tiểu luận hệ thống tuần hoàn khí xả EGR

Chương I: Giới thiệu chung về hệ thống tuần hoàn khí xả EGR Exhaust Gas Nhiệt độ càng cao, lượng NOx sinh ra càng nhiều nitơ có trong không khí.. Trong động cơ đốt trong, NOx đc hình thà

Chương I: Giới thiệu chung về hệ thống tuần hoàn khí xả EGR (Exhaust Gas

Nhiệt độ càng cao, lượng NOx sinh ra càng nhiều (nitơ có trong không khí) Ngoài nhiệt độ, còn có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới khả năng hình thành NOx như áp suất buồng đốt, thời gian đánh lửa, hỗn hợp nhiên liệu, nhiệt độ khí nạp hay nhiệt độ chất làm lạnh Chẳng hạn như việc giảm tỷ số nén và đánhlửa chậm ở những động cơ tính năng cao sẽ làm giảm lượng NOx sinh ra, tuy nhiên, điều này sẽ làm giảm công suất cực đại và tính năng của xe Chính điều này đã thôi thúc các kỹ sư thiết kế nên EGR vào những năm 1970

EGR ban đầu được thử nghiệm như một phương pháp giảm nồng độ NOx với điều kiện dễ ứng dụng, rẻ tiền và chỉ một vài hệ được lắp trên các mẫu xe đương thời Thế nhưng sau đó, gần như tất cả ôtô đều trang bị hệ thống này

1.2 Ảnh hưởng của thành phần khí xả NOx.

Như ta đã biết, đối với động cơ đốt trong (ĐCĐT) khi động cơ làm việc sẽ sản sinh ra sản phẩm cháy gồm: CO, HC, NOx và PM Trong đó thành phần khí xả NOx (NO,NO2,…) gây tác hại đặc biệt đến sức khỏe con người

NOx được hình thành chủ yếu do N2 tác dụng với O2 ở nhiệt độ cao (vượt quá 1100 độ C)

NOx theo đường hô hấp đi sâu vào phổi gây viêm phổi và làm hủy các tế bào của cơ quan hô hấp và cũng là tác nhân chính gây ra các bênh ung thư cho con người

Hình 1: Ảnh hưởng của thành phần khí xả NOx.

1.3 Một số phương pháp giảm lượng phát thải NOx.

Trong động cơ đốt trong, NOx đc hình thành chủ yếu ở điều kiện áp suất

và nhiệt độ cao (từ 25000F) vì vậy để giảm lượng phát thải NOx sinh ra trong quá trình cháy, người ta có 1 số giải pháp chính sau đây:

- Làm giàu hỗn hơp không khí, nhiên liệu để hạ nhiệt độ cháy Tuy nhiên giải pháp này làm tăng lượng chất ô nhiễm HC và CO

- Giảm bớt tỷ số nén của động cơ và góc đánh lửa sơm Giải pháp này có ảnh hưởng xấu đến công suất ,tính kinh tế nhiên liệu của động cơ

- Sử dụng hệ thống tuần hoàn khí thải EGR (Exhaust Gas Recirculation System)

Trong số giải pháp vừa nêu thì việc sử dụng hệ thống EGR để giảm phát thải NOx là phương án hữu hiệu và hay sử dụng nhất

Chương II: Hệ thống tuần hoàn khí xả- EGR (Exhaust Gas Recirculation) 2.1 EGR là gì?

EGR được viết tắt bởi từ Exhaust Gas Recirculation nghĩa là hệ thống tuần hoàn khí xả

Hệ thống này đưa một phần khí xả quay trở lại buồng đốt để hòa trộn với khí nạpnhằm mục đích giảm nồng độ chất gây ô nhiễm môi trường NOx

Hình 2: Exhaust Gas Recirculation system

Hệ thống EGR có thể dùng cho cả động cơ xăng và động cơ diesel

2.2 Chức năng của hệ thống tuần hoàn khí xả-EGR.

Giảm nồng độ khí độc NOx trong khí thải là nhiệm vụ cơ bản của bất cứ nhà sản xuất ôtô nào Khi bộ trung hòa khí thải bằng xúc tác chưa khai sinh, các kỹ sư thường sử dụng một kỹ thuật tuần hoàn khí thải có tên gọi EGR (Exhaust Gas Recirculation) Ngày nay, EGR không còn phổ biến như bộ trung hòa khí thải bằngxúc tác, nhưng trên các mẫu xe diesel hay xe đời cũ, nó vẫn là công nghệ có tác dụng tốt

Khi nhiệt độ trong buồng đốt động cơ ở kỳ cháy quá cao do việc tăng tỷ số nén của động cơ, khí ni-tơ trong không khí kết hợp với ô-xy sẽ tạo nên những ô-xít ni-

tơ (NOx) Đây là một trong những thành phần gây ô nhiễm môi trường Vì vậy,

 Làm giảm nhiệt độ buồng đốt (do khí xả có nhiệt dung riêng lớn hơn không khí).

 Làm giảm hàm lượng khí O2 (do lượng O2 có trong khí xả rất ít)

 Làm tốc độ buồng cháy giảm (do hỗn hợp bị làm bẩn)

Hình 3: Temperature dependency of NOX formation

2.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống tuần hoàn khí xả-EGR.

Thời kỳ đầu, EGR hoạt động rất đơn giản vì sử dụng bộ góp chân không để điều khiển van nên hiệu quả không cao Với công nghệ điện tử ngày nay, van được điều khiển bằng máy tính nên EGR bắt đầu có những cải tiến đáng kể Một trong số đó

là khả năng nâng cao hiệu suất động cơ mà không ảnh hưởng tới tính năng vận hành

Những hệ EGR sử dụng đường ống nối giữa bộ góp xả với bộ góp nạp được gọi

là tuần hoàn khí xả ngoài Một van điều khiển sẽ đảm nhiệm việc điều chỉnh số lần

mở và kiểm soát dòng khí Khí xả tuần hoàn trước khi trộn với khí nạp được làm

mát bằng một hệ thống làm mát bởi nếu không, nó làm tăng nhiệt độ khí nạp, ảnh hưởng tới công suất động cơ.

Hình 4: Sơ đồ hệ thống tuần hoàn khí xả EGR

Khí thải sẽ được trích một phần từ đường thải quay lại đường nạp để hoà trộn với hỗn hợp khí nạp mới thông qua hệ thống đường dẫn và van điều khiển EGR vàtiến tới bộ phận làm mát EGR Từ bộ phận làm mát EGR, dòng khí này di chuyển đến một bướm ga, nơi nó được trộn lẫn với khí đốt mới mà đã được làm mát bởi một intercooler dưới áp suất cao Hỗn hợp không khí và EGR sau đó được đưa vào

Van EGR được điều khiển bởi một bộ điều khiển điện tử hoạt động dựa trên hai tín hiệu đầu vào là tốc độ động cơ và tải của động cơ.

2.4 Một số loại van cơ bản trong hệ thống tuần hoàn khí xả-EGR.

Như ta đã biết khi đưa một lượng khí xả quay trở lại buồng đốt thì lượng khí xả này phải được kiểm soát, điều chỉnh sao cho phù hợp Vì nếu đưa vào buồng đốt một lượng khí xả quá lớn thì động cơ sẽ hoạt động không ổn định, làm ảnh hưởng đến công suất động cơ

Do ảnh hưởng của lý do trên, nên lượng khí xả được khống chế bởi van EGR, đồng thời lượng khí xả được đưa vào động cơ phụ thuộc vào hai thông số cơ bản: + Tốc độ động cơ

+ Tải động cơ

2.4.1 Vacuum Modulated EGR Valve (Van điều chỉnh chân không).

Van điều chỉnh chân không cấu tạo gồm:

- Vacuum supply: cung cấp chân không

- Spring : lò xo

- Valve : van

- Diaphragm : màng chắn

Hình 5: Vacuum Modulated EGR Valve.

Khi động cơ hoạt động ở chế độ cầm chừng thì van EGR không làm việc

do đường dẫn áp thấp bị đóng lại

Khi động cơ hoạt động ở chế độ khác, tuỳ thuộc vào độ giảm áp hình thành trong đường ống nạp của động cơ mà có một giá trị áp thấp nhất định, điều khiển van EGR quy định lượng khí xả đi vào động cơ

2.4.2 Back Pressure Modulated EGR Valve (van điều chỉnh áp suất hồi).

Cấu tạo cuả van gồm:

Hình 6: Back Pressure Modulated EGR Valve.

Màng Power là một lò xo tải có tác dụng làm chốt đóng kín trên bệ van khi động

cơ ngưng hoạt động hay khi áp thấp đường ống nạp không cung cấp cho màng Power

Khí xả của động cơ sẽ đi vào phần rỗng của chốt van và đi vào phần rỗng của màng Control làm toàn bộ bệ van đi lên đóng lỗ trung tâm của màng Power Lúc này, áp thấp từ động cơ sẽ hút toàn bộ màng Power và màng Control chốt van đi

lên sẽ cho khí xả đi vào đường ống nạp của động cơ.

Như vậy, loại van này hoạt động nhạy hơn loại van điều chình chân không, đồng thời ở những chế độ hoạt động khác, hệ thống hoạt động khi có một áp suất khí cháy nhất định

2.4.3 Van chân không điều khiển bằng nhiệt (TVSV).

TVSV là một thiết bị đóng mở dòng chân không từ mạch này sang mạch khác phụ thuộc vào nhiệt độ nước làm mát Nguyên lý hoạt động của van như sau:

1 Khi nhiệt độ nước làm mát thấp, sáp nhiệt co lại, cho phép lò xo đẩy piston đi xuống phía dưới ra xa khỏi cần đẩy (xem hình 1 ) Chân không được cấp vào của Kcòn không khí được cấp vào cửa J.Tương tự , chân không cũng được cấp vào cửa

N cùng thời gian đó, trong khi không khí được cấp vào 2 cửa còn lại là M và L

2 Khi nhiệt độ tăng sáp nhiệt giãn nở, đẩy piston đi lên Nó cho phép chân không được cấp vào các cửa L và N (xem hình 2)

3 Khi nhiệt độ tăng nữa, piston bị đẩy lên cao hơn chân không ngừng cấp vào cửa

N và thay vào đó cấp cho cửa L và M (xem hình 3)

Hình 7: Van chân không điều khiển bằng nhiệt (TVSV)

Hệ thống EGR dùng cho động cơ chế hòa khí

a Động cơ lạnh (nhiệt độ nuớc làm mát dưới 500C):

Khi máy lạnh, cửa J và M của TVSV được nối với nhau nên khí có thể đi từ J đến

M qua TVSV Do đó áp suất khí quyển được dẫn vào từ của J của TVSV qua cửa

M và van một chiều đến phần trên van EGR, giữ cho van một chiều vẫn mở

Hình 8: Sơ đồ làm việc hệ thống EGR dùng cho động cơ chế hòa khí

b Động cơ ấm:

Bướm ga đóng hoàn toàn chạy không tải: Do động cơ ấm (nhiệt độ nước làm mát trên 56oC ), các cửa K và M của TVSV thông với nhau và độ chân không ống góp nạp tác dụng lên van một chiều làm van một chiều đóng Tại thời điểm này, docửa B và cửa EGR nằm trên cánh bướm ga nên chân không của ống góp nạp không

đi qua được EGR và cửa “R” của EGR vì vậy van vẫn đóng và khí xả không được tuần hoàn lại

Ngoài ra trên đường dẫn áp thấp còn bố trí một van một chiều (van CTO:

“Coolant temperative override”) Van này chỉ cho tín hiệu chân không di chuyển qua khi nhiệt độ động cơ đạt được mức quy định

2.5 EGR Cooler (bộ làm mát EGR).

Bộ làm mát EGR Cooler sử dụng nước hoặc dầu làm mát để giảm nhiệt độ khí

xả trước khi cho tuần hoàn thông qua hệ thống nạp của động cơ Giảm nhiệt độ động cơ đốt trong giúp ngăn ngừa sự hình thành các ôxít của nitơ (NOx) gây ô nhiễm Ngoài ra, còn giảm ứng suất nhiệt trên các miếng đệm đầu xi-lanh và van nạp / xả

Hình 7: Bộ làm mát (EGR Cooler)

- From exhaust manifold: khí xả từ cổ góp xả

- Exhaust out returning to intake manifold: khí xả đi ra quay trở lại cổ góp nạp

- Exhaust in from Manifold tee connection: khí xả từ trong cổ góp xả tới khớp nối chữ T

- To Turbo: tới turbo tang áp

- Coolant from oil cooler: hệ thống làm mát bằng dầu

Hình 10: Một số kiểu loại EGR Cooler

Chương III: Ứng dụng hệ thống tuần hoàn khí xả- EGR (Exhaust Gas

Recirculation).

3.1 EGR trên động cơ xăng.

Với động cơ xăng EGR là biện pháp được sử dụng khá phổ biến Hỗn hợp khí

xả gồm HC, CO, NOx có nhiệt độ cao sau khi ra khỏi buồng đốt được trích một phần quay ngược trở lại buồng đốt cho chu kỳ tiếp theo của động cơ Điều này làm tăng nhiệt độ hòa khí ở cuối hành trình nén, đảm bảo điều kiện nhiệt độ để hỗn hợpnhiên liệu được đốt cháy dễ dàng

Tuy nhiên, do hỗn hợp khí xả chiếm một thể tích nhất định trong buồng đốt nên nhiệt độ cực đại của quá trình cháy thấp hơn so với hệ thống không có EGR, do đó làm giảm nồng độ NOx

Có thể sử dụng hai loại tuần hoàn khí xả: + Tuần hoàn nội tại

+ Tuần hoàn bên ngoài

3.1.1 Tuần hoàn nội tại.

Là phương pháp dựa trên cơ sở góc trùng điệp của xu-páp nạp và xu-páp thải (cả hai đều mở) Trong giai đoạn trùng điệp, do chênh lệch áp suất (áp suất khí xả lớn hơn áp suất khí nạp), một lượng khí xả trong xy-lanh sẽ đi vào đường nạp sau

đó quay lại xy-lanh trong kỳ nạp Biện pháp này không chỉ giảm được NOx mà còngiảm được lượng hy-đrô các-bon chưa cháy (HC) do phần HC này tuần hoàn trở lạibuồng cháy trước khi nạp hỗn hợp mới

3.1.2 Tuần hoàn bên ngoài.

Khí thải sẽ được trích một phần từ đường thải quay lại đường nạp để hoà trộn với hỗn hợp khí nạp mới thông qua hệ thống đường dẫn và van điều khiển EGR Van EGR được điều khiển bởi một bộ điều khiển điện tử hoạt động dựa trên hai tín hiệu đầu vào là tốc độ động cơ và tải của động cơ

Trên các mẫu xe ôtô, khoảng 5-15% khí thải được đưa trở về buồng đốt thông qua EGR Mức 15% là giới hạn để động cơ làm việc bình thường vì nếu nhiều khí thải, động cơ sẽ khó khởi động và làm việc không trơn tru Mặc dù EGR làm chậm quá trình cháy nhưng điều này có thể được khắc phục bằng cách điều chỉnh thời gian đánh lửa

Hình 11: Hệ thống tuần hoàn bên ngoài

Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm trên thì hệ thống EGR sẽ làm bẩn hỗn hợpkhí nạp, làm giảm tính kinh tế nhiên liệu và làm cho động cơ không thể đạt được công suất cực đại ở chế độ toàn tải Do vậy, hệ thống EGR thường hoạt động ở chế

độ tải nhỏ Ngoài ra, ở chế độ không tải việc tuần hoàn khí thải dễ làm động cơ chết máy (do hỗn hợp quá nghèo không cháy được)

3.2 EGR trên động cơ diesel.

Tỷ lệ khí xả tuần hoàn có thể cao hơn so với động cơ xăng (động cơ diesel phun trực tiếp có lượng khí thải tuần hoàn lên đến 60%, động cơ diesel phun gián tiếp khoảng 30%) Nhưng việc sử dụng EGR trên động cơ diesel cũng làm giảm tính kinh tế nhiên liệu, „ang lượng thải HC và chất thải dạng hạt rắn (PM – Tro các bon), động cơ hoạt động không ổn định, làm ảnh hưởng đến công suất

Trong thực tế, hệ thống EGR trên động cơ diesel phức tạp hơn nhiều so với động cơ xăng do độ chân không trên đường nạp thấp (tốc độ vòng tua máy thấp) EGR được áp dụng đối với một loạt các động cơ diesel hạng nhẹ và động cơ diesel nặng

3.2.1 Động cơ hạng nặng (Heavy-Duty Engines).

Hệ thống EGR cho DDC Series 60, là một ví dụ về các hệ thống áp dụng trong nhiều động cơ hạng nặng ở Bắc Mỹ trước và sau năm 2002

Hệ thống EGR là một hệ thống vòng cao áp (HPL), nơi một phần của khí xả được lấy từ thượng nguồn của turbo tăng áp Các turbo tăng áp có nhiệm vụ đảm bảo rằng sự khác biệt giữa áp lực xả và nạp là tích cực để đảm bảo đủ lưu lượng EGR

là có sẵn khi cần

Các EGR sau đó chảy qua một bộ làm mát EGR cấp nước từ các áo nước của động cơ

Từ bộ làm lạnh, các EGR chảy qua một ống EGR để phía bên kia của động cơ đến một venturi kiểu đo lưu lượng cung cấp một tín hiệu phản hồi cho theo dõi tốc độ EGR

Một van điều khiển EGR nằm ngay trước khi rãnh trộn có trách nhiệm điều hành tỷ EGR Các EGR sau đó đi về đường ống nạp để trộn với không khí làm máttrước khi được đưa vào động cơ

3.2.1 Động cơ hạng nhẹ (Light-Duty Engines).

Hệ thống làm mát bằng EGR cho động cơ hạng nhẹ là hệ thống Scania Euro IVđược minh họa trong hình Pre-turbine (HPL) thoát khí được định tuyến thông qua một van điều khiển EGR và một bộ làm mát EGR để hệ thống động cơ hút gió Nóichung, EGR có thể được làm mát bằng nước làm mát động cơ, không khí xung quanh hoặc một chất lỏng nhiệt độ thấp

Hình 13: Động cơ hạng nhẹ (Light-Duty Engines)

Trong đầu những năm 2000, đã có một số niềm tin rằng các động cơ trong tương lai với tỷ lệ cao hơn EGR sẽ yêu cầu một số hình thức của EGR máy bơm đểđạt được phát thải bắt buộc NOx động cơ-out yêu cầu của tiêu chuẩn khí thải trong tương lai

Một hệ thống HPL EGR cung cấp các tỷ lệ EGR cao sẽ cho kết quả trong một nền kinh tế nhiên liệu không thể chấp nhận hình phạt Tuy nhiên, thay vì một máy bơm, nhiều người trong số các hệ thống này kết thúc lên bằng cách sử dụng một cấu hình kết hợp chẳng hạn như minh họa trong hình 4 cho động cơ 2.0 L

Volkswagen TDI giới thiệu ở Bắc Mỹ cho ứng dụng của tôi EPA Tier 2 Bin 5 năm

2009 HPL EGR được kiểm soát bởi Van HP EGR và theo vị trí vane bộ turbo tăng

áp HPL EGR được sử dụng tại tốc độ động cơ và tải thấp hơn Lúc động cơ tải và tốc độ cao, việc cung cấp EGR chuyển sang hệ thống LPL EGR Mặc dù không hiển thị, LPL hệ EGR hình bao gồm một EGR lọc

Hình 14: Hybrid EGR System for US EPA Tier 2 Bin 5 Diesel

Application.VW 2.0 L TDI engine Position of valves 1, 2 & 3 is typicalfor LP EGR operation at high engine speeds and loads At low engine

speeds and loads, valve 3 is fully closed and valves 1 & 2 are both open to

enable HP EGR operation

Động cơ VW 2.0 L TDI Vị trí của Van 1, 2 & 3 là điển hình cho LP EGR hoạt động ở tốc độ động cơ cao và tải.Tại tốc độ động cơ thấp và tải, Van 3 hoàn toàn đóng cửa và Van 1 & 2 là cả hai mở để cho phép hoạt động HP EGR

Chương VI: Different EGR-Systems (Một số loại hệ thống EGR khác) 4.1 Short-Route System (SR).

The short-route system is the standard system in today’s production engines, both for passenger car engines and for heavy duty applications In the short-route (SR)

system, a pipe leads some of the exhaust gases from the exhaust manifold into the

intake manifold where it is mixed with the fresh air The pipe usually contains one

or more coolers for the EGR and a valve to regulate the amount of EGR The valvecan be placed on either the hot or the cold side of the cooler A placement on

the hot side gives advantages in transient response [20], while a placement on the cold side makes the choice of valve easier, as it will be placed in a colder

environment

For cold conditions or cold-start there can be bypasses around the EGR-coolers

A certain pressure difference over the EGR loop is needed to drive the EGR from the exhaust side to the intake side At load points with good turbocharger

efficiency, this pressure difference does not always exist naturally To increase it, VGT turbochargers can be used as well as throttles in the exhaust

or intake piping As the exhaust can contain high amounts of soot, fouling of theEGR cooler can be an issue [21] Also the EGR valve has to be able to handle the fouling effects The advantages of the short-route system are its simplicity andits fast response on EGR demands Drawbacks are the throttling that often is

needed and the risk of soot deposition in the whole intake system Another problemcan be the turbochargers ability to deliver sufficient charging pressure, as

only part of the exhaust gas passes the turbine while another part is used as EGR