CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.4. Tổng quan về hồi lưu khí thải EGR [15]
2.4.4. Ảnh hưởng của EGR lên đốt cháy và phát thải
Ảnh hưởng của EGR trên góc phun nhiên liệu, tạo sương nhiên liệu, xâm nhập nhiên liệu, nồng độ O2, và khí thải đã được nghiên cứu bởi Arcoumanis và các đồng nghiệp.
Nghiên cứu của họ được tiến hành trên một động cơ Diesel nhỏ DI 1,9L được trang bị với một hệ thống EGR thử nghiệm.
Hình 2-23. Ảnh hưởng ủ EG t ên O ạ h và CO
Nghiên cứu xác nhận rằng EGR dời một phần của không khí được lọc sạch, do đó một phần Oxi bị cuốn vào động cơ. Mối quan hệ giữa tỉ lệ EGR và Oxi dời từ không khí được thể hiện trong hình 2-23 cho thấy việc tăng EGR từ 0 đến 50% thì giảm Oxi từ 21 xuống 14%. Cũng thể hiện trong hình 2-23 là ảnh hưởng của EGR trên CO2, chỉ ra rằng tăng EGR từ 0 đến 50% thì sẽ làm tăng CO2 khoảng 5%. Với Oxi di dời (giảm) tỉ lệ quá trình oxi hóa bồ hóng giảm, dẫn đến nồng độ cao hơn của các hạt vật chất carbon. Các tác giả đã phát hiện ra rằng sự gia tăng CO2 và bồ hóng đi kèm với sự gia
tăng CO và HC. Điều thú vị là ảnh hưởng của EGR vào góc phun nhiên liệu, tạo sương nhiên liệu, cũng như đầu phun nhiên liệu thâm nhập đã được tìm thấy là tối thiểu.
Theo dự kiến, nhiệt độ trong đường ống nạp, nơi EGR và không khí sạch hòa trộn tăng lên và giảm mật độ. Ảnh hưởng của tỷ lệ EGR (trong cấu hình không làm mát) vào nhiệt độ của hỗn hợp trong ống nạp được thể hiện trong hình 2-24. Nó cũng đã được quan sát thấy rằng, số lượng của việc tự động đánh lửa, cũng như kích thước của chúng, tăng với tỉ lệ EGR cao hơn. Ngược lại độ sáng ngọn lửa và nhiệt độ của nó giảm xuống. Ở 50% EGR, nhiệt độ ngọn lửa đã được giảm khoảng 100K. Kể từ khi NOx hình thành thì nhiệt độ phụ thuộc mạnh hơn vào ngọn lửa. Có ý kiến cho rằng giảm nhiệt độ ngọn lửa đốt là lý do chính để giảm NOx.
Hình 2-24: Ảnh hưởng ủ tỉ ệ EG t ên nh ệt đ đường ống nạp
Thông qua ảnh hưởng của nó trên khí nạp và nhiệt độ đốt cháy, EGR cũng ảnh hưởng đến nhiệt độ của khí thải. Hiện đã có một khái niệm, đã được trình bày bởi nhiều nhà sản xuất tiếp sau phát thải, mà sự tái sinh của các bộ lọc Diesel có thể được hỗ trợ thông qua sự gia tăng nhiệt độ khí thải bởi EGR. Điều này có nghĩa EGR thực sự gia tăng nhiệt độ khí thải, một tuyên bố đòi hỏi một số trình độ chuyên môn. Thật vậy trong EGR làm mát nhiệt độ khí thải được tăng lên, đặc biệt là ở tải trọng động cơ cao.
Tuy nhiên trong trường hợp EGR làm mát, không có quy tắc chung tác động của nó vào nhiệt độ khí thải, mà nó phụ thuộc vào hiệu quả của EGR làm mát và các biến khác.
a) Giảm NOx: Ảnh hưởng của tỉ lệ EGR trên giảm NOx ở tỉ lệ tải động cơ khác nhau được minh họa trên hình 2-25. Mặc dù đã được chỉ ra rằng EGR làm mát không phải lúc nào cũng được mong muốn, cần lưu ý rằng nếu tuần hoàn khí thải được sử dụng tại tải động cơ cao thì nó cần phải được làm mát. Làm mát EGR sẽ thay đổi ít hơn về lượng không khí trong lành, do đó duy trì một tỉ lệ A/F tổng thể phù hợp để duy trì hiệu suất đốt cháy.
Hình 2-25: Ảnh hưởng ủ tỉ ệ EG t ên v ệ g ảm NO tạ á tả đ ng khá nh b) Tiêu thụ nhiên liệu: Trung tâm của giảm NOx qua EGR là tác động của nó trên tiêu thụ nhiên liệu, đặc biệt nếu phương pháp giảm NOx khác như làm chậm thời gian phun được xem xét. Vấn đề này là chủ đề của một nghiên cứu tiến hành trên động cơ Diesel hạng nặng. Nó kết luận rằng việc sử dụng EGR để giảm phát thải NOx từ khoảng 4,0 g/phb-hr đến 2,8 g/phb-hr là hiệu quả hơn để đạt được gần giống như thời gian phun chậm. Kết quả của nghiên cứu này được minh họa trong hình 2-26, cho tác động của BSFC cũng như phát thải bụi.
Hình 2-26: Ảnh hưởng ủ EG o vớ thờ g n ph n hận t ên BSFC
c) Phát thải PM: Một trong những hậu quả tiêu cực của việc sử dụng EGR là ảnh hưởng bất lợi của nó đối với phát thải các hạt vật chất. Một thí nghiệm được tiến hành trên một serial 60, 61 lít, turbo tăng áp và làm mát ở động cơ Diesel Detroit, nơi mà EGR tăng một cách hệ thống từ A đến D như hình 2-27, cho thấy tổng phát thải tương ứng gia tăng trong một loạt các bài kiểm tra của EPA.
Phân tích các mẫu hạt chỉ ra rằng phần hữu cơ hòa tan (SOF) vẫn không đổi. Nó cũng được kết luận rằng phần không hòa tan (chủ yếu là carbon) của hạt tăng như tỉ lệ EGR tăng từ A đến D. Oxi hóa các loại chuyển đổi xúc tác được thiết kết để làm giảm hạt SOF, không may không kiềm chế được phần không hòa tan. Bộ lọc hạt Diesel (DPF) là một thay thế rất hiệu quả để kiểm soát phần không hòa tan PM trên động cơ được trang bị EGR mà mức phát thải PM bắt buộc là rất thấp.
Hình 2-27: Ảnh hưởng ủ EG ên phát thả PM
Giảm NOx và tăng PM khác biệt cũng giống như ảnh hưởng đến nhiệt độ nạp cho cả EGR làm mát và không làm mát như hình 2-28. Nó cũng quan trọng để lưu ý rằng NOx cũng có thể tăng nhẹ với EGR nếu nó được chạy ở chế độ tải thấp. Kết quả của gia tăng đánh lửa trễ có thể ảnh hưởng đến thời gian trong buồng đốt dẫn đến tăng sản lượng NOx. Hiện tượng này được minh họa trong hình 2-28 nơi mà phát thải NOx với EGR làm mát đã được tìm thấy là cao hơn so với EGR không làm mát.
Hình 2-28: Ảnh hưởng ủ EG àm mát và không àm mát t ên phát thả NO và PM d) Cân bằng NOx/PM: Trong khi các kết quả của nghiên cứu này đặc trưng cho một động cơ hạng nặng với độ nhạy của nó tới việc làm chậm thời gian phun hoặc một hình thể EGR đặc biệt, họ đã minh họa EGR như là một hệ thống giảm NOx hợp lý. Hình 2-29 dưới đây nhấn mạnh tầm quan trọng của tỉ lệ A/F trong việc triển khai hệ
thống EGR và so sánh khả năng giảm NOx của việc phun trễ so với hai hình thể của EGR.
Hình 2-29: Ảnh hưởng ủ thờ g n ph n t ễ, HPL EG àm mát và LPL EG đố vớ ân bằng NO /PM
Trong hình 2-29, đường khí thải NOx/PM của động cơ Diesel tải trung khoảng 5,2/0,15 g/bhp-hr. Thời gian phun chậm đã được điều chỉnh để NOx là thấp nhất có thể và vẫn duy trì cháy ổn định. Nỗ lực này dẫn đến 4,0 g/bhp-hr trong khi phát thải PM cơ bản vẫn không đổi. Cùng một động cơ được trang bị hệ thống HPL EGR làm mát mà cho phép nó đạt được NOx thấp 2,0 g/bhp-hr. Vì điều này đã được thực hiện mà không phải sửa đổi turbo tăng áp động cơ, một sự sụt giảm nghiêm trọng tỉ lệ A/F đã được trải qua từ đó dẫn đến gia tăng đáng kể phát thải PM. Hình thể của EGR được thay đổi thành LPL EGR, trong đó cải thiện tỉ lệ A/F và do đó cân bằng NOx/PM. Như chỉ ra trong hình 2-29, hệ thống LPL EGR có khả năng làm giảm NOx xuống mức 1,5 g/bhp- hr, với PM trong khoảng 0,3 đến 0,4 g/bhp-hr, so với 0,9 g/bhp-hr của cấu hình HPL EGR làm mát. Hơn nữa tối ưu tỉ lệ A/F trên động cơ này, dẫn đến phát thải PM là 0,105 g/bhp-hr.
Trong hình 2-30 (A), cân bằng phát thải NOx/PM được thể hiện như một hàm của tỉ lệ EGR. Sự gia tăng mạnh về phát thải PM được quan sát thấy khi tỉ lệ EGR khoảng
45%, cho thấy một sự thay đổi hóa học trong quá trình đốt cháy. Phát thải PM tăng được kết hợp rất chặt chẽ với sự gia tăng HC như hình 2-30 (B).
Hình 2-30: Ảnh hưởng ủ tỉ ệ EG t ên ân bằng phát thả NO /PM và NO /HC Số lượng phát thải và phân phối kích thước cũng được nghiên cứu trong các nghiên cứu tương tự. Hình 2-31 cho thấy sự tập trung số lượng như là một chức năng của đường kính hạt cho nhiều tỉ lệ EGR. Gia tăng số hạt phát thải được xác định với sự gia tăng tỉ lệ EGR. Nó cũng là điều hiển nhiên rằng gia tăng EGR dẫn đến kích thước hạt lớn hơn, kích thước hạt lớn hơn ở nồng độ đỉnh tăng theo hệ số khoảng từ 30% đến 53% EGR. Nó được giả thuyết rằng các hạt EGR được đưa vào buồng đốt như là hạt nhân cho các hạt mới kết tụ để tạo thành các hạt lớn hơn.
Hình 2-31: Ảnh hưởng ủ EG t ên ố và kí h thướ hạt
e) Điều khiển tỉ lệ A/F: Thúc đẩy bởi sự cần thiết của điều khiển tỉ lệ A/F trong chế độ vận hành động cơ, một số khái niệm đã được đưa ra. Phương pháp phổ biến nhất (ưa chuộng của cả sản xuất động cơ nhẹ và nặng) sử dụng turbo tăng áp thay đổi hình dạng (VGT). Các thiết bị này có thể tạo ra mức độ khác nhau của tăng áp suất phụ thuộc vào vị trí góc quay cánh quạt phun thay đổi. Phụ thuộc vào vị trí góc biến đổi cánh quạt, như vị trí của một thiết bị truyền động, năng lượng tiềm năng của ống xả (áp suất) được chuyển đổi thành mức độ khác nhau của động năng (tốc độ), kết quả là mức độ tăng khác nhau. Do đó turbo tăng áp thay đổi hình dạng có thể được sử dụng để điều chỉnh luồng không khí ở bất kỳ tốc độ động cơ và điều kiện tải, để tối ưu hóa tỉ lệ A/F là một chức năng của tỷ lệ EGR.
Ngoài việc kiểm soát luồng không khí, VGT ảnh hưởng đến áp lực ống xả, bởi những hạn chế cho vị trí của các cánh quạt thay đổi. Tính năng này cũng có thể sử dụng như công cụ bổ sung để kiểm soát chênh lệch áp suất giữa ống xả và ống nạp, do đó cung cấp kiểm soát tỉ lệ EGR kết hợp với một lỗ van EGR cố định. Tất nhiên một hệ thống như vậy cung cấp kiểm soát linh hoạt hơn, nó đòi hỏi tinh vi hơn và nỗ lực để hiệu chỉnh. Một thiết kế tốt hệ thống EGR/VGT có thể cung cấp hoạt động không khói
tại bất kỳ tốc độ và điều kiện tải trọng bằng cách duy trì tỉ lệ A/F trên một ngưỡng tối thiểu được chỉ định.
Kiểm soát tỉ lệ A/F cũng có thể được cung cấp bởi điện và thủy lực điều khiển bơm tăng áp. Hệ thống kiểm soát tỉ lệ A/F thể hiện trên hình 2-32, đã được đề xuất hoạt đông cùng với hệ thống EGR cho mục đích giảm thiều NOx và PM từ động cơ Diesel, trong việc nâng cao động cơ, cải thiện khả năng tạo khói và tiết kiệm nhiên liệu. Các hệ thống ủng hộ việc sử dụng bơm tăng nạp như bơm khí và bơm EGR.
Hình 2-32: S đồ mạ h đ ề kh ển bằng đ ện b m tăng áp ho v ệ k ểm oát tỉ ệ A/F Hệ thống thể hiện bằng sơ đồ ở hình 2-32 có khả năng kiểm soát tuần hoàn khí thải và tăng công suất. Luồng khí thải từ ống xả (A) vào trong turbin (B) của turbo tăng áp thông qua bộ lọc Diesel (C) để kiểm soát vấn đề hạt. Khí thải sau đó được chia ra, một phần thoát khỏi hệ thống ống xả (D) một phần quay trở lại đường ống nạp. EGR đi qua bộ trao đổi nhiệt (E) để giảm nhiệt độ của nó và giảm được lượng phát thải NOx. Một van điều khiển điện tử (F) phục vụ như một điểm giao giữa LPL EGR làm mát (G) và không khí lọc sạch (H). Van rẽ nhánh (F) kiểm soát chịu trách nhiệm cung cấp hỗn hợp cho bộ sạc điều khiển bằng điện, EDC (I). Hỗn hợp này sẽ phụ thuộc vào chế độ làm
việc của động cơ. Ở tốc độ không tải thấp và điều kiện tải một phần, van rẽ nhánh F cho phép một hỗn hợp không khí trong lành và khí thải vào EDC. Tỉ lệ hỗn hợp mà có thế được xác định bằng các thuật toán giảm NOx và tỉ lệ EGR cần thiết để kiểm soát NOx mong muốn. Cho động cơ tốc độ thấp mô men xoắn cao như tăng tải, van rẽ nhánh F sẽ giảm dần tỉ trọng của EGR và tăng không khí trong lành. Với 100% khí sạch được cho phép ở điều kiện đầy tải, EDC có thể được sử dụng trong chế độ tăng công suất, nơi có quá nhiều khói có thể được ngăn chặn và tiêu thụ nhiên liệu tốt hơn có thể được quan sát thấy. Vì vậy sự kết hợp của van rẽ nhánh, chẳng hạn như van F và EDC có thể kiểm soát cả EGR và hạn chế khói thoát ra ở tốc độ thấp hơn với mô men xoắn cực đại. Trên tốc độ mô men xoắn đỉnh, động cơ turbo tăng áp thường phù hợp với yêu cầu không khí nạp của động cơ cho việc kiểm soát khói. Do đó, EDC (I) được sử dụng cho việc kiểm soát tỉ lệ EGR chỉ cho tốc độ động cơ trên tốc độ mô men xoắn cực đại. Hai van một chiều (K và L) được bố trí để kiểm soát dòng chảy vào trong đường ống nạp và ngăn chặn trở lại turbo tăng áp động cơ hoặc EDC. Ống nạp sẽ được thông qua van một chiều K ở tốc độ thấp hơn tốc độ mô men xoắn cực đại, và thông qua van một chiều L trên tốc độ mô men xoắn cực đại khi hoạt động ở điều kiện đầy tải.
Việc thực hiện của hệ thống này trên một động cơ Diesel hạng trung dẫn đến hoạt động tạo khói trong thời gian tăng tốc nhanh (hình 2-33) cũng như giảm NOx gần 50% trong kiểm tra khí thải theo EPA của Mỹ.
Hình 2-33: Hoạt đ ng không tạo khó thông q đ ề kh ển A/F