26

Chương 3

CƠ CHẾ HÌNH THÀNH NO
X
TRONG QUÁ TRÌNH CHÁY
CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT
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 NitơChương 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


35ml và khoảng thời gian giữa hai lần hít là 60s, chúng ta tính được nồng độ NO
x
trung
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 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

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 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
.

và sau khi môi trường hết ô nhiễm, sự quay trở lại trạng thái ban
đầu đối với NO nhanh hơn đối với NO
2
. 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
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

trong quá trình cháy của động cơ đốt trong

29
vào động cơ tạo ra. Nhiên liệu xăng hay Diesel chứa rất ít nitơ nên ảnh hưởng của chúng
đến nồng độ NO
x
không 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
x
trong 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)

(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

2
có thể bỏ qua so
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
x
dưới dạng NO
2
. Dioxyde
nitơ NO
2
được hình thành từ monoxyde
nitơ NO và các chất trung gian của sản

10
20
0,5

++
←
→
2
NOH NOH
++
←
→
NO HO NO OH
++
←
→
22
NO NO
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

là chất độc khí nhất trong
họ NO
x
vì 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 N
2
O chủ yếu hình thành từ các chất trung gian NH và NCO khi
chúng tác dụng với NO:
(3.7)

(3.8)

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

++
←
→
NO H N OH
22
++
←
→