Đang tải... (xem toàn văn)
Động cơ đốt trong là một loại động cơ nhiệt tạo ra công cơ học bằng cách đốt nhiên liệu bên trong động cơ.
Chương CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN NỒNG ĐỘ CÁC CHẤT Ơ NHIỄM TRONG KHÍ XẢ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 6.1 Giới thiệu Nồng độ chất ô nhiễm khí xả phụ thuộc vào đặc điểm động thông số điều chỉnh, vận hành Về đặc điểm, động kì cổ điển nói chung có mức độ phát nhiễm cao động kì q trình tạo hỗn hợp khơng hồn thiện Tuy nhiên, động kì đại phun nhiên liệu trực tiếp buồng cháy nghiên cứu phát triển khắc phục nhược điểm trở thành loại động có nhiều triển vọng tương lai Động Diesel có hiệu suất cao động đánh lửa cưỡng trình cháy khuếch tán làm việc với hệ số dư lượng khơng khí cao, sản phẩm cháy có chứa bồ hóng NOx, chất nhiễm mà việc xử lí đường xả ngày nhiều vướng mắc mặt kĩ thuật Động sử dụng nhiên liệu khí bắt đầu phát triển từ năm đầu thập niên 1990 có nhiều ưu điểm mặt phát sinh ô nhiễm Thực nghiệm đo động cho thấy động sử dụng khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) hay khí thiên nhiên (NGV) thỏa mãn dễ dàng tiêu chuẩn ô nhiễm môi trường khắt khe (tiêu chuẩn ULEV chẳng hạn) Tuy nhiên phát triển chủng loại động phụ thuộc nhiều điều kiện, đặc biệt điều kiện sở hạ tầng phục vụ cho việc cung cấp nhiên liệu khí Mức độ phát sinh ô nhiễm động phụ thuộc đáng kể vào điều kiện vận hành Việc điều chỉnh không phù hợp thông số công tác việc lựa chọn chế độ làm việc khơng hợp lí dẫn đến gia tăng đáng kể nồng độ chất nhiễm khí xả Luật mơi trường ngày trở nên khắt khe buộc người ta phải áp dụng biện pháp xử lí khí xả sau thoát khỏi động xúc tác Tuy nhiên tỉ lệ biến đổi chất ô nhiễm ống xả xúc tác đạt giá trị yêu cầu nhiệt độ khí xả đạt giá trị định Vì cần phải làm giảm nồng độ chất ô nhiễm đến mức thấp trước xử lí xúc tác Tất điều chỉnh hay thay đổi kết cấu bên động gây ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm 6.2 Trường hợp động đánh lửa cưỡng 78 Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ chất nhiễm khí xả động đốt 6.2.1 Động hai kì Mặc dù có nhiều cải tiến kết cấu nhằm hạn chế hịa trộn khí cháy khí chưa cháy, đặc biệt động dùng chế hịa khí, khơng tránh khỏi thất phận khí làm tăng phát sinh HC làm giảm tính kinh tế kĩ thuật động hai kì Thêm vào đó, làm việc tải cục bộ, dạng động dễ bỏ lửa làm tăng HC Một giải pháp làm giảm tổn thất nhiên liệu q trình qt khí làm thay đổi phân bố độ đậm đặc hỗn hợp nhiên liệu khơng khí xy lanh cho có hỗn hợp nghèo đường thải Một giải pháp khác có hiệu phun nhiên liệu vào buồng cháy cửa thải đóng Tuy nhiên với giải pháp người ta phải dùng bơm động dẫn động làm giảm cơng suất có ích động Mặt khác, so với động kì, thời gian cuối trình nén (sau đóng cửa nạp cửa thải) ngắn địi hỏi phải phun nhiên liệu với tốc độ lớn, phận nhiên liệu bám lên thành buồng cháy làm tăng nồng độ HC khí xả Một giải pháp tiết kiệm phun nhiên liệu khơng khí áp suất cao trích giai đoạn nén Để tránh tượng bám nhiên liệu thành, người ta dùng vòi phun áp suất thấp đặt buồng cháy dự bị trước xúpáp nạp phun trực tiếp trước hỗn hợp đậm với tốc độ tương đối thấp Kĩ thuật quét khí cháy khơng khí cho phép hạn chế tối đa phát thải HC khí xả Kĩ thuật cho phép giảm từ 80% đến 90% nồng độ HC so với giá trị thông thường động hai kì cổ điển Nồng độ NOx khí xả động hai kì đại cao chút so với động kì cổ điển hiệu suất cháy cao làm việc với hỗn hợp nghèo 6.2.2 Động làm việc với hỗn hợp nghèo Động đánh lửa cưỡng làm việc với hỗn hợp nghèo nghiên cứu từ lâu nhằm giảm suất tiêu hao nhiên liệu dẫn đến giảm nồng độ CO2, chất 'ô nhiễm' quan tâm nhiều năm gần chất khí gây hiệu ứng nhà kính Khi động làm việc với hỗn hợp nghèo (hệ số dư lượng không khí a >1,25), nồng độ chất nhiễm (CO, HC, NOx) giảm Khi hệ số dư lượng khơng khí thay đổi từ a=1,0 đến a=1,4, suất tiêu hao nhiên liệu giảm 7%, nồng độ NOx giảm đến 85% so với động làm việc với hỗn hợp có a=1 kết hợp với việc giảm cách hợp lí góc đánh lửa sớm Tuy nhiên ưu điểm có điều kiện hỗn hợp gần nến đánh lửa bốc cháy lan tràn màng lửa diễn cách bình thường Điều địi hỏi việc tổ chức tốt q trình cháy phân bố hợp lí độ đậm đặc hỗn hợp buồng cháy Khi gia tăng hệ số dư lượng khơng khí hay làm bẩn hỗn hợp khí xả hồi lưu vượt giới hạn cho phép dẫn đến: 79 Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ chất ô nhiễm khí xả động đốt - giảm tốc độ cháy, điểm cực đại áp suất lệch phía giai đoạn giãn nở dù đánh lửa sớm - momen phát không dẫn tới làm việc không ổn định - thường xuyên bỏ lửa - gia tăng mức độ phát sinh HC - gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu tốc độ cháy giảm Những giải pháp cho phép động hoạt động gần giới hạn nghèo hỗn hợp chia làm ba loại: - Các giải pháp tác động trước hỗn hợp vào cylindre: chuẩn bị định lượng hỗn hợp nhiên liệu (chế hịa khí hay phun), hệ thống điều chỉnh hỗn hợp, thiết kế hợp lí đường nạp - Các biện pháp tác động bên động cơ: hình dạng buồng cháy, bố trí soupape nến đánh lửa - Các biện pháp tác động đường thải: thiết kế đường thải, trang bị xúc tác oxy hóa để hạn chế CO HC Để động làm việc với hỗn hợp nghèo người ta áp dụng giải pháp nạp phân lớp hỗn hợp nhiên liệu-khơng khí vào xy lanh động cho gần điểm đánh lửa, độ đậm đặc hỗn hợp cao giá trị trung bình để bén lửa bốc cháy Người ta thử nghiệm nhiều hệ thống tạo hỗn hợp phân lớp có hai dạng ứng dụng khả quan nhất: hệ thống buồng dự bị (dạng CVCC) hệ thống phun trực tiếp (dạng PROCO) - Hệ thống Honda CVCC dùng buồng cháy phụ nhỏ có soupape nạp riêng (hình 6.1) Hỗn hợp giàu nạp vào buồng cháy phụ hỗn hợp nghèo nạp vào buồng cháy qua soupape nạp thơng thường Hỗn hợp giàu buồng cháy phụ đốt tia lửa điện Sản phẩm cháy có nhiệt độ cao thoát khỏi buồng cháy phụ tiếp tục đốt cháy hỗn hợp nghèo buồng cháy Hệ thống làm giảm nhiệt độ cực đại trình cháy, làm giảm NOx, đủ cao để oxy hóa HC Mặt khác, độ đậm đặc hỗn hợp thấp nên nồng độ CO khí xả giảm Động làm việc với hệ thống có suất tiêu hao nhiên liệu riêng thấp, cơng suất lít cylindre giảm Do từ năm 1986 khơng cịn nghiên cứu thay vào đó, người ta nghiên cứu hệ thống tương tự chế hịa khí thay hệ thống phun Ở hệ thống này, vịi phun phun nhiên liệu có áp suất 3,5 MPa tạo nên vùng hỗn hợp giàu gần nến đánh lửa buồng cháy phụ có kích thước bé Hệ thống làm giảm NOx làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu Hỗn hợp giàu Hỗn hợp nghèo Họng 80 thông Nạp Nén Cháy Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ chất nhiễm khí xả động đốt Hình 6.1: Sơ đồ động tạo hỗn hợp phân lớp sử dụng buồng cháy phụ - Hệ thống Ford PROCO thực phân lớp hỗn hợp cách phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng cháy (hình 6.2) Hệ thống khơng có buồng cháy phụ sử dụng buồng cháy khoét lõm đỉnh piston Người ta sử dụng tia phun có góc phun rộng với hỗn hợp giàu phun vào cylindre vòi phun có độ xuyên thâu bé Hỗn hợp đốt nhờ tia lửa điện lan đến hỗn hợp chung quanh nghèo piston xuống nhờ cường độ xốy lốc mạnh Vịi phun Hình 6.2: Sơ đồ động tạo hỗn hợp phân lớp phun trực tiếp PROCO - Hệ thống TEXACO TCCS: Khác với hệ thống PROCO, hệ thống phun nhiên liệu theo phương tiếp tuyến với buồng cháy hướng phía nến đánh lửa trình đánh lửa kéo dài Việc điều chỉnh tối ưu thời gian phun thời điểm đánh lửa cho phép khởi đầu trình cháy thời điểm mà hỗn hợp giàu đạt đến nến đánh lửa; màng lửa giữ lại với điều kiện nhiên liệu khuếch tán khơng khí chung quanh Hệ thống có nhược điểm giống động Diesel (hỗn hợp không đồng nhất) phát sinh nhiều hạt rắn khí xả Giải pháp hạn chế nhược điểm việc đánh lửa sử dụng lửa điện có lượng lớn (tăng khoảng cách hai điện cực, kéo dài thời gian đánh lửa), giảm tổn thất nhiệt nến đánh lửa (cực đánh lửa nhỏ, giảm đường kính nến đánh lửa từ 14 xuống 10mm) tăng số điểm đánh lửa Năng lượng đánh lửa (khoảng 10mJ) đủ để đảm bảo hoạt động ổn định mức độ phát sinh HC bé Bố trí hai nến đánh lửa 81 Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ chất nhiễm khí xả động đốt trong buồng cháy cho phép tăng xác suất đánh lửa, tăng lượng đánh lửa tốc độ cháy mà không làm tăng tổn thất nhiệt Nhưng giải pháp làm tăng giá thành làm giảm tuổi thọ hệ thống đánh lửa Những khuynh hướng khác dựa vào gia tăng cường độ rối buồng cháy động Bằng cách thay đổi dạng hình học buồng cháy, nguy màng lửa bị tắt giảm cách giảm tỉ số diện tích bề mặt/thể tích gia tăng cường độ rối trình nạp để gia tăng tốc độ cháy Sự cải tiến dạng buồng cháy cho phép giảm áp suất cực đại, giảm NOx người ta chưa tìm dạng buồng cháy lí tưởng thay đổi hình dạng buồng cháy dường không gây ảnh hưởng đến phát sinh HC Giải pháp làm tăng cường độ rối 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 hỗn hợp bắt đầu cháy thời gian cháy; giá trị có độ lớn tương đương với q trình cháy cổ điển Giải pháp thứ hai trang bị hai soupape nạp cho cylindre hay lắp soupape nạp dẫn hướng Soupape đóng lại tải cục mở đầy tải Giải pháp cuối làm tăng cường độ rối động riêng rẽ thực tia khí cao tốc phun ống dẫn có tiết diện nhỏ ống nạp theo hướng tiếp tuyến với thành cylindre vị trí soupape nạp Hệ thống có hai bướm gió điều khiển cách riêng rẽ theo tải động Nó có ưu điểm khơng làm thay đổi dạng hình học buồng cháy, khơng cần thiết đánh lửa hai điểm cho phép động chạy chế độ không tải với độ đậm đặc thấp Sự gia tăng cường độ rối cách thêm tia khí cho phép dịch chuyển giới hạn cháy ổn định phía độ đậm đặc thấp (từ 0,95 xuống 0,75), cho phép nhận làm việc ổn định chế độ không tải Khi động làm việc với độ đậm đặc 0,7 thay 0,8, nồng độ NOx 1/6 nồng độ CO giảm 50% làm tăng HC Vận động rối buồng cháy cho phép sử dụng thuận lợi hệ thống hồi lưu khí xả: chẳng hạn 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 trình tạo hỗn hợp cải thiện so với sử dụng hệ thống phun riêng rẽ thời gian bay hỗn hợp kéo dài Vì hệ thống cho phép giảm từ 10 đến 15% HC điều kiện làm việc với động phun riêng rẽ Khi tăng nhiệt độ khí nạp hỗn hợp chuẩn bị tốt bốc nhiên liệu diễn thuận lợi hơn: độ đậm đặc nhau, nồng độ HC giảm từ 20 đến 30% tăng nhiệt độ khí nạp từ 25 lên 80°C, làm tăng nồng độ NOx từ 35 lên 55% Do 70 đến 80% nồng độ CO HC liên quan đến hai phút chu trình khởi động nguội, theo qui trình FTP-75, sấy cục đường nạp giai đoạn xúc tác chưa 82 Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ chất nhiễm khí xả động đốt đạt nhiệt độ khởi động cho phép làm giảm nồng độ chất ô nhiễm Trong thực tế, người ta bố trí đường nạp động phun nhiều điểm phần tử cấp nhiệt để nâng nhiệt độ khu vực sấy lên khoảng 40 đến 50°C tia phun hướng khu vực Công suất điện cung cấp cho phần tử nhiệt giảm dần cắt hoàn toàn nhiệt độ nước làm mát khoảng 60-65°C Tốc độ lưu thơng khí nạp ảnh hưởng đến mức độ phát sinh HC Tốc độ khống chế đường kính soupape nạp Khi giảm đường kính soupape nạp từ 35 đến 29mm mức độ phát sinh HC giảm từ 15 đến 25% Khi phun riêng rẽ, vị trí đặt vịi phun trường hợp cylindre có hai soupape nạp có ảnh hưởng lớn đến mức độ phát sinh HC momen động Tuy nhiên vị trí đặt vịi phun chủ yếu lựa chọn cho động khởi động dễ dàng Người ta nghiên cứu hệ thống để cải thiện việc chuẩn bị hỗn hợp trường hợp phun riêng rẽ sấy nóng hỗn hợp, phun khí nạp với tốc độ lớn, xé tia phun siêu âm Chất lượng xé tơi tia phun đóng vai trị quan trọng đến mức độ phát sinh ô nhiễm Những hạt nhiên liệu có đường kính bé bị theo dịng khơng khí ống xoắn đường nạp, giảm nguy va chạm vào thành Khi đường kính thủy lực hạt nhiên liệu khoảng 10 micron va chạm hạt nhiên liệu vào thành không xảy ra, đảm bảo phân bố tối ưu hỗn hợp nhiên liệu khơng khí cylindre Trong thực tế, chế hịa khí cho phép phân bố tốt hỗn hợp động làm việc tải thấp, ngược lại phun nhiên liệu đảm bảo phân bố tốt hỗn hợp động làm việc tải cao Thật vậy, chế độ tải thấp độ chân không đường nạp lớn, chất lượng xé tơi nhiên liệu sau khỏi vòi phun trường hợp chế hịa khí tốt hơn; ngược lại trường hợp tải cao, chất lương xé tơi nhiên liệu xấu nhiều so với trường hợp phun nhiên liệu Điều chỉnh góc độ phối khí có ảnh hưởng đến mức độ phát sinh nhiễm Góc độ điều chỉnh cho giá trị áp suất cực đại, momen chế độ tải thấp tối ưu khả động làm việc ổn định chạy không tải với tốc độ thấp Tăng thời kì trùng điệp chế độ không tải làm tăng mức độ phát sinh ô nhiễm làm việc không ổn định động cơ, cải thiện tính động chế độ tốc độ cao đồng thời làm giảm NOx hỗn hợp nạp bị làm bẩn phận khí cháy đẩy vào đường nạp piston lên Sự gia tăng góc độ trùng điệp hợp lí làm giảm 80% nồng độ HC Lượng HC sản phẩm cháy thoát đường thải xem chứa hai bọng khí: bọng khí thứ tương ứng với thể tích chết gần soupape thải (các không gian chết quanh soupape, ren nến đánh lửa ) bọng khí thứ hai tương ứng với thể tích chết xa (khe hở segment ) Gia tăng góc độ trùng điệp loại trừ hồn tồn bọng khí thứ hai đường xả Khi thời gian cháy giảm, nhiệt độ cháy tăng, mức độ phát sinh NOx gia tăng Giảm góc đánh lửa sớm số điều kiện làm việc động cho phép kéo dài thời gian cháy, 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 khí xả 83 Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ chất nhiễm khí xả động đốt Gia tăng tỉ số S/D làm tăng tốc độ cháy tạo điều kiện dễ dàng cho bén lửa động làm việc với hệ số dư lượng khơng khí cao Điều có lợi trường hợp động làm việc với tải cục có lợi động làm việc tải cao Một phương án khác để làm tăng tốc độ cháy tốc độ lan tràn màng lửa tăng tỉ số nén (đến 18), điều kiện khơng xảy tượng kích nổ Tăng tỉ số nén có khuynh hướng tăng mức độ phát sinh NOx Khi động làm việc với hỗn hợp nghèo hay giàu, nồng độ NOx giảm mạnh (hình 6.3) Hồn thiện việc chuẩn bị hỗn hợp bao hàm việc khống chế mức độ đậm đặc cylindre giai đoạn độ Phương án tốt phun nhiên liệu riêng rẽ kết hợp với sấy nóng vịi phun đường nạp Phương án cịn cho phép cải thiện tính khởi động trạng thái nguội Mặt khác sấy nóng đường nạp cịn có tác dụng đặc biệt việc tránh ngưng tụ nhiên liệu thành đường nạp (lớp nhiên liệu ngưng tụ bốc lại chế độ đầy tải làm tăng độ đậm đặc hỗn hợp) Làm mát riêng rẽ thân động nắp cylindre cho phép trì thân động nhiệt độ cao nắp cylindre điều cho phép thu hồi nhiệt độ thân máy tải thấp có tác dụng tích cực đến việc giảm HC NOx N=2000 v/ph Hình 6.3: Ảnh hưởng tỉ số nén đến mức độ phát sinh ô nhiễm suất tiêu hao nhiên liệu (động xăng cylindre, dung tích lít, l: độ đậm đặc hỗn hợp; be: suất tiêu hao nhiên liệu, we: cơng có ích, e: tỉ số nén, _ _ : e = 9,3; -.-: e =11,0; -: e =13,0; _: e =15,0) Khi động chuyển sang làm việc với hỗn hợp nghèo, lệch chu kì áp suất thị trung bình trở nên quan trọng: độ đậm đặc hỗn hợp l=0,8, áp suất có ích trung bình dao động cực đại 20kPa, dao động đạt 140kPa l=1,2 Do đó, để cải thiện tính phát lực động làm việc với hỗn hợp nghèo, người ta phải khống chế dao động momen (đo cảm biến gia tốc lắp bánh đà động cơ) cách điều chỉnh thời điểm bắt đầu phun thời gian phun nhờ hệ thống khép kín hay theo biểu đồ thiết lập trước Sự khống chế dao động momen cho phép giảm đến mức tối thiểu mức độ phát sinh HC, chất nhiễm tăng nhanh chóng theo làm việc không đồng động 84 Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ chất nhiễm khí xả động đốt 6.2.3 Ảnh hưởng chế độ vận hành động xăng 6.2.3.1 Cắt nhiên liệu giảm tốc Để hạn chế nồng độ HC giai đoạn động đóng vai trị phanh tơ (khi giảm tốc cài li hợp), biện pháp tốt ngưng cung cấp nhiên liệu Tuy nhiên động tác dẫn tới điều bất lợi làm xuất hai điểm cực đại HC: đỉnh cực đại HC thời điểm cắt nhiên liệu điểm cực đại thứ hai cấp nhiên liệu trở lại Đối với động dùng chế hịa khí, để tránh giai đoạn độ động phát lực trở lại, người ta sử dụng hệ thống cho phép cung cấp thêm nhiên liệu dự trữ Nhiên liệu tích trữ hệ thống bù trừ giai đoạn giảm tốc Sự cung cấp nhiên liệu bổ sung cho phép trì độ đậm đặc hỗn hợp cách hợp lí thời điểm mở đột ngột bướm ga trở lại Đối với động phun nhiên liệu, người ta sử dụng hệ thống cho phép điều chỉnh lượng nhiên liệu phun vào đường nạp theo lưu lượng khơng khí Khi giảm tốc, bướm ga đóng lại, van giảm tốc mở để cung cấp khơng khí cho động người ta sử dụng lượng khơng khí để điều khiển lượng nhiên liệu Trong trường hợp đó, động hút thể tích khí lớn trường hợp động dùng chế hịa khí Hai điểm cực đại HC xuất giống trường hợp động dùng chế hịa khí 6.2.3.2 Dừng động đèn đỏ Chế độ dừng động hợp lí tơ chạy thành phố làm giảm đồng thời mức độ phát sinh ô nhiễm suất tiêu hao nhiên liệu Thực nghiệm cho thấy thời gian dừng ô tô vượt giá trị cực đoan nên tắt động Nếu không xét đến suất tiêu hao nhiên liệu việc tắt động khơng đem lại lợi ích mặt giảm nhiễm trường hợp động có xúc tác đường xả Trung bình thời gian dừng cực đoan 50s Khi vượt thời gian nên tắt động động tác không làm giảm tuổi thọ máy khởi động bình điện 6.3 Trường hợp động Diesel Kĩ thuật tổ chức trình cháy động Diesel ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ phát sinh ô nhiễm Động Diesel phun trực tiếp, có suất tiêu hao nhiên liệu riêng thấp động có buồng cháy ngăn cách khoảng 10% mức độ phát sinh bồ hóng thấp động làm việc chế độ tải cục Tuy nhiên động phun trực tiếp làm việc ồn phát sinh nhiều chất ô nhiễm khác (NOx, HC) Vì vậy, ngày dạng buồng cháy dùng động ô tô tải hạng nặng Việc hạn chế mức độ phát sinh ô nhiễm tối ưu động Diesel cần phải cân đối nồng độ hai chất nhiễm NOx bồ hóng 85 Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ chất nhiễm khí xả động đốt 6.3.1 Ảnh hưởng góc phun sớm tối ưu hóa hệ thống phun Ảnh hưởng chất lượng hệ thống phun động phun trực tiếp lớn động phun gián tiếp phương diện phát sinh ô nhiễm, Trong hai trường hợp, thay đổi góc phun sớm có ảnh hưởng ngược phát sinh NOx, HC bồ hóng (hình 6.4) Tăng góc phun sớm làm tăng áp suất cực đại nhiệt độ q trình cháy, làm tăng nồng độ NO Thơng thường, động phun trực tiếp có góc phun sớm lớn nên phát sinh NO nhiều động có buồng cháy ngăn cách Giảm góc phun sớm biện pháp hữu hiệu làm giảm nồng độ NOx khí xả Tuy nhiên việc giảm góc phun sớm cần phải xem xét đến chế độ tốc độ chế độ tải để tránh gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu Mức độ phát ô nhiễm Bồ hóng NO HC Hình 6.4: Ảnh hưởng góc phun sớm đến Giảm góc phun sớm mức độ phát nhiễm động Diesel Phạm vi thay đổi ô tô từ 1000 đến 1600kg, động buồng cháy dự bị, khơng 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 chất nhiễm khí xả động đốt Hình 6.5: Ảnh hưởng góc phun sớm đến mức độ phát sinh HC NOx (động buồng cháy dự bị, chu trình FTP-75) Mặt khác, tăng góc phun sớm, q trình cháy trễ kéo dài, lượng nhiên liệu hòa trộn trước với hệ số dư lượng khơng khí lớn gia tăng Hỗn hợp khó bén lửa chúng thường cháy khơng hồn tồn phát sinh nhiều CO Về mặt lí thuyết, tăng góc đánh lửa sớm làm giảm HC q trình cháy diễn thuận lợi (hình 6.5), thực tế có tác dụng ngược lại Thật vậy, thời gian bén lửa kéo dài, nhiên liệu phun bám thành buồng cháy, nguồn phát sinh HC Đối với động phun trực tiếp, giảm góc phun sớm làm tăng độ khói làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu làm giảm nồng độ NOx thành phần SOF Đối với động Diesel cỡ lớn, giảm góc phun sớm làm giảm 50% nồng độ NO khí xả Đối với động có buồng cháy ngăn cách, giảm góc phun sớm làm làm tăng nồng độ HC làm giảm nồng độ NO bồ hóng, đặc biệt chế độ đầy tải Khi góc phun sớm thay đổi từ đến 23 độ trước ĐCT, lượng bồ hóng tăng gấp đơi theo chu trình thử FTP75 động 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 tải cho phép chọn vị trí điều chỉnh tối ưu hài hòa nồng độ chất ô nhiễm hiệu suất động Đối với động có buồng cháy dự bị, điều khiển góc đánh lửa sớm tối ưu hệ thống điện tử theo chế độ tốc độ chế độ tải cho phép giảm 15% nồng độ NOx 25% nồng độ bồ hóng theo chu trình thử FTP75 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 q trình phát sinh nhiễm động phun trực tiếp Thật vậy, tăng tốc độ hịa trộn nhiên liệu khơng khí, lượng nhiên liệu cháy điều kiện hòa trộn trước gia tăng, nồng độ NOx tăng lượng bồ hóng giảm Tuy nhiên gia tăng áp suất phun (hơn 100MPa) làm tăng lượng hạt rắn tăng lượng phát sinh SOF Sử dụng vịi phun có nhiều lỗ phun đường kính bé làm tăng chất lượng hịa trộn khơng khí nhiên liệu kích thước hạt nhiên liệu giảm, hỗn hợp bốc cháy dễ dàng hơn, bù trừ phun trễ làm giảm NOx Với lượng phát thải NOx cho trước, gia tăng số lượng lỗ phun làm giảm nồng độ bồ hóng Đối với động phun trực tiếp, áp suất phun tối ưu thay đổi từ 75 đến 100MPa tùy theo chế độ động Vượt áp suất này, với lượng phát sinh NOx, lượng hạt rắn phát sinh giảm suất tiêu hao nhiên liệu độ ồn trình cháy gia tăng tăng đột ngột áp suất Điều khắc phục cách dùng tia phun mồi Quy luật phun có ảnh hưởng quan trọng đến q trình phát sinh chất ô nhiễm Thời gian phun rút ngắn, áp suất phun cao cho phép gia tốc trình cung cấp nhiên liệu dẫn đến giảm lượng HC không cháy hết Các tiến 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 chất nhiễm khí xả động đốt ‘hình chữ nhật’ (phun đặn nhiên liệu cắt nhanh kết thúc phun) để tránh tượng phun rớt Phun rớt nguyên nhân làm tăng hydrocacbure chưa cháy hạt rắn khí xả động Đối với động có buồng cháy ngăn cách, khống chế lưu lượng nhiên liệu kèm theo việc giảm góc phun sớm làm giảm 30% lượng NOx khí thải làm tăng lượng HC lên 100%, CO lên 70% bồ hóng lên 150% Để đảm bảo qui luật phun phù hợp chế độ làm việc động phương diện phát nhiễm lẫn tính kinh tế-kĩ thuật, động hệ người ta sử dụng cảm biến λ lắp đường xả Kết hợp thông số cho cảm biến với cảm biến áp suất, nhiệt độ khí nạp tốc độ động người ta co thể điều khiển xác thời điểm phun lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình Giải pháp đặc biệt có lợi động Diesel lắp tơ nhằm giảm độ khói gia tốc 6.3.2 Ảnh hưởng dạng hình học buồng cháy Dạng buồng cháy hợp lí cho phép tránh lớp nhiên liệu bám thành giảm nồng độ HC khí xả Đối với động phun trực tiếp, biện pháp có hiệu để làm giảm nồng độ bồ hóng gia tăng cường độ rối kết hợp với việc sử dụng vòi phun nhiều lỗ Buồng cháy tốt cần thỏa mãn điều kiện sau đây: - Hành trình tự tia nhiên liệu buồng cháy lớn - Bề mặt buồng cháy piston đủ lớn để tránh giao thoa tia phun - Cường độ rối cao vùng phân bố tia nhiên liệu - Tiếp tục trì vận động rối dịng khí buồng cháy sau ĐCT Việc gia tăng áp suất buồng cháy đơn có khuynh hướng thuận lợi cho hình thành bồ hóng Tuy nhiên, gia tăng áp suất cực đại làm tăng đồng thời nhiệt độ khí cháy cho phép gia tăng tốc độ oxy hóa bồ hóng nên lượng bồ hóng khí xả khơng tăng Sự gia tăng áp suất làm tăng độ ồn phát sinh NOx Đối với động phun trực tiếp, tỉ lệ nén cao cho phép khởi động dễ dàng nhiệt độ thấp Sự gia tăng tỉ số nén vừa phải đồng thời làm giảm HC thành phần SOF hạt rắn Khi tỉ số nén tăng cao, động phát sinh nhiều bồ hóng chế độ đầy tải Vì động có tỉ số nén lớn, cần phải thiết kế dạng buồng cháy tối ưu cho phép tăng cường dịch chuyển dịng khơng khí thuận lợi cho việc đốt cháy bồ hóng Để tăng cường tốc độ đốt cháy bồ hóng, người ta thiết kế thêm buồng chứa khơng khí bổ sung động phun trực tiếp Buồng khơng khí bổ sung lưu trữ khơng khí kì nén lượng khơng khí cung cấp lại cho buồng cháy động kì giãn nở để tạo điều kiện oxy hóa hạt bồ hóng Tuy nhiên, kết cấu làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu Ở động phun gián tiếp, buồng khơng khí bổ sung cho phép làm giảm 40% lượng bồ hóng phát sinh làm gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu thêm 3% 88 Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ chất ô nhiễm khí xả động đốt Đối với động có buồng cháy ngăn cách, gia tăng tỉ lệ thể tích buồng cháy phụ buồng cháy cho phép giảm hình thành bồ hóng nhờ tăng cường thêm khơng khí cho buồng cháy phụ Tiết diện đường thông hai buồng cháy khống chế cường độ rối sinh thời điểm dịch chuyển lượng khí cháy từ buồng cháy phụ sang buồng cháy Giảm nhỏ tiết diện làm giảm nồng độ bồ hóng chế độ đầy tải làm tăng lượng bồ hóng chế độ tải cục Trong thiết kế, tiết diện tối ưu đường nối chọn chế độ đầy tải 6.3.3 Ảnh hưởng vận động rối buồng cháy Sự rối phát sinh q trình nạp có ảnh hưởng trái ngược phát sinh NOx, tiếng ồn, HC bồ hóng Để làm giảm mức độ ảnh hưởng giai đoạn hỗn hợp đậm đặc đến phát sinh bồ hóng cylindre, cần tăng hiệu việc hịa trộn nhiên liệu-khơng khí từ lúc bắt đầu giai đoạn cháy trễ (tăng cường xoáy lốc) Nhưng điều gây nhược điểm làm tăng áp suất cực đại buồng cháy với tăng tiếng ồn mức độ phát sinh NOx Hướng tia phun buồng cháy dự bị cho phép điều chỉnh tốc độ hịa trộn nhiên liệu-khơng khí, cải thiện phát sinh bồ hóng Hướng tia phun ảnh hưởng đến lượng nhiên liệu bám thành nguồn phát sinh HC Vị trí vịi phun buồng cháy phụ có ảnh hưởng đến hình thành NOx 6.3.4 Ảnh hưởng chế độ làm việc động chế độ độ Khi giảm tốc độ động từ 750 đến 680 v/phút, nồng độ chất ô nhiễm giảm đo theo chu trình FTP75: HC (-14%); CO(-2%); NO (-3%) bồ hóng (-5%) Trong thử nghiệm động theo chu trình tiêu chuẩn thực tế, thay đổi chế độ tốc độ yếu tố làm gia tăng phát nhiễm Nồng độ bồ hóng khí xả động Diesel gia tăng mạnh gia tốc độ đậm đặc trung bình hỗn hợp gia tăng Lượng gia tăng lớn thời gian gia tốc dài Để giảm thời gian gia tốc, cần phải tối ưu hóa việc thiết kế động để có thể: - Giảm momen qn tính phận chuyển động quay - Giảm thể tích phận nạp thải - Giảm nhiệt dung riêng hệ thống làm mát - Gia tăng công suất dự trữ 6.3.5 Ảnh hưởng số cétane nhiên liệu Lượng bồ hóng giảm thời gian cháy trễ kéo dài, nghĩa dùng nhiên liệu có số cétane thấp Tuy nhiên việc sử dụng nhiên liệu có số cétane thấp dẫn đến nhược điểm quan trọng: gia tăng độ ồn trình cháy bắt đầu muộn, gia tăng lượng nhiên liệu bám thành cylindre buồng cháy làm tăng mức độ phát sinh HC bồ hóng 89 Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ chất nhiễm khí xả động đốt 6.3.6 Ảnh hưởng nhiệt độ khí Giảm nhiệt độ khí nạp làm giảm nhiệt độ cực đại q trình cháy nồng độ NOx giảm Vì vậy, động tăng áp người ta có khuynh hướng làm mát khí sau máy nén để đảm bảo nhiệt độ khí nạp khơng vượt q 500C Nhưng làm mát khí nạp kéo dài thời kì cháy trễ làm tăng mức độ phát sinh ô nhiễm nêu (những giọt nhiên liệu bám vào thành cylindre làm tăng thành phần HC bồ hóng khí xả) Khi khởi động động trạng thái nguội, sấy buồng cháy hay sấy khí nạp cần thiết để làm giảm mức độ phát sinh HC khói trắng Việc sấy nóng khí nạp thực nhờ nến điện hay cách đốt trước nhiên liệu khí nạp Nhiệt độ khí đường thải ảnh hưởng đến phát sinh ô nhiễm, thành phần HC Thật vậy, chế độ tải thấp, HC ngưng tụ đường thải bốc lại tăng tải làm tăng nồng độ HC Đường thải vật liệu gốm cho phép tái oxyhóa bồ hóng HC, làm tăng NOx Động Diesel phun trực tiếp có buồng cháy vật liệu gốm, khơng làm mát cho phép làm giảm nồng độ chất ô nhiễm chế độ tải thấp Nhưng tải cao, nồng độ NOx bồ hóng tăng dù nhiệt độ thành buồng cháy cao cho phép tái đốt cháy bồ hóng cuối chu trình 6.3.7 Ảnh hưởng tăng áp Monoxy carbon CO hình thành q trình cháy thiếu khơng khí, đặc biệt tải cao Do đó, tăng áp biện pháp hữu hiệu làm giảm CO Lượng khơng khí thừa tăng áp đồng thời cho phép tái đốt cháy bồ hóng, bù trừ lượng tăng bồ hóng khí xả hồi lưu mang vào buồng cháy Hệ thống hồi lưu khí xả trường hợp động tăng áp làm giảm 50% lượng NOx mà không làm tăng bồ hóng 6.3.8 Ảnh hưởng hệ thống hồi lưu khí xả Mặc dù tỉ lệ khí hồi lưu lớn gây tác hại xấu động (tăng mài mịn) có tác dụng đáng kể việc làm giảm NOx giảm nhiệt độ cháy Đối với động phun trực tiếp làm việc với nhiệt độ khí nạp từ 40-600C (làm việc hầm mỏ), hệ thống hồi lưu khí xả làm giảm 30% 50% nồng độ NOx theo thứ tự Nếu làm ẩm thêm khơng khí nạp, điều kiện làm việc mức độ giảm NOx đạt đến 50% 85% theo thứ tự Tuy nhiên, hồi lưu khí xả có tác động xấu chất ô nhiễm khác: làm tăng nồng độ CO bồ hóng, thêm nước Phun nước cho phép hạn chế phản ứng cracking tạo bồ hóng nhờ giảm nhiệt độ cháy Đối với động buồng cháy ngăn cách, nồng độ bồ hóng gia tăng trước hết chậm, sau tăng nhanh theo lượng nước phun vào buồng cháy phụ; biến thiên nồng độ CO HC tương tự Hơi nước có tác dụng làm giảm nồng độ NO Sự điều chỉnh tỉ lệ khí xả hồi lưu cần theo tải theo tốc độ Hệ thống điện tử cho phép điều chỉnh van hồi lưu khí xả theo đường đặc tính chọn trước: cắt lượng khí xả hồi lưu động nguội; sau 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 cắt lượng khí hồi lưu chế độ gia tốc lớn để hạn chế nồng độ bồ hóng Hồi lưu khí xả tối ưu cho phép giảm 40% NOx mà không 90 Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ chất nhiễm khí xả động đốt làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu không làm tăng CO bồ hóng Kết hợp với tăng áp, hệ thống hồi lưu khí xả cho phép làm giảm đồng thời NOx, HC bồ hóng 6.3.9 Điều khiển vịi phun hệ thống hồi lưu khí xả Việc điều chỉnh thông số công tác động thường có tác dụng mâu thuẫn chất ô nhiễm khác Tuy nhiên, mức độ ảnh hưởng khơng đồng điểm làm việc khác động nên chế độ cơng tác ta lựa chọn thông số điều khiển tối ưu chất ô nhiễm HC, NOx bồ hóng Việc điều khiển phức tạp thực nhờ hệ thống điện tử Hệ thống điều khiển điện tử phải thỏa mãn điều kiện sau: - Độ xác cao nhạy, làm việc ổn định theo thời gian - Có khả điều chỉnh theo nhiều thơng số - Mềm dẻo lập chương trình hệ thống điều khiển để áp dụng điều kiện sử dụng ô tô khác (tùy theo yêu cầu luật môi trường quốc gia) - Thực việc điều chỉnh động theo tiêu cho trước Thêm vào đó, hệ thống phải hoạt động tin cậy tình huống, phải bảo vệ chống nhiễu 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 cảm biến: vị trí hay cần gia tốc, vị trí kim phun, tốc độ động cơ, nhiệt độ khơng khí nạp, nhiệt độ nhiên liệu, nhiệt độ nước làm mát, áp suất xilanh, Sau xử lí, máy tính phát tín hiệu điều khiển đến phận chấp hành Bộ phận tác động lên cấu điều khiển lượng nhiên liệu chu trình, thời điểm bắt đầu phun, lượng khí xả hồi lưu, tỉ số truyền hộp số Hệ thống điều khiển điện tử hoàn hảo cho phép làm giảm đồng thời nồng độ bồ hóng, NOx tăng tính kinh tế động so với hệ thống điều khiển khí, đặc biệt kết hợp điều khiển q trình phun điều khiển góc phun sớm, mức độ phát nhiễm động giảm lần 6.4 Ảnh hưởng 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 tốc độ 80÷90km/h, nồng độ HC giảm dần đến tốc độ đạt khoảng 100km/h sau tăng lên chậm cịn nồng độ NOx tăng từ từ đến tốc độ động đạt 70÷80km/h sau tăng mạnh, động có dung tích cylindre lớn Các kết đo đạc chu trình có điều kiện thử gần với điều kiện vận hành thực tế cho thấy giới hạn tốc độ gây ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm Khi giảm mạnh giới hạn tốc độ, nồng độ NOx giảm vài phần trăm, làm tăng đôi chút CO, HC Khi tăng tốc độ ô tô, nhờ rối khơng khí phía sau xe, chất nhiễm thải khỏi ống xả khuếch tán nhanh chóng khơng gian, làm giảm nồng độ cục chúng môi trường 91 Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ chất nhiễm khí xả động đốt Trên xa lộ Châu Âu, tốc độ giới hạn 130km/h Khi đại phận ô tô giảm tốc độ từ 119 đến 107km/h người ta thấy nồng độ chất ô nhiễm bầu không khí quanh hệ thống xa lộ giảm đáng kể: -12% CO; -1,7% HC -10,5% NOx Một thí nghiệm khác thực cách giảm tốc độ giới hạn từ 100 xuống 60km/h phận xa lộ người ta nhận thấy lượng NOx giảm 50% tháng 6.5 Ảnh hưởng nhiên liệu đến mức độ phát ô nhiễm động 6.5.1 Nhiên liệu động xăng Việc điều chỉnh động có ảnh hưởng đến lượng ô nhiễm phát sinh việc điều chỉnh tác động đến chế hình thành hay phân hủy chất nhiễm trước ngồi khí Nhiên liệu gây ảnh hưởng đến phát ô nhiễm, chủ yếu tỉ số khơng khí/nhiên liệu bị thay đổi thay đổi đặc trưng hóa lí chúng khơng phải lúc bù lại điều chỉnh thông số động Như biết, độ đậm đặc hỗn hợp ảnh hưởng lớn đến mức độ phát sinh ô nhiễm: NOx đạt cực đại môi trường nghèo; CO, HC đạt cực tiểu mơi trường nghèo; xuất bồ hóng diễn môi trường giàu (a100 số octane động MON thường lớn 90 Do thêm thành phần hydrocarbure thơm vào nhiên liệu biện pháp làm tăng tính chống kích nổ nhiên liệu đại 92 Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ chất nhiễm khí xả động đốt Hiện người ta có khuynh hướng gia tăng hàm lượng chất hydrocarbure thơm nhiên liệu nhằm phổ biến nhiên liệu khơng chì Theo tiêu chuẩn Cộng Đồng Châu Âu, hàm lượng benzene nhiên liệu phải thấp 5% Nồng độ thể tích NOx (ppmx100) Tốc độ: 1500 vg/phút Áp suất có ích trung bình: 500kPa Tì số nén: 11 a Hình 6.6: Ảnh hưởng tỉ số khơng khí/nhiên liệu đến NOx Các hydrocarbure thơm có tỉ số C/H cao khối lượng riêng lớn Do nhiệt lượng tỏa đơn vị thể tích cao nên nhiệt độ cháy hỗn hợp tăng làm tăng NOx Hình 6.6 cho thấy ví dụ động có tốc độ 1500 vịng/phút chế độ tải trung bình thay đổi NOx theo tỉ số khơng khí/nhiên liệu alkylat không thơm nhiên liệu super thơm Chúng ta thấy vị trí phát nhiễm cực đại, alkylat làm giảm nồng độ ô nhiễm khoảng 20% Mức độ phát sinh CO bị ảnh hưởng hàm lượng hydrocarbure thơm Tuy nhiên, hydrocarbure thơm có cấu tạo ổn định parafine nên có động học phản ứng cháy chậm Do điều kiện cháy, phát sinh hydrocarbure chưa cháy nhiên liệu chứa nhiều hydrocarbure thơm cao Khi chuyển từ nhiên liệu super thơm sang alkylat, mức độ phát sinh HC giảm 16% (hình 6.7) 93 Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ chất nhiễm khí xả động đốt Nồng độ thể tích HC (ppmx100) Tốc độ: 1500 vg/phút Áp suất có ích trung bình: 500kPa Tỉ số nén: 11 a Hình 6.7: Ảnh hưởng tỉ số khơng khí/nhiên liệu đến nồng độ HC khí xả Mặt khác, chất thơm nhiên liệu giữ vai trò phát sinh hydrocarbure thơm đa nhân HAP, phènol aldehyde thơm mà chất tăng theo chất thơm cịn formaldehyde giảm Sự phụ thuộc HAP vào tỉ lệ chất thơm nhiên liệu thay đổi mặt theo HAP xem xét mặt khác theo dạng chất thơm nhiên liệu: benzene ảnh hưởng đến HAP hình thành, HAP nhẹ (đến nhân) gia tăng tuyến tính theo tỉ lệ chất thơm nhiên liệu, HAP nặng (đến nhân) (hình 6.8) khơng chịu ảnh hưởng tỉ lệ HAP có mặt nhiên liệu ảnh hưởng đến mức độ phát sinh HAP khí xả 6.5.1.3 Ảnh hưởng tính bay Tính bay nhiên liệu thường đặc trưng đường cong chưng cất áp suất Reid (PVR) đo 37,8°C Đó đặc tính quan trọng hoạt động động cơ, ảnh hưởng đến thời gian khởi động động trạng thái nguội, tính ưu việt gia tốc tính ổn định làm việc chế độ không tải chạy nóng Những thành phần nặng (bay nhiệt độ lớn 200-220°C) có ảnh hưởng đến phát sinh hydrocrabure chưa cháy, bốc dẫn tới cháy khơng hồn tồn với hình thành aldehydes gia tăng HC 94 Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ chất ô nhiễm khí xả động đốt Phát thải HAP (mg/kg nhiên liệu) Thành phần cacbua hydro thơm Trong nhiên liệu (%V) Hình 6.8: Ảnh hưởng thành phần nhiên liệu thơm đến mức độ phát sinh HAP Những thành phần nhẹ hơn, cần thiết cho việc khởi động làm việc trạng thái nguộI, ảnh hưởng đến phát nhiễm khí xả ảnh hưởng đến tổn thất bay Tính chất bay tiêu chuẩn nhiên liệu phụ thuộc vào điều kiện khí hậu mùa Chẳng hạn Pháp, tính chất bay nhiên liệu qui định sau: - 45