Luận án Nghiên cứu đặc tính kỹ thuật và phát thải khi sử dụng nhiên liệu Dimethylfuran trên động cơ xăng

1 đã được công bố một cách đầy đủ và 
chi tiết. Các cấu hình số của H2 được tìm thấy rất tương thích với các thí nghiệm, 
trong khi các cấu hình CH4 từ mô phỏng cao hơn khoảng 20% - 45% so với các phép 
đo. Tuy nhiên, sản phẩm tạo thành (CO, CO2, H2O) cho cả hai trường hợp Φ = 0,5 và 
Φ = 1 cho thấy giữa mô phỏng và thí nghiệm có nhiều điểm tương đồng. 
Trong nghiên cứu gần đây của Weiser và cộng sự [59], họ phát hiện ra rằng CH4 
chủ yếu được tạo ra từ CH3 thông qua các phản ứng phân tách của nguyên tử H từ 
nhiều nguồn khác nhau, đặc biệt là từ các chất phản ứng trong trường hợp DMF. Thật 
vậy, kết quả này cũng phù hợp với các tính toán của Simmie và cộng sự [60] rằng 
năng lượng phá hủy của liên kết CH trong nhóm CH3 là khoảng 360 kJ/mol so với 
39 
năng lượng của liên kết CH trong vòng furan (khoảng 504 kJ/mol), dẫn đến phản ứng 
tách nguyên tử H chính từ nhóm CH3. Hơn nữa, trong quá trình nhiệt phân DMF, các 
gốc C2H3 được coi là nguồn chính để tạo ra C2H2. Ngoài ra, các gốc n-C4H5 đóng một 
vai trò nhất định trong việc hình thành C2H2, vì các gốc n-C4H5 được tạo ra thông qua 
sự phân hủy một phân tử của furyl-CH2, là sản phẩm của phản ứng tách nguyên tử H 
từ gốc CH3 trong MF [59]. Liên quan đến C2H4, nó được tìm thấy chủ yếu bắt nguồn 
từ C2H5 trong quá trình nhiệt phân DMF. Tương tự như C2H2, gốc 
−CH2−CH2−CH=CH2 được coi là nguồn bổ sung để hình thành C2H4 từ sự phân hủy 
đơn phân tử, trong đó gốc −CH2−CH2−CH=CH2 được tạo ra từ phản ứng của nguyên 
tử H với chất phản ứng. Khác với C2H2 và C2H4, C2H6 chỉ được tạo ra bởi sự tái hợp 
của hai gốc CH3 trong điều kiện hợp lý, phát hiện này cũng được báo cáo trong tài 
liệu tham khảo [61]. Đáng chú ý hơn, không có chất C3H4 nào được phát hiện trong 
trường hợp DMF phân hủy đơn phân tử. Điều này có thể là do sự hình thành C5H6 
thông qua hai con đường là C5H5 + H → C5H6 hoặc C5H7 → C5H6 + H. Cả hai gốc 
C5H5 và C5H7 được cho là sản phẩm trực tiếp của sự phân hủy DMF qua phản ứng 
vòng mở của 2-metyl-5-furyl-CH2, dẫn đến sự ức chế sự hình thành C3H4. Sự vắng 
mặt của thành phần C3H4 cũng phù hợp với các kết quả thí nghiệm thu được từ Weber 
và cộng sự [62], những người đã kết luận MFS của C3H4 rất thấp. Thú vị hơn, bằng 
cách sử dụng mô hình toluen của Yuan và cộng sự [63] lấy từ các nghiên cứu trước 
đó [64], [65] để thêm động học fulvene vào mô hình của Somers và cộng sự [51], 
Togbé và cộng sự [66], đóng góp của cơ chế phụ của fulvene vào sự hình thành C6H6 
đã được làm rõ. Ngoài ra, tỷ lệ phân tích sản phẩm của C6H6 cho thấy rằng phản ứng 
của C6H6 + OH → C6H5OH + H đã được sử dụng để chuẩn hóa tốc độ sản phẩm. Rõ 
ràng, C6H6 sẽ ít được hình thành hơn trong trường hợp ngọn lửa của nhiên liệu nhỏ 
hơn, mặc dù tỷ lệ phân nhánh của các phản ứng hình thành chính và cơ chế tiêu thụ 
nhiên liệu chính được phát hiện là thay đổi không đáng kể. Đặc biệt, sự phân tách 
nguyên tử H bởi các gốc H và OH đóng vai trò chính trong việc phân hủy C6H6. Tuy 
nhiên, trong trường hợp xem xét động học fulvene, C6H6 sẽ được tạo ra nhiều hơn 
qua C5H5. Do đó, quá trình hình thành C5H= quá mức dự đoán dẫn đến việc tạo ra 
40 
C6H6 vượt dự đoán. Trong trường hợp ngọn lửa giàu nhiên liệu, quá trình dự đoán sự 
hình thành của C6H6 đã được cải tiến bởi Togbé và cộng sự [66] thông qua động học 
fulvene. Dựa trên các mô hình tính toán gần đây của Weiser và cộng sự [59], hóa ra 
C6H6 từ quá trình phân hủy DMF chủ yếu được tạo ra thông qua sự tái tổ hợp các gốc 
C3H3, trong đó nguồn chính để tạo ra C3H3 từ DMF là CH2=C=CH−CH3. Họ đề xuất 
hai con đường hình thành bổ sung cho sự phân hủy DMF với tốc độ phân tích sản 
phẩm toàn cục như sau: C6H5OH + H → C6H6 + OH and C2H3 + C4H4 → C6H6 + H. 
Tương tự, các chất được chọn như DMF, C4H4, C6H5OH và C5H6 được nghiên cứu 
từ mô hình động học của Cheng và cộng sự [48], Sirjean và cộng sự [58], và Somers 
và cộng sự [51]. Theo nghiên cứu của Cheng và cộng sự [48] thông qua tỷ lệ phân 
tích sản phẩm với tỷ lệ chuyển hóa 75% DMF, họ kết luận rằng DMF chủ yếu được 
phân hủy theo con đường đơn phân tử (DMF25 → C4H5-1s + CH3CO) và các phản 
ứng lưỡng tính (DMF25 + H → DMF252J + H2, DMF25 + CH3 → DMF252J + CH4 
và DMF25 + H → 1,3-C4H6 + CH3CO). Tuy nhiên, các phản ứng của các gốc đôi 
vẫn giữ vai trò chủ đạo. Sau đó, dmf252j bị phân hủy thành C6H5OH và C5H6, được 
coi là tiền chất để tạo ra muội và chất thơm. Dữ kiện cho thấy nồng độ cao của 
C6H5OH và C5H6 đã được phát hiện, cho thấy xu hướng muội than lớn từ quá trình 
đốt cháy DMF. Trong nghiên cứu của Cheng và cộng sự [48], một cơ chế bao gồm 
1173 phản ứng hóa học và 285 chất đã được đề xuất. Có thể thấy rằng các con đường 
phản ứng chính trong quá trình phân hủy DMF ở áp suất 30 Torr rất giống với trường 
hợp ở áp suất 760 Torr. Hơn nữa, việc phân tích tỷ lệ sản phẩm đã chỉ ra rằng các 
phản ứng phân hủy đơn phân tử hoặc phản ứng hướng đến các gốc được tìm thấy là 
các phản ứng chính đóng vai trò trung tâm trong việc kiểm soát quá trình phân hủy 
DMF. Tuy nhiên, con đường quan trọng nhất liên quan đến quá trình phân hủy đơn 
phân tử của DMF là R2 (DMF → C4H5-1s + CH3CO), nhằm mục đích hình thành các 
gốc C4H5-1s và CH3CO. Nói chung, cơ chế phản ứng chính của DMF có thể được 
minh họa trong Hình 2.3. 
41 
Hình 2.3 Cơ chế phản ứng chính của DMF 
Phản ứng phân hủy của DMF thông qua con đường này là 12% ở 30 Torr và 5% 
ở 760 Torr. Mức phân hủy DMF này cao hơn nhiều so với mức phân hủy ban đầu của 
liên kết C–H trong các nhóm CH3 như sau phản ứng DMF → R1C6H7O + H, cụ thể 
là 4% ở 30 Torr và 1% ở 760 Torr đối với sự phân hạch ban đầu của liên kết C–H. 
Kết quả này phù hợp với phát hiện của Sirjean và cộng sự [58] và Somers và cộng sự 
[51], những người đã thực hiện nghiên cứu mô phỏng của họ dựa trên dữ liệu thu 
được từ quá trình nhiệt phân DMF trong ống sốc của Lifshitz và cộng sự [42]. Sau 
đó, gốc C4H5-1s có thể nhanh chóng chuyển đổi thành C4H4, đóng góp hơn 60% vào 
quá trình tạo C4H4 ở cả hai áp suất 30 Torr và 760 Torr. Tuy nhiên, nồng độ C4H4 
được nhận thấy là giảm đáng kể khi tăng áp suất, sự giảm nồng độ C4H4 này cũng đã 
làm giảm tác động của các phản ứng phân hủy đơn phân tử đến việc phân hủy DMF. 
Ngoài ra, gốc CH3CO, một sản phẩm khác từ R2, chủ yếu được phân hủy bởi các 
phản ứng phân hủy đơn phân tử để tạo thành gốc CH3 và CO. Rõ ràng, phản ứng phân 
hủy đơn phân tử của DMF có thể tạo ra các gốc nhỏ như nguyên tử H và gốc CH3. 
Các gốc hoặc nguyên tử này có thể dẫn đến tăng tốc phản ứng phân hủy DMF bằng 
cách tấn công DMF như các phản ứng sau: (R3) DMF + H = R1C6H7O +H2, (R4) 
DMF + CH3 = R1C6H7O + CH4, (R5) DMF + H = MF + CH3, (R6) DMF + H = C4H6 
+ CH3CO. Phân tích tỷ lệ sản phẩm cũng chỉ ra rằng khoảng 80% DMF được tiêu thụ 
ở áp suất 30 Torr và tỷ lệ này cho việc phân hủy DMF đã tăng lên 90% ở áp suất 760 
Torr. Có hai loại nguyên tử H tồn tại trong cấu trúc hóa học đặc biệt của DMF, dẫn 
đến hai loại phản ứng phân tách đối với nguyên tử H. Một là phản ứng phân tách của 
42 
nguyên tử H để tạo thành gốc R1C6H7O từ nhóm CH3, phần còn lại là phản ứng tách 
nguyên tử H từ vòng furan để tạo thành gốc C6H7O (DMF-3-yl), những phản ứng này 
phù hợp với kết quả thu được từ các công trình trong tài liệu tham khảo [67], [68]. 
Trong nghiên cứu gần đây, Li và cộng sự [69] đã công bố rằng các con đường chính 
cho các phản ứng phân tách của nguyên tử H từ DMF là tạo thành C6H7O và furyl 
CH2. Ngoài ra, khoảng 73% sản phẩm của quá trình phân hủy DMF là để sản xuất 
C4H5O-2 so với chỉ 3% quá trình phân hủy DMF để sản xuất C4H5O-3. Tương tự, 
Tran và cộng sự [61] cho rằng phản ứng của gốc DMF-yl với O2 là nguyên nhân chính 
phân hủy tới 33% DMF, dẫn đến sự hình thành CH2O. Hơn nữa, tỷ lệ mol HCHO đã 
tăng lên rất sớm trong quá trình ôxy hóa DMF với tỷ lệ tương đương là 1. Họ đã tìm 
thấy sự tương đồng cao giữa các thí nghiệm và mô phỏng cho quá trình ôxy hóa DMF 
trong mô hình nhiệt độ thấp đến trung bình mặc dù các vị trí đỉnh thu được từ mô 
phỏng có thể được chuyển sang nhiệt độ thấp hơn. MFS của C6H6O2 và CH2O đã 
được quan sát thấy tăng khá sớm. Hơn nữa, tỷ lệ phân tích sản phẩm từ nghiên cứu 
của họ khi chuyển hóa DMF thấp (khoảng 10%) đã chỉ ra sự hình thành khoảng 50% 
CH2O thông qua con đường phản ứng như DMF-yl + O2 → CH2O + MF-ylO2. Tuy 
nhiên, nồng độ tối đa của CH2O đã đạt đến ở nhiệt độ khá cao; nhiệt độ của CH2O 
cực đại tương tự như của C2H6. Điều đó ngụ ý rằng sự có mặt của gốc CH3 hóa ra 
góp phần đáng kể vào sự hình thành CH2O trong điều kiện nhiệt độ cao. Phát hiện 
này hoàn toàn phù hợp với kết quả thu được từ tốc độ phân tích sản phẩm trong mối 
tương quan của sự gia tăng nhiệt độ phản ứng. Rõ ràng, phản ứng như CH3O → CH2O 
+ H giữ một tầm quan trọng đáng kể trong trường hợp nhiệt độ lớn hơn 980K, trong 
khi phản ứng DMF-yl + O2 → CH2O + MF-ylO2 được coi là phản ứng ưu thế ở nhiệt 
độ thấp. Quan trọng hơn, các dự đoán về năng suất CH2O dựa trên mô hình nhiệt độ 
từ thấp đến trung bình đã được cải thiện so với các công trình công bố trước [70] [51], 
[53] sau khi thêm phản ứng của DMF-yl + O2, đặc biệt trong điều kiện nhiên liệu 
nghèo. Ngoài ra, là sản phẩm của phản ứng mở vòng, C6H6O được coi là một chất 
quan trọng [66] với phần mol của C6H6O thấp hơn so với CH2O. Do đó, MFS của các 
43 
thành phần không mong muốn và nguy hại từ quá trình ôxy hóa và nhiệt phân DMF 
có thể được tóm tắt trong Hình 2.4. 
Hình 2.4 MFS tối đa của các thành phần không mong muốn/nguy hiểm được chọn 
từ quá trình nhiệt phân và ôxy hóa DMF thu được từ kết quả thí nghiệm và mô 
phỏng của [61], và khả năng gây ô nhiễm của các thành phần 
Từ Hình 2.4, có thể thấy các kết quả so sánh từ các thí nghiệm và mô phỏng liên 
quan đến các chất không mong muốn hoặc nguy hại được tạo ra từ quá trình ôxy hóa 
và nhiệt phân DMF ở điều kiện phản ứng hòa hợp cùng với khả năng gây ô nhiễm 
của chúng. Các tiền chất độc hại/gây ung thư và phát thải hạt đã được tìm thấy với tỷ 
lệ mol khá lớn, đặc biệt là đối với C6H6O, C6H6, C5H6 và CH2O. Kết quả này phù hợp 
với các tính toán lý thuyết của Sirjean và cộng sự [58], có nghĩa là C6H6O được hình 
thành từ xiclohexa-2,4-diene-1-one. Các phản ứng tiếp theo của C6H6O đã tạo ra các 
tiền chất muội than như C6H6 và C5H6. Sau đó, naphtalen (C10H8) cũng được hình 
thành từ sự tự tái hợp của gốc C5H5. Nói chung, sự phân tách nguyên tử H là cơ chế 
chính của phản ứng ôxy hóa để DMF chuyển đổi thành chất trung gian trước khi được 
phân hủy thêm. Quá trình ôxy hóa và cơ chế cháy của DMF được phân tích trên cơ 
44 
sở các kỹ thuật khác nhau. Tóm lại, sự phân hủy và ôxy hóa của DMF có thể tạo ra 
các chất tiền thân của muội than và các khí thải khác. Từ phân tích trên về quá trình 
cháy và nhiệt phân DMF, có thể thấy MFS của C5H6, C6H6 và C6H5OH cao hơn trong 
ngọn lửa DMF, cho thấy sự hình thành muội than cao hơn từ quá trình cháy của DMF. 
Hơn nữa, các gốc C5H6/C3H5 và các thành phần của 1,3-C4H6/C2H2/C6H6 có thể được 
coi là tiền chất của phát thải hạt. Trong khi đó, sự hình thành các thành phần của 
anđehit như HCHO, CH3CHO, C5H5CHO hoặc CH3OH và C6H5OH được phát hiện 
là những chất gây ô nhiễm không khí tiềm ẩn và nguy hiểm. Sự so sánh giữa quá trình 
cháy của DMF với các nhiên liệu khác có thể được tìm thấy trong tài liệu tham khảo 
[71], [72], [73], [74], cho thấy sự phân hủy của DMF cho nồng độ cao của C5H6, 
C6H6, và C6H5OH. Nó có thể cho thấy khả năng cao hơn của DMF trong việc sản sinh 
ra các chất ô nhiễm, điều này chính là rào cản lớn trong việc ứng dụng DMF trong 
thực tế. Vì vậy, cần phải thực hiện các nghiên cứu thử nghiệm sâu hơn về việc sử 
dụng DMF cho động cơ để có những hiểu biết đầy đủ và thấu đáo cho việc ứng dụng 
DMF trước khi thương mại hóa và hiện thực hóa việc sử dụng DMF trên các loại 
động cơ. 
2.2 Cơ sở lý thuyết mô phỏng quá trình công tác của động cơ sử dụng xăng và 
DMF 
2.2.1 Giới thiệu về phần mềm AVL Boost 
Phần mềm AVL Boost bắt đầu được phát triển từ năm 1992. Từ đó đến nay, 
phần mềm này đã và đang ngày càng được phát triển hơn nữa. Phiên bản mới nhất 
của phần mềm AVL Boost hiện nay là AVL Boost 2011. 
Phần mềm AVL Boost có các tính năng cơ bản sau: 
- Mô phỏng hoạt động của các loại động cơ 2 kỳ và 4 kỳ, động cơ có tăng áp 
hoặc không tăng áp, có hoặc không trang bị hệ thống xử lý khí thải với nhiều loại 
nhiên liệu khác nhau. 
- Mô phỏng các chế độ làm việc, chế độ chuyển tiếp của động cơ. 
45 
- Tính toán thiết kế và tối ưu hóa quá trình làm việc của động cơ như quá trình 
cháy, quá trình trao đổi khí 
- Tính toán hàm lượng của các phát thải độc hại trong khí thải. 
- Có khả năng kết nối với các phần mềm khác để mô phỏng với các dữ liệu 
động. 
Phần mềm AVL Boost cho phép tính toán các chế độ tĩnh và động. AVL Boost 
có thể dùng để tối ưu hóa ở chế độ tĩnh các hệ thống nạp và thải, đóng mở xupáp, 
phối hợp các bộ phận tăng áp và ước lượng tính năng của các động cơ mới. AVL 
Boost cũng là một công cụ lý tưởng cho việc tối ưu hóa các đặc trưng chuyển tiếp 
của động cơ ở thời kỳ đầu, khi động cơ chưa được chế tạo nhưng có tính đến cả hệ 
thống truyền động của phương tiện. Ngoài ra AVL Boost còn cho phép xây dựng mô 
hình điều khiển động cơ mà không cần tới các phần mềm bên ngoài. 
Các ứng dụng chính của phần mềm AVL Boost: 
- Xác định đặc tính mômen, tiêu hao nhiên liệu. 
- Thiết kế các đường nạp, thải của động cơ. 
- Tối ưu hóa thời điểm đóng mở xupáp. 
- Phối hợp với cụm tăng áp, van xả. 
- Phân tích độ ồn trên đường nạp, xả. 
- Phân tích quá trình cháy và hình thành khí thải. 
- Luân hồi khí thải. 
- Độ thích ứng của cụm tăng áp. 
2.2.2 Hệ phương trình mô tả hệ nhiệt động 
Trong các loại động cơ đốt trong, quá trình cháy thường xảy ra không phải là 
quá trình thuận nghịch, biến hóa năng của nhiên liệu thành nhiệt năng. Trong đa phần 
các trường hợp, định luật nhiệt động thứ nhất thường được sử dụng để xác định mối 
liên hệ tương quan giữa hai trạng thái: trạng thái đầu và trạng thái cuối. 
46 
Định luật nhiệt động thứ nhất mô tả mối quan hệ giữa sự biến thiên về nội năng 
(Entanpi) với sự biến thiên của nhiệt và công được thể hiện qua phương trình (2.1) 
[75]: 
d(mc.u)
dα
 = -pc.
dV
dα
 + 
dQF
dα
 -∑
dQw
dα
 - hBB.
dmBB
dα
 + ∑
dmi
dα
.hi - ∑
dme
dα
.h -
qev.f.
dmev
dα
(2.1) 
Sự biến đổi của phần khối lượng bên trong xi lanh có thể được tính từ tổng khối 
lượng vào và ra khỏi xi lanh được thể hiện qua phương trình (2.2): 
d(mc. u)
dα
= ∑
dmi
dα
− ∑
dme
dα
− 
dmBB
dα
+
dmev
dt
(2.2) 
Trong đó: 
d(mc. u) : biến đổi nội năng bên trong xi lanh 
pc. dV : công thay đổi thể tích nhiên liệu 
dQF : nhiệt lượng cấp vào 
∑ dQw : tổn thất nhiệt qua vách 
hBB.dmBB : tổn thất entanpi do lọt khí 
mc : khối lượng môi chất bên trong xi lanh 
u : nội năng riêng của hệ 
pc : áp suất bên trong xi lanh 
V : thể tích xi lanh 
α : góc quay trục khuỷu 
hBB : entanpi riêng của khí lọt 
𝑚𝐵𝐵 : khối lượng khí lọt 
mi : khối lượng khí vào xi lanh 
47 
me : khối lượng khí ra khỏi xi lanh 
hi : entanpi riêng của khí vào xi lanh 
he : entanpi riêng của khí ra khỏi xi lanh 
qev : nhiệt hóa hơi của nhiên liệu 
f : phần tử của nhiệt hóa hơi khi nạp vào xi lanh 
mev : lượng nhiên liệu hóa hơi 
Phương trình trạng thái chất khí [76]: 
𝑝𝑐 . 𝑉 = 𝑚𝑐 . 𝑅. 𝑇 (2.3) 
Trong đó: 
pc : áp suất bên trong xi lanh 
𝑉 : thể tích xi lanh 
mc : Khối lượng môi chất bên trong xi lanh 
𝑇 : Nhiệt độ môi chất bên trong xi lanh 
𝑅 : Hằng số chất khí 
2.2.3 Điều kiện biên 
 2.2.3.1 Mô hình cháy 
Mô hình cháy Fractal thích hợp cho mô phỏng hỗn hợp hình thành từ bên 
ngoài, đối với động cơ xăng thông số cơ bản điều chỉnh cháy là thay đổi thời gian 
cháy và thời điểm đánh lửa. 
Mô hình cháy Fractal thực sự hiệu quả đối với ngọn lửa phát triển toàn bộ và 
xoáy lốc mở rộng tự do. 
48 
 2.2.3.2 Mô hình truyền nhiệt 
a) Truyền nhiệt trong xi lanh: 
Tổn thất nhiệt qua vách hay quá trình truyền nhiệt từ trong buồng cháy qua 
thành buồng cháy như nắp xi lanh, pittông, và lót xi lanh được tính dựa vào phương 
trình truyền nhiệt sau [77]: 
𝑄𝑤𝑖 = 𝐴𝑖.𝛼𝑤 . (𝑇𝑐 − 𝑇𝑤𝑖) (2.4) 
Trong đó: 
Qwi: nhiệt lượng truyền cho thành (nắp xi lanh, pittông, lót xi lanh) 
Ai : diện tích truyền nhiệt (nắp xi lanh, pittông, lót xi lanh) 
𝛼W : hệ số truyền nhiệt 
Tc : nhiệt độ môi chất trong xi lanh 
Twi : nhiệt độ thành (nắp xi lanh, pittông, lót xi lanh). 
Hệ số truyền nhiệt có thể tính toán theo một trong các mô hình sau: Woschni 
1978, Woschni 1990, Hohenberg, Lorenz (chỉ dùng cho động cơ có buồng cháy ngăn 
cách), AVL 2000 Model, Bargende. Trong đó mô hình Woschni được công bố năm 
1978 thường được sử dụng. 
b) Truyền nhiệt tại cửa nạp, cửa thải 
Trong quá trình quét khí, việc lưu tâm đến quá trình trao đổi nhiệt tại cửa nạp 
và thải là hết sức quan trọng. Quá trình này có thể lớn hơn rất nhiều so với dòng chảy 
trong đường ống đơn giản do hệ số truyền nhiệt và nhiệt độ cao trong vùng giữa xupáp 
và đế xupáp được mô tả trong các phương trình (2.6) [78]. 
Td = (Tu − Tw). e
(−Aw.
αp
m.cp
)
+ Tw 
(2.5) 
49 
Đối với dòng chảy ra: 
αp = [ C4 + C5. Tu − C6. Tu
2]. Tu
0,44. ṁ0,5. dvi
−1,5. [1 − 0,797.
hv
dvi
] 
(2.6) 
Đối với dòng chảy vào: 
αp = [ C7 + C8. Tu − C9. Tu
2]. Tu
0,33. ṁ0,68. dvi
−1,68. [1 − 0,765.
hv
dvi
] 
(2.7) 
Trong đó: 
αp: hệ số trao đổi nhiệt tại cửa 
Td: nhiệt độ sau cửa 
Tu: nhiệt độ trước cửa 
TW: nhiệt độ thành cửa 
AW: diện tích tiết diện lưu thông 
 �̇�: lưu lượng khối lượng 
Cp: nhiệt dung riêng đẳng áp 
hv: độ nâng xupáp 
dvi: đường kính trong của đế xupáp. 
 2.2.3.3 Mô hình hình thành phát thải 
Quá trình cháy lí tưởng của hỗn hợp hydrocacbon với không khí chỉ sinh ra 
CO2, H2O và N2. Tuy nhiên, do sự không đồng nhất của hỗn hợp một cách lí tưởng 
cũng như do tính chất phức tạp của các hiện tượng lí hóa diễn ra trong quá trình cháy 
nên trong khí xả động cơ đốt trong luôn có chứa một hàm lượng đáng kể những chất 
độc hại như NOx, CO và HC. Nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả phụ thuộc vào 
loại động cơ và chế độ vận hành. 
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. Động cơ đánh lửa cưỡng bức 
50 
thường làm việc với hệ số dư lượng không khí 𝜆 ≈ 1. Tuy nhiên, nếu hỗn hợp quá 
nghèo thì tốc độ cháy thấp, đôi lúc diễn ra tình trạng bỏ lửa và đó là những nguyên 
nhân làm tăng nồng độ HC trong khí thải. Nhiệt độ cực đại của quá trình cháy cũng 
là một nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến thành phần các chất ô nhiễm vì nó ảnh 
hưởng mạnh đến động học phản ứng, đặc biệt là các phản ứng tạo NOx. 
Nói chung tất cả những thông số kết cấu hay vận hành nào của động cơ có tác 
động đến thành phần hỗn hợp và nhiệt độ cháy đều gây ảnh hưởng trực tiếp hay gián 
tiếp đến sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí xả. 
a) Mô hình hình thành khí thải NOx 
NOx trong khí thải của động cơ đốt trong chủ yếu được hình thành do quá trình 
ôxy hóa N2 có trong không khí nạp vào động cơ. Trong khí thải của động cơ đốt trong, 
NO chiếm tỷ lệ lớn nhất trong NOx. 
 Cơ chế hình thành phát thải NOx trong động cơ đốt trong dựa trên mô hình 
động lực học phản ứng cơ sở Pattas và Hafner. Quá trình hình thành NOx được thể 
hiện qua sáu phương trình phản ứng theo cơ chế Zeldovich (Bảng 2.1). Quá trình tính 
toán bắt đầu từ thời điểm xảy ra quá trình cháy. 
Bảng 2.1 Phương trình phản ứng hình thành NOx theo cơ chế Zeldovich [79] 
Phản ứng 
Tốc độ 
ki = k0,i. T
a. e(
−TAi
T
)
𝑘0 
[cm3/mol.s] 
a 
[-] 
TA 
(K) 
N2 + O = NO + N r1 = k1.cN2.cO 4,93 x 1013 0,0472 38048 
O2 + N = NO + O r2 = k2.cO2.cN 1,48 x 108 1,5 2859,01 
N + OH = NO + H r3 = k3.cN.cOH 4,22 x 1013 0,0 0,00 
N2O + O = NO + NO r4 = k4.cN2O.cO 4,58 x 1013 0,0 12130,6 
O2 + N2 = N2O + O r5 = k5.cO2.cN2 2,25 x 1010 0,825 50569,7 
51 
OH + N2 = N2O + H r6 = k6.cOH.cN2 9,14 x 107 1,148 36190,6 
b) Mô hình hình t