1.6. Các yếu tố ảnh hởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ ôtô
1.6.2. Trờng hợp động cơ Diesel
Kĩ thuật tổ chức quá trình cháy động cơ Diesel ảnh hởng 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 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 (NOx, HC). Vì
vậy, ngày nay dạng buồng cháy này chỉ dùng đối với ôtô hạng nặng. Việc hạn chế mức độ phát sinh ô nhiễm tối u đối với động cơ Diesel cần phải cân đối giữa nồng
độ 2 chất ô nhiễm chính lá NOx và bồ hóng.
1. ảnh hởng của góc phun sớm và tối u hoá hệ thống phun
ảnh hởng của chất lợng hệ thống phun đối với động cơ phun trực tiếp lớn hơn đối với động cơ phun gián tiếp về phơng diện phát sinh ô nhiễm. Trong cả hai trờng hợp, sự thay đổi góc phun sớm có ảnh hởng ngợc nhau đối với sự phát sinh NOx, HC và bồ hóng (hình 1.8).
Tăng góc phun sớm làm tăng áp suất cực đại và nhiệt độ quá trình cháy, do
đó làm tăng nồng độ NO. Thông thờng, 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
Hình 1.8. ảnh hởng của góc phun sớm đến mức độ phát sinh ô nhiễm
Giảm góc phun sớm là biện pháp hữu hiệu làm giảm nồng độ 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.
Hình 1.9. ảnh hởng của góc phun sớm đến mức độ phát sinh HC và NOx
§
( ộng cơ buồng cháy dự bị, chu trình FTP 75)
Mặt khác, khi tăng góc phun sớm, do quá trình cháy trễ kéo dài, lợng nhiên liệu hoà trộn trớc với hệ số d lợng không khí lớn gia tăng. Hỗn hợp này khó bén lửa do đó chúng thờng cháy không hoàn toàn và phát sinh nhiều CO. Về mặt lí thuyết, tăng góc phun sớm có thể làm giảm HC do quá trình cháy có thể diễn ra
thuận lợi hơn (hình 1.9), nhng trên thực tế nó có tác dụng ngợc lại. 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 nhng làm giảm nồng độ NOx và thành phần SOF. Đối với động cơ Diesel cỡ lớn, giảm góc phun sớm có thể 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 nhng làm giảm độ NO và bồ hóng, đặc biệt là đầy tải.
Khi góc phun sớm thay đổi từ 8 ữ 23 độ (góc quay trục khuỷu) trớc ĐCT, lợng bồ hóng tăng gấp đôi theo chu trình thử FTP75, đối với động cơ buồng cháy ngăn cách có góc đánh lửa sớm bình thờng 15 độ trớc ĐCT.
Sự thay đổi góc phun sớm phù hợ theo tốc độ và tải cho phép chọn đợc vị p trí điều chỉnh tối u hài hoà 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 phun sớm tối u bằng hệ thống điện tử 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 thử FTP75 trong phạm vi gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu không đáng kể.
Tốc độ tăng cao (nhờ áp suất phun) có ảnh hởng đến quá trình phát sinh ô nhiễm của động cơ phun trực tiếp. Khi đợc tăng tốc độ hoà trộn nhiên liệu và không khí, lợng nhiên liệu cháy ở điều kiện hoà trộn trớc gia tăng, do đó nồng độ NOx tăng nhng lợng bồ hóng giảm. Tuy nhiên, sự tăng áp suất phun (hơn 100MPa) làm tăng lợng hạt rắn do tăng lợng phát sinh SOF. Sử dụng vòi phun có nhiều lỗ phun đờng kính bé làm tăng chất lợng hoà trộn không khí và nhiên liệu do kích thớc hạt nhiên liệu giảm, hỗn hợp bốc cháy dễ dàng hơn, bù trừ đợc sự phun trễ do đó làm giảm NOx. Với cùng lợng phát thải cho trớc, sự gia tăng số lợng lỗ phun làm giảm nồng độ bồ hóng.
Đối với động cơ phun trực tiếp, áp suất phun tối u thay đổi từ 75 100MPa ữ tuỳ theo chế độ động cơ. Vợt quá áp suất này, với cùng lợng phát sinh NOx, lợng hạt rắn phát sinh giảm nhng 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 đợc bằng cách dùng một tia phun mồi.
Quy luật phun cũng ảnh hởng quan trọng đến quá trình phát sinh các chất ô nhiễm. Thời gian phun rất ngắn, áp suất phun cao cho phép gia tốc quá trình cung cấp nhiên liệu dẫn đến giảm lợng 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 tợng phun rớt. Phun rớt là nguyên nhân làm tăng hydrocacbure cha cháy và hạt rắn trong khí xả động cơ.
Đối với động cơ có buồng cháy ngăn cách, sự khống chế lu lợng nhiên liệu kèm theo việc giảm góc phun sớm có thể làm giảm 30% lợng NOx trong khí thải nhng làm tăng lợng 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 phơng diện phát ô nhiễm lẫn tính năng kinh tế kĩ thuật, trên động cơ thế hệ mới hiện nay ngời ta sử dụng cảm biến lắp trên đờng xả. Kết hợp thông số cho bởi λ cảm biến này với cảm biến áp suất, nhiệt độ khí nạp và tốc độ động cơ ngời ta có thể điều khiển chính xác thời điểm phun và lợng nhiên liệu cấp cho mỗi chu trình.
Giải pháp này đặc biệt có lợi với động cơ Diesel lắp trên ôtô nhằm giảm độ khói khi gia tèc.
2. ảnh hởng của dạng hình học buồng cháy
Dạng buồng cháy hợp lí cho phép tránh đợc lớp nhiên liệu bám trên thành do đó giảm đợc nồng độ HC trong khí xả. Đối với động cơ phun trực tiếp, biện pháp có hiệu quả nhất để làm giảm nồng độ bồ hóng là gia tăng cờng độ rối và kết hợp với việc sử dụng vòi phun nhiều lỗ. Buồng cháy tốt cần thoả mãn các điều kiện sau ®©y:
− Hành trình tự do của tia nhiên liệu trong buồng cháy lớn.
− Bề mặt buồng cháy trên piston đủ lớn để tránh sự giao thoa của các tia phun.
− Cờng độ rối cao trong vùng phân bố tia nhiên liệu.
− Tiếp tục duy trì đợc vận động rối của dòng khí trong buồng cháy sau điểm chết trên.
Việc gia tăng áp suất trong buồng cháy đơn thuần có khuynh hớng thuận lợi cho sự hình thành bồ hóng. Tuy nhiên, sự gia tăng áp suấp cực đại sẽ làm tăng đồng thời nhiệt độ khí cháy cho phép gia tăng tốc độ oxy hoá bồ hóng nên lợng bồ hóng trong khí xả không tăng. Sự gia tăng áp suất làm tăng độ ồn và phát sinh NOx.
Đối với động cơ phun trực tiếp, tỉ lệ nén cao cho phép khởi động dễ dàng ở nhiệt độ thấp. Sự gia tăng tỉ số nén vừa phải đồng thời cũng làm giảm HC và thành phần SOF của hạt rắn. Khi tỉ số nén tăng quá cao, động cơ sẽ phát sinh nhiều bồ hóng ở chế độ đầy tải. Vì vậy ở động cơ có tỉ số nén lớn, cần phải thiết kế dạng buồng cháy tối u cho phép tăng cờng sự dịch chuyển của dòng không khí thuận lợi cho việc đốt cháy bồ hóng.
Đối với động cơ có buồng cháy ngăn cách, sự gia tăng tỉ lệ giữa thể tích buồng cháy phụ và buồng cháy chính cho phép giảm sự hình thành bồ hóng nhờ tăng cờng thêm không khí cho buồng cháy phụ. Tiết diện đờng thông giữa hai buồng cháy khống chế cờng độ rối sinh ra ở thời điểm dịch chuyển lợng khí cháy từ buồng cháy phụ sang buồng cháy chính. Giảm nhỏ tiết diện này sẽ làm giảm nồng đồ bồ hóng ở chế độ đầy tải nhng làm tăng lợng bồ hóng ở chế độ tải cục bộ. Trong thiết kế, tiết diện tối u của đờng này đợc chọn ở chế độ đầy tải.
3. ảnh hởng của vận động rối trong buồng cháy
Sự phát sinh trong quá trình nạp có ảnh hởng trái ngợc nhau giữa sự phát sinh NOx, tiếng ồn, HC và bồ hóng. Để làm giảm mức độ ảnh hởng của giai đoạn hỗn hợp đậm đặc đến sự phát sinh bồ hóng trong xilanh, cần tăng hiệu quả của việc hoà trộn nhiên liệu - không khí ngay từ lúc bắt đầu giai đoạn cháy trễ (tăng cờng xoáy lốc). Nhng điều này gây nhợc điểm là làm tăng áp suất cực đại trong buồng cháy cùng với sự tăng tiếng ồn và mức độ phát sinh NOx.
Hớng tia phun trong buồng cháy dự bị cho phép điều chỉnh tốc độ hoà trộn nhiên liêu - không khí, do đó cải thiện sự phát sinh bồ hóng. Hớng tia phun cũng
ảnh hởng đến lợng nhiên liệu bám trên thành và đó là nguồn phát sinh HC. Vị trí của vòi phun trong buồng cháy phụ cũng ảnh hởng đến sự hình thành NOx.
4. ảnh hỏng của chế độ làm việc của động cơ và chế độ quá độ
Khi giảm tốc độ động cơ từ 680 ữ750 v/phút, nồng độ các chất ô nhiễm đều giảm khi đo theo chu trình FTP75: HC (-14%), NO ( 3%), CO (- -2%) và bồ hóng (-5%). Trong thử nghiệm động cơ theo chu trình tiêu chuẩn cũng nh trong thực tế, sự thay đổi chế độ tốc độ là yếu tố làm gia tăng sự ô nhiễm. Nồng độ bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel gia tăng rất mạnh khi gia tốc vì độ đậm đặc trung bình của hỗn hợp gia tăng. Lợng gia tăng này càng lớn khi thời gian gia tốc càng dài. Để giảm thời gian gia tốc, cần phải tối u hoá việc thiết kế động cơ để có thể:
- Giảm mômen quán tính các bộ phận chuyển động quay.
- Giảm thể tích các bộ phận nạp thải.
- Giảm nhiệt dung riêng của hệ thống làm mát.
- Gia tăng công suất dự trữ.
5. ảnh hởng của chỉ số cetane của nhiên liệu
Lợng bồ hóng giảm khi thời gian cháy trễ kéo dài, nghĩa là khi dùng nhiên liệu có chỉ số cetane thấp. Tuy nhiên, việc sử dụng nhiên liệu có chỉ số cetane thấp có thể dẫn đến những nhợc điểm quan trọng: gia tăng độ ồn nếu quá trình cháy
bắt đầu quá muộn, gia tăng lợng nhiên liệu bám trên thành xilanh và buồng cháy làm tăng mức độ phát sinh HC và bồ hóng.
6. ảnh hởng của nhiệt độ khí
Giảm nhiệt độ khí nạp sẽ làm giảm nhiệt độ cực đại của quá trình cháy và do
đó nồng độ NOx cũng giảm. Vì vậy, ở động cơ tăng áp ngời ta có khuynh hớng làm mát khí sau máy nén để đảm bảo nhiệt độ khí nạp không vợt quá 50oC.
Nhng sự làm mát khí có thể kéo dài thời kì cháy trễ làm tăng mức độ phát sinh ô nhiễm nh đã nêu (những giọt nhiên liệu bám vào thành xilanh làm tăng thành phần HC và bồ hóng trong khí xả). Khi khởi động động cơ ở trạng thái nguội, sự sấy buồng cháy hay sấy khí nạp là rất cần thiết để làm giảm mức độ phát sinh HC và khói trắng. Việc sấy nóng khí nạp có thể thực hiện nhờ bugi sấy hay bằng cách
đốt trớc một ít nhiên liệu trong khí nạp.
Nhiệt độ của khí đờng thải cũng ảnh hởng đến sự phát sinh ô nhiễm, nhất là đối với thành phần HC. Khi ở chế độ tải thấp, HC ngng tụ trên đờng thải rồi bốc hơi lại khi tăng tải làm tăng nồng độ HC. Đờng thải bằng vật liệu gốm cho phép tái oxy hoá bồ hóng và HC nhng làm tăng NOx. Động cơ Diesel phun trực tiếp có buồng cháy bằng vật liệu gốm, không làm mát cho phép làm giảm nồng độ các chất ô nhiễm ở chế độ tải thấp. Nhng khi tải cao, nồng độ NOx và bồ hóng đều tăng dù nhiệt độ thành buồng cháy cao cho phép tái đốt cháy bồ hóng ở cuối chu tr×nh.
7. ảnh hởng của tăng áp
Monoxyde carbon hình thành do quá trình cháy thiếu không khí, đặc biệt ở tải cao. Do đó tăng áp là biện pháp hữu hiệu làm giảm CO. Lợng không khí thừa do tăng áp đồng thời cũng cho phép tái đốt cháy bồ hóng, bù từ lợng tăng bồ hóng do khí xả hồi lu mang vào buồng cháy. Hệ thống hồi lu khí xả trong trờng hợp
động cơ tăng áp có thể làm giảm 50% lợng NOx mà không làm tăng bồ hóng.
8. ảnh hởng của hệ thống hồi lu khí xả
Mặc dù tỉ lệ khí hồi lu lớn gây tác hại xấu đối với động cơ (tăng mài mòn) nhng nó lại có tác dụng đáng kể trong việc làm giảm NOx do giảm nhiệt độ cháy.
Đối với động cơ phun trực tiếp làm việc với nhiệt độ khí nạp từ 40 60– oC (làm việc ở các hầm mỏ), hệ thống hồi lu khí xả có thể làm giảm 30% và 50% nồng độ NOx
theo thứ tự. Nếu làm ẩm thêm không khí nạp, cùng điều kiện làm việc nh trên mức
độ giảm NOx có thể đạt đến 50% và 85% theo thứ tự. Tuy nhiên, hồi lu khí xả có tác động xấu đối với các chất ô nhiễm khác: làm tăng nồng độ CO và bồ hóng ngay cả khi thêm hơi nớc. Phun hơi nớc cho phép hạn chế phản ứng cracking tạo bồ hóng nhờ giảm nhiệt độ cháy. Đối với động cơ buồng cháy ngăn cách, nồng độ bồ
hóng gia tăng trớc hết chậm, sau đó tăng nhanh theo lợng nớc phun vào buồng cháy phụ; biến thiên của nồng độ CO và HC cũng tơng tự. Hơi nớc chỉ có tác dụng làm giảm NO. Sự điều chỉnh tỉ lệ khí xả hồi lu cần đợc căn cứ theo tải và theo tốc độ. Hệ thống điện tử cho phép điều chỉnh van hồi lu khí xả theo các
đờng đặc tính chọn trớc: cắt lợng khí xả hồi lu khi động cơ nguội, sau đó lợng khí xả hồi lu tăng dần phụ thuộc vào nhiệt độ nớc làm mát, áp suất môi trờng, lợng nhiên liệu cung cấp. Mặt khác, hệ thống cũng cắt lợng khí hồi lu ở chế độ gia tốc lớn để hạn chế nồng độ bồ hóng. Hồi lu khí xả tối u cho phép giảm đợc 40% NOx mà không làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu cũng nh không làm tăng CO và bồ hóng. Kết hợp với tăng áp, hệ thống hồi lu khí xả cho phép làm giảm đồng thời NOx, HC và bồ hóng.