Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu sinh học trong hỗn hợp diesel- Ethanol-biodiesel tới tính năng kỹ thuật và phát thải động cơ diesel

 thuộc vào mật độ nhiên 
liệu trƣớc khi tia nhiên liệu bị phân rã, còn sau khi tia nhiên liệu phân rã chiều dài 
tia phun phụ thuộc chủ yếu vào mật độ không khí trong xylanh và độ chênh áp suất 
của tia phun và không khí nén. Động thời, tia phun diesel có góc nón lớn hơn hỗn 
hợp nhiên liệu ngay khi phun nhƣng sau đó cũng không chênh lệch nhiều so với 
nhiên liệu hỗn hợp. Do vậy có thể thấy, hỗn hợp nhiên liệu không ảnh hƣởng nhiều 
tới cấu trúc chùm tia phun. 
 a) Chiều dài tia phun b) Góc nón tia phun 
 Hình 2.14. Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn diesel-ethanol-biodiesel đến đặc tính phun 
 [62] 
2.4. Cơ sở lý thuyết mô phỏng trên phần mềm AVL Boost 
 Luận án sử dụng phần mềm AVL Boost trong tính toán mô phỏng động cơ 
diesel khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp. AVL Boost là phần mềm chuyên dụng tính 
toán các quá trình nhiệt động và hình thành phát thải trong động cơ đốt trong. Dƣới 
đây là cơ sở lý thuyết tính toán trong phần mềm AVL Boost. 
2.4.1. Phương trình nhiệt động học 
 Trạng thái nhiệt động học của môi chất công tác trong xylanh động cơ đƣợc 
xác định trên cơ sở cân bằng năng lƣợng trong xylanh động cơ (Hình 2.19) [63]. 
 44 
 Hình 2.15. Cân bằng năng lượng trong xylanh động cơ 
Áp dụng phƣơng trình nhiệt động học thứ nhất, ta có: 
 d(m .u) dV dQ dQ dm dm dm dm
 c -p . F - ∑ w - h . BB ∑ i .h ∑ e .h - q .f. ev (2.10) 
 dα c dα dα dα BB dα dα i dα e ev dt
Biến thiên về khối lƣợng môi chất trong xylanh đƣợc tính bằng tổng khối lƣợng môi 
chất đi vào trừ khối lƣợng đi ra khỏi xylanh 
 dm dm dm dm dm
 c i e BB ev (2.11) 
 dα  d  d d dt
Trong các công thức trên: 
 d m .u 
 c : biến đổi nội năng trong xylanh (J/độ) 
 dα
 dV
 p . : công sinh ra trên đỉnh piston (J/độ) 
 c dα
 dQ
 F : nhiệt lƣợng cấp vào xylanh (J/độ) 
 dα
 dQ
 w : tổn thất nhiệt qua thành vách (J/độ) 
  d 
 dm
 h . mm : tổn thất enthalpy do quá trình lọt khí (J/độ) 
 BB dα
 mc : khối lƣợng môi chất bên trong xylanh (kg) 
u: nội năng riêng (J/kg) 
 pc : áp suất bên trong xylanh (bar) 
V: thể tích xylanh (m3) 
 QF : nhiệt lƣợng của nhiên liệu cung cấp (J) 
 45 
 f : phần nhiệt hóa hơi của môi chất trong xylanh (J) 
 Qw : tổn thất nhiệt qua vách (J) 
 : góc quay trục khuỷu (độ) 
 dmi : lƣợng khí đi vào xylanh (kg) 
 dme : lƣợng khí đi ra khỏi xylanh (kg) 
 hi : entanpy của môi chất khí đi vào xylanh (J/kg) 
 he : entanpy của môi chất khí đi ra khỏi xylanh (J/kg) 
 hBB : trị số enthalpy khí lọt (J/kg) 
 qev : nhiệt hóa hơi của nhiên liệu (J) 
dmev: lƣợng nhiên liệu bay hơi (kg) 
 dm
 B : biến thiên khối lƣợng dòng chảy khí lọt (kg/độ). 
 d 
 Phƣơng trình 2.10 đƣợc áp dụng cho cả động cơ hình thành hỗn hợp bên trong 
và hỗn hợp bên ngoài. Tuy nhiên sự thay đổi thành phần hỗn hợp của hai trƣờng 
hợp trên là khác nhau. Đối với trƣờng hợp quá trình hình thành hỗn hợp bên trong 
xylanh thì có giả thiết: 
 - Nhiên liệu cấp vào trong xylanh đƣợc đốt cháy tức thì; 
 - Hỗn hợp cháy đƣợc hoà trộn tức thì với lƣợng khí sót trong xylanh; 
 - Tỷ lệ A/F giảm liên tục từ giá trị cao ở điểm bắt đầu tới giá trị thấp ở điểm 
 kết thúc quá trình cháy. 
 Cùng với phƣơng trình trạng thái thiết lập quan hệ giữa áp suất, nhiệt độ và tỷ 
trọng: 
 1
 p .m .R .T (2.12) 
 c V c c c
 Giải phƣơng trình 2.13 xác định đƣợc áp suất thông qua phƣơng trình trạng 
thái. 
2.4.2. Lý thuyết tính toán quá trình cháy 
 Để mô tả quá trình cháy trong động cơ diesel có nhiều mô hình khác nhau. 
Hãng AVL đã phát triển mô hình cháy AVL MCC tính toán quy luật cháy trên cơ 
sở kết hợp mô hình cháy Vibe và mô hình cháy xét đến năng lƣợng động học rối 
của tia nhiên liệu. 
 Quá trình cháy trong động cơ diesel gồm 4 giai đoạn: cháy trễ, cháy nhanh, 
cháy chính và cháy rớt (Hình 2.7). Tuy nhiên nhiệt lƣợng do nhiên liệu cháy tỏa ra 
chủ yếu ở giai đoạn cháy nhanh và cháy chính, còn giai đoạn cháy rớt hầu nhƣ 
không có sự tỏa nhiệt và giai đoạn cháy rớt tốc tỏa nhiệt rất thấp, nhiệt này không 
sinh công mà chỉ làm nóng các chi tiết. Do vậy quá trình cháy có thể đƣợc mô tả 
nhƣ sau: 
 46 
 dQ dQ dQ
 total MCC PMC
 d d d (2.13) 
 trong đó: dQtotal/d : biến thiên nhiệt lƣợng tổng trong xylanh, dQPMC/d : biến 
thiên nhiệt lƣợng trong giai đoạn cháy nhanh, dQMCC/d : biến thiên nhiệt lƣợng 
trong giai đoạn cháy chính. 
 Giai đoạn này diễn ra ngay sau cháy trễ, phần hòa khí đƣợc chuẩn bị trong giai 
đoạn trƣớc bốc cháy rất nhanh làm cho áp suất và nhiệt độ trong xylanh tăng vọt. 
Tốc độ tỏa nhiệt rất lớn trong khi thể tích xylanh thay đổi ít nên giai đoạn cháy 
nhanh gần với cấp nhiệt đẳng tích. Tốc độ tỏa nhiệt của giai đoạn này đƣợc tính 
toán theo công thức Vibe: 
 dQPMC
 QPMC a m a. y(m 1) id
 .(m 1). y . e với y (2.14) 
 d c c
 trong đó: 
 QPMC : tổng lƣợng nhiệt trong giai đoạn cháy nhanh: mCfuel, id. PMC ; 
 mfuel, id : lƣợng nhiên liệu phun vào trong giai đoạn cháy trễ; 
 CPMC : hệ số cháy (-); 
 c : tổng thời gian cháy nhanh; 
 m : thông số hình dạng (m=2); 
 a: thông số Vibe (a=6,9). 
 - Giai đoạn cháy chính 
 Giai đoạn này diễn ra tiếp sau giai đoạn cháy nhanh, hòa khí vừa chuẩn bị vừa 
cháy nên quá trình cháy diễn ra từ từ theo dạng khuếch tán. Tốc độ cháy đƣợc quyết 
định bởi tốc độ hòa trộn nhiên liệu và không khí hay tốc độ chuẩn bị hòa khí, vì vậy 
quá trình cháy diễn ra êm dịu hơn. Giai đoạn này gần giống với quá trình cấp nhiệt 
đẳng áp, tốc độ cháy giảm do nồng độ oxy giảm dần. Nhƣ vậy, tuy quá trình này 
diễn ra êm nhƣng hiệu quả biến đổi nhiệt thành công không cao (tính kinh tế giảm). 
Trong thực tế, khoảng 50÷60% lƣợng nhiên liệu của chu trình cháy trong giai đoạn 
này 
 Tốc độ tỏa nhiệt trong giai đoạn này đƣợc tính toán theo (2.15): 
 k
 Crate .
 Q 3 V
 với: f( M , Q ) ( M ).(w )CEGR và f(,) k V e 
 1,F FLVC Oxygen available 2
 trong đó: 
 QMCC : lƣợng nhiệt tích lũy trong giai đoạn MCC (kJ); 
 Ccomb : hằng số cháy (kJ/kg/độ ); 
 Crate : hằng số tốc độ hòa trộn (s); 
 47 
 2 2
 k: mật độ năng lƣợng động học rối (m /s ); 
 MF : khối lƣợng nhiên liệu phun (kg); 
 LVC: nhiệt trị thấp (kJ/kg); 
 V: thể tích xylanh tức thời (m3); 
 α: góc quay trục khuỷu ( độ); 
 wOxygen, available : khối lƣợng oxy có sẵn tại thời điểm bắt đầu phun (-); 
 CEGR : hệ số luân hồi khí thải (-). 
 Hàm số f1 phụ thuộc vào lƣợng nhiên liệu phun vào và lƣợng nhiên liệu đã 
cháy, hàm số f2 đánh giá sự hòa trộn của không khí - nhiên liệu trong giai đoạn này 
nên chịu ảnh hƣởng lớn bởi năng lƣợng động học. 
 Năng lƣợng động học sinh ra bởi: xoáy, lốc và tia phun mà phần lớn sinh ra 
bởi tia phun. Năng lƣợng động học của tia phun gồm: năng lƣợng rối động học và 
năng lƣợng tiêu hao. Năng lƣợng rối động học là phần năng lƣợng có ích giúp cho 
sự hòa trộn không khí – nhiên liệu tốt hơn. Năng lƣợng tiêu hao là phần bị mất đi do 
có sự trao đổi năng lƣợng của bề mặt hạt nhiên liệu với không khí bao phủ quanh 
nó. 
 Tổng năng lƣợng động học sinh ra bởi tia phun đƣợc tính toán theo: 
 dE dE dE
 u idi ss (2.16) 
 d d d 
 trong đó: 
 Eu : Năng lƣợng động học rối sinh ra bởi tia phun tại một thời điểm góc quay 
trục khuỷu α; 
 Ediss: năng lƣợng động học tiêu hao; 
 Ei : Năng lƣợng động học tổng. 
 1
 dE C... dm v2 (2.17) 
 i turb2 f
 hay 
 3
 dE n 1 dm (2.18) 
 i C .18. .( )2 f 
 tu rb f 
 d Cd A n f d 
 trong đó: 
 dE
 i : năng lƣợng động học của tia nhiên liệu khi phun vào xylanh (J/độ); 
 d 
 Cturb : hằng số đặc trƣng cho năng lƣợng rối động học của tia phun; 
 n : tốc độ động cơ; 
 f : khối lƣợng riêng của nhiên liệu; 
 48 
 Cd : hệ số dòng chảy; 
 An : diện tích tiết diện lỗ phun; 
 1 dm
 f : Lƣợng nhiên liệu phun vào xylanh theo góc quay trục khuỷu. 
 f d
 Năng lƣợng động học tiêu hao: 
 dE C (2.19) 
 diss di ss .E 
 dn 6 u
 -1 
 với: Cdsis là hằng số tổn thất, Cdiss=0.01s
 Mật độ năng lƣợng động học rối k tính bằng: 
 Eu (2.20) 
 k 
 MF(1  Diff . AFR stoich )
 trong đó: 
 AFRstoich : tỉ số nhiên liệu/ không khí theo lý thuyết của động cơ diesel; 
 Diff : hệ số lamda cháy khuếch tán = 1,4; 
 M F : lƣợng nhiên liệu phun vào. 
 - Mô hình giai đoạn cháy trễ 
 Thời gian cháy trễ đƣợc tính toán dựa trên phƣơng trình sau 
 dIid TUB Tref
 (2.21) 
 d Qref
 trong đó: 
 Iid : tổng tích phân thời gian cháy trễ; 
 Tref : nhiệt độ tham chiếu, = 505 K; 
 TUB : nhiệt độ vùng chƣa cháy (K); 
 Qref : năng lƣợng hoạt động tham chiếu (J); 
  id : thời gian cháy trễ (s); 
 id : góc cháy trễ (độ); 
 soi : thời điểm bắt đầu phun (độ). 
 Khi tổng tích phân Iid = 1, nghĩa là khi năng lƣợng hoạt động của môi chất 
trong xylanh bằng với năng lƣợng cần thiết để hỗn hợp tự cháy, thì góc id đƣợc xác 
định và thời gian cháy trễ đƣợc tính theo công thức: 
  id = id - (2.22) 
 Các thông số đặc trƣng của giai đoạn cháy trễ là thời gian cháy trễ (s) hay góc 
cháy trễ (độ), phụ thuộc trƣớc hết vào thành phần và tính chất của nhiên liệu nhƣ trị 
số Xetan, độ nhớt Ngoài ra, thời gian cháy trễ còn chịu ảnh hƣởng của các yếu tố 
 49 
khác nhƣ nhiệt độ và áp suất trong xylanh tại thời điểm phun, độ phun tơi, mức độ 
chuyển động rối của môi chấtDo vậy thực tế khó khảo sát cháy trễ bằng tất cả các 
hệ số, các phƣơng trình liên quan trong quá trình tính toán mô phỏng vì quá phức 
tạp. Đơn giản hơn với các nhiên liệu khác nhau có thể thay đổi hệ số hiệu chỉnh thời 
gian cháy trễ, tham số cháy và hệ số cháy nhanh, tuy nhiên cần kết hợp với kết quả 
thực nghiệm để lựa chọn các hệ số này một cách hợp lý. Nói chung, các hệ số của 
các mô hình kể trên đều cần đƣợc hiệu chỉnh trên cơ sở các kết quả thực nghiệm. 
2.4.3. Lý thuyết tính toán truyền nhiệt 
 Quá trình truyền nhiệt từ trong buồng cháy qua thành xylanh, piston, nắp máy 
ra ngoài đƣợc tính toán dựa vào phƣơng trình truyền nhiệt sau. 
 Q A . . T T 
 wi i w c wi (2.23) 
Trong đó: 
 - Qwi: nhiệt lƣợng truyền cho thành xylanh, piston, nắp máy 
 - Ai: diện tích truyền nhiệt (thành xylanh, piston, nắp máy) 
 - w: hệ số trao đổi nhiệt 
 - Tc: nhiệt độ môi chất trong xylanh 
 - Twi: nhiệt độ thành xylanh, piston, nắp máy. 
 Mô hình tính toán xác định hệ số truyền nhiệt trong bài toán mô phỏng chu 
trình công tác của động cơ đƣợc sử dụng là mô hình Woschni 1978. Do mô hình 
Woschni 1978 sử dụng cho động cơ diesel cỡ nhỏ, phun trực tiếp, buồng cháy thống 
nhất. Hệ số truyền nhiệt của mô hình Woschni 1978 tính cho quá trình nén và cháy 
giãn nở theo phƣơng trình sau: 
 0,8
 V .T 
 0,2 0,8 0,53 D c,1 
 W 130.D .pc .Tc . C1.cm C2 . . pc pc,0 
 p .V (2.24) 
 c,1 c,1 (W/m2.K) 
 trong đó: 
 - C1 = 2.28 + 0.308 .cu/cm (-) 
 - C2 = 0.00324 đối với động cơ phun trực tiếp (-) 
 - C2 = 0.00622 đối với động cơ phun gián tiếp (-) 
 - D: đƣờng kính xylanh (m); cm: tốc độ trung bình của piston (m/s) 
 - cu: tốc độ tiếp tuyến; (cu = .D.nd/60, với nd - tốc độ xoáy của môi chất, nd 
= 8,5n) (m/s) 
 3
 - VD: thể tích công tác của 1 xylanh (m ); 
 - pc: áp suất môi chất trong xylanh (bar) 
 - pc,o: áp suất xylanh ở chế độ động cơ bị kéo (bar) 
 - Tc,1: nhiệt độ môi chất trong xylanh tại thời điểm đóng xupáp nạp (K) 
 - pc,1: áp suất môi chất trong xylanh tại thời điểm đóng xupáp nạp (K). 
 Truyền nhiệt tại cửa nạp, thải 
 50 
 Sự truyền nhiệt tại các cửa nạp thải trong quá trình trao đổi khí là khá lớn do 
hệ số truyền nhiệt và nhiệt độ trong vùng giữa xupáp và đế xupáp cao. Mô hình cho 
quá trình truyền nhiệt này nhƣ sau [64]. 
 A p 
 w  
 T T T .e m.cp T (2.25) 
 d u w w 
2.4.4. Lý thuyết tính toán lượng phát thải trong động cơ diesel 
2.4.4.1. Mô hình tính toán hàm lượng phát thải CO 
 Mô hình tính toán hàm lƣợng phát thải CO dựa trên hai phản ứng sau: 
 CO + OH = CO2 + H 
 CO2 + O = CO + O2 
 Tốc độ phản ứng: 
 T
 ()
 10 1102,0
 r1 6,76.10 . e . cCO . c OH 
 24055,0
 ()
 12 T
 r 2,51.10 . e . c . c 
 2 CO O2
 Nồng độ CO đƣợc tính toán theo công thức: 
 d[][] CO CO
 RR12 1 (2.26) 
 dt[] CO
 e
 Trong đó [CO]e là hàm lƣợng cân bằng của CO và các giá trị tốc độ R1, R2 cho 
bởi công thức: 
 R11 k[][] COee OH (2.27) 
 R22 k[][] COee OH (2.28) 
2.4.4.2. Mô hình tính toán hàm lượng phát thải NOx 
 Quá trình hình thành của chúng đƣợc thể hiện qua sáu phƣơng trình phản ứng 
theo cơ chế Zeldovich đƣợc trình bày trong Bảng 2.3 
Bảng 2.3. Chuỗi phản ứng hình thành NOx 
 TAi
 Phản ứng a T
 Tỉ lệ kii k0, .. T e 
 R1 N2+O= NO+N r1=k1.CN2.CO 
 R2 O2+N= NO+O r2=k2.CO2.CN 
 R3 N+OH= NO+H r3=k3.COH.CN 
 R4 N2O+O=NO+NO r4=k4.CN2O.CO 
 R5 O2+N2=N2O+O r5=k5.CO2.CN2 
 51 
 R6 OH+N2= N2O+H r6=k6.COH.CN2 
 Hệ số tốc độ của mô hình: 
 E
 k AT B exp( ) (2.29) 
 T
 Sự hình thành NOx đƣợc tính toán theo thông số nhập đầu vào nhƣ tốc độ 
động cơ, nhiên liệu cũng nhƣ áp suất, nhiệt độ, hệ số dƣ lƣợng không khí λ, thể tích 
và khối lƣợng, thời gian cũng nhƣ số vùng cháy. Quá trình tính toán đƣợc bắt đầu 
lúc thời điểm cháy bắt đầu. Nồng độ N2O đƣợc tính theo công thức 
 NO 6 0,6125 18,71
 2 1,802.10T exp
 1 (2.30) 
 NO22 RT
 Tốc độ hình thành NOx đƣợc tính nhƣ sau: 
 dNO 2 R1e R4e p
 2 1 (2.31) 
 dt 1 K2 1 K4 RT
 Tốc độ phân huỷ NO [mol/cm3] đƣợc tính toán nhƣ sau: 
 rr14
 rNO C PostPr ocMult. C kineticMult .2,0.(1 2 ) (2.32) 
 1 .AK24 1 AK
 C
 NO, act 1 r1 r4
 Với . ; AK2 ; AK4 
 CCNO, equ Post Pr oMult rr23 rr56 
2.4.4.3. Mô hình tính toán hàm lượng Soot 
 Cơ chế hình thành Soot đƣợc mô tả bởi hai bƣớc: 
 dmsoot dmsoot. form dmsoot.ox
 (2.33) 
 d d d 
 trong đó 
 n1 T
 a form
 dmsoot. form dm fuel pcyl 
 Tave
 Aform. . .e (2.34) 
 d d p 
 diff ref 
 n3 T
 a ox
 dm 1 n pO 
 soot.ox A . . m 2 . 2 .e Tave (2.35) 
 d ox  soot p 
 char O2ref 
 - Aform: hệ số hình thành soot (-) 
 - Aox : hệ số oxi hóa (-) 
 - τchar : đặc tính thời gian (độ) 
 - mfuel: lƣợng nhiên liệu đốt cháy (kg) 
 - Ta-form: nhiệt độ kích hoạt – hình thành soot (K) 
 - Ta-ox : nhiệt độ kích hoạt – oxi hóa soot (K) 
 52 
 - Tave: nhiệt độ trung bình trong xilanh (K) 
 - pcyl/pref : áp suất tiêu chuẩn trong xilanh (-) 
 - pO2/pO2ref : áp suất oxi tiêu chuẩn (-) 
2.4.5. Mô hình nhiên liệu 
 Nhiên liệu sử dụng trong tính toán cần đƣợc định nghĩa đầy đủ các tính chất 
lý, hóa, nhiệt nhƣ: công thức hóa học, tỷ lệ khối lƣợng thành phần C, O, H, nhiệt trị 
của nhiên liệu... Đồng thời, các thông số nhiệt động của phản ứng cháy nhiên liệu 
với không khí đƣợc xác định theo các phƣơng trình sau đây [65]: 
 c
 P a a T a T2 a T 3 a T 4 (2.36) 
 R 1 2 3 4 5
 H0 a a a a a
 a 2 T 3 T2 4 T 3 5 T 4 6 (2.37) 
 RT1 2 3 4 5 T
 S0 a a a
 aln T a T 3 T2 4 T 3 5 T 4 a (2.38) 
 RT 1 22 3 4 7
 0 0
 Trong đó, cp là nhiệt dung riêng đẳng áp; H và S lần lƣợt là entanpy và entropy; a1 
đến a7 là các hệ số đƣợc xác định riêng cho mỗi loại nhiên liệu [66]. 
2.5. Cơ sở phƣơng pháp lấy mẫu và đếm hạt trong khí thải động 
cơ 
 Các động cơ hiện đại đƣợc tối ƣu thông số kết cấu, thông số điều chỉnh và 
đƣợc trang bị hệ thống xử lý khí thải nhằm đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải ngày 
càng ngặt nghèo. Đối với động cơ diesel, tiêu chuẩn khí thải Euro 5a (áp dụng ở 
Châu Âu năm 2009) trở về trƣớc quy định về giới hạn các thành phần HC, CO, 
NOx, khối lƣợng chất thải hạt PM và độ khói (đối với động cơ diesel hạng nặng). 
Tuy nhiên, trong tiêu chuẩn từ Euro 5b đối với động cơ diesel xe hạng nhẹ (áp dụng 
ở Châu Âu năm 2011) và từ Euro 6 đối với động cơ diesel xe hạng nặng (áp dụng ở 
Châu Âu năm 2013), bên cạnh giới hạn về khối lƣợng hạt PM còn bổ sung thêm 
giới hạn về số lƣợng hạt [67]. Khối lƣợng hạt PM ở các động cơ từ Euro 5 rất nhỏ, 
làm giảm độ chính xác của phƣơng pháp đo khối lƣợng, do đó thông số về số lƣợng 
hạt đƣợc bổ sung vào tiêu chuẩn nhằm khắc phục vấn đề này. Tuy nhiên các hạt 
trong khí thải có thành phần, kích thƣớc khác nhau và thay đổi tùy theo điều kiện 
làm việc cụ thể của động cơ. Điều này có thể ảnh hƣởng đến độ chính xác của kết 
quả đo. Vì vậy phƣơng pháp lấy mẫu và đếm số lƣợng hạt đƣợc quy định thống nhất 
trong tiêu chuẩn và đƣợc trình bày tóm tắt dƣới đây. Trong khuôn khổ của luận án, 
đối tƣợng thử nghiệm là động cơ diesel đang lƣu hành với mức tiêu chuẩn khí thải 
thấp, tuy nhiên với hệ thống lấy mẫu và đếm hạt sẵn có đƣợc phát triển tại Trung 
tâm nghiên cứu động cơ, nhiên liệu và khí thải, NCS cũng thực hiện phép đo này. 
Cùng với kết quả đo độ khói, kết quả đo số lƣợng hạt trong khí thải cho phép đánh 
giá định lƣợng hơn ảnh hƣởng của nhiên liệu hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel tới 
phát thải dạng hạt của động cơ diesel đang lƣu hành. 
 53 
2.5.1. Thành phần và phân bố hạt theo kích thước 
 Phát thải dạng hạt P-M đƣợc định nghĩa là những thực thể (trừ nƣớc) của khí 
thải sau khi đƣợc hoà trộn với không khí (làm loãng) đạt nhiệt độ nhỏ hơn 51,70C 
và đƣợc tách ra bằng một bộ lọc qui định [68]. Theo đó, phát thải dạng hạt trong khí 
thải động cơ diesel có thành phần khá phức tạp với các hạt rắn và các hợp chất hữu 
cơ từ nhiên liệu và dầu bôi trơn, các hạt sunphat bám trên đó. Các hạt rắn gồm: 
cacbon tự do và tro còn gọi là bồ hóng (soot), các chất phụ gia dầu bôi trơn, các hạt 
và vảy tróc do mài mòn... Hình 2.20 mô tả thành phần phát thải dạng hạt tạo ra 
trong quá trình cháy với nhân cácbon (hạt rắn) bao quanh bởi các hợp chất hữu cơ, 
các hạt nhiên liệu, dầu bôi trơn và hạt sunphat [69]. 
 Các hợp chất hữu cơ 
 Nhân các bon 
 Các hạt sunphat 
 Hình 2.16. Thành phần phát thải hạt được tạo ra trong quá trình cháy 
 Dựa trên kích thƣớc đƣờng kính khí động học, phát thải dạng thƣờng đƣợc 
chia thành 4 loại trên đồ thị biểu diễn quan hệ về số lƣợng, diện tích bề mặt và khối 
lƣợng hạt theo đƣờng kính hạt (Hình 2.21) [70] nhƣ sau: 
 - Hạt nano (Nanoparticles): gồm các hạt có đƣờng kính nhỏ hơn 50nm 
 - Hạt siêu mịn (Ultrafine particles): gồm các hạt có đƣờng kính nhỏ hơn 
100nm 
 - Hạt mịn (Fine particles), còn gọi là PM2,5: gồm các hạt có đƣờng kính nhỏ 
hơn 2,5m 
 - Hạt PM10: gồm các hạt có đƣờng kính nhỏ hơn 10m 
 Khí thải từ động cơ ra ngoài đƣợc pha loãng và hòa trộn với không khí ngoài 
môi trƣờng. Tùy theo điều kiện nhiệt độ và độ ẩm cụ thể, các thành phần hữu cơ 
trong khí thải có thể ngƣng tụ, bám dính lại với nhau cũng nhƣ hấp thụ trên bề mặt 
các hạt rắn. Các hạt rắn cũng có thể kết tụ lại với nhau tạo thành các khối tích tụ. 
Cũng dựa trên đƣờng kính khí động, phát thải dạng hạt đƣợc chia thành 3 vùng 
(Hình 2.21) [71]: 
 - Vùng hạt lõi/hạt nhân (Nucleation): có kích thƣớc dƣới 30 nm, số lƣợng hạt 
tập trung nhiều ở vùng kích thƣớc 10-20nm. Các hạt nhân chủ yếu là hợp chất hữu 
cơ ngƣng tụ và một ít các hạt rắn các bon. Tùy thuộc vào công nghệ động cơ cũng 
nhƣ phƣơng pháp lấy mẫu hạt, số lƣợng hạt ở vùng này có thể chiếm tới trên 90% 
tổng số lƣợng hạt nhƣng khối lƣợng chỉ chiếm từ 0,1 đến 10% khối lƣợng hạt và 
diện tích bề mặt hạt tỷ lệ chiếm tỷ lệ nhỏ trong tổng diện tích bề mặt hạt trong khí 
thải 
 54 
 - Vùng hạt tích tụ (Accumulation): kích thƣớc hạt từ 30 đến 500 nm, tập trung 
nhiều ở vùng kích thƣớc 100-200nm gồm các hạt mịn, siêu mịn và một phần hạt 
nano. Thành phần hạt trong vùng này chủ yếu là các hạt các bon, một phần nhỏ tro 
kim loại dính kết với nhau và các hơi nhiên liệu hơi nhiên liệu, sunphat hấp thụ trên 
bề mặt hạt. Vùng này có số lƣợng hạt nhỏ nhƣng chiếm tỷ lệ về khối lƣợng và diện 
tích bề mặt hạt lớn nhất. 
 - Vùng hạt thô (Coarse): kích thƣớc hạt trên 500 nm, có số lƣợng hạt không 
đáng kể nhƣng chiếm khoảng từ 5 đến 30% tổng khối lƣợng hạt. Vùng này gồm chủ 
yếu các hạt mài, hạt bong tróc từ các thành vách xylanh, đƣờng thải, đƣờng lấy 
mẫu hầu nhƣ không phải các hạt hình thành từ quá trình cháy trong xylanh động 
cơ. 
 Hình 2.17. Phân bố số lượng, khối lượng, diện tích bề mặt theo đường kính hạt 
2.5.2. Sơ đồ hệ thống lấy mẫu trong phép đo số lượng hạt 
 Số lƣợng các hạt hình thành do ngƣng tụ các hợp chất hữu cơ (từ nhiên liệu, 
dầu bôi trơn) rất nhạy với điều kiện nhiệt độ và độ ẩm của không khí môi trƣờng 
hay của không khí pha loãng trong quá trình lấy mẫu, gây ảnh hƣởng đến độ chính 
xác của phép đo. Vì vậy, yêu