24 LÀM GIẢ MÔ NHIỄM MÔI TRƯỜNG
24.1.8 6.2 Các kỹ thuật mới đối với độngcơ 2 kỳ
Những nghiên cứu được thực hiện trong những năm gần đây để cải thiện động cơ 2 kỳ, đặc biệt là kỹ thuật phun trực tiếp nhiên liệu, đã cho phép nâng cao tính năng động cơ không những cho các mục đích sử dụng truyền thống (mô tô, máy móc gia dụng, hang hải) mà còn được phát triển để sử dụng trên ô tô.
a, Tóm tắt nguyên lý làm việc của động cơ 2 kỳ đánh lửa cưỡng bức.
Động cơ 2 kỳ cổ điển thường sử dụng hỗn hợp được chuẩn bị từ bên ngoài động cơ nhờ bộ chế hoà khí. Chu trình công tác bao gồm các quá trình nạp, nén, cháy giãn nở và thải. Tất cả các quá trình này chỉ thực hiện trong 1 vòng quay trục khuỷu thay vì 2 vòng như ở động cơ 4 kỳ. Hình 6-7 trình bày tóm tắt sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ 2 kỳ nén khí nhờ carter. Kỹ thuật này hiện nay thường được dùng nhất trên động cơ cỡ nhỏ.
Xy lanh động cơ có 3 cửa, được gọi là cửa nạp, cửa thải và cửa quét. Đó là những lỗ có kích thước chuẩn giữ vai trò tương tự như các xupap ở động cơ 4 kỳ. Khi piston chuyển động lên xuống, các lỗ đó sẽ đóng mở theo quy luật định trước. Mặt khác, hỗn hợp nhiên liệu không khí trước khi đi vào xy lanh được chuyển vào cacte nhờ độ chân không tạo ra khi piston đi lên. Chu trình làm việc của động cơ bao gồm các giai đoạn sau:
- Piston đi lên, nén hỗn hợp và nạp hỗn hợp nhiên liệu không khí mới vào cacte.
- Cháy, giãn nở và thải.
- Cuối kỳ giãn nở, cửa quét mở, hỗn hợp khí mới từ cacte đi vào xy lanh va đẩy khí cháy ra ngoài. Đây là giai đoạn quét khí mà sự hoàn thiện của nó quyết định tính năng kinh tế-kỹ thuật của động cơ 2 kỳ.
- Đóng của quét và thải sau đó bắt đầu lại kì nén.
b, Các thành tựu mới trong nghiên cứu động cơ 2 kỳ.
Động cơ 2 kỳ thế hệ mới sử dụng kỹ thuật phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng cháy. Kỹ thuật này cho phép hạn chế sự thất thoát nhiên liệu ra ngoài theo khí xả trong giai đoạn quét khí, do đó một mặt làm tăng tính kinh tế của động cơ và mặt khác, làm giảm nồng độ CmHn trong khí xả.
Hình 6-8: Sơ đồ phun nhiên liệu của động cơ 2 kỳ bằngkỹ thuật mới.
Hai kỹ thuật mới đang được quan tâm nhất:
- Phun nhiên liệu lỏng dưới áp suất cao được các nhà chế tạo ô tô PSA và Renault (Phap), Chrysler (Mỹ), subaru (Nhật) đặc biệt quan tâm.
- Phun nhiên liệu bằng khí nén được Hãng Orbital (Úc) và Viện Quốc Gia Dầu Mỏ Pháp IFP nghiên cứu. Kỹ thuật phun nhiên liệu bằng không khí nén được tóm tắt như sau:
Nhiên liệu được dẫn tới ngay trước xupap bởi một vòi phun cổ điển dạng áp suất thấp (hình 6-8). Trong giai đoạn mở xupap, một hỗn hợp giàu không khí nhiên liệu được phun rất tơi trực tiếp vào buồng cháy dưới áp suất thấp. Sự phun nhiên liệu bằng khí nén cho phép đạt được tia phun với những hạt nhiên liệu rất bé và được phân bố hợp lý trong buồng cháy. Sự phun nhiên liệu bằng khí nén có thể được thực hiện một cách độc lập so với kỳ quét khí. Điều này cho phép hạn chế tối đa sự lọt nhiên liệu theo khí xả.
Khí thải động cơ 2 kỳ thế hệ mới chứa ít NOx do sự kết hợp của nhiều yếu tố khác nhau. Trước hết, động cơ 2 kỳ không bị cường hoá như động cơ 4 kỳ cùng công suất. Mặt khác, những thành tựu mới đạng được phát triển cho phép động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo và cho phép hồi lưu một bộ phận khí xả lớn hơn. Vì vậy, chỉ cần sử dụng một bộ xúc tác ôxy hoá cũng cũng đủ để đạt được mức độ ô nhiễm (CO, HC, NOx) trong giới hạn cho phép dự kiến áp dụng vào năm 2000.
Hình 6-9 so sánh mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ 4 kỳ và động cơ 2 kỳ hiện đại (IAPAC) (Injection Assiste Par Air Comprime). Kết quả này cho thấy động cơ 2 kỳ mới này có tính ưu việt đáng kể về mức độ phát sinh ô nhiễm (CO, HC, NOx). Mặt khác, việc sử dụng động cơ này trên ô tô còn cho phép giảm suất tiêu hao nhiên liệu khoảng 17% và tăng momen khoảng 20% ở tốc độ thấp và trung bình so với động cơ 4 kỳ.
Nói chung động cơ 2 kỳ thế hệ mới thoả mãn được các quy luật khắt khe nhất của môi trường hiên nay từ năm 1994 người ta đã chế tạo được những động cơ 2 kỳ thoả mãn được tiêu chuẩn ULEV. Tuy nhiên động cơ 2 kỳ còn cần phải vượt qua những chướng ngại khác để qua mặt các loại động cơ cạnh tranh với nó. Trước hết là giảm tiếng ồn và sau đó là giải quyết vấn đề bồi trơn cho động cơ. Giải quyết triệt để các vấn đề này sẽ làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của động cơ 2 kỳ trên các phương tiên vận tải.
Hình 6-9: So sánh mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ 4 kỳ và động cơ 2 kỳ hiện đại (IAPAC).
c, Tương lai của động cơ 2 kỳ.
Cho tới nay, việc áp dụng động cơ 2 kỳ trên ô tô vẫn còn đang ở bước chờ đợi nhưng trên mô tô, chắc chắn rằng kỹ thuật động cơ 2 kỳ cổ điển sẽ được thay thế bởi kỹ thuật phun trực tiếp. Những mô tô hai kì thế hệ mới này chắc chắn sẽ chiếm lĩnh những thị trường đầy tiềm năng như: Đông Nam Á, Trung Quốc… Ở một số quốc gia trong khu vực này, số lượng xe máy tăng hơn 10% mỗi năm và chúng tiêu thụ hơn 50% lượng nhiên liệu sử dụng trong nước. Các động cơ 2 kỳ kiểu cũ lắp trên mô tô nhỏ tiêu thụ từ 2 đến 4 lít trên 100Km. Mức tiêu thụ này không khác mấy so với ô tô hiện đại công suất nhỏ. Tuy nhiên, nếu dùng động cơ 2 kỳ thế hệ mới suất tiêu hao nhiên liệu có thể giảm từ 30 đến 40%.