Chương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
46
4.2.5. Ảnh hưởng của hệ số khí sót

Hình 4.10 trình bày ảnh hưởng của hệ số khí sót x
b
đến nồng độ CO trong khí xả
động cơ Toyota. Khi tăng hệ số khí sót, nhiệt độ cháy giảm làm giảm tốc độ phản ứng
phân giải CO
2
thành CO do đó nồng độ CO trong sản phẩm cháy giảm. Vì vậy, hệ thống
hồi lưu khí xả EGR lắp trên các động cơ hiện đại để khống chế nồng độ NO
x
đồng thời
cũng góp phần làm giảm nồng độ CO ở chế độ tải thấp.

4.3. Cơ chế hình thành hydrocarbure chưa cháy HC

4.3.1. Sự phát sinh hydrocarbure chưa cháy trong khí xả động đốt trong

Sự phát sinh hydrocarbure chưa cháy HC, hay nói một cách tổng quát hơn, sự hình
thành các sản phẩm hữu cơ, là do quá trình cháy không hoàn toàn hoặc do một bộ phận
hỗn hợp nằm ngoài khu vực lan tràn màng lửa. Điều này xảy ra do sự không đồng nhất của
hỗn hợp hoặc do sự dập tắt màng lửa ở khu vực gần thành hay trong các không gian chết,
nghĩa là ở khu vực có nhiệt độ thấp, khác với sự hình thành CO và NO
x
diễn ra trong pha
đồng nhất ở những khu vực có nhiệt độ cao.

3
H
8
C
2
H
4
CH
4
0
100
200 300
400
1
10
10
2
10
3
10
4
Độ góc quay trục khuỷu sau ĐCT
Nồng độ trong
khí xả

Chương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
47

Những chất còn lại trong hỗn hợp sau khi màng lửa đi qua không phải là nguồn
phát sinh HC chính đo được trên đường xả của động cơ đốt trong. Hình 4.11 biểu diễn sự

không hoàn toàn trên các bề mặt tiếp xúc (culasse, piston, cylindre, soupape ) hay ở
những không gian chết.

Bề dày của vùng bị tôi phụ thuộc vào những yếu tố khác nhau: nhiệt độ và áp suất
của hỗn hợp khí, tốc độ lan tràn màng lửa, hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, tình trạng bề
mặt của thành buồng cháy, lớp muội than, nhiệt độ thành buồng cháy Người ta có thể sử
dụng những công thức thực nghiệm để tính kích thước bé nhất của không gian chết để
màng lửa có thể đi qua mà không bị dập tắt.

Quá trình tôi màng lửa diễn ra theo hai giai đoạn: trong giai đoạn đầu, màng lửa bị
tắt khi nhiệt lượng hấp thụ vào thành buồng cháy cân bằng với nhiệt lượng do màng lửa
tỏa ra. Vài giây sau khi tôi, do diễn ra sự khuếch tán hay sự oxy hóa nên nồng độ HC tại
khu vực này nhỏ hơn nồng độ đo được khi tôi. Mặt khác, những hydrocarbure thoát ra
trong quá trình oxy hóa ban đầu do màng lửa bị dập tắt có thể bị oxy hóa trong quá trình
Sản ph
ẩ
m
cháy

H
ỗ
n hợp
chưa cháy
Vùng
màng lửa
bị kẹt

Chương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
48
giãn nở hay thải.

Mặt khác, muội than trong buồng cháy cũng có thể gây ra sự gia tăng mức độ phát
sinh ô nhiễm do sự thay đổi các cơ chế trên đây. Tấ
t cả những quá trình này (trừ trường
hợp bỏ lửa) làm gia tăng nồng độ HC chưa cháy ở gần thành buồng cháy chứ không phải
trong toàn bộ thể tích buồng cháy. Trong quá trình thải có thể xuất hiện hai đỉnh cực đại
của nồng độ HC: đỉnh thứ nhất tương ứng với đại bộ phận HC sinh ra trong quá trình cháy
chính, đỉnh thứ hai xuất hiện vào cuối kì thải ở thời điểm nh
ững bộ phận HC cuối cùng
thoát ra khỏi cylindre trong điều kiện lưu lượng khí xả đã giảm. Lớp d
ầ
u bôi
trơn hấp thụ
HC

Lớp muội than
hấp thụ HC

H
ỗ
n hợp chưa
cháy bị nén

Hình 4.13: Sơ đồ các nguồn phát sinh HC

4.4.1. Tôi màng lửa trên thành buồng cháy

Bề dày của lớp bị tôi thay đổi từ 0,05 đến 0,4mm phụ thuộc vào chế độ tải của
động cơ. Khi tải càng thấp thì lớp bị tôi càng dày. Sự hiện diện của aldehyde dạng HCHO
hay CH
3
CHO trong lớp tôi chứng tỏ rằng khu vực lớp tôi là nơi diễn ra các phản ứng oxy
hóa ở nhiệt độ thấp. Sau khi màng lửa bị dập tắt, những phần tử HC có mặt trong lớp tôi
khuếch tán vào khối khí nhiệt độ cao trong buồng cháy và đại bộ phận bị oxy hóa.

Trạng thái bề mặt của thành buồng cháy cũng ảnh hưởng đến mức độ phát sinh
HC: nồng độ HC có thể giảm đi 14% trong trường hợp thành buồng cháy được đánh bóng
so với trường hợp thành buồng cháy ở dạng đúc thô. Lớp muội than gây ảnh hưởng đến
nồng độ HC tương tự như trường hợp thành buồng cháy nhám. 4.4.2. Ảnh hưởng của các không gian chết

Các không gian này được xem là nguyên nhân chủ yếu phát sinh HC. Các không
gian chết quan trọng nhất là các khe hở giới hạn giữa piston, segment và cylindre (hình
4.15). Những không gian chết khác bao gồm chân ren và không gian quanh cực trung tâm
của bougie, không gian quanh nấm và đế soupape, không gian giới hạn giữa nắp cylindre,

Vị trí của nến đánh lửa cũng ảnh hưởng đến mức độ phát sinh HC; nếu nến đánh
lửa đặt gần các không gian chết thì trong không gian đó có chứa một bộ phận sản phẩm
cháy; ngược lại, nếu nến đánh lửa đặt xa thì không gian chết chứa chủ yếu hỗn hợp khí
chưa cháy. Trong nhiều trường hợp, sự chênh lệch nồng độ HC có thể đạt đến 20%.

Lọt khí carter là lượng khí lọt từ cylindre xuống carter trong quá trình nén và cháy
do sự không kín khít của segment. Lọt khí carter cũng là nguồn phát sinh HC nếu nó được
thải trực tiếp ra khí quyển. Ngày nay, ở hầu hết động cơ ô tô, lượng khí này được dẫn vào
đường nạp để tăng tính kinh tế và giảm mức độ phát sinh HC. Để lượng hỗn hợp chưa
cháy chứa trong các không gian chết không quay ngược lại buồng cháy, trong một số
trường hợp người ta có thể giảm độ kín khít của segment để lượng khí này lọt xuống carter
và bị đốt cháy khi quay vào lại cylindre theo đường nạp. Hình 4.15: Nguồn phát sinh HC trong động cơ đánh lửa cưỡng bức

Không gian ch
ết

Trong giai đoạn nạp, màng dầu bôi trơn được tráng trên mặt gương cylindre ở trạng thái
bão hòa hơi hydrocarbon ở áp suất nạp. Khi cháy hết nhiên liệu, sự giải phóng hơi nhiên
liệu từ màng dầu bôi trơn vào khí cháy bắt đầu và đồng thời quá trình này tiếp tục trong kì
giãn nở và thải. Trong quá trình đó, một bộ phận hơi này sẽ hòa trộn với khí cháy ở nhiệt
độ cao và bị oxy hóa; một bộ phận khác hòa trộn với hỗn hợp khí cháy nhiệt độ thấp,
không bị oxy hóa, góp phần làm tăng HC. Luợng HC này tăng theo độ hòa tan của nhiên
liệu trong dầu bôi trơn.

Sự hiện diện của muội than trong buồng cháy cũng ảnh hưởng đến sự phát sinh
HC. Thực tế cho thấy HC có khuynh hướng gia tăng theo mức độ tiêu thụ dầu bôi trơn. Vì
vậy, lựa chọn dạng segment dầu hợp lý sẽ làm giảm mức độ tiêu thụ dầu bôi trơn đồng
thời làm giảm mức độ phát sinh HC.

4.4.4. Ảnh hưởng của chất lượng quá trình cháy

Sự dập tắt màng lửa khi nó lan đến gần thành là một trong những nguyên nhân làm
gia tăng HC trong khí xả động cơ. Màng lửa có thể bị tắt khi áp suất và nhiệt độ giảm
xuống nhanh. Hiện tượng này diễn ra ở chế độ không tải hay tải nhỏ và tốc độ thấp với
thành phần khí sót cao. Ngay cả khi động cơ được điều chỉnh tốt ở chế độ làm việc bình
thườ
ng, sự dập tắt màng lửa cũng diễn ra ở chế độ quá độ (gia tốc hay giảm tốc). 4.4.5. Ảnh hưởng của lớp muội than

Sự hình thành lớp muội than (oxyde chì đối với động cơ sử dụng nhiên liệu pha chì
hay là lớp than do dầu bôi trơn bị cháy) xuất hiện trong buồng cháy khi ô tô chạy được
khoảng vài ngàn cây số, cũng góp phần làm gia tăng HC.

Cơ chế làm tăng HC do sự hiện diện của muội than khá phức tạp. Sự hấp thụ và

4.5.1. Đặc điểm phát sinh HC trong quá trình cháy động cơ Diesel

Do nguyên lí làm việc của động cơ Diesel, thời gian lưu lại của nhiên liệu trong
buồng cháy ngắn hơn trong động cơ đánh lửa cưỡng bức nên thời gian dành cho việc hình
thành sản phẩm cháy không hoàn toàn cũng rút ngắn làm giảm thành phần hydrocarbure
cháy không hoàn toàn trong khí xả.

Do nhiên liệu Diesel chứa hydrocarbure có điểm sôi cao, nghĩa là khối lượng phân
tử cao, sự phân hủy nhiệt diễn ra ngay từ lúc phun nhiên liệu. Điều này là tăng tính phức
tạp của thành phần hydrocarbure cháy không hoàn toàn trong khí xả.

Quá trình cháy trong động cơ Diesel là một quá trình phức tạp, trong quá trình đó
diễn ra đồng thời sự bay hơi nhiên liệu và hòa trộn nhiên liệu với không khí và sản phẩm
cháy. Khi độ đậm đặc trung bình của hỗn hợp quá lớn hoặc quá bé đều làm giảm khả năng
tự cháy và lan tràn màng lửa. Trong trường hợp đó nhiên liệu sẽ được tiêu thụ từng phần
trong những phản ứng oxy hóa diễn ra chậm ở giai đoạn giãn nở sau khi hòa trộn thêm
không khí.

Chúng ta có thể chia ra hai khu vực đối với bộ phận nhiên liệu được phun vào
buồng cháy trong giai đoạn cháy trễ: khu vực hỗn hợp quá nghèo do pha trộn với không
khí quá nhanh và khu vực hỗn hợp quá giàu do pha trộn với không khí quá chậm. Trong
trường hợp đó, chủ yếu là khu vực hỗn hợp quá nghèo diễn ra sự cháy không hoàn toàn
Chương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
53
còn khu vực hỗn hợp quá giàu sẽ tiếp tục cháy khi hòa trộn thêm không khí.

Đối với bộ phận nhiên liệu phun sau giai đoạn cháy trễ, sự oxy hóa nhiên liệu hay
các sản phẩm phân hủy nhiệt diễn ra nhanh chóng khi chúng dịch chuyển trong khối khí ở
nhiệt độ cao. Tuy nhiên sự hòa trộn không đồng đều có thể làm cho hỗn hợp quá giàu cục
bộ hay dẫn đến sự làm mát đột ngột làm tắt màng lửa, sinh ra các sản phẩm cháy không

Vòi phun
Không khí
xoáy lốc

Giới hạn tia
nhiên liệu

Đi
ể
m đánh
lửa

HC trong vùng
hỗn hợp quá
nghèo

f >1
f = 0

chứa trong không gian chết đều có mặt trong khí xả. Ví dụ 1mm
3
không gian chết trong
buồng cháy động cơ phát sinh khoảng 350ppmC trong khí xả, trong khi đó 1mm
3
nhiên
liệu cho 1660ppmC. Sự chênh lệch này là do một bộ phận hydrocarbure nặng tiếp tục lưu
lại trong vòi phun và một bộ phận hydrocarbure nhẹ bị oxy hóa khi thoát ra khỏi không
gian chết. Trong động cơ có buồng cháy dự bị cơ chế này cũng diễn ra tương tự nhưng với
mức độ thấp hơn.

Ở động cơ phun trực tiếp, hiện tượng nhả khói đen làm giới hạn khả năng tăng độ
đậm đặc trung bình của hỗn hợp ở chế độ toàn tải. Ở chế độ tải thấp, tốc độ phun bé và
lượng nhiên liệu phun vào nhỏ, do đó động lượng của tia phun bé làm giảm lượng không
khí kéo theo vào tia nên độ đậm đặc cục bộ rất cao. Trong điều kiện quá độ khi gia tốc,
hỗn hợp trong buồng cháy có thể rất đậm đặc. Trong trường hợp đó, dù tỉ
lệ nhiên liệu-
không khí tổng quát trong toàn buồng cháy thấp nhưng độ đậm đặc cục bộ rất cao trong
giai đoạn giãn nở và thải. Khi độ đậm đặc cục bộ vượt quá 0,9 thì nồng độ HC sẽ gia tăng
đột ngột. Ảnh hưởng tương tự như vậy cũng diễn ra trong động cơ có buồng cháy dự bị.
Tuy nhiên cơ chế này chỉ gây ảnh hưởng đến nồng độ
HC khi gia tốc và nó gây ảnh hưởng
đến nồng độ HC ít hơn khi hỗn hợp nghèo ở chế độ không tải hay tải thấp.

4.5.4. Phát sinh HC do tôi ngọn lửa và hỗn hợp không tự bốc cháy

Như động cơ đánh lửa cưỡng bức, sự tôi ngọn lửa diễn ra gần thành và đó chính là
nguồn phát sinh HC. Hiện tượng này phụ thuộc đặc biệt vào khu vực va chạm giữa tia
Chương 4: Cơ chế hình thành CO và HC trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
55