13 CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN NỒNG ĐỘ CÁC CHẤ TÔ
13.1.11 3.2.1 Ảnh hưởng của góc phun sớm và tối ưu hoá hệ thống
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 NOx, CmHn và bồ hóng (hình3-4).
Hình 3-4: Ảnh hưởng của góc phun sớm tới mức độ phát sinh ô nhiễm.
Hình 3-5: Ảnh hưởng của góc phun sớm đến mức độ phát sinh CmHn và NOx
(động cơ có buồng cháy dự bị, chu trình FTP-75).
Tăng góc phun sớm làm tăng áp suất cực đại và nhiệt độ của quá trình cháy, do đó làm tăng nồng độ NOx. Thông thường, động cơ phun trực tiếp có góc phun sớm lớn hơn nên phát sinh NOx nhiều hơn động cơ có buồng cháy ngăn cách. Giảm góc phun sớm là biện pháp hữu hiệu giảm NOx 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.
Mặt khác, khi tăng góc phun sớm, do quá trình cháy trễ kéo dài, lượng nhiên liệu hoà trộn trước với hệ số dư 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 lý thuyết, tăng góc đánh lửa sớm có thể làm giảm CmHn do quá trình cháy có thể diễn ra thuận lợi hơn (hình 3-5), 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 CmHn.
Đối với động cơ phun trực tiếp, sự giảm góc phun làm tăng độ khói và cũng là tăng suất tiêu hao nhiên liệu nhưng làm giảm nồng độ NOx 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 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 20 độ trước ĐCT, lượng bồ hóng tăng gấp 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 hoà giừa 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 từ theo chế độ tốc độ và chế độ tải cho phép giảm 15% nồng độ NOx và 25% nồng độ bồ hóng theo chu trình 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 co phun trực tiếp. Thật vậy, do tăng tốc độ hoà trộn nhiên liệu và không khí, lượng nhiên liệu cháy ở điều kiện hoà trộn trước gia tăng, do đó nồng độ NOx 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 hoà 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 NOx. Với cùng lượng phát thải NOx 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 10MPa tùy theo chế độ động cơ. Vượt qua áp suất này, với cùng lượng phát sinh NOx, 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 ‘hình chữ nhật’ (phun đều đặn nhiên liệu và cắt nhanh khi kết thúc phun) để tránh hiện tượng phun rớt. Phun rớt là nguyên nhân làm tăng hydrocacbure chưa cháy và hạt rắn trong khí xả động cơ.
Đối với động cơ có buồng cháy ngăn cách, sự khống chế lưu lượng nhiên liệu kèm theo việc giảm góc phun sớm có thể làm giảm 30% lượng NOx trong khí thải nhưng làm tăng lượng HC lên 100%, CO lên 70% và bồ hóng lên 150%. Để có thể đảm bảo quy luật phun phù hợp ở mọi chế độ làm việc của động cơ cả về phương diện phát ô nhiễm lẫn tính năng kinh tế-kĩ thuật, trên những động cơ thể hiện mới hiện nay người ta sử dụng cảm biến λ lắp trên đường xả. Kết hợp thông số cho bởi cảm biến này với các cảm biến áp suất, nhiệt độ khi nạp và tốc độ động cơ người ta có thể điều khiển chính xác thời điểm phun và lượng nhiên liệu cung cấp cho mỗi chu trình. Giải pháp này đặc biệt có lợi với động cơ Diesel lắp trên ô tô nhằm giảm độ khói khi gia tốc.