Đƣờng thải Bộ trao đổi nhiệt Cam thải Vấu cam phụ cho van EGR Xupáp thải XP nạp Đƣờng nạp Khí nạp Khí thải
tuabin nhƣ trong hệ thống luân hồi áp suất cao và đƣa về phía trƣớc máy nén nhƣ ở hệ thống luân hồi áp suất thấp.
M c dù hệ thống này có những nhƣợc điểm của hệ thống luân hồi áp suất thấp nhƣng tạo ra độ chênh lệch áp suất giữa đƣờng thải và đƣờng nạp lớn mà không cần phải lắp thêm bơm hay các thiết bị tăng áp suất đƣờng thải. Do đó tỷ lệ luân hồi có
thể lớn làm tăng hiệu quả giảm NOX.
2.3.2. Các cụm chi tiết chính trong hệ thống luân hồi khí thải
Hệ thống luân hồi khí thải gồm các cụm chi tiết chính sau: van luân hồi (van EGR), két làm mát khí luân hồi, các đƣờng ống dẫn khí ln hồi. Ngồi ra, một số hệ thống luân hồi có sử dụng ống venturi ho c bơm khí luân hồi.
2.3.2.1. Van luân hồi khí thải (van EGR)
Dựa vào cấu tạo, van luân hồi chia làm 2 loại: van chân không và van điện. - Van luân hồi điều khiển b ng chân
khơng, tín hiệu điện từ bộ phận điều khiển EC đƣợc chuyển thành tín hiệu chân khơng nhờ bộ chuyển đổi điện khí. Trong mơi trƣờng chân không đƣợc tạo ra bởi bơm chân khơng, van đƣợc điều khiển đến vị trí cần thiết. Nhƣợc điểm của van chân khơng là có độ trễ trong khi đóng mở van.
- Van điều khiển b ng điện hoạt động
nhờ cuộn từ ho c động cơ bƣớc. Tín hiệu từ bộ phận điều khiển ECM đƣợc gửi đến bộ phận điều khiển b ng điện của van luân hồi. Bộ phận ECM thu nhận các tín hiệu nhƣ tốc độ, chế độ tải, vị trí bƣớm ga, nhiệt độ khí nạp... để gửi tín hiệu để điều khiển van luân hồi. Một số trƣờng hợp sử dụng tín hiệu từ cảm biến đo lƣu lƣợng khí nạp để kiểm tra vị trí của van luân hồi có phù hợp khơng. Thơng thƣờng hệ thống luân hồi không cần thêm cảm biến mà sử dụng các tín hiệu từ cảm biến sẵn có trên động cơ.
Hình 2.5. Van luân hồi khí thải
Van luân hồi thƣờng là chi tiết riêng rẽ nhƣng cũng có thể đƣợc thiết kế cùng với các chi tiết khác của động cơ nhƣ đƣờng ống nạp đƣợc thể hiện trên Hình 2.5.
2.3.2.2. Két làm mát khí luân hồi
Két làm mát khí luân hồi nhƣ thể hiện trên Hình 2.6 giúp tăng khả năng hấp thụ nhiệt trong quá trình cháy nên tăng đƣợc hiệu quả giảm
NOX vì lƣợng nhiệt này tỷ lệ với
lƣợng khí luân hồi, nhiệt dung riêng và chênh lệch giữa nhiệt độ quá
trình cháy và khí ln hồi. Khí ln hồi đƣợc làm mát chiếm thể tích nhỏ hơn trong mơi chất nạp, nhờ đó lƣợng ơxy nhiều hơn đảm bảo hiệu suất của quá trình cháy cao hơn. Két làm mát thƣờng gồm các ống và vỏ két trong đó khí ln hồi chảy trong ống và chất làm mát bao quanh ống.
Két làm mát cũng có nhiều kết cấu khác nhau với mục tiêu tạo diện tích trao đổi nhiệt lớn nhất với thể tích nhỏ nhất của két.
2.3.2.3. Đường ống dẫn khí luân hồi
Các đƣờng ống trong hệ thống ln hồi có nhiệm vụ dẫn khí ln hồi và nƣớc làm mát trong hệ thống luân hồi khí thải, đảm bảo tổn thất khí luân hồi ít nhất.
Các đƣờng ống của hệ thống đƣợc bố trí nhƣ trên Hình 2.7
Hình 2.7. Bố trí các đường ống dẫn khí trong hệ thống luân hồi
V ỏ lắp b ộ lọc D O C +D P F Hình 2.6. Két làm mát khí ln hồi
2.4. Lựa chọn van EGR 2.4.1. Đ c điểm của van EGR 2.4.1. Đ c điểm của van EGR
Van EGR luôn làm việc trong điều kiện nhiệt nhiệt độ cao do phải thƣờng xuyên phải tiếp xúc với dịng khí thải từ động cơ ra, m t khác động cơ D1146TI lắp trên xe buýt có phạm vi làm việc khá rộng cả về tốc độ và tải. Chính vì vậy việc điều khiển van EGR địi hỏi phải phù hợp với từng chế độ làm việc của động cơ nhƣng đồng thời vẫn phải đảm bảo đƣợc lƣu lƣợng khí luân hồi qua hệ thống, giảm đƣợc nồng độ NOX có trong phát thải động cơ ra mơi trƣờng.
2.4.2. Phân loại van EGR
Van luân hồi EGR đƣợc sử dụng trong hệ thống luân hồi thƣờng là van điều khiển b ng cơ khí, điều khiển b ng tín hiệu chân khơng ho c có van điều khiển b ng điện từ... Dựa vào đ c điểm cấu tạo và cách điều khiển, van EGR gồm 2 loại sau:
2.4.2.1. Van EGR điều khiển cơ khí
Loại van EGR điểu khiển cơ khí nhƣ trên Hình 2.8 có kết cấu đơn giản, có thể điều chỉnh lƣợng khí thải ln hồi về đƣờng nạp một cách dễ dàng. Nhƣng việc thay đổi độ mở của van khơng chính xác, khơng có khả năng tự động điều chỉnh, giá trị luân hồi chỉ để ở một chế độ nhất định. Với kết cấu van cơ khí đơn giản nên việc xác định tỷ lệ ln hồi cũng rất khó do q trình chia khoảng của van khơng tự động mà thực hiện b ng cơ khí.
Vì vậy chỉ phù hợp với những thí nghiệm nhỏ mà khơng ứng dụng vào thực tế lắp đ t trên động cơ đƣợc.
2.4.2.2. Van EGR điều khiển điện từ
- Van EGR điện từ điều khiển bằng cuộn dây
Việc sử dụng van EGR điện từ khiển b ng cuộn dây nhƣ trên Hình 2.9 rất thuận lợi cho quá trình xác định lƣợng luân hồi tối ƣu. Với van điện từ điều khiển b ng cuộn dây cho phép xác định đƣợc vị trí của van thơng qua tín hiệu điều khiển vị trí của van. Tuy
nhiên vị trí của van khơng có cảm biến báo về bộ vi xử lý do đó vị trí này chỉ là tính tốn đƣa ra chứ khơng điều khiển chính xác đƣợc.
Với van điện từ thì quá trình sử dụng sẽ làm nóng cuộn dây, đồng thời khơng có hệ thống làm mát cho cuộn dây do đó sẽ nhanh hƣ hỏng. Đồng thời vị trí của van phụ thuộc vào lực điện từ của cuộn dây dó đó phụ thuộc rất nhiều vào cƣờng độ và điện áp dòng điện điều khiển van.
- Van EGR điện từ điều khiển bằng động cơ điện một chiều có chổi than
Hình 2.10. Cấu tạo van EGR điện từ điều khiển bằng
động cơ điện một chiều có chổi than
Khi điều khiển b ng loại van EGR điện từ điều khiển b ng động cơ điện một chiều có chổi than sẽ cho kết quả chính xác hơn với lực mở van lớn hơn so với khi
sử dụng van điện từ điều khiển b ng cuộn dây. Nhƣng lại gây ra hiện tƣợng đánh
lửa ở chổi than cho nên quá trình sử dụng phải bảo dƣỡng thay thế chổi than. Vì vậy
Hình 2.9. Kết cấu van EGR điện từ
điều khiển bằng cuộn dây
khi sử dụng loại van này không phù hợp với điều kiện làm việc của van trong môi trƣờng nhiều bụi b n trên đƣờng thải của động cơ.
- Van EGR điện từ điều khiển bằng động cơ điện một chiều không chổi than
Hiện nay động cơ điện một chiều không chổi than nhƣ trên
Hình 2.11 đƣợc sử dụng rất phổ
biến trong việc điều khiển van EGR. Loại động cơ này cho kết quả điều khiển chính xác với việc xác định đƣợc hành trình điều khiển phản hồi về mạch điều
khiển, ngoài ra nó cịn có khả năng cho lực mở van lớn hơn các loại van điện từ khác bởi vì:
+ Khơng có tiếp điểm cơ khí nên khi hoạt động khơng tạo ra tia lửa điện, thích hợp trong các mơi trƣờng làm việc dễ cháy nổ. Ít phải bảo dƣỡng, sửa chữa.
+ Mômen khởi động lớn, tốc độ vịng quay cao, khi tích hợp với mạch điều khiển rất thuận lợi trong việc điều khiển tốc độ và hành trình của động cơ.
+ Tốc độ vịng quay cao, khi tích hợp với mạch điều khiển rất dễ điều khiển tốc độ và hành trình của động cơ.
Nh n xét:
Từ đ c điểm của các loại van EGR đã trình bày ở trên, tác giả lựa chọn van EGR điện từ điều khiển b ng động cơ điện một chiều không chổi than để lắp đ t trên hệ thống luân hồi khí thải của động cơ D1146TI.
Hình 2.11. Kết cấu van EGR điện từ
Động cơ điện một chiều không chổi than đƣợc chia làm hai loại: động cơ có senser cảm biến vị trí và động cơ khơng có senser cảm biến vị trí. Cấu tạo cụ thể của động cơ điện một chiều không chổi than đƣợc thể hiện trên Hình 2.12.
Kết luận chƣơng 2
Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu nhƣ đã trình bày ở trên có thể đƣa ra các kết luận sau:
Thực trạng phát thải của động cơ D1146TI, cụ thể là đã đƣợc cải tiến nâng cấp rất nhiều và thông quả kết quả đo mức phát thải của động cơ khi chƣa lắp bộ
EGR thấy r ng lƣợng phát thải NOx, PM, HC và CO động cơ D1146TI lắp trên xe
bus rất độc hại và ngày một n ng nề hơn. Để khắc phục thực trạng này tác giả tập
trung nghiên cứu các giải pháp giảm phát thải độc hại, đ c biệt là NOx cho động cơ
nói trên.
Qua phân tích đ c điểm của các giải pháp thì tác giả lựa chọn hệ thống luân hồi áp suất thấp lắp cho động cơ và lựa chọn van luân hồi EGR điều khiển điện tử lắp cho hệ thống là một biện pháp hiệu quả và phù hợp với điều kiện kinh tế, khoa học công nghệ của Việt Nam hiện nay.
Đ c điểm cấu tạo của các cụm chi tiết trong hệ thống luân hồi là cơ sở để thiết kế, tính tốn hệ thống luân hồi khí thải bố trí trên động cơ D1146TI một cách khoa học và hợp lý nhất.
Chƣơng 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG LUÂN HỒI KHÍ THẢI TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL TĂNG ÁP
3.1. Cơ sở thiết kế hệ thống luân hồi khí thải 3.1.1. Quan điểm thiết kế 3.1.1. Quan điểm thiết kế
Sử dụng hệ thống luân hồi khí thải là một biện pháp đạt hiệu quả cao trong
việc giảm NOX của khí thải động cơ. Tuy nhiên phƣơng pháp này lại làm tăng
lƣợng phát thải dạng hạt PM vƣợt quá giới hạn tiêu chu n cho phép.
Để giảm phát thải NOX một cách hiệu quả, kinh tế cần phải thiết kế hệ thống
luân hồi khí thải cho những xe bus đang lƣu hành. Bởi vì thực tế ở nƣớc ta hiện nay các xe bus (đ c biệt là xe bus sử dụng động cơ diesel tăng áp) vẫn chƣa đƣợc lắp hệ thống này. Nhƣng khi bố trí lắp đ t hệ thống luân hồi trên xe rất khó khăn, phức tạp là do không gian khoang chứa động cơ nhỏ và hệ thống tƣơng đối cồng kềnh. Vì vậy trong quá trình thiết kế hệ thống luân hồi cần đảm bảo đƣợc các yêu cầu kỹ thuật sau:
- Bố trí hệ thống trên khoang động cơ phải hợp lý, khoa học. - Dễ dàng tháo lắp.
- Không ảnh hƣởng đến các chi tiết làm việc của động cơ. - Đảm bảo các thông số làm việc của hệ thống luân hồi.
- Hệ thống luân hồi làm việc phải đáp ứng đƣợc các yêu cầu về phát thải theo tiêu chu n hiện hành.
3.1.2. Phƣơng án thiết kế
- Dựa vào kết cấu và các thông số kỹ thuật thực tế của động D1146TI để lựa chọn phƣơng án tính tốn, thiết kế hệ thống ln hồi.
- Đựa trên các kết quả nghiên cứu của đề tài trƣớc có nội dung liên quan. - Thiết kế hệ thống ln hồi dựa trên mơ hình lý thuyết của động cơ D1146TI.
3.2. Thiết kế hệ thống luân hồi khí thải cho động cơ diesel D1146TI 3.2.1. Thiết kế ống venturi 3.2.1. Thiết kế ống venturi
3.2.1.1. Đ c điểm c a ống venturi
Ống venturi là một chi tiết dùng thay đổi lƣu lƣợng dịng khí thải đi vào đƣờng nạp của động cơ. Trên cơ sở tham khảo tài liệu [16], một ống venturi có kết cấu nhƣ trong Hình 3.1 gồm các thơng số cơ bản sau:
a. Hệ số thu hẹp (r)
Hệ số thu hẹp r là tỷ lệ giữa tiết diện thu hẹp và tiết diện của đƣờng ống (hay đƣờng nạp), đƣợc xác định theo cơng thức: A A r 0 Trong đó: A : Tiết diện đƣờng ống nạp.
A0 : Tiết diện đƣờng ống tại vị trí luân hồi.
Dựa vào một số kết quả nghiên cứu [16], ta thấy ảnh hƣởng của hệ số thu hẹp đến tỷ lệ luân hồi và tổn thất áp suất (Hình 3.2) nhƣ sau:
- Khi r lớn: tỷ lệ luân hồi và tổn thất áp suất tại vị trí luân hồi nhỏ.
- Khi r nhỏ: tỷ lệ luân hồi lớn, tổn thất áp suất tại vị trí luân hồi lớn.
Việc lựa chọn hệ số thu hẹp rất quan trọng, ta phải lựa chọn r để đảm bảo tỷ lệ khí luân hồi đồng thời đảm bảo tổn thất áp suất tại vị trí luân hồi nhỏ nhất.
Hình 3.1. Hình dạng kết cấu ống venturi
Hỗn hợp
Hình 3.2. Ảnh hưởng của hệ số thu hẹp
b. Hình dạng của ống venturi
Ống venturi phải có kết cấu đảm bảo vừa gọn nhẹ, cho phép tỷ lệ luân hồi cao và tổn thất nhỏ nhất.
Dựa vào một số tài liệu tham khảo [16], ống venturi có 2 dạng: miệng kèn (Bell mouth) và cơn (Cone) nhƣ trên Hình 3.3. Cụ thể:
- Nếu xét về hiệu quả luân hồi và tổn thất áp suất thì đối với ống venturi dạng loa kèn có khả năng cho tỷ lệ luân hồi cao hơn dạng côn, tuy nhiên tổn thất áp suất cũng cao.
- Nếu xét về m t kết cấu thì chiều dài ống venturi dạng miệng kèn ngắn hơn dạng cơn, do đó khi lắp vào hệ thống sẽ dễ dàng hơn.
Trên thực tế ống venturi thƣờng có dạng cơn, với 2 thơng số đ c trƣng đó là: độ côn (α) và chiều dài ống (L).
Hai thông số (α, L) phải đƣợc lựa chọn sao cho kích thƣớc ống là nhỏ gọn nhất, tổn thất ít nhất và tỷ lệ luân hồi lớn nhất.
Theo kết quả nghiên cứu [16] chỉ ra tổn thất áp suất phụ thuộc chủ yếu vào góc cơn (α). Ở cùng chế độ làm việc của động cơ, khi góc cơn (α) nhỏ thì tổn thất áp suất nhỏ, tổn thất áp suất tăng khi (α) tăng.
Kết quả trên đồ thị Hình 3.4 thể hiện mối quan hệ giữa α, L và tổn thất áp suất trên ống khuếch tán:
- Trên đồ thị ta thấy, tại α = 5,50 thì tổn thất là nhỏ nhất, khi α tăng lên 80, 110,
170 thì tổn thất áp suất tăng tƣơng ứng.
Hình 3.3. Ảnh hưởng của hình dạng ống venturi
- M t khác, về m t kết cấu thì góc cơn α và chiều dài ống L tỷ lệ nghịch với nhau, khi α nhỏ thì L lớn và ngƣợc lại.
- Giả sử Lo là chiều dài ống ứng
với góc cơn α = 5,50 thì tại các góc các
góc 80, 110 và 170 chiều dài ống tƣơng
ứng là 0,7 Lo, 0,5 Lo và 0,3 Lo.
Kết quả nghiên cứu cũng cho
thấy (α, L) ảnh hƣởng khơng đáng kể đến tỷ lệ ln hồi khí thải. Do đó, ta chỉ cần lựa chọn α và L sao cho vừa đảm bảo kích thƣớc ống nhỏ gọn và tổn thất áp suất tại vị trí luân hồi là nhỏ nhất.
Nh n xét:
- Hệ số thu hẹp của ống phải đảm bảo khí thải có thể đi vào đƣờng nạp với tỷ lệ nhất định và tổn thất áp suất cục bộ tại vị trí bóp dịng là nhỏ nhất.
- Sự chênh lệch về hiệu quả luân hồi và tổn thất áp suất giữa hai loại ống: miệng kèn và cơn khơng nhiều. Do đó việc lựa chọn dạng ống chỉ phụ thuộc vào kết cấu chung của đƣờng nạp.
- Chiều dài phần ống khuếch tán L (cũng nhƣ góc cơn α) đƣợc lựa chọn tùy theo kết cấu chung của đƣờng nạp.
3.2.1.2. Thiết kế ống venturi
Trong thiết kế ống venturi thì thiết kế phần ruột ống là quan trọng nhất bởi vì
nó quyết định đến tỷ lệ luân hồi, do đó quyết định đến giảm thành phần NOX. Các
nội dung thiết kế, lựa chọn ống venturi gồm: