NOx là tên gọi chung của ôxít nitơ gồm các chất NO, NO2 và N2O hình thành do sự kết hợp giữa ôxy và nitơ ở điều kiện nhiệt độ cao. Chất ô nhiễm này ngày càng được quan tâm và trong một số trường hợp, nó là chất ô nhiễm chính làm giới hạn tính năng kỹ thuật của động cơ. Các ô-xít nitơ gây ảnh hưởng lớn đến sức khoẻ con người, thay đổi nhiệt độ khí quyển, ảnh hưởng đến các loài thực vật giảm sự quang hợp của chúng, ảnh hưởng đến sinh thái…

Đến nay, người ta đã xác định được các chất ô nhiễm trong không khí mà phần lớn những chất đó có mặt trong khí xả của động cơ đốt trong. Bảng dưới đây cho thấy sự gia tăng nồng độ một cách đáng ngại của một số chất ô nhiễm trong bầu khí quyển:

Tùy theo chính sách năng lượng của mỗi nước, sự phân bố tỷ lệ phát sinh ô nhiễm của các nguồn khác nhau không đồng nhất. Bảng dưới đây cho thấy tỷ lệ khí thải từ ôtô cao nhất theo thống kê ở Nhật và Mỹ.

Tỷ lệ : tính theo %
Sự hình thành NOx trong động cơ Diesel.
Quá trình cháy trong động cơ diesel gồm hai giai đoạn: giai đoạn cháy đồng nhất diễn ra ngay sau kì cháy trễ và giai đoạn cháy khuếch tán. Sự phân bố nhiệt độ và thành phần khí cháy trong không gian buồng cháy là không đồng nhất. Trong buồng cháy động cơ diesel luôn tồn tại những khu vực hay các “túi” không khí có nhiệt độ thấp. Nhờ bộ phận không khí này mà NOx hình thành trong buồng cháy động cơ diesel và được làm mát.

Mặt khác, nhiệt độ cực đại là yếu tố ảnh hưởng lớn đến sự hình thành NOx trong quá trình cháy của động cơ diesel. Trong mọi loại động cơ, sản phẩm cháy của bộ phận nhiên liệu cháy trước tiên trong chu trình đóng vai trò quan trọng nhất đối với sự hình thành NOx. Vì sau khi hình thành, bộ phận sản phẩm cháy đó bị nén làm nhiệt độ gia tăng, do đó làm tăng nồng độ NOx. Ngoài ra ở các động cơ diesel tăng áp, sự gia tăng áp suất dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ khi cháy cũng là nguyên nhân làm tăng nồng độ NOx.

Hiện nay đang tồn tại một vài công nghệ ứng dụng để giảm bớt lượng khí thải ở động cơ diesel, nhưng Cơ quan bảo vệ môi trường của Mỹ (gọi tắt là EPA) và hiệp hội công nghiệp ôtô vẫn đang tiến hành các biện pháp đánh giá và phát triển công nghệ động cơ diesel sạch (gọi tắt là CDC), dựa vào đó cải tiến một vài công nghệ tốt nhất để thiết kế ra một động cơ vừa đáp ứng được yêu cầu về khí thải sạch, công suất cao mà giá thành hợp lý.

Công nghệ giảm lượng khí thải ở động cơ diesel

Động cơ diesel sạch (CDC) là gì?
Phương pháp thiết kế CDC xoay quanh một loạt mẫu thiết kế thay đổi động cơ diesel truyền thống nhằm làm giảm lượng khí NOx sinh ra, duy trì những ưu điểm và cải thiện một cách hiệu quả động cơ diesel. Bản chất của công nghệ CDC là phát triển khả năng không chế lượng NOx sinh ra trong xilanh. Lượng NOx sinh ra được giảm đi đáng kể trong buồng đốt của động cơ nhưng không hề ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ. Nghiên cứu của EPA ban đầu đã chứng minh được rằng với thiết kế mới của động cơ diesel, lượng NOx sinh ra bên trong xi lanh thấp hơn rất nhiều so với mức thông thường trong công nghiệp.

Những đặc trưng mang tính bí quyết của công nghệ CDC.

• Hệ thống nhiên liệu của EPA : Sử dụng hệ thống nhiên liệu kiểu tăng áp bằng thủy lực để giảm muội than và giảm lượng khói sinh ra, tăng hiệu suất của động cơ.
• Hệ thống tăng áp: Tăng công suất của động cơ và tăng hiệu quả của quá trình cháy, như vậy làm giảm lượng khí cháy sinh ra và tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu.
• Khí xả có áp suất thấp: nhiệt độ cực đại là nguyên nhân chính ảnh hưởng đến sự hình thành NOx trong quá trình cháy của động cơ diesel do vậy sự hình thành khí NOx sẽ giảm đi nếu giảm bớt nhiệt độ buồng cháy.
• Muội than đã qua xử lý: giảm bớt lượng khói thừa và lượng hiđro-cácbon (HC) không cháy hết, các-bon ôxít trong khí xả giảm thiểu, do vậy phù hợp tiêu chuẩn đặt ra trong tương lai.

Những thách thức mà công nghệ này phải đối mặt đó là giảm hạt khí thải sinh ra trực tiếp từ động cơ, chứng minh được sự thiết thực của việc áp dụng công nghệ này trên thực tiễn thế giới, giữ được giá trị/mức độ bền vững, từng bước tiếp cận những tiêu chuẩn chặt chẽ về khí thải của động cơ diesel trong tương lai. EPA vẫn đang tiếp tục hoàn thiện để phát triển công nghệ này bằng việc tập trung vào đáp ứng những yêu cầu đó.

Lợi ích của công nghệ CDC.

Công nghệ CDC là một công nghệ tiên tiến trong việc giảm thiểu khí thải có hại ở động cơ diesel, nó mang lại những lợi ích như sau:
• Giảm chi phí: Việc khống chế được lượng NOx sinh ra trong xi lanh (NOx được giảm đi trong buồng cháy động cơ) được thực hiện hết sức đơn giản theo yêu cầu giống như các biện pháp xử lý thông thường (các biện pháp xử lý thông thường làm giảm lượng khói, muội than, và hidro-cacbon)
• Giảm lượng khí thải: đạt được mức độ khí thải sạch phù hợp với các quy định trong Tiêu chuẩn khí thải ở động cơ công suất lớn năm 2007/2010 và Tiêu chuẩn Tier 2 mà không cần áp dụng các biện pháp sau xử lí NOx thông thường.
• Mang tính ứng dụng cao: phù hợp với cả động cơ diesel công suất nhỏ và công suất lớn.

Công nghệ tiến tiến đạt được những tiêu chuẩn cao về khí thải.

Công nghệ mới của EPA – áp dụng cho cả động cơ công suất lớn năm 2007 và Tiêu chuẩn Tier 2 cho các phương tiện chở khách - đã giảm được từ 77% đến 95% lượng khí NOx và muội than. Ngày nay một vài phương pháp sử lí khí NOx đang được khảo sát, nghiên cứu để có thể đạt được những tiêu chuẩn khí thải trong tương lai, nhưng các biện pháp chủ yếu để giảm lượng NOx sinh ra là sử dụng các thiết bị NOx sau xử lí. Lượng NOx sinh ra ở buồng đốt sau khi xử lí bằng thiết bị đi kèm được đưa vào hệ thống xả của động cơ.

Nghiên cứu trong công nghệ CDC cho thấy rằng giá trị kinh tế mà nó mang lại có độ tin cậy cao hơn là biện pháp giảm lượng NOx bằng phương pháp sau xử lí. Công nghệ CDC có thể là một biện pháp hữu hiệu để đạt được các tiêu chuẩn nghiêm ngặt về khí thải động cơ diesel trong tương lai.

Hiện nay, EPA đang tích cực thảo luận với các đối tác tiềm năng khác về công nghệ CDC để tiếp tục thúc đẩy các nghiên cứu và có thể áp dụng công nghệ đó vào trong các sản phẩm tương lai.