Nghiên cứu mô phỏng sử dụng khí giàu ni tơ (NEA) giảm phát thải NOx cho động cơ diesel

SCIENCE TECHNOLOGY 
Số Đặc biệt 2018 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 53
NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG SỬ DỤNG KHÍ GIÀU NI TƠ (NEA) 
GIẢM PHÁT THẢI NOX CHO ĐỘNG CƠ DIESEL 
SIMULATION STUDY ON NOX REDUCTION VIA NITROGEN ENRICHED AIR (NEA) ON DIESEL ENGINES 
Phạm Văn Đoàn1, Bùi Văn Chinh1,*, 
Nguyễn Đức Khánh2 
TÓM TẮT 
Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu giảm phát thải NOX trên động cơ 
diesel bằng phương pháp sử dụng hỗn hợp khí giàu ni tơ (NEA). Khí giàu ni tơ 
(NEA-Nitrogen Enriched Air) được tạo ra bằng cách cung cấp vào động cơ qua 
một vòi phun khí ni tơ trên đường nạp. Lưu lượng khí ni tơ phun vào đường nạp 
được điều chỉnh để có thể đạt được tỷ lệ khối lượng của ni tơ bổ sung trong không 
khí nạp lên tới 20%. Kết quả nghiên cứu cho thấy, sử dụng khí giàu ni tơ có khả 
năng giảm thiểu phát thải độc hại NOX trong khi đó công suất của động cơ được 
cải thiện với tỷ lệ NEA phù hợp, phát thải CO giảm và phát thải dạng hạt thay đổi 
không đáng kể. 
Từ khóa: phát thải động cơ diesel, giảm thiểu NOX, NEA. 
ABSTRACT 
This paper presents the study results of NOX reduction on diesel engine by 
mean of providing nitrogen enriched air (NEA) method. NEA provided to the 
engine by a nitrogen injector which is placed on intake manifold. The mass flow 
of nitrogen injected to intake air was controlled to archive proportion of nitrogen 
in intake air greater than 20% by mass. The results show that NEA could decrease 
NOX emission; CO emission was decreased and soot emission was constant, while 
as the brake power of the engine improved slightly. 
Keywords: diesel emission, NOX reduction, EGR, NEA. 
1Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội 
2Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 
*Email: chinhbv@haui.edu.vn 
Ngày nhận bài: 01/6/2018 
Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 15/7/2018 
Ngày chấp nhận đăng: 25/10/2018 
1. GIỚI THIỆU CHUNG 
Phát thải ô xit ni tơ (NOx) là một trong những thành 
phần phát thải độc hại chính của động cơ diesel, đặc biệt 
trên động cơ diesel tăng áp bởi nó là kết quả của sự dư 
thừa hàm lượng ôxy và nhiệt độ quá trình cháy cao. Trên 
thế giới có nhiều công nghệ giảm NOx đã và đang được 
nghiên cứu và phát triển. Luân hồi khí thải (EGR - Exhaust 
Gas Recirculation) được biết đến là một biện pháp hữu hiệu 
để giảm sự hình thành NOX trên động cơ diesel. Về nguyên 
tắc, khí thải sau khi ra khỏi động cơ được trích một phần trở 
lại đường nạp và hòa trộn với khí nạp trước khi vào động 
cơ. Khí luân hồi bao gồm chủ yếu ô xit các bon (CO2), ni tơ 
(N2) và hơi nước sẽ được đưa trở lại xylanh để làm loãng 
hỗn hợp cháy và giảm nồng độ ôxy trong buồng cháy. 
Ngoài ra, nhiệt dung riêng của khí luân hồi lớn hơn rất 
nhiều so với không khí nạp nên khí luân hồi làm tăng nhiệt 
dung riêng của khí nạp, do đó sẽ làm giảm độ tăng nhiệt 
độ trong động cơ với cùng lượng nhiệt giải phóng của quá 
trình cháy trong buồng cháy. Luân hồi khí thải một biện 
pháp kinh tế giảm thiểu phát thải NOX, tuy nhiên có nhiều 
hạn chế như làm tăng hàm lượng phát thải dạng hạt (PM) 
và khói đen, đặc biệt là ở chế độ tải lớn [2, 3], làm giảm chất 
lượng dầu bôi trơn [4] và nhiều khả năng gây mài mòn 
piston, xylanh, giảm độ bền của động cơ [5-7]. 
Ngoài biện pháp luân hồi khí thải, còn có một số giải 
pháp đã được nghiên cứu không những giảm thiểu NOX mà 
còn khắc phục được những nhược điểm còn tồn tại của 
phương pháp này. Các nghiên cứu cho thấy hàm lượng ôxy 
trong khí nạp là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất tới hình thành 
phát thải NOX trong động cơ [8-11]. 
Hình 1. Quan hệ giữa nhiệt độ ngọn lửa và nồng độ ni tơ [12] 
Ảnh hưởng của hàm lượng ôxy (hay hàm lượng ni tơ) 
trong khí nạp đến nhiệt độ đoạn nhiệt của ngọn lửa đã 
được thử nghiệm bởi Olikara và Borman [12]. Hình 1 thể 
hiện quan hệ nhiệt độ đoạn nhiệt với hàm lượng ni tơ 
trong buồng cháy. Đồ thị cho thấy nhiệt độ giảm khi hàm 
lượng ni tơ trong khí nạp tăng lên ở cùng một tỷ lệ A/F. 
Khi hàm lượng ôxy giảm từ 21% xuống 17% về thể tích 
hay hàm lượng ni tơ tăng từ 79% đến 83% thì nhiệt độ lý 
thuyết của ngọn lửa giảm khoảng 250oK. Nghiên cứu giảm 
 CÔNG NGHỆ 
 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Số Đặc biệt 2018 54
KHOA HỌC
lượng ôxy hay tăng lượng ni tơ trong khí nạp để giảm 
nhiệt độ quá trình cháy sẽ làm giảm lượng NOX hình 
thành trong buồng cháy. Việc cung cấp khí nạp với hàm 
lượng ôxy thấp, hay còn gọi là khí giàu ni tơ NEA 
(Nitrogen Enriched Air) có thể thay thế được biện pháp 
truyền thống EGR với nhiều hạn chế. Biện pháp sử dụng 
khí NEA có nhiều ưu điểm như: Khí nạp sạch, không có các 
chất dạng hạt; Không ảnh hưởng tới tuổi thọ hay độ bền 
của động cơ; Nhiệt độ khí nạp thấp, tăng được lượng môi 
chất nạp; Hỗn hợp đồng nhất, động cơ làm việc ổn định 
hơn; Cần có thiết bị tách không khí đặc biệt lắp trên 
đường nạp, gây tổn thất về lưu lượng và áp suất. 
Có nhiều nghiên cứu tạo khí NEA để cung cấp cho động 
cơ, trong đó điển hình là nghiên cứu của Nemser và cộng 
sự [13]. Nguyên lý hoạt động cơ bản và kết cấu của màng 
tách khí được thể hiện trên hình 2. Màng tách khí dạng ống 
lỗ có thể hoạt động hoạt động ở độ chênh lệch áp suất khá 
nhỏ và có khả năng tạo tỷ lệ khí lớn hơn các phương pháp 
tạo khí ni tơ khác. 
Hình 2. Nguyên lý làm việc của bộ tạo NEA 
Hình 3. Động cơ diesel tăng áp trang bị bộ tạo NEA 
Khi không khí có áp suất cao đi qua ống, sự chênh lệch 
áp suất bên trong và bên ngoài ống làm cho một phần ôxy 
được ưu tiên đi qua thành ống (bề mặt bên ngoài thành 
ống là lớp perfluoropolymer) ra ngoài môi trường còn ni tơ 
bị chặn lại và di chuyển dọc theo ống đến đầu ra của thiết 
bị. Đầu ra của thiết bị là không khí được làm giàu ni tơ. Bộ 
tạo khí NEA có thể lắp trực tiếp trên đường nạp để cung 
cấp khí cho động cơ tùy theo các chế độ làm việc. 
Hình 3 thể hiện sơ đồ nguyên lý động cơ diesel tăng áp 
bằng tua bin khí thải có trang bị thiết bị tạo khí giàu ni tơ. 
Khí tăng áp ra khỏi máy nén sẽ được làm mát qua két làm 
mát trung gian trước khi đi qua thiết bị tạo NEA. Áp suất 
của khí tăng áp sau két làm mát quyết định đến tỷ lệ khí ni 
tơ trước khi đi vào động cơ. 
Để làm rõ hơn ưu việt của phương pháp sử dụng khí 
NEA nhằm giảm thiểu NOX trên động cơ diesel tăng áp, 
trong nghiên cứu này, mô hình tính toán một chiều giảm 
thiểu phát thải NOX của động cơ diesel tăng áp bằng hai 
phương pháp NEA được thực hiện. Mô hình tính toán 
được xây dựng trên phần mềm mô phỏng một chiều AVL 
Boost. Phần mềm cho phép tính toán mô phỏng được chu 
trình làm việc của động cơ cũng như tính toán được các 
thành phần phát thải độc hại. Kết quả nghiên cứu đánh 
giá được ảnh hưởng của phương pháp NEA tới các thông 
số kỹ thuật và phát thải độc hại của động cơ, nhất là phát 
thải NOX và soot. 
2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 
2.1. Xây dựng mô hình mô phỏng 
Đối tượng nghiên cứu là động cơ diesel D1146Ti, tăng 
áp bằng tua bin máy nén, lắp trên xe bus. Các thông số cơ 
bản của động cơ thể hiện trong bảng 1. Dựa trên các thông 
số kỹ thuật của nhà sản xuất cũng như các thông số đo đạc 
trên động cơ thực tế. Mô hình một chiều của động cơ 
D1146Ti được xây dựng trên AVL Boost như thể hiện trên 
hình 4. 
Hình 4. Mô hình 1 chiều động cơ D1146Ti 
Bảng 1. Các thông số cơ bản của động cơ 
TT Thông số Đơn vị 
1 Tên D1146Ti 
2 Số xy lanh (-) 6 
3 Kiểu (-) Cháy do nén 
4 DxS (mm) 111x139 
6 Công suất định mức/tốc độ (kW/v/ph) 154/2200 
7 Mô men lớn nhất/tốc độ (Nm/v/ph) 880/1600 
8 Tỷ số nén 16,8 
SCIENCE TECHNOLOGY 
Số Đặc biệt 2018 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 55
2.2. Mô hình cháy 
Mô hình tính toán phát thải độc hại của động cơ sử 
dụng trong nghiên cứu này là mô hình AVL MCC. Mô hình 
MCC có thể dự đoán được tốc độ tỏa nhiệt và tính toán 
được các thành phần phát thải độc hại chính của động cơ 
diesel như NOX, bồ hóng (soot) và mônô xít cácbon (CO). 
Mô hình yêu cầu các thông số kết cấu và thông số làm việc 
như số lỗ kim phun, đường kính lỗ phun và áp suất phun. 
2.3. Quy trình thực hiện 
Nghiên cứu được thực hiện theo quy trình sau đây: 
- Xây dựng mô hình động cơ D1146Ti nguyên bản, tiến 
hành đánh giá độ chính xác bằng cách so sánh một số kết 
quả tính toán mô phỏng với kết quả đo đạc và tiến hành 
những hiệu chỉnh để mô hình đạt được độ tin cậy cần thiết. 
- Tiến hành điều chỉnh lại kết cấu đường nạp của động 
cơ sau khi kiểm nghiệm để có được mô hình giảm phát thải 
như thể hiện trên hình 5. 
Hình 5. Mô hình động cơ có vòi phun ni tơ 
Hình 6 thể hiện mô hình động cơ sử dụng biện pháp 
giảm NOX bằng cách sử dụng khí NEA. Để đơn giản, khí NEA 
được tạo ra bằng cách bố trí 1 vòi phun khí ni tơ (I - 
Injector) vào đường nạp để hòa trộn với không khí trước khi 
đi vào động cơ. 
- Tiến hành mô phỏng quá trình làm việc của động cơ 
khi trang bị hệ thống NEA ở chế độ tốc độ 1600 và 2200 
v/ph, 75% tải. Lượng khí ni tơ phun vào đường nạp được 
điều chỉnh ở các lưu lượng khác nhau để chiếm chỗ một 
phần khí nạp. Thông số chung để đánh giá tỷ lệ NEA phun 
vào đường nạp là α (%) - hệ số tỷ lệ. 
. % . % 2 2
N N
kk MP4
m m
100 100
m m 
Trong đó: mN2 là lưu lượng khối lượng khí ni tơ phun bổ 
sung vào đường nạp; mMP4 là lưu lượng khối lượng khí nạp 
mới đo ngay phía trước cổ góp chung của 6 xylanh.
3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN 
3.1. Đánh giá độ tin cậy của mô hình 
Độ tin cậy của mô hình được đánh giá bằng cách so 
sánh kết quả mô phỏng và thí nghiệm công suất có ích ở 
các đường đặc tính tốc độ của động cơ nguyên bản. Kết 
quả mô phỏng thu được công suất có giá trị sai lệch lớn 
nhất -4,9% tại tốc độ 2200 v/ph, 50% tải và sai lệch trung 
bình -0,2% trên toàn dải tốc độ của động cơ. Kết quả kiểm 
nghiệm mô hình cháy được thể hiện qua các đồ thị so sánh 
các thành phần phát thải độc hại của động cơ (NOX, Soot và 
CO) giữa mô phỏng và thí nghiệm tại chế độ 75% tải, tốc độ 
1600 và 2200 v/ph. Nhìn chung, giữa kết quả mô phỏng và 
thí nghiệm có sự sai lệch nằm trong giới hạn cho phép. Sai 
lệch lớn nhất là 8,5% đối với phát thải CO ở tốc độ 2200 
v/ph. Như vậy có thể sử dụng mô hình này để thực hiện các 
tính toán nghiên cứu khác trên động cơ. 
3.2. Ảnh hưởng tới công suất và phát thải độc hại của 
động cơ 
Hình 6. Diễn biến công suất có ích theo tỷ lệ α ở 2200 v/ph và 1600 v/ph 
Hình 6 thể hiện diễn biến công suất có ích của động cơ 
theo tỷ lệ tỷ lệ α ở chế độ tốc độ 1600 và 2200 v/ph, 75% 
tải. Kết quả cho thấy, khi sử dụng NEA, công suất của 
động cơ có xu hướng cải thiện một chút. Cụ thể là khi 
tăng tỷ lệ α thì công suất động cơ tăng khoảng 1,7% 
(α = 20%) ở tốc độ 1600 vg/ph và 1,4% (α = 15%) ở tốc độ 
2200 vòng/phút. Tuy nhiên, khi tiếp tục tăng tỷ lệ α, công 
suất bị giảm xuống do ni tơ như là một khí trơ làm tăng 
nhiệt dung riêng của môi chất (khoảng 1/2 so với CO2), 
đồng thời lượng ôxy giảm mạnh làm thay đổi cấu trúc của 
ngọn lửa cháy và thời gian cháy. Sự thay đổi nhiệt dung 
riêng của môi chất cũng như sự suy giảm hàm lượng ôxy 
làm giảm nhiệt độ cháy như thể hiện trên hình 7. Khi tăng 
α đến 17% thì nhiệt độ cực đại trong buồng cháy giảm 
320K ở tốc độ 1600 và 2200 v/ph. Điều này không những 
ảnh hưởng tới công suất của động cơ mà còn ảnh hưởng 
mạnh tới diễn biến các thành phần phát thải độc hại, đặc 
biệt là phát thải NOx, khi mà nhiệt độ cháy là yếu tố chính 
hình thành phát thải độc hại này. 
90.0
95.0
100.0
105.0
110.0
115.0
120.0
0 5 10 15 20 25 30
N
e 
(k
W
)
α (%)
2200 rpm 1600 rpm
 CÔNG NGHỆ 
 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Số Đặc biệt 2018 56
KHOA HỌC
Hình 7. Diễn biến nhiệt độ lớn nhất trong buồng cháy theo tỷ lệ α ở 2200 
v/ph và 1600 v/ph 
Hình 8. Diễn biến phát thải NOx theo tỷ lệ α ở 2200 v/ph và 1600 v/ph 
Hình 9. Diễn biến phát thải CO theo tỷ lệ α ở 2200 v/ph và 1600 v/ph 
Hình 10. Diễn biến phát thải soot theo tỷ lệ α ở 2200 v/ph và 1600 v/ph 
Hình 8 thể hiện diễn biến của phát thải NOx theo tỷ lệ 
α. Kết quả cho thấy phương pháp NEA có khả năng giảm 
thiểu NOx với tỷ lệ α < 15%. Phát thải NOX giảm khoảng 
14,5% (ở 1600 v/ph) và 15,5% (ở 2200 v/ph). So với phát 
thải NOx, ảnh hưởng của tỷ lệ α tới phát thải CO và soot thì 
có xu hướng ngược lại. Hình 9 cho thấy diễn biến của phát 
thải CO theo tỷ lệ α, khi tăng tỷ lệ α phát thải CO có xu 
hướng giảm xuống khi sử dụng NEA. Điều này có thể được 
lý giải là lượng ni tơ phun vào đường nạp chỉ có ảnh 
hưởng chiếm chỗ của không khí nạp mà không ảnh 
hưởng tới nhiệt độ khí nạp nên mức độ suy giảm hàm 
lượng ôxy trong khí nạp nhỏ. Đồng thời, môi chất nạp 
đồng đều hơn nên giảm thiểu được các vùng cháy thiếu 
ôxy cục bộ khi sử dụng NEA với tỷ lệ α nhỏ (< 20%) dẫn tới 
giảm phát thải CO. Kết quả cho thấy, với α lên tới 17%, 
phát thải CO giảm 20,5% và 24,2% tương ứng ở tốc độ 
1600 và 2200 v/ph khi sử dụng NEA. Hình 10 thể hiện diễn 
biến của phát thải soot theo tỷ lệ α. Đồ thị cho thấy sử 
dụng NEA gần như không gây ảnh hưởng tới hình thành 
phát thải soot nguyên nhân là do khí nạp sạch và đồng 
đều hơn khi sử dụng NEA nên không làm tăng khả năng 
hình thành phát thải soot. 
4. KẾT LUẬN 
Nghiên cứu giảm phát thải NOx bằng phương pháp sử 
dụng khí giàu ni tơ NEA được thực hiện bằng công cụ mô 
phỏng một chiều. Các kết quả nghiên cứu có thể được tóm 
tắt như sau: 
- Sử dụng NEA có thể cải thiện được công suất của động 
cơ với tỷ lệ ni tơ phù hợp. 
- Khả năng giảm thiểu phát thải NOx của phương pháp 
NEA với tỷ lệ α < 17% có thể lên tới hơn 15%. 
- Hai thành phần phát thải CO có xu hướng giảm và soot 
tăng rất ít khi sử dụng NEA. 
2850
2950
3050
3150
3250
0 5 10 15 20 25 30
T
m
ax
 (K
)
α (%)
2200 rpm 1600 rpm
1000
1250
1500
1750
2000
0 5 10 15 20 25 30
N
O
x
 (
p
p
m
)
α (%)
2200 rpm 1600 rpm
50
60
70
80
90
100
0 5 10 15 20 25 30
C
O
 (p
p
m
)
α (%)
2200 rpm 1600 rpm
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0 5 10 15 20 25 30
so
o
t 
(g
/k
W
h
)
α (%)
2200 rpm 1600 rpm
SCIENCE TECHNOLOGY 
Số Đặc biệt 2018 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Hitoshi Yokomura, Susumu Kohketsu and Koji Mori, 2005. “EGR System 
in a Turbocharged and Intercooled Heavy-Duty Diesel Engine – Expansion of EGR 
Area with Venturi EGR System”. Mitsubishi Technical Review. 
[2]. Ladommatos, N., R. Balian, R. Horrocks, and L. Cooper, 1996. “The Effect 
of Exhaust Gas Recirculation on Soot Formation in a High-Speed Direct-Injection 
Diesel Engine”. SAE Paper 960841. 
[3]. Kreso, A.M., J.H. Johnson, L.D. Gratz, S.T. Bagley, and D.G. Leddy, 1998. 
“A Study of the Effects of Exhaust Gas Recirculation on Heavy-Duty Diesel Engine 
Emissions”. SAE Paper 981422. 
[4]. Leet, J.A., A. Matheaus, and D. Dickey, 1998. “EGR’s Effect on Oil 
Degradation and Intake System Performance”. SAE Paper 980179. 
[5]. Dennis, A.J., C.P. Garner, and D.H.C. Taylor, 1999. “The Effect of EGR on 
Diesel Engine Wear”. SAE Paper 1999-01-0839. 
[6]. Nagai, T., H. Endo, H. Nakamura, and H. Yano, 1983. “Soot and Valve 
Train Wear in Passenger Car Diesel Engine”. SAE Paper 831757. 
[7]. Nagaki, H., and K. Korematsu, 1995. “Effect of Sulfur Dioxide in 
Recirculated Exhaust Gas on Wear within Diesel Engines”. JSME Int’l J., Series B, 
Vol. 38, No. 3, pp. 465-474, . 
[8]. Plee, S.L., T. Ahmad, and J.P. Myers, 1981. “Flame Temperature 
Correlation for the Effects of Exhaust Gas Recirculation on Diesel Particulate and 
NOx Emissions”. SAE Paper 811195. 
[9]. Röpke, S., G.W. Schweimer, and T.S. Strauss, 1995. “NOx Formation in 
Diesel Engines for Various Fuels and Intake Gases”. SAE Paper 950213. 
[10]. Lapuerta, M., J.M. Salavert, and C. Doménech, 1995. “Modeling and 
Experimental Study about the Effect of Exhaust Gas Recirculation on Diesel Engine 
Combustion and Emissions”. SAE Paper 950216. 
[11]. Li, J., J.O. Chae, S.B. Park, H.J. Paik, J.K. Park, Y.S. Jeong, S.M. Lee, and 
Y.J. Choi, 1997. “Effect of Intake Composition on Combustion and Emission 
Characteristics of DI Diesel Engine at High Intake Pressure”. SAE Paper 970322. 
[12]. Olikara, C., and G.L. Borman, 1975. “A Computer Program for 
Calculating Properties of Equilibrium Combustion Products with Some Application 
to IC Engines”. SAE Paper 750468. 
[13]. Poola, R.B., K.C. Stork, R. Sekar, K. Callaghan, and S. Nemser, 1998. 
“Variable Air Composition with Polymer Membrane - A New Low Emissions Tool”. 
SAE Paper 980178.