Tài liệu Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí thải động cơ đốt trong pptx

78 Chương 6 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯ Ở NG Đ Ế N N Ồ NG ĐỘ CÁC CH Ấ T Ô NHI Ễ M TRONG KHÍ X Ả ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 6.1. Giới thiệu Nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả phụ thuộc vào đặc điểm động cơ cũng như các thông số điều chỉnh, vận hành. Về đặc điểm, động cơ 2 kì cổ điển nói chung có mức độ phát ô nhiễm cao hơn động cơ 4 kì do quá trình tạo hỗn hợp không hoàn thiện. Tuy nhiên, động cơ 2 kì hiện đại phun nhiên liệu trực tiếp trong buồng cháy đang được nghiên cứu phát triển sẽ khắc phục được nhược điểm này và trở thành loại động cơ có nhiều triển vọng trong tương lai. Động cơ Diesel có hiệu suất cao hơn động cơ đánh lửa cưỡng bức nhưng do quá trình cháy khuếch tán và làm việc với hệ số dư lượng không khí cao, trong sản phẩm cháy có chứa bồ hóng và NO x , những chất ô nhiễm mà việc xử lí nó trên đường xả ngày nay vẫn còn nhiều vướng mắc về mặt kĩ thuật. Động cơ sử dụng nhiên liệu khí bắt đầu phát triển từ những năm đầu của thập niên 1990 có rất nhiều ưu điểm về mặt phát sinh ô nhiễm. Thực nghiệm đo được trên những động cơ này cho thấy động cơ sử dụng khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) hay khí thiên nhiên (NGV) thỏa mãn dễ dàng các tiêu chuẩn ô nhiễm môi trường khắt khe nhất hiện nay (tiêu chuẩn ULEV chẳng hạn). Tuy nhiên sự phát triển chủng loại động cơ này phụ thuộc nhiều điều kiện, đặc biệt là điều kiện cơ sở hạ tầng phục vụ cho việc cung cấp nhiên liệu khí. Mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ cũng phụ thuộc đáng kể vào điều kiện vận hành. Việc điều chỉnh không phù hợp các thông số công tác cũng như việc lựa chọn chế độ làm việc không hợp lí dẫn đến sự gia tăng đáng kể nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả. Luật môi trường ngày càng trở nên khắt khe buộc người ta phải áp dụng các biện pháp xử lí khí xả sau khi thoát ra khỏi động cơ bằng bộ xúc tác. Tuy nhiên tỉ lệ biến đổi các chất ô nhiễm của ống xả xúc tác chỉ đạt được giá trị yêu cầu khi nhiệt độ khí xả đạt được giá trị nhất định. Vì vậy cần phải làm giảm nồng độ các chất ô nhiễm đến mức thấp nhất trước khi xử lí ở bộ xúc tác. Tất cả những điều chỉnh hay thay đổi kết cấu bên trong động cơ đề u gây ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm. 6.2. Trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 79 6.2.1. Động cơ hai kì Mặc dù có nhiều cải tiến về kết cấu nhằm hạn chế sự hòa trộn giữa khí cháy và khí chưa cháy, đặc biệt đối với động cơ dùng bộ chế hòa khí, nhưng vẫn không tránh khỏi sự thất thoát một bộ phận khí mới làm tăng sự phát sinh HC và làm giảm tính năng kinh tế kĩ thuật của động cơ hai kì. Thêm vào đó, khi làm việc ở tải cục bộ, dạng động cơ này dễ bỏ lửa làm tăng HC. Một trong các giải pháp làm giảm tổn thất nhiên liệu trong quá trình quét khí là làm thay đổi sự phân bố độ đậm đặc của hỗn hợp nhiên liệu không khí trong xy lanh sao cho chỉ có hỗn hợp nghèo mới thoát ra đường thải. Một giải pháp khác có hiệu quả hơn là phun nhiên liệu vào buồng cháy một khi cửa thải đã đóng. Tuy nhiên với giải pháp này người ta phải dùng một bơm do động cơ dẫn động do đó nó làm giảm đi một ít công suất có ích của động cơ. Mặt khác, so với động cơ 4 kì, thời gian cuối của quá trình nén (sau khi đóng cửa nạp và cửa thải) rất ngắn đòi hỏi phải phun nhiên liệu với tốc độ lớn, do đó một bộ phận nhiên liệu bám lên thành buồng cháy làm tăng nồng độ HC trong khí xả. Một giải pháp tiết kiệm hơn là phun nhiên liệu bằng không khí ở áp suất cao trích ra trong giai đoạn nén. Để tránh hiện tượng bám nhiên liệu trên thành, người ta dùng một vòi phun áp suất thấp được đặt trong một buồng cháy dự bị trước xúpáp nạp phun trực tiếp trước một hỗn hợp rất đậm với tốc độ tương đối thấp. Kĩ thuật quét khí cháy bằng không khí cho phép hạn chế tối đa sự phát thải HC trong khí xả. Kĩ thuật này cho phép giảm được từ 80% đến 90% nồng độ HC so với giá trị thông thường đối với động cơ hai kì cổ điển. Nồng độ NO x trong khí xả của động cơ hai kì hiện đại cao hơn một chút so với động cơ 2 kì cổ điển do hiệu suất cháy cao hơn và làm việc với hỗn hợp nghèo hơn. 6.2.2. Động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo Động cơ đánh lửa cưỡng bức làm việc với hỗn hợp nghèo đã được nghiên cứu từ lâu nhằm giảm suất tiêu hao nhiên liệu dẫn đến giảm nồng độ CO 2 , chất 'ô nhiễm' được quan tâm nhiều trong những năm gần đây vì nó là chất khí gây hiệu ứng nhà kính. Khi động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo (hệ số dư lượng không khí a >1,25), nồng độ các chất ô nhiễm chính (CO, HC, NO x ) đều giảm. Khi hệ số dư lượng không khí thay đổi từ a=1,0 đến a=1,4, suất tiêu hao nhiên liệu giảm đi 7%, nồng độ NO x có thể giảm đến 85% so với động cơ làm việc với hỗn hợp có a=1 nếu kết hợp với việc giảm một cách hợp lí góc đánh lửa sớm. Tuy nhiên ưu điểm này chỉ có được trong điều kiện hỗn hợp gần nến đánh lửa có thể bốc cháy và sự lan tràn màng lửa diễn ra một cách bình thường. Điều này đòi hỏi việc tổ chức tốt quá trình cháy cũng như phân bố hợp lí độ đậm đặc của hỗn hợp trong buồng cháy. Khi gia tăng hệ số dư lượng không khí hay làm bẩn hỗn hợp bằng khí xả hồi lưu vượt quá một giới hạn cho phép sẽ dẫn đến: Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 80 - giảm tốc độ cháy, điểm cực đại của áp suất sẽ lệch về phía giai đoạn giãn nở dù đánh lửa sớm hơn - momen phát ra không đều dẫn tới sự làm việc không ổn định - thường xuyên bỏ lửa - gia tăng mức độ phát sinh HC - gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu do tốc độ cháy giảm Những giải pháp cho phép động cơ hoạt động gần giới hạn nghèo của hỗn hợp có thể chia làm ba loại: - Các giải pháp tác động trước khi hỗn hợp vào cylindre: chuẩn bị và định lượng hỗn hợp nhiên liệu (chế hòa khí hay phun), hệ thống điều chỉnh hỗn hợp, thiết kế hợp lí đường nạp - Các biện pháp tác động bên trong động cơ: hình dạng buồng cháy, bố trí soupape và nến đánh lửa - Các biện pháp tác động trên đường thải: thiết kế đường thải, trang bị bộ xúc tác oxy hóa để hạn chế CO và HC Để động cơ có thể làm việc với hỗn hợp nghèo người ta áp dụng giải pháp nạp phân lớp hỗn hợp nhiên liệu-không khí vào xy lanh động cơ sao cho ở gần điểm đánh lửa, độ đậm đặc của hỗn hợp cao hơn giá trị trung bình để có thể bén lửa và bốc cháy. Người ta đã thử nghiệm nhiều hệ thống tạo hỗn hợp phân lớp nhưng hiện nay chỉ có hai dạng được ứng dụng khả quan nhất: hệ thống buồng dự bị (dạng CVCC) và hệ thống phun trực tiếp (dạng PROCO) - Hệ thống Honda CVCC dùng một buồng cháy phụ nhỏ có soupape nạp riêng (hình 6.1). Hỗn hợp giàu được nạp vào buồng cháy phụ còn hỗn hợp rất nghèo được nạp vào buồng cháy chính qua soupape nạp thông thường. Hỗn hợp giàu trong buồng cháy phụ được đốt bằng tia lửa điện. Sản phẩm cháy có nhiệt độ cao thoát ra khỏi buồng cháy phụ và tiếp tục đốt cháy hỗn hợp nghèo trong buồng cháy chính. Hệ thống này làm giảm nhiệt độ cực đại của quá trình cháy, do đó làm giảm NO x , nhưng vẫn đủ cao để oxy hóa HC. Mặt khác, do độ đậm đặc của hỗn hợp thấp nên nồng độ CO trong khí xả cũng giảm. Động cơ làm việc với hệ thống này có suất tiêu hao nhiên liệu riêng thấp, nhưng công suất lít của cylindre cũng giảm. Do đó từ năm 1986 nó không còn được nghiên cứu nữa và thay vào đó, người ta nghiên cứu một hệ thống tương tự trong đó bộ chế hòa khí được thay thế bằng hệ thống phun. Ở hệ thống mới này, vòi phun phun nhiên liệu có áp suất 3,5 MPa tạo nên vùng hỗn hợp giàu gần nến đánh lửa trong buồng cháy phụ có kích thước bé. Hệ thống này làm giảm NO x nhưng làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu. Hỗn hợp giàu Hỗn hợp nghèo Họng thông Nạp Nén Cháy Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 81 Hình 6.1: Sơ đồ động cơ tạo hỗn hợp phân lớp sử dụng buồng cháy phụ - Hệ thống Ford PROCO thực hiện sự phân lớp hỗn hợp bằng cách phun nhiên liệu trực tiếp vào trong buồng cháy (hình 6.2). Hệ thống này không có buồng cháy phụ nhưng sử dụng một buồng cháy khoét lõm trên đỉnh piston. Người ta sử dụng một tia phun có góc phun rất rộng với hỗn hợp giàu được phun vào giữa cylindre bởi một vòi phun có độ xuyên thâu bé. Hỗn hợp này được đốt nhờ tia lửa điện và lan đến hỗn hợp chung quanh nghèo hơn ngay khi piston đi xuống nhờ cường độ xoáy lốc mạnh. Hình 6.2: Sơ đồ động cơ tạo hỗn hợp phân lớp phun trực tiếp PROCO - Hệ thống TEXACO TCCS: Khác với hệ thống PROCO, hệ thống này phun nhiên liệu theo phương tiếp tuyến với buồng cháy và hướng về phía nến đánh lửa và quá trình đánh lửa được kéo dài. Việc điều chỉnh tối ưu thời gian phun và thời điểm đánh lửa cho phép khởi đầu quá trình cháy ở thời điểm mà hỗn hợp giàu đạt đến nến đánh lửa; màng lửa được giữ lại ở đó với điều kiện nhiên liệu được khuếch tán ra không khí chung quanh. Hệ thống này có những nhược điểm giống như động cơ Diesel (hỗn hợp không đồng nhất) và phát sinh nhiều hạt rắn trong khí xả. Giải pháp hạn chế nhược điểm của việc đánh lửa là sử dụng ngọn lửa điện có năng lượng lớn hơn (t ăng khoảng cách giữa hai điện cực, kéo dài thời gian đánh lửa), giảm tổn thất nhiệt ở nến đánh lửa (cực đánh lửa nhỏ, giảm đường kính nến đánh lửa từ 14 xuống 10mm) và tăng số điểm đánh lửa. Năng lượng đánh lửa hiện nay (khoảng 10mJ) là đủ để đảm bảo sự hoạt động ổn định và mức độ phát sinh HC bé nhất. Bố trí hai nến đánh lửa Vòi phun Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 82 trong buồng cháy cho phép tăng xác suất đánh lửa, tăng năng lượng đánh lửa và tốc độ cháy mà không làm tăng tổn thất nhiệt. Nhưng giải pháp này làm tăng giá thành và làm giảm tuổi thọ của hệ thống đánh lửa. Những khuynh hướng khác dựa vào sự gia tăng cường độ rối trong buồng cháy động cơ. Bằng cách thay đổi dạng hình học của buồng cháy, nguy cơ màng lửa bị tắt có thể giảm bằng cách giảm tỉ số diện tích bề mặt/thể tích và gia tăng cường độ rối trong quá trình nạp để gia tăng tốc độ cháy. Sự cải tiến dạng buồng cháy cho phép giảm một ít áp suất cực đại, giảm NO x nhưng cho tới nay người ta chưa tìm được dạng buồng cháy lí tưởng nhất và sự thay đổi hình dạng buồng cháy dường như không gây ảnh hưởng đến sự phát sinh HC. Giải pháp đầu tiên làm tăng cường độ rối là thiết kế đường nạp hợp lí. Sự gia tăng cường độ xoáy lốc cho phép giảm khoảng thời gian từ lúc bật tia lửa điện đến khi hỗn hợp bắt đầu cháy cũng như thời gian cháy; các giá trị này có độ lớn tương đương với quá trình cháy cổ điển. Giải pháp thứ hai là trang bị hai soupape nạp cho mỗi cylindre hay lắp trên soupape nạp một bản dẫn hướng. Soupape này đóng lại ở tải cục bộ và mở khi đầy tải. Giải pháp cuối cùng làm tăng cường độ rối ở động cơ riêng rẽ là thực hiện một tia khí cao tốc phun trong một ống dẫn có tiết diện nhỏ hơn ống nạp chính theo hướng tiếp tuyến với thành cylindre ở vị trí soupape nạp. Hệ thống này có hai bướm gió được điều khiển một cách riêng rẽ theo tải động cơ. Nó có ưu điểm là không làm thay đổi dạng hình học của buồng cháy, không cần thiết đánh lửa hai điểm nhưng vẫn cho phép động cơ chạy ở chế độ không tải với độ đậm đặc thấp. Sự gia tăng cường độ rối bằng cách thêm tia khí cho phép dịch chuyển giới hạn cháy ổn định về phía độ đậm đặc thấp hơn (từ 0,95 xuống 0,75), cho phép nhận được sự làm việc ổn định hơn ở chế độ không tải. Khi động cơ làm việc với độ đậm đặc 0,7 thay vì 0,8, nồng độ NO x chỉ còn 1/6 và nồng độ CO giảm đi 50% nhưng làm tăng HC. Vận động rối trong buồng cháy cũng cho phép sử dụng thuận lợi hệ thống hồi lưu khí xả: chẳng hạn nó cho phép tăng từ 20% lên 28% lượng khí xả hồi lưu để làm giảm NO x mà không làm tăng HC. Khi dùng hệ thống phun tập trung quá trình tạo hỗn hợp được cải thiện hơn so với khi sử dụng hệ thống phun riêng rẽ vì thời gian bay hơi của hỗn hợp được kéo dài hơn. Vì vậy hệ thống này cho phép giảm được từ 10 đến 15% HC trong cùng điều kiện làm việc với động cơ phun riêng rẽ. Khi tăng nhiệt độ khí nạp hỗn hợp cũng được chuẩn bị tốt hơn do sự bốc hơi nhiên liệu diễn ra thuận lợi hơn: cùng độ đậm đặc như nhau, nồng độ HC giảm từ 20 đến 30% khi tăng nhiệt độ khí nạp từ 25 lên 80°C, nhưng làm tăng nồng độ NO x từ 35 lên 55%. Do 70 đến 80% nồng độ CO và HC liên quan đến hai phút đầu tiên của chu trình khởi động nguội, theo qui trình FTP-75, vì vậy sấy cục bộ đường nạp trong giai đoạn bộ xúc tác chưa Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 83 đạt được nhiệt độ khởi động sẽ cho phép làm giảm được nồng độ những chất ô nhiễm này. Trong thực tế, người ta bố trí ở mỗi đường nạp của động cơ phun nhiều điểm những phần tử cấp nhiệt để nâng nhiệt độ khu vực sấy lên khoảng 40 đến 50°C và các tia phun hướng về các khu vực này. Công suất điện cung cấp cho những phần tử nhiệt này giảm dần và cắt đi hoàn toàn khi nhiệt độ nước làm mát khoảng 60-65°C. Tốc độ lưu thông của khí nạp cũng ảnh hưởng đến mức độ phát sinh HC. Tốc độ này được khống chế bởi đường kính soupape nạp. Khi giảm đường kính soupape nạp từ 35 đến 29mm thì mức độ phát sinh HC giảm đi được từ 15 đến 25%. Khi phun riêng rẽ, vị trí đặt vòi phun trong trường h ợp cylindre có hai soupape nạp có ảnh hưởng lớn đến mức độ phát sinh HC cũng như momen của động cơ. Tuy nhiên vị trí đặt vòi phun chủ yếu được lựa chọn sao cho động cơ có thể được khởi động dễ dàng. Người ta cũng nghiên cứu những hệ thống để cải thiện việc chuẩn bị hỗn hợp trong trường hợp phun riêng rẽ như sấy nóng hỗn hợp, phun khí nạ p với tốc độ lớn, xé tia phun bằng siêu âm Chất lượng xé tơi tia phun đóng vai trò quan trọng đến mức độ phát sinh ô nhiễm. Những hạt nhiên liệu có đường kính bé sẽ bị cuốn theo dòng không khí trong ống xoắn của đường nạp, giảm nguy cơ va chạm vào thành. Khi đường kính thủy lực của hạt nhiên liệu khoảng 10 micron thì sự va chạm của hạt nhiên liệu vào thành hầu như không xảy ra, đảm bảo sự phân bố tối ưu của hỗn hợp nhiên liệu không khí giữa các cylindre. Trong thực tế, bộ chế hòa khí cho phép phân bố tốt hỗn hợp khi động cơ làm việc ở tải thấp, ngược lại phun nhiên liệu đảm bảo sự phân bố tốt hỗn hợp khi động cơ làm việc ở tải cao. Thật vậy, ở chế độ tải thấp do độ chân không trên đường nạp lớn, chất lượng xé tơi nhiên liệu sau khi ra khỏi vòi phun trong trường hợp bộ chế hòa khí tốt hơn; ngược lại trong trường hợp tải cao, chất lương xé tơi nhiên liệu xấu đi rất nhiều so với trường hợp phun nhiên liệu. Điều chỉnh góc độ phối khí cũng có ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm. Góc độ này được điều chỉnh sao cho các giá trị áp suất cực đại, momen ở chế độ tải thấp tối ưu cũng như khả năng động cơ làm việc ổn định khi chạy không tải với tốc độ thấp. Tăng thời kì trùng điệp ở chế độ không tải làm tăng mức độ phát sinh ô nhiễm và sự làm việc không ổn định của động cơ, nhưng nó cải thiện tính năng động cơ ở chế độ tốc độ cao đồng thời cũng làm giảm NO x do hỗn hợp nạp mới bị làm bẩn bởi một bộ phận khí cháy đẩy vào đường nạp khi piston đi lên. Sự gia tăng góc độ trùng điệp hợp lí có thể làm giảm được 80% nồng độ HC. Lượng HC trong sản phẩm cháy thoát ra đường thải có thể được xem chứa trong hai bọng khí: bọng khí thứ nhất tương ứng với những thể tích chết ở gần soupape thải (các không gian chết quanh soupape, ren nến đ ánh lửa ) và bọng khí thứ hai tương ứng với thể tích chết xa hơn (khe hở segment ). Gia tăng góc độ trùng điệp có thể loại trừ hoàn toàn bọng khí thứ hai ở đường xả. Khi thời gian cháy giảm, nhiệt độ cháy tăng, mức độ phát sinh NO x gia tăng. Giảm góc đánh lửa sớm trong một số điều kiện làm việc của động cơ cho phép kéo dài thời gian cháy, do đó nhiệt độ cháy giảm, thuận lợi cho việc giảm NO x . Mặt khác, đánh lửa muộn làm gia tăng nhiệt độ khí thải tạo điều kiện thuận lợi cho việc đốt cháy thành phần HC có mặt trong khí xả. Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 84 Gia tăng tỉ số S/D làm tăng tốc độ cháy và tạo điều kiện dễ dàng cho sự bén lửa do đó động cơ có thể làm việc với hệ số dư lượng không khí cao hơn. Điều này có lợi trong trường hợp động cơ làm việc với tải cục bộ nhưng ít có lợi khi động cơ làm việc ở tải cao. Một phương án khác để làm tăng tốc độ cháy và tốc độ lan tràn màng lửa là tăng tỉ số nén (đến 18), trong điều kiện không xảy ra hiện tượng kích nổ. Tăng tỉ số nén có khuynh hướng tăng mức độ phát sinh NO x . Khi động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo hay giàu, nồng độ NO x đều giảm mạnh (hình 6.3). Hoàn thiện việc chuẩn bị hỗn hợp bao hàm việc khống chế đúng mức độ đậm đặc trong mỗi cylindre ngay cả trong giai đoạn quá độ. Phương án tốt nhất là phun nhiên liệu riêng rẽ kết hợp với sấy nóng vòi phun và đường nạp. Phương án này còn cho phép cải thiện tính năng khởi động ở trạng thái nguội. Mặt khác sấy nóng đường nạp còn có tác dụng đặc biệt trong việc tránh sự ngưng tụ nhiên liệu trên thành đường nạp (lớp nhiên liệu ngưng tụ này sẽ bốc hơi lại ở chế độ đầy tải làm tăng độ đậm đặc của hỗn hợp). Làm mát riêng rẽ thân động cơ và nắp cylindre cho phép duy trì thân động cơ một nhiệt độ cao hơn nắp cylindre điều này cho phép thu hồi nhiệt độ thân máy ở tải thấp có tác dụng tích cực đến việc giảm HC và NO x . Hình 6.3: Ảnh hưởng của tỉ số nén đến mức độ phát sinh ô nhiễm và suất tiêu hao nhiên liệu (động cơ xăng 4 cylindre, dung tích 2 lít, l: độ đậm đặc của hỗn hợp; b e : suất tiêu hao nhiên liệu, w e : công có ích, e: tỉ số nén, _ _ : e = 9,3; : e =11,0; : e =13,0; ___: e =15,0) Khi động cơ chuyển sang làm việc với hỗn hợp nghèo, sự lệch chu kì của áp suất chỉ thị trung bình sẽ trở nên quan trọng: nếu độ đậm đặc của hỗn hợp l=0,8, áp suất có ích trung bình dao động cực đại 20kPa, dao động này có thể đạt 140kPa khi l=1,2. Do đó, để cải thiện tính năng phát lực của động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo, người ta phải khống chế sự dao động của momen (đo được bằng cảm biến gia tốc lắp trên bánh đà của động cơ) bằng cách điều chỉnh thời điểm bắt đầu phun và thời gian phun nhờ một hệ thống khép kín hay theo biểu đồ thiết lập trước. Sự khống chế dao động momen cũng cho phép giảm đến mức tối thiểu mức độ phát sinh HC, chất ô nhiễm tăng nhanh chóng theo sự làm việc không đồng đều của động cơ. N =2000 v/ph Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 85 6.2.3 Ảnh hưởng của các chế độ vận hành động cơ xăng 6.2.3.1. Cắt nhiên liệu khi giảm tốc Để hạn chế nồng độ HC trong giai đoạn động cơ đóng vai trò phanh ô tô (khi giảm tốc nhưng vẫn cài li hợp), biện pháp tốt nhất là ngưng cung cấp nhiên liệu. Tuy nhiên động tác này có thể dẫn tới điều bất lợi là làm xuất hiện hai điểm cực đại HC: đỉnh cực đại HC ở thời điểm cắt nhiên liệu và điểm cực đại thứ hai khi cấp nhiên liệu trở lại. Đối với động cơ dùng bộ chế hòa khí, để tránh giai đoạn quá độ khi động cơ phát lực trở lại, người ta sử dụng một hệ thống cho phép cung cấp thêm nhiên liệu dự trữ. Nhiên liệu này được tích trữ trong hệ thống bù trừ ở giai đoạn giảm tốc. Sự cung cấp nhiên liệu bổ sung này cho phép duy trì được độ đậm đặc của hỗn hợp một cách hợp lí ở thời điểm mở đột ngột bướm ga trở lại. Đối với động cơ phun nhiên liệu, người ta sử dụng một hệ thống cho phép điều chỉnh lượng nhiên liệu phun vào đường nạp theo lưu lượng không khí. Khi giảm tốc, bướm ga đóng lại, một van giảm tốc mở ra để cung cấp không khí cho động cơ và người ta sử dụng lượng không khí này để điều khiển lượng nhiên liệu. Trong trường hợp đó, động cơ hút một thể tích khí lớn hơn trong trường hợp động cơ dùng chế hòa khí. Hai điểm cực đại của HC cũng xuất hiện giống như trong trường hợp động cơ dùng bộ chế hòa khí. 6.2.3.2. Dừng động cơ ở đèn đỏ Chế độ dừng động cơ hợp lí khi ô tô chạy trong thành phố có thể làm giảm đồng thời mức độ phát sinh ô nhiễm và suất tiêu hao nhiên liệu. Thực nghiệm cho thấy khi thời gian dừng ô tô vượt quá một giá trị cực đoan thì nên tắt động cơ. Nếu không xét đến suất tiêu hao nhiên liệu thì việc tắt động cơ không đem lại lợi ích gì về mặt giảm ô nhiễm trong trường hợp động cơ có bộ xúc tác trên đường xả. Trung bình thời gian dừng cực đoan là 50s. Khi vượt quá thời gian này nên tắt động cơ nếu động tác này không làm giảm tuổi thọ của máy khởi động và bình điện. 6.3. Trường hợp động cơ Diesel Kĩ thuật tổ chức quá trình cháy của động cơ Diesel ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ phát sinh ô nhiễm. Động cơ Diesel phun trực tiếp, có suất tiêu hao nhiên liệu riêng thấp hơn động cơ có buồng cháy ngăn cách khoảng 10% và mức độ phát sinh bồ hóng cũng thấp hơn khi động cơ làm việc ở chế độ tải cục bộ. Tuy nhiên động cơ phun trực tiếp làm việc ồn hơn và phát sinh nhiều chất ô nhiễm khác (NO x , HC). Vì vậy, ngày nay dạng buồng cháy này chỉ dùng đối với động cơ ô tô tải hạng nặng. Việc hạn chế mức độ phát sinh ô nhiễm tối ưu đối với động cơ Diesel cần phải cân đối giữa nồng độ hai chất ô nhiễm chính đó là NO x và bồ hóng. Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 86 6.3.1. Ảnh hưởng của góc phun sớm và tối ưu hóa hệ thống phun Ảnh hưởng của chất lượng hệ thống phun đối với động cơ phun trực tiếp lớn hơn đối với động cơ phun gián tiếp về phương diện phát sinh ô nhiễm,. Trong cả hai trường hợp, sự thay đổi góc phun sớm có ảnh hưởng ngược nhau đối với sự phát sinh NO x, HC và bồ hóng (hình 6.4). 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 lớn hơn 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 phun sớm cần phải xem xét đến chế độ tốc độ và chế độ tải để tránh sự gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu. Hình 6.4: Ảnh hưởng của góc phun sớm đến mức độ phát ô nhiễm của động cơ Diesel Giảm góc phun sớm Mức độ phát ô nhiễm N O HC Bồ hóng Phạm vi thay đổi đối với ô tô từ 1000 đến 1600kg, động cơ buồng cháy dự bị, không hồi lưu khí xả HC (%) NOx (%) độ góc quay trục khuỷu Góc phun tối ưu Muộn Sớ m Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 87 Hình 6.5: Ảnh hưởng của góc phun sớm đến mức độ phát sinh HC và NO x (động cơ buồng cháy dự bị, chu trình FTP-75) Mặt khác, khi tăng góc phun sớm, do quá trình cháy trễ kéo dài, lượng nhiên liệu hòa trộn trước với hệ số dư lượng không khí lớn gia tăng. Hỗn hợp này khó bén lửa do đó chúng thường cháy không hoàn toàn và phát sinh nhiều CO. Về mặt lí thuyết, tăng góc đánh lửa sớm có thể làm giảm HC do quá trình cháy có thể diễn ra thuận lợi hơn (hình 6.5), nhưng trên thực tế nó có tác dụng ngược lại. Thật vậy, 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 với động cơ phun trực tiếp, sự giảm góc phun sớm làm tăng độ khói và cũng làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu nhưng làm giảm nồng độ NO x và thành phần SOF. Đối với động cơ Diesel cỡ lớn, giảm góc phun sớm có thể làm giảm đi 50% nồng độ NO trong khí xả. Đối với động cơ có buồng cháy ngăn cách, giảm góc phun sớm làm làm tăng nồng độ HC nhưng làm giảm nồng độ NO và bồ hóng, đặc biệt là ở chế độ đầy tải. Khi góc phun sớm thay đổi từ 8 đến 23 độ trước ĐCT, lượng bồ hóng tăng gấ p đôi theo chu trình thử FTP75 đối với một động cơ buồng cháy ngăn cách có góc đánh lửa sớm bình thường 15 độ trước ĐCT. Sự thay đổi góc phun sớm phù hợp theo tốc độ và tải cho phép chọn được vị trí điều chỉnh tối ưu hài hòa giữa nồng độ các chất ô nhiễm và hiệu suất động cơ. Đối với động cơ có buồng cháy dự bị, sự điều khiển góc đánh lửa sớm tối ưu bằng hệ thống điện tử theo chế độ tốc độ và chế độ tải cho phép giảm 15% nồng độ NO x và 25% nồng độ bồ hóng theo chu trình thử FTP75 trong phạm vi gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu không đáng kể. Tốc độ phun cao (nhờ tăng áp suất phun) có ảnh hưởng đến quá trình phát sinh ô nhiễm của động cơ phun trực tiếp. Thật vậy, do tăng tốc độ hòa trộn nhiên liệu và không khí, lượng nhiên liệu cháy ở điều kiện hòa trộn trước gia tăng, do đó nồng độ NO x tăng nhưng lượng bồ hóng giảm. Tuy nhiên sự gia tăng áp suất phun (hơn 100MPa) làm tăng lượng hạt rắn do tăng lượng phát sinh SOF. Sử dụng vòi phun có nhiều lỗ phun đường kính bé làm tăng chất lượng hòa trộn không khí và nhiên liệu do kích thước hạt nhiên liệu giảm, hỗn hợp bốc cháy dễ dàng hơn, bù trừ được sự phun trễ do đó làm giảm NO x . Với cùng lượng phát thải 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 tùy theo chế độ động cơ. Vượt quá áp suất này, với cùng lượng phát sinh NO x , lượng hạt rắn phát sinh giảm nhưng suất tiêu hao nhiên liệu và độ ồn của quá trình cháy gia tăng do sự tăng đột ngột của áp suất. Điều này có thể khắc phục được bằng cách dùng một tia phun mồi. Quy luật phun cũng có ảnh hưởng quan trọng đến quá trình phát sinh các chất ô nhiễm. Thời gian phun rút ngắn, áp suất phun cao cho phép gia tốc quá trình cung cấp nhiên liệu dẫn đến giảm lượng HC không cháy hết. Các tiến bộ mới đây về kĩ thuật phun nhằm giảm mức độ phát sinh ô nhiễm bao gồm quy luật phun hai giai đoạn, quy luật phun [...]... giảm đi 50% trong 6 tháng 6.5 Ảnh hưởng của nhiên liệu đến mức độ phát ô nhiễm của động cơ 6.5.1 Nhiên liệu động cơ xăng Việc điều chỉnh động cơ có ảnh hưởng đến lượng ô nhiễm phát sinh vì việc điều chỉnh này tác động đến cơ chế hình thành hay phân hủy các chất ô nhiễm trước khi thoát ra ngoài khí quyển Nhiên liệu cũng gây ảnh hưởng đến sự phát ô nhiễm, chủ yếu là do tỉ số không khí/ nhiên liệu có thể... SO2 (khoảng 2 đến 3%) bị oxy hóa thành SO3 và acide sulfurique Động cơ phun gián tiếp Không tăng áp 98 Tăng áp Không tăng áp Tăng áp Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong Hình 6.11: Ảnh hưởng của chỉ số cetane đến mức độ phát ô nhiễm của động cơ Diesel phun gián tiếp 6.5.2.5 Ảnh hưởng của các chất phụ gia 1 Các chất phụ gia kim loại: Các chất phụ gia... hạn tốc độ ít gây ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm Khi giảm mạnh giới hạn tốc độ, nồng độ NOx có thể giảm đi vài phần trăm, nhưng làm tăng đôi chút CO, HC Khi tăng tốc độ ô tô, nhờ sự rối của không khí phía sau xe, các chất ô nhiễm thải ra khỏi ống xả khuếch tán nhanh chóng trong không gian, làm giảm nồng độ cục bộ của chúng trong môi trường 91 Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất. .. alkylat, mức độ phát sinh HC giảm đi 16% (hình 6.7) 93 Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong Nồng độ thể tích HC (ppmx100) Tốc độ: 1500 vg/phút Áp suất có ích trung bình: 500kPa Tỉ số nén: 11 a Hình 6.7: Ảnh hưởng của tỉ số không khí/ nhiên liệu đến nồng độ HC trong khí xả Mặt khác, các chất thơm trong nhiên liệu giữ vai trò phát sinh các hydrocarbure... 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 đều giảm 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 đổi chế độ tốc độ là yếu tố làm gia tăng sự phát ô nhiễm Nồng độ bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel gia tăng... thể giảm đi 3 lần 6.4 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 độ 80÷90km/h, nồng độ HC giảm dần đến khi tốc độ đạt khoảng 100km/h sau đó tăng lên chậm còn nồng độ NOx tăng từ từ đến khi tốc độ động cơ đạt 70÷80km/h sau đó tăng mạnh, nhất là đối với động cơ có dung tích cylindre lớn Các kết quả đo đạc trên... 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong Bồ hóng (g/dặm) Không pha chất phụ gia Pha chất phụ gia Loại bỏ chất phụ gia Quãng đường lăn bánh (/1000km) Hình 6.13: Ảnh hưởng của các chất phụ gia đến bồ hóng Không pha phụ gia Có phụ gia Bồ hóng (g/lần thử) CO (g/ lần thử) Nhiên liệu Nhiên liệu HC+NOx (g/lần thử) HC (g/ lần thử) Nhiên liệu Nhiên liệu Hình 6.14: Ảnh. .. yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong Mức độ phát sinh bồ hóng (kg bồ hóng/lít nhiên liệu) r (kg/dm3) Hình 6.10: Ảnh hưởng của khối lượng riêng nhiên liệu Diesel 6.5.2.2 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 NOx ít bị ảnh. .. dụng nhiên liệu không phù hợp 6.5.2 Ảnh hưởng của nhiên liệu Diesel Chúng ta sẽ khảo sát sau đây ảnh hưởng của khối lượng riêng, chỉ số cetane, thành phần lưu huỳnh, các chất phụ gia đến mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ Diesel Các chất ô nhiễm quan tâm như động cơ đánh lửa cưỡng bức nhưng phải thêm vào những hạt rắn và các chất hữu cơ liên quan (SOF) là những chất ô nhiễm đặc biệt ở động cơ Diesel... nghèo Nhưng trong thực tế, sự kích nổ trong điều kiện như vậy không diễn ra 6.5.1.5 Ảnh hưởng của các chất phụ gia Người ta pha vào nhiên liệu ô tô nhiều chất phụ gia: 95 Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong - Những chất phụ gia làm tăng chỉ số octane: Alkyle chì, méthylcyclopenta-diényl mangan tricarbonyle (MMT), ferrocène, - Những chất phụ gia . Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 85 6.2.3 Ảnh hưởng của các chế độ vận hành động cơ xăng. 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 94 Hình 6.7: Ảnh hưởng của tỉ số không khí/ nhiên liệu đến nồng