NO và NO2 là 2 thành phần chính của NOx. Trong đĩ, NO là khí khơng màu khơng mùi trong khi NO2 cĩ màu nâu đỏ và cĩ mùi gắt. Cả 2 loại khí đều rất độc, nhưng NO2 độc gấp 5 lần xo với NO, phần lớn NO2 hình thành từ việc ơxy hĩa NO.
- Cơ chế hình thành NO và NO2
NO được hình thành trong quá trình cháy rớt trong xylanh tại vùng nhiệt độ cao. Thành phần chính để hình thành NO là khí N2 trong khơng khí nạp vào động cơ. Phản ứng dây chuyền ơxy hĩa khí nitơ được tạo bởi các nguyên tử ơxy, được hình thành từ việc tách ra khỏi phân tử O2 tại nhiệt độ cao trong quá trình cháy. Phản ứng chủ đạo để hình thành NO từ phân tử N2 là:
O2 ↔ 2O (2.1) N2 + O ↔ NO +N (2.2) N + O2 ↔ NO + N (2.3) N + OH ↔ NO + H (2.4)
Các phương trình cân bằng hĩa học chỉ ra rằng khi cháy tại nhiệt độ cháy bình thường thì tỷ lệ NO2/NO là rất nhỏ. NO2 cĩ thể chiếm (10÷30)% trong thành phần NOx. Ðiều đĩ được giải thích là do NO được hình thành trong vùng ngọn lửa cĩ thể nhanh chĩng trở thành NO2 qua phản ứng:
NO + HO2 ↔ NO2 + OH (2.5) Tiếp đĩ NO2 lại phản ứng và trở thành NO:
NO2 + O ↔ NO + O2 (2.6) Sự hình thành NO2 trong vùng ngọn lửa nĩng sẽ bị dập tắt khi tiếp xúc với vùng lạnh. Do đĩ tỷ lệ NO2/NO sẽ cao nhất tại chế độ tải cao của động cơ diesel, khi mà những vùng lạnh cĩ thể dập tắt sự hình thành trở lại NO. Nồng độ cục bộ của những nguyên tử ơxy phụ thuộc vào nồng độ phân tử ơxy cũng như nhiệt độ cục bộ. Sự hình
thành NOx tồn tại chủ yếu ở nhiệt độ trên 20000K. Do đĩ, bất kỳ kỹ thuật nào cĩ thể khống chế được nhiệt độ tức thời trong buồng cháy dưới 20000K thì cĩ thể giảm được NOx.
NOx hình thành từ phản ứng ơxy hĩa nitơ trong điều kiên nhiệt độ cao của quá trình cháy. Thành phần NOx phụ thuộc rất nhiều vào hệ số lý tưởng khơng khí λ (tức nồng độ ơxy của hỗn hợp) và nhiệt độ của quá trình cháy. Nồng độ NOx đạt giá trị cực đại tại λ= (1,05÷1,1). Tại đây, nhiệt độ của quá trình cháy đủ lớn để ơxy và nitơ phân hủy thành nguyên tử cĩ tính năng hoạt hĩa cao và tại đây nồng độ ơxy đủ lớn đảm bảo đủ ơxy cho phản ứng, do đĩ NOx đạt cực đại. Do đặc điểm của động cơ diesel là hình thành hỗn hợp bên trong khơng gian cơng tác nên hệ số lý tưởng khơng khí λ nằm trong giới hạn rất rộng, cụ thể là λ = (1,2÷10) tương ứng từ tồn tải đến khơng tải.
Ở động cơ diesel, khi λ tăng, nhiệt độ cháy giảm nên nhiệt độ NOx giảm. So với động cơ xăng thì động cơ diesel cĩ thành phần NOx thấp hơn. Tuy nhiên, thành phần NO2 trong NOx lại cao hơn, chiếm (5÷15)% trong khi tỷ lệ này ở động cơ xăng (2 ÷10)%.
Phương pháp hình thành hỗn hợp cĩ ảnh hưởng lớn đến hình thành NOx. Ðối với buồng cháy ngăn cách, quá trình cháy diễn ra ở buồng cháy phụ (hạn chế khơng khí), rất thiếu ơxy nhưng mặc dù nhiệt độ lớn nhưng NOx rất nhỏ. Khi cháy ở buồng cháy chính, mặc dù λ rất lớn, ơxy nhiều nhưng nhiệt độ quá trình cháy khơng lớn nên NOx cũng nhỏ. Tổng hợp, NOx của động cơ cĩ buồng cháy ngăn cách chỉ bằng khoảng một nửa so với động cơ cĩ buồng cháy thống nhất. Tuy vậy, động cơ sử dụng buồng cháy ngăn cách cĩ tính kinh tế khơng cao do cĩ suất tiêu hao nhiên liệu lớn nên ngày nay khơng được sử dụng nhiều.
- Cơ chế hình thành protoxide nitơ (N2O)
N2O chủ yếu hình thành từ các chất trung gian NH và NCO khi chúng tácdụng với NO:
NH + NO N2O + H (2.7)
NCO + NO N2O + O (2.8)
N2O chủ yếu được hình thành ở vùng oxy hĩa cĩ nồng độ nguyên tử Hcao, mà hydrogene là, chất tạo ra sự phân hủy mạnh protoxyde nitơ theo phản ứng:
N2O + H NH + NO (2.9)
N2O + H N2 + H (2.10)
N2O chỉ chiếm tỉ lệ rất thấp trong khí thải của ÐCÐT, khoảng (3÷8)ppm.
⇔ ⇔
⇔ ⇔
