1

CHƯƠNG 1: TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG XỬ LÝ
KHÍ THẢI TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG VÀ DIESEL.

1.1. Những vấn đề chung.
Ngày nay, vấn đề phát triển bền vững luôn được mọi quốc gia trên thế giới quan
tâm, đặc biệt là bảo vệ môi trường sống của con người. Môi trường của con người đang bị
hủy hoại nghiêm trọng từ nhiều nguồn khác nhau, và một trong những nguồn ô nhiễm chủ
yếu là khí thải động cơ đốt trong - động cơ đốt trong tiêu thụ tới 80% tổng số năng lượng
trên thế giới.
Động cơ đốt trong đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế, là nguồn động lực cho
các phương tiện vận tải như ô tô máy kéo, tàu hỏa, máy bay, tàu thủy và các máy công tác
khác như máy phát điện máy bơm nước.
Động cơ đốt trong là một loại động cơ nhiệt, tạo ra công cơ học bằng cách đốt nhiên
liệu bên trong động cơ, vì quá trình đốt cháy nhiên liệu chuyển từ nhiệt năng của hòa khí
(không khí và nhiên liệu) sang cơ năng đều được tiến hành ngay trong bản thân động cơ.
1.2. Tình hình nghiên cứu.
Trên toàn thế giới, có khoảng 1 tỷ xe du lịch và xe tải hạng nhẹ; hàng năm chúng ta
thải ra môi trường hàng triệu tấn chất độc hại do động cơ đốt trong (xăng và dầu diesel)
gây ra . Con số này ngày một tăng lên nhanh chóng, đặc biệt là một số quốc gia đông dân
trên thế giới. Đồng nghĩa với việc nhu cầu đi lại của con người bằng xe tăng lên thì ô
nhiễm môi trường từ khí thải của động cơ đốt trong thải ra môi trường cũng tăng cao.
Đối diện với các thách thức này, các nhà sản xuất ô tô cũng như các nước Châu Âu
đang đưa ra các giải pháp hạn chế khí thải do động cơ đốt trong (xăng và dầu diesel) gây
ra. Song trên thế giới có có ba tiêu chuẩn chính đưa ra các tiêu chuẩn khí thải như: EURO
(I, II, III, IV, V, VI) của liên minh Châu Âu ra đời năm 1970. Các quy định MOE của Nhật
ra đời năm 1990. Tại Mỹ, tồn tại song song hai hệ thống luật khí thải ô tô là luật của liên


2

bang (gọi là TIER) và luật của bang California. Chính những tiêu chuẩn khí thải trên, các
nhà sản xuất ô tô cũng cho ra đời những hệ thống xử lý khí xả cho động cơ đốt trong (xăng
và dầu diesel) như: Hệ thống tuần hoàn khí xả EGR (Exhaust Gas Recirculation); thiết bị
xác tác ba thành phần (three-way), bộ lọc và oxy hóa bồ hóng của động cơ v.v…
Chính những hệ thống này, lượng khí thải của động cơ đốt trong cũng phần nào
giảm bớt đi, và ngày nay các hệ thống xử lý khí thải này đang được sử dụng rộng rãi trên
các hãng xe hơi trên thế giới, và ngày càng tân tiến hơn để phục vụ mục đích của con
người.

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG - CÁC
CHẤT ĐỘC HẠI GÂY Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG TỪ ĐỘNG CƠ ĐỐT
TRONG (XĂNG VÀ DẦU DEISEL).

2.1. Tổng quan về ô nhiễm môi trường.
Định nghĩa về ô nhiễm không khí do cộng đồng Châu Âu đưa ra và năm 1967:
”Không khí gọi là ô nhiễm khi thành phần của nó bị thay đổi, hay khi có sự hiện diện của
những chất lạ gây ra những tác hại mà khoa học chứng minh được, hay gây ra sự khó chịu
đối với con người”.
Theo định nghĩa trên ta có thể hiểu: Các chất gây ô nhiễm có thể nguy hại đến tự
nhiên và con người mà khoa học nhận biết được hay đơn giản là gây ra sự khó chịu chẳng
hạn như mùi hôi, màu sắc.v…
Các chất ô nhiễm và giới hạn về nồng độ cho phép của chúng trong các nguồn phát
thải có thể thay đổi theo thời gian.
Ngày nay, người ta đã xác định được các chất ô nhiễm trong không khí, mà phần
lớn là các chất đó có trong khí thải động cơ đốt trong.
Bảng 2.1: Sự gia tăng của các chất ô nhiễm trong bầu khí quyển.


3


Chất ô nhiễm

Thời kỷ
tiền công nghiệp
(ppm)*

CO2
270
NOX
0.28
CO
0.05
SO2
0.001
*ppm: part per million (một phần triệu).

Hiện nay
(ppm)

Tốc độ tăng
(%/năm)

340
0.30
0.13
0.002

0.4
0.25

3
2

Tùy theo chính sách năng lượng của mỗi nước, sự phân bố tỉ lệ phát sinh ô nhiễm
của các nguồn khác nhau không đồng nhất:
Bảng 2.2: Tỷ lệ phát thải các chất ô nhiễm ở Nhật (tính theo %).
Nguồn phát sinh ô nhiễm
Ô tô
Sản xuất điện
Quá trình cháy trong công nghiệp
Các quá trình cháy khác
Công nghiệp dầu mỏ
Các hoạt động khác
Tổng cộng

CO
93
0.1
0.0
6.3
_
0.6
100

HC
57.3
0.1
26.4
0.7
14.8

0.7
100

NOX
39
21.5
31.3
0.8
5.1
2.6
100

Bảng 2.3: Tỷ lệ phát thải các chất ô nhiễm ở Mỹ (tính theo %).
Nguồn phát ô nhiễm
Ô tô
Các phương tiện giao thông khác
Quá trình cháy công nghiệp
Quá trình cháy dầu mỏ
Các hoạt động khác
Tổng cộng

CO
64.7
9.0
9.1
5.2
12
100

HC

45.7
7.2
16.8
5.3
25
100

NOX
36.6
10.5
42.8
1.7
8.4
100

2.2. Các chất ô nhiễm sinh ra trên động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu xăng, dầu
diesel.
Quá trình cháy lý tưởng của hỗn hợp hydrocarbon với không khí chỉ sinh ra CO 2,
H2O, và N2. Tuy nhiên, do sự không đồng nhất của hỗn hợp, cũng như tính chất phức tạp


4

của hiện tượng lý hóa diễn ra trong quá trình cháy nên trong khí xả động cơ đốt trong luôn
có chứa một hàm lượng đáng kể các chất độc hại như:
•
•
•
•
•


Oxide nitơ: NO, NO2, N2O gọi chung là NOX.
Monoxide cacbon: CO.
Hydrocacbon chưa cháy: HC.
Chì-Pb, lưu huỳnh-S
Muội than, bồ hóng.

Những chất như lưu huỳnh, chì và các chất phụ gia trong nhiên liệu cũng có ảnh
hưởng đến thành phần các chất ô nhiễm trong sản phẩm cháy.
Một trong những thông số có tính tổng quát ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô
nhiễm của động cơ là hệ số dư lượng không khí λ (hình 2.1) trình bày một cách định tính
sự phụ thuộc của nồng độ NOX, CO, HC trong khí xả theo hệ số dư lượng không khí λ.

Hình 2.1: Biến thiên nồng độ các chất ô nhiễm theo hệ số dư lượng không khí
2.2.1. NOX (oxide nitơ).
NOX là tên gọi chung của oxide nitơ gồm: NO, NO2, N2O. Hình thành do sự kết hợp
giữa oxide và nitơ ở điều kiện nhiệt độ cao.


5

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 hợp nghèo. Trong điều kiện đó
NOX là đối tượng chính của việc xử lý ô nhiễm.
Bảng 2.4: Mức độ phát sinh ô nhiễm trung bình của quá trình cháy nhiên liệu
hydrocarbon.
Chất ô nhiễm

Lượng phát sinh (g/kg nhiên liệu)


NOX
20
CO
200
HC
25
Bồ hóng
2-5
Trên đây là số liệu trung bình, ở điều kiện cháy của hỗn hợp có hệ số dư lượng
không khí λ=1. Tuy nhiên trong những điều kiện cháy ở áp suất và nhiệt độ cao, hệ số dư
lượng không khí λ lớn thì tỉ lệ thành phần các chất ô nhiễm sẽ thay đổi theo hướng gia tăng
NOX.
2.2.2. CO (monoxide carbon).
Monoxide carbon có mặt trong khí xả động cơ đốt trong là quá trình cháy không
hoàn toàn của hỗn hợp giàu hay do sự phân giải sản vật cháy với nhiệt độ.
CO là chất khí không màu, không mùi rất độc. Theo số liệu thống kê các nguồn phát
sinh ô nhiễm chủ yếu hiện nay, người ta thấy 70% lượng CO trong khí quyển là do khí xả
động cơ ô tô gây ra, tốc độ gia tăng nồng độ CO trong khí quyển ở mức độ cao, gần 3%
năm.
2.2.3. HC (Hydrocarbon chưa cháy).
HC có mặt trong khí xả chủ yếu là do các không gian chết trong buồng cháy hay nói
cách khác là HC được hình thành ở những nơi có nhiệt độ thấp. Ngoài ra hỗn hợp quá
nghèo, tốc độ cháy thấp dẫn đến tình trạng bỏ lửa, khi đó sẽ là nguyên nhân làm tăng nổng
độ HC trong khí thải.
2.2.4. Pb (chì), S (lưu huỳnh).


6

Chì để tăng tính chống kích nổ của nhiên liệu, người ta pha thêm tetraetyl chì

Pb(C2H5)4 vào xăng. Sau khi cháy, những hạt chì có đường kính cực bé thoát ra theo khí
thải, lơ lửng trong không khí trở thành chất gây ô nhiễm đối với bầu khí quyển, nhất là khu
vực thành phố có mật độ giao thông cao.
Thông thường xăng có khoảng 600 ppm lưu huỳnh, dầu diesel có khoảng 500-2500
ppm. Trong quá trình cháy, lưu huỳnh bị oxy hóa thành SO 3, chất này có thể kết hợp với
nước để tạo ra H2SO4:
SO3 + H2O = H2SO4
2.2.5. Bồ hóng.
Đối với động cơ sử dụng nhiên liệu xăng hàm lượng bồ hóng, muội than không
đáng kể. Tuy nhiên, đối với động cơ diesel, đây là chất thải gây ô nhiễm quan trọng. Nó
tồn tại những hạt rắn có đường kính trung bình khoảng 0.3 µm nên rất dễ xâm nhập vào
phổi.
2.3. Tác hại của các chất ô nhiễm.
2.3.1. Đối với con người.
2.3.1.1. CO.
CO là chất khí không màu, không mùi, không vị. CO ngăn cản sự dịch chuyển của
hồng cầu trong máu, làm cho các bộ phận cơ thể bị thiếu oxy. Nạn nhân sẽ tử vong khi
70% số hồng cầu bị khống chế (Khi nồng độ CO trong không khí > 1000 ppm). Ở nồng độ
thấp hơn, CO cũng có thể gây nguy hại lâu dài với con người.
•

Khi 20% hồng cầu bị khống chế, nạn nhân bị nhức đầu, chóng mặt và buồn

nôn.
• Khi 50% hồng cầu bị khống chế, não bộ con người bị ảnh hưởng mạnh.
Tuy nhiên CO là chất trung gian quan trọng trong quá trình oxi hóa carbon thành
carbonic, khí carbonic thông qua quang hợp sẽ tạo ra oxy.
6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2



7

2.3.1.2. NOX.
NOX là họ các oxide nitơ, trong đó NO chiếm đại bộ phận. NO X được hình thành do
N2 tác dụng với O2 ở điều kiện nhiệt độ cao.
NO không nguy hiểm nhiều, nhưng nó là cơ sở để tạo ra NO2.
NO là chất khí màu hồng nhạt, có mùi, khứu giác có thể phát hiện khi nồng độ của
nó có trong không khí khoảng 0.12 ppm. NO 2 là chất khó hòa tan. Do đó nó có thể theo
đường hô hấp đi vào phổi gây viêm vả hủy hoại các tế bào của cơ quan hô hấp. Nạn nhân
sẽ bị mất ngủ, ho, khó thở.
2.3.1.3. HC.
HC có trong khí thải do quá trình cháy không hoàn toàn khi hỗn hợp giàu, hoặc do
hiện tượng cháy không bình thường.
Chất gây tác hại đến con người chủ yếu là các HC thơm.
Khi nồng độ của các HC thơm > 40 ppm sẽ gây ra bệnh ung thư máu.
Khi nồng độ lớn hơn 1 g/cm3 sẽ gây rối loạn hệ thần kinh.
Ngoài ra HC cũng là nguyên nhân gây ra các bệnh về gan.
2.3.1.4. SO2.
SO2 là một chất háo nước, do vậy SO2 rất dễ hòa tan vào nước mũi, sau đó oxy hóa
thành H2SO4 rồi đi theo đường hô hấp vào trong phổi.
Ngoài ra SO2 còn làm giảm khả năng đề kháng của cơ thể và làm tăng cường độ tác
hại của các chất ô nhiễm khác đới với nạn nhân.
2.3.1.5. Bồ hóng.
Bồ hóng là chất ô nhiễm quan trọng, nó tồn tại dưới dạng những hạt rắn có đường
kính trung bình khoảng 0.3 µm, nên rất dễ xâm nhập sâu vào phổi.


8

Bồ hóng ngoài việc gây trở ngại cho cơ quan hô hấp, nó còn là nguyên nhân gây ra

bệnh ung thư do các HC thơm mạch vòng được hấp thụ trên bề mặt của chúng trong quá
trình hình thành.
2.3.1.6. Chì.
Chì có trong không khí thải do tetraetyl chì Pb(C2H5)4 được pha vào xăng nhằm tăng
tính chống kích nổ của nhiên liệu. Sự pha trộn chất này vào xăng đang là vấn đề bàn cãi
của giới khoa học.
Chì tồn tại trong khí thải dưới dạng hạt, có đường kính rất nhỏ. Vì vậy rất dễ xâm
nhập vào cơ thể qua da hoặc đường hô hấp. Khi đã vào được đường cơ thể, khoảng 30%40% lượng chì này đi vào máu.
Sự hiện diện của chì gây xáo trộn sự trao đổi ion ở não, làm trở ngại cho sự tổng
hợp enzyme để hình thành hồng cầu. Điều đặc biệt là chì sẽ tác động lên hệ thần kinh làm
cho trẻ em chậm phát triển trí tuệ.
Chì bắt đầu gây nguy hiểm cho con người khi nồng độ của nó trong máu vượt quá
200-250 µg/lít.
2.3.2. Đối với môi trường.
2.3.2.1. Thay đổi nhiệt độ khí quyển.
Sự hiện diện của các chất ô nhiễm, đặc biệt là các chất khí gây hiệu ứng nhà kính,
trong không khí trước hết ảnh hưởng đến quá trình cân bằng nhiệt của bầu khí quyển.
Trong số những chất khí gây hiệu ứng nhà kính, người ta quan tâm đến khí carbonic
(CO2), vì nó là thành phần chính trong sản phẩm cháy của nhiên liệu có chứa carbon.
Sự gia tăng nhiệt độ bầu khí quyển do các chất gây hiệu ứng nhà kính có thể được
giải thích:
Trái đất nhận năng lượng mặt trời và bức xạ lại qua không gian một phần nhiệt
lượng mà nó nhận được, nhưng trong quá trình lại bức xạ không gian thì một phần nhiệt


9

lượng của bức xạ mặt trời bị lớp khí gây ra hiệu ứng nhà kính giữ lại sẽ bức xạ ngược về
trái đất làm cho bầu khí quyển của trái đất ngày càng nóng hơn.


Hình 2.2: Hiệu ứng nhà kính.
Với tốc độ gia tăng nồng độ khí carbonic trong bầu khí quyển như hiện nay. Người
ta dự đoán vào khoảng giữa thế kỷ 22, nồng độ khí carbonic có thể tăng lên gấp đôi. Khi
đó theo dự tính của các nhà khoa học sẽ xảy ra sự thay đổi quan trọng đối với sự cân bằng
nhiệt trên trái đất.
Nhiệt độ bầu khí quyển sẽ tăng lên từ 2-3°C. Một phần băng ở vùng Bắc cực và
Nam cực sẽ tan, làm tăng chiều cao mực nước biển.
Làm thay đổi thời tiết mưa gió và sa mạc hóa thêm bề mặt trái đất.
2.3.2.2. Ảnh hưởng đến hệ sinh thái.
Sự gia tăng của NOX đặc biệt là NO2 có nguy cơ làm gia tăng sự hủy hoại lớp ozone
ở thượng tầng khí quyển. Đó là lớp khí cần thiết để lọc tia cực tím phát xạ từ mặt trời.
Tia cực tím gây ung thư da và gây đột biến sinh học. đặc biệt là làm đột biến sinh ra
các vi trùng có khả năng làm lây lan các bệnh lạ dẫn đến hủy hoại sự sống của mọi sinh vật
trên trái đất giống như điều kiện hiện nay trên sao hỏa.
Mặt khác các chất khí có tính axit như: SO 2, NO2, bị oxy hóa tạo thành các axit
sunfuric, axit nitric hòa tan trong mưa, trong tuyết, trong sương mù… làm hủy hoại thảm
thực vật trên mặt đất (do mưa axit) và gây ăn mòn các công trình kim loại.


10

CHƯƠNG 3: CƠ CHẾ HÌNH THÀNH CÁC CHẤT ĐỘC HẠI
TRONG KHÍ XẢ ĐỘNG CƠ.

Dưới sự tác động của quá trình cháy trong động cơ đốt trong, khí thải không những
bao gồm với số lượng lớn các chất như: CO 2, N2, H2O… mà còn mang theo những chất độc
hại khác, tác động xấu đến sức khỏe con người và môi trường như CO-monoxidecarbon,
các HC-hydrocarbon cháy không hết, các NO X-oxide nitơ, các hợp chất của chì, lưu huỳnh
v.v…
3.1. Cơ chế hình thành các NOX (oxide nitơ).

3.1.1. Cơ chế hình thành các oxide nitơ.
NOX là tên gọi chung của các oxide nitơ gồm các chất như: NO, NO 2, N2O, chúng
được hình thành do sự kết hợp giữa oxy và nitơ ở điều kiện nhiệt độ cao.
3.1.1.1. Cơ chế hình thành monoxide nitơ (NO).
Trong quá trình hoạt động của động cơ lượng NO sinh ra chiếm tỉ lệ lớn nhất trong
họ NOX (90-98% tổng hợp NOX).
Sự hình thành NO do oxy hóa nitơ trong không khí với điều kiện hệ số dư lượng
không khí xấp xỉ 1, các phản ứng chính sau xảy ra:
O + N2 ↔ NO + N (1)
N + O2 ↔ NO + O (2)
N + OH ↔ NO + H (3)
Phản ứng (3) xảy ra khi hỗn hợp rất giàu, NO tạo thành trong màng lửa và trong sản
phẩm cháy phía sau màng lửa.


11

Hình 3.1: Sự phụ thuộc nồng độ NO theo nhiệt độ.
Hình (3.1) cho thấy lượng NO hình thành phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ. Lượng NO
sinh ra theo phản ứng sau:
N2 + O2 → 2NO (4)
Nồng độ NO phụ thuộc vào điều kiện nhiệt độ cao và nồng độ O2 có trong sản phẩm
cháy.
3.1.1.2. Cơ chế hình thành dioxide nitơ (NO2).
NO2 là chất khí độc hại, nó được hình thành ở nhiệt độ thường khi NO kết hợp với
O2 có trong không khí.
2NO + O2 → 2NO2 (5)
NO2 còn được hình thành từ NO với các chất trung gian của sản vật cháy theo phản
ứng.
NO + HO2 → NO2 + OH (6)

Trong điều kiện nhiệt độ cao, NO2 tạo thành có thể phân giải theo phản ứng.
NO2 + O ↔ NO + O2 (7)


12

Trong trường hợp NO2 sinh ra trong ngọn lửa bị làm mát ngay bởi môi chất có nhiệt
độ thấp thì phản ứng phân giải (7) bị khống chế nghĩa là NO 2 tiếp tục tồn tại trong sản vật
cháy. Vì vậy khi động cơ làm việc ở chế độ không tải hay tải thấp thì nồng độ NO 2 trong
khí thải sẽ gia tăng.
3.1.1.3 Cơ chế hình thành protoxide nitơ (N2O).
N2O được hình thành chủ yếu từ các chất trung gian NH và NCO khi chúng tác
dụng với NO:
NH + NO ↔ N2O + H (8)
NCO + NO ↔ N2O + CO (9)
N2O cũng chủ yếu được hình thành ở vùng oxy hóa ở nồng độ nguyên tử H cao, mà
hydrogen là chất tạo ra sự phân hủy mạnh protoxide nitơ theo phản ứng:
N2O + H ↔ NH + NO (10)
N2O + H ↔ N2 + OH (11)
 Vì thế, N2O chỉ chiếm tỷ lệ rất thấp trong khí thải của động cơ đốt trong (khoảng

3-8 ppm/l).
3.1.2. các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành oxide nitơ.
3.1.2.1. Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí (λ).
Nhiệt độ cháy cực đại tương ứng khi λ=0.9 (hỗn hợp hơi giàu). Tuy nhiên lúc này
nồng độ O2 thấp nên lượng NO có trong khí thải không lớn.
Nồng độ NO đạt cực đại khi λ≈1.1 lúc này nồng độ O 2 tăng đồng thời nhiệt độ hỗn
hợp giảm, cả hai yếu tố này làm lượng NO đạt cực đại.
Khi λ tăng quá lớn, lúc này độ đậm đặc của hỗn hợp giảm, nhiệt độ cháy thấp nên
lượng NO cũng giảm theo.



13

Hình 3.2: Biến thiên nồng độ NO theo hệ số dư lượng không khí λ.
3.1.2.2. Ảnh hưởng của hệ khí sót.
Khí sót giữ vai trò làm bẩn hỗn hợp, do đó làm giảm nhiệt độ cháy dẫn đến sự giảm
nồng độ NOX. Tuy nhiên, khi hệ số khí sót gia tăng quá lớn động cơ sẽ làm việc không ổn
định, làm giảm tính kinh tế của động cơ và tăng nồng độ HC.

Hình 3.3: Ảnh hưởng của tỷ lệ khí thải hồi lưu đến nồng độ NO.
Theo đồ thị (hình 3.3) nồng độ chất ô nhiễm NO giảm mạnh theo sự gia tăng của tỷ
lệ hổi lưu khí thải cho đến khi tỷ lệ này đạt 15-20%.
3.1.2.3. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm.


14

Khi góc đánh lửa tăng, thời điểm cháy của hỗn hợp cháy sớm hơn, áp suất cực đại
gần điểm chết trên hơn. Nhiệt độ cực đại cũng tăng và thời gian tồn tại khí cháy cũng tăng
theo. Hai yếu tố này khiến NO tăng.
Vì thế, tăng góc đánh lửa sớm sẽ làm tăng nồng độ NO trong khí thải cho nên cùng
một áp suất cực đại khi giảm góc đánh lửa sớm 10° có thể giảm nồng độ NO từ 20-30%.

Hình 3.4: Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến nồng độ NO.
3.1.2.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ buồng cháy.
Nhiệt độ buồng cháy sẽ tỷ lệ thuận với lượng hỗn hợp được đốt cháy, vì vậy khi mở
lớn bướm ga, hỗn hợp vào động cơ tăng, nhiệt độ buồng cháy tăng và lượng NO X tăng
ngay cả khi λ<1.
3.2. Cơ chế hình thành CO (carbon monoxit).

3.2.1. Cơ chế hình thành CO.
Lượng CO trong khí xả động cơ chịu ảnh hưởng chính do tỷ lệ hỗn hợp (λ).
•

Trường hợp hỗn hợp giàu (λ<1) lượng oxy có trong hỗn hợp không đủ để
oxy hóa hoàn toàn lượng carbon trong hỗn hợp thành CO 2, dẫn đến nồng độ
CO trong khí thải lớn.


15

•

Trường hợp hỗn hợp nghèo (λ>1) trên lý thuyết khi lượng dư không khí lớn
thì khí thải sẽ là CO2 và H2O. Tuy nhiên với (λ>1) hỗn hợp nghèo, khi vào
buồng đốt sẽ không được hòa trộn và phân bố đều tạo nên các vùng cục bộ
trong buồng đốt làm cho việc cháy không hoàn toàn. Từ đó sinh ra lượng CO

•

cao trong khí thải.
Trong điều kiện nhiệt độ cao, phản ứng phân giải sản phẩm cháy sẽ xảy ra
làm gia tăng lượng CO trong khí thải.
2CO2 ↔ 2CO + O2.

Hình 3.5: Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí đến nồng độ C.
Khi động cơ làm việc ở tải nhỏ, điều kiện cháy của hỗn hợp không tốt, tạo ra các
vùng cháy không hoàn toàn, dẫn đến nồng độ CO trong khí thải cao bất chấp có sự điều
chỉnh hệ số dư lượng không khí quanh giá trị cháy hoàn toàn. Do vậy, khi ô tô hoạt động
trong thành phố thì sự phát sinh CO là rất đáng quan tâm nhất, vì ô tô thường xuyên làm

việc ở tải thấp.
3.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành CO.
3.2.2.1. Ảnh hưởng của áp suất nạp.
Ở cùng số vòng quay động cơ, góc đánh lửa sớm và hệ số khí sót. Nếu giảm áp suất
nạp sẽ làm tăng khả năng cháy không hoàn toàn, vì vậy sẽ làm tăng nồng độ CO trong sản
phẩm cháy.


16

Sự tăng giảm áp suất nạp luôn xảy ra. Tuy nhiên, từ sự thay đổi áp suất nạp dẫn đến
thay đổi áp suất cực đại của quá trình cháy, nhưng áp suất khí trong giai đoạn giãn nở
không thay đổi nhiều. Do đó, nồng độ CO trên đường khí thải ít phụ thuộc vào áp suất nạp.
3.2.2.2. Ảnh hưởng của thành phần hỗn hợp.
Nồng độ CO trong khí thải phụ thuộc rất nhiều vào mức độ đậm đặc (ϕ) của hỗn
hợp (ϕ=1/λ).

Hình 3.6: Quan hệ giữa nồng độ CO và ϕ.
Hình (3.6) cho thấy nồng độ CO tăng rất nhiều theo độ đậm đặc Ø với:
•
•

ϕ = 0.75 → CO = 0.5%.
ϕ = 1.2 → CO = 2.1%.

3.2.2.3. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm.
Sự tăng giảm góc đánh lửa sớm (φ) sẽ làm ảnh hưởng đến sự hình thành CO trong
khí thải.
Khi góc đánh lửa sớm φ giảm, quá trình cháy sẽ kéo dài trên đường giãn nở, áp suất
giảm tại đây. Điều đó làm cho điều kiện cháy lên xấu đi, làm tăng khả năng cháy không

hoàn toàn, do đó sẽ làm tăng nồng độ CO trong khí thải.


17

Hình 3.7: Quan hệ giữa nồng độ CO và góc đánh lửa sớm φ.
3.2.2.4. Ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu.
Nồng độ CO sẽ tăng giảm phụ thuộc vào sự có mặt của lượng C chứa trong nhiên
liệu.
Hình (3.8) Cho thấy nồng độ CO tăng khi C trong nhiên liệu tăng.

Hình 3.8: Quan hệ giữa các loại nhiên liệu về sự phát sinh CO.
3.2.2.5. Ảnh hưởng của hệ số khí sót.
Khi hệ số khí sót tăng, nhiệt độ cháy sẽ giảm, làm giảm tốc độ phân giải CO 2 thành
CO, do đó sẽ làm giảm nồng độ CO trong khí thải:
CO + O2 → CO2.


18

Vì vậy, trên động cơ hiện đại được lắp thêm hệ thống hồi lưu khí thải EGR nhằm
khống chế nồng độ NOX, đồng thời làm giảm nồng độ CO (ở chế độ tải thấp) trước khi thải
ra môi trường.

Hình 3.9: Ảnh hưởng của hệ số khí sót đến nồng độ CO trong buồng cháy.
3.3. Cơ chế hình thành HC (hydrocarbon).
A/ ĐỘNG CƠ XĂNG.
Trên động cơ, HC hình thành chủ yếu do sư đốt cháy không hoàn toàn hỗn hợp
trong buồng cháy hoặc cháy không hết.
3.3.1. Cơ chế hình thành HC chưa cháy.

Do sự hình thành các vùng dập tắt màng lửa, nên lửa không lan đến được hay khi
lan đến thì nhiệt độ giảm không đốt được hỗn hợp tại những vùng đó.
Do sự trùng điệp của xupap, sẽ có một lượng nhiên liệu vừa nạp được đã được thải
ra ngoài.
Với tỷ lệ hỗn hợp không thích hợp (giàu hoặc nghèo) sẽ làm cho một phần hỗn hợp
không cháy được hoặc cháy không hoàn toàn bị thải ra ngoài.
 Những điều kiện trên làm cho lượng HC không cháy được bị thải ra ngoài trong

kỳ thải.


19

3.3.2. Cơ chế hình thành HC trong quá trình cháy.
Nồng độ HC tăng nhanh theo độ đậm đặc của hỗn hợp. Tuy nhiên, khi hỗn hợp có
độ đậm đặc quá thấp cũng làm tăng HC trong khí thải do sự cháy không hoàn toàn của
động cơ.
3.3.2.1. Hình thành các vùng dập tắt.
Vùng dập tắt là những vùng có màng lửa không lan đến được (những không gian
chết trong buồng đốt): Khe hở giữa piston, xecmang với xy lanh, quanh nấm và đế xupap,
giữa nắp thân máy với đệm nắp máy. Trong các không gian này sẽ nạp một lượng hỗn hợp
ở kỳ nạp, sẽ thoát ra ở kỳ giãn nở và thải. Lượng hỗn hợp này sẽ không cháy hoặc cháy
không hoàn toàn trước khi được thải ra môi trường qua đường xả.
Các vùng này được xem là nguồn chủ yếu phát sinh HC. Do đó, để giảm lượng HC
thải ra môi trường phải làm giảm các không gian chết trong buồng đốt của động cơ.
Vì vậy việc thiết kế hợp lý buồng cháy, piston, xecmang, đệm, nắp máy,… , sẽ làm
giảm đáng kể lượng HC trong khí thải.

Hình 3.10: Các nguồn phát sinh HC chủ yếu.



20

3.3.2.2. Sự hình thành HC ở màng dầu bôi trơn.
Ngoài các không gian chết ra, màng dầu bôi trơn bám vào thành xy lanh cũng làm
phát sinh HC đáng kể.
Ở thời kỳ nạp, màng dầu bôi trơn được trán lên bề mặt của xy lanh sẽ hấp thụ hơi
hydrocarbon bão hòa, khi cháy hết nhiên liệu sự giải phóng hơi nhiên liệu từ màng dầu bôi
trơn vào khí cháy bắt đầu. Quá trình này tiếp tục trong kỳ giãn nở và thải, góp phần làm
tăng lượng HC trong khí thải.
Ngoài ra sự hiện diện của muội than trong buồng cháy cũng làm gia tăng sự phát
sinh HC trong khí thải.
3.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành HC.
3.3.3.1. Ảnh hưởng của quá trình cháy.
Sự dập tắt màng lửa có ảnh hưởng rất lớn đến sự hình thành HC trong quá trình
cháy, do có sự dập tắt màng lửa lan tràn làm cho quá trình cháy diễn ra không hoàn toàn.
Do vậy, sẽ hình thành và thải ra môi trường một lượng HC rất lớn.
3.3.3.2. Ảnh hưởng của lớp muội than.
Muội than được sinh ra trong buồng cháy là do một lượng dầu bôi trơn bị cháy hay
lượng oxide chì có trong thiên nhiên bị cháy. Ảnh hưởng của chúng đến sự hình thành HC
trong khí thải rất phức tạp.
•

Nếu các khe hở (không gian chết) nhỏ: Lớp muội than sẽ không cho hỗn hợp

vào các không gian này nhiều, sẽ làm giảm lượng HC cháy không hết.
• Nếu các khe hở (không gian chết) lớn: Lớp muội than sẽ làm giảm tiết diện
lối ra, dẫn đến tăng sự dập tắt màng lửa làm cho lượng HC sinh ra gia tăng.
3.3.3.3. Ảnh hưởng của quá trình thải.
Vào thời kỳ cuối của quá trình thải, cả hai xupap đều mở làm cho một lượng hỗn

hợp chưa cháy vừa nạp vào liền thoát ra theo đường xả, đồng thời một lượng dầu bôi trơn
cũng theo đó ra ngoài.


21

3.3.3.4. Ảnh hưởng của áp suất nén.
Khi tăng giảm ga đột ngột, sẽ có sự tăng giảm tốc. Đối với trường hợp giảm tốc,
lượng hỗn hợp vào buồng cháy ít nhưng đậm, dẫn đến áp suất nén thấp, hỗn hợp sẽ cháy
không kịp làm phát sinh lượng HC trong buồng đốt lớn.
B/ ĐỘNG CƠ DIESEL.
3.3.4. Đặc điểm phát sinh HC trong quá trình cháy động cơ diesel.
Do nguyên lý làm việc của động cơ diesel, thời gian lưu lại của nhiên liệu trong
buồng cháy ngắn hơn động cơ xăng nên thời gian dành cho việc hình thành sản phẩm cháy
không hoàn toàn cũng rút ngắn làm giảm thành phần hydrocarbua cháy không hoàn toàn
trong khí thải.
Do nhiên liệu diesel chứa hydrocarbua 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 Hydrocarbua cháy không hoàn toàn trong khí thải.
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 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,
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, dự 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


22

bộ hay dẫn đến sự làm mát đột ngột làm tắt màng lửa, sinh ra các sản phẩm cháy không
hoàn toàn trong khí thải.
Mức độ phát sinh HC trong động cơ diesel phụ thuộc nhiều vào điều kiện vận hành.
Ở chế độ không tải hay tải thấp, nồng độ HC cao hơn chế độ đầy tải. Thêm vào đó, khi
thay đổi tải đột ngột có thể gây ra sự thay đổi mạnh các điều kiện cháy dẫn đến sự gia tăng
HC do những chu trình bỏ lửa.
Cuối cùng, khác với động cơ xăng, không gian chết trong động cơ diesel không gây
ảnh hưởng quan trọng đến nồng độ HC trong khí thải, vì trong quá trình nén và giai đoạn
đầu của quá trình cháy, các không gian chết chỉ chứa không khí và khí sót. Ảnh hưởng của
lớp dầu bôi trơn trên mặt gương xy lanh, ảnh hưởng của lớp muội than trên thành buồng
cháy cũng như ảnh hưởng của sự tôi màng lửa đối với sự hình thành HC trong động cơ
diesel cũng không đáng kể so với trường hợp động cơ xăng.
3.3.4.1. Phát sinh HC trong trường hợp hỗn hợp quá nghèo.
Sự phân bố không đồng đều nhiên liệu trong xy lanh ngay lúc bắt đầu phun. Trong
dòng xoáy lốc, sự tự cháy diễn ra rong khu vực có độ đậm đặc hơi thấp hơn 1. Bộ phận
nhiên liệu ở ngoài rìa tia nằm ngoài giới hạn dưới sự tự bén lửa do đó chúng không thể tự
cháy cũng không thể duy trì màng lửa. Khu vực đó chỉ có thể là vị trí sản sinh các phản
ứng chậm dẫn đến sản phẩm cháy không hoàn toàn. Do đó, trong vùng này có mặt nhiên
liệu chưa cháy hết, những sản vật phân giải từ nhiên liệu, những sản phẩm oxy hóa cục bộ
(CO, aldehyde và những oxide khác) và một bộ phận của những sản phẩm này có mặt
trong khí thải. Tầm quan trọng của những hydrocarbua chưa cháy từ những khu vực nghèo
này phụ thuộc vào lượng nhiên liệu phun vào động cơ trong thời kỳ cháy trễ, phụ thuộc
vào tỉ lệ không khí kéo theo vào tia trong giai đoạn này và những điều kiện lý hóa ảnh

hưởng đến sự tự cháy trong xy lanh.
Vì vậy, nồng độ HC trong khí thải và độ dài của giai đoạn cháy trễ có liên hệ mật
thiết với nhau, hay nói cách khác mức độ phát sinh HC có liên quan đến chỉ số cetan của
nhiên liệu. Những thay đổi điều kiện vận hành của động cơ làm kéo dài thời kỳ cháy trễ sẽ
làm gia tăng nồng độ HC.


23

3.3.4.2. Phát sinh HC trong trường hợp hỗn hợp quá giàu.
Có hai nguyên nhân dẫn đến sự phát sinh HC do hỗn hợp quá giàu. Nguyên nhân
thứ nhất do nhiên liệu rời khỏi vòi phun với tốc độ thấp và thời gian phun kéo dài. Nguồn
phát sinh HC chính trong trường hợp này là không gian chết ở mũi vòi phun và sự phun rớt
do sự đóng kim phun không dứt khoát. Nguyên nhân thứ hai là do sự thừa nhiên liệu trong
buồng cháy do hỗn hợp quá đậm.
Vào cuối giai đoạn phun, lỗ phun (không gian chết) ở mũi vòi phun chứa đầy nhiên
liệu. Trong giai đoạn cháy và giãn nở, nhiên liệu được sấy nóng và một bộ phận bốc hơi
thoát ra khỏi lỗ phun (ở pha lỏng và hơi) và đi vào xy lanh với tốc độ thấp và hòa trộn
chậm với không khí, do đó chúng không bị đốt cháy trong giai đoạn cháy chính. Ở động cơ
phun trực tiếp, thời gian của giai đoạn cháy trễ bé, mức độ phát sinh HC tỉ lệ với thể tích
không gian chết ở mũi vòi phun. Tuy nhiên, không phải toàn bộ thể tích nhiên liệu chứa
trong không gian chết đều có mặt trong khí thải. Ví dụ 1 mm 3 không gian chết trong buồng
cháy động cơ phát sinh khoảng 350 ppmC trong khí thải, trong khi đó 1 mm 3 nhiên liệu
cho 1660 ppmC. Sự chênh lệch này là do một bộ phận hydrocarbua 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.
3.3.4.3. Phát sinh HC do tôi ngọn lửa và hỗn hợp không tự bốc cháy.


24

Như động cơ xăng, 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 tai nhiên liệu và thành
buồng cháy. Sự bỏ lửa dẫn đến sự gia tăng mạnh nồng độ HC hiếm khi xảy ra đối với động
cơ làm việc bình thường. Nó chỉ diễn ra khi động cơ có tỷ số nén thấp và phun trễ. Mặt
khác, sự bỏ lửa cũng xảy ra khi khởi động động cơ diesel ở trạng thái nguội với sự hình
thành khói trắng (chủ yếu là do những hạt nhiên liệu không cháy tạo thành).
3.4. Cơ chế hình thành Pb (chì).
Chì tồn tại trong xăng dưới dạng tetraetyl chì Pb(C2H5)4 với công dụng sau:
•
•

Làm tăng chỉ số octan của xăng.
Tạo một lớp màng mỏng giữa bệ xupap và xupap. Từ đó giảm khả năng mài
mòn của xupap.

Thông thường lượng Pb có trong xăng: 0.15-0.4 gam/l có khi lên đến 0.7-0.8 gam/l
(TCVN: 0.15 gam/l).
Lượng tetraetyl chì này khi cháy trong buồng đốt sẽ sinh ra Pb và theo khí thải ra
ngoài dưới dạng hạt nhỏ:

Pb (C2H5)4 + 13O2 → Pb + CO2 + 10H2O.
Lượng chì có trong xăng còn ảnh hưởng trực tiếp đến các thiết bị khác như cảm biến
oxy, bầu lọc xúc tác, …
Để khắc phục điều này, người ta dùng những chất phụ gia chống kích nổ khác
không có gốc chì để thay thế.
3.5. Cơ chế hình thành SOX (lưu huỳnh).
Tất cả lượng S chứa trong nhiên liệu diesel sau khi cháy đều được chuyển thành
SO2. Sau đó chuyển thành SO3 và cuối cùng thành H2SO4 (khi qua các bộ xúc tác kiểu oxy
hoặc sau một thời gian trong khí quyển).
S + O2 → SO2
SO2 + OH → HOSO2


25

HOSO2 + O2 → HO2 + SO3
SO3(k) + H2O(l) → H2SO4(l)
Nhiên liệu của diesel thường chứa một lượng S nhất định (phụ thuộc vào hàm lượng
S trong dầu thô gốc và phương pháp tinh luyện tiếp theo). Tỉ lệ S trong nhiên liệu diesel
nhẹ có thể khá thấp và thường nhỏ hơn 0.5%, trong khi các loại nhiên liệu nặng hơn hàm
lượng S có thể vượt quá %.
Tùy thuộc vào chất lượng nhiên liệu và tình trạng không khí xung quanh của khu
vực, động cơ diesel có thể là nguồn đóng góp cục bộ quan trọng vào nồng độ của oxide lưu
huỳnh và axit sunfuric trong không khí xung quanh các trục đường giao thông.
3.6. Cơ chế hình thành bồ hóng.
Khía niệm được nhiều người biết đến về bồ hóng đó là: Bồ hóng được cấu thành từ
các phân tử hydrocarbom thơm nhiều nhân (PAH). Các phân tử bồ hóng ban đầu lớn dần
lên theo hai cách sau:
•


Thứ nhất, đường kính của bồ hóng tăng lên là nhờ chúng bám, dính vào nhau

•

làm cho kích thước bề mặt lớn bằng phân tử C2H2.
Thứ hai, phản ứng cộng hydro được diễn ra liên tục và kết quả cuối cùng
được đặc trưng bời số phân tử C lớn tạo thành chuỗi hạt có kích thước lớn
hơn theo cách thứ nhất nhiều. Các phân tử này có đường kính từ 10-1000 nm,
thường là 100 nm, khối lượng trung bình của bồ hóng

Bồ hóng có thuộc tính xốp nên các phần tử bổ hóng được đặc trưng bởi tỉ lệ khối
lượng chia cho diện tích bề mặt, vì vậy chúng rất dễ dính và cô đọng trong phản ứng cộng
hydro, thậm chí ngay cả sau khi rời động cơ chúng vẫn có tính chất như vậy. Bồ hóng là
chất ô nhiễm đặc biệt quan trọng với động cơ diesel. Quá trình cháy khuếch tán phụ thuộc
khá mạnh vào tính chất nhiên liệu. Nhiên liệu có thành phần C lớn thì nồng độ bồ hóng
càng cao. Yếu tố quyết định hàm lượng bồ hóng là nồng độ nhiên liệu và nồng độ oxy.
Hỗn hợp không đồng nhất giàu nhiên liệu thì hàm lượng bồ hóng rất lớn và ngược lại.
Nồng độ oxy chủ yếu ảnh hưởng đến tốc độ oxy hóa bồ hóng sau khi chúng được hình
thành. Lượng bồ hóng thoát ra khỏi động cơ là kết quả cân bằng giữa quá trình tạo bồ hóng