Giáo trình Ô tô và ô nhiễm môi trường - Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường
XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN
ĐỘNG CƠ Ô TÔ NHẰM
LÀM GIẢM Ô NHIỄM
MÔI TRƯỜNG
Chương 9
Để đáp ứng với yêu cầu của luật bảo vệ môi trường ngày càng trở nên khắt khe,
các nhà chế tạo ô tô đã không ngừng cải tiến sản phẩm của mình. Những tiến bộ mới đây
trong lĩnh vực tổ chức quá trình phun nhiên liệu nhờ ứng dụng thành tựu của kĩ thuật điều
khiển cũng như sử dụng các loại nhiên liệu khí để chạy động cơ đã tạo ra một viễn ảnh
khá lạc quan cho sự phát triển động cơ nhiệt truyền thống. Trong chương này, chúng ta sẽ
đề cập đến các xu hướng hoàn thiện động cơ đốt trong lắp trên các phương tiện giao thông
vận tải.
9.1. Cải thiện tính năng của động cơ truyền thống
9.1.1. Động cơ đánh lửa cưỡng bức làm việc với hỗn hợp
cháy hoàn toàn lí thuyết
Động cơ này được phát triển để bảo đảm tính hiệu quả của việc xử lí khí xả bằng
bộ xúc tác 3 chức năng. Trong nhiều năm qua, loại động cơ này chưa có những cải tiến gì
đáng kể. Các cải tiến hiện nay tập trung vào việc nâng cao tính kinh tế và giảm thời gian
khởi động của bộ xúc tác.
9.1.1.1 Cải thiện hiệu suất
Hiệu suất thực tế mà động cơ đạt được hiện nay còn cách xa so với hiệu suất lí
thuyết mà nó đạt được khi làm việc trong điều kiện khí trời. Kĩ thuật nâng cao hiệu suất
được quan tâm hiện nay là giảm tổn thất bơm trong chu trình công tác và giảm tổn thất
nhiệt ở tải cục bộ nhờ hồi lưu khí xả. Kĩ thuật này đồng thời cũng góp phần làm giảm NOx
và tạo điều kiện thuận lợi cho việc xử lí khí xả bằng bộ xúc tác.
Sự khác biệt giữa các kĩ thuật này thể hiện ở cách thức nạp khí xả hồi lưu. Chẳng
hạn theo phương pháp Ricardo, khí mới nạp vào động cơ được thực hiện nhờ hai ống dẫn
khác nhau: một ống dẫn không khí giống như ống nạp truyền thống và ống còn lại, có độ
tiết lưu thay đổi theo điều kiện làm việc, dẫn hỗn hợp không khí và khí xả hồi lưu. Sự
phân lớp khí nạp như vậy cần thiết trong trường hợp tỉ lệ khí xả hồi lưu cao.
Hệ thống vừa mô tả có thể làm tăng hiệu suất khoảng từ 6÷8% đối với động cơ làm
việc với hỗn hợp cháy hoàn toàn lí thuyết. Sự phát sinh NOx ở nguồn, nghĩa là trước khi
165
Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường
vào ống xả xúc tác, giảm từ 85÷90% nhưng nồng độ HC gia tăng khoảng 10%. Điều này
không gây khó khăn gì trong việc xử lí khi bộ xúc tác làm việc bình thường.
Một hệ động cơ khác ngày nay đang được nghiên cứu áp dụng, đó là động cơ làm
việc theo chu trình Miller. Khác với chu trình Beau de Rochas, ở động cơ này hành trình
nạp và nén khác với hành trình giãn nở và thải. Thực ra chỉ có quá trình nạp và nén được
thực hiện khác với động cơ truyền thống: soupape nạp đóng trước ĐCD khi piston đi
xuống. Kết quả là tỉ số nén thực bị giảm nhưng điều đó không gây ảnh hưởng đến hiệu
suất chu trình nhiệt của động cơ vì hiệu suất của chu trình bị ảnh hưởng chủ yếu bởi tỉ số
giãn nở của khí cháy.
Sử dụng chu trình Miller cho phép giảm tổn thất bơm. Bướm ga trở nên không cần
thiết vì thời gian mở soupape nạp quyết định lượng khí nạp vào cylindre. Hãng Mazda từ
năm 1993 đã thương mại hóa ô tô trang bị động cơ làm việc theo chu trình này. Động cơ
Mazda làm việc theo chu trình Miller có tỉ số nén và giãn nở khác nhau, nhưng soupape
nạp đóng sau ĐCD chứ không phải trước ĐCD như chu trình Miller cổ điển. Thêm vào đó,
sự định lượng khí nạp mới cũng được thực hiện nhờ bướm ga. Mặt khác động cơ cũng
được trang hệ thống tăng áp và hệ thống làm mát trung gian khí nạp. Việc áp dụng các hệ
thống này cho phép nâng cao tính năng của động cơ dù tỉ số nén thực tế bé. Thêm vào đó,
việc sử dụng hệ thống tăng áp hạn chế được hiện tượng quay ngược khí ga vào đường nạp.
So với động cơ cổ điển có cùng dung tích cylindre, động cơ Mazda có công suất và
momen cao gấp 1,5 lần và suất tiêu hao nhiên liệu giảm từ 10 đến 15%.
Một phương án khác nhằm cải thiện hiệu suất động cơ là cho ngưng hoạt động của
soupape nạp và xả của một vài cylindre khi động cơ làm việc ở chế độ tải cục bộ và tốc độ
thấp. Lợi ích chủ yếu của giải pháp này là giảm vùng áp suất thấp của chu trình. Khi đó
một vài cylindre không hoạt động còn các cylindre khác hoạt động ở tải lớn hơn so với khi
nó làm việc theo phương pháp phối khí cổ điển. Kết quả là tổn thất bơm giảm. Kĩ thuật
này làm giảm ma sát động cơ và cải thiện được quá trình cháy trong trường hợp tải rất
thấp.
Hãng Mitsubishi từ năm 1994 đã phát triển hệ thống này. Hệ thống có tên gọi là
MIVEC (Mitsubishi Innovative Valve timing and lift Electronic Control). Ngoài việc cho
ngừng họat động một số soupape ở tải thấp, hệ thống này còn được trang bị thêm một hệ
thống điều chỉnh góc phối khí và độ nâng soupape. Động cơ trang bị hệ thống MIVEC cho
phép giảm suất tiêu hao nhiên liệu đến 30% ở chế độ không tải và giảm hơn 15% khi thử
theo chu trình tiêu chuẩn của Nhật. Công suất và momen của động cơ có thể cao hơn 15%
so với động cơ cổ điển.
Kĩ thuật điều chỉnh góc độ phối khí theo tải động cơ cũng là hướng nghiên cứu
được nhiều nhà chế tạo quan tâm. Thường hướng lựa chọn thiên về việc làm giảm đến
mức thấp nhất khoảng trùng điệp của các soupape ở chế độ tải thấp để làm giảm lượng khí
sót trong cylindre và cải thiện quá trình cháy. Trong trường hợp tải lớn, góc độ trùng điệp
của các soupape phải tăng lên để tạo điều kiện thuận lợi cho việc nạp đầy cylindre nghĩa là
166
Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường
cải thiện hệ số nạp và từ đó làm tăng hiệu suất động cơ. Mặt khác, sự modul hóa khoảng
trùng điệp của soupape cho phép làm giảm mức độ phát sinh HC và NOx.
Trong thực tế, người ta có thể phối hợp giữa việc điều chỉnh góc độ phối khí với sự
thay đổi luật nâng soupape. Nhìn chung, độ nâng của soupape ở chế độ tốc độ thấp nhỏ
hơn độ nâng ở chế độ tốc độ cao. Hệ thống này đã được hãng Honda phát triển với tên gọi
là VTEC (Variable valve Timing and lift Electronic Control). Nó được trang bị trên động
cơ có 4 soupape cho mỗi cylindre. Mỗi soupape mở theo một một luật riêng phụ thuộc chế
độ làm việc của động cơ.
9.1.1.2. Gia tốc quá trình khởi động bộ xúc tác
Các bộ xúc tác 3 chức năng hiện nay được lắp đặt trên ô tô chỉ hoạt động hiệu quả
sau khi động cơ đã làm việc khoảng 2-3 phút. Thường sau khoảng thời gian này bộ xúc tác
mới đạt được nhiệt độ khởi động.
Để gia tốc giai đoạn sấy, người ta có thể đặt ống xúc tác gần động cơ nhưng điều
này không phù hợp khi động cơ làm việc ở tải cao. Vì vậy, người ta nghiên cứu những giải
pháp khác phức tạp hơn. Một trong những giải pháp đó là lắp đặt ở trước bộ xúc tác chính
một bộ xúc tác khởi động. Bộ xúc tác khởi động này có đặc điểm là nhiệt dung thấp và
khởi động nhanh do đó nó cho phép xử lí khí xả ngay sau khi khởi động động cơ.
Ngoài ra người ta cũng áp dụng một số những kĩ thuật khác như:
- Sấy bộ xúc tác bằng điện: Bộ xúc tác này cho phép xử lí triệt để khí xả để đạt
được tiêu chuẩn ULEV. Việc sấy thường được thực hiện ở bộ xúc tác khởi động. Công
suất điện (cũng chính là năng lượng cần thiết) để gia tốc việc khử các chất ô nhiễm tới một
giới hạn cho trước trong trường hợp đó thấp hơn là trong trường hợp sấy trực tiếp bộ xúc
tác chính. Trong trường hợp cụ thể người ta sử dụng bộ sấy có công suất điện khoảng
1kW tiêu thụ chưa đầy 4Wh để đảm bảo khí xả động cơ thỏa mãn tiêu chuẩn ULEV. Các
giá trị năng lượng tiêu tốn này sẽ tăng lên ít nhất 2 lần khi bộ sấy đặt ngay ở ống xúc tác
chính.
- Sấy bằng nhiệt do đốt nhiên liệu: năng lượng tỏa ra có thể do đốt cháy bộ phận
nhiên liệu còn sót hoặc lượng nhiên liệu phun vào khí xả (hình 9.1). Cả 2 trường hợp đều
cần phải cấp thêm một lượng không khí phụ vào ống xả để đảm bảo đốt cháy lượng nhiên
liệu này. Hình 9.2 giới thiệu một ví dụ về giảm ô nhiễm nhờ sấy bộ xúc tác.
Không khí thứ cấp
Nhiên liệu
–ng xả
Động cơ
Bộ xúc tác
Vòi đốt
Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường
Hình 9.1: Gia nhiệt bộ xúc tác bằng vòi đốt nhiên liệu
Mức độ ô nhiễm khi động cơ
hoạt động với bộ xúc tác cũ
Sãy điện 3,5kW
Sãy bằng đốt nhiên liệu còn lại
trong khí xả (15kW)
Sãy bằng vòi đốt nhiên liệu
trên đường xả (15kW)
Mức độ ô nhiễm
(giá trị tương đối)
- Phun không khí: Việc phun không khí được thực hiện ngay sau soupape xả bắt
đầu khi khởi động động cơ. Giải pháp này cho phép điều chỉnh thành phần khí xả phù hợp
với điều kiện xử lí tối ưu bằng bộ xúc tác ba chức năng, đồng thời nó cũng tạo điều kiện
oxy hóa trước CO và HC góp phần làm tăng nhiệt độ bộ xúc tác.
- Lưu giữ tạm thời HC: Việc lưu giữ tạm thời HC trong khí xả được thực hiện ở
bộ hấp thụ (hình 9.3). Hệ thống này có thể đi kèm với bộ xúc tác khởi động.
‘Bẫy’ chứa than
hoạt tính
Động cơ
Van điều khiển
Bộ xúc tác
khởi động
Bộ xúc tác ba
chức năng
Hình 9.3: Hệ thống xúc tác có thêm bộ lưu giữ tạm thời HC
Hiện nay các nhà chế tạo đang tiếp tục nghiên cứu các hệ thống này để có thể phát
triển áp dụng trong những năm tới. Mặc dù chúng cần có một hệ thống điều khiển phức
tạp và đắt tiền nhưng mang lại hiệu quả rất cao trong xử lí khí xả.
9.1.1.3. Động cơ đánh lửa cưỡng bức phun trực tiếp,
168
Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường
làm việc với hỗn hợp nghèo
Loại động cơ này cho phép nâng cao hiệu suất bằng cách cho động cơ làm việc với
hỗn hợp nghèo. Việc thiết kế chế tạo động cơ này rất phức tạp nên cho tới nay chúng vẫn
chưa được áp dụng rộng rãi (chủ yếu áp dụng ở Nhật). Tuy nhiên do tính ưu việt của
chúng về nhiều mặt, các nhà chế tạo đang khẩn trương nghiên cứu phát triển loại động cơ
này.
Nến đánh lửa
Vòi phun nhiên liệu
Không khí
Các ống tách dòng
đường nạp
Đầu piston định hình
Hỗn hợp rất đậm
Động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo thế hệ đầu tiên được chế tạo dựa trên việc tối
ưu hóa sự đồng nhất của hỗn hợp nhiên liệu cũng như sự phân bố nhiên liệu trong buồng
cháy. Nhờ vậy, quá trình cháy trong các loại động cơ này được tiến hành một cách bình
thường với độ đậm đặc của hỗn hợp thấp hơn so với động cơ cổ điển khoảng (f=0,7 - 0,8).
Suất tiêu hao nhiên liệu (g/kWh)
f = 1
Mức độ phát sinh NOx (g/kWh)
f điều chỉnh
Giới hạn ổn
định
Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường
Hình 9.5: Ảnh hưởng của độ đậm đặc đến suất tiêu hao nhiên liệu
và mức độ phát sinh NOx của động cơ Honda VTEC
Động cơ làm việc với hỗn hợp phân lớp cho phép nâng cao thêm hiệu suất công
tác. Việc thiết kế chế tạo loại động cơ này rất được quan tâm hiện nay. Kĩ thuật động cơ
làm việc với hỗn hợp phân lớp dựa trên việc tạo ra trong buồng cháy một hỗn hợp đậm
đặc cục bộ (gần nếu đánh lửa) đủ để khởi động và đảm bảo sự lan tràn màng lửa phù hợp
trong điều kiện thành phần hỗn hợp có độ đậm đặc thấp nhất. Hiện nay, hỗn hợp phân lớp
chỉ dùng khi động cơ làm việc ở tải thấp; khi động cơ làm việc với tải cao, động cơ sử hỗn
hợp cháy hoàn toàn lí thuyết.
9.1.2. Động cơ Diesel
Động cơ Diesel cũng sẽ được tiếp tục cải tiến để nâng cao hiệu suất dù hiện nay nó
đã có nhiều ưu điểm về mặt này.
Về phương diện hạn chế mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ Diesel, các giải
pháp kĩ thuật nói chung vẫn còn ở trong giai đoạn thí nghiệm. Cho tới những năm cuối của
thập niên 1990, các kĩ thuật này vẫn còn áp dụng rất hạn chế vì nó đắt tiền và làm việc
chưa thật đáng tin cậy. Các giải pháp đó là:
. Bộ xúc tác giảm NOx
. Lọc bồ hóng
Việc áp dụng bộ xúc tác oxy hóa trên động cơ Diesel không vấp phải trở ngại gì
đặc biệt. Chỉ có điều cần chú ý là hiệu quả của nó cao khi hàm lượng lưu huỳnh trong
nhiên liệu thấp.
Kĩ thuật xúc tác loại trừ NOx đang được phát triển. Việc ứng dụng kĩ thuật này đặt
ra một số vấn đề về kĩ thuật, đặc biệt là vấn đề làm việc ổn định của bộ xúc tác theo thời
gian. Mặt khác, bộ xúc tác loại trừ NOx đòi hỏi nhiên liệu không được chứa lưu huỳnh.
Tuy hiện nay hiệu quả của nó thấp hơn bộ xúc tác 3 chức năng nhưng người ta có thể lạc
quan tin rằng kĩ thuật này sẽ được áp dụng trong một tương lai gần.
Kĩ thuật lọc bồ hóng có nhiều hứa hẹn sẽ được áp dụng trên ô tô du lịch cũng như
ô tô vận tải. Tuy nhiên, việc áp dụng kĩ thuật này đòi hỏi những tiến bộ cả về lõi lọc lần kĩ
thuật tái sinh lọc (xem chương 7).
170
Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường
Đối với xe bus hoạt động trong thành phố, vùng nhạy cảm đối với vấn đề ô nhiễm,
việc trang bị hệ thống lọc bồ hóng là cần thiết cho dù giá thành của nó còn cao, nếu
không, những nguồn năng lượng cạnh tranh (khí, điện) sẽ làm mất đi vị trí độc tôn của
động cơ Diesel lắp trên chủng loại ô tô này.
Về phương diện hiệu suất, động cơ Diesel phun trực tiếp có suất tiêu hao nhiên
liệu thấp hơn động cơ phun gián tiếp khoảng 15%. Ưu điểm này chắc chắn sẽ được khai
thác triệt để trong quá trình phát triển của loại động cơ Diesel. Đồng thời, trong tương lai
gần đây, nó cũng thừa hưởng những tiến bộ mới về động cơ Diesel nói chung hiện đang
được nghiên cứu và phát triển. Sau đây chúng ta sẽ đề cập đến một vài tiến bộ có thể được
áp dụng. Những tiến bộ này đặc biệt liên quan đến động cơ Diesel lắp trên xe du lịch
nhưng chúng cũng có thể được áp dụng đối với ô tô tải.
Các nghiên cứu cải thiện động cơ Diesel trước hết liên quan đến việc hoàn thiện kĩ
thuật phun, đặc biệt là việc áp dụng kĩ thuật phun điều khiển điện tử cho phép nâng cao
momen và công suất, giảm ồn, giảm ô nhiễm... Các cải tiến này sẽ liên quan chủ yếu đến
áp suất phun, dạng quy luật phun và độ chính xác của lượng nhiên liệu phun.
Mức độ phát sinh bồ
hóng (tương đối)
Áp suất
phun
Mức độ phát sinh
NOx (tương đối)
Một ví dụ điển hình về các kĩ thuật phun mới là sự phát triển hệ thống ‘ray chung’
(common-rail). Trong hệ thống này, áp suất phun có thể được modun hóa một cách tùy ý
theo tải và theo tốc độ động cơ. Nói chung, áp suất phun trong trường hợp này cao hơn
nhiều so với áp suất phun trong hệ thống cổ điển, nhất là khi đầy tải và tốc độ cao. Theo kĩ
thuật này, nhiên liệu được phun với áp suất cao trong thời gian ngắn. Điều này cho phép
hạn chế sự phát sinh hạt bồ hóng nhưng lại làm gia tăng lượng NOx.
171
Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường
Khi động cơ làm việc ở chế độ tốc độ thấp và tải cục bộ, có hai xu hướng nghiên
cứu. Hướng phổ biến nhất là ưu tiên cho hiệu suất cao; nhiên liệu được phun dưới áp suất
rất cao làm tăng momen của động cơ so với động cơ cùng cỡ sử dụng hệ thống phun cổ
điển. Hướng thứ hai là giảm mạnh áp suất phun khi động cơ làm việc ở các chế độ này để
làm giảm sự phát sinh NOx. Nói chung sự tối ưu giữa nồng độ NOx và bồ hóng luôn luôn
có lợi khi áp suất phun cao (hình 9.6).
Việc sử dụng hệ thống ‘ray chung’ cũng thuận lợi cho việc lắp đặt hệ thống phun
mồi. Sự phun trước một lượng nhỏ nhiên liệu sẽ làm giảm tốc độ tỏa nhiệt ban đầu do
giảm lượng nhiên liệu cung cấp vào buồng cháy trong giai đoạn cháy trễ. Kết quả là nồng
độ NOx và tiếng ồn giảm đi đáng kể mà không làm tăng lượng bồ hóng.
Tính mềm dẻo rất lớn của hệ thống phun mới này kết hợp với hệ thống hồi lưu khí
xả cho phép đạt được tỉ lệ tối ưu nhất giữa nồng độ NOx và bồ hóng ở mọi chế độ làm việc
đồng thời nó cũng giúp cải thiện tính năng kinh tế-kĩ thuật của động cơ. Tuy nhiên, do tính
phức tạp nên hệ thống này hiện nay vẫn chưa được áp dụng rộng rãi.
Sự gia tăng số lượng soupape ở mỗi cylindre cũng như sử dụng hệ thống tăng áp
làm tăng lượng không khí nạp cho mỗi chu trình, đó là những biện pháp làm tăng công
suất và momen của động cơ.
Việc áp dụng kĩ thuật hồi lưu khí xả khi động cơ làm việc ở tải cục bộ sẽ được áp
dụng rộng rãi trên động cơ của các chủng loại ô tô khác nhau để làm giảm NOx nhằm thỏa
mãn các quy định của luật môi trường.
Cuối cùng, kĩ thuật điều khiển điện tử các đối với sự hoạt động của các hệ thống
động cơ (hệ thống phun, hệ thống hồi lưu khí xả...) sẽ thay thế kỹ thuật điều khiển cơ khí
nhằm làm tăng độ nhạy và tính mềm dẻo của các hệ thống.
Các tiến bộ kĩ thuật vừa nêu không chỉ liên quan duy nhất đến động cơ Diesel phun
trực tiếp mà phần lớn những kĩ thuật này cũng có thể được áp dụng đối với động cơ có
buồng cháy dự bị và phun gián tiếp. Vì vậy, động cơ phun gián tiếp cũng sẽ được tiếp tục
cải tiến trong tương lai.
9.2. Các kĩ thuật mới đối với động cơ 2 kì
Chúng ta sẽ khảo sát sau đây những kĩ thuật đang được nghiên cứu mạnh mẽ ngày
nay nhằm nâng cao tính năng kinh tế-kĩ thuật và giảm mức độ phát sinh ô nhiễm của động
cơ xăng 2 kì để có thể sử dụng chúng trên ô tô.
Động cơ 2 kì ngày nay được dùng phổ biến trên xe máy, tàu thể thao, các động cơ
gia dụng (máy cắt cỏ, máy cày...). Trong các lĩnh vực này, động cơ 2 kì có thế mạnh rõ rệt
về công suất riêng và sự gọn nhẹ. Tuy nhiên loại động cơ này có nhược điểm là hiệu suất
thấp và mức độ phát sinh ô nhiễm cao, đặc biệt là CO, HC.
172
Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường
Những nghiên cứu được thực hiện trong những năm gần đây để cải thiện động cơ 2
kì, đặc biệt là kĩ 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, hàng hải)
mà còn được phát triển để sử dụng trên ô tô.
1. Tóm tắt nguyên lí làm việc của động cơ 2 kì đánh lửa cưỡng bức
Động cơ 2 kì cổ điển thường sử dụng hỗn hợp được chuẩn bị từ bên ngoài động cơ
nhờ bộ chế hòa 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 kì. Hình 9.7 trình bày tóm tắt sơ đồ nguyên lí làm việc của động cơ 2 kì
nén khí nhờ carter. Kĩ thuật này hiện nay thường được dùng nhất trên động cơ cỡ nhỏ.
Nạp
2. Cháy và dãn nở
1. Nén trong cylindre và nạp vào
Thải
Thải
Đường
thông
4. Thải và nén
3. Thải, quét khí
Cylindre 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 soupape ở động cơ 4 kì. Khi piston
chuyển động lên xuống, các lỗ đó sẽ đóng mở theo quy luật định trước. Mặt khác, hỗn hợp
173
Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường
nhiên liệu không khí trước khi đưa vào cylindre được chuyển vào carter 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 carter.
. Cháy, giãn nở và thải.
. Cuối kì giản nỡ, cửa quét mở, hỗn hợp khí mới từ carter đi vào cylindre và đẩy
khí cháy ra ngoài. Đây là giai đoạn quét khí mà sự hoàn thiện của nó quyết định
tính năng kinh tế-kĩ thuật của động cơ 2 kì.
. Đóng cửa quét và thải sau đó bắt đầu lại kì nén.
2. Các thành tựu mới trong nghiên cứu động cơ 2 kì
Động cơ 2 kì thế hệ mới sử dụng kĩ thuật phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng cháy.
Kĩ thuật này cho phép hạn chế sự thất thoát nhiên liệu ra ngoài theo 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 HC trong khí xả.
Vòi phun áp suất thấp thông thường
Cân bằng nhờ trục
cam IAPAC
Thể tích chứa khí nén
Soupape IAPAC
Nến đánh lửa
Đường chuyển khí
với tiết diện thay đổi
Làm mát
Đường thải
Van một chiều
Piston có
bản phản xạ
Momen cực đại
(Nm)
135-2000 v/phút
Tiêu hao nhiên
liệu (l/100km)
Động cơ 4 kì (4 xy lanh, 1360cm3)
Động cơ IAPAC 2 kì (3 xy lanh, 1230cm3)
Hai kĩ thuật mới đang được quan tâm nhất:
174
Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường
. Phun nhiên liệu lỏng dưới áp suất cao được các nhà chế tạo ô tô PSA và Renault
(Pháp), 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. Kĩ thuật phun nhiên liệu bằng không khí nén được tóm tắt
như sau:
Nhiên liệu được dẫn tới ngay trước soupape bởi một vòi phun cổ điển dạng áp suất
thấp (hình 9.8). Trong giai đoạn mở soupape, 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 lí trong
buồng cháy. Sự phun nhiên iệu bằng khí nén có thể được thực hiện một cách độc lập so
với kì quét khí. Điều này cho phép hạn chế tối đa sự lọt nhiên liệu theo khí xả.
Khí thải động cơ 2 kì thế hệ mới chứa ít NOx do sự kết hợp của nhiều yếu tố khác
nhau. Trước hết, động cơ 2 kì không bị cường hóa như động cơ 4 kì cùng công suất. Mặt
khác, những thành tựu mới đang 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 bộ xúc tác
oxy hóa 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 9.9 so sánh mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ 4 kì và động cơ 2 kì hiện
đại (IAPAC) (Injection Assistée Par Air Comprimé). Kết quả này cho thấy động cơ 2 kì
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 lên khoảng 20% ở tốc độ thấp và trung bình so với động cơ 4 kì.
Nói chung động cơ 2 kì thế hệ mới thỏa mãn được những quy định khắt khe nhất
của luật môi trường hiện nay và từ năm 1994 người ta đã chế tạo được những động cơ 2
kì thỏa mãn được tiêu chuẩn ULEV. Tuy nhiên động cơ 2 kì 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 bôi 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 kì trên các phương tiện vận tải.
3. Tương lai của động cơ 2 kì:
Cho tới nay, việc áp dụng động cơ 2 kì trên ô tô vẫn còn đang ở bước chờ đợi
nhưng trên mô tô, chắc chắn rằng kĩ thuật động cơ 2 kì cổ điển sẽ được thay thế bởi kĩ
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 hai kì kiểu cũ lắp trên mô tô thải ra khí trời từ 30-40%
lượng nhiên liệu nạp vào buồng cháy. Thông thường 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 kì thế hệ mới suất tiêu hao nhiên liệu có thể giảm từ 30 đến 50%.
175
Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường
9.3. Động cơ 4 kì đánh lửa cưỡng bức phun trực tiếp
Phun trực tiếp nhiên liệu vào trong buồng cháy cho phép động cơ 4 kì đánh lửa
cưỡng bức làm việc với hỗn hợp rất nghèo (φ = 0,3 - 0,4). Tổn thất áp suất trên đường nạp
rất bé, có khi thể bỏ qua trong toàn bộ phạm vi hoạt động của động cơ từ không tải đến
toàn tải. Ngoài việc giảm tổn thất bơm, việc áp dụng kĩ thuật phun trực tiếp cho phép tăng
độ chính xác trong việc định lượng nhiên liệu và cải thiện điều kiện cháy ở chế độ tải thấp.
Nói chung, kĩ thuật này cho phép làm tăng hiệu suất động cơ.
Giống như đối với động cơ phun gián tiếp, quá trình cháy của hỗn hợp nghèo chỉ
được quan tâm khi động cơ làm việc ở tải cục bộ và tốc độ thấp. Trong những điều kiện đó
sự phân lớp mạnh độ đậm đặc cho phép động cơ làm việc tốt ở hỗn hợp rất nghèo. Điều
này được thực hiện nhờ giảm góc phun sớm (khi piston đi lên) do đó hạn chế sự khuếch
tán của không khí vào tia nhiên liệu. Ở chế độ đầy tải và tốc độ cao, nhiên liệu được phun
vào buồng cháy rất sớm, ngay trong giai đoạn nạp sao cho hỗn hợp nhiên liệu không khí
với độ đậm đặc φ = 1 có thời gian phân bố đồng đều trong không gian buồng cháy.
Bướm khống chế
mức độ xoáy lốc
ở trạng thái mở
Bướm khống chế
mức độ xoáy lốc
ở trạng thái đóng
Tải thấp và tải trung
bình (phun trễ)
Tải lớn
Hìncủa động cơ Toyota D-4
Năm 1996, hãng Mitshubishi đã thương mại hóa ô tô lắp động cơ phun xăng trực
tiếp. Động cơ này có đặc điểm là dạng đường nạp được thiết kế đặc biệt, vị trí lắp đặt hợp
lí phối hợp với mặt phản xạ trên đỉnh piston, tạo thuận lợi cho sự phân lớp độ đậm đặc
theo sự chuyển động của dòng khí. Nhiên liệu được phun với áp suất cao (50bar). Sự bay
hơi nhiên liệu lỏng dẫn đến giảm nhiệt độ khí nạp do đó có thể sử dụng tỉ số nén của động
cơ cao hơn so với động cơ cổ điển (có thể nâng tỉ số nến lên đến 12). Do đó, hiệu suất
động cơ gia tăng và suất tiêu hao nhiên liệu có thể giảm đến 25%.
176
Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường
Người ta cũng có thể phân lớp hỗn hợp trong buồng cháy theo sự dịch chuyển của
các vùng xoáy lốc. Phương án này được áp dụng trên động cơ mẫu D-4 do hãng Toyota
sáng chế. Các giai đoạn công tác của động cơ được giới thiệu trên hình 9.10. Khi động cơ
làm việc với hỗn hợp nghèo, sự phân lớp được thực hiện nhờ tiết lưu một trong hai ống
nạp và nhờ thiết kế hợp lí của ống nạp còn lại.
9.4. Quan hệ tối ưu mới giữa tính năng kinh tế-kĩ thuật
và mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ
Có thể trong tương lai yếu tố quyết định đến mức độ ô nhiễm trong khí xả của
động cơ là NOx. Nếu chúng ta thể hiện tính năng của động cơ và ô tô tương lai theo các
đặc trưng về mức độ phát sinh NOx và suất tiêu hao nhiên liệu thì chúng ta có thể thể
hiện vị trí của các đặc trưng này đối với các loại động cơ khác nhau như hình 9.12. Sự thể
hiện này có tính gần đúng vì nó chưa xét đến những cải tiến trong tương lai. Tuy nhiên
dẫu sao nó cũng giúp chúng ta xác định được các khuynh hướng về sự phát triển động cơ:
. Động cơ Diesel và động cơ xăng làm việc với hỗn hợp nghèo (phun trực tiếp hay
gián tiếp) có bất lợi tương đương về phương diện phát sinh NOx .
. Sự hứa hẹn của động cơ 2 kì thế hệ mớI
. Động cơ đánh lửa cưỡng bức làm việc với hỗn hợp cháy hoàn toàn lí thuyết có
mức độ phát sinh ô nhiễm rất thấp nhưng suất tiêu hao nhiên liệu cao.
Một khuynh hướng khác cho rằng một khi các loại động cơ có trang bị hệ thống xử
lí ô nhiễm trên đường xả thì chúng đều thỏa mãn luật môi trường và khi đó người ta so
sánh tính năng kinh tế-kĩ thuật của động cơ dựa trên mức tiêu thụ năng lượng, công suất
riêng và giá thành.
Hình 9.12 cho thấy việc áp dụng các kĩ thuật tiên tiến nhất hiện nay cho phép làm
tăng thêm hiệu suất động cơ khoảng 30%. Động cơ 2 kì có khả năng tăng thêm 40% công
suất riêng, có tính năng kĩ thuật tốt nhất.
NOx (g/dậm)
1,5
Phun xÙng trùc tiỏp
Tiởu chuẻn Hoa KÈ 1991
1,0
0,5
Diesel
DI
XÙng, hçn hîp nghỉo ẽ tội
côc bé, f =1 khi toÌn tội
IDI
Tiởu chuẻn Hoa KÈ
XÙng
ULEV
XÙng
4 kÈ, f =1
6
8
9
10
5
7
4
SuÊt tiởu hao nhiởn liơu (lÝt/100 km)
Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường
Hình 9.11: Quan hệ giữa suất tiêu hao nhiên liệu và sự phát sinh NOx đối với các
loại động cơ khác nhau (dung tích xy lanh 1,5-1,8 lít)
Lợi hay thiệt công suất
riêng (%)
Xăng 2 kì, phun trực tiếp
Xăng 4 kì, f=1,phun gián tiếp
Xăng 4 kì, hỗn hợp nghèo
PGT
PTT
1995
2000
Lợi suất tiêu hao nhiên liệu (%)
Ô tô trung bình năm 1994,
Xăng, f=1, 65kW
Diesel phun trực tiếp
Hình 9.12: Lợi về công suất và suất tiêu hao nhiên liệu đối với động cơ
9.5. Nđốttrong tương lai
Rất khó mà dự đoán được tỉ lệ nhiên liệu tái sinh trong toàn bộ năng lượng tiêu thụ
cho giao thông vận tải đến thập niên đầu của thế kỷ 21. Những yếu tố có thể ảnh hưởng
đến tình trạng này là:
. Tính khắt khe của luật về môi trường, mức độ tiêu thụ năng lượng, mức độ thải
các chất khí gây hiệu ứng nhà kính
. Các điều kiện về cơ sở vật chất phục vụ giao thông
. Tâm lí của người sử dụng
Ở Hoa Kì, theo dự báo, trong số những sản phẩm không truyền thống thì khí dầu
mỏ hóa lỏng LPG và khí thiên nhiên NGV sẽ chiếm ưu thế với mức độ tiêu thụ theo thứ tự
khoảng 2 và 3% tổng lượng xăng tiêu thụ năm 2010. Tuy nhiên tình trạng giao thông ở
Hoa Kì rất đặc biệt (xăng chiếm đại bộ phận trên thị trường nhiên liệu, luật môi trường rất
khắt khe) nên không thể tổng quát hóa dự báo này cho những khu vực khác trên thế giới.
Nhiên liệu sinh học chỉ được sử dụng ở một vài khu vực trên thế giới (Châu Âu,
Mĩ, Brazil và Châu Phi). Ở Châu Âu người ta dự kiến sử dụng đất nông nghiệp để sản xuất
nhiên liệu sinh học với mục tiêu là thay thế được 5% tổng lượng nhiên liệu truyền thống
trong tương lai.
Khí thiên nhiên có trữ lượng rất lớn và được phân bố hầu khắp trên các châu lục
nên nó là nguồn nhiên liệu dồi dào cho ô tô. Tuy nhiên yếu tố quyết định cho việc phổ
178
Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường
biến rộng rãi ô tô dùng khí thiên nhiên là lợi ích thực sự của chúng (tính năng kinh tế-kĩ
thuật, vần đề ô nhiễm môi trường), tâm lí của người sử dụng (mức độ an toàn), việc xây
dựng hạ tầng cơ sở phục vụ cho ô tô sử dụng khí thiên nhiên... (xem chương 8). Người ta
dự đoán ở Mĩ vào năm 2010 sẽ có khoảng 25% ô tô sử dụng NGV.
Methanol dường như không có nhiều hứa hẹn trở thành nhiên liệu thay thế.
Trên đây chúng ta đã đề cập đến ưu thế của LPG như là nhiên liệu tái sinh và đặc
biệt nhấn mạnh sự phổ biến rộng rãi của chúng ở một số vùng trên thế giới (Hà Lan, Ý,
Viễn Đông). Trên phạm vi toàn cầu, việc sử dụng LPG cho ô tô chiếm khoảng 3% lượng
nhiên liệu lỏng truyền thống trong tương lai gần.
9.6. Ô tô dùng điện
Hình 9.13 biểu diễn sự phát triển dự kiến hàng năm của ô tô dùng điện đến năm
2010 ở Châu Âu, Châu Mĩ và Nhật Bản. Người ta ước tính chừng 2 triệu ô tô điện được
sản xuất hàng năm ở ba khu vực nói trên. Tuy thị trường ô tô điện có giá trị tuyệt đối đáng
kể nhưng chỉ chiếm tỉ lệ rất thấp (khoảng 3%) so với ô tô cổ điển dùng động cơ nhiệt.
Về mặt kĩ thuật, hiện nay ô tô chạy điện có 2 nhược điểm quan trọng đó là năng
lượng dự trữ thấp (khoảng 100 lần thấp hơn ô tô dùng động cơ nhiệt truyền thống) và giá
thành ban đầu cao hơn (khoảng 30-40% cao hơn so với ô tô dùng động cơ nhiệt). Những
chướng ngại khác cần được giải quyết để đưa ô tô chạy điện vào ứng dụng trong thực tế
một cách đại trà là khả năng gia tốc, thời gian nạp điện, vần đề sưởi và điều hòa không khí
trong ô tô.
Số ô tô bán được (1000chiếc/năm)
Những tiến bộ quan trọng
gần đây về tính năng kĩ thuật
của bình điện có nhiều hứa hẹn
sẽ được áp dụng trong những
năm tới. Khả năng chứa điện
tăng từ 35-50Wh/kg đối với
bình điện chì a-xít hay nickel-
cadmium đến 70Wh/kg đối với
bình điện Ni-MH (hydrure kim
loại) và tăng đến 160Wh/kg đối
với bình điện Lithium dưới
dạng ion hay polymère.
1200
1000
800
600
400
200
0
Hoa kì
Nhật
Châu Âu
1995
2000
2005
2010
Hình 9.13: Dự báo số lượng ô tô điện đến năm 2010
Khả năng hoạt động độc lập của ô tô vì vậy có thể tăng từ 80km (giá trị này hiện
nay chưa thỏa mãn người tiêu dùng) đến 300 thậm chí 500km trong tương lai. Khoảng
179
Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường
đường hoạt động độc lập này có thể chấp nhận được đối với ô tô hoạt động trong thành
phố hay vùng ven đô.
Hiện nay người ta cũng quan tâm nghiên cứu những ô tô vừa hoạt động bằng nhiệt,
vừa hoạt động bằng điện. Khi chạy với tải và tốc độ cao, ô tô sử dụng động cơ nhiệt còn
khi chạy trong thành phố, ô tô dùng động cơ điện.
Về phương diện ô nhiễm, ô tô chạy điện rất lí tưởng về giới hạn mức độ gây ồn
cũng như không phát sinh các chất gây ô nhiễm thông thường như bồ hóng và các chất độc
dạng khí khác. Ô tô điện được xếp vào loại ô tô sạch (ZEV: Zero Emission Vehicles).
Tuy nhiên, kĩ thuật sản xuất điện năng hiện nay đều ít nhiều gây ô nhiễm môi
trường, đặc biệt là nhiệt điện. Mức độ phát ô nhiễm của phương pháp sản xuất điện năng
này phụ thuộc vào những đặc tính của nhiên liệu sử dụng cũng như công nghệ xử lí chất
thải.
Kĩ thuật sản xuất điện năng rất đa dạng ở các quốc gia khác nhau (77% điện năng
ở Pháp được sản xuất bằng năng lượng nguyên tử, 53% điện năng ở Đức được sản xuất
bằng than...). Đó là yếu tố quan trọng cần được quan tâm khi xem xét tính ô nhiễm của ô
tô dùng điện.
Về phương diện phát sinh những chất khí gây hiệu ứng nhà kính, ô tô dùng điện
đương nhiên có lợi thế hơn so với ô tô dùng động cơ nhiệt. Tuy nhiên lợi thế này ít hay
nhiều còn phụ thuộc loại nhiên liệu dùng trong sản xuất điện năng. So với nhiên liệu
truyền thống, mức độ có lợi (tính theo CO2 tương đương trên 1km) lên đến khoảng 90%
đối với điện sản xuất bằng năng lượng nguyên tử, khoảng 20% khi sản xuất điện bằng
nhiên liệu và gần như không lợi gì khi sản xuất điện bằng than.
Sự thâm nhập ô tô điện vào cuộc sống của nhân loại ngay cả theo nhịp độ trình bày
trên hình 8.12 phải chăng là một nhân tố góp phần cải thiện đáng kể vần đề ô nhiễm môi
trường đô thị? Câu hỏi này cần có thời gian để suy nghĩ. Thật vậy, khi một ô tô điện được
đưa vào hoạt động nó sẽ thay thế một ô tô dùng động cơ nhiệt được xử lí ô nhiễm triệt để
với những thành tựu của công nghệ hiện đại. Vì vậy mức độ lợi về mặt ô nhiễm khi dùng
động cơ điện sẽ không đáng kể, chắc chắn là ít có lợi hơn khi thay ô tô cũ bằng ô tô mới
dùng động cơ nhiệt.
Ở đây chúng ta không muốn làm hẹp cánh cửa đã mở ra đối với ô tô điện vào
những năm đầu của thế kỉ 21 mà sự phát triển của nó đi theo những sự cải tiến, hoàn thiện
hay phát minh quan trọng về công nghệ. Tuy nhiên, sự phát triển của ô tô này cũng không
cho phép giải quyết một cách nhanh chóng vấn đề ô nhiễm môi trường đô thị vì không thể
xây dựng toàn bộ cơ cấu hạ tầng cơ sở phục vụ chúng trong một thời gian ngắn.
Ô tô chạy điện trong giai đoạn đầu sẽ có ảnh hưởng quan trọng đến vấn đề tâm lí
xã hội. Thật vậy, sự hạn chế tính năng kĩ thuật cũng như bán kính hoạt động của ô tô, trở
180
Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường
ngại trong vấn đề nạp điện, khả năng sử dụng các dịch vụ tự phục vụ sẽ góp phần làm thay
đổi thói quen của người dùng và có thể dần dần làm thay đổi cách sống.
________________________________________________________________________
181
17 trang
24460
Free
Bạn đang xem tài liệu "Giáo trình Ô tô và ô nhiễm môi trường - Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường", 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_9_xu_huong_phat.pdf
