Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường
171
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.
Hình 9.6: Ảnh hưởng của áp suất phun đến quan hệ NOx/bồ hóng
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.
Mức độ phát sinh b
ồ
hóng (tương đối) Áp su
ấ
t
p
hun
Mức độ phát sinh
NOx (tương đối)
Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường
172
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.
Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường
173
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.
Hình 9.7: Nguyên lí làm việc của dộng cơ 2 kì
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
N
ạp
1. Nén trong cylindre và nạp vào 2. Cháy và dãn nở
Thải Thải
Đường
thông
3. Thải, quét khí 4. Thải và nén
Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường
174
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.
Hình 9.8: Động cơ 2 kì IAPAC lắp trên ô tô
Hình 9.9: So sánh hai ô tô có cùng công suất khi sử dụng động cơ 2 kì IAPAC
và động cơ 4 kì
Hai kĩ thuật mới đang được quan tâm nhất:
Vòi phun áp suất thấp thông thường
Th
ể
tích chứa khí nén
Đường chuy
ể
n khí
với tiết diện thay đổi
Cân bằng nhờ trục
cam IAPAC
Soupape IAPAC
N
ến đánh lửa
Làm mát
Piston có
bản phản xạ
Đường thải
Van một chiều
Momen cực đại
(Nm) 135-2000 v/
p
hú
t
Tiêu hao nhiên
liệu (l/100km) Động cơ 4 kì (4 xy lanh, 1360cm3)
Động cơ IAPAC 2 kì (3 xy lanh, 1230cm3)
Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường
175
. 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%.
