1.6. Các yếu tố ảnh hởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ ôtô
1.6.1. Trờng hợp động cơ đánh lửa cỡng bức
Mặc dù có nhiều cải tiến về kết cấu nhằm hạn chế sự hoà trộn giữa khí cháy và khí cha cháy, đặc biệt đối với động cơ sử dụng bộ chế hoà khí, nhng vẫn không tránh khỏi sự thất thoát một phần khí mới làm tăng sự phát sinh HC và làm giảm tính năng kinh tế kĩ thuật của động cơ 2 kì. Thêm vào đó, khi làm việc ở tải cục bộ, dạng động cơ này dễ bỏ lửa làm tăng HC.
Một trong các giải pháp làm giảm tổn thất nhiên liệu trong quá trình quét khí là làm thay đổi sự phân bố độ đậm đặc của hỗn hợp nhiên liệu không khí trong xi lanh sao cho chỉ có hỗn hợp nghèo mới thoát ra đờng thải. Một giải pháp khác có hiệu quả hơn là phun nhiên liệu vào buồng cháy khi cửa thải đã đóng. Tuy nhiên với giải pháp này ngời ta phải dùng một bơm do động cơ dẫn động, do đó làm
giảm đi một ít công suất có ích của động cơ. Mặt khác so với động cơ 4 kì, thời gian cuối quá trình nén (sau khi đóng cửa nạp và cửa thải) rất ngắn đòi hỏi phun nhiên liệu với tốc độ lớn, do vậy một bộ phận nhiên liệu bám lên thành buồng cháy làm tăng nồng độ HC trong khí xả. Một giải pháp tiết kiệm hơn là phun nhiên liệu bằng không khí ở áp suất cao trích ra trong giai đoạn nén. Để tránh hiện tợng nhiên liệu bám trên thành, ngời ta dùng một vòi phun trực tiếp trớc một hỗn hợp rất đậm với tốc độ tơng đối thấp.
Kĩ thuật quét khí cháy bằng không khí cho phép hạn chế tối đa sự phát thải HC trong khí xả. Kĩ thuật này cho phép giảm đợc từ 80% đến 90% nồng độ HC so với giá trị thông thờng đối với động cơ 2 kì cổ điển. Nồng độ NOx trong khí xả
của động cơ 2 kì hiện đại cao hơn một chút so với động cơ 2 kì cổ điển do hiệu suất cháy cao hơn và làm việc với hỗn hợp nghèo hơn.
2. Động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo
Động cơ đánh lửa cỡng bức làm việc với hỗn hợp nghèo đã đợc nghiên cứu từ lâu nhằm giảm suất tiêu hao nhiên liệu dẫn đến giảm nồng độ CO2, chất ô nhiễm
đợc quan tâm nhiều trong những năm gần đây vì nó là chất gây hiệu ứng nhà kính.
Khi động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo (hệ số d lợng không khí >1,25), α nồng độ các chất ô nhiễm chính (CO, HC, NOx) đều giảm. Khi hệ số d lợng không khí thay đổi từ α = 1,0 đến α = 1,4 suất tiêu hao nhiên liệu giảm đi 7%, nồng
độ NOx có thể giảm đến 85% so với động cơ làm việc với hỗn hợp α = 1 nếu kết hợp với việc giảm một cách hợp lí góc đánh lửa sớm. Tuy nhiên u điểm này chỉ có
đợc trong điều kiện hỗn hợp gần nến đánh lửa có thể bốc cháy và sự lan tràn màng lửa diễn ra một cách bình thờng. Điều này đòi hỏi việc tổ chức tốt quá trình cháy cũng nh phân bố hợp lí độ đậm đặc hỗn hợp trong buồng cháy.
Khi gia tăng hệ số d lợng không khí hay làm bẩn hỗn hợp bằng khí xả hồi lu vợt quá một giới hạn cho phép sẽ dẫn đến:
- Giảm tốc độ cháy, điểm cực đại của áp suất sẽ lệch về phía giai đoạn giãn nở dù đánh lửa sớm hơn.
- Mô men phát ra không đều dẫn tới sự làm việc không ổn định.
- Thờng xuyên bỏ lửa.
- Gia tăng mức độ phát sinh HC.
- Gia tăng tiêu hao nhiên liệu do tốc độ cháy giảm.
Những giải pháp cho phép động cơ hoạt động gần giới hạn nghèo của hỗn hợp có thể chia làm ba loại:
- Các giải pháp tác động trớc khi hỗn hợp vào xilanh: chuẩn bị và định lợng hỗn hợp nhiên liệu (chế hoà khí hay phun), hệ thống điều chỉnh hỗn hợp, thiết kế hợp lí đờng nạp.
- Các biện pháp tác động bên trong động cơ: hình dạng buồng cháy, bố trí xupáp và bugi đánh lửa.
- Các biện pháp tác động trên đờng thải: thiết kế đờng thải, trang bị bộ xúc tác oxy hoá để hạn chế CO và HC.
Để động cơ có thể làm việc với hỗn hợp nghèo ngời ta áp dụng giải pháp nạp hỗn hợp nhiên liệu không khí vào xilanh động cơ sao cho ở gần điểm đánh - lửa, độ đậm đặc của hỗn hợp cao hơn giá trị trung bình để có thể bén lửa và bốc cháy. Ngời ta đã thử nghiệm nhiều hệ thống tạo hỗn hợp phân lớp nhng hiện nay chỉ có hai dạng đợc ứng dụng khả quan nhất. Đó là: hệ thống buồng dự bị (dạng CVCC) và hệ thống phun trực tiếp (dạng PROCO).
Hệ thống Honda CVCC dùng một buồng cháy nhỏ có xupáp nạp riêng (hình 1.6). Hỗn hợp gi u đợc nạp vào buồng cháy phụ còn hỗn hợp rất nghèo đợc nạp à vào buồng cháy chính qua xupáp nạp thông thờng. Hỗn hợp giàu trong buồng cháy phụ đợc đốt cháy bằng tia lửa điện. Sản phẩm cháy có nhiệt độ cao thoát ra khỏi buồng cháy phụ và tiếp tục đốt cháy hỗn hợp nghèo trong buồng cháy chính.
Hệ thống này làm giảm nhiệt độ cực đại của quá trình cháy, do đó giảm NOx, nhng vẫn đủ cao để oxy hoá HC. Mặt khác, do độ đậm đặc của hỗn hợp thấp nên nồng độ CO trong khí xả cũng giảm. động cơ làm việc với hệ số này có suất tiêu hao nhiên liệu riêng rất thấp, nhng công suất lít của xilanh cũng giảm. Do đó, từ năm 1986 nó không còn đợc nghiên cứu nữa và thay vào đó, ngời ta nghiên cứu một hệ thống tơng tự trong đó bộ chế hoà khí đợc thay thế bằng hệ thống phun.
ở hệ thống mới này, vòi phun nhiên liệu có áp suất 3,5 MPa tạo nên vùng hỗn hợp giàu gần nến đánh lửa trong buồng cháy phụ có kích thớc bé. Hệ thống này làm giảm NOx nhng làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu.
Hình 1.6: Sơ đồ động cơ hỗn hợp phân lớp sử dụng buồng cháy phụ.
Hệ thống Ford PROCO thực hiện sự phân lớp hỗn hợp bằng cách phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng cháy (hình 1.7). Hệ thống này không có buồng cháy phụ nhng sử dụng một buồng cháy khoét lõm trên đỉnh piston. Ngời ta sử dụng một tia phun có góc phun rất rộng với hỗn hợp giàu đợc phun vào giữa xilanh bởi một vòi phun có độ xuyên thấu bé. Hỗn hợp này đợc đốt nhờ tia lửa điện và lan đến hỗn hợp xung quanh nghèo hơn ngay khi piston đi xuống nhờ cờng độ xoáy lốc mạnh.
Hình 1.7: Sơ đồ động cơ tạo hỗn hợp phân lớp phun trực tiếp PROCO.
3. ảnh hởng của các chế độ vận hành động cơ xăng a. Cắt nhiên liệu khi giảm tốc
để hạn chế nồng độ HC trong giai đoạn động cơ đóng vai trò phanh ôtô (khi giảm tốc nhng vẫn cài li hợp), biện pháp tốt nhất là ngng cung cấp nhiên liệu.
Tuy nhiên, động tác này có thể dẫn tới điều bất lợi là làm xuất hiện hai điểm cực
đại HC: điểm cực đại HC ở thời điểm cắt nhiên liệu và điểm cực đại thứ hai là thời
điểm khi cấp nhiên liệu trở lại.
Đối với động cơ dùng bộ chế hoà khí, để tránh giai đoạn quá độ khi động cơ
phát lực trở lại, ngời ta sử dụng một hệ thống cho phép cung cấp thêm nhiên liệu dự trữ. Nhiên liệu này đợc tích trữ trong hệ thống bù trừ ở giai đoạn giảm tốc. Sự cung cấp nhiên liệu bổ sung này cho phép duy trì đợc độ đậm đặc của hỗn hợp một cách hợp lí ở thời điểm mở đột ngột bớm ga trở lại.
Đối với động cơ phun nhiên liệu, ngời ta sử dụng một hệ thống cho phép
điều chỉnh lợng nhiên liệu phun vào đờng nạp theo lu lợng không khí. Khi giảm tốc, bớm ga đóng lại, một van giảm tốc mở ra để cung cấp không khí cho
động cơ và ngời ta sử dụng lợng không khí này để điều khiển lợng nhiên liệu.
Trong trờng hợp đó, động cơ hút một thể tích khí lớn hơn trong trờng hợp động cơ dùng chế hoà khí. Hai điểm cực đại của HC cũng xuất hiện giống nh trong trờng hợp động cơ dùng bộ chế hoà khí.
b. Dừng động cơ ở đèn đỏ
Chế độ dừng động cơ hợp lí khi ôtô chạy trong thành phố có thể làm giảm
đồng thời mức độ phát sinh ô nhiễm và suất tiêu hao nhiên liệu. Thực nghiệm cho thấy khi thời gian dừng ôtô vợt quá một giá trị cực đoan thì nên tắt động cơ. Nếu không xét đến suất tiêu hao nhiên liệu thì việc tắt động cơ không đem lại lợi ích gì
về mặt ô nhiễm trong trờng hợp động cơ có bộ xúc tác trên đờng xả. Trung bình thời gian dừng cực đoan là 50s. Khi vợt quá thời gian này nên tắt động cơ nếu
động tác này không làm giảm tuổi thọ của máy khởi động và bình điện.