=β

Thế vào phương trình (52) ta có phương trình tính toán tốc độ tạo NO:

[]
(
)
1
RR
R
R
12
dt
NOd

+
+
θ
θ−=
ϕ
, [mol/mol.s] (55)
Hoặc

[]
(
)
1
RR
R
R
1
n.30
1
p
RT
d
NOd
32
1
1
2
+
+
θ
θ−=

13
3
10.1,4R =
5
.x
3
2.4. Chương trình tính và kết quả khảo sát
Chương trình tính hàm lượng NO
x
được lập trình bằng phần mềm Matlab Simulink 7.0, cho
phép xác định hàm lượng NO
x
trong khí thải động cơ diesel khi thay đổi các biến số đầu vào
khác nhau (tốc độ quay trục khuỷu n (vg/ph), áp suất bắt đầu nâng kim phun (p
nkp
), góc phun
sớm (GPS)).
Đối tượng được lựa chọn là động cơ D243. Đây là loại động cơ diesel buồng cháy thống
nhất do Công ty Diesel Sông Công chế tạo và lắp ráp, được sử dụng nhiều trên máy kéo MTZ -
80, các tàu thuyền cỡ nhỏ. Chương trình tổng thể xác định hàm lượng NO
x
thể hiện trên hình 1.

Hình 1. Chương trình tính toán xác định hàm lượng NO
x
trong khí thải động cơ
Kết quả tính toán và phân tích
Hình 2. Sự thay đổi hàm lượng No
x
theo

giảm.
Hàm lượng NO
x
đạt giá trị lớn nhất tại số vòng quay n = 1000 (vg/ph). b. Ảnh hưởng của áp suất bắt đầu nâng kim
phun
Diễn biến hàm lượng NO
x
trong xilanh tại số
vòng quay trục khuỷu n = 1000 (vg/ph) ứng với các
giá trị p
nkp
khác nhau khi giữ cố định GPS = 16
0
được
trình bày trong hình 3.
Khi tăng p
nkp
, hàm lượng NO
x
trong khí thải có
xu hướng tăng. Một trong các nguyên nhân dẫn đến
hiện tượng này là đường kính trung bình của hạt
nhiên liệu có xu hướng giảm khi tăng p
nkp
. Do đó sẽ đẩy nhanh tốc độ bay hơi và cháy của nhiên
liệu, làm tăng nhiệt độ cực đại của động cơ.
Hình 3. Sự thay đổi hàm lượng NO

tại
số vòng quay n = 2200 v/ph được trình bày trên hình
4.
Khi giảm góc phun sớm, hàm lượng NO
x
trong
khí thải giảm rất mạnh, do thời gian chuẩn bị cháy
của hỗn hợp giảm, nhiệt độ cực đại trong xilanh cũng
giảm đáng kể.
Rõ ràng, giảm GPS là một giải pháp hữu hiệu để giảm NO
x
. Tuy nhiên, chúng ta sẽ phải
chấp nhận sự suy giảm về các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật (N
e
giảm đáng kể, g
e
tăng mạnh).
III. KẾT LUẬN
+ Các thông số thuộc nhóm yếu tố điều chỉnh - vận hành bao gồm: áp suất bắt đầu nâng kim
phun, góc phun sớm nhiên liệu sớm của bơm cao áp, chế độ tốc độ của động cơ có ảnh hưởng đến
quy luật cung cấp nhiên liệu và quy luật cháy qua đó ảnh hưởng đến chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật và hàm
lượng NO
x
trong khí thải động cơ diesel D243.
+ Kết quả tính toán cho thấy khi tăng GPS từ 10
0
- 20
0
thì hàm lượng khí NO
x

2
là bộ thông số điều chỉnh hợp lý cho hệ thống cung cấp nhiên liệu.

Khi đó, động cơ D243 vẫn duy trì được các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật trong khi hàm lượng NO
x

trong khí thải tương đối thấp.

Tài liệu tham khảo

[1]. Bùi Văn Ga, Văn Thị Bông, Phạm Xuân Mai, Trần Văn Nam, Trần Thanh Hải Tùng (1999), Ô tô và ô
nhiễm môi trường, NXB Giáo Dục, Hà Nội.
[2]. Nguyễn Phùng Quang (2004), Matlab&Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học
kỹ thuật, Hà Nội.
[3]. Nguyễn Tất Tiến (2003), Nguyên lý động cơ đốt trong, NXB Giáo Dục, Hà Nội.
[4]. Lê Hoài Đức (2005), Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm tới tuổi bền khai thác của bộ đôi bơm cao
động cơ ô tô sử dụng ở Việt Nam, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Đại học Giao Thông Vận tải, Hà Nội.
[5]. Nguyễn Hoàng Vũ (2005), Nghiên cứu ảnh hưởng một số thông số điều chỉnh của quy luật cung cấp
nhiên liệu đến các chỉ tiêu kinh tế - năng lượng và mức độ độc hại khí thải động cơ diesel, Luận án Tiến
sĩ kỹ thuật, Học viện kỹ thuật Quân sự, Hà Nội♦