CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.4. Tổng quan về hồi lưu khí thải EGR [15]
2.4.3. Các hình thể của EGR
Từ hình 2-7 thấy rằng một chênh lệch áp suất tồn tại giữa ống xả và ống hút mà không có EGR có thể chảy từ trước tới sau. Trong động cơ Diesel hạng nặng có turbo tăng áp rất khó để sử dụng EGR trên đường ống nạp. Vấn đề là áp suất hệ thống nạp thường lớn hơn rất nhiều so với áp suất hệ thống xả. Để phá vở khí xả tiến thoái lưỡng nan này bị chặn tại một điểm phía trên của turbo tăng áp (xem hình 2-15), nơi áp suất ống xả cao hơn so với ống nạp. Một phần của dòng khí xả được trả về các xy-lanh động cơ thông qua một van EGR điều khiển điện tử sau khi được làm mát như thể hiện trong hình 2-15. Cách tiếp cận này thường được gọi là vòng lặp áp lực cao (HPL) EGR.
Hình 2-15: S đồ ấ h nh HPL EG
Vòng lặp áp lực cao EGR được áp dụng cho nhiều động cơ Diesel hạng nặng đã cho phép giảm NOx tới 2,0 g/phb-hr theo mức US FTP 2002/04. Trong việc triển khai HPL EGR kết hợp với turbo tăng áp thường được điều chỉnh để bù đắp cho mất hiệu quả tăng áp khi một phần của ống xả bị chặn và năng lượng tuyến tính tại bánh xe turbin.
Hình 2-16 cho thấy mặt cắt của một turbo tăng áp với các thành phần của nó. Trong hình này giao diện cài đặt turbo tăng áp với ống xả cũng được hiển thị. Một ống nguồn của EGR được minh họa trên một đầu ống xả. EGR chiết xuất như vậy thường được chuyển qua một bộ phận làm mát tuần hoàn khí thải, một van điều khiển EGR, sau đó đến đường ống nạp như thể hiện trong hình 2-15.
Hình 2-16: Mặt ắt t bo tăng áp vớ đường ống HPL EG
Các chiến lược khác nhau đã được sử dụng để gia tăng sự khác biệt về áp suất giữa bộ tản nhiệt ống xả và ống hút để tạo điều kiện cho dòng chảy EGR vào đầu ống nạp nhiều hơn. Điều tiết ống hút (như thường được sử dụng trên động cơ Diesel hạng nhẹ) hoặc hạn chế ống thải như các kỹ thuật có thể được ví dụ. Cách tiếp cận khác phổ biến hơn trong các động cơ Diesel hạng nặng là sử dụng ống Venturi, như thể hiện trong hình 2-17. Sử dụng thiết kế như vậy thường làm tăng động năng của EGR cho phép dòng chảy của nó nhiều hơn cùng với tổn thất bơm thấp hơn. Thật vậy một số nghiên cứu cho thấy sử dụng ống venturi là hiệu quả hơn (ít tiêu hao nhiên liệu hơn) so với ống xả điều tiết. Thiết kế thích hợp của thiết bị Venturi cũng có thể nâng cao pha trộn của EGR với không khí sạch, dẫn đến phân phối EGR tốt hơn giữa các xy-lanh động cơ.
Hình 2-17: Cấ h nh HPL EG vớ ống nt b) EGR thấp áp:
Một đề án thực hiện EGR trong động cơ Diesel hạng nặng là vòng lặp áp suất thấp (LPL EGR). Hệ thống này thường được sử dụng kết hợp với các hệ thống bộ lọc hạt bụi, nơi một số lợi ích có thể được tích lũy. Chứ không phải là tìm nguồn cung ứng EGR từ một điểm trước turbin (như trong trường hợp HPL EGR), LPL EGR sử dụng các khí thải được lọc qua các bộ lọc Diesel. Hình 2-18 cho thấy một biểu đồ của một hệ thống LPL EGR nơi được tái tuần hoàn từ một điểm hạ lưu từ DPF. Cấu hình thay thế này tìm cách bảo vệ hiệu suất tăng áp bằng cách cấp khí thải từ một điểm hạ lưu của cái bẫy (xem hình 2-18) do đó cho phép tất cả các khí thải được sử dụng trong turbin.
Tại điểm này áp lực khí thải ở mức thấp hơn so với đường ống nạp. Để thúc đẩy dòng chảy, EGR được đưa trở lại động cơ ở thượng nguồn của turbo tăng áp. Sự chênh lệch áp suất giữa các điểm hạ lưu của cái bẫy và thượng nguồn của turbo tăng áp nói chung là đầy đủ cho lưu lượng tuần hoàn khí thải cần thiết để giảm NOx ít nhất là 2,0 g/phb- hr theo mức US FTP, cho động cơ Diesel hạng nặng.
Hình 2-18: Hệ thống EG áp ất thấp ho đ ng hạng nặng Ưu điểm của LPL EGR bao gồm:
Khả năng tiêu thụ nhiên liệu thấp hơn so với cấu hình HPL như một kết quả của sự tăng áp tốt hơn so với cấu hình HPL. Tuy nhiên nếu HPL EGR được thực hiện đúng cách, turbo tăng áp phải được sửa đổi do sự mất mát của năng lượng khí xả kết quả do việc thay đổi đường đi của một số khí thải đến mạch tuần hoàn khí thải, trong trường hợp này cấu hình HPL sẽ được phục hồi tổn thất nhiên liệu của nó.
Với sự hiện diện của một bộ lọc hạt, LPL EGR cung cấp chủ yếu khí thải được lọc đến đường ống nạp của động cơ thông qua turbo tăng áp. Do đó độ bền của động cơ được tốt hơn.
Khí thải ở hạ nguồn của các bộ lọc thì mát hơn so với cung cấp ở thượng nguồn của turbo tăng áp (như trong trương hợp HPL). Vì vậy, LPL EGR sẽ có một khả năng hấp thụ nhiệt cao hơn so với lưu lượng tương tự của HPL EGR.
Do khả năng hấp thụ nhiệt cao hơn của LPL nên giảm yêu cầu làm mát khí thải (giảm kích thước làm mát EGR) và cung cấp một đơn vị nhỏ gọn hơn. Ngoài ra
tuần hoàn khí thải sẽ có ít nhiệt hơn bị đẩy vào trong két nước làm mát của động cơ, do đó tải trọng làm mát ít hơn cho bộ tản nhiệt xử lý.
Giảm lượng EGR làm mát có thể ngăn chặn hệ thống ngưng tụ khí thải và tiềm năng làm xói mòn EGR làm mát, van EGR, ống EGR và bánh xe của turbo tăng áp.
EGR và không khí tươi được hòa trộn tốt hơn là kết quả của việc hòa trộn ở thượng nguồn của turbo tăng áp.
Với những lợi ích như đã đề cập nhưng hệ thống LPL EGR không được ưa chuộng hơn HPL EGR vì những lý do sau:
Mặc dù LPL EGR có nguồn gốc từ hạ lưu các bộ lọc, nó không hẳn hoàn toàn thoát khỏi các vật liệu carbon, vì hiệu quả của bẫy lọc nhỏ hơn 100%. Vật liệu carbon vẫn còn đọng lại trong dòng khí thải tuần hoàn, ảnh hưởng của nó trên bánh xe máy nén làm bánh xe quay với tốc độ cao làm mài mòn các bánh xe.
Trong trường hợp air-to-air làm mát đã dùng thể hiện trên hình 2-18, carbon và phần không lọc khác chảy qua máy nén có thể bị mắc kẹt trong những đoạn làm mát hẹp. Nếu để tích lũy theo thời gian, lưu lượng không khí cho động cơ sẽ giảm, dẫn đến hiệu suất cũng như phát thải và kinh tế nhiên liệu bị giảm, do đó yêu cầu phải thay thế bộ làm mát air-to-air.
Hơi dầu không cháy cũng như bất kỳ nhiên liệu không cháy hấp thụ trên bề mặt của các hạt carbon tích lũy trong hệ thống nạp có thể phát ra CO khi tiếp xúc với nhiệt độ cao. Khi điều này xảy ra, không khí trong lành và làm mát cho động cơ sẽ được thay thế bằng CO, đó là bất lợi cho hiệu suất cháy.
Sắp xếp đường ống dẫn của EGR thường là khó xử và rườm rà.
Nhiệt độ EGR hạ xuống, phát triển ngưng tụ trong đó có tính axit tự nhiên. Vấn đề này dường như rõ rệt hơn trong trường hợp của LPL so với HPL EGR.
c) Hệ thống EGR hybrid
Một số động cơ có thể được trang bị cổng chất thải turbo tăng áp, trong đó một số khí thải vượt qua turbin ở điều kiện tốc độ động cơ cao. Bỏ qua khí thải xung quanh turbo tăng áp thường làm giảm áp lực ống xả cũng như sự khác biệt áp suất giữa bộ tản nhiệt của ống xả và ống nạp. Trong trường hợp này hệ thống EGR hybrid kết hợp tính năng của LPL và HPL thường được sử dụng, như thể hiện hình 2-19.
Hình 2-19: S đồ ấ h nh ủ EG hyb d
Trong sơ đồ được đưa ra trong hình 2-19, EGR phải có nguồn gốc từ điểm thượng nguồn của turbin (pre-turbine) như trong một cấu hình HPL, và chuyển giao trước khi nén trong cấu hình của LPL. Trong khi hệ thống này trình bày một số tác dụng phụ như của LPL EGR, nó cung cấp một chênh lệch áp suất thích hợp giữa bộ tản nhiệt ống xả và ống hút. Điều này cho phép tỉ lệ EGR giảm đáng kể NOx mà không cần một máy bơm hoặc việc áp dụng quá mức của áp suất khí thải quay lại để đưa EGR vào động cơ.
Như đã đề cập trước đó, sự khác biệt áp suất giữa ống góp khí thải và khí nạp đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát EGR. Sử dụng Venturi tại điềm vào của EGR như thể hiện trong hình 2-17 thì tăng cường lưu lượng tuần hoàn khí thải bằng cách chuyển đổi năng lượng tiềm ẩn thành động năng. Tuy nhiên công suất tối đa và điều kiện tốc độ được đánh giá cao nhất, các venturi có thể hạn chế dòng chảy của khí vào động cơ làm tăng tổn thất bơm. Vì vậy thiết kế kết hợp venturi để nâng cao EGR thường đi kèm với một van bỏ qua để chứa lưu lượng không khí khi đầy tải.
d) Hệ thống EGR tác dụng nhanh
Một nhược điểm chung lớn nhất cho đến nay của các loại EGR là khối lượng dư thừa rất lớn giữa các van EGR và buồng đốt. Sự hiện diện của khối lượng này có tác dụng tiêu cực về kiểm soát khói, đặc biệt khi gia tốc nhanh. Như một động cơ phản ứng với việc gia tăng nhiên liệu, EGR còn lại trong đường ống giữa van EGR và buồng đốt thường được vào cùng với không khí trong lành vào động cơ. Tác động này dẫn đến khả năng tăng tốc chậm chạp cùng với xuất hiện một làn khói. Vấn đề là thêm phức tạp bởi hiện tượng turbo-lag, đốt cháy có thể sử dụng tất cả các không khí trong lành để đốt cháy hiệu quả, khiến tỉ lệ nhiên liệu ngày càng tăng. Tuy nhiên trong thời gian gia tăng này động cơ phải đối mặt với tình trạng thiếu không khí do turbo-lag cũng như EGR còn dư lại trong đường ống từ van đến các xy-lanh. Vì lý do này các nhà nghiên cứu đã nghĩ ra kế hoạch mới để giảm khối lượng EGR, mà đôi khi gọi là EGR tác dụng nhanh. Một ví dụ về sơ đồ EGR tác dụng nhanh được thể hiện trong hình 2-20.
Hình 2-20: Hệ thống EG tá dụng nh nh
Lưu ý rằng EGR được đưa đến cổng nạp tại một thời điểm gần với van nạp. Van EGR cũng nằm rất gần với cổng nạp, do đó giảm được lượng khí thải động cơ tiêu thụ, đặc biệt là khi tăng tốc. Hệ thống EGR tác dụng nhanh đã giảm đáng kể khối lượng EGR làm cho nó dễ dàng hơn để động cơ tăng tốc, mà không cần sự can thiệp của EGR dư. Một bình chứa với vỏ và ống EGR làm mát cũng được cung cấp để lưu trữ EGR làm mát bằng nước. Trong một thiết kế với EGR, chẳng hạn như một chiếc xe chở khách nhỏ tốc độ cao, hệ thống đường ống giữa làm mát và van điều khiển EGR nằm giữa những đoạn nước làm mát trong đầu xy-lanh. Thiết kế này giúp loại bỏ làm mát cần thiết cho một EGR, mặc dù hiệu quả làm mát có thể giảm phần nào.
Các phần khác của EGR tác động nhanh liên quan tới nguồn gốc của nó. Nếu EGR có nguồn gốc từ một điểm trước turbin, sau đó phù hợp với mô tả của HPL EGR. Mặc khác nếu nó có nguồn gốc từ hạ lưu của cái bẫy, nó sẽ là hệ thống LPL EGR mà có thể yêu cầu một bơm EGR để nâng cao áp lực của nó trên đường ống nạp, như thể hiện trong hình 2-21.
Hình 2-21. B m EG (LPL hoặ HPL) để vượt q đượ áp ất ống góp nạp e) EGR nội bộ
Như mô tả trong tất cả cấu hình hệ thống, một phần khí thải được đưa ra ngoài ống xả và tái tuần hoàn trở lại vào đường ống nạp. Trong thực tế phương pháp này là phù hợp với định nghĩa thông thường của EGR. Một cách khác để giảm được NOx là thông qua sản phẩm cháy được thực hiện bởi các khí thải còn lại. Về lý thuyết, nếu có thể giữ lại những sản phẩm đốt trong xy-lanh cho đến chu kỳ tiếp theo, do đó có thể giảm được khí thải NOx mà không có sự phức tạp của hệ thống EGR bên ngoài với nhiều thành phần và điều khiển nó. Việc sử dụng các khí dư để giảm NOx được gọi là tuần hoàn khí thải nội bộ, mặc dù khí thải không tái tuần hoàn nhưng thường giữ lại trong xy-lanh.
Trong một số trường hợp, các sản phẩm khí thải có thể được trở lại trong xy-lanh thông qua truyền động van xả sẽ được thảo luận sau. Do đó, EGR nội bộ vẫn có thể được sử dụng một cách chính xác là từ viết tắt cho khí thải được giữ lại cũng như khí thải trở lại.
Một ví dụ về khí thải trở lại là hệ thống EGR Pulse của Hino, nó được so sánh với hệ thống HPL EGR như trong hình 2-22. Trong hệ thống EGR Pulse, van xả được mở trong hành trình nạp nhờ một thiết kế sửa đổi thùy cam xả. Tính năng của thiết kế sửa đổi này có thùy thứ hai trên van cam được gọi là thùy phụ nâng như thể hiện trong hình
2-22. Như di chuyển piston từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới trong kỳ nạp, các thùy cam nâng cho nâng van xả khỏi vị trí của nó và cho phép khí xả có áp suất cao hơn quay trở lại xy-lanh. Tất nhiên thời gian và mức độ nâng của van cũng như sự khác biệt về áp suất van xả là những thông số cực kỳ quan trọng trong việc kiểm soát khí thải trở lại. Tối ưu hóa hệ thống này cần phải đi vào xem xét sóng động học trong ống xả, do đó có tên là EGR Pulse. Sóng động học này là kết quả từ đặc trưng thổi xuống của van xả khác nhau, trong một động cơ nhiều xy-lanh xả sản phẩm cháy trong các ống xả. Các xung tạo ra từ quá trình thổi xuống này là kết quả cực kỳ quan trọng đối với việc tạo ra được áp suất phù hợp trên các van xả ở thời điểm nâng cho EGR.
Hình 2-22. Hệ thống EG P ủ H no o vớ hệ thống EG thông thường Thực tế là các thùy nâng này tiếp tục cho khí thải quay trở lại xy-lanh ở mọi tốc độ động cơ và tải trọng, ngay cả trong điều kiện đầy tải, nó có thể dẫn đến quá nhiều khói.
Điều này trái ngược với hệ thống EGR thông thường bên ngoài, nơi mà nó có thể loại bỏ sử dụng EGR khi đầy tải, tránh hút khói quá nhiều. Để khắc phục khó khăn này, các
kỹ sư của Hino đã sử dụng áp suất phun cao hơn từ hệ thống phun Common-rail để ngăn chặn hút khói gia tăng. Ngoài việc áp suất phun tăng, thiết kế turbo tăng áp đã được sửa đổi cho phép nhiều khí hơn được vào trong xy-lanh và cải thiện quá trình đốt cháy, trong khi cho phép sử dụng khí thải quay trở lại để giảm NOx. Các yêu cầu của hệ thống EGR Pulse, trong đó có áp suất phun common-rail cao cũng như turbo tăng áp mới, thì giảm được 25% NOx từ mức độ của động cơ thông thường kết hợp với việc cải thiện 5 đến 10% tính kinh tế nhiên liệu. Ngoài ra các hệ thống phức tạp giảm loại bỏ các van điều khiển và đường ống EGR. Vì không có khả năng làm mát các sản phẩm thải trở lại, EGR làm mát cũng được loại bỏ. Tiết kiệm khối lượng của EGR Pulse được tuyên bố là giảm 10kg cho một động cơ Diesel tầm trung.
Một sửa đổi của hệ thống EGR Pulse có thể đạt được nếu chức năng của thùy nâng được thực hiện linh hoạt và kiểm soát được. Sự linh hoạt này có thể được thực hiện được thông qua truyền động của van biến thiên (VVA). Các ứng dụng của VVA trong động cơ Diesel đã nhận được rất nhiều sự chú ý và tiếp tục cung cấp thêm nhiều cơ hội để cải thiện hiệu suất cũng như giảm nguồn khí thải. Cơ chế truyền động của van biến thiên thường cho phép kiểm soát thời gian nâng của van, tỉ lệ nâng của van, lực nâng của van, cũng như số lượng các van mở. Kiểm soát các thông số này có thể bị hạn chế bởi số lần và hạn chế tác động về hiệu suất và lượng khí thải, phụ thuộc vào một mảng phức tạp về điều kiện kỹ thuật. Ví dụ sự gần gủi của đỉnh piston và mặt van có thể hạn chế thời gian nâng hoặc tổng số van tự nâng. Vì vậy tối ưu hóa hệ thống cần được thực hiện để có được kết quả tốt nhất trong giới hạn vật lý và kỹ thuật của tổng thể hệ thống.
Cơ chế truyền động van biến thiên hoạt động trong các khó khăn của thùy cam, nhưng gia tăng tính linh hoạt được cung cấp bởi một hệ thống truyền động thủy lực. Hệ thống truyền động này cho phép mở van xả lần thứ hai và một phần của sản phẩm cháy quay trở lại xy-lanh. Việc mở van xả lần hai được thực hiện trong thời gian van nạp đóng như hệ thống EGR Pulse. Sự khác biệt trong các trường hợp VVA là sự linh hoạt trong tính toán thời gian điều khiển các sự kiện, trái ngược với các thùy nâng cố định