Đối với động cơ diesel buồng cháy thống nhất , cả hai mục tiêu quan trọng ( giảm lượng chất thải độc hại và giảm tiếng ồn) có thể đạt được phần lớn nhờ việc điều chỉnh tốc độ phun nhiên liệu vào xilanh động cơ. Tốc độ phun nhiên liệu tối ưu cần phải đảm bảo đồng thơi 3 yếu tố sau:
- Tối ưu hoá tốc độ giải phóng nhiệt. - Giảm chất ô nhiễm dạng khí.
- Giảm lượng thải P-M.
Khi động cơ làm việc ở chế độ tải cực đại, tức là với λ rất nhỏ thì lượng phát thải NOx rất cao (cả CO và PM). Trên mỗi bơm cao áp đều có cơ cấu hạn chế lượng nhiên liệu cung cấp chu trình. Để tránh động cơ làm việc tại chế độ tải cực đại thì có thể điều chỉnh cơ cấu hạn chế về phía giảm nhiên liệu, do đó có thể giảm được tỷ lệ NOx. Tuy nhiên, biện pháp này sẽ làm giảm công suất cực đại của động cơ.
Sử dụng hệ thống tuần hoàn khí xả:
Hình 3.1.Sơ đồ nguyên lý làm việc hệ thống luân hồi khí xả.
Đối với động cơ diesel tỷ lệ tuần hoàn (%ERG) có thể cao hơn so với động cơ xăng (động cơ xăng phun trực tiếp có thể lên tới 60%, với động cơ xăng có thể lên đến 30%)
Tuy nhiên, đối với động cơ diesel khi sử dụng hệ thống ERG có thể làm giảm tình kinh tế nhiên liệu , tăng lượng thải HC và PM.Hơn nữa , khi sử dụng ERG cũng có thể làm tăng mài mòn của động cơ.Ta cần phải chú ý khi sử dụng ERG là phải đảm bảo sự hoà trộn tốt giữa lượng khí xả tuần hoàn lại , lượng khí nạp mới và lượng khí sót còn lại trong xylanh.Nếu sự hoà trộn không đều sẽ tọ ra những vung quá nghèo ôxy, không thể duy trì sự cháy , khi đó sẽ dẫn đến có dư thừa một lượng HC. Đồng thơi với việc tuần hoàn khí xả , người ta còn tiến hầnh làm mát lượng khí này , nhằm mục đích giảm nhiệt độ khí nạp.
Thiết bị để sử dụng ERG là khá phức tạp do độ chân không thấp để mở van tuần hoàn trên đường nạp. Vì vậy , ngoài bộ kiểm soát điện tử , van điện khí
nén , van tuần hoàn hệ thống còn phải bổ sung thêm một bơm chân không để cung cấp tín hiệu chân không.
Lựa chọn phương pháp tạo hỗn hợp thích hợp.
Động cơ diesel có 2 phương pháp hình thành hỗn hợp :
+ Sử dụng buồng cháy thống nhất ( phun nhiên liệu trực tiếp ) đây là phương án được sử dụng rộng rãi do có tính kinh tế cao.
+ Sử dụng buồng cháy phân chia ( phun nhiên liệu gián tiếp ):do tính kinh tế kém nên hiện nay chỉ sử dụng trên các loại xe con).
Tuy nhiên, nếu xét trên góc độ ô nhiễm, tuỳ theo phương pháp tạo hỗn hợp mà mức ồn cũng như hàm lượng các chất ô nhiễm trong khí xả sẽ có sự khác biệt đáng kể. Trong buồng cháy phân chia, do cường độ xoáy lốc mãnh liệt trong quá trình hình thành hỗn hợp và cháy nên nhiên liệu hoà trộn với không khí tốt hơn do đó giảm được lượng thải CO. Ngoài ra, do quá trình cháy diễn ra trong buồng cháy phụ thuộc rât thiếu ô-xy và trong buồng cháy chính với nhiệt độ không cao nên giảm đáng kể lượng thải NOx.Hơn nữa , do hỗn hợp được hoà trộn tốt và hệ số dư lượng không khí nhỏ hơn ( hỗn hợp đậm hơn) nên thành phần HC cũng thấp hơn.
Tuy nhiên , trong buồng cháy phân chia , thành phần P-M cao hơn nhất là ở chế độ tải cục bộ.Do trong buồng cháy có những khu vực thiếu ô-xy trầm trọng nên phần nhiên liệu bị phân huỷ thành muội than.Trong quá trình lưu động từ buồng cháy phụ sang buồng cháy chính , dưới tác độngcủa nhiệt độ cao, P-M sẽ tiếp tục bị ô-xy hoá.Do chế độ tải cục bộ , nhiệt đô trong buồng cháy thấp hơn làm cho cường độ ô-xy hoá P-M giảm, dẫn đến lượng PM còn lại trong khí thải cao hơn rõ rệt.Mặt khác ,do tính kinh tế nhiên liệu thấp nên đôngj cơ phun gián tiếp có lượng thải CO2 cao hơn.
3.2.2. Lựa chọn góc phun sớm thích hợp
Ảnh hưởng của góc phun sớm trong động cơ dieseltương tự trong động cơ xăng.Việc giảm góc phun sớm nhiên liệu( tính từ góc phun sớm tối ưu)và giảm tốc độ phun nhiên liệu có thể giảm lượng phát thải NOx thông qua viêc giảm nhiệt độ cháy ( với sự chấp nhận tăng lượng tiêu thụ nhiên liệu , tăng khói thải và giăm một chút mô men xoắn động cơ).
Khi nhiệt độ quá trình cháy giảm sẽ dẫn đến quá trình ô-xy hoá PM giảm nên lượng thải PM của động cơ sẽ tăng.Do vây , việc giảm góc phun sớm nhìn chung chỉ là biên pháp để giảm NOx.
Phun nước vào trong xy-lanh.
Mục đích của việc phun nước vào trong xy-lanh là nhằm giảm nhiệt đoỌ cực đậi của quá trình cháy . Mặc dù kết quả đạt được là khá khả quan , nhưng đây là giải pháp khá phức tạp vê công nghệ , chưa được áp dụng rộng rãi.Các vân đề đặt ra là :
- Điều khiển sự làm việc đồng bộ của hai hệ thống phun (nhiên liệu, nước). - Bố trí vòi phun và vị trí phun
- Thời điểm phun và lượng nước được phun vào xylanh . - Độ tơi của phần nước được phun vào xylanh.
Các kết quả thực nghiệm cho thấy nhiệt độ của ngọn lửa giẳm đáng kể nhưng vẫn duy trì được nhiệt độ chỉ thị trung bình trong xylanh gần như không đổi. Điều này cho phép giảm NOx trong khi không gây tác động tiêu cực theo hiệu suất nhiệt của động cơ.Voíư động cơ diesel phun nhiên liệu gián tiếp , việc phun nước vào phần buồng cháy xoáy lốc có hiệu quả cao hơn khi phun nước vào buồng cháy chính( có thể giảm được trên 50% lượng thải NOx khi nước được phun trước nhiên liệu từ 60 - 100 góc quay trục khuỷu).Tỷ lệ tối ưu giưũa lượng nước và nhiên liệu được phun vào xylanh W/F ~ 0.6 .
Điều chỉnh lượng nhiên liệu lớn nhất cung cấp cho một chu trình.
Khi động cơ siesel làm việc ở chế độ tải cực đại thi hàm lượng CO ,NOx ,PM rất cao đặc biệt là lượng thải PM . Biểu hiện rõ nét nhất là dộng cơ xả nhiều khói đen.Trên mỗi bơm cao áp đều có cơ cấu hạn chế lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình. Do vậy , có thể điều chỉnh để tránh không cho động cơ làm việc ở chế độ tải cực đại. uy nhiên , biện pháp này sẽ khiến cho động cơ không thể phát huy tối đa công suất.
Giảm hệ số dư lượng không khí và giảm bớt mức độ xoáy lốc.
Giảm hệ số dư lượng không khí và giảm bớt mức độ xoáy lốc của dòng khí trong lbuồng cháy có thể làm giảm nhiệt độ cực đại của quá trình cháy và dẫn đến giảm sự phát thải NOx.Tuy nhiên , vận động xoáy lốc của dòng khí nạp ở cuối quá trình nến có vai trò đặc biệt quan trọng đối với chất lượng quá trình tạo hỗn hợp và cháy của động cơ diesel hiện đại , nhất là động cơ diesel phun gián tiếp . Do vậy , một lần nữa sự giảm NOx đạt được kèm theo sự chấp nhận giảm tính kinh tế nhiên liệu , tăng lượng thải HC vì quá trình cháy kém kém hoàn thiện , mặt khác động cơ khó khởi động ở thoì tiết lạnh.
Sử dụng hệ thống phun nhiên liệu diesel điều khiển điện tử.
Hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử đã được sử dụng khá nhiều trên các động cơ diesel hiện đại.So với hệ thống phun nhiên liệu diếel truyền thống hệ thống phun nhiên liệu điện tử có khả năng liên kết và xử lý nhiều tín hiệu hơn để đạt được các thông số công tác tối ưu và hàm lượng các chất ô nhiễm ở mứac thấp nhẩt có thể . Đối với các động cơ diesel dung trên Phương tiện cơ giới đường bộ (PTCGĐB) , các thông số đầu vào gồm co :
1. Vị trí cơ cấu điều khiển lượng nhiên liệu cấp ( vị trí chân ga) 2. Tốc độ vòng quay
4. Lưu lượng khí nạp 5. Thời điểm bắt đầu phun 6. Vận tốc của xe
7. Vị trí tay số
8. Các thông số khác của bộ xử lý khí thải…
Xử lý khí xả:
Các biện pháp xử lý khí xả:
- Xử lý nhiệt : đó là việc lưu giữ khí thải khá lâu ở trạng thái nhiệt độ cao để kéo dài thời gian phản ứng ô-xy hoá các thành phần CO , HC.
Buồng phản ứng phải đủ lớn, được cách nhiệt tốt và phải được bố trí ngay sau xupap thải nhằm đảm bảo nhiệt độ T≥1000OK cho quá trình ô-xy hoá. Ở chế độ làm việc với hệ số dư lượng không khí nhỏ, cần bổ sung thêm không khí qua một đường ống nhỏ nằm ngay sau xu-pap thải.Phương pháp này rất hiệu quả đối với động cơ làm việc với hỗn hợp giầu ( với hệ số dư lượng không khí là 0,8 – 0,9 thì có thể giảm HC từ 530 ppm xuống còn 30 ppm ; CO từ 6% xuống còn 0,2%). Tuy nhiên phương pháp này không giảm được NOx.
- Hỗ trợ phản ứng trên đường thải : Thực chất của phương pháp này là cung cấp thêm ô-xy để ô-xy hoá CO, HC trong khí thải.Không khí bổ xung thường được đưa vào ngay sau xupap thải .Khí có thể đưa vào bằng 2 phương pháp :
• Dùng bơm cung cấp
• Nhờ áp suất thấp không khí sẽ được bổ sung qua van một chiều. Tuy nhiên , phương pháp này cũng không giảm được NOx.
- Xử lý bằng xúc tác : Nhờ cá chất xúc tác (catalyst ) sẽ làm tăng tốc độ phản ứng ô-xy hoá ( hoặc phản ứng khử ) các thành phần độc hại trong khí xả mà không cần nhiệt độ trên 10000K .Do vậy BXLKX không cần bố trí ngay sau xupap thải.
Hiện nay có 2 kiểu :
• BXLKX kiểu xúc tác 2 đường: Thực chất gồm 2 bộ xử lý xúc tác nối tiếp nhau.Khí thải từ động cơ sẽ đi vào bộ xử lý NOx trước.Sau đó tiếp tục đi vào bộ xử lý ô-xy hoá để giảm thành phần CO và HC.
• BXLKX kiểu xúc tác 3 đường : tức là xử lý đồng thời 3 chất ô nhiễm CO ,HC ,NOx. Ưu điểm của bộ xử lý này là có thể xử lý đến 90% các chất ô nhiễm nói trên. Nên hiện nay nó được sử dụng rất rộng rãi trên các phương tiện cơ giới đường bộ.
Mục đích của bộ xử lý khí xả 3 đường là loại bỏ các chất ô nhiễm không mong muốn( CO ,HC ,NOx ) trong khí xả bằng cách biến đổi chúng bằng các phản ứng hoá học thành CO2,H2 O và N2 . Các phản ứng chính diễn ra trong bộ xúc tác gồm : Phản ứng ô-xy hoá : CO + 2 1 O2 → CO2 (3.1) CX HY + (x + 4y ) O2 → xCO2 + H2 O (3.2) Phản ứng khử :
NO + H2 → 2 1 N2 + H2 O (3.3) NO + CO → 2 1 N2 + CO2 (3.4) (2x + 2 y )NO + CX HY → (x + 4 y )N2 +xCO2 + 2 y H2 O (3.5)
Đối với BXLKX kiểu ô-xy hoá trên động cơ diesel.
Trên thực tế , các động cơ diesel thế hệ mới đều có thể đáp ứng được các yêu cầu khá nghiêm ngặt về giới hạn CO và HC mà không cần các thiết bị xử lý. Hơn nữa ,BXLKX của diesel kiểu ô-xy hoá cũng chỉ có hiệu lực giưói hạn đối với PM còn lượng thải NOx của động cơ không thay đổi.
Khí xả diesel chứa một lượng nhỏ CO ,HC ,PM và một lượng ô-xy dư ( do hệ só dư lượng không khí thường lớn hơn 1 ). Vì vậy , quá trình ô-xy hoá chỉ gapự khó khăn là môi trường phản ứng có nhiệt độ thấp. Quá trình ô-xy hoá SO2 trong nhiên liệu thành SO3 bắt đầu xuất hiện tại nhiẹt độ khoảng 3000C. Đây là một hiện tượng rất xấu vì nó làm tăng lượng thải PM. Ngoài ra , sau khi hình thành SO3 dễ bị chuyển hoá thành axit H2 SO4 ( trong khí xả có nước). Một phần lượng axit này bị giữu lại trong BXLKX và sẽ làmgiảm đáng kể tuổi thọ của nó.
Việc sử dụng BXLKX trên động cơ diesel với các phương tiện hạng nhẹ thì tỷ lệ giảm ô nhiễm trung bình la 40% - 50% đối với CO và HC. Đối với PM , bộ xúc tác chủ yếu chỉ tác động lên phần có thể hoà tan SÒ ( Soluble Fraction ) , với mức giảm trung bình từ 30% -35%.
Bộ lọc và ôxy hoá bồ hóng:
Các vấn đề chung
Với động cơ diesel cháy với hỗn hợp không đồng nhất thì mức thải PM tương đối cao. Lượng bồ hóng trong khí thải khá là ít và có kích thước rất nhỏ ( 90% số hạt có kích thước trung bình khoảng 1μm) .Và thực tế đã chỉ ra với tất cả các lại bụi trong không khí, bồ hóng có kích thước hạt dễ bị giữ lại nhất và với thời gian lâu nhất trong hệ thông hô hấp.
Một số phương pháp lọc bồ hóng:
Kết cấu bên trong của các thiết bị này được thiết kế để thúc đẩy sự va chạm của các hạt với lõi lọc hoặc với các lỗ trên than lõi lọc.
• Lọc va chạm: Thường dung để lọc những hạt PM có kích thước lớn lơ lửng trong dòng khí thải, chúng bị va đập và bám dính vào bề mặt của lưới thép.
Hình 2.24. Chiều chuyển động của dòng khí thải qua lõi lọc
`
Hình 2.27 - Lõi lọc bằng sợi thép mạ crôm
• Lọc chặn ( dùng lõi gốm kiểu tổ ong ): thường dùng để lọc những hạt PM có kích cỡ trung bình trong khí xả.Khi đi qua bộ lọc , chúng va chạm với miệng các rãnh dẫn khí xả. Các hạt PM sẽ bị giữ trong bộ lọc cho đến khi nhiệt độ đủ cao để đốt cháy lượng PM tích luỹ này.
• Lọc khuếch tán( dùng lõi gốm xốp) : Thường dùng với các hạt PM có kích cỡ nhỏ, chúng đi vào bộ lọc, bị va chạm và bám vào thành xốp hoặc tiếp tục bám vào cácc hạt PM trước đó đã bám trên bề mặt lõi lọc.
Hình 2.26. Lõi lọc bằng lưới sợi gốm