Giáo trình Ô tô và ô nhiễm môi trường - Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong
CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG
ĐẾN NỒNG ĐỘ CÁC CHẤT
Ô NHIỄM TRONG KHÍ XẢ
ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
Chương 6
6.1. Giới thiệu
Nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả phụ thuộc vào đặc điểm động cơ cũng như
các thông số điều chỉnh, vận hành.
Về đặc điểm, động cơ 2 kì cổ điển nói chung có mức độ phát ô nhiễm cao hơn
động cơ 4 kì do quá trình tạo hỗn hợp không hoàn thiện. Tuy nhiên, động cơ 2 kì hiện đại
phun nhiên liệu trực tiếp trong buồng cháy đang được nghiên cứu phát triển sẽ khắc phục
được nhược điểm này và trở thành loại động cơ có nhiều triển vọng trong tương lai.
Động cơ Diesel có hiệu suất cao hơn động cơ đánh lửa cưỡng bức nhưng do quá
trình cháy khuếch tán và làm việc với hệ số dư lượng không khí cao, trong sản phẩm cháy
có chứa bồ hóng và NOx, những chất ô nhiễm mà việc xử lí nó trên đường xả ngày nay
vẫn còn nhiều vướng mắc về mặt kĩ thuật.
Động cơ sử dụng nhiên liệu khí bắt đầu phát triển từ những năm đầu của thập niên
1990 có rất nhiều ưu điểm về mặt phát sinh ô nhiễm. Thực nghiệm đo được trên những
động cơ này cho thấy động cơ sử dụng khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) hay khí thiên nhiên
(NGV) thỏa mãn dễ dàng các tiêu chuẩn ô nhiễm môi trường khắt khe nhất hiện nay (tiêu
chuẩn ULEV chẳng hạn). Tuy nhiên sự phát triển chủng loại động cơ này phụ thuộc nhiều
điều kiện, đặc biệt là điều kiện cơ sở hạ tầng phục vụ cho việc cung cấp nhiên liệu khí.
Mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ cũng phụ thuộc đáng kể vào điều kiện vận
hành. Việc điều chỉnh không phù hợp các thông số công tác cũng như việc lựa chọn chế
độ làm việc không hợp lí dẫn đến sự gia tăng đáng kể nồng độ các chất ô nhiễm trong khí
xả.
Luật môi trường ngày càng trở nên khắt khe buộc người ta phải áp dụng các biện
pháp xử lí khí xả sau khi thoát ra khỏi động cơ bằng bộ xúc tác. Tuy nhiên tỉ lệ biến đổi
các chất ô nhiễm của ống xả xúc tác chỉ đạt được giá trị yêu cầu khi nhiệt độ khí xả đạt
được giá trị nhất định. Vì vậy cần phải làm giảm nồng độ các chất ô nhiễm đến mức thấp
nhất trước khi xử lí ở bộ xúc tác. Tất cả những điều chỉnh hay thay đổi kết cấu bên trong
động cơ đều gây ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm.
6.2. Trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức
78
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong
6.2.1. Động cơ hai kì
Mặc dù có nhiều cải tiến về kết cấu nhằm hạn chế sự hòa trộn giữa khí cháy và khí
chưa cháy, đặc biệt đối với động cơ dùng bộ chế hòa khí, nhưng vẫn không tránh khỏi sự
thất thoát một bộ phận khí mới làm tăng sự phát sinh HC và làm giảm tính năng kinh tế kĩ
thuật của động cơ hai 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 xy lanh sao
cho chỉ có hỗn hợp nghèo mới thoát ra đường thải. Một giải pháp khác có hiệu quả hơn là
phun nhiên liệu vào buồng cháy một khi cửa thải đã đóng. Tuy nhiên với giải pháp này
người ta phải dùng một bơm do động cơ dẫn động do đó nó làm giảm đi một ít công suất
có ích của động cơ. Mặt khác, so với động cơ 4 kì, thời gian cuối của quá trình nén (sau
khi đóng cửa nạp và cửa thải) rất ngắn đòi hỏi phải phun nhiên liệu với tốc độ lớn, do đó
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 tượng bám nhiên liệu trên thành, người ta dùng một vòi phun áp
suất thấp được đặt trong một buồng cháy dự bị trước xúpáp nạp phun trực tiếp trước một
hỗn hợp rất đậm với tốc độ tương 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 được từ 80% đến 90% nồng độ HC so với giá trị
thông thường đối với động cơ hai kì cổ điển. Nồng độ NOx trong khí xả của động cơ hai 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.
6.2.2. Động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo
Động cơ đánh lửa cưỡng bức làm việc với hỗn hợp nghèo đã được nghiên cứu từ
lâu nhằm giảm suất tiêu hao nhiên liệu dẫn đến giảm nồng độ CO2, chất 'ô nhiễm' được
quan tâm nhiều trong những năm gần đây vì nó là chất khí gây hiệu ứng nhà kính.
Khi động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo (hệ số dư lượng không khí a >1,25), nồng
độ các chất ô nhiễm chính (CO, HC, NOx) đều giảm. Khi hệ số dư lượng không khí thay
đổi từ a=1,0 đến a=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 có a=1 nếu kết hợp với việc giảm một cách hợp
lí góc đánh lửa sớm. Tuy nhiên ưu điểm này chỉ có được trong điều kiện hỗn hợp gần nến
đánh lửa có thể bốc cháy và sự lan tràn màng lửa diễn ra một cách bình thường. Điều này
đòi hỏi việc tổ chức tốt quá trình cháy cũng như phân bố hợp lí độ đậm đặc của hỗn hợp
trong buồng cháy.
Khi gia tăng hệ số dư lượng không khí hay làm bẩn hỗn hợp bằng khí xả hồi lưu
vượt quá một giới hạn cho phép sẽ dẫn đến:
79
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong
- giảm tốc độ cháy, điểm cực đại của áp suất sẽ lệch về phía giai đoạn giãn nở dù
đánh lửa sớm hơn
- momen phát ra không đều dẫn tới sự làm việc không ổn định
- thường xuyên bỏ lửa
- gia tăng mức độ phát sinh HC
- gia tăng suất 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 trước khi hỗn hợp vào cylindre: chuẩn bị và định lượng
hỗn hợp nhiên liệu (chế hòa khí hay phun), hệ thống điều chỉnh hỗn hợp, thiết kế hợp lí
đường nạp
- Các biện pháp tác động bên trong động cơ: hình dạng buồng cháy, bố trí soupape
và nến đánh lửa
- Các biện pháp tác động trên đường thải: thiết kế đường thải, trang bị bộ xúc tác
oxy hóa để hạn chế CO và HC
Để động cơ có thể làm việc với hỗn hợp nghèo người ta áp dụng giải pháp nạp
phân lớp hỗn hợp nhiên liệu-không khí vào xy lanh 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. Người ta
đã thử nghiệm nhiều hệ thống tạo hỗn hợp phân lớp nhưng hiện nay chỉ có hai dạng được
ứng dụng khả quan nhất: hệ thống buồng dự bị (dạng CVCC) và hệ thống phun trực tiếp
(dạng PROCO)
- Hệ thống Honda CVCC dùng một buồng cháy phụ nhỏ có soupape nạp riêng
(hình 6.1). Hỗn hợp giàu được nạp vào buồng cháy phụ còn hỗn hợp rất nghèo được nạp
vào buồng cháy chính qua soupape nạp thông thường. Hỗn hợp giàu trong buồng cháy phụ
được đốt 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 làm giảm NOx, nhưng vẫn đủ cao để oxy hóa 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 thống này có suất tiêu hao nhiên liệu riêng thấp, nhưng công suất lít
của cylindre cũng giảm. Do đó từ năm 1986 nó không còn được nghiên cứu nữa và thay
vào đó, người ta nghiên cứu một hệ thống tương tự trong đó bộ chế hòa khí được thay thế
bằng hệ thống phun. Ở hệ thống mới này, vòi phun 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 thước bé. Hệ thống
này làm giảm NOx nhưng làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu.
Hỗn hợp
giàu
Hỗn hợp
nghèo
Họng
thông
Nạp
Nén
Cháy
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong
Hình 6.1: Sơ đồ động cơ tạo 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 trong buồng cháy (hình 6.2). Hệ thống này không có buồng cháy phụ nhưng
sử dụng một buồng cháy khoét lõm trên đỉnh piston. Người ta sử dụng một tia phun có góc
phun rất rộng với hỗn hợp giàu được phun vào giữa cylindre bởi một vòi phun có độ
xuyên thâu bé. Hỗn hợp này được đốt nhờ tia lửa điện và lan đến hỗn hợp chung quanh
nghèo hơn ngay khi piston đi xuống nhờ cường độ xoáy lốc mạnh.
Vòi phun
Hình 6.2: Sơ đồ động cơ tạo hỗn hợp phân lớp phun trực tiếp PROCO
- Hệ thống TEXACO TCCS: Khác với hệ thống PROCO, hệ thống này phun nhiên
liệu theo phương tiếp tuyến với buồng cháy và hướng về phía nến đánh lửa và quá trình
đánh lửa được kéo dài. Việc điều chỉnh tối ưu thời gian phun và thời điểm đánh lửa cho
phép khởi đầu quá trình cháy ở thời điểm mà hỗn hợp giàu đạt đến nến đánh lửa; màng lửa
được giữ lại ở đó với điều kiện nhiên liệu được khuếch tán ra không khí chung quanh. Hệ
thống này có những nhược điểm giống như động cơ Diesel (hỗn hợp không đồng nhất) và
phát sinh nhiều hạt rắn trong khí xả.
Giải pháp hạn chế nhược điểm của việc đánh lửa là sử dụng ngọn lửa điện có năng
lượng lớn hơn (tăng khoảng cách giữa hai điện cực, kéo dài thời gian đánh lửa), giảm tổn
thất nhiệt ở nến đánh lửa (cực đánh lửa nhỏ, giảm đường kính nến đánh lửa từ 14 xuống
10mm) và tăng số điểm đánh lửa. Năng lượng đánh lửa hiện nay (khoảng 10mJ) là đủ để
đảm bảo sự hoạt động ổn định và mức độ phát sinh HC bé nhất. Bố trí hai nến đánh lửa
81
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong
trong buồng cháy cho phép tăng xác suất đánh lửa, tăng năng lượng đánh lửa và tốc độ
cháy mà không làm tăng tổn thất nhiệt. Nhưng giải pháp này làm tăng giá thành và làm
giảm tuổi thọ của hệ thống đánh lửa.
Những khuynh hướng khác dựa vào sự gia tăng cường độ rối trong buồng cháy
động cơ. Bằng cách thay đổi dạng hình học của buồng cháy, nguy cơ màng lửa bị tắt có
thể giảm bằng cách giảm tỉ số diện tích bề mặt/thể tích và gia tăng cường độ rối trong quá
trình nạp để gia tăng tốc độ cháy. Sự cải tiến dạng buồng cháy cho phép giảm một ít áp
suất cực đại, giảm NOx nhưng cho tới nay người ta chưa tìm được dạng buồng cháy lí
tưởng nhất và sự thay đổi hình dạng buồng cháy dường như không gây ảnh hưởng đến sự
phát sinh HC.
Giải pháp đầu tiên làm tăng cường độ rối là thiết kế đường nạp hợp lí. Sự gia tăng
cường độ xoáy lốc cho phép giảm khoảng thời gian từ lúc bật tia lửa điện đến khi hỗn hợp
bắt đầu cháy cũng như thời gian cháy; các giá trị này có độ lớn tương đương với quá trình
cháy cổ điển.
Giải pháp thứ hai là trang bị hai soupape nạp cho mỗi cylindre hay lắp trên
soupape nạp một bản dẫn hướng. Soupape này đóng lại ở tải cục bộ và mở khi đầy tải.
Giải pháp cuối cùng làm tăng cường độ rối ở động cơ riêng rẽ là thực hiện một tia
khí cao tốc phun trong một ống dẫn có tiết diện nhỏ hơn ống nạp chính theo hướng tiếp
tuyến với thành cylindre ở vị trí soupape nạp. Hệ thống này có hai bướm gió được điều
khiển một cách riêng rẽ theo tải động cơ. Nó có ưu điểm là không làm thay đổi dạng hình
học của buồng cháy, không cần thiết đánh lửa hai điểm nhưng vẫn cho phép động cơ chạy
ở chế độ không tải với độ đậm đặc thấp.
Sự gia tăng cường độ rối bằng cách thêm tia khí cho phép dịch chuyển giới hạn
cháy ổn định về phía độ đậm đặc thấp hơn (từ 0,95 xuống 0,75), cho phép nhận được sự
làm việc ổn định hơn ở chế độ không tải. Khi động cơ làm việc với độ đậm đặc 0,7 thay vì
0,8, nồng độ NOx chỉ còn 1/6 và nồng độ CO giảm đi 50% nhưng làm tăng HC. Vận động
rối trong buồng cháy cũng cho phép sử dụng thuận lợi hệ thống hồi lưu khí xả: chẳng hạn
nó cho phép tăng từ 20% lên 28% lượng khí xả hồi lưu để làm giảm NOx mà không làm
tăng HC.
Khi dùng hệ thống phun tập trung quá trình tạo hỗn hợp được cải thiện hơn so với
khi sử dụng hệ thống phun riêng rẽ vì thời gian bay hơi của hỗn hợp được kéo dài hơn. Vì
vậy hệ thống này cho phép giảm được từ 10 đến 15% HC trong cùng điều kiện làm việc
với động cơ phun riêng rẽ.
Khi tăng nhiệt độ khí nạp hỗn hợp cũng được chuẩn bị tốt hơn do sự bốc hơi nhiên
liệu diễn ra thuận lợi hơn: cùng độ đậm đặc như nhau, nồng độ HC giảm từ 20 đến 30%
khi tăng nhiệt độ khí nạp từ 25 lên 80°C, nhưng làm tăng nồng độ NOx từ 35 lên 55%. Do
70 đến 80% nồng độ CO và HC liên quan đến hai phút đầu tiên của chu trình khởi động
nguội, theo qui trình FTP-75, vì vậy sấy cục bộ đường nạp trong giai đoạn bộ xúc tác chưa
82
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong
đạt được nhiệt độ khởi động sẽ cho phép làm giảm được nồng độ những chất ô nhiễm này.
Trong thực tế, người ta bố trí ở mỗi đường nạp của động cơ phun nhiều điểm những phần
tử cấp nhiệt để nâng nhiệt độ khu vực sấy lên khoảng 40 đến 50°C và các tia phun hướng
về các khu vực này. Công suất điện cung cấp cho những phần tử nhiệt này giảm dần và cắt
đi hoàn toàn khi nhiệt độ nước làm mát khoảng 60-65°C. Tốc độ lưu thông của khí nạp
cũng ảnh hưởng đến mức độ phát sinh HC. Tốc độ này được khống chế bởi đường kính
soupape nạp. Khi giảm đường kính soupape nạp từ 35 đến 29mm thì mức độ phát sinh HC
giảm đi được từ 15 đến 25%.
Khi phun riêng rẽ, vị trí đặt vòi phun trong trường hợp cylindre có hai soupape nạp
có ảnh hưởng lớn đến mức độ phát sinh HC cũng như momen của động cơ. Tuy nhiên vị
trí đặt vòi phun chủ yếu được lựa chọn sao cho động cơ có thể được khởi động dễ dàng.
Người ta cũng nghiên cứu những hệ thống để cải thiện việc chuẩn bị hỗn hợp trong trường
hợp phun riêng rẽ như sấy nóng hỗn hợp, phun khí nạp với tốc độ lớn, xé tia phun bằng
siêu âm... Chất lượng xé tơi tia phun đóng vai trò quan trọng đến mức độ phát sinh ô
nhiễm. Những hạt nhiên liệu có đường kính bé sẽ bị cuốn theo dòng không khí trong ống
xoắn của đường nạp, giảm nguy cơ va chạm vào thành. Khi đường kính thủy lực của hạt
nhiên liệu khoảng 10 micron thì sự va chạm của hạt nhiên liệu vào thành hầu như không
xảy ra, đảm bảo sự phân bố tối ưu của hỗn hợp nhiên liệu không khí giữa các cylindre.
Trong thực tế, bộ chế hòa khí cho phép phân bố tốt hỗn hợp khi động cơ làm việc ở tải
thấp, ngược lại phun nhiên liệu đảm bảo sự phân bố tốt hỗn hợp khi động cơ làm việc ở tải
cao. Thật vậy, ở chế độ tải thấp do độ chân không trên đường nạp lớn, chất lượng xé tơi
nhiên liệu sau khi ra khỏi vòi phun trong trường hợp bộ chế hòa khí tốt hơn; ngược lại
trong trường hợp tải cao, chất lương xé tơi nhiên liệu xấu đi rất nhiều so với trường hợp
phun nhiên liệu.
Điều chỉnh góc độ phối khí cũng có ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm. Góc
độ này được điều chỉnh sao cho các giá trị áp suất cực đại, momen ở chế độ tải thấp tối ưu
cũng như khả năng động cơ làm việc ổn định khi chạy không tải với tốc độ thấp. Tăng thời
kì trùng điệp ở chế độ không tải làm tăng mức độ phát sinh ô nhiễm và sự làm việc không
ổn định của động cơ, nhưng nó cải thiện tính năng động cơ ở chế độ tốc độ cao đồng thời
cũng làm giảm NOx do hỗn hợp nạp mới bị làm bẩn bởi một bộ phận khí cháy đẩy vào
đường nạp khi piston đi lên. Sự gia tăng góc độ trùng điệp hợp lí có thể làm giảm được
80% nồng độ HC. Lượng HC trong sản phẩm cháy thoát ra đường thải có thể được xem
chứa trong hai bọng khí: bọng khí thứ nhất tương ứng với những thể tích chết ở gần
soupape thải (các không gian chết quanh soupape, ren nến đánh lửa...) và bọng khí thứ hai
tương ứng với thể tích chết xa hơn (khe hở segment...). Gia tăng góc độ trùng điệp có thể
loại trừ hoàn toàn bọng khí thứ hai ở đường xả.
Khi thời gian cháy giảm, nhiệt độ cháy tăng, mức độ phát sinh NOx gia tăng. Giảm
góc đánh lửa sớm trong một số điều kiện làm việc của động cơ cho phép kéo dài thời gian
cháy, do đó nhiệt độ cháy giảm, thuận lợi cho việc giảm NOx. Mặt khác, đánh lửa muộn
làm gia tăng nhiệt độ khí thải tạo điều kiện thuận lợi cho việc đốt cháy thành phần HC có
mặt trong khí xả.
83
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong
Gia tăng tỉ số S/D làm tăng tốc độ cháy và tạo điều kiện dễ dàng cho sự bén lửa do
đó động cơ có thể làm việc với hệ số dư lượng không khí cao hơn. Điều này có lợi trong
trường hợp động cơ làm việc với tải cục bộ nhưng ít có lợi khi động cơ làm việc ở tải cao.
Một phương án khác để làm tăng tốc độ cháy và tốc độ lan tràn màng lửa là tăng tỉ
số nén (đến 18), trong điều kiện không xảy ra hiện tượng kích nổ. Tăng tỉ số nén có
khuynh hướng tăng mức độ phát sinh NOx. Khi động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo hay
giàu, nồng độ NOx đều giảm mạnh (hình 6.3).
Hoàn thiện việc chuẩn bị hỗn hợp bao hàm việc khống chế đúng mức độ đậm đặc
trong mỗi cylindre ngay cả trong giai đoạn quá độ. Phương án tốt nhất là phun nhiên liệu
riêng rẽ kết hợp với sấy nóng vòi phun và đường nạp. Phương án này còn cho phép cải
thiện tính năng khởi động ở trạng thái nguội. Mặt khác sấy nóng đường nạp còn có tác
dụng đặc biệt trong việc tránh sự ngưng tụ nhiên liệu trên thành đường nạp (lớp nhiên liệu
ngưng tụ này sẽ bốc hơi lại ở chế độ đầy tải làm tăng độ đậm đặc của hỗn hợp).
Làm mát riêng rẽ thân động cơ và nắp cylindre cho phép duy trì thân động cơ một
nhiệt độ cao hơn nắp cylindre điều này cho phép thu hồi nhiệt độ thân máy ở tải thấp có
tác dụng tích cực đến việc giảm HC và NOx.
N=2000 v/ph
Hình 6.3: Ảnh hưởng của tỉ số nén đến mức độ phát sinh ô nhiễm và suất tiêu hao nhiên liệu
(động cơ xăng 4 cylindre, dung tích 2 lít, l: độ đậm đặc của hỗn hợp; be: suất tiêu hao nhiên liệu,
we: công có ích, e: tỉ số nén, _ _ : e = 9,3; -.-: e =11,0; ---: e =13,0; ___: e =15,0)
Khi động cơ chuyển sang làm việc với hỗn hợp nghèo, sự lệch chu kì của áp suất
chỉ thị trung bình sẽ trở nên quan trọng: nếu độ đậm đặc của hỗn hợp l=0,8, áp suất có ích
trung bình dao động cực đại 20kPa, dao động này có thể đạt 140kPa khi l=1,2. Do đó, để
cải thiện tính năng phát lực của động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo, người ta phải khống
chế sự dao động của momen (đo được bằng cảm biến gia tốc lắp trên bánh đà của động cơ)
bằng cách điều chỉnh thời điểm bắt đầu phun và thời gian phun nhờ một hệ thống khép kín
hay theo biểu đồ thiết lập trước. Sự khống chế dao động momen cũng cho phép giảm đến
mức tối thiểu mức độ phát sinh HC, chất ô nhiễm tăng nhanh chóng theo sự làm việc
không đồng đều của động cơ.
84
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong
6.2.3 Ảnh hưởng của các chế độ vận hành động cơ xăng
6.2.3.1. Cắt nhiên liệu khi giảm tốc
Để hạn chế nồng độ HC trong giai đoạn động cơ đóng vai trò phanh ô tô (khi giảm
tốc nhưng vẫn cài li hợp), biện pháp tốt nhất là ngưng 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: đỉnh cực đại
HC ở thời điểm cắt nhiên liệu và điểm cực đại thứ hai khi cấp nhiên liệu trở lại.
Đối với động cơ dùng bộ chế hòa khí, để tránh giai đoạn quá độ khi động cơ phát
lực trở lại, người ta sử dụng một hệ thống cho phép cung cấp thêm nhiên liệu dự trữ.
Nhiên liệu này được tích trữ trong hệ thống bù trừ ở giai đoạn giảm tốc. Sự cung cấp
nhiên liệu bổ sung này cho phép duy trì được độ đậm đặc của hỗn hợp một cách hợp lí ở
thời điểm mở đột ngột bướm ga trở lại.
Đối với động cơ phun nhiên liệu, người ta sử dụng một hệ thống cho phép điều
chỉnh lượng nhiên liệu phun vào đường nạp theo lưu lượng không khí. Khi giảm tốc,
bướm ga đóng lại, một van giảm tốc mở ra để cung cấp không khí cho động cơ và người ta
sử dụng lượng không khí này để điều khiển lượng nhiên liệu. Trong trường hợp đó, động
cơ hút một thể tích khí lớn hơn trong trường hợp động cơ dùng chế hòa khí. Hai điểm cực
đại của HC cũng xuất hiện giống như trong trường hợp động cơ dùng bộ chế hòa khí.
6.2.3.2. Dừng động cơ ở đèn đỏ
Chế độ dừng động cơ hợp lí khi ô tô 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 ô tô vượt 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 giảm ô nhiễm trong
trường hợp động cơ có bộ xúc tác trên đường xả. Trung bình thời gian dừng cực đoan là
50s. Khi vượt quá thời gian này nên tắt động cơ nếu động tác này không làm giảm tuổi thọ
của máy khởi động và bình điện.
6.3. Trường hợp động cơ Diesel
Kĩ thuật tổ chức quá trình cháy của động cơ Diesel ảnh hưởng trực tiếp đến mức
độ phát sinh ô nhiễm. Động cơ Diesel phun trực tiếp, có suất tiêu hao nhiên liệu riêng thấp
hơn động cơ có buồng cháy ngăn cách khoảng 10% và mức độ phát sinh bồ hóng cũng
thấp hơn khi động cơ làm việc ở chế độ tải cục bộ. Tuy nhiên động cơ phun trực tiếp làm
việc ồn hơn và phát sinh nhiều chất ô nhiễm khác (NOx, HC). Vì vậy, ngày nay dạng
buồng cháy này chỉ dùng đối với động cơ ô tô tải hạng nặng.
Việc hạn chế mức độ phát sinh ô nhiễm tối ưu đối với động cơ Diesel cần phải cân
đối giữa nồng độ hai chất ô nhiễm chính đó là NOx và bồ hóng.
85
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong
6.3.1. Ảnh hưởng của góc phun sớm và tối ưu hóa hệ thống phun
Ảnh hưởng của chất lượng hệ thống phun đối với động cơ phun trực tiếp lớn hơn
đối với động cơ phun gián tiếp về phương diện phát sinh ô nhiễm,. Trong cả hai trường
hợp, sự thay đổi góc phun sớm có ảnh hưởng ngược nhau đối với sự phát sinh NOx, HC và
bồ hóng (hình 6.4).
Tăng góc phun sớm làm tăng áp suất cực đại và nhiệt độ quá trình cháy, do đó làm
tăng nồng độ NO. Thông thường, động cơ phun trực tiếp có góc phun sớm lớn hơn nên
phát sinh NO nhiều hơn động cơ có buồng cháy ngăn cách. Giảm góc phun sớm là biện
pháp hữu hiệu làm giảm nồng độ NOx trong khí xả. Tuy nhiên việc giảm góc phun sớm
cần phải xem xét đến chế độ tốc độ và chế độ tải để tránh sự gia tăng suất tiêu hao nhiên
liệu.
Mức độ phát
ô nhiễm
Bồ
hóng
NO
HC
Hình 6.4: Ảnh hưởng của g
Giảm góc phun sớm
mức độ phát ô nhiễ
Phạm vi thay đổi đối với ô tô từ
1000 đến 1600kg, động cơ buồng
cháy dự bị, không hồi lưu khí xả
HC
NOx
(%)
(%)
độ góc quay trục khuỷu
Góc phun tối ưu
Muộn
Sớm
86
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong
Hình 6.5: Ảnh hưởng của góc phun sớm đến mức độ phát sinh
HC và NOx (động cơ buồng cháy dự bị, chu trình FTP-75)
Mặt khác, khi tăng góc phun sớm, do quá trình cháy trễ kéo dài, lượng nhiên liệu
hòa trộn trước với hệ số dư lượng không khí lớn gia tăng. Hỗn hợp này khó bén lửa do đó
chúng thường cháy không hoàn toàn và phát sinh nhiều CO. Về mặt lí thuyết, tăng góc
đánh lửa sớm có thể làm giảm HC do quá trình cháy có thể diễn ra thuận lợi hơn (hình
6.5), nhưng trên thực tế nó có tác dụng ngược lại. Thật vậy, do thời gian bén lửa kéo dài,
nhiên liệu phun ra có thể bám trên thành buồng cháy, đó là nguồn phát sinh HC.
Đối với động cơ phun trực tiếp, sự giảm góc phun sớm làm tăng độ khói và cũng
làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu nhưng làm giảm nồng độ NOx và thành phần SOF. Đối
với động cơ Diesel cỡ lớn, giảm góc phun sớm có thể làm giảm đi 50% nồng độ NO trong
khí xả. Đối với động cơ có buồng cháy ngăn cách, giảm góc phun sớm làm làm tăng nồng
độ HC nhưng làm giảm nồng độ NO và bồ hóng, đặc biệt là ở chế độ đầy tải. Khi góc
phun sớm thay đổi từ 8 đến 23 độ trước ĐCT, lượng bồ hóng tăng gấp đôi theo chu trình
thử FTP75 đối với một động cơ buồng cháy ngăn cách có góc đánh lửa sớm bình thường
15 độ trước ĐCT.
Sự thay đổi góc phun sớm phù hợp theo tốc độ và tải cho phép chọn được vị trí
điều chỉnh tối ưu hài hòa giữa nồng độ các chất ô nhiễm và hiệu suất động cơ. Đối với
động cơ có buồng cháy dự bị, sự điều khiển góc đánh lửa sớm tối ưu bằng hệ thống điện
tử theo chế độ tốc độ và chế độ tải cho phép giảm 15% nồng độ NOx và 25% nồng độ bồ
hóng theo chu trình thử FTP75 trong phạm vi gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu không đáng
kể.
Tốc độ phun cao (nhờ tăng áp suất phun) có ảnh hưởng đến quá trình phát sinh ô
nhiễm của động cơ phun trực tiếp. Thật vậy, do tăng tốc độ hòa trộn nhiên liệu và không
khí, lượng nhiên liệu cháy ở điều kiện hòa trộn trước gia tăng, do đó nồng độ NOx tăng
nhưng lượng bồ hóng giảm. Tuy nhiên sự gia tăng áp suất phun (hơn 100MPa) làm tăng
lượng hạt rắn do tăng lượng phát sinh SOF. Sử dụng vòi phun có nhiều lỗ phun đường
kính bé làm tăng chất lượng hòa trộn không khí và nhiên liệu do kích thước hạt nhiên liệu
giảm, hỗn hợp bốc cháy dễ dàng hơn, bù trừ được sự phun trễ do đó làm giảm NOx. Với
cùng lượng phát thải NOx cho trước, sự gia tăng số lượng lỗ phun làm giảm nồng độ bồ
hóng.
Đối với động cơ phun trực tiếp, áp suất phun tối ưu thay đổi từ 75 đến 100MPa
tùy theo chế độ động cơ. Vượt quá áp suất này, với cùng lượng phát sinh NOx, lượng hạt
rắn phát sinh giảm nhưng suất tiêu hao nhiên liệu và độ ồn của quá trình cháy gia tăng do
sự tăng đột ngột của áp suất. Điều này có thể khắc phục được bằng cách dùng một tia phun
mồi.
Quy luật phun cũng có ảnh hưởng quan trọng đến quá trình phát sinh các chất ô
nhiễm. Thời gian phun rút ngắn, áp suất phun cao cho phép gia tốc quá trình cung cấp
nhiên liệu dẫn đến giảm lượng HC không cháy hết. Các tiến bộ mới đây về kĩ thuật phun
nhằm giảm mức độ phát sinh ô nhiễm bao gồm quy luật phun hai giai đoạn, quy luật phun
87
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong
‘hình chữ nhật’ (phun đều đặn nhiên liệu và cắt nhanh khi kết thúc phun) để tránh hiện
tượng phun rớt. Phun rớt là nguyên nhân làm tăng hydrocacbure chưa cháy và hạt rắn
trong khí xả động cơ.
Đối với động cơ có buồng cháy ngăn cách, sự khống chế lưu lượng nhiên liệu kèm
theo việc giảm góc phun sớm có thể làm giảm 30% lượng NOx trong khí thải nhưng làm
tăng lượng HC lên 100%, CO lên 70% và bồ hóng lên 150%. Để có thể đảm bảo qui luật
phun phù hợp ở mọi chế độ làm việc của động cơ cả về phương diện phát ô nhiễm lẫn tính
năng kinh tế-kĩ thuật, trên những động cơ thế hệ mới hiện nay người ta sử dụng cảm biến
λ lắp trên đường xả. Kết hợp thông số cho bởi cảm biến này với các cảm biến áp suất,
nhiệt độ khí nạp và tốc độ động cơ người ta co thể điều khiển chính xác thời điểm phun và
lượng nhiên liệu cung cấp cho mỗi chu trình. Giải pháp này đặc biệt có lợi đối với động cơ
Diesel lắp trên ô tô nhằm giảm độ khói khi gia tốc.
6.3.2. Ảnh hưởng của dạng hình học buồng cháy
Dạng buồng cháy hợp lí cho phép tránh được lớp nhiên liệu bám trên thành do đó
giảm được nồng độ HC trong khí xả. Đối với động cơ phun trực tiếp, biện pháp có hiệu
quả nhất để làm giảm nồng độ bồ hóng là gia tăng cường độ rối và kết hợp với việc sử
dụng vòi phun nhiều lỗ. Buồng cháy tốt cần thỏa mãn các điều kiện sau đây:
- Hành trình tự do của tia nhiên liệu trong buồng cháy lớn.
- Bề mặt buồng cháy trên piston đủ lớn để tránh sự giao thoa của các tia phun.
- Cường độ rối cao trong vùng phân bố tia nhiên liệu.
- Tiếp tục duy trì được vận động rối của dòng khí trong buồng cháy sau ĐCT.
Việc gia tăng áp suất trong buồng cháy đơn thuần có khuynh hướng thuận lợi cho
sự hình thành bồ hóng. Tuy nhiên, sự gia tăng áp suất cực đại sẽ làm tăng đồng thời nhiệt
độ khí cháy cho phép gia tăng tốc độ oxy hóa bồ hóng nên lượng bồ hóng trong khí xả
không tăng. Sự gia tăng áp suất làm tăng độ ồn và sự phát sinh NOx.
Đối với động cơ phun trực tiếp, tỉ lệ nén cao cho phép khởi động dễ dàng ở nhiệt
độ thấp. Sự gia tăng tỉ số nén vừa phải đồng thời cũng làm giảm HC và thành phần SOF
của hạt rắn. Khi tỉ số nén tăng quá cao, động cơ sẽ phát sinh nhiều bồ hóng ở chế độ đầy
tải. Vì vậy ở động cơ có tỉ số nén lớn, cần phải thiết kế dạng buồng cháy tối ưu cho phép
tăng cường sự dịch chuyển của dòng không khí thuận lợi cho việc đốt cháy bồ hóng.
Để tăng cường tốc độ đốt cháy bồ hóng, người ta thiết kế thêm một buồng chứa
không khí bổ sung ở động cơ phun trực tiếp. Buồng không khí bổ sung này lưu trữ không
khí trong kì nén và lượng không khí đó sẽ cung cấp lại cho buồng cháy động cơ ở kì giãn
nở để tạo điều kiện oxy hóa hạt bồ hóng. Tuy nhiên, kết cấu này làm tăng suất tiêu hao
nhiên liệu. Ở động cơ phun gián tiếp, buồng không khí bổ sung cho phép làm giảm 40%
lượng bồ hóng phát sinh và làm gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu thêm 3%.
88
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong
Đối với động cơ có buồng cháy ngăn cách, sự gia tăng tỉ lệ giữa thể tích buồng
cháy phụ và buồng cháy chính cho phép giảm sự hình thành bồ hóng nhờ tăng cường thêm
không khí cho buồng cháy phụ. Tiết diện đường thông giữa hai buồng cháy khống chế
cường độ rối sinh ra ở thời điểm dịch chuyển lượng khí cháy từ buồng cháy phụ sang
buồng cháy chính. Giảm nhỏ tiết diện này sẽ làm giảm nồng độ bồ hóng ở chế độ đầy tải
nhưng làm tăng lượng bồ hóng ở chế độ tải cục bộ. Trong thiết kế, tiết diện tối ưu của
đường nối này được chọn ở chế độ đầy tải.
6.3.3. Ảnh hưởng của vận động rối trong buồng cháy
Sự rối phát sinh trong quá trình nạp có ảnh hưởng trái ngược nhau giữa sự phát
sinh NOx, tiếng ồn, HC và bồ hóng. Để làm giảm mức độ ảnh hưởng của giai đoạn hỗn
hợp đậm đặc đến sự phát sinh bồ hóng trong cylindre, cần tăng hiệu quả của việc hòa trộn
nhiên liệu-không khí ngay từ lúc bắt đầu giai đoạn cháy trễ (tăng cường xoáy lốc). Nhưng
điều này gây nhược điểm là làm tăng áp suất cực đại trong buồng cháy cùng với sự tăng
tiếng ồn và mức độ phát sinh NOx.
Hướng tia phun trong buồng cháy dự bị cho phép điều chỉnh được tốc độ hòa trộn
nhiên liệu-không khí, do đó cải thiện sự phát sinh bồ hóng. Hướng tia phun cũng ảnh
hưởng đến lượng nhiên liệu bám trên thành và đó là nguồn phát sinh HC. Vị trí của vòi
phun trong buồng cháy phụ cũng có ảnh hưởng đến sự hình thành NOx.
6.3.4. Ảnh hưởng của chế độ làm việc của động cơ và chế độ quá độ
Khi giảm tốc độ động cơ từ 750 đến 680 v/phút, nồng độ các chất ô nhiễm đều
giảm khi đo theo chu trình FTP75: HC (-14%); CO(-2%); NO (-3%) và bồ hóng (-5%).
Trong thử nghiệm động cơ theo chu trình tiêu chuẩn cũng như trong thực tế, sự thay đổi
chế độ tốc độ là yếu tố làm gia tăng sự phát ô nhiễm. Nồng độ bồ hóng trong khí xả động
cơ Diesel gia tăng rất mạnh khi gia tốc vì độ đậm đặc trung bình của hỗn hợp gia tăng.
Lượng gia tăng này càng lớn khi thời gian gia tốc càng dài. Để giảm thời gian gia tốc, cần
phải tối ưu hóa việc thiết kế động cơ để có thể:
- Giảm momen quán tính các bộ phận chuyển động quay
- Giảm thể tích các bộ phận nạp thải
- Giảm nhiệt dung riêng của hệ thống làm mát
- Gia tăng công suất dự trữ
6.3.5. Ảnh hưởng của chỉ số cétane của nhiên liệu
Lượng bồ hóng giảm khi thời gian cháy trễ kéo dài, nghĩa là khi dùng nhiên liệu có
chỉ số cétane thấp. Tuy nhiên việc sử dụng nhiên liệu có chỉ số cétane thấp có thể dẫn đến
những nhược điểm quan trọng: gia tăng độ ồn nếu quá trình cháy bắt đầu quá muộn, gia
tăng lượng nhiên liệu bám trên thành cylindre và buồng cháy làm tăng mức độ phát sinh
HC và bồ hóng.
89
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong
6.3.6. Ảnh hưởng của nhiệt độ khí
Giảm nhiệt độ khí nạp sẽ làm giảm nhiệt độ cực đại của quá trình cháy và do đó
nồng độ NOx cũng giảm. Vì vậy, ở động cơ tăng áp người ta có khuynh hướng làm mát
khí sau máy nén để đảm bảo nhiệt độ khí nạp không vượt quá 500C. Nhưng sự làm mát khí
nạp có thể kéo dài thời kì cháy trễ làm tăng mức độ phát sinh ô nhiễm như đã nêu (những
giọt nhiên liệu bám vào thành cylindre làm tăng thành phần HC và bồ hóng trong khí xả).
Khi khởi động động cơ ở trạng thái nguội, sự sấy buồng cháy hay sấy khí nạp là cần thiết
để làm giảm mức độ phát sinh HC và khói trắng. Việc sấy nóng khí nạp có thể thực hiện
nhờ nến điện hay bằng cách đốt trước một ít nhiên liệu trong khí nạp.
Nhiệt độ của khí đường thải cũng ảnh hưởng đến sự phát sinh ô nhiễm, nhất là đối
với thành phần HC. Thật vậy, ở chế độ tải thấp, HC ngưng tụ trên đường thải rồi bốc hơi
lại khi tăng tải làm tăng nồng độ HC. Đường thải bằng vật liệu gốm cho phép tái oxyhóa
bồ hóng và HC, nhưng làm tăng NOx. Động cơ Diesel phun trực tiếp có buồng cháy bằng
vật liệu gốm, không làm mát cho phép làm giảm được nồng độ các chất ô nhiễm ở chế độ
tải thấp. Nhưng khi tải cao, nồng độ NOx và bồ hóng đều tăng dù nhiệt độ thành buồng
cháy cao cho phép tái đốt cháy bồ hóng ở cuối chu trình.
6.3.7. Ảnh hưởng của tăng áp
Monoxy carbon CO hình thành là do quá trình cháy thiếu không khí, đặc biệt là ở
tải cao. Do đó, tăng áp là biện pháp hữu hiệu làm giảm CO. Lượng không khí thừa do tăng
áp đồng thời cũng cho phép tái đốt cháy bồ hóng, bù trừ lượng tăng bồ hóng do khí xả hồi
lưu mang vào buồng cháy. Hệ thống hồi lưu khí xả trong trường hợp động cơ tăng áp có
thể làm giảm 50% lượng NOx mà không làm tăng bồ hóng.
6.3.8. Ảnh hưởng của hệ thống hồi lưu khí xả
Mặc dù tỉ lệ khí hồi lưu lớn gây tác hại xấu đối với động cơ (tăng mài mòn) nhưng
nó có tác dụng đáng kể trong việc làm giảm NOx do giảm nhiệt độ cháy. Đối với động cơ
phun trực tiếp làm việc với nhiệt độ khí nạp từ 40-600C (làm việc ở các hầm mỏ), hệ thống
hồi lưu khí xả có thể làm giảm 30% và 50% nồng độ NOx theo thứ tự. Nếu làm ẩm thêm
không khí nạp, cùng điều kiện làm việc như trên mức độ giảm NOx có thể đạt đến 50% và
85% theo thứ tự. Tuy nhiên, hồi lưu khí xả có tác động xấu đối với các chất ô nhiễm khác:
làm tăng nồng độ CO và bồ hóng, ngay cả khi thêm hơi nước. Phun hơi nước cho phép
hạn chế phản ứng cracking tạo bồ hóng nhờ giảm nhiệt độ cháy. Đối với động cơ buồng
cháy ngăn cách, nồng độ bồ hóng gia tăng trước hết chậm, sau đó tăng nhanh theo lượng
nước phun vào buồng cháy phụ; biến thiên của nồng độ CO và HC cũng tương tự. Hơi
nước chỉ có tác dụng làm giảm nồng độ NO. Sự điều chỉnh tỉ lệ khí xả hồi lưu cần được
căn cứ theo tải và theo tốc độ. Hệ thống điện tử cho phép điều chỉnh van hồi lưu khí xả
theo các đường đặc tính chọn trước: cắt lượng khí xả hồi lưu khi động cơ nguội; sau đó
lượng khí xả hồi lưu tăng dần phụ thuộc nhiệt độ nước làm mát, áp suất môi trường, lượng
nhiên liệu cung cấp. Mặt khác, hệ thống cũng cắt lượng khí hồi lưu ở chế độ gia tốc lớn để
hạn chế nồng độ bồ hóng. Hồi lưu khí xả tối ưu cho phép giảm được 40% NOx mà không
90
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong
làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu cũng như không làm tăng CO và bồ hóng. Kết hợp với
tăng áp, hệ thống hồi lưu khí xả cho phép làm giảm đồng thời NOx, HC và bồ hóng.
6.3.9. Điều khiển vòi phun và hệ thống hồi lưu khí xả
Việc điều chỉnh các thông số công tác động cơ thường có tác dụng mâu thuẫn nhau
đối với các chất ô nhiễm khác nhau. Tuy nhiên, do mức độ ảnh hưởng đó không đồng đều
ở các điểm làm việc khác nhau của động cơ nên ở mỗi chế độ công tác ta có thể lựa chọn
một bộ thông số điều khiển tối ưu đối với các chất ô nhiễm HC, NOx và bồ hóng. Việc
điều khiển phức tạp như vậy chỉ có thể thực hiện được nhờ hệ thống điện tử. Hệ thống
điều khiển điện tử phải thỏa mãn các điều kiện sau:
- Độ chính xác cao và nhạy, làm việc ổn định theo thời gian.
- Có khả năng điều chỉnh theo nhiều thông số
- Mềm dẻo trong lập chương trình hệ thống điều khiển để có thể áp dụng trong các
điều kiện sử dụng ô tô khác nhau (tùy theo yêu cầu của luật môi trường của từng
quốc gia)
- Thực hiện việc điều chỉnh động cơ theo những chỉ tiêu cho trước
Thêm vào đó, hệ thống phải hoạt động tin cậy trong mọi tình huống, phải được bảo
vệ chống nhiễu và chống hỏng hóc, bảo trì dễ dàng nhờ hệ thống chẩn đoán nhanh.
Khi hoạt động, máy tính điều khiển chuyên dụng nhận số liệu từ các cảm biến: vị
trí thanh răng hay cần gia tốc, vị trí kim phun, tốc độ động cơ, nhiệt độ không khí nạp,
nhiệt độ nhiên liệu, nhiệt độ nước làm mát, áp suất trong xilanh,.... Sau khi xử lí, máy tính
phát tín hiệu điều khiển đến bộ phận chấp hành. Bộ phận này sẽ tác động lên cơ cấu điều
khiển lượng nhiên liệu chu trình, thời điểm bắt đầu phun, lượng khí xả hồi lưu, tỉ số truyền
của hộp số. Hệ thống điều khiển điện tử hoàn hảo như vậy cho phép làm giảm đồng thời
nồng độ bồ hóng, NOx và tăng tính kinh tế của động cơ so với hệ thống điều khiển cơ khí,
đặc biệt là kết hợp bộ điều khiển quá trình phun và điều khiển góc phun sớm, mức độ phát
ô nhiễm của động cơ có thể giảm đi 3 lần.
6.4. Ảnh hưởng của việc giới hạn tốc độ ô tô
đến mức độ phát sinh ô nhiễm
Khi ô tô hoạt động ổn định người ta thấy nồng độ CO đạt cực tiểu ở tốc độ
80÷90km/h, nồng độ HC giảm dần đến khi tốc độ đạt khoảng 100km/h sau đó tăng lên
chậm còn nồng độ NOx tăng từ từ đến khi tốc độ động cơ đạt 70÷80km/h sau đó tăng
mạnh, nhất là đối với động cơ có dung tích cylindre lớn. Các kết quả đo đạc trên chu trình
có điều kiện thử gần với điều kiện vận hành thực tế cho thấy giới hạn tốc độ ít gây ảnh
hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm. Khi giảm mạnh giới hạn tốc độ, nồng độ NOx có thể
giảm đi vài phần trăm, nhưng làm tăng đôi chút CO, HC. Khi tăng tốc độ ô tô, nhờ sự rối
của không khí phía sau xe, các chất ô nhiễm thải ra khỏi ống xả khuếch tán nhanh chóng
trong không gian, làm giảm nồng độ cục bộ của chúng trong môi trường.
91
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong
Trên xa lộ Châu Âu, tốc độ giới hạn là 130km/h. Khi đại bộ phận ô tô giảm tốc độ
từ 119 đến 107km/h người ta thấy nồng độ các chất ô nhiễm trong bầu không khí quanh hệ
thống xa lộ giảm đi đáng kể: -12% đối với CO; -1,7% đối với HC và -10,5% đối với NOx.
Một thí nghiệm khác được thực hiện bằng cách giảm tốc độ giới hạn từ 100 xuống 60km/h
trên một bộ phận xa lộ người ta nhận thấy lượng NOx giảm đi 50% trong 6 tháng.
6.5. Ảnh hưởng của nhiên liệu đến mức độ phát ô nhiễm
của động cơ
6.5.1. Nhiên liệu động cơ xăng
Việc điều chỉnh động cơ có ảnh hưởng đến lượng ô nhiễm phát sinh vì việc điều
chỉnh này tác động đến cơ chế hình thành hay phân hủy các chất ô nhiễm trước khi thoát
ra ngoài khí quyển.
Nhiên liệu cũng gây ảnh hưởng đến sự phát ô nhiễm, chủ yếu là do tỉ số không
khí/nhiên liệu có thể bị thay đổi do sự thay đổi các đặc trưng hóa lí của chúng không phải
lúc nào cũng được bù lại bởi sự điều chỉnh các thông số của động cơ. Như chúng ta đã
biết, độ đậm đặc của hỗn hợp ảnh hưởng lớn đến mức độ phát sinh ô nhiễm: NOx đạt cực
đại trong môi trường hơi nghèo; CO, HC đạt cực tiểu trong môi trường nghèo; sự xuất
hiện bồ hóng diễn ra trong môi trường rất giàu (a<0,6), điều kiện này diễn ra chung quanh
hạt nhiên liệu trong buồng cháy động cơ Diesel.
Các tính chất của nhiên liệu ô tô, nhiên liệu thông thường hay super thỏa mãn
những đặc trưng yêu cầu của từng quốc gia. Mỗi quốc gia có tiêu chuẩn riêng xác định
phạm vi cho phép của khối lượng riêng, phạm vi chưng cất, sự bốc hơi, nồng độ lưu huỳnh
và nồng độ các chất phụ gia.
6.5.1.1. Ảnh hưởng của khối lượng riêng nhiên liệu
Khối lượng riêng nhiên liệu có quan hệ chặt chẽ với thành phần các hydrocarbure
tạo thành hỗn hợp nhiên liệu thường hay super, đặc biệt là tỉ lệ nguyên tử tổng quát
carbon/hydrogène.
Sự gia tăng khối lượng riêng của nhiên liệu có khuynh hướng làm nghèo hỗn hợp
đối với động cơ dùng bộ chế hòa khí và ngược lại, làm giàu hỗn hợp đối với động cơ phun
xăng. Tuy nhiên, do phạm vi thay đổi khối lượng riêng nhiên liệu rất bé (từ 2,5 đến 4%),
ảnh hưởng của nó đến mức độ phát ô nhiễm của động cơ đã điều chỉnh sẵn với một nhiên
liệu cho trước không đáng kể.
6.5.1.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ hydrocarbure thơm
Các hydrocarbure thơm có chỉ số octane nghiên cứu RON>100 và chỉ số octane
động cơ MON thường lớn hơn 90. Do đó thêm thành phần hydrocarbure thơm vào nhiên
liệu là một biện pháp làm tăng tính chống kích nổ của nhiên liệu hiện đại.
92
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong
Hiện nay người ta có khuynh hướng gia tăng hàm lượng các chất hydrocarbure
thơm trong nhiên liệu nhằm phổ biến nhiên liệu không chì. Theo tiêu chuẩn Cộng Đồng
Châu Âu, hàm lượng benzene trong nhiên liệu phải thấp hơn 5%.
Nồng độ
thể tích
NOx
(ppmx100)
a
Tốc độ: 1500 vg/phút
Áp suất có ích trung bình: 500kPa
Tì số nén: 11
Hình 6.6: Ảnh hưởng của tỉ số không khí/nhiên liệu đến NOx
Các hydrocarbure thơm có tỉ số C/H cao hơn do đó khối lượng riêng lớn hơn. Do
nhiệt lượng tỏa ra đối với một đơn vị thể tích cao hơn nên nhiệt độ cháy của hỗn hợp tăng
làm tăng NOx. Hình 6.6 cho thấy ví dụ trên động cơ có tốc độ 1500 vòng/phút ở chế độ tải
trung bình sự thay đổi NOx theo tỉ số không khí/nhiên liệu đối với alkylat không thơm và
đối với nhiên liệu super thơm. Chúng ta thấy ở vị trí phát ô nhiễm cực đại, alkylat làm
giảm nồng độ ô nhiễm khoảng 20%.
Mức độ phát sinh CO ít bị ảnh hưởng bởi hàm lượng hydrocarbure thơm. Tuy
nhiên, các hydrocarbure thơm có cấu tạo ổn định hơn parafine nên có động học phản ứng
cháy chậm hơn. Do đó trong cùng điều kiện cháy, sự phát sinh hydrocarbure chưa cháy
của nhiên liệu chứa nhiều hydrocarbure thơm hơn sẽ cao hơn. Khi chuyển từ nhiên liệu
super thơm sang alkylat, mức độ phát sinh HC giảm đi 16% (hình 6.7).
93
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong
Nồng độ thể
tích HC
(ppmx100)
a
Tốc độ: 1500 vg/phút
Áp suất có ích trung bình: 500kPa
Tỉ số nén: 11
Hình 6.7: Ảnh hưởng của tỉ số không khí/nhiên liệu
đến nồng độ HC trong khí xả
Mặt khác, các chất thơm trong nhiên liệu giữ vai trò phát sinh các hydrocarbure
thơm đa nhân HAP, phènol và aldehyde thơm mà những chất này tăng theo các chất thơm
còn formaldehyde thì giảm. Sự phụ thuộc của HAP vào tỉ lệ các chất thơm trong nhiên
liệu thay đổi một mặt theo HAP xem xét và mặt khác theo dạng chất thơm trong nhiên
liệu: benzene ít ảnh hưởng đến HAP hình thành, HAP nhẹ (đến 4 nhân) gia tăng tuyến tính
theo tỉ lệ các chất thơm trong nhiên liệu, những HAP nặng hơn (đến 5 nhân) (hình 6.8)
không chịu ảnh hưởng bởi tỉ lệ này. HAP đã có mặt trong nhiên liệu cũng ảnh hưởng đến
mức độ phát sinh HAP trong khí xả.
6.5.1.3. Ảnh hưởng của tính bay hơi
Tính bay hơi của nhiên liệu thường được đặc trưng bởi đường cong chưng cất và
áp suất hơi Reid (PVR) đo ở 37,8°C. Đó là một đặc tính quan trọng đối với hoạt động của
động cơ, nó ảnh hưởng đến thời gian khởi động động cơ ở trạng thái nguội, tính ưu việt
khi gia tốc và tính ổn định khi làm việc ở chế độ không tải và khi chạy nóng.
Những thành phần quá nặng (bay hơi ở nhiệt độ lớn hơn 200-220°C) có ảnh hưởng
đến sự phát sinh hydrocrabure chưa cháy, do sự bốc hơi kém dẫn tới sự cháy không hoàn
toàn với sự hình thành aldehydes và sự gia tăng HC.
94
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong
Phát thải HAP
(mg/kg nhiên liệu)
Thành phần cacbua hydro thơm
Trong nhiên liệu (%V)
Hình 6.8: Ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu thơm
đến mức độ phát sinh HAP
Những thành phần nhẹ hơn, cần thiết cho việc khởi động và làm việc ở trạng thái
nguộI, ảnh hưởng đến sự phát ô nhiễm của khí xả và nhất là ảnh hưởng đến tổn thất do bay
hơi. Tính chất bay hơi tiêu chuẩn của nhiên liệu phụ thuộc vào điều kiện khí hậu và mùa.
Chẳng hạn ở Pháp, tính chất bay hơi của nhiên liệu được qui định như sau:
- 45<=PVR<=79 kPa (từ 20/6 đến 9/9)
- 50<=PVR<=86 kPa (từ 10/4 đến 19/6 và từ 10/9 đến 31/10)
- 55<=PVR<=99 kPa (từ 01/11 đến 9/4)
Chính những thành phần dễ bay hơi nhất, đặc biệt là cặp butane-pentane gây ảnh
hưởng đến PVR. Cặp này nhẹ, thường có nhiều hơn qui định trong quá trình lọc dầu, được
pha vào nhiên liệu đến giới hạn tối đa cho phép để tận dụng chỉ số octane cao của nó
(butane có chỉ số RON = 94) nhằm bù trừ việc giảm hàm lượng chì. Tính bay hơi của
nhiên liệu không gây ảnh hưởng đến sự phát sinh NOx trong khí xả. Chỉ có CO và HC gia
tăng theo PVR: nồng độ CO và HC tăng khoảng 20% theo chu trình FTP khi PVR tăng từ
65 đến 80kPa.
6.5.1.4. Ảnh hưởng của chỉ số octane
Chỉ số octane có ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm, đặc biệt khi động cơ bị
kích nổ. Sự giảm chỉ số octane dẫn đến sự gia tăng tính kích nổ, do đó làm tăng NOx nhất
là khi hỗn hợp nghèo. Nhưng trong thực tế, sự kích nổ trong điều kiện như vậy không diễn
ra.
6.5.1.5. Ảnh hưởng của các chất phụ gia
Người ta pha vào nhiên liệu ô tô nhiều chất phụ gia:
95
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong
- Những chất phụ gia làm tăng chỉ số octane: Alkyle chì, méthylcyclopenta-diényl
mangan tricarbonyle (MMT), ferrocène,...
- Những chất phụ gia chống oxy hóa, ngăn chận sự hình thành oléphine gồm:
phénylène diamin, aminophénol và phénol alkylé.
- Những chất phụ gia làm sạch bề mặt đường ống nạp do hơi dầu bôi trơn và những
chất không bị lọc gió giữ lại trên đường nạp.
- Màu và các chất phụ gia chống nhầm lẫn.
Những chất phụ gia chì, dù rằng thành phần chlore và brome đảm bảo biến chì
thành dạng halogene nhẹ, không đủ để loại trừ hoàn toàn những lớp bám trong buồng
cháy. Sự hiện diện của các lớp bám này dường như không gây ảnh hưởng đến nồng độ CO
và NOx nhưng làm tăng HC. Chì không gây ảnh hưởng đến sự hình thành aldéhyde.
Những chất phụ gia mangan (MMT) gây ảnh hưởng xấu đến sự phát sinh HC và aldéhyde.
Nếu sự phát sinh CO và NOx không bị ảnh hưởng, nồng độ HC tăng tuyến tính
theo nồng độ MMT: sự chuyển đổi ở bộ xúc tác không hạn chế hoàn toàn được sự gia tăng
này và bộ xúc tác dần dần bị bao phủ bởi lớp bám Mn3O4.
Các chất phụ gia hữu cơ hay hữu cơ-kim loại (organometallique) thêm vào nhiên
liệu để tác động đến các phản ứng cháy dường như không gây ảnh hưởng đến mức độ phát
ô nhiễm, các chất phụ gia chống các lớp bám cũng vậy. Tuy nhiên, việc duy trì độ sạch
trên đường nạp cho phép giữ được sự điều chỉnh ban đầu và sự ổn định về mức độ phát
sinh CO ở chế độ không tải.
6.5.1.6. Ảnh hưởng của việc sử dụng nhầm nhiên liệu
Từ 'nhầm’ nhiên liệu dùng để chỉ việc cung cấp không đúng nhiên liệu cho động
cơ, chẳng hạn cung cấp dầu Diesel cho động cơ đánh lửa cưỡng bức. Trong thực tế thường
diễn ra sự nhầm lẫn cung cấp nhiên liệu pha chì cho động cơ có ống xả xúc tác. Sự 'đầu
độc' bộ xúc tác do chì làm giảm dần hiệu quả của bộ xúc tác dẫn đến sự gia tăng HC và
aldehyde ở phía sau ống xả. Hình 6.9 cho thấy sự gia tăng nhanh chóng của HC và
aldehyde ngay khi cung cấp nhiên liệu pha chì. Mặt dù khi cung cấp lại xăng không chì,
tính năng của bộ xúc tác được phục hồi trở lại nhưng không bao giờ đạt được hiệu quả ban
đầu.
96
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong
g/dặm
Không có bộ xúc tác
Xăng pha chì
Xăng không pha chì
Quãng đường lăn bánh (x1000 dặm)
g/dặm
Không có bộ xúc tác
Xăng pha chì
Xăng không pha chì
Quãng đường lăn bánh (x1000 dặm)
Hình 6.9: Ảnh hưởng của việc sử dụng nhiên liệu không phù hợp
6.5.2. Ảnh hưởng của nhiên liệu Diesel
Chúng ta sẽ khảo sát sau đây ảnh hưởng của khối lượng riêng, chỉ số cetane, thành
phần lưu huỳnh, các chất phụ gia đến mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ Diesel. Các
chất ô nhiễm quan tâm như động cơ đánh lửa cưỡng bức nhưng phải thêm vào những hạt
rắn và các chất hữu cơ liên quan (SOF) là những chất ô nhiễm đặc biệt ở động cơ Diesel.
6.5.2.1. Ảnh hưởng của khối lượng riêng
Sự gia tăng khối lượng riêng của dầu Diesel dẫn tới sự gia tăng nồng độ hạt rắn.
Hình 6.10 giới thiệu mức độ phát sinh hạt rắn tính theo gam/lít nhiên liệu theo khối lượng
riêng ứng với động cơ V8, 10,4 lít chạy ở tốc độ 1700 vòng/phút và một động cơ tăng áp
14 lít, chạy ở 1700 vòng/phút. Tương tự như vậy, nồng độ SOF cũng tăng theo khối lượng
riêng.
97
Tải về để xem bản đầy đủ
25 trang
20140
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Ô tô và ô nhiễm môi trường - Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_o_to_va_o_nhiem_moi_truong_chuong_6_cac_yeu_to_an.pdf
