3) Các mô đun vào/ra ( I/O Module)
3.2.1 Hệ thống cung cấp nhiên liệu nhằm giảm NOx (SoloNOx Gas Fuel System)
Hệ thống nhiên liệu khí phân phối nhiên liệu với áp suất và lưu lượng yêu cầu đến các vòi phun vào buồng đốt. Hệ thống SoloNOx sẽ tự động điều phối nhiên liệu phù hợp cho động cơ trong quá trình tăng tốc và quá trình hoạt động bình thường. Làm giảm khí thải NOx nhỏ hơn 42 ppmv (phần triệu theo thể tích), và có thể giảm đến 25ppmv cho các động cơ mới. Khí thải CO cũng được giới hạn nhỏ hơn 50 ppmv.
*Nguyên lý cháy có NOx thấp:
Trong một buồng đốt tiêu chuẩn, nhiên liệu vào buồng đốt qua các vòi phun hoà trộn với không khí từ các lỗ định cỡ (orifice) hoặc các đường khí nén bên ngoài vào. Quá trình hoà trộn nhiên liệu và không khí phải đồng thời với sự cháy tại nhiệt độ thích hợp. Nhiệt độ trong buồng đốt một phần quyết định sự tạo thành khí thải NOx và CO, tại nhiệt độ cao (2900oF và lớn hơn) NOx sẽ hình thành.
*Cháy nghèo (lean burn):
Trong hệ thống SoloNOx, quá trình hoà trộn hỗn hợp nghèo tức ít nhiên liệu dẫn đến sự cháy gọi là cháy nghèo “lean burn”. Các vòi phun nhiên liệu bao gồm các ống trộn trước hoà trộn nhiên liệu với không khí theo dòng xoáy. Kết quả là được
một hỗn hợp trộn trước của không khí và nhiên liệu trước khi phân phối đến buồng đốt. Hỗn hợp này được tính toán hợp lý, phù hợp cho từng loại buồng đốt để có thể bắt lửa và đạt được nhiệt độ 2800oF trong điều kiện tối ưu.
Hình 3.19: Cháy thông thường và cháy nghèo (Lean Premix).
Ở điều kiện này thì cả NOx và CO được hình thành ở mức là tối ưu. Nếu nhiệt độ tăng thì NOx sẽ tăng và nhiệt độ giảm thì CO sẽ tăng. Do đó mục đích của hệ thống SoloNOx là bảo đảm cho nhiệt độ cháy ổn định để giữ cả hai NOx và CO trong khoảng cho phép (NOx < 42ppmv; CO < 50 ppmv) ở chế độ 50-100% tải.
*Nhiên liệu mồi (Pilot Fuel):
Hệ thống SoloNOx gồm hệ thống nhiện liệu chính và hệ thống mồi. Hệ thống nhiên liệu chính với quá trình cháy nghèo (lean burn) được mô tả ở trên. Với kết quả trộn nghèo trong một hỗn hợp đồng nhất của nhiên liệu và không khí trong vùng cháy, có vùng hỗn hợp giàu do đó quá trình cháy của động cơ có thể hoạt động ổn định mà không bị mất lửa (flameout). Hỗn hợp khí - nhiên liệu có thể tăng nhanh để đáp ứng tốc độ lan tràn màng lửa trong quá trình khởi động hoặc khi giảm tải.
Mạch “pilot” cung cấp độ tương ứng về lượng nhiên liệu cho các quá trình hoạt động của động cơ. Tỷ lệ không khí/nhiên liệu rất giàu; hầu hết không khí của quá trình cháy mồi (pilot) được cấp từ sau bộ khuếch tán (diffusor) cùng với nhiên liệu mồi được đốt cháy trong buồng đốt với ngọn lửa khuếch tán. Quá trình cháy khuếch tán đem lại sự ổn định cho sự cháy và chống mất lửa trong vùng làm việc, nơi mà quá trình cháy nghèo không duy trì được.
*Cơ sở cải tiến:
Cháy nghèo dựa trên cơ sở hệ thống SoloNOx để cải tiến buồng đốt và các vòi phun nhiên liệu cũng như hệ thống ống dẫn (manifold).
Hình 3.20: Vòi phun nhiên liệu.
Buồng đốt có dung tích lớn hơn loại bình thường nhằm tăng hiệu suất cháy và giảm được khí thải NO. Quá trình cháy nghèo xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn sẽ giảm NOx nhưng tăng lượng CO. Vì vậy khi tăng dung lượng buồng đốt, cải tiến vòi phun
và đường ống (manifold) phải tính toán đảm bảo lượng khí thải CO không vượt quá 52 ppmv.
Đối với vòi phun của SoloNOx gồm phần tạo xoáy không khí chính để hoà trộn với nhiên liệu được phun vào tạo nên hỗn hợp đồng nhất về tỷ lệ nhiên liệu/không khí trong buồng đốt. Vòi phun cũng bao gồm mạch nhiên liệu dẫn hướng với bộ xoáy trước nhỏ và bộ hoà trộn. Phần dẫn hướng này giúp hỗn hợp chính giàu hơn và tạo ngọn lửa khuếch tán. Hoạt động này là mấu chốt cho toàn quá trình cháy, đem lại sự ổn định cho chế độ hoạt động SoLoNOx và giảm các xung cháy trong quá trình khởi động và những vùng hoạt động có năng suất thấp. Nhiên liệu cung cấp đến vòi phun được kiểm soát như sau: Lúc bắt đầu khởi động đến lúc động cơ đạt 50% tải nhiên liệu cung cấp gia tăng, động cơ ở chế độ giàu nhiên liệu tức khí thải có thành phần độc cao. Chế độ này nhiên liệu các vòi phun cung cấp 70% từ ống chính (manifold) và 30% từ đường dẫn (pilot). Dẫn hướng hỗn hợp không khí/nhiên liệu giàu hơn hỗn hợp chính và cháy khuếch tán đem lại tính ổn định cho sự cháy và chống mất lửa.
Để có giới hạn tỷ lệ cho buồng đốt hoạt động ở chế độ khí thải thấp, yêu cầu có điều khiển phụ nhằm mở rộng hoạt động chế độ khí thải thấp của động cơ. Trong quá trình giảm tải, hỗn hợp khí trong vùng hoà trộn trước của vòi phun làm nghèo và nhiệt độ giảm, khí CO xấp xỉ 50ppmv. Tại thời điểm van thoát không khí nén mở trực tiếp, không khí nén (Pcd) từ mỗi vòi phun qua bộ xoáy tác động ảnh duy trì tỷ lệ đúng và nhiệt độ cần thiết tạo CO trong mức cho phép (> 52ppmv).