Chương 2 CƠ SỞ Lí THUYẾT 2.1 Sự hỡnh thành cỏc thành phần khớ thải chớnh.
2.2.3 ễxit cỏcbon (CO).
Khớ CO sinh ra do sự chỏy khụng hoàn toàn của nhiện liệu do thiếu O2 trong buồng chỏy (cú nghĩa là hỗn hợp quỏ ủậm). Theo lý thuyết, CO sẽ
khụng sinh ra nếu cú nhiều O2 theo lượng lý thuyết yờu cầu (nghĩa là hỗn hợp quỏ nhạt) nhưng trong thực tế CO vẫn sinh ra trong cả trường hợp ủú. Cú ba nguyờn nhõn sau:
- CO biến thành CO2 bởi phản ứng ụxy hoỏ (2CO + O2 = 2CO2) nhưng phản ứng này rất chậm và khụng thể biến tất cả lượng CO cũn lại thành CO2
ủược. Vỡ lý do này CO ủược sinh ra ngay cả khi hỗn hợp nhạt.
- Sự chỏy khụng ủều của hỗn hợp khớ - nhiờn liệu do sự phõn bố vốn ủó khụng ủều của nhiờn liệu trong buồng chỏy.
- Nhiệt ủộ xung quanh thành xilanh thấp, gõy ra sự dập tắt cú nghĩa là nhiệt ủộ quỏ thấp cho sự chỏy xảy ra nờn ngọn lửa khụng thể với tới những vựng này của xilanh (ngọn lửa sau khi ủược chõm ngũi bởi bugi lan truyền ra khắp buồng chỏy ủến tận khi nú gặp phải thành xilanh, mặt dưới nắp qui lat, mặt dưới cỏc xupap và ủỉnh piston. Nhiệt ủộ ngọn lửa ủột nhiờn giảm xuống ở
những vựng này hoặc những vựng làm cho nú bị dập tắt do phõn tỏn nhiệt trước khi nú chạm vào thành xilanh những vựng này vỡ vậy ủược gọi là vựng dập tắt. Nhiờn liệu khụng chỏy cũn lại trong những vựng bị dập tắt sau ủú
ủược xả ra khỏi xilanh (khi piston ủi lờn trong kỳ xả). Nồng ủộ CO (theo thể
ủộ CO thay ủổi khỏc với sự thay ủổi tỷ lệ khớ - nhiờn liệu. ðiều này ủược chỉ
ra ở ủồ thị dưới. ðồ thị này chỉ ra nồng ủộ CO trong khớ xả của một ủộng cơ
xăng thực tế giảm khi tỷ lệ khớ - nhiờn liệu tăng (cú nghĩa là khi hỗn hợp nhạt
ủi). ðồ thị này chỉ rừ cỏch tốt nhất ủể giảm nồng ủộ CO trong khớ xả là thỳc
ủẩy sự chỏy hoàn toàn bằng cỏch tạo ra tỷ lệ khớ - nhiờn liệu cao (hỗn hợp nhạt ủến mức cú thể). Hỡnh 2.5 ðồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của nồng ủộ CO vào tỷ lệ khớ - nhiờn liệu 2.2.4 ễxit Nitơ Những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng ủến sự hỡnh thành NO là hệ số dư lượng khụng khớ của hỗn hợp, hệ số khớ sút và gúc ủỏnh lửa sớm. Ảnh hưởng của tớnh chất nhiờn liệu ủến nồng ủộ NO cú thể bỏ qua so với ảnh hưởng của cỏc yếu tố này.
2.2.4.1 Ảnh hưởng của hệ số dư lượng khụng khớ
Hỡnh 2.6 minh hoạ ảnh hưởng của hệ số dư lượng khụng khớ ủến mức
ủộ phỏt sinh NO. Nhiệt ủộ chỏy ủạt giỏ trị cực ủại tương ứng với hệ số dư
lượng khụng khớ khoảng 0,9 nghĩa là khi hỗn hợp hơi giàu, tuy nhiờn trong
ủiều kiện ủú nồng ủộ O2 thấp nờn nồng ủộ NO khụng ủạt giỏ trị lớn nhất. Khi hệ số dư lượng khụng khớ tăng, ảnh hưởng của sự gia tăng ỏp suất riờng O2
ủến nồng ủộ NO lớn hơn ảnh hưởng của sự giảm nhiệt ủộ chỏy nờn NO ủạt giỏ trị cực ủại ứng với hệ số dư lượng khụng khớ khoảng 1,1 (hỗn hợp hơi nghốo). Nếu ủộ ủậm ủặc của hỗn hợp tiếp tục giảm thỡ tốc ủộ của phản ứng tạo thành NO củng giảm do nhiệt ủộ chỏy thấp. ðiều ấy giải thớch sự giảm nồng ủộ NOx khi tăng hệ số dư lượng khụng khớ.
Hỡnh 2.6 Biến thiờn nồng ủộ NO theo hệ số dư lượng khụng khớ
2.2.4.2 Ảnh hưởng của hệ số khớ sút.
Trước khi chỏy, hỗn hợp trong xi lanh bao gồm khụng khớ, hơi nhiờn liệu và khớ sút, cú mặt trong hỗn hợp là do khớ chỏy của chu trỡnh trước cũn sút lại trong xilanh hay do hồi lưu khớ xả. Khi khụng cú sự hồi lưu, lượng khớ sút trong xilanh phụ thuộc vào tải, gúc ủộ phối khớ và ủặc biệt là khoảng trựng
ủiệp giữa cỏc xu pap thải và nạp. Khi khoảng trựng ủiệp tăng thỡ lượng khớ sút tăng làm giảm nồng ủộ NO. Mặt khỏc lượng khớ sút cũn phụ thuộc vào chếủộ ủộng cơ, ủộủậm ủặc của hỗn hợp và tỉ số nộn.
Khớ sút giữ vai trũ làm bẩn hỗn hợp, do dú làm giảm nhiệt ủộ chỏy dẫn
ủến sự giảm nồng ủộ NOx, tuy nhiờn khi hệ số khớ sút gia tăng quỏ lớn, ủộng cơ sẽ làm việc khụng ổn ủịnh làm giảm tớnh kinh tế và tăng nồng ủộ HC. 4000 NO (ppm) 3000 2000 1000 0,8 1,0 1,2 1,4 λ
Hỡnh 2.7 trỡnh bày ảnh hưởng của tỷ lệ khớ xả hồi lưu ủến nồng ủộ NO ứng với cỏc ủộ ủậm ủặc khỏc nhau của hỗn hợp. Nồng ủộ cỏc chất ụ nhiễm giảm mạnh theo sự gia tăng của tỷ lệ khớ xả hồi lưu cho ủến khi tỷ lệ này ủạt 15 - 20%, ủõy là tỷ lệ khớ sút lớn nhất chấp nhận ủược ủối với ủộng cơ làm việc ở
tải cục bộ. Nhiệt ủộ chỏy giảm khi gia tăng lượng khớ sút trong hỗn hợp là do sự gia tăng của nhiệt dung riờng mụi chất
Hỡnh 2.7 Ảnh hưởng của tỉ lệ khớ xả hồi lưu ủến nồng ủộ NO
Sự gia tăng tỉ lệ khớ sút vượt quỏ giới hạn cho phộp làm giảm chất lượng quỏ trỡnh chỏy dẫn ủến sự chỏy khụng hoàn toàn và ủộng cơ làm việc khụng ổn ủịnh do bỏ lửa. Vỡ vậy, lượng khớ sút tối ưu cần phải cõn nhắc giữa sự giảm nồng ủộ NO và sự gia tăng suất tiờu hao nhiờn liệu. ðiều này chỉ cú thể thực hiện một cỏch tựủộng nhờ hệ thống ủiều khiển ủiện tử cho phộp ủiều khiển lượng khớ xả hồi lưu tối ưu ứng với mỗi chếủộ vận hành của ủộng cơ.
2.2.4.3 Ảnh hưởng của gúc ủỏnh lửa sớm.
Gúc ủỏnh lửa sớm cú ảnh hưởng mạnh ủến sự phỏt sinh NO (hỡnh 2.8). Khi tăng gúc ủỏnh lửa sớm, ủiểm bắt ủầu chỏy xuất hiện sớm hơn trong chu kỡ
NO(ppm) 3000 10 EGR(%) 20 2000
cụng tỏc, ỏp suất cực ủại xuất hiện gần ðCT hơn do ủú giỏ trị của nú cao hơn. Vỡ vậy, tăng gúc ủỏnh lửa sớm cũng làm tăng nhiệt ủộ cực ủại. Mặt khỏc, vỡ thời ủiểm bắt ủầu chỏy sớm hơn nờn thời gian tồn tại của khớ chỏy ở nhiệt ủộ
cao cũng kộo dài. Hai yếu tố này cũng tạo ủiều kiện thuận lợi cho sự hỡnh thành NO. Hỡnh 2.8 Ảnh hưởng của gúc ủỏnh lửa sớm ủến nồng ủộ NO Túm lại, tăng gúc ủỏnh lửa sớm làm tăng nồng ủộ NO trong khớ xả. Trong ủiều kiện vận hành bỡnh thường của ủộng cơ, giảm gúc ủỏnh lửa 10 ủộ cú thể làm giảm nồng ủộ NO từ 20 - 30% ở cựng ỏp suất cực ủại của ủộng cơ. 2.2.5 Chếủộ lỏi xe và cỏc khớ xả
- Hõm núng: là giai ủoạn từ lỳc ủộng cơ khởi ủộng lạnh ủến khi nhiệt
ủộ nước làm mỏt tăng lờn ủến nhiệt ủộ bỡnh thường 700 - 800C. Trong giai
ủoạn này vỡ ủộng cơ chưa ủược hõm ủủ núng, xăng khụng thể bay hơi hoàn toàn nờn hỗn hợp khớ - nhiờn liệu quỏ ủậm vỡ vậy sinh ra lượng lớn hơn bỡnh thường CO và HC. NO(ppm) 16 50 40 30 20 10 0 17 Gúc ủỏnh lửa sớm 2000 3000 1000
- Chếủộ khụng tải: khi chạy khụng tải, nhiệt ủộ bờn trong buồng chỏy giảm, nờn xăng bay hơi ủủ. Nú cú thể gõy ra sự chỏy khụng ổn ủịnh, nếu chế
hũa khớ khụng ủược thiết kế ủể chống lại hiện tượng này bằng cỏch cung cấp thờm nhiờn liệu ủể làm hỗn hợp ủậm hơn. Bỡnh thường trong những trường hợp như thế sự cung cấp nhiờn liệu bổ sung này làm cho tỷ lệ khớ - nhiờn liệu trở nờn ủậm hơn. Nồng ủộ CO và HC tăng do sự chỏy khụng hoàn toàn trong khi nồng ủộ NOx giảm dần tới khụng do sự giảm nhiệt ủộ chỏy.
- Tốc ủộ khụng ủổi (tải nhẹ) ở chếủộ này tỷ lệ khớ - nhiờn liệu nhạt hơn một chỳt hay bằng với lý thuyết. Vỡ vậy khớ CO và HC sinh ra ớt, lượng hỗn hợp nạp cũng ớt dẫn ủến khớ NOx sinh ra cũng sẽ ớt hơn so với mức bỡnh thường.
- Tăng tốc, chạy tốc ủộ cao (tải nặng): khi tăng ga, tải lớn sẽ ủược ủặt lờn ủộng cơ. Bướm ga mở hoàn toàn và hỗn hợp khớ - nhiờn liệu nạp vào tăng, tỷ lệ khớ - nhiờn liệu trở nờn ủậm. Nồng ủộ CO, HC vỡ vậy tăng cao và lượng NOxủược sinh ra cũng tăng lờn do nhiệt ủộ tăng trong buồng chỏy.
- Giảm tốc: Khi phanh bằng ủộng cơ, bướm ga ủúng hoàn toàn, nhưng tốc ủộủộng cơ vẫn cao, ủộ chõn khụng trong buồng chỏy và ống gúp hỳt cũng lớn. ðộ chõn khụng này làm giảm tốc ủộ lan truyền ngọn lửa và làm tắt ngọn lửa trước khi nú kịp lan truyền ủến toàn bộ buồng chỏy. Nú sinh ra khớ HC khụng chỏy mà ủược xả vào khụng khớ. Mặt khỏc ủộ chõn khụng lớn làm nhiờn liệu dớnh ở thành ống gúp hỳt bay hơi rất nhanh làm hỗn hợp quỏ ủậm.
ðiều này làm tăng nồng ủộ CO và HC nhưng cũng làm giảm nhiệt ủộ chỏy dẫn ủến nồng ủộ NOx giảm.