Hệ thống phụ trợ xử lý khí thải
Do mức độ ô nhiễm không khí và nhận thức của con người về môi trường sống ngày càng cao nên các tiêu chuẩn về nồng độ phát thải của động cơ đốt trong ngày càng nghiêm ngặt hơn. Để tồn tại và phát triển, các hãng ôtô không có sự lựa chọn nào khác là tìm mọi cách để kiểm soát được nồng độ các chất ô nhiễm có trong khí thải không vượt quá tiêu chuẩn cho phép.
Bên cạnh các giải pháp nhằm giảm lượng khí thải ô nhiễm như tổ chức quá trình đốt cháy hòa khí tốt, sử dụng các bộ xử lý khí thải,… thì các hệ thống phụ trợ như hồi lưu khí thải, xử lý nhiệt độ trên đường thải và phun khí ô-xy luôn là trợ thủ đắc lực không thể thiếu.
Hệ thống hồi lưu khí thải
Khi nhiệt độ trong buồng đốt động cơ ở kỳ cháy quá cao do việc tăng tỷ số nén của động cơ, khí ni-tơ trong không khí kết hợp với ô-xy sẽ tạo nên những ô-xít ni-tơ (NOx). Đây là một trong những thành phần gây ô nhiễm môi trường. Vì vậy, cách tốt nhất để giảm lượng NOX là làm giảm nhiệt độ buồng đốt và làm giảm hàm lượng khí O2.
Để thực hiện được điều này, biện pháp tối ưu nhất là sử dụng hệ thống hồi lưu khí thải - EGR (Exhaust Gas Recycling). Thực chất của biện pháp này là đưa một phần khí thải quay trở lại buồng đốt. Hệ thống EGR có thể dùng cho cả động cơ xăng và động cơ Diesel.
Trên động cơ xăng: EGR là biện pháp được sử dụng khá phổ biến. Hỗn hợp khí thải gồm HC, CO, NOx có nhiệt độ cao sau khi ra khỏi buồng đốt được trích một phần quay ngược trở lại buồng đốt cho chu kỳ tiếp theo của động cơ. Điều này làm tăng nhiệt độ hòa khí ở cuối hành trình nén, đảm bảo điều kiện nhiệt độ để hỗn hợp nhiên liệu được đốt cháy dễ dàng.
Tuy nhiên, do hỗn hợp khí thải chiếm một thể tích nhất định trong buồng đốt nên nhiệt độ cực đại của quá trình cháy thấp hơn so với hệ thống không có EGR, do đó làm giảm nồng độ NOx. Có thể sử dụng hai loại tuần hoàn khí thải:
+ Tuần hoàn nội tại: Là phương pháp dựa trên cơ sở góc trùng điệp của xu-páp nạp và xu-páp thải (cả hai đều mở). Trong giai đoạn trùng điệp, do chênh lệch áp suất (áp suất khí thải lớn hơn áp suất khí nạp), một lượng khí thải trong xy-lanh sẽ đi vào đường nạp sau đó quay lại xy-lanh trong kỳ nạp. Biện pháp này không chỉ giảm được NOx mà còn giảm được lượng hy-đrô các-bon chưa cháy (HC) do phần HC này tuần hoàn trở lại buồng cháy trước khi nạp hỗn hợp mới.
+ Tuần hoàn bên ngoài: khí thải sẽ được trích một phần từ đường thải quay lại đường nạp để hoà trộn với hỗn hợp khí nạp mới thông qua hệ thống đường dẫn và van điều khiển EGR. Van EGR được điều khiển bởi một bộ điều khiển điện tử hoạt động dựa trên hai tín hiệu đầu vào là tốc độ động cơ và tải của động cơ.
Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm trên thì hệ thống EGR sẽ làm bẩn hỗn hợp khí nạp, làm giảm tính kinh tế nhiên liệu và làm cho động cơ không thể đạt được công suất cực đại ở chế độ toàn tải. Do vậy, hệ thống EGR thường hoạt động ở chế độ tải nhỏ. Ngoài ra, ở chế độ không tải việc tuần hoàn khí thải dễ làm động cơ chết máy (do hỗn hợp quá nghèo không cháy được).
Trên động cơ diesel: tỷ lệ khí thải tuần hoàn có thể cao hơn so với động cơ xăng (động cơ diesel phun trực tiếp có lượng khí thải tuần hoàn lên đến 60%, động cơ diesel phun gián tiếp khoảng 30%). Nhưng việc sử dụng EGR trên động cơ diesel cũng làm giảm tính kinh tế nhiên liệu, tăng lượng thải HC và chất thải dạng hạt rắn (PM - Tro các bon), động cơ hoạt động không ổn định, làm ảnh hưởng đến công suất.
Hệ thống hồi lưu khí thải của Audi
Trong thực tế, hệ thống EGR trên động cơ diesel phức tạp hơn nhiều so với động cơ xăng do độ chân không trên đường nạp thấp (tốc độ vòng tua máy thấp). Vì vậy, ngoài bộ điều khiển điện tử, van điện khí nén, van tuần hoàn khí thải, hệ thống này còn phải bổ sung thêm một bơm chân không.
Tương tự như động cơ xăng, với động cơ diesel cũng có thể sử dụng biện pháp tuần hoàn nội tại khí thải để giảm NOx và HC. Hiện nay, có nhiều động cơ diesel trên xe con đã sử dụng một lượng nhỏ khí thải tuần hoàn tại một số chế độ vận hành (tốc độ thấp và tải thấp). Trong tương lai, hệ thống này sẽ được sử dụng phổ biến hơn nhằm đáp ứng các điều luật ô nhiễm khí thải ngày càng khắt khe.
Hệ thống xử lý nhiệt khí thải
Nguyên tắc của hệ thống này là lưu giữ khí thải trong một thời gian dài ở trạng thái nhiệt độ cao, nhằm mục đích kéo dài quá trình phản ứng ô-xy hoá các thành phần CO, HC. Để quá trình xử lý nhiệt có hiệu quả, buồng phản ứng xử lý nhiệt được bố trí ngay sau xu-páp thải, đảm bảo nhiệt độ phản ứng T > 1.000 độ K (728 độ C) cho quá trình ô-xy hoá. Buồng phản ứng được cách nhiệt và có kích thước phù hợp để tiếp nhận một lượng lớn khí thải.
Ở chế độ làm việc với hệ số dư lượng không khí nhỏ, một phần không khí sẽ được bổ sung qua một đường ống nằm ngay sau xu-páp thải. Hệ thống xử lý nhiệt rất hiệu quả với các động cơ làm việc với hỗn hợp giàu. Tuy nhiên, hệ thống xử lý nhiệt không làm giảm được lượng NOx.
Hệ thống phun ô-xy
Nguyên tắc hoạt động của hệ thống này là cung cấp thêm ô-xy (không khí) để tiếp tục ô-xy hoá CO, HC còn tồn tại trong khí thải. Không khí bổ sung thường được đưa vào ngay sau xu-páp thải bằng bơm (tại đây khí thải có nhiệt độ cao nhất).
Trên các động cơ hiện nay thường sử dụng bơm cung cấp ô-xy kiểu phiến gạt, được dẫn động từ động cơ. Lượng không khí bổ sung sẽ hoà trộn với dòng khí thải có nhiệt độ cao, hỗ trợ cho quá trình ô-xy hoá tiếp theo các sản phẩm cháy (chủ yếu là HC và CO). Đối với hệ thống phun khí ô-xy, thì lượng không khí phun bổ sung vào đường thải và lượng khí tiêu thụ của động cơ, phải tương thích và cần được tối ưu hoá, để giảm thiểu lượng thải CO, HC.
Do vậy, lượng không khí phun bổ sung sẽ được lựa chọn hợp lý, để hàm lượng các chất ô nhiễm sau xử lý của động cơ là nhỏ nhất. Giống như hệ thống xử lý nhiệt, hệ thống phun ô-xy không làm giảm được lượng NOx.
Theo Autocarvn
Copy link
