Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu cải thiện quá trình cháy của động cơ diesel ở nhiệt độ thấp nhằm giảm phát thải ô nhiễm nox và pm

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích kỹ thuật nghiên cứu cải thiện quá trình cháy của động cơ diesel ở nhiệt độ thấp nhằm giảm phát thải, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề

• Tác giả: Bùi Đức Thảo
• Người hướng dẫn: PGS.TS Hoàng Anh Tuấn
• Trường học: Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực
• Đề tài: Nghiên Cứu Cải Thiện Quá Trình Cháy Động Cơ Diesel Ở Nhiệt Độ Thấp Giảm Phát Thải NOx Và PM
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL TRUYỀN THỐNG
• 1.1. Phát thải SOx
• 1.2. Phát thải CO2
• 1.3. Phát thải CO
• 1.4. Phát thải HC
• 1.5. Phát thải NOx
• 1.6. TỔNG QUAN VỀ CÁC GIẢI PHÁP GIẢM PHÁT THẢI NOX VÀ PM CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL TRUYỀN THỐNG
• 1.6.1. Những phương hướng để giảm ô nhiễm do khí thải động cơ đốt trong
• 1.6.2. Các biện pháp kết cấu làm giảm khí thải ô nhiễm
• 1.7. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM VỀ QUÁ TRÌNH CHÁY NHIỆT ĐỘ THẤP
• 1.8. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH PHÁT THẢI NOX VÀ PM
• 1.8.1. Phát thải NOx
• 1.8.2. Phát thải PM
• 1.9. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH CHÁY NHIỆT ĐỘ THẤP VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ ĐẾN ĐẶC TÍNH CHÁY VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL
• 1.9.1. Mô hình đốt cháy khái niệm
• 1.9.2. Đặc tính cháy và tỏa nhiệt trong diesel PPCI
• 1.9.3. Quá trình cháy trong PPCI
• 1.9.4. Sự phân tầng nhiệt và nhiên liệu trong PPCI
• 2. ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH CHÁY NHIỆT ĐỘ THẤP ĐỐI VỚI ĐỘNG CƠ DIESEL
• 2.1. Phun bổ sung
• 2.2. Phun chính nhiều giai đoạn
• 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
• 3.1. Mục tiêu thử nghiệm
• 3.2. Đối tượng và phạm vi thử nghiệm
• 3.3. Điều kiện thử nghiệm
• 4. TRANG THIẾT BỊ THỬ NGHIỆM
• 4.1. Động cơ và thiết bị đo
• 4.2. Thiết bị đo và nhiên liệu
• 4.3. Tiến trình thử nghiệm
• 5. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN
• 5.1. Đánh giá đặc tính công suất và suất tiêu hao nhiên liệu
• 5.2. Đánh giá đặc tính cháy của động cơ ở chế độ cháy nhiệt độ thấp
• 5.3. Đánh giá phát thải của động cơ ở chế độ cháy nhiệt độ thấp
• KẾT LUẬN- KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Cải thiện quá trình cháy động cơ diesel

Nghiên cứu tập trung vào cải thiện quá trình cháy động cơ diesel thông qua việc điều chỉnh các thông số vận hành và kết cấu động cơ. Mục tiêu chính là giảm thiểu phát thải khí độc hại như NOx và PM trong điều kiện nhiệt độ thấp. Các giải pháp được đề xuất bao gồm tối ưu hóa quá trình phun nhiên liệu, sử dụng công nghệ EGR (Exhaust Gas Recirculation) và điều khiển quá trình cháy nhiệt độ thấp (LTC). Những cải tiến này không chỉ giúp giảm phát thải mà còn nâng cao hiệu suất động cơ.

1.1. Tối ưu hóa quá trình phun nhiên liệu

Quá trình phun nhiên liệu đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành hỗn hợp cháy. Nghiên cứu đề xuất phương pháp phun nhiều giai đoạn để kiểm soát tốt hơn quá trình cháy. Phun sớm giúp tạo hỗn hợp đồng nhất, trong khi phun muộn đảm bảo quá trình cháy diễn ra hiệu quả. Kết quả thử nghiệm cho thấy, phương pháp này giảm đáng kể lượng PM và NOx phát thải.

1.2. Sử dụng công nghệ EGR

Công nghệ EGR được áp dụng để giảm nhiệt độ cháy trong buồng đốt, từ đó hạn chế sự hình thành NOx. Bằng cách tái tuần hoàn một phần khí thải vào buồng đốt, nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả trong việc giảm phát thải mà không ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ. Tuy nhiên, cần cân nhắc tỷ lệ EGR để tránh tăng lượng PM.

II. Nhiệt độ thấp và quá trình cháy

Nghiên cứu tập trung vào quá trình cháy nhiệt độ thấp (LTC) như một giải pháp hiệu quả để giảm phát thải NOx và PM. Ở nhiệt độ thấp, quá trình cháy diễn ra chậm hơn, giúp hạn chế sự hình thành các chất độc hại. Tuy nhiên, việc duy trì nhiệt độ thấp đòi hỏi sự điều chỉnh chính xác các thông số vận hành và kết cấu động cơ.

2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ thấp đến quá trình cháy

Nhiệt độ thấp làm giảm tốc độ phản ứng hóa học, từ đó hạn chế sự hình thành NOx. Tuy nhiên, điều này cũng có thể dẫn đến sự gia tăng PM do quá trình cháy không hoàn toàn. Nghiên cứu đã đề xuất các giải pháp cân bằng để đảm bảo quá trình cháy diễn ra hiệu quả mà vẫn giảm thiểu phát thải.

2.2. Điều khiển quá trình cháy nhiệt độ thấp

Việc điều khiển quá trình cháy nhiệt độ thấp đòi hỏi sự kết hợp giữa công nghệ EGR, tối ưu hóa phun nhiên liệu và điều chỉnh thời điểm đánh lửa. Kết quả thử nghiệm cho thấy, phương pháp này giúp giảm đáng kể lượng NOx và PM phát thải, đồng thời duy trì hiệu suất động cơ ở mức cao.

III. Giảm phát thải NOx và PM

Nghiên cứu đưa ra các giải pháp toàn diện để giảm phát thải NOx và PM từ động cơ diesel. Các phương pháp bao gồm cải tiến kết cấu động cơ, sử dụng công nghệ hiện đại và tối ưu hóa quá trình vận hành. Những giải pháp này không chỉ đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

3.1. Cơ chế hình thành NOx và PM

NOx được hình thành ở nhiệt độ cao khi nitơ trong không khí phản ứng với oxy. Trong khi đó, PM là kết quả của quá trình cháy không hoàn toàn, đặc biệt trong điều kiện hỗn hợp nhiên liệu-không khí không đồng nhất. Nghiên cứu đã phân tích chi tiết cơ chế hình thành các chất này để đề xuất giải pháp hiệu quả.

3.2. Giải pháp giảm phát thải

Các giải pháp được đề xuất bao gồm sử dụng công nghệ giảm phát thải như bộ lọc hạt (DPF) và hệ thống xử lý khí thải (SCR). Ngoài ra, việc tối ưu hóa quá trình cháy và sử dụng nhiên liệu sạch cũng góp phần giảm thiểu phát thải. Kết quả nghiên cứu cho thấy, những giải pháp này mang lại hiệu quả cao trong việc giảm ô nhiễm không khí.

IV. Ứng dụng thực tiễn và ý nghĩa khoa học

Nghiên cứu không chỉ mang lại giá trị khoa học mà còn có ứng dụng thực tiễn cao trong ngành công nghiệp ô tô và vận tải. Các giải pháp được đề xuất có thể áp dụng trực tiếp vào việc cải tiến động cơ diesel hiện có, giúp giảm thiểu phát thải và nâng cao hiệu suất. Đồng thời, nghiên cứu cũng mở ra hướng đi mới trong việc phát triển các công nghệ động cơ thân thiện với môi trường.

4.1. Giá trị khoa học

Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm vững chắc cho việc cải tiến động cơ diesel. Các kết quả thu được không chỉ giúp hiểu rõ hơn về quá trình cháy và phát thải mà còn đề xuất các giải pháp hiệu quả để giảm thiểu tác động đến môi trường.

4.2. Ứng dụng thực tiễn

Các giải pháp được đề xuất có thể áp dụng trực tiếp vào việc cải tiến động cơ diesel trong các phương tiện vận tải và công nghiệp. Điều này không chỉ giúp đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt mà còn góp phần bảo vệ môi trường và nâng cao hiệu quả kinh tế.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Động cơ diesel là nguồn phát thải chính các chất ô nhiễm như NOx (oxit nitơ) và PM (bụi mịn), góp phần làm gia tăng ô nhiễm không khí và ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người cũng như môi trường. Theo báo cáo của ngành, phát thải NOx và PM từ động cơ diesel truyền thống chiếm tỷ lệ lớn trong tổng lượng khí thải giao thông vận tải, đặc biệt tại các đô thị lớn như Thành phố Hồ Chí Minh. Nghiên cứu này tập trung vào cải thiện quá trình cháy của động cơ diesel ở nhiệt độ thấp nhằm giảm phát thải NOx và PM, đồng thời duy trì hiệu suất và tính kinh tế kỹ thuật của động cơ.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là: (1) tổng quan các phát thải từ động cơ diesel và các giải pháp cải thiện quá trình cháy để giảm NOx và PM; (2) xây dựng giải pháp chuyển đổi động cơ diesel truyền thống sang chế độ cháy nhiệt độ thấp có kiểm soát; (3) đánh giá đặc tính công suất và phát thải của động cơ khi hoạt động ở chế độ này. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào động cơ diesel tàu thủy 4 kỳ cỡ nhỏ, công suất từ 50 đến 150 mã lực, thử nghiệm trên băng thử động lực tại Việt Nam trong giai đoạn 2019-2020.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp giải pháp kỹ thuật giúp giảm phát thải ô nhiễm NOx và PM, góp phần bảo vệ môi trường và đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải hiện hành. Đồng thời, nghiên cứu hỗ trợ nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm tiêu hao năng lượng, phù hợp với xu hướng phát triển bền vững trong ngành giao thông vận tải.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

• Lý thuyết phát thải NOx và PM trong động cơ diesel: Phân tích cơ chế hình thành NOx qua phản ứng oxi hóa nitơ trong điều kiện nhiệt độ cao và sự tạo thành PM từ các hydrocarbon nặng và muội than trong quá trình cháy khuếch tán. Các phản ứng hóa học chính bao gồm sự tạo NO từ N2 và O2, cũng như sự hình thành muội than từ các hydrocarbon thơm và quá trình nhiệt phân nhiên liệu.

• Mô hình cháy nhiệt độ thấp (LTC - Low Temperature Combustion): Bao gồm các chế độ cháy như PPCI (Partially Premixed Compression Ignition) và HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition), trong đó nhiên liệu được hòa trộn một phần hoặc hoàn toàn trước khi cháy nhằm giảm nhiệt độ đỉnh và phát thải NOx, PM. Mô hình này nhấn mạnh vai trò của phun nhiên liệu đa giai đoạn và tuần hoàn khí thải (EGR) để kiểm soát quá trình cháy.

• Khái niệm về tỷ lệ tương đương (φ) và bản đồ nhiệt độ-tỷ lệ tương đương (φ-T): Dùng để dự đoán vùng hình thành muội than và NOx trong buồng đốt, từ đó điều chỉnh quá trình cháy để giảm phát thải.

Các khái niệm chính bao gồm: phát thải NOx, phát thải PM, quá trình cháy nhiệt độ thấp, phun nhiên liệu đa giai đoạn, tuần hoàn khí thải (EGR), và tỷ lệ tương đương nhiên liệu-không khí.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp phân tích dữ liệu:

• Nguồn dữ liệu: Thu thập từ thử nghiệm trên động cơ diesel tàu thủy 4 kỳ cỡ nhỏ (50-150 mã lực) tại phòng thí nghiệm băng thử động lực. Dữ liệu bao gồm đặc tính công suất, suất tiêu hao nhiên liệu, nồng độ phát thải NOx, PM, CO, HC ở các chế độ vận hành khác nhau.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng phân tích thống kê mô tả và so sánh các thông số kỹ thuật giữa động cơ truyền thống và động cơ chuyển đổi sang chế độ cháy nhiệt độ thấp. Phân tích ảnh hưởng của các tham số như thời gian phun nhiên liệu, tỷ lệ EGR, áp suất phun đến hiệu suất và phát thải.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ đầu năm 2019 đến giữa năm 2020, bao gồm giai đoạn khảo sát tài liệu, thiết kế thử nghiệm, tiến hành thử nghiệm và phân tích kết quả.

Cỡ mẫu thử nghiệm gồm nhiều lần chạy động cơ với các điều kiện vận hành khác nhau để đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả. Phương pháp chọn mẫu dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật và điều kiện vận hành thực tế của động cơ tàu thủy cỡ nhỏ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Giảm phát thải NOx đáng kể: Khi áp dụng chế độ cháy nhiệt độ thấp với phun nhiên liệu đa giai đoạn và tăng tỷ lệ tuần hoàn khí thải (EGR lên đến 50%), nồng độ NOx giảm khoảng 40-60% so với động cơ diesel truyền thống. Điều này được hỗ trợ bởi số liệu đo nồng độ NOx trung bình giảm từ khoảng 800 ppm xuống còn 320-480 ppm ở tải 100%.

2. Giảm phát thải PM hiệu quả: Phương pháp phun nhiên liệu sớm kết hợp phun bổ sung giúp cải thiện sự hòa trộn nhiên liệu-không khí, làm giảm lượng muội than và PM trong khí thải khoảng 30-45%. Số liệu thực nghiệm cho thấy nồng độ PM giảm từ khoảng 0.12 g/kWh xuống còn 0.07-0.08 g/kWh.

3. Duy trì hiệu suất công suất và tiêu hao nhiên liệu: Động cơ chuyển đổi sang chế độ cháy nhiệt độ thấp vẫn giữ được công suất gần tương đương (giảm dưới 5%) và suất tiêu hao nhiên liệu chỉ tăng nhẹ khoảng 3-5%, đảm bảo tính kinh tế kỹ thuật trong vận hành.

4. Ảnh hưởng của thời gian phun nhiên liệu: Thời gian phun sớm hơn 2-3 ms so với động cơ truyền thống giúp kéo dài khoảng trễ bắt lửa, tạo điều kiện hòa trộn nhiên liệu tốt hơn, giảm phát thải NOx và PM. Tuy nhiên, phun quá sớm có thể làm tăng phát thải HC và CO do cháy không hoàn toàn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm phát thải NOx và PM là do quá trình cháy diễn ra ở nhiệt độ thấp hơn, nhờ vào việc tăng tỷ lệ EGR và điều chỉnh thời gian phun nhiên liệu, làm giảm nhiệt độ đỉnh trong buồng đốt. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trên thế giới về công nghệ LTC và PPCI, cho thấy khả năng ứng dụng thực tiễn trong động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ.

So sánh với các nghiên cứu khác, mức giảm NOx và PM đạt được trong nghiên cứu này tương đương hoặc cao hơn nhờ vào việc kết hợp phun nhiên liệu đa giai đoạn và kiểm soát chính xác thời gian phun. Việc duy trì hiệu suất công suất và tiêu hao nhiên liệu ở mức chấp nhận được là điểm mạnh của giải pháp này, khắc phục nhược điểm thường thấy của các công nghệ giảm phát thải khác.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh nồng độ NOx và PM giữa các chế độ vận hành, cũng như bảng tổng hợp đặc tính công suất và tiêu hao nhiên liệu để minh họa hiệu quả của giải pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai hệ thống phun nhiên liệu đa giai đoạn: Cần áp dụng công nghệ phun chính nhiều giai đoạn kết hợp phun bổ sung nhằm tối ưu hóa quá trình hòa trộn nhiên liệu-không khí, giảm phát thải NOx và PM. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng. Chủ thể thực hiện: các nhà sản xuất động cơ và trung tâm nghiên cứu kỹ thuật.

2. Tăng cường tuần hoàn khí thải (EGR) làm mát: Nâng cao tỷ lệ EGR đến khoảng 40-50% với hệ thống làm mát khí tuần hoàn để giảm nhiệt độ cháy, đồng thời đảm bảo không ảnh hưởng đến công suất động cơ. Thời gian thực hiện: 6 tháng. Chủ thể: các đơn vị bảo trì và vận hành động cơ.

3. Điều chỉnh thời gian phun nhiên liệu hợp lý: Thiết lập các thông số phun sớm hơn 2-3 ms so với động cơ truyền thống để kéo dài khoảng trễ bắt lửa, giúp giảm phát thải mà không làm tăng tiêu hao nhiên liệu quá mức. Thời gian thực hiện: 3-6 tháng. Chủ thể: kỹ sư vận hành và bảo dưỡng.

4. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho kỹ thuật viên: Tổ chức các khóa đào tạo về công nghệ cháy nhiệt độ thấp và kỹ thuật vận hành động cơ để đảm bảo vận hành hiệu quả và bền vững. Thời gian thực hiện: liên tục. Chủ thể: các trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư cơ khí động lực: Để hiểu sâu về cơ chế cháy nhiệt độ thấp, phát thải NOx và PM, từ đó phát triển các giải pháp kỹ thuật mới cho động cơ diesel.

2. Doanh nghiệp sản xuất và bảo trì động cơ diesel: Áp dụng các giải pháp cải tiến kỹ thuật nhằm nâng cao hiệu suất và giảm phát thải, đáp ứng tiêu chuẩn môi trường ngày càng nghiêm ngặt.

3. Cơ quan quản lý môi trường và giao thông vận tải: Sử dụng kết quả nghiên cứu làm cơ sở khoa học để xây dựng chính sách, quy chuẩn kỹ thuật về khí thải động cơ diesel.

4. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành kỹ thuật cơ khí động lực: Tham khảo để nâng cao kiến thức chuyên môn, phục vụ nghiên cứu và phát triển công nghệ động cơ sạch.

Câu hỏi thường gặp

1. Chế độ cháy nhiệt độ thấp (LTC) là gì?
   LTC là phương pháp điều khiển quá trình cháy trong động cơ diesel nhằm giảm nhiệt độ đỉnh trong buồng đốt, từ đó giảm phát thải NOx và PM. Ví dụ, chế độ PPCI sử dụng phun nhiên liệu đa giai đoạn và tuần hoàn khí thải để đạt được điều này.

2. Tại sao tăng tỷ lệ tuần hoàn khí thải (EGR) lại giúp giảm NOx?
   EGR làm giảm nhiệt độ cháy bằng cách đưa khí thải đã qua đốt cháy trở lại buồng đốt, làm giảm lượng oxy và nhiệt độ đỉnh, từ đó hạn chế sự hình thành NOx. Thực tế, tỷ lệ EGR khoảng 40-50% được chứng minh giảm NOx đến 60%.

3. Phun nhiên liệu đa giai đoạn có tác dụng gì?
   Phun nhiên liệu đa giai đoạn giúp cải thiện sự hòa trộn nhiên liệu-không khí, kéo dài khoảng trễ bắt lửa, giảm phát thải muội than và NOx. Ví dụ, phun bổ sung sau phun chính giúp đốt cháy nhiên liệu hiệu quả hơn.

4. Giải pháp này có ảnh hưởng đến công suất động cơ không?
   Kết quả nghiên cứu cho thấy công suất động cơ giảm dưới 5% và suất tiêu hao nhiên liệu chỉ tăng nhẹ 3-5%, đảm bảo tính kinh tế kỹ thuật và vận hành ổn định.

5. Có thể áp dụng giải pháp này cho các loại động cơ diesel khác không?
   Giải pháp có thể được điều chỉnh và áp dụng cho nhiều loại động cơ diesel, đặc biệt là động cơ tàu thủy cỡ nhỏ và trung bình, giúp giảm phát thải và nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu.

Kết luận

• Nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả của việc cải thiện quá trình cháy nhiệt độ thấp trong động cơ diesel nhằm giảm phát thải NOx và PM đáng kể.
• Giải pháp phun nhiên liệu đa giai đoạn kết hợp với tuần hoàn khí thải (EGR) làm mát là phương pháp khả thi và hiệu quả.
• Động cơ chuyển đổi giữ được công suất và tiêu hao nhiên liệu ở mức chấp nhận được, phù hợp với yêu cầu vận hành thực tế.
• Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao cơ sở khoa học và thực tiễn cho phát triển động cơ diesel sạch tại Việt Nam.
• Đề xuất triển khai áp dụng giải pháp trong vòng 6-12 tháng, đồng thời đào tạo kỹ thuật viên để đảm bảo vận hành hiệu quả.

Hành động tiếp theo là phối hợp với các đơn vị sản xuất và vận hành động cơ để thử nghiệm mở rộng và hoàn thiện công nghệ, đồng thời cập nhật các tiêu chuẩn khí thải phù hợp. Đề nghị các nhà quản lý và doanh nghiệp quan tâm nghiên cứu và ứng dụng để góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững ngành giao thông vận tải.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tổng quan về phát thải của động cơ diesel truyền thống Các parafin hydro-cácbon thường bị phản ứng cháy qua một quá trình bao gồm các olefin làm trung gian, thông thường là ethylen, tiếp sau là aldehyt hoặc các gốc tạo ô xy, và các ô xít các bon (CO), thường chuyển đổi sang CO2 thông qua các gốc OH [1]. Đối với các hydro-các bon thơm (aromatic), sự hình thành của CO tương đối sớm trong sơ đồ phản ứng hóa học ngược lại so với các parafin, mà thông thường chỉ hình thành ở giai đoạn cuối. Gốc butadien được biết như là một nhân tố tham gia quan trọng trong quá trình ô xy hóa các hydro-các bon thơm.

Quá trình xảy ra với một số lượng lớn các phản ứng hóa học để tạo các thành phần như: vinyl acetylen, butadien và acetylen. Các thành phần này là các chất trung gian quan trọng để tạo muội. Do đó, có thể nhận thấy rằng, thành phần hydro-các bon thơm càng cao trong nhiên liệu diesel, khi cháy sẽ tạo ra nhiều hơn các phát thải độc hại trong khí thải [2]. Đối với động cơ Diesel thuỷ: hỗn hợp cháy nhiên liệu - không khí được hình thành nhờ phun nhiên liệu vào điều kiện nhiệt độ và áp suất không khí cao trong buồng đốt động cơ.

Như chúng ta đã biết, nhiên liệu bao gồm các hydro-các bon sau khi cháy thì các sản phẩm cháy sẽ là nước và CO2. Tuy nhiên, do nhiên liệu không chỉ đơn thuần là các-bon và hydro, mà còn một số các chất khác nữa như lưu huỳnh, vanadi. và không phải lúc nào nhiên liệu cũng cháy hoàn toàn, nên thành phần khí thải sẽ bao gồm cả NOx, SOx, HC, CO. Chính những thành phần ngoài nước và đi ô xít các bon như nêu trên thải ra môi trường sẽ là nguyên nhân gây hiệu ứng nhà kính, mưa a xít, hay nói cách khác là làm ô nhiễm môi trường không khí của trái đất [3].

Tuy nhiên, bảo vệ môi trường và tăng trưởng kinh tế luôn là hai mục tiêu đối lập nhau, vậy nên vẫn phải thực hiện nhiệm vụ phát triển kinh tế song song với bảo vệ môi trường. Để có thể làm được như vậy, nhất thiết phải hiểu được cơ chế hình thành phát thải khi nhiên liệu cháy trong động cơ diesel một cách chi tiết. Phát thải SOx Khí SOx tạo ra sau quá trình cháy có nguồn gốc chủ yếu từ lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu, hàm lượng phụ thuộc vào đặc tính của mỏ dầu và các phương pháp chưng cất [4]. Khí SOx bao gồm 06 hợp chất khác nhau bao gồm: SO (lưu huỳnh monoxit), SO2 (lưu huỳnh đioxit), SO3 (lưu huỳnh trioxit), S2O3 (lưu huỳnh seskioxit), S2O7 (lưu huỳnh heptoxic), tuy nhiên, SO2, SO3 là 02 khí chiếm tỷ lệ nhiều hơn cả với các thông số đặc trưng và thường được chọn đại diện cho họ Sox [2].

Khí SO2 có ảnh hưởng rất xấu tới quá trình hô hấp và hệ tuần hoàn máu trong cơ thể người. Khí SO2 còn gây mờ mắt và giảm thị lực. Quá trình cháy nhiên liệu trong động cơ Diesel, dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, lưu huỳnh tác dụng với oxy tạo thành SOx theo các phản ứng. Phát thải CO2 Khí CO2 có trong không khí một cách tự nhiên và cũng được hình thành khi đốt cháy nhiên liệu.

Theo lý thuyết, nhiên liệu bị đốt cháy sẽ tạo thành khí CO 2 và hơi nước. Đối với nhiên liệu thông thường, tỷ lệ tương đối giữa các bon và hydro là 1:1,75 [5]. Khí CO2 phát thải từ đốt cháy nhiên liệu cùng với hơi nước (H2O) cho phép nhiệt mặt trời đến được trái đất, tuy nhiên, nó cũng hấp thụ bức xạ nhiệt và truyền lại trái đất. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng nhà kính.

Hiệu ứng nhà kính làm trái đất nóng dần lên. Nếu lượng CO2 quá lớn sẽ gây ra biến đổi khí hậu và gây hậu quả xấu cho con người. Để làm giảm sự phát thải CO2 có thể thực hiện được thông qua việc giảm hàm lượng các bon trên một đơn vị năng lượng, hay nói cách khác là phải làm tăng hiệu suất nhiên liệu cháy trong động cơ. Phát thải CO Khí CO là một loại khí độc hại, khí này được hình thành khi nhiên liệu cháy không hoàn toàn.

Hàm lượng khí CO trong khí thải phụ thuộc vào tỷ số tương đối giữa lượng không khí - nhiên liệu thực tế và lượng không khí - nhiên liệu lý thuyết. 2 Trên thực tế, lượng CO trong khí thải động cơ diesel không nhiều và có thể giải quyết vấn đề này thông qua tăng lượng không khí vào động cơ [6]. Cacbon monoxit, công thức hóa học là CO, là một chất khí không màu, không mùi, bắt cháy và có độc tính cao. Nó là sản phẩm chính trong sự cháy không hoàn toàn của cacbon và các hợp chất chứa cacbon.

Khí thải của động cơ đốt trong sau khi đốt các nhiên liệu gốc cacbon (gần như là bất kỳ nguồn nhiên liệu nào, ngoại trừ hydro nguyên chất) đều có chứa CO, đặc biệt với nồng độ cao khi nhiệt độ cháy quá thấp để có thể thực hiện việc ôxi hóa trọn vẹn các hydrocacbon trong nhiên liệu thành nước (dạng hơi) và cacbon dioxit, hoặc thời gian tồn tại trong buồng đốt quá ngắn và không đủ lượng oxy cần thiết [7]. Cơ chế hình thành CO trong quá trình cháy của động cơ diesel được chỉ ra như sau: (3) Thông thường, việc thiết kế và vận hành buồng đốt sao cho có thể giảm lượng CO là khó khăn hơn rất nhiều so với việc thiết kế để làm giảm lượng hydrocacbon chưa cháy hết. Tuy nhiên, CO lại có thể chuyển hóa khá dễ thành CO 2 khi phản ứng với Oxy trong khí xả: 2CO + O2 → 2CO2 (4) Khi ra khỏi động cơ, thông qua các quá trình tự nhiên trong khí quyển, CO cũng sẽ bị ôxi hóa thành cacbon dioxit. Nồng độ cacbon monoxit bị biến đổi trong không gian cũng như là tồn tại rất ngắn hạn trong khí quyển theo phản ứng: 5CO + O3 → 4CO2 + C (5) Khí CO là một loại khí độc hại, khí này được hình thành khi nhiên liệu cháy không sạch (thiếu ô xy).

Vậy nên, hàm lượng khí CO trong khí thải phụ thuộc vào tỷ số tương đối giữa lượng không khí-nhiên liệu thực tế và lượng không khí - nhiên liệu lý thuyết. Trên thực tế, lượng CO trong khí thải động cơ diesel không nhiều và có thể giải quyết vấn đề này thông qua tăng lượng không khí vào động cơ [8]. Phát thải HC Phát thải hydro - các bon (HC) bao gồm nhiên liệu không cháy hoặc chỉ cháy một phần. Thành phần của các hydro-các bon không cháy hết có thể ở dạng khí hoặc ở dạng rắn tồn tại dưới các hạt trong khí thải.

Cơ chế hình thành các hydro - các bon không cháy ở động cơ diesel khác so với ở động cơ đánh lửa cưỡng bức [9]. Với động cơ đánh lửa cưỡng bức, sự hòa trộn nhiên liệu với không khí được thực hiện gần như đồng nhất và hydro - các bon không cháy được do chúng bị giấu kín ở nơi nào đó mà ngọn lửa không tiếp cận được. Những nơi này, trên thực tế thường là hốc giữa thành piston, thành vách xilanh và xéc măng thứ nhất của động cơ; trong khi ở động cơ diesel, nơi này chỉ có không khí nén mà thôi. Cơ chế hình thành các hydro - các bon không cháy như sau: Thứ nhất: Hỗn hợp nhiên liệu - không khí có thể quá giàu hoặc quá nghèo nhiên liệu được hình thành trước khi tự cháy xảy ra.

Do hỗn hợp nhiên liệu - không khí có thể quá giàu (over-mixed) hoặc quá nghèo (over - lean) nhiên liệu được hình thành trước khi tự cháy xảy ra. Ở động cơ diesel, nhiên liệu được phun vào không khí nóng được nén dưới áp suất cao khi piston chuyển động đến gần điểm chết trên. Sau thời gian cháy trễ (tại thời điểm này, xảy ra hòa trộn giữa nhiên liệu và không khí và nhiên liệu được hâm nóng bởi không khí nóng), các phản ứng hóa học cháy xảy ra và chỉ những vùng có hỗn hợp không khí - nhiên liệu nằm trong giới hạn cháy là có thể cháy được; nhiên liệu mới được phun vào thuộc loại hỗn hợp cháy quá giàu, nên phải đợi đến khi tạo được hỗn hợp cháy hợp lý sẽ tiếp tục cháy [10]. Trong khi đó, một số nhiên liệu được phun vào động cơ trước khi sự cháy xảy ra (ignition) đã trộn với lượng không khí rất lớn và trở nên hỗn hợp quá nghèo để có thể cháy được; hỗn hợp này tiếp tục thực hiện trộn nữa cũng không đảo ngược được điều kiện này.

Tiếp theo, các phản ứng hóa học nhiệt thấp có thể xảy ra, nhưng xảy ra rất chậm nên không thể đốt cháy hết lượng nhiên liệu này trong thời gian cho phép [11]. Nhiên liệu được phun vào sau thời điểm cháy sẽ không xảy ra hiện tượng trộn với quá nhiều không khí (over-mixed), bởi nó chỉ tạo được hỗn hợp cháy trong giới hạn cho phép và sau đó cháy luôn. Như vậy, lượng nhiên liệu phun vào buồng 4 đốt động cơ trong giai đoạn cháy trễ sẽ tạo hỗn hợp cháy quá giàu hoặc quá nghèo đã không tham gia quá trình cháy chủ yếu và là nguồn tạo nên các hydro - các bon không cháy trong buồng đốt động cơ diesel [12]. Thứ hai: Tạo các hydro - các bon không cháy.

Nhiên liệu phun vào động cơ ở giai đoạn gần cuối quá trình cháy. Khi nhiên liệu được phun vào động cơ, tốc độ hòa trộn với không khí phụ thuộc vào tốc độ chuyển động tương đối của chúng. Sau khi phun kết thúc, phun nhiên liệu lần hai có thể xảy ra hoặc một lượng nhỏ nhiên liệu tồn tại do phun rớt vào buồng đốt. Nhiên liệu phun rớt này sẽ bốc hơi chậm và bằng cách nào đi nữa, thì nhiên liệu được phun vào buồng đốt ở giai đoạn này với tốc độ thấp, trong khi nhiệt độ trong buồng đốt giảm rất nhanh.

Như vậy nhiên liệu sẽ không hòa trộn hiệu quả với không khí và hậu quả là nhiên liệu này sẽ không cháy hoặc chỉ cháy một phần. Đây chính là nguyên nhân tạo nên các hydro-các bon không cháy hết trong khí xả động cơ diesel. Một nguồn nữa cũng là nguyên nhân tạo HC không cháy hết, đó chính là hiện tượng vách xilanh bị nguội và không xảy ra tự cháy (misfire). Tuy nhiên hiện tượng không tự cháy ít khi xảy ra đối với động cơ diesel.

Thường xuyên xảy ra hơn đó là nhiên liệu phun chạm vào vách xilanh, khi đó sự hòa trộn giữa nhiên liệu và không khí rất kém và hỗn hợp cháy bị chậm do vậy một lượng HC sẽ không cháy hết 1.