BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

PHAN VĂN CƯỜNG

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG PHỤ GIA NHIÊN LIỆU CHO
ĐỘNG CƠ CNG ĐỂ GIẢM TIÊU HAO NHIÊN LIỆU VÀ
PHÁT THẢI ĐỘC HẠI CỦA ĐỘNG CƠ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Hà Nội - Năm 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

PHAN VĂN CƯỜNG

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG PHỤ GIA NHIÊN LIỆU CHO
ĐỘNG CƠ CNG ĐỂ GIẢM TIÊU HAO NHIÊN LIỆU VÀ
PHÁT THẢI ĐỘC HẠI CỦA ĐỘNG CƠ
Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. HỒNG ĐÌNH LONG

Hà Nội - Năm 2014

MỤC LỤC

MỤC LỤC ........................................................................................................ 1
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................ 3
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT .......................................... 4
DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................. 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .................................................. 7
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 9
1. Đặt vấn đề ............................................................................................................ 9
2. Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu của đề tài ...................................... 10

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHỤ GIA NHIÊN LIỆU ....................... 11
ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ............................................................................ 11
1.1 Đặc điểm của nhiên liệu động cơ đốt trong .................................................. 11
1.1.1 Các loại nhiên liệu truyền thống ................................................................ 11
1.1.2 Đặc điểm quá trình cháy và phát thải........................................................ 15
1.2 Sự cần thiết phải sử dụng phụ gia .................................................................. 26
1.3 Các loại phụ gia ............................................................................................... 26
1.3.1 Các loại phụ gia gốc oxygen ...................................................................... 27
1.3.2 Phụ gia Envirox ......................................................................................... 29
1.3.3 Phụ gia NITRO 9 ....................................................................................... 30
1.3.4 Chất phụ gia NANO ................................................................................... 31
1.3.5 Các loại phụ gia tổng hợp khác ................................................................. 33
1.4 Phụ gia Maz Nitro ............................................................................................ 34
1.4.1 Thành phần và công thức phụ gia.............................................................. 34
1.4.2 Các loại phụ gia Maz Nitro(Maz Nitro 100, Maz Nitro 200) ................... 36
1.4.3 Tỷ lệ pha phụ gia trong nhiên liệu ............................................................. 38
1.4.4 Tác dụng của phụ gia Maz Nitro ............................................................... 38

1.4.5 Chọn phụ gia cho động cơ CNG ................................................................ 39

CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG CUNG CẤP PHỤ GIA
MAZ NITRO CHO ĐỘNG CƠ CNG ......................................................... 41
2.1 Yêu cầu chung ................................................................................................. 41
1


2.2 Thiết kế bố trí chung hệ thống cung cấp phụ gia cho động cơ CNG ........... 41
2.2.1 Sơ đồ bố trí hệ thống .................................................................................. 41
2.2.2 Bình chứa phụ gia và tạo áp cho phụ gia .................................................. 43
2.2.3 Vòi phun và hệ thống điều khiển phun phụ gia.......................................... 43
2.2.4 Bộ hóa hơi phụ gia ..................................................................................... 43
2.3 Thiết kế bộ điều khiển phun phụ gia Maz Nitro ............................................ 45
2.3.1 Lưu lượng phụ gia cần phun: .................................................................... 45
2.3.2 Nguyên lý điều chỉnh lưu lượng phụ gia cần phun .................................... 45
2.3.3 Sơ đồ điều khiển phun ................................................................................ 46
2.3.4 Thiết kế bộ điều khiển ECU ....................................................................... 46
2.4 Kiểm tra và hiệu chỉnh sự làm việc của hệ thống ......................................... 47

CHƯƠNG 3. THỬ NGHIỆM ĐỘNG CƠ CNG VỚI PHỤ GIA MAZ
NITRO ............................................................................................................ 48
3.1 Mục đích và nội dung thử nghiệm ................................................................. 48
3.1.1 Mục đích thử nghiệm.................................................................................. 48
3.1.2 Nội dung thử nghiệm .................................................................................. 48
3.2 Trang thiết bị thử nghiệm ................................................................................ 48
3.2.1 Động cơ và nhiên liệu thử nghiệm ............................................................. 48
3.2.2. Băng thử động cơ và trang bị đi kèm ........................................................ 48
3.2.3. Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu và khơng khí ............................................. 52
3.2.4. Thiết bị phân tích khí thải. ........................................................................ 53

3.3. Quy trình thử nghiệm ..................................................................................... 59
3.4 Kết quả thử nghiệm.......................................................................................... 60
3.4.1 Ảnh hưởng của phụ gia Maz Nitro đến công suất động cơ ....................... 60
3.4.2 Ảnh hưởng của phụ gia Maz Nitro đến suất tiêu hao nhiên liệu của động
cơ ......................................................................................................................... 60
3.4.3 Ảnh hưởng của phụ gia Maz Nitro đến phát thải CO, HC, NOx và CO2
của động cơ ......................................................................................................... 61

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TIẾP ........................................ 64
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 65

2


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan tồn bộ nội dung và số liệu được trình bày trong luận văn là cơng
trình nghiên cứu của tơi theo sự hướng dẫn của PGS.TS. Hồng Đình Long

Hà Nội, ngày

tháng

năm 2014

Học viên

Phan Văn Cường

3



DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT
CO

:Khí mơ-nơ-xít –các-bon

CO2

:Khí các-bo-níc

CH4

:Khí mê-tan

HC

:Khí hy-đrơ-cac-bon

NOX

:Các loại ơ-xít ni-tơ

H2

:Khí hy-đrơ

N2

:Khí Ni-tơ


C2H6

:Khí ê-tan

C2H4

:Khí Ethylene

C3H8

:Khí propan

C4H10

:Khí butan

C5H12

:Khí pentan

NO

:Khí mơ-nơ-xt-ni-tơ

NO2

:Pe-ơ-xýt-ni-tơ

CNG


: Nhiên liệu khí thiên nhiên nén (Compressed Natural Gas)

LPG

: Khí dầu mỏ hố lỏng (Liquefied Petroleum Gas)

LNG

: Khí thiên nhiên hố lỏng (Liquefied Natural Gas)

ppm

:Một phần triệu (parts per million)

λ

:Hệ số dư lượng khơng khí

E

:Năng lượng đánh lửa

φs

:Góc đánh lửa sớm

ε

:Tỷ số nén


γr

:Hệ số khí sót

Flm

:Tiết diện làm mát

Vc

:Thể tích buồng cháy

t

:Thời gian phun

v

:Lưu lượng khí nạp

n

:Tốc độ động cơ

4


GCNG

:Lưu lượng nhiên liệu CNG


Lo

:Lượng khơng khí lý thuyết để đốt cháy hết 1 kg CNG

GKK

:Lượng khơng khí thực tế

Q

:Lưu lượng dịng khí nạp

Cd

:Hệ số lưu lượng của ống venturi

d

:Đường kính họng

∆p

:Chế áp

O2

:Khí ơ-xy

Maz


:Phụ gia nhiên liệu có gốc nitroparaffin

E5

:Ethanol pha xăng với tỷ lệ 5%

E85

: Ethanol pha xăng với tỷ lệ 85%

DO

:Dầu diesel

FO

:Dầu nặng

5


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Thành phần một loại CNG điển hình .................................................... 13
Bảng 1.2 Thành phần của khí CNG tại một số vùng khai thác khác nhau ............. 13
Bảng 1.3: Công thức chất phụ gia Maz 100 (Tài liệu kỹ thuật phụ gia Maz, 2008) 37
Bảng 1.4: Thành phần của phụ gia Maz (Tài liệu kỹ thuật phụ gia Maz, 2008) ..... 37
Bảng 3.1 Thông số làm việc cơ bản của băng thử ................................................ 50

6



DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Qui trình sản xuất phụ gia Maz Nitro (Tài liệu kỹ thuật phụ gia Maz
Nitro, 2008)....................................................................................................... 38
Hình2.1 Sơ đồ hệ thống cung cấp CNG và phụ gia Maz Nitro trên động cơ.......... 42
Hình 2.2 Sơ đồ và kết cấu lắp đặt bình hóa hơi phụ gia Maz Nitro ...................... 44
Hình 2.3 Lắp bình chứa phụ gia, vịi phun và bộ hóa hơi phụ gia trên động cơ ..... 44
Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống cung cấp phụ gia Maz Nitro trên động cơ (a) sơ đồ điều
khiển vòi phun (b) ............................................................................................. 46
Hình 2.5 Bo mạch cùng linh kiện ECU được hàn hoàn chỉnh (a) và được đấu nối với
cáp của hệ thống điều khiển (b) .......................................................................... 47
Hình 3.1 Băng thử tính năng động lực học cao .................................................... 49
Hình 3.2 Mặt cắt ngang của phanh .................................................................... 50
Hình 3.3 Bộ điều chỉnh nhiệt độ dầu bơi trơn ...................................................... 51
Hình 3.4 Cụm điều chỉnh nhiệt độ nước.............................................................. 52
Hình 3.5 Sơ đồ bộ phân tích khí CO………………………………………………52
Hình 3.6 Sơ đồ bộ phân tích HC ......................................................................... 55
Hình 3.7 Sơ đồ bộ phân tích khí NOx ................................................................. 56
Hình 3.8 Sơ đồ bộ phân tích O2 ......................................................................... 59
Hình 3.9 So sánh công suất động cơ khi chạy CNG và khi chạy CNG + PG (phụ gia
Maz Nitro) ở tồn tải với các tốc độ khác nhau ................................................... 60
Hình 3.10 So sánh tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi chạy CNG và khi chạy CNG
+PG (phụ gia) ở toàn tải với các tốc độ khác nhau (a) và ở tốc độ 3000v/p với các
tải khác nhau (b) ................................................................................................ 61
Hình 3.11 Mức tiết kiệm nhiên liệu của động cơ khi chạy CNG với Maz Nitro so
với chạy CNG không phụ gia ở toàn tải với các tốc độ khác nhau (a) và ở tốc độ
3000v/p với các tải khác nhau (b) ....................................................................... 61

7



Hình 3.12 So sánh suất phát thải CO của động cơ khi chạy CNG và khi chạy CNG +
PG (phụ gia) ở toàn tải với các tốc độ khác nhau (a) và ở tốc độ 3000v/p với các tải
khác nhau (b) .................................................................................................... 62
Hình 3.13 So sánh suất phát thải HC của động cơ khi chạy CNG và khi chạy CNG +
PG (phụ gia) ở toàn tải với các tốc độ khác nhau (a) và ở tốc độ 3000v/p với các tải
khác nhau (b) .................................................................................................... 62
Hình 3.14 So sánh phát thải NOx của động cơ khi chạy CNG và khi chạy CNG +
PG (phụ gia) ở toàn tải với các tốc độ khác nhau (a) và ở tốc độ 3000v/p với các tải
khác nhau (b) .................................................................................................... 63
Hình 3.15 So sánh suất phát thải CO2 của động cơ khi chạy CNG và khi chạy CNG
+ phụ gia Maz Nitro ở toàn tải với các tốc độ khác nhau (a) và ở tốc độ 3000v/p với
các tải khác nhau (b) .......................................................................................... 63

8


MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề.
Hiện nay, nguy cơ cạn kiệt nhanh nguồn nhiên liệu truyền thống xăng và dầu
diesel và sự ô nhiễm môi trường trầm trọng của động cơ đốt trong sử dụng nguồn
nhiên liệu này đã hướng người sử dụng đến các nguồn nhiên liệu thay thế, đặc biệt
là loại nhiên liệu có trữ lượng lớn và ít ô nhiễm như khí thiên nhiên mà thường
được tích trữ ở dạng khí thiên nhiên nén CNG. Nhiên liệu CNG có trị số ốc tan cao
hơn xăng, dễ hịa trộn với khơng khí tạo hỗn hợp đồng nhất và có đặc tính cháy
tương tự như xăng nên thường được sử dụng làm nhiên liệu thay thế cho xăng trên
các động cơ xăng hiện hành mà không cần phải thay đổi kết cấu động cơ ngoại trừ
trang bị thêm hệ thống cung cấp CNG.
Với các ưu điểm nói trên, CNG ngày càng được sử dụng nhiều trên động cơ

đốt cháy cưỡng bức. Tuy nhiên, CNG là nhiên liệu khí nhẹ (thành phần chính là
methane CH4) có tốc độ bắt lửa và cháy chậm hơn xăng nên quá trình cháy của
nhiên liệu CNG không đạt được tối ưu trên động cơ xăng hiện hành vì động cơ này
được thiết kế tối ưu cho nhiên liệu xăng. Do đó, động cơ CNG chuyển đổi từ động
cơ xăng khơng đạt được các đặc tính làm việc và phát thải tốt nhất như mong đợi và
sản phẩm cháy vẫn chứa một hàm lượng nhất định các thành phần độc hại CO, HC.
Vì vậy, nhiều tác giả đã nghiên cứu tìm cách cải thiện quá trình cháy để tăng hiệu
suất và giảm phát thải của động cơ chạy nhiên liệu CNG. Trong đó, một số tác giả
nghiên cứu tăng chuyển động xoáy của hỗn hợp trong xi lanh để tăng mức độ đồng
nhất của hỗn hợp và đồng thời tăng tốc độ cháy. Tuy nhiên, biện pháp này sẽ phải
thay đổi nhiều về kết cấu động cơ nên khó áp dụng được cho các động cơ CNG
chuyển đổi từ động cơ xăng hiện hành. Một số các tác giả khác nhiều hơn tập trung
nghiên cứu theo hướng pha trộn hydro vào CNG để tăng tốc độ cháy của nhiên liệu,
từ đó cải thiện hiệu suất động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm phát thải CO,
HC. Tuy nhiên, vì hydro là khí nhẹ có nhiệt trị mol rất thấp nên nó sẽ chiếm nhiều
khơng gian thể tích xi lanh, dẫn đến làm giảm cơng suất động cơ. Do vậy, việc
nghiên cứu sử dụng phụ gia để cải thiện quá trình cháy trong động cơ CNG để nâng

9


cao công suất, giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải của động cơ có ý nghĩa khoa
học và thực tiễn cao. Chính vì vậy, tác giả đã lựa chọn cho mình đề tài luận văn thạc
sĩ “Nghiên cứu sử dụng phụ gia nhiên liệu cho động cơ CNG để giảm tiêu hao
nhiên liệu và phát thải độc hại của động cơ” làm cơ sở để đề suất chọn phụ gia
thích hợp sử dụng cho động cơ CNG.
2. Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu của đề tài.
a. Mục đích
- Lựa chọn được loại phụ gia thích hợp và đưa ra giải pháp cung cấp và hòa
trộn phụ gia với hỗn hợp khơng khí – nhiên liệu CNG đảm bảo hỗn hợp phụ giakhơng khí-nhiên liệu có độ đồng nhất cao và tỷ lệ khối lượng phụ gia/nhiên liệu

thích hợp ở mọi chế độ làm việc của động cơ.
- Đánh giá được ảnh hưởng của phụ gia đã chọn đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ
thuật và phát thải của động cơ CNG, làm cơ sở cho việc phát triển và đưa phụ gia
này vào sử dụng rộng rãi.
b. Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu trên động cơ CNG chuyển đổi từ động cơ xăng 1NZ-FE của xe
Toyota Vios. Đây là động cơ phun xăng điều khiển bằng điện tử, 4 kỳ, 4 xi lanh
thẳng hàng, dung tích cơng tác 1,5 lít, tốc độ tối đa 6000v/p, cơng suất tối đa khi
chạy xăng là 80kW (ở 6000v/p).
c. Phạm vi nghiên cứu:
- Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống cung cấp, định lượng và hòa trộn phụ
gia với hỗn hợp khơng khí – nhiên liệu CNG trên động cơ CNG được chuyển đổi
từ động cơ xăng.
- Nghiên cứu thực nghiệm trên băng thử trong phịng thí nghiệm để đánh giá
hiệu quả của phụ gia đã chọn về tăng công suất, giảm tiêu hao nhiên liệu và phát
thải của động cơ CNG.
3. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu là thử nghiệm kết hợp phân tích đánh giá kết quả để
thấy được ảnh hưởng của phụ gia đến tiêu hao nhiên liệu và phát thải của động cơ.

10


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHỤ GIA NHIÊN LIỆU
ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
1.1 Đặc điểm của nhiên liệu động cơ đốt trong.
1.1.1 Các loại nhiên liệu truyền thống.
a) Nhiên liệu xăng
Nhiên liệu xăng dùng cho động cơ ôtô xe máy …..được gọi chung là xăng
động cơ là hỗn hợp của nhiều hydrocarbon. Xăng là 1 trong những sản phẩm quan

trọng trong công nghiệp chế biến dầu mỏ và ngày nay đã trở thành quen thuộc đối
với con người. Xăng động cơ không đơn thuần chỉ là sản phẩm của một quá trình
chưng cất từ một cơng đoạn nào đó của dầu mỏ, nó là một sản phẩm hỗn hợp được
lựa chọn cẩn thận từ một số thành phần kết hợp với 1 số phụ gia nhằm đảm bảo cho
điều kiện vận hành thực tế và lưu trữ bảo quản.
Có 3 dạng Hydrocácbon thường được lấy để pha chế xăng là: parafil, aromatic,
olefil. Đó chính là thành phần hố học cơ bản của xăng. Các thành phần hoá học cơ
bản thường nhận được thơng qua các q trình sau:
- Chưng cất trực tiếp từ dầu mỏ
- Cracking xúc tác ( bẻ gẫy mạch )
- Reforming xúc tác ( cải tạo mạch )
- Isome hoá ( đồng phân hoá )
- Ankyl hoá từ các phân đoạn dầu mỏ.
b) Nhiên liệu diesel
Nhiên liệu diesel ( DO : Diesel Oil ) là một loại nhiên liệu lỏng cũng là hỗn
hợp của nhiều hydrocarbon nặng, nặng hơn dầu lửa và xăng, sử dụng chủ yếu cho
động cơ diesel trong ngành đường bộ, đường thuỷ, đường sắt) và một phần được sử
dụng cho tuabin khí ( trong công nghiệp, phát điện, xây dựng.)
Nhiên liệu diesel được sản xuất chủ yếu từ phân đoạn gazoil và là sản phẩm
của q trình chưng cất trực tiếp dầu mỏ. Có đầy đủ những tính chất lý hố phù hợp
cho q trình cháy động cơ diesel mà khơng cần phải áp dụng những q trình biến
đổi hố học phức tạp.
11


Cũng giống như nhiên liệu xăng, để đảm bảo yêu cầu bảo quản và sử dụng lâu
dài , trong nhiên liệu diesel cũng có pha các chất phụ gia chống ơxi hố, phụ gia tẩy
rửa chống đóng cặn.Ngồi ra, cịn có một số phụ gia cải thiện tính tự cháy của nhiên
liệu.
c) Nhiên liệu khí thiên nhiên

Xăng và diesel là các nhiên liệu truyền thống của động cơ đốt trong. Hiện
nay, tốc độ tăng nhanh cả về số lượng và tổng công suất của các phương tiện vận tải
và trang bị động lực sử dụng động cơ đốt trong đang gây nguy cơ cạn kiệt nhanh
nguồn nhiên liệu truyền thống này. Do đó khí thiên nhiên đang ngày càng được sử
dụng phổ biến làm nhiên liệu thay thế xăng và diesel. Khí thiên nhiên cũng là một
loại nhiên liệu hóa thạch.
Khí thiên nhiên thường được tích trữ ở dạng nén cao áp nên có tên gọi là khí
thiên nhiên nén (Compressed Natural Gas - CNG). CNG là khí thiên nhiên được
nén dưới áp suất nhất định (205 ÷ 275 bar). Khí thiên nhiên là hỗn hợp chất khí
cháy được bao gồm phần lớn là các hydrocacbon (hợp chất hoá học chứa cacbon và
hyđrô). Cùng với than đá và dầu mỏ, khí thiên nhiên là nhiên liệu hóa thạch. Khí
thiên nhiên có thành phần thay đổi theo từng nơi khai thác. Tuy nhiên thành phần
của nó có thể chứa đến 85% - 95% mêtan (CH4) và khoảng 10% êtan (C2H6), và
cũng có chứa số lượng nhỏ hơn propan (C3H8), butan (C4H10), pentan (C5H12), và
các alkan khác. Khí thiên nhiên, thường được tìm thấy cùng với các mỏ dầu ở trong
vỏ Trái Đất, được khai thác và tinh lọc thành nhiên liệu cung cấp cho khoảng 25%
nguồn cung năng thế giới. Khí thiên nhiên chứa lượng nhỏ các tạp chất, bao gồm
điơxít cacbon (CO2), hyđrơ sulfít (HS), và nitơ (N2). Do các tạp chất này có thể làm
giảm nhiệt trị và đặc tính của khí thiên nhiên, chúng thường được tách khỏi khí
thiên nhiên trong q trình tinh lọc khí và được sử dụng làm sản phẩm phụ. Khí
thiên nhiên có thành phần chính là khí methane. Tuy nhiên, khí thiên nhiên khai
thác và chế biến ở các khu vực khác nhau có thành phần khác nhau. Bảng 1.1 và
bảng 1.2 giới thiệu thành phần chính của khí thiên nhiên điển hình và của các loại
khí thiên nhiên được khác thác chế biến ở các khu vực khác nhau.

12


Bảng 1.1 Thành phần một loại CNG điển hình
Thành phần


Cấu tạo

Hàm lượng (%)

Methane

CH4

90,42

Ethane

C2H6

4,04

Ethylene

C2H4

0,14

Propane

C3H8

2,05

Nitrogen


N2

3,32

Bảng 1.2 Thành phần của khí CNG tại một số vùng khai thác khác nhau

Cấu trúc phân tử của thành phần trong khí CNG:
CH4

C2H6

C2H4

C3H8

13


Nhìn chung động cơ CNG có rất nhiều hứa hẹn đối với ô tô hoạt động trong
thành phố hay vùng ven đơ, những khu vực mà tình trạng ơ nhiễm môi trường do
phương tiện vận hành gây ra ngày càng trở nên trầm trọng.
Khí thiên nhiên được tạo ra từ sinh vật phù du, các vi sinh vật sống dưới nước bao
gồm tảo và động vật nguyên sinh. Khi các vi sinh vật này chết đi và tích tụ trên đáy đại
dương, chúng dần bị chôn đi và xác của chúng được nén dưới các lớp trầm tích. Trải qua
hàng triệu năm, áp suất và nhiệt do các lớp trầm tích chồng lên nhau tạo nên trên xác các
loại sinh vật này đã chuyển hoá hoá học các chất hữu cơ này thành khí thiên nhiên. Do dầu
mỏ và khí thiên nhiên thường được tạo ra bằng các quá trình tự nhiên tương tự nhau, hai
loại hydrocacbon này thường được tìm thấy cùng nhau trong các bể chứa ngầm tự nhiên.
Sau khi dần được tạo nên trong lòng vỏ trái đất, dầu mỏ và khí thiên nhiên đã dần chui vào

các lỗ nhỏ của các tầng đá xốp xung quanh, những tầng đá xốp này có vai trị như các bể
chứa tự nhiên. Do các lớp đá xốp này thường có nước chui vào, khí thiên nhiên vốn nhẹ
hơn nước và kém dày đặc các tầng đá xung quanh nên chúng chuyển lên trên qua lớp vỏ,
đôi khi cách xa nơi chúng tạo ra.
Cuối cùng, một số hydrocacbon này bị bẫy lại bởi các lớp đá không thấm (đá không
xốp), các lớp đá này được gọi là đá “mũ chụp”.
Khí thiên nhiên nhẹ hơn dầu mỏ, do đó nó tạo ra một lớp nằm trên dầu mỏ. Lớp khí
này được gọi là “mũ chụp khí”. Các lớp than đá có chứa lượng mêtan đáng kể, mêtan là
thành phần chính của khí thiên nhiên. Trong các trữ lượng than đá, mêtan thường bị phân
tán vào các lỗ các vết nứt của tầng than. Khí thiên nhiên này thường được gọi là khí mêtan
trong tầng than đá.
Để định vị được các mỏ khí, các nhà địa chất học thăm dị những khu vực có
chứa những thành phần cần thiết cho việc tạo ra khí thiên nhiên: đá nguồn giàu hữu cơ,
các điều kiện chơn vùi đủ cao để tạo ra khí tự nhiên từ các chất hữu cơ, các kiến tạo đá
có thể "bẫy" các hydrocacbon.
Khi các kiến tạo địa chất có thể chứa khí tự nhiên được xác định, thơng thường chứ
khơng phải ln ở bể trầm tích, người ta tiến hành khoan các giếng các kiến tạo đá. Nếu
giếng khoan đi vào lớp đá xốp có chứa trữ lượng đáng kể khí thiên nhiên, áp lực bên

14


trong lớp đá xốp có thể ép khí thiên nhiên lên bề mặt. Nhìn chung, áp lực khí thường
giảm sút dần sau một thời gian khai thác và người ta phải dùng bơm hút khí lên bề mặt.
Khi khí thiên nhiên được khai thác khỏi mặt đất, nó được vận chuyển bằng
đường ống dẫn khí đến một nhà máy tinh lọc và xử lý, nơi nó được chế biến.
Khí thiên nhiên được chế biến bằng các thiết bị tách lọc khí để loại bỏ các hợp
chất khơng phải là hyđrơcacbon, đặc biệt là hyđrơ sulfit và điơxit cacbon. Hai q
trình sử dụng cho mục đích này là hấp thụ và hút bám (absorption and adsorption).
Quá trình hấp thụ sử dụng một chất lỏng hấp thụ khí tự nhiên và các tạp chất

và phân tán chúng trong chất lỏng này. Trong một q trình được gọi là hấp thụ hóa
học, các tạp chất phản ứng với chất lỏng hấp thụ. Khí thiên nhiên sau đó thốt ra
khỏi chất hấp thụ cịn chất hấp thụ còn tạp chất ở lại trong chất lỏng. Các chất lỏng
hấp thụ thường được sử dụng là nước, các dung dịch amin nước (aqueous amine) và
cacbonat natri.
Quá trình hút bám là một q trình cơ đặc khí tự nhiên trên bề mặt một chất
rắn hoặc một chất lỏng để loại bỏ tạp chất. Một chất thường được sử dụng cho mục
đích này là cacbon (than), là chất có diện tích bề mặt trên đơn vị trọng lượng rộng.
Ví dụ, các hợp chất lưu huỳnh trong khí tự nhiên được bề mặt hấp thụ của cacbon
giữ lấy. Các hợp chất lưu huỳnh được kết hợp với hyđrô và oxy để tạo thành axít
sulphuric và có thể loại bỏ.
Sau khi các tạp chất đã được loại bỏ trong các thiết bị tách lọc, khí thiên nhiên
phải được làm khơ. Kỹ thuật làm khơ khí phân thành các nhóm:
- Hấp phụ nước bằng các chất hút ẩm thể rắn như silicagen, nhơm oxit hoạt
tính, zeolit NaA.
- Hấp phụ bằng nước hút ẩm thể lỏng như dietylenglycol, trietylenglycol…
- Ngưng tụ hơi nước hoặc đóng băng tạo tinh thể nước đá bằng kỹ thuật nén
hoặc làm lạnh.
1.1.2 Đặc điểm quá trình cháy và phát thải.
a) Sự phát thải các thành phần độc hại.
Q trình cháy nhiên liệu hóa thạch xăng, diesel, CNG (hydrocarbon) trong
động cơ đốt trong là q trình ơxy hố hydrocarbon giải phóng nhiệt năng diễn ra
15


trong buồng cháy động cơ theo những cơ chế hết sức phức tạp và chịu ảnh hưởng
của nhiều thông số. Trong quá trình cháy sinh ra hàng loại các hợp chất trung gian
rất phức tạp và các thành phần độc hại.
Ở điều kiện lý tưởng sự đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu Hidrocarbon với ơxi
trong khơng khí sẽ sinh ra các sản phẩm cháy không độc hại là: CO2, H2O thể hiện

trong phương trình phản ứng cháy sau đây:
CnH2n + 2 +

3n + 2
O2 → n CO2 + ( n+1 ) H2O + nhiệt.
2

Tuy nhiên trong động cơ trạng thái cân bằng hoá học lý tưởng đối với sự cháy
là khó có thể xảy ra. Bởi vì thời gian cho q trình oxi hố là rất ngắn. Hơn nữa là
sự thiếu đồng nhất của hỗn hợp nhiên liệu, sự thay đổi rất nhanh của nhiệt độ dẫn
đến sinh ra quá trình ơxi hố khơng hồn tồn sinh ra các chất độc hại như CO,
NOx, HC... Nồng độ các chất độc hại phụ thuộc nhiều vào kiểu loại động cơ và điều
kiện vận hành động cơ cũng như các chế độ làm việc của động cơ.
Các khí thải động cơ đốt trong được thải ra ngoài theo các con đường sau đây:
- Theo đường ống xả: Đây là con đường chiếm tỷ lệ khí thải chủ yếu gây ra ơ
nhiễm mơi trường, phát sinh trong quá trình đốt cháy nhiên liệu và thải ra ngồi
thơng qua đường ống xả. Khí thải bao gồm các thành phần chính là N2, và hơi nước
chiếm khoảng 83%, còn lại là CO, CO2, HC, và các loại ơxít Nitơ (NOx ) và chì
(đối với xăng pha chì).
- Các khí rị lọt: bao gồm những khí rò lọt qua khe hở giữa piston và xilanh,
chủ yếu là Nitơ và ôxi chiếm tỷ lệ lớn trên 90%, phần còn lại là CO2 và HC hơi
nước, và một lượng nhỏ CO, NOx .
- Hơi xăng bay hơi từ thùng nhiên liệu và bộ chế hồ khí, các vị trí khơng kín
khít của đường ống nên chủ yếu là HC (thành phần chính của nhiên liệu xăng).
Trong số này chỉ có một số thành phần có tính độc hại đối với môi trường và
sức khoẻ của con người nên được gọi là thành phần độc hại. Cụ thể như sau:
+ CO: ơ-xýt-các-bon hay cịn gọi là mơ-nơ-xít-các-bon là sản phẩm cháy của
C trong nhiên liệu trong điều kiện thiếu ôxy. Hàm lượng CO tăng nhanh khi khi hệ
số dư lượng khơng khí λ < 1. Một ngun nhân nữa là sự hồ trộn khơng đều giữa
16



nhiên liệu và khơng khí hoặc nhiên liệu khơng hồn toàn ở trạng thái hơi. Do vậy,
mặc dù λ chung có thể >1 nhưng vẫn có những khu vực cháy trong xi lanh thiếu khơng
khí, dẫn đến sự tạo thành CO.
Mơ-nơ-xít-các-bon ở dạng khí khơng màu, khơng mùi. Khi kết hợp với sắt có
trong sắc tố của máu sẽ tạo thành một hợp chất ngăn cản quá trình hấp thụ ô xy của
hê-mô-glô-bin trong máu, làm giảm khả năng cung cấp ơxy cho các tế bào trong cơ
thể. Mơ-nơ-xít-các-bon rất độc, chỉ với một hàm lượng nhỏ trong khơng khí có thể
gây cho con người tử vong. Hàm lượng cực đại cho phép [CO] = 33 mg/m3.
+ HC: Chất thải Hydrocacbon chưa cháy HC là do sự cháy khơng hồn toàn
của nhiên liệu trong xylanh động cơ gây ra. Nguồn chính của khí thải HC là do
nhiên liệu thốt khỏi sự cháy trong buồng cháy của động cơ do quá trình chuyển
tiếp nhiên liệu nạp, do các khe hở, do sự nén hỗn hợp chưa cháy vào các khe giữa
đầu pít tơng và xi lanh trong q trình nén khi áp suất cao và sự giải phóng hỗn hợp
này vào hỗn hợp đã cháy trong xi lanh ở thời kỳ giãn nở khi áp suất giảm. Màng
dầu bôi trơn cũng là nguyên nhân gây ra HC trong khí thải, màng dầu hấp thụ HC
trong q trình nén và giải phóng HC vào khí cháy trong q trình giãn nở. Một
phần Hydrocacbon này được ơxyhố khi được trộn với khí đã cháy trong quá trình
giãn nở và quá trình xả, phần cịn lại thải ra ngồi cùng với khí thải nên gây ra sự
phát thải HC. Mức độ ơxyhóa HC phụ thuộc vào các điều kiện và chế độ vận hành
động cơ như là tỷ số giữa nhiên liệu và không khí, tốc độ động cơ, tải, góc đánh
lửa... Nguồn phát sinh khác của HC là sự cháy khơng hồn tồn trong một phần của
chu kỳ vận hành của động cơ (hoặc là đốt cháy từng phần hoặc hiện tượng bỏ lửa
hoàn toàn) xảy ra khi chất lượng đốt cháy kém. Hàm lượng HC chưa cháy trong khí
thải chủ yếu phụ thuộc vào tỷ lệ khơng khí và nhiên liệu. Nồng độ của chúng tăng
khi hỗn hợp đậm hơn, đặc biệt là với λ<1. Đối với hỗn hợp quá nghèo khí xả HC
cũng tăng do đốt cháy khơng hồn tồn hoặc hiện tượng bỏ lửa trong một phần của
các chu kỳ vận hành động cơ.
Các-bua-hy-đrơ có rất nhiều loại. Mỗi loại có mức độ độc hại khác nhau nên

khơng thể đánh giá chung một cách trực tiếp. Ví dụ, pa-ra-phin và náph-ta-nin có
thể coi là vơ hại. Trái lại, các loại các-bua-hy-đrơ thơm thường rất độc, ví dụ như

17


các-bua-hy-đrơ có nhân ben-zen có thể gây ung thư. Để đơn giản khi đưa ra các tiêu
chuẩn về môi trường, người ta chỉ đưa ra thành phần các-bua-hy-đrô tổng cộng
trong khí thải (Total Hydrocarbon viết tắt là TH). Các-bua-hy-đrơ tồn tại trong khí
quyển cịn gây ra sương mù, gây tác hại cho mắt và niêm mặc đường hô hấp.
+ NOx : ơ-xýt-ni-tơ là sản phẩm ơ xy hố ni-tơ có trong khơng khí (một thành
phần của khí nạp mới) trong điều kiện nhiệt độ cao. Do ni-tơ có nhiều hố trị nên ôxýt-ni-tơ tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, được gọi chung là NOx . Trong khí thải
của động cơ đốt trong NOx tồn tại ở hai dạng chủ yếu là NO2 và NO, NO chiếm đa
phần, có thể tới 90-98%. Trong buồng cháy động cơ, dưới áp suất cao, bề dày màng
lửa không đáng kể và tồn tại trong thời gian ngắn, do đó đại bộ phận NOX hình
thành phía sau màng lửa, tức là sau khi hỗn hợp bị đốt cháy. Nhân tố chính ảnh
hưởng tới với sự hình thành NOx là nhiệt độ, ơxy và thời gian. Nhiệt độ cao, ô xy
nhiều và thời gian dài thì NOX sẽ cao, tức là khi động cơ chạy tồn tải, tốc độ thấp
và λ =1,05-1,1 thì NOX lớn. cụ thể như sau:
* NO2: pe-ơ-xýt-ni-tơ là một khí có mùi gắt và mầu nâu đỏ. Với một hàm
lượng nhỏ cũng có thể gây tác hại cho phổi, niêm mạc. Khi tác dụng với hơi nước
sẽ tạo thành a-xit gây ăn mòn các chi tiết máy và đồ vật. [NO2] = 9mg/m3.
*NO: Mô-nô-xýt ni-tơ NO là thành phần chủ yếu của NOx trong khí thải. NO
là một khí khơng mùi, gây tác hại cho hoạt động của phổi, gây tổn thương niêm
mạc. Trong khí quyển, NO khơng ổn định nên bị ơ-xy hố tiếp thành NO2 và kết
hợp với hơi nước tạo thành a-xit ni-tơ-ríc HNO3. [NO] = 9 mg/m3.
Tóm lại, trong các thành phần khí thải ơtơ thì CO, HC, NOX là những chất rất
nguy hại. Sự hình thành các chất độc hại này liên quan đến quá trình cháy và đặc
điểm của nhiên liệu sử dụng.
b) Các biện pháp giảm thành phần phát thải độc hại

Ngay từ khi vấn đề ơ nhiễm mơi trường do khí thải của động cơ bắt đầu được
quan tâm, một nhiệm vụ tất yếu đặt ra là nghiên cứu và áp dụng các biện pháp sao
cho động cơ giảm thiểu phát thải các thành phần độc hại và CO2 vào khí quyển. Với
mục đích tổng thể này, nghiên cứu giảm thiểu ơ nhiễm cũng nhằm mục đích giảm
tiêu thụ nhiên liệu của động cơ. Cho đến nay đã có rất nhiếu biện pháp cụ thể được

18


sử dụng trong thực tế, và trong tương lai sẽ cịn có các biện pháp khác được nghiên
cứu nhằm giải quyết triệt để hơn vấn đề quan trọng này.
Nói chung, các biện pháp giảm thiểu ơ nhiễm có thể chia ra thành hai nhóm
chính. Nhóm thứ nhất bao gồm các biện pháp liên quan đến cấu tạo động cơ, loại
nhiên liệu, phương pháp hình thành hỗn hợp, điều chỉnh và vận hành động cơ…gọi
chung là biện pháp liên quan đến động cơ. Tuy nhiên chỉ bằng các biện pháp này thì
khó có thể thỏa mãn các tiêu chuẩn khí thải ngày càng nghiêm ngặt. Nhóm thứ hai
bao gồm các biện pháp xử lý khí thải sẽ đảm bảo nồng độ độc hại của khí thải trước
khi xả vào mơi trường phải nhỏ hơn giới hạn cho phép.
Tối ưu hóa kết cấu động cơ
Đối với động cơ xăng, nồng độ CO và HC nhỏ nhất tại λ = 1,05 ÷ 1,1 nhưng
cũng tại đây nồng độ NOx đạt cực đại. Như vậy, nếu điều chỉnh chính xác λ đạt giá
trị nói trên đã hạn chế được hai thành phần độc hại chủ yếu là CO và HC, còn để
hạn chế NOx sẽ dùng phương pháp khác. Sau đây trình bày một số biện pháp cụ thể
như sau:
Sử dụng bộ chế hoà khí điện tử hoặc hệ thống phun xăng thay cho bộ chế hồ
khí cơ khí thơng thường. Ngồi tác dụng điều chỉnh chính xác λ, những hệ thống
thay thế này cịn có khả năng cắt hồn tồn nhiên liệu khi động cơ bị kéo (ví dụ khi
phanh xe hay xuống dốc) nên vừa giảm ô nhiễm do thành phần HC chưa cháy rất
lớn, vừa giảm đáng kể lượng tiêu thụ nhiên liệu.
Hạn chế tối đa sự khác biệt về λ giữa các xylanh bằng các biện pháp như: Sử

dụng hệ thống phun xăng đa điểm thay cho phun xăng đơn điểm để có λ đồng đều
giữa các xylanh, hạn chế tối đa sự hình thành màng xăng trong ống nạp bằng sấy
nóng đường nạp và tạo xốy khơng khí quanh vịi phun, tạo xốy lốc trong xylanh
từ q trình nạp kết hợp với phun trong khi mở xupap nạp, thiết kế đường ống nạp thải với sức cản và đặc tính dao động áp suất như nhau.
Dùng bộ điều chỉnh điện tử ở hệ thống nhiên liệu phun xăng để điều chỉnh λ
tối ưu tuỳ thuộc vào các thông số tải trọng, tốc độ vòng quay, nhiệt độ nước làm
mát, góc đánh lửa sớm…tại từng chế độ trong miền làm việc của động cơ. Đây là
biện pháp khá triệt để, được sử dụng ở các động cơ xe hiện đại.

19


Dùng cảm biến λ để điều chỉnh chính xác thành phần hỗn hợp khơng khí nhiên
liệu.
Cảm biến hỗn hợp nghèo: Tín hiệu từ cảm biến được được dùng để điều chỉnh
giữ cho λ chính xác trong vùng hỗn hợp nghèo.
Điều chỉnh góc đánh lửa sớm:
Khi giảm góc đánh lửa sớm φs, q trình cháy lùi về phía sau, nhiệt độ cực đại
của quá trình cháy giảm nên NOx giảm. Trái lại, nhiệt độ của khí thải tăng sẽ tạo
điều kiện thuận lợi cho q trình oxy hố tiếp CO và HC trong quá trình thải nên
các thành phần độc hại này giảm. Ngồi ra, do nhiệt độ khí thải cao nên thời gian
hâm nóng máy giảm và bộ xử lý xúc tác nhanh chóng đạt nhiệt độ làm việc cũng
làm giảm phát thải ơ nhiễm trong q trình q độ. Tuy nhiên, cháy quá muộn sẽ
làm hiệu quả sinh công thấp.
Một số động cơ sử dụng hệ thống đánh lửa kép, thực chất là trong q trình
nén có hai lần đánh lửa nối tiếp nhau. Lần đánh lửa thứ nhất tạo ra những phần tử
hoạt tính đầu tiên, tia lửa được điều khiển sao cho duy trì trong một thời gian nhất
định rồi bị dập tắt. Sau đó,q trình hình thành và tích tụ các phần tử hoạt tính tiếp
tục xảy ra một cách tự nhiên thông qua các phản ứng dây chuyền phân nhánh. Tia
lửa của lần đánh lửa thứ hai có tác dụng cung cấp thêm năng lượng để quá trình

cháy thực sự diễn ra. Ưu điểm của hệ thống này là quá trình cháy diễn ra êm và ổn
định (khi so sánh giữa các chu kỳ), khởi động chắc chắn và đốt được hỗn hợp
nghèo. Ngoài ra, so với hệ thống đánh lửa thông thường, năng lượng đánh lửa yêu
cầu không lớn nên tuổi thọ bugi tăng.
Tăng năng lượng đánh lửa: Về mặt lý thuyết, năng lượng đánh lửa E tăng sẽ
ảnh hưởng tích cực đến diễn biến q trình cháy. Cụ thể, E tăng có thể mở rộng giới
hạn của hệ số dư lượng khơng khí λ thêm 0,2 ÷ 0,3 tức là có thể đốt hỗn hợp nghèo
hơn, do đó giảm được NOx và CO. Tuy nhiên, thực nghiệm đã chứng tỏ rằng năng
lượng của tia lửa E không ảnh hưởng đến diễn biến quá trình cháy nữa khi E > 30 ÷
50mJ.
Để tăng năng lượng đánh lửa, người ta thiết kế sao cho có thể duy trì tia lửa
đến 2 ms và tăng dịng sơ cấp i1 trong hệ thống đánh lửa từ 5 đến 12A bằng cách sử
dụng hệ thống đánh lửa bán dẫn bao gồm cả biến áp đánh lửa.
20


Sử dụng bugi kiểu mới:
Thực tế chứng tỏ, kết cấu của bugi ảnh hưởng rất lớn đến diễn biến quá trình
cháy, tức ảnh hưởng đến tính kinh tế và sự phát thải ơ nhiễm của động cơ. Do đó,
các nhà thiết kế đã nghiên cứu và chế tạo ra một số loại bugi kiểu lắp đặt tại vị trí
thích hợp trong buồng cháy, có thể kể ra một số loại như sau:
Bugi có khoảng cách giữa hai điện cực lớn, đến 1,5mm nhằm mục đích tăng
chiều dài tia lửa.
Bugi có buồng cháy phụ: Trong quá trình nén, một lượng nhỏ khí hỗn hợp bị
nén theo các lỗ định hướng vào khơng gian điện cực (buồng cháy phụ) tạo ra xốy
lốc. Khi bugi bật tia lửa điện, do chuyển động rối mạnh, màng lửa hình thành và
phát triển nhanh chóng rồi phun ngược trở lại và trở thành nguồn lửa có năng lượng
rất lớn đốt kiệt hỗn hợp trong buồng cháy.
Bugi sinh tia plasma, đang ở giai đoạn nghiên cứu và thử nghiệm.
Tỷ số Flm/Vc nhỏ nhất:

Chúng ta đã biết, một điều rất quan trọng khi thiết kế động cơ là phải tạo được
buồng cháy gọn với tỷ số Flm/Vc nhỏ nhất có thể để giảm tổn thất nhiệt, do đó làm
tăng tính kinh tế của động cơ. Mặt khác, buồng cháy gọn và ít khe kẽ sẽ làm giảm
hiệu ứng sát vách nên HC giảm.
Thiết kế diện tích chèn tối ưu trên đỉnh piston:
Diện tích chèn trên đỉnh piston đóng vai trị rất quan trọng tạo xốy lốc trong
q trình nén. Do ảnh hưởng của xoáy lốc, chiều dày lớp biên lạnh giảm làm giảm
hiệu ứng sát vách dẫn tới HC giảm. Tuy nhiên, xốy lốc càng mạnh thì tổn thất cơ
giới càng tăng. Vì vậy, diện tích chèn tối ưu chỉ nên nằm trong khoảng 10 ÷ 15 %
diện tích tiết diện ngang của piston.
Vị trí và số bugi, số xupap:
Nếu buồng cháy gọn và bugi đặt cách đều các xupap, thì quãng đường lan
truyền của màng lửa ngắn, kết hợp với xốy lốc do chọn diện tích chèn thích hợp
nên nhiên liệu cháy kiệt hơn, HC nhỏ. Một biện pháp khác để cho quãng lan truyền
màng lửa ngắn là dùng nhiều bugi, ví dụ hai bugi cho mỗi xylanh.

21


Đối với trường hợp xylanh có 4 hoặc 5 xupap, đường nạp có dạng cong (để tạo
xốy lốc) và chia làm hai nhánh. Ở chế độ tải nhỏ, lưu lượng ít, nhưng do chỉ có
một nhánh làm việc nên cường độ xốy lốc vẫn đủ lớn, do đó cải thiện q trình hồ
trộn và tạo thành hỗn hợp. Khi tải lớn, nhánh thứ hai được đưa vào làm việc để đảm
bảo nạp đầy hỗn hợp.
Tỷ số nén ε:
Tỷ số nén ε là một thông số rất quan trọng của động cơ. Nói chung, khi tăng ε
thì hiệu suất của động cơ tăng, ge giảm có nghĩa là giảm phát thải CO2. Tuy nhiên,
do nhiệt độ cực đại trong quá trình cháy tăng dẫn tới tăng NOx. Đồng thời, HC tăng
do tỷ lệ tương đối của thể tích khe kẽ đối với tồn bộ thể tích buồng cháy tăng. Mặt
khác, cùng với tăng ε, nhiệt độ mơi chất trong q trình thải giảm (do giãn nở triệt

để hơn) nên HC và CO bị oxy hố ít hơn, tức là HC và CO cịn lại trong khí thải
tăng lên. Hãng SAAB (Thuỵ Điển) đã đưa ra kết cấu động cơ ô tô có ε thay đổi
bằng kết cấu đường tâm xylanh thay đổi góc nghiêng so với phương thẳng đứng
nhờ một hệ thống cơ điện tử. Do đó ở chế độ tải nhỏ (nạp ít hỗn hợp) tỷ số nén có
thể cao tới 14,3 mà khơng kích nổ, do đó tính kinh tế và tính hiệu quả được cải
thiện.
Để giảm NOx, một số động cơ (kể cả xăng và diesel) dùng phương pháp luân
hồi khí thải, thực chất là đưa một phần sản vật cháy trở lại để đốt. Khí nạp mới hồ
trộn với một lượng khí thải có nhiệt độ cao nên nhiệt độ của mơi chất trong q
trình nén cũng cao hơn, đảm bảo cho hỗn hợp được đốt cháy dễ dàng. Mặt khác
nồng độ oxy khi đó giảm và nhiệt độ trong quá trình cháy nhỏ nên nồng độ NOx tạo
thành trong khí thải sẽ giảm rõ rệt. Đó là mục đích chính của biện pháp này.
Tuy nhiên, khí thải luân hồi sẽ làm cho hỗn hợp “bẩn” hơn cũng tương tự như
trường hợp hệ số khí sót γr lớn dẫn tới làm giảm tinh kinh tế của động cơ nói chung
và động cơ khơng thể phát ra cơng suất cực đại ở chế độ tồn tải. Do đó, phương
pháp luân hồi khí thải thường dùng ở chế độ tải nhỏ. Mặt khác, ở chế độ không tải
cũng không dùng ln hồi vì khi đó hỗn hợp có thể quá nghèo không cháy được,
động cơ sẽ bị chết máy.

22


Khi dùng hỗn hợp với λ > 1 (Ví dụ với λ = 1,2 chẳng hạn) tức là hỗn hợp
nghèo thì các thành phần độc hại như CO và NOx giảm đi. Tuy nhiên, do giới hạn
cháy của hỗn hợp xăng với khơng khí rất hẹp nên để mở rộng giới hạn này phải sử
dụng những biện pháp đặc biệt. Sau đây là một số biện pháp cụ thể:
Hình thành khí hỗn hợp phân lớp:
Phương pháp hình thành khí hỗn hợp phân lớp được áp dụng trong động cơ
phun xăng trực tiếp. Bản chất của phương pháp này là bố trí một bugi đánh lửa
trong buồng cháy của động cơ tại vị trí hỗn hợp có thành phần λ nhỏ (hỗn hợp đậm

λ = 0,85 ÷ 0,9) để đốt hỗn hợp bằng tia lửa điện. Phần hỗn hợp này sau khi bốc cháy
sẽ làm mồi để đốt phần hỗn hợp cịn lại có thành phần λ lớn (hỗn hợp nhạt). Như
vậy, hỗn hợp toàn bộ của động cơ là hỗn hợp nhạt (hỗn hợp này ở động cơ thông
thường là quá nhạt, không thể cháy được). Do động cơ làm việc với λ lớn nên sinh
ra ít độc hại. Tuy nhiên, để đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải hiện hành thì vẫn phải
dùng phương pháp xử lý khí thải. Do λ lớn nên không thể dùng bộ xử lý ba đường
mà phải dùng bộ xử lý NOx hỗn hợp nghèo kết hợp với bộ xử lý oxy hóa để xử lý
HC và CO.
Hiện nay, tất cả các nhà sản xuất ô tô hàng đầu thế giới đều nghiên cứu chế tạo
động cơ hình thành khí hỗn hợp phân lớp và đã đưa ra rất nhiều loại kết cấu với
buồng cháy thống nhất và buồng cháy ngăn cách.
Tạo xoáy lốc và rối trong buồng cháy: Xoáy lốc và rối trong buồng cháy tạo
thuận lợi cho q trình hịa trộn và cháy của hỗn hợp, tạo điều kiện cho nhiên liệu
cháy kiệt và mở rộng giới hạn cháy. Như đã trình bày trong các giáo trình về lý
thuyết và kết cấu động cơ, xốy lốc có thể tạo từ q trình nạp do đường ống nạp có
hình dạng thuận lợi về khí động học như hình xoắn ốc hoặc có hướng tiếp tuyến với
xylanh…Ngồi ra, đối với động cơ có số xupap lớn hơn 2 có thể dùng hai đường
nạp. Để tạo xốy và rối trong buồng cháy có thể dùng kết cấu chèn trên đỉnh piston.
Thiết kế buồng cháy thích hợp: Buồng cháy gọn và có tỷ số nén ε lớn, vị trí
đặt bugi tối ưu cũng góp phần mở rộng giới hạn λ về phía hỗn hợp nghèo.

23