Sự hình thành chất độc hại trong khí xả động cơ diessel trang bị hệ thống nhiên liệu Common rail và giải pháp giảm thiểu

Nâng cao chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật (tiêu hao nhiên liệu, tiếng ồn,...) Giảm thiểu ô nhiêm môi trường Một trong những vấn đề cấp bách được đặt ra hiện nay đối với con người trong quá trình phát triển là sự cạn kiệt nguồn tài nguyên – nhiên liệu hóa thạch và ô nhiễm môi trường. Vì vậy mà các công nghệ mới ra đời ra đời đều hướng đến mục đích tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường. Trên thế giới ôtô là phương tiện giao thông phổ biến nhất hiện nay và là một trong các tác nhân chính gây ô nhiễm môi trường không khí. Do đó, vấn đề cải tiến công nghệ đối với động cơ ôtô, nhằm tiết kiệm nhiên liệu và bảo vệ môi trường càng trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết. Đối với động cơ diesel, do những đặc thù riêng về cấu tạo và nguyên lý hoạt động nên việc cải tạo động cơ theo hướng trên thường tập trung chủ yếu vào cải tiến hệ thống nhiên liệu của động cơ. Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, hệ thống nhiên liệu trên động cơ diesel cũng có những sự thay đổi lớn so với ban đầu. Ngày nay trên các động cơ diesel hiện đại, hệ thống nhiên liệu được điều khiển hoàn toàn bằng điện tử nhờ vào máy tính và các thiết bị điện tử siêu chính xác, mà điển hình là hệ thống nhiên liệu Common rail. Hệ thống nhiên liệu mới này giúp cho động cơ tiết kiệm nhiên liệu, nâng cao công suất và giảm sự phát thải chất độc hại của khí thải. Hệ thống nhiên liệu Common rail được khá nhiều hãng sản xuất động cơ chế tạo và được sử dụng rộng rãi trên các ôtô ở các nước phát triển, đặc biệt là Châu Âu. Đây là một trong những công nghệ đáp ứng được những yêu cầu mới trong quá trình phát triển, và là lựa chọn tốt nhất trong tương lai gần đối với động cơ diesel.

CHỦ ĐỀ NHÓM 5: Sự hình thành chất độc hại trong khí xả động cơ diessel trang bị hệ thống nhiên liệu Common rail và giải pháp giảm thiểu

ĐẶT VẤN ĐỀ

- Nâng cao chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật (tiêu hao nhiên liệu, tiếng ồn, )

- Giảm thiểu ô nhiêm môi trườngMột trong những vấn đề cấp bách được đặt ra hiện nay đối với con người trongquá trình phát triển là sự cạn kiệt nguồn tài nguyên – nhiên liệu hóa thạch và ô nhiễmmôi trường Vì vậy mà các công nghệ mới ra đời ra đời đều hướng đến mục đích tiếtkiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường Trên thế giới ôtô là phương tiện giaothông phổ biến nhất hiện nay và là một trong các tác nhân chính gây ô nhiễm môitrường không khí Do đó, vấn đề cải tiến công nghệ đối với động cơ ôtô, nhằm tiếtkiệm nhiên liệu và bảo vệ môi trường càng trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết Đối vớiđộng cơ diesel, do những đặc thù riêng về cấu tạo và nguyên lý hoạt động nên việc cảitạo động cơ theo hướng trên thường tập trung chủ yếu vào cải tiến hệ thống nhiên liệucủa động cơ Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, hệ thống nhiên liệu trênđộng cơ diesel cũng có những sự thay đổi lớn so với ban đầu Ngày nay trên các động

cơ diesel hiện đại, hệ thống nhiên liệu được điều khiển hoàn toàn bằng điện tử nhờvào máy tính và các thiết bị điện tử siêu chính xác, mà điển hình là hệ thống nhiênliệu Common rail Hệ thống nhiên liệu mới này giúp cho động cơ tiết kiệm nhiên liệu,nâng cao công suất và giảm sự phát thải chất độc hại của khí thải Hệ thống nhiên liệuCommon rail được khá nhiều hãng sản xuất động cơ chế tạo và được sử dụng rộng rãitrên các ôtô ở các nước phát triển, đặc biệt là Châu Âu Đây là một trong những côngnghệ đáp ứng được những yêu cầu mới trong quá trình phát triển, và là lựa chọn tốtnhất trong tương lai gần đối với động cơ diesel

ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Phát thải khí xả của Động cơ diesel trang bị hệ thống nhiên liệu Common rail

PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Cơ sở lý thuyết của việc hình thành chất độc hại trong khí thải động cơdiesel và giải pháp giảm thiểu

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

- Nắm vững cơ sở lý thuyết của việc hình thành chất độc hại trong khí xảđộng cơ diesel, lý giải một cách khoa học nhất về sự hình thành phát

1

thải các chất độc hại trong khí thải động cơ diesel trang bị hệ thốngnhiên liệu Common rail từ đó đề xuất các giải pháp để giảm thiểu phátthải độc hại trong khí xả của ô tô nhằm: cải tạo một số tính năng kĩthuật để nâng cao hiệu quả làm việc của động cơ, tiết kiệm nhiên liệu

và bảo vệ môi trường

Hình a: Đặc tính các thành phần độc hại của động cơ diesel theo λ

1.1.1 Monoxit cacbon (CO)

Monoxit cac bon được hình thành

từ phản ứng:

2C + O2 = 2CO

Trong quá trình giãn nở:

CO + 2H2O = CO2 + H2

Trong điều kiện nhiệt độ:

λ tăng, ban đàu CO giảm do nồng độ ô xy tăng và đạt cực tiểu tại λ ≈ 2 Tiếp tục tăng λ,

CO tăng do tỷ lệ tái hợp của CO với ô xy trong quá trình giãn nở giảm đi nên lượng COcòn lại trong khí thải tăng lên

1.1.2 Hydro cacbon (HC)

Hàm lượng HC chưa cháy ở khu vực nghèo như Hình b phụ thuộc vào nhiều yếu

tố như: lượng nhiên liệu phun trong thời kỳ cháy trễ, tỷ lệ không khí kéo theo vào tiaphun và những điều kiện lý hóa ảnh hưởng đến sự tự cháy của nhiên liệu xylanh

Hình b: Sự phân bố nhiên liệu tia phun

Do λ lớn nên C n H m trong động cơ diesel so với động cơ xăng cũng nhỏ hơn Khi λ

tăng, nhiệt độ cháy giảm nên phần nhiên liệu không cháy được C n H m sẽ tăng lên Đối vớiphương pháp hỗn hợp màng, do hiệu ứng sát vách ảnh hưởng mạnh nên C n H m lớn hơn sovới trường hợp hỗn hợp thể tích Nếu tổ chức xoáy lốc và hòa trộn tốt trong quá trìnhhình thành hỗn hợp, thành phần C n H m sẽ giảm

1.1.3 Oxit nito (NO x )

NOx được hình thành chủ yếu ở điều kiện áp suất và nhiệt độ cao (từ 28000F

-15000C) Trên thực tế, nhiệt độ càng cao, lượng NOx sinh ra càng nhiều

3

Khi λ tăng, nhiệt độ cháy giảm nên thành phần NO x giảm Phương pháp hình thànhhỗn hợp có ảnh hưởng lớn đến thành phần NO x Đối với buồng cháy ngăn cách, quá trìnhdiễn ra ở buồng cháy phụ rất thiếu ô xy nên mặc dù nhiệt độ lớn nhưng NO x vẫn nhỏ Khicháy ở buồng cháy chính , mặc dù λ rất lớn , ô xy nhiều nhưng nhiệt độ quá trình cháykhông lớn nên nên NO x cũng nhỏ Tổng hợp lại, NO x của động cơ buồng cháy ngăn cáchchỉ bằng khoảng ½ so với ở độn cơ buồng cháy thống nhất.

NO được hình thành trong quá trình cháy rớt trong xy-lanh tại vùng nhiệt độ cao,

cơ chế hình thành NO được chấp nhận rộng rãi là cơ chế được đưa ra bởi Zendovich

N2 + O t o>1500⇒ 0C NO + N

N + O2t o>15000C

⇒ NO + O

N + OH t o>1500⇒ 0C NO + HĐối với động cơ diesel, NO2 có thể chiếm từ 10% đến 30% trong thành phần NOx theo phản ứng sau:

NO + HO2 => NO2 + OHTrong điều kiện nhiệt độ cao:

NO2 + O => NO + O2

1.1.4 Phát thải hạt (P-M)

Thành phần PM gồm cácthành phần chính sau: Cacbon, dầu bôi trơn không cháy, nhiên liệu chưa cháy, sun phat…

Bồ hóng hình thành theo các quá trình: tạo hạt cơ sở, hình thành theo các hạt bồ hóng, phát triển và oxy hóa hạt bồ hóng Tốc độ tạo bồ hóng là hiệu số giữa tốc độ sản sinh và tốc độ oxy hóa bồ hóng (hình 2.5)

Các hạt P-M có kích thước từ 0,01 đến 1μmm Phần lớn hạt có kích thước nhỏ hơn 0,3μmm nên rất dễ bị hít vào và gây tổn thương cho đường hô hấp và phổi Thành phần của P-M phụ thuộc rất nhiều vào chế độ làm việc của động cơ và phương pháp hình thành khíhỗn hợp Thông thường, trong P-M chứa:

- 40% dầu bôi trơn

- 31% bồ hóng

- 14% các muối sun-phát ngậm nước

- 7% nhiên liệu điesel

là NO xvà bồ hóng

2.1 Ảnh hưởng của góc phun sớm và tối ưu hoá hệ thống phun

Ảnh hưởng của chất lượng hệ thống phun đối với động cơ phun trực tiếp lớn hơnđối với động cơ phun gián tiếp về phương diện phát sinh ô nhiễm Trong cả hai trườnghợp, sự thay đổi góc phun sớm có ảnh hưởng ngược nhau đối với sự phát sinh NO x, HC

và bồ hóng Tăng góc phun sớm làm tăng áp suất cực đại và nhiệt độ quá trình cháy, do

đó làm tăng nồng độ NO Thông thường, động cơ phun trực tiếp có góc phun sớm lớnhơn nên phát sinh NO nhiều hơn động cơ có buồng cháy ngăn cách Giảm góc phun sớm

là biện pháp hữu hiệu làm giảm nồng độ NO x trong khí xả Tuy nhiên việc giảm góc phunsớm cần phải xem xét đến chế độ tốc độ và chế độ tải để tránh sự gia tăng suất tiêu haonhiên liệu

5

Mặt khác, khi tăng góc phun sớm, do quá trình cháy trễ kéo dài, lượng nhiên liệuhòa trộn trước với hệ số dư lượng không khí lớn gia tăng Hỗn hợp này khó bén lửa do đóchúng thường cháy không hoàn toàn và phát sinh nhiều CO Do thời gian bén lửa kéo dài,nhiên liệu phun ra có thể bám trên thành buồng cháy, đó là nguồn phát sinh HC.Đối vớiđộng cơ phun trực tiếp, sự giảm góc phun sớm làm tăng độ khói và cũng làm tăng suấttiêu hao nhiên liệu nhưng làm giảm nồng độ NOx và thành phần SOF Đốivới động cơdiesel cỡ lớn, giảm góc phun sớm có thể làm giảm đi 50% nồng độ NO trong khí xả Đốivới động cơ có buồng cháy ngăn cách, giảm góc phun sớm làm làm tăng nồngđộ HCnhưng làm giảm nồng độ NO và bồ hóng, đặc biệt là ở chế độ đầy tải Khi góc phun sớmthay đổi từ 8 đến 23 độ trước ĐCT, lượng bồ hóng tăng gấp đôi theo chu trình thử FTP75đối với một động cơ buồng cháy ngăn cách Sự thay đổi góc phun sớm phù hợp theo tốc

độ và tải cho phép chọn được vị tríđiều chỉnh tối ưu hài hòa giữa nồng độ các chất ônhiễm và hiệu suất động cơ

Tốc độ phun cao (nhờ tăng áp suất phun) có ảnh hưởng đến quá trình phát sinh ônhiễm của động cơ phun trực tiếp Thật vậy, do tăng tốc độ hòa trộn nhiên liệu và khôngkhí, lượng nhiên liệu cháy ở điều kiện hòa trộn trước gia tăng, do đó nồng độ NO x tăngnhưng lượng bồ hóng giảm Tuy nhiên sự gia tăng áp suất phun làm tăng lượng hạt rắn do

tăng lượng phát sinh SOF Sử dụng vòi phun có nhiều lỗ phun đường kính bé làm tăngchất lượng hòa trộn không khí và nhiên liệu do kích thước hạt nhiên liệu giảm, hỗn hợpbốc cháy dễ dàng hơn, bù trừ được sự phun trễ do đó làm giảm NO x Với cùng lượng phátthải NO x cho trước, sự gia tăng số lượng lỗ phun làm giảm nồng độ bồ hóng.

Đối với động cơ phun trực tiếp, áp suất phun tối ưu thay đổi từ 75 đến 100Mpa tùytheo chế độ động cơ Vượt quá áp suất này, với cùng lượng phát sinh NO x, lượng hạt rắnphát sinh giảm nhưng suất tiêu hao nhiên liệu và độ ồn của quá trình cháy gia tăng do sựtăng đột ngột của áp suất Điều này có thể khắc phục được bằng cách dùng một tia phunmồi

Quy luật phun cũng có ảnh hưởng quan trọng đến quá trình phát sinh các chất ônhiễm Thời gian phun rút ngắn, áp suất phun cao cho phép gia tốc quá trình cung cấpnhiên liệu dẫn đến giảm lượng HC không cháy hết Các tiến bộ mới đây về kĩ thuật phunnhằm giảm mức độ phát sinh ô nhiễm bao gồm quy luật phun hai giai đoạn, quy luậtphun hình chữ nhật (phun đều đặn nhiên liệu và cắt nhanh khi kết thúc phun) để tránhhiện tượng phun rớt Phun rớt là nguyên nhân làm tăng hydrocacbure chưa cháy và hạtrắn trong khí xả động cơ

Đối với động cơ có buồng cháy ngăn cách, sự khống chế lưu lượng nhiên liệu kèmtheo việc giảm góc phun sớm có thể làm giảm 30% lượng NO x trong khí thải nhưng làmtăng lượng HC lên 100%, CO lên 70% và bồ hóng lên 150% Để có thể đảm bảo qui luậtphun phù hợp ở mọi chế độ làm việc của động cơ cả về phương diện phát ô nhiễm lẫntính năng kinh tế-kĩ thuật, trên những động cơ thế hệ mới hiện nay người ta sử dụng cảmbiến λ lắp trên đường xả Kết hợp thông số cho bởi cảm biến này với các cảm biến ápsuất, nhiệt độ khí nạp và tốc độ động cơ người ta co thể điều khiển chính xác thời điểmphun và lượng nhiên liệu cung cấp cho mỗi chu trình Giải pháp này đặc biệt có lợi đốivới động cơdiesel lắp trên ô tô nhằm giảm độ khói khi gia tốc

2.2 Ảnh hưởng của dạng hình học buồng cháy

Dạng buồng cháy hợp lí cho phép tránh được lớp nhiên liệu bám trên thành do đógiảm được nồng độ HC trong khí xả Đối với động cơ phun trực tiếp, biện pháp có hiệuquả nhất để làm giảm nồng độ bồ hóng là gia tăng cường độ rối và kết hợp với việc sửdụng vòi phun nhiều lỗ Buồng cháy tốt cần thỏa mãn các điều kiện sau đây:

- Hành trình tự do của tia nhiên liệu trong buồng cháy lớn

- Bề mặt buồng cháy trên piston đủ lớn để tránh sự giao thoa của các tia phun

- Cường độ rối cao trong vùng phân bố tia nhiên liệu

- Tiếp tục duy trì được vận động rối của dòng khí trong buồng cháy sau ĐCT

7

Việc gia tăng áp suất trong buồng cháy đơn thuần có khuynh hướng thuận lợi cho

sự hình thành bồ hóng Tuy nhiên, sự gia tăng áp suất cực đại sẽ làm tăng đồng thời nhiệt

độ khí cháy cho phép gia tăng tốc độ oxy hóa bồ hóng nên lượng bồ hóng trong khí xảkhông tăng Sự gia tăng áp suất làm tăng độ ồn và sự phát sinh NO x.Đối với động cơ phuntrực tiếp, tỉ lệ nén cao cho phép khởi động dễ dàng ở nhiệt độ thấp Sự gia tăng tỉ số nénvừa phải đồng thời cũng làm giảm HC và thành phần SOF của hạt rắn Khi tỉ số nén tăngquá cao, động cơ sẽ phát sinh nhiều bồ hóng ở chế độ đầy tải Vì vậy ở động cơ có tỉ sốnén lớn, cần phải thiết kế dạng buồng cháy tối ưu cho phép tăng cường sự dịch chuyểncủa dòng không khí thuận lợi cho việc đốt cháy bồ hóng

Để tăng cường tốc độ đốt cháy bồ hóng, người ta thiết kế thêm một buồng chứakhông khí bổ sung ở động cơ phun trực tiếp Buồng không khí bổ sung này lưu trữ khôngkhí trong kì nén và lượng không khí đó sẽ cung cấp lại cho buồng cháy động cơ ở kì giãn

nở để tạo điều kiện oxy hóa hạt bồ hóng Tuy nhiên, kết cấu này làm tăng suất tiêu haonhiên liệu Ở động cơ phun gián tiếp, buồng không khí bổ sung cho phép làm giảm 40%lượng bồ hóng phát sinh và làm gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu thêm 3%

Đối với động cơ có buồng cháy ngăn cách, sự gia tăng tỉ lệ giữa thể tích buồngcháy phụ và buồng cháy chính cho phép giảm sự hình thành bồ hóng nhờ tăng cườngthêm không khí cho buồng cháy phụ Tiết diện đường thông giữa hai buồng cháy khốngchế cường độ rối sinh ra ở thời điểm dịch chuyển lượng khí cháy từ buồng cháy phụ sangbuồng cháy chính Giảm nhỏ tiết diện này sẽ làm giảm nồng độ bồ hóng ở chế độ đầy tảinhưng làm tăng lượng bồ hóng ở chế độ tải cục bộ Trong thiết kế, tiết diện tối ưu củađường nối này được chọn ở chế độ đầy tải

2.3 Ảnh hưởng của vận động rối trong buồng cháy

Sự rối phát sinh trong quá trình nạp có ảnh hưởng trái ngược nhau giữa sự phátsinh NO x, tiếng ồn, HC và bồ hóng Để làm giảm mức độ ảnh hưởng của giai đoạn hỗnhợp đậm đặc đến sự phát sinh bồ hóng trong cylindre, cần tăng hiệu quả của việc hòa trộnnhiên liệu-không khí ngay từ lúc bắt đầu giai đoạn cháy trễ (tăng cường xoáy lốc) Nhưngđiều này gây nhược điểm là làm tăng áp suất cực đại trong buồng cháy cùng với sự tăngtiếng ồn và mức độ phát sinh NO x

Hướng tia phun trong buồng cháy dự bị cho phép điều chỉnh được tốc độ hòa trộnnhiên liệu-không khí, do đó cải thiện sự phát sinh bồ hóng Hướng tia phun cũng ảnhhưởng đến lượng nhiên liệu bám trên thành và đó là nguồn phát sinh HC Vị trí của vòiphun trong buồng cháy phụ cũng có ảnh hưởng đến sự hình thành NO x

2.4 Ảnh hưởng của chế độ làm việc của động cơ và chế độ quá độ

Khi giảm tốc độ động cơ từ 750 đến 680 v/phút, nồng độ các chất ô nhiễm đềugiảm khi đo theo chu trình FTP75: HC (-14%); CO(-2%); NO (-3%) và bồ hóng (-5%)

Trong thử nghiệm động cơ theo chu trình tiêu chuẩn cũng như trong thực tế, sự thay đổichế độ tốc độ là yếu tố làm gia tăng sự phát ô nhiễm Nồng độ bồ hóng trong khí xảđộngcơ diesel gia tăng rất mạnh khi gia tốc vì độ đậm đặc trung bình của hỗn hợp giatăng Lượng gia tăng này càng lớn khi thời gian gia tốc càng dài Để giảm thời gian giatốc, cần phải tối ưu hóa việc thiết kế động cơ để có thể:

- Giảm momen quán tính các bộ phận chuyển động quay

- Giảm thể tích các bộ phận nạp thải

- Giảm nhiệt dung riêng của hệ thống làm mát

- Gia tăng công suất dự trữ

2.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ khí

Giảm nhiệt độ khí nạp sẽ làm giảm nhiệt độ cực đại của quá trình cháy và do đónồng độ NOx cũng giảm Vì vậy, ở động cơ tăng áp người ta có khuynh hướng làm mátkhí sau máy nén để đảm bảo nhiệt độ khí nạp không vượt quá 500 độ C Nhưng sự làmmát khí nạp có thể kéo dài thời kì cháy trễ làm tăng mức độ phát sinh ô nhiễm như đã nêu(những giọt nhiên liệu bám vào thành cylindre làm tăng thành phần HC và bồ hóng trongkhí xả) Khi khởi động động cơ ở trạng thái nguội, sự sấy buồng cháy hay sấy khí nạp làcần thiết để làm giảm mức độ phát sinh HC và khói trắng Việc sấy nóng khí nạp có thểthực hiện nhờ nến điện hay bằng cách đốt trước một ít nhiên liệu trong khí nạp Nhiệt độcủa khí đường thải cũng ảnh hưởng đến sự phát sinh ô nhiễm, nhất là đối với thành phần

HC Thật vậy, ở chế độ tải thấp, HC ngưng tụ trên đường thải rồi bốc hơi lại khi tăng tảilàm tăng nồng độ HC Đường thải bằng vật liệu gốm cho phép tái oxy hóa bồ hóng và

HC, nhưng làm tăng NO x Động cơ diesel phun trực tiếp có buồng cháy bằng vật liệugốm, không làm mát cho phép làm giảm được nồng độ các chất ô nhiễm ở chế độ tảithấp Nhưng khi tải cao, nồng độ NO x và bồ hóng đều tăng dù nhiệt độ thành buồng cháycao cho phép tái đốt cháy bồ hóng ở cuối chu trình

2.6 Ảnh hưởng của tăng áp

Monoxy carbon CO hình thành là do quá trình cháy thiếu không khí, đặc biệt là ởtải cao Do đó, tăng áp là biện pháp hữu hiệu làm giảm CO Lượng không khí thừa dotăng áp đồng thời cũng cho phép tái đốt cháy bồ hóng, bù trừ lượng tăng bồ hóng do khí

xả hồi lưu mang vào buồng cháy Hệ thống hồi lưu khí xả trong trường hợp động cơ tăng

áp có thể làm giảm 50% lượng NO x mà không làm tăng bồ hóng

2.7 Ảnh hưởng của hệ thống hồi lưu khí xả

Mặc dù tỉ lệ khí hồi lưu lớn gây tác hại xấu đối với động cơ (tăng mài mòn) nhưng

nó có tác dụng đáng kể trong việc làm giảm NO x do giảm nhiệt độ cháy Đối với động cơphun trực tiếp làm việc với nhiệt độ khí nạp từ 40-600 độ C (làm việc ở các hầm mỏ), hệ

9

thống hồi lưu khí xả có thể làm giảm 30% và 50% nồng độ NO x theo thứ tự Nếu làm ẩmthêm không khí nạp, cùng điều kiện làm việc như trên mức độ giảm NOx có thể đạt đến50% và 85% theo thứ tự Tuy nhiên, hồi lưu khí xả có tác động xấu đối với các chất ônhiễm khác: làm tăng nồng độ CO và bồ hóng, ngay cả khi thêm hơi nước Phun hơinước cho phép hạn chế phản ứng cracking tạo bồ hóng nhờ giảm nhiệt độ cháy Đối vớiđộng cơ buồng cháy ngăn cách, nồng độ bồ hóng gia tăng trước hết chậm, sau đó tăngnhanh theo lượng nước phun vào buồng cháy phụ; biến thiên của nồng độ CO và HCcũng tương tự Hơi nước chỉ có tác dụng làm giảm nồng độ NO Sự điều chỉnh tỉ lệ khí xảhồi lưu cần được căn cứ theo tải và theo tốc độ Hệ thống điện tử cho phép điều chỉnh vanhồi lưu khí xả theo các đường đặc tính chọn trước: cắt lượng khí xả hồi lưu khi động cơnguội; sau đó lượng khí xả hồi lưu tăng dần phụ thuộc nhiệt độ nước làm mát, áp suấtmôi trường, lượng nhiên liệu cung cấp Mặt khác, hệ thống cũng cắt lượng khí hồi lưu ởchế độ gia tốc lớn để hạn chế nồng độ bồ hóng Hồi lưu khí xả tối ưu cho phép giảm được40% NOx mà không làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu cũng như không làm tăng CO và

bồ hóng Kết hợp với tăng áp, hệ thống hồi lưu khí xả cho phép làm giảm đồng thời NOx,

HC và bồ hóng

2.8 Điều khiển vòi phun và hệ thống hồi lưu khí xả

Việc điều chỉnh các thông số công tác động cơ thường có tác dụng mâu thuẫnnhau đối với các chất ô nhiễm khác nhau Tuy nhiên, do mức độ ảnh hưởng đó khôngđồng đều ở các điểm làm việc khác nhau của động cơ nên ở mỗi chế độ công tác ta có thểlựa chọn một bộ thông số điều khiển tối ưu đối với các chất ô nhiễm HC, NO x và bồhóng Việc điều khiển phức tạp như vậy chỉ có thể thực hiện được nhờ hệ thống điện tử

Hệ thống điều khiển điện tử phải thỏa mãn các điều kiện sau:

- Độ chính xác cao và nhạy, làm việc ổn định theo thời gian

- Có khả năng điều chỉnh theo nhiều thông số

- Mềm dẻo trong lập chương trình hệ thống điều khiển để có thể áp dụng trong các điềukiện sử dụng ô tô khác nhau (tùy theo yêu cầu của luật môi trường của từng quốc gia)

- Thực hiện việc điều chỉnh động cơ theo những chỉ tiêu cho trước Thêm vào đó, hệthống phải hoạt động tin cậy trong mọi tình huống, phải được bảo vệ chống nhiễu vàchống hỏng hóc, bảo trì dễ dàng nhờ hệ thống chẩn đoán nhanh Khi hoạt động, máy tínhđiều khiển chuyên dụng nhận số liệu từ các cảm biến: vị trí thanh răng hay cần gia tốc, vịtrí kim phun, tốc độ động cơ, nhiệt độ không khí nạp,nhiệt độ nhiên liệu, nhiệt độ nướclàm mát, áp suất trong xilanh, Sau khi xử lí, máy tính phát tín hiệu điều khiển đến bộphận chấp hành Bộ phận này sẽ tác động lên cơ cấu điều khiển lượng nhiên liệu chutrình, thời điểm bắt đầu phun, lượng khí xả hồi lưu, tỉ số truyền của hộp số Hệ thống điềukhiển điện tử hoàn hảo như vậy cho phép làm giảm đồng thời nồng độ bồ hóng, NO x vàtăng tính kinh tế của động cơ so với hệ thống điều khiển cơ khí, đặc biệt là kết hợp bộ

điều khiển quá trình phun và điều khiển góc phun sớm, mức độ phát ô nhiễm của động cơ

có thể giảm đi 3 lần

2.9 Ảnh hưởng của việc giới hạn tốc độ ô tô đến mức độ phát sinh ô nhiễm

Khi ô tô hoạt động ổn định người ta thấy nồng độ CO đạt cực tiểu ở tốc độ80÷90km/h, nồng độ HC giảm dần đến khi tốc độ đạt khoảng 100km/h sau đó tăng lênchậm còn nồng độ NO x tăng từ từ đến khi tốc độ động cơ đạt 70÷80km/h sau đó tăngmạnh, nhất là đối với động cơ có dung tích cylindre lớn Các kết quả đo đạc trên chu trình

có điều kiện thử gần với điều kiện vận hành thực tế cho thấy giới hạn tốc độ ít gây ảnhhưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm Khi giảm mạnh giới hạn tốc độ, nồng độ NO x cóthể giảm đi vài phần trăm, nhưng làm tăng đôi chút CO, HC Khi tăng tốc độ ô tô, nhờ sựrối của không khí phía sau xe, các chất ô nhiễm thải ra khỏi ống xả khuếch tán nhanhchóng trong không gian, làm giảm nồng độ cục bộ của chúng trong môi trường.Trên xa lộChâu Âu, tốc độ giới hạn là 130km/h Khi đại bộ phận ô tô giảm tốc độ từ 119 đến107km/h người ta thấy nồng độ các chất ô nhiễm trong bầu không khí quanh hệt hống xa

lộ giảm đi đáng kể: -12% đối với CO; -1,7% đối với HC và -10,5% đối với NO x.Một thínghiệm khác được thực hiện bằng cách giảm tốc độ giới hạn từ 100 xuống 60km/h trênmột bộ phận xa lộ người ta nhận thấy lượng NO x giảm đi 50% trong 6 tháng

2.10 Ảnh hưởng của nhiên liệu Diesel

Chúng ta sẽ khảo sát sau đây ảnh hưởng của khối lượng riêng, chỉ số cetane, thànhphần lưu huỳnh, các chất phụ gia đến mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ diesel Cácchất ô nhiễm quan tâm như động cơ đánh lửa cưỡng bức nhưng phải thêm vào những hạtrắn và các chất hữu cơ liên quan (SOF) là những chất ô nhiễm đặc biệt ở động cơ diesel

2.10.1 Ảnh hưởng của khối lượng riêng

Sự gia tăng khối lượng riêng của dầu diesel dẫn tới sự gia tăng nồng độ hạt rắn.Hình bên dưới giới thiệu mức độ phát sinh hạt rắn tính theo gam/lít nhiên liệu theo khốilượng riêng ứng với động cơ V8, 10,4 lít chạy 1 ở tốc độ 1700 vòng/phút và một động cơtăng áp14 lít, chạy ở 1700 vòng/phút Tương tự như vậy, nồng độ SOF cũng tăng theokhối lượng riêng

11

2.10.2 Ảnh hưởng của thành phần thơm

Thành phần thơm của nhiên liệu diesel ảnh hưởng trực tiếp đến chỉ số cetane.Nhiên liệu không cháy hết, hạt rắn, SOF gia tăng theo hàm lượng thơm Nồng độ NO x ít

bị ảnh hưởng Động cơ diesel phun trực tiếp, ít bị ảnh hưởng bởi thành phần thơm

2.10.3 Ảnh hưởng của chỉ số cetane

Lượng bồ hóng giảm khi thời gian cháy trễ kéo dài, nghĩa là khi dùng nhiên liệu

có chỉ số cetane thấp Tuy nhiên việc sử dụng nhiên liệu có chỉ số cetane thấp có thể dẫnđến những nhược điểm quan trọng: gia tăng độ ồn nếu quá trình cháy bắt đầu quá muộn,gia tăng lượng nhiên liệu bám trên thành cylindre và buồng cháy làm tăng mức độ phátsinh HC và bồ hóng

Kéo dài thời gian cháy trễ do giảm chỉ số cetane dẫn đến sự gia tăng HC, hạt rắn và CO.Mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ phun gián tiếp: NOx ít bị ảnh hưởng bởi chỉ sốcetane Đối với động cơ có buồng cháy ngăn cách, ảnh hưởng của chỉ số cetane chủ yếuđến bộ phận SOF dẫn xuất (extractible), thành phần hạt rắn không hòa tan dường nhưkhông bị ảnh hưởng

Chỉ số cetane cũng ảnh hưởng đến sự phát sinh khói xanh hay khói trắng, sương mùtrong khí xả gồm những hạt nhiên liệu không cháy, hiện tượng gặp khi khởi động hay khilàm việc trên cao áp suất giảm

2.10.4 Ảnh hưởng của thành phần lưu huỳnh

Thành phần lưu huỳnh là một trong những đặc trưng quan trong được qui địnhnghiêm ngặt đối với nhiên liệu diesel Ở Pháp thành phần lưu huỳnh cho phép là 0,3% ỞChâu Âu, thành phần lưu huỳnh dao động từ 0,05% đến 0,65% Ở Thụy sĩ, thành phần

lưu huỳnh giới hạn 0,2% còn ở California, người ta hướng tới giới hạn 0,05%.Đại bộphận chất ô nhiễm do lưu huỳnh gây ra tồn tại dưới dạng SO2: Nhiên liệuchứa 0,3% lưuhuỳnh thì ở trong khí xả có khoảng 100ppm SO2 Tuy nhiên, một bộ phậnSO2 (khoảng 2đến 3%) bị oxy hóa thành SO3 và acide sulfurique.

Nếu hàm lượng lưu huỳnh cao sẽ làm giảm độ bền của động cơ, tạo muội than rất cứng đóng ở bề mặt piston, làm:

+ Tạo ra các hạt mài mòn rất cứng và lớn

+ Tạo ra các nhân tố tham gia vào quá trình phản ứng trong quá trình cháy: SO x+H2O tạo

ra axit ăn mòn động cơ

2.10.5 Ảnh hưởng của các chất phụ gia

1 Các chất phụ gia kim loại

Các chất phụ gia kim loại dưới dạng muối acide được sử dụng để làm giảm mức

độ phát sinh bồ hóng của động cơ diesel Những kim loại alcalino-terreux (Ca, Ba, Mg,

Fe, Mn, Cu, Ni) thường được sửdụng làm chất phụ gia trong nhiên liệu diesel Nhữngalcalino-terreux, barium và calcium có hiệu quả nhất đối với động cơ phun trực tiếp hayphun gián tiếp Hình bên dưới biểu diễn sự biến thiên của độ đen khí xả theo thành phầnchất phụ gia

2 Các chất phụ gia hữu cơ

Các chất phụ gia hữu cơ cho thêm vào nhiên liệu Diesel nhằm những mục đích khácnhau:

- Để giảm thời kì cháy trễ

- Như là chất ổn định, chống oxy hóa, nâng cao tính ổn định trong quá trình dự trữ

- Như chất tẩy rửa bề mặt để duy trì độ sạch của vòi phun, đây là yếu tố rất quan trọngtrong trường hợp động cơ có buồng cháy dự bị

13

bồ hóng theo tải của động cơmột cylindre phun trực tiếp theo hai giá trị nồng độ nước trong dầu Người ta có thể làm giảm được 70% bồ hóng khi pha vào 10% nước.

Thành phần SOF hấp thụ bởi hạt rắn cũng gia tăng theo tỉ lệ nước Hydrocarbure chưa cháy gia tăng do giảm nhiệt độ cháy; sự gia tăng nhiệt độ khí nạp cũng không phải là mộtbiện pháp kinh tế để bù trừ sự gia tăng HC Người ta nhận thấy rằng thành phần HAP có mặt trong SOF tăng theo thành phần nước.

Sự pha nước vào nhiên liệu không phải là giải pháp hữu hiệu làm giảm ô nhiễm trong quátrình cháy Diesel vì nếu nó làm giảm NO X nhưng lại làm tăng HC và CO, việc làm giảm

bồ hóng còn phụ thuộc vào chế độ tải của động cơ

III Một số giải pháp cụ thể để giảm thiểu phát thải độc hại trong khí xả động cơ ô tô:

Trong khí xả của động cơ điêzen có các thành phần độc hại chính là CO, C n H m, NO X,

và P-M Đặc tính của các thành phần này phụ thuộc vào hệ số dư lượng không khí λ Dobản chất quá trình hình thành hỗn hợp và cháy có những điểm khác biệt với động cơxăng, vì vậy nhiều phương pháp giảm ô nhiễm cũng có tính đặc thù riêng Chúng ta cũng

phân biệt các biện pháp giảm ô nhiễm thành hai nhóm Đó là nhóm các biện pháp liênquan đến động cơ và nhóm các biện pháp xử lý khí thải.

A Các biện pháp liên quan đến động cơ

3.1 Điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp cho chu trình:

- Khi động cơ làm việc ở chế độ tải cực đại tức là với λ rất nhỏ thì các thành phầnđộc hại như CO và P-M rất cao, đặc biệt là P-M với biểu hiện khói đen rõ rệt

- Trên mỗi bơm cao áp đều có cơ cấu hạn chế lượng nhiên liệu cung cấp chu trình

Để tránh không cho động cơ làm việc ở chế độ tải cực đại thì có thể điều chỉnh cơ

17

cấu hạn chế về phía giảm lượng nhiên liệu, do đó giảm các thành phần độc hạinêu trên

3.2 Lựa chọn phương pháp tạo thành hỗn hợp thích hợp:

Hai phương pháp taọ hỗn hợp trong động cơ diesel:

3.2.1 Hình thành hỗn hợp trong buồng cháy thống nhất:

- Toàn bộ thể tích buồng cháy nằm trong môt khoảng không gian thống nhất: nắp xylanh ,đỉnh piston Vòi phun có thể đặt thẳng hay xiên ,loại này rất thôngdụng Nhiên liệu được phun trực tiếp vào buồng đốt và phân bố đều Vòi phun cónhiều lỗ và áp suất phun từ 175 ÷ 200 kg /cm2 Góc độ tia phun và đỉnh piston códạng phù hợp cho tia phun ra hoà trộn đều với không khí để cháy được hoàn toàn

- Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, tổn thất nhiệt ít, tiết kiệm nhiên liệu, khởi động dễ

- Nhược điểm: Tỷ số nén cao, áp suất phun lớn, phải dùng kim phun có nhiều lỗ nên

dễ bị nghẹt

III.2.1.1 Hình thành hỗn hợp trong buồng cháy ngăn cách:

III.2.1.1.1 Hình thành hỗn hợp trong buồng cháy phụ:

- Loại này có buồng đốt phụ đặt trên nắp máy chiếm khoảng 25 ÷ 150 kg/cm2 và bốtcháy ngay 1/3 lượng nhiên liệu phun → áp suất tăng cao đột ngột đẩy phần nhiênliệu còn lại vào buồng đốt chính và đốt cháy hoàn toàn Do nhiên liệu được cháy ởbuồng đốt phụ mà ở buồng đốt chính số nhiên liệu được sấy nóng ,và tán nhuyễnnên cháy tốt Bởi vậy kim phun không cần có lỗ tia nhỏ để tạo sương Loại nàyđược ứng dụng trên động cơ caterpilat, toyota,

- Ưu điểm: Áp suất phun thấp nên dùng kim phun có lỗ ít bị nghẹt Áp suất cháykhông lớn

- Khuyết điểm: Hao nhiên liệu, khó khởi động

III.2.1.2 Hình thành hỗn hợp trong buồng cháy lốc xoáy:

19

- Buồng đốt này thường chiếm từ 50 ÷ 80% thể tích buồng đốt ,có dạng hình trụ hayhình cầu đặt trên nắp xylanh Nó thông với buồng đốt chính trong xy lanh bằng 1 hayvài đường thông có tiết diện lớn đặt tiếp tuyến với phòng đốt xoáy lốc.

- Ưu điểm: Áp suất phun trên kim phun một lỗ khó bị nghẹt, xoáy lốc mạnh tạo điềukiện cháy trọn vẹn

- Khuyết điểm: Tổn thất nhiều nhiên liệu, khó khởi động

III.2.2 Lựa chọn góc phun sớm thích hợp:

Hình 1-1 Các đồ thị mô tả quá trình cháy ở động cơ disel.

a) Đồ thị công khai triển

b) Quy luật phun nhiên liệu dạng tích phân

c) Quy luật phun nhiên liệu dạng vi phân và hệ số tỏa nhiệt

Trong đó:

Cf -Thời điểm nhiên liệu bắt đầu được phun vào buồng đốt;

ci -Thời điểm nhiên liệu phát hỏa;

z’ -Thời điểmáp suất cháy bắt đầu giảm;

ef -Thời điểm kết thúc quá trình phun nhiên liệu;

ec -Thời điểm kết thúc quá trình cháy;

φi -Góc chậm cháy;i -Góc chậm cháy;

θ -Góc phun sớm nhiên liệu

Ảnh hưởng của của góc phun sớm ở động cơ diesel tương tự như ở động cơxăng đã được xét ở trên Cụ thể là, nếu góc phun sớm càng giảm (tính từ góc phunsớm tối ưu) tức là phun càng muộn đi thì nhiệt độ quá trình cháy càng giảm, do đó

NO x giảm và đồng thời cường độ ô xy hóa muội than giảm nên P-M tăng Một sốnghiên cứu về sự thay đổi của thành phần độc hại theo góc phun sớm của hai động

cơ diesel, trong đó một động cơ có buồng cháy thống nhất và động cơ kia có buồngcháy ngăn cách cho kết quả ảnh hưởng của góc phun sớm đến thành phần C n H m làrất nhỏ Nói chung, giảm góc phun sớm là một biện pháp chỉ dùng để giảm NO x.Ngoài ra, có thể sử dụng giải pháp luân hồi khí thải; hệ thống nhiên liệuCommon rail; dùng mê-tha-nol; dùng nhiều xu páp có thể thiết kế vị trí vòi phuncũng như đường nạp thích hợp hơn, hoàn thiện hệ thống phun nhiên liệu (tăng ápsuất phunđối động cơ buồng cháy thống nhất, điều chỉnh qui luật phun đối với hệthống phun điện tử); làm mát khí thải luân hồi; thiết kế hệ thống nạp có thể điềuchỉnh được chế độ xoáy và rối của môi chất; tối ưu hóa hệ thống tăng áp; cải thiệnchất lượng nhiên liệu như tăng số xê-tan, giảm hàm lượng cac-bua thơm và đặc biệt

là giảm hàm lượng tạp chất lưu huỳnh để giảm P-M

B Xử lý khí thải

Đối với động cơ diesel, việc điều chỉnh tải trọng được thực hiện bằng điềuchỉnh chất tức hệ số dư lượng không khí λ thay đổi trong một phạm vi rấtrộng nênkhông thể dùng bộ xử lý ba thành phần (đòi hỏi λ=1) Xử lý khí thải trong động

cơ điêzen bao gồm một số biện pháp thông dụng được trình bày dưới đây

a Xử lý nhiệt

Về nguyên tắc, xử lý nhiệt ở động cơ điêzen cũng giống như động cơ xăng,chủyếu nhằm mục đích giảm các thành phần CO vàC n H m Nói chung, để xử lýnhiệt có hiệu quả nhiệt độ đối với khí thải phải rất cao nên chi đạt được ở chế độtoàn tải Ngoài ra, thể tích bình phải đủ lớn để thời gian lưu thông của khí trongbình đủ lớn cho phản ứng diễn ra triệt để Ví dụ, với động cơ có V h=10 l, nhiệt độkhí thải ở chếđộ toàn tải là 800°C thì thể tích buồng phản ứng tối thiểu là 150 1

21

Do đó, phương pháp xử lý nhiệt dùng cho động cơ ô tô không phù hợp vì chế độtải luôn thay đổi tức ít khi vận hành lâu ở chế độ toàn tải và buồng phản ứng quácồng kềnh nên rất khó bố trí.

b Xử lý xúc tác

* Bộ xử lý xúc tác ô xy hóa với chất xúc tác kim loại, thường dùng là pla-tin, có tác

dụng làm giảm nhiệt độ phản ứng ô xy hóa của C n H m và CO từ 600°C xuống 250°C

Do nhiệt độ thấp nên P-M không được ô xy hóa tiếp Khi nhiệt độ thấp hơn 250°Cthì chỉ có một số C n H m được ô xy tiếp, số còn lại không được xử lý nên khí thải saukhi ra khỏi bộ xử lý vẫn còn mùi nhiên liệu Thông thường để tận dụng nhiệt, bộ xử

lý ô xy hóa được bố trí trước bộ tách lọc muội than Do đó, bề mặt xúc tác của bộ xử

lý ô xy hóa thường bị bám muội than trong quá trình làm việc dẫn đến làm giảmhiệu quả xử lý

* Bộ xử lý xúc tác khử NO x: Dưới tác dụng của chất xúc tác, NO x bị khử và hoànnguyên thành N2 vàH2O Chất xúc tác thường dùng cho đến nay là a-mô-ni-ác (NH3

) Tuy nhiên, do lượng xúc tác cần rất lớn nên bộ xử lý các thiết bị đi kèm rất cồngkềnh Vì vậy, bộ xử lý NO xdùng NH3 cho đến nay chỉ được dùng trong các trạmđộng lực tĩnh tại Thay cho a-mô-ni-ác, hãng Siemens dùng u-rê (NH2)CO ở dạnglỏng trong bộ xử lý xúc tác có tên là SINOX dùng trong các thiết bị động lực cỡ lớn.Một số bộ xử lí NO x với xúc tác là muối u-rê NH2COONH4thay cho u-rê

lí như chất thải công nghiệp Một biện pháp khác dược sử dụng là đưa ngay P-M sautách lọc trở lại đường nạp rồi đi vào trong xy lanh động cơ để đốt Biện pháp này xử

lý triệt để P-M để bảo vệ môi trường nhưng làm tăng tốc độ mài mòn động cơ.Hiện nay, động cơ điêzen hiện đại thường dùng bộ lọc P-M để ngăn và giữ lại ởlõilọc bộ xử lý các tạp chắt rắn chủ yếu là muội than nên còn gọi là bộ lọc Một loại lọcnhư vậy có lõi lọc bằng gốm xốp đặt trong vỏ thép Khi khí thải đi qua các lỗ xốpcủa lõi lọc, các phần tử của muội than sẽ được giữ lại

Tùy theo kết cấu của lõi lọc, người ta chia lọc P-M thành hai loại là lọc bề mặtvàlọc thể tích Các lỗ của lõi lọc bề mặt có đường kính nhỏ hơn kích thước P-M cầnlọc, do đó P-M bám trên bề mặt của lõi lọc Lọc bề mặt có thể lọc tới 80% P-M chủyếu là muội than Tuy nhiên, diện tích bề mặt lồi lọc nhanh chóng bị che phủ bởi P-

M nên sức cản của bộ lọc tăng lên nhanh chóng Trái lại, lọc thể tích có đường kínhcác lỗ rỗng cùa lõi lọc lớn hơn đường kính P-M cần lọc nên các hạt P-M sẽ chui vàolõi lọc và bị giữ lại Rõ ràng là so với bề mặt, lọc thể tích giữ được nhiều P-M hơn

và thời gian giữa hai lần bảo dưỡng lọc dài hơn Tuy nhiên, khả năng lọc của lọc thểtích thấp hơn, chỉ có thể lọc được 40 đến 80% lượng P-M của khí thải

Muội than trong P-M bắt đầu cháy ở 500 đến 550°C, khí thải động cơ chỉ có thểđạt nhiệt độ này ở chế độ tải lớn và toàn tải Do đó, muội than bị giữ lại trong lõi lọchầu hết không thể cháy khi động cơ làm việc bình thường Sau một thời gian làmviệc lượng P-M giữ trong lõi lọc tăng lên làm tăng sức cản của bộ lọc trên đườngthải, do đó phải bảo dưỡng lọc bằng cách đốt P-M trong lõi lọc Quá trình này đượcgọi là tái sinh lọc, thông thường đối với ô tô được thực hiện một lần sau khoảng 50đến 500 km

4 Những nhược điểm của hệ thống nhiên liệu truyền thống:

Dựa cơ sở lý thuyết trong quá trình hoạt động của động cơ sử dụng nhiên liệu Diesel vàkết cấu của một số hệ thống nhiên liệu truyền thống, cho thấy các nhược điểm của côngnghệ phun nhiên liệu truyền thống:

- Đối với vòi phun: Dùng áp suất nhiên liệu trong bơm cao áp nâng kim của vòi phun

để cấp nhiên liệu cho buồng đốt (có áp suất mở vòi phun ít thay đổi - đối với vòi phunkín tiêu chuẩn dùng cho các buồng đốt thống nhất áp suất mở vòi phun vào khoảng 15 ÷

60 MPa)

- Đối với bơm cao áp:

Kết hợp với vòi phun của hệ thống nhiên liệu truyền thống, bơm cao áp tạo ápsuất nhiên liệu tức thời nên áp suất nhiên liệu trong quá trình phun sẽ bị thay đổi làmgiảm độ đồng đều của hạt nhiên liệu trong quá trình phun, đồng thời áp suất phun trungbình khó đạt được giá trị cao nên thời gian phun bị giới hạn không thể rút ngắn Mụcđích của việc rút ngắn thời gian phun là tăng lượng nhiên liệu phun vào xylanh ở giaiđoạn cháy trễ, để tăng tốc độ tăng áp suất ở thời kỳ cháy nhanh, nâng cao công suất vàhiệu suất của động cơ Tuy nhiên nó sẽ làm cho động cơ hoạt động thô bạo

Theo lý thuyết của “Sách nguyên lý động cơ đốt trong của Nguyễn Tất Tiến” thìquy luật phun hợp lý nhất “là lúc bắt đầu phun cần có tốc độ phun nhỏ, áp suất phunthấp để giảm lượng nhiên liệu phun vào xylanh trong giai đoạn cháy trễ Ở giai đoạn

23

giữa và cuối cần tăng tốc độ phun và áp suất phun làm tăng lượng nhiên liệu phun vàoxylanh” Trong công nghệ phun nhiên liệu truyền thống, quy luật phun nhiên liệu vàobuồng đốt của động cơ là do cơ cấu cam trong bơm cao áp thực hiện, nên không thểthực hiện được theo lý thuyết trên

Đối với các hệ thống phun nhiên liệu trang bị bơm cao áp kiểu cơ khí hay thủylực các cơ cấu điều khiển phun hoạt động dựa vào hai thồng số chính là tốc độ động cơ

và vị trí bàn đạp chân ga, do đó chất lượng quá trình phun chưa tối ưu Ngoài ra, các sailệch trong các mối ghép cơ khí sẽ làm ảnh hưởng đến quá trình điều khiển của các cơcấu điều khiển quá trình phun nhiên liệu Áp suất nhiên liệu do bơm cao áp tạo ra bịphụ thuộc vào tốc độ động cơ, khi tốc độ động cơ thay đổi sẽ làm thay đổi tốc độ nénnhiên liệu của piston bơm cao áp nên thay đổi áp suất phun nhiên liệu, ở tốc độ thấp ápsuất phun sẽ thấp làm giảm độ phun sương của nhiên liệu, do đó ảnh hưởng đến chấtlượng quá trình tạo HHC và quá trình cháy của động cơ, qua đó ảnh hưởng đến hàngloạt các chỉ tiêu kỹ thuật của động cơ ở tốc độ thấp Tóm lại, những khuyết điểm trênlàm cho động cơ không phát huy hết công suất tối đa, đồng thời hàm lượng các chất độchại trong khí xả cao do nhiên liệu cháy không hết và tốc độ tăng áp suất lớn sẽ tạo ra

NO x

5 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU COMMON RAIL

Những đặc điểm mới của hệ thống nhiên liệu Common rail

Hệ thống nhiên liệu Common rail có các đặc điểm:

- Vòi phun: hệ thống dùng vòi phun điện tử, việc đóng mở vòi phun được thực hiệnbằng dòng điện từ hệ thống điều khiển nên không phụ thuộc vào áp suất phun và rútngắn thời gian phun - Bơm cao áp: thực hiện nhiệm vụ nén nhiên liệu rồi chuyển đếnống phân phối nên nhiên liệu có thể được nén đến áp suất rất cao và duy trì liên tục màkhông phụ thuộc vào tốc độ động cơ Do đó, áp suất phun được nâng cao và ổn địnhtrong quá trình phun

- ECM thực hiện nhiệm vụ điều khiển quá trình phun nhiên liệu dựa vào các thông số

từ môi trường và chế độ làm việc của động cơ, nên hệ thống sẽ tối ưu hóa trong quátrình tính toán và điều khiển hệ thống

- Đặc tính phun của hệ thống Common rail là thực hiện quy luật phun hai giai đoạnchính:

+ Giai đoạn phun mồi vào xylanh trước điểm chết trên với góc phun lớn, có thể diễn rasớm 900 trước điểm chết trên ( ĐCT), nếu thời điểm phun xuất hiện nhỏ hơn 400độ nhiênliệu có thể bám vào bề mặt của piston, thành xi lanh làm loãng dầu bôi trơn Do lượng

nhiên liệu phun ít nên áp suất sẽ không tăng đột ngột Kết quả quá trình cháy được cảithiện Quá trính phun sơ khởi đóng vai trò gián tiếp trong việc là tăng công suất độngcơ.

+ Sau khi nhiên liệu mồi phát hỏa sẽ thực hiện giai đoạn phun chính, lượng nhiên liệutrong giai đoạn này sẽ cháy nhanh, do điều kiện thuận lợi của nhiên liệu cháy trong giaiđoạn phun mồi tạo ra, vì vậy thời gian chậm cháy được rút ngắn, tăng chất lượng quátrình cháy, tăng công suất, hiệu suất và động cơ hoạt động êm hơn, đồng thời làm giảmcác thành phần độc hại trong khí xả Những đặc điểm trên của hệ thống Common rail sẽgiúp cho động cơ tăng công suất, hiệu suất và giảm các thành phần độc hại trong khíthải của động cơ so với các động cơ dùng công nghệ phun nhiên liệu truyền thống

+ Ngoài ra còn có giai đoạn phun thứ cấp: Dùng để đốt cháy NO xkết hợp với hệ thốnghồi lưu khí thải EGR (Exhaust Gas Recirculation) để làm giảm lượng NO x

5.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:

5.2.1 Một số sơ đồ cấu tạo chung của hệ thống nhiên liệu Common rail

25