Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong
82
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
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong
83
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.
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong
84
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.
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.
N
=2000 v/ph
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong
85
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.
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong
86
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.
Hình 6.4: Ảnh hưởng của góc phun sớm đến
mức độ phát ô nhiễm của động cơ Diesel
Giảm góc phun sớm
Mức độ phát
ô nhiễm
N
O
HC
Bồ
hóng
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
Sớ
m
