CHƯƠNG 6: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN NỒNG ĐỘ CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG KHÍ XẢ ĐCĐT doc

 Động cơ Diesel có hiệu suất cao hơn động cơ đánh lửa cưỡng bức nhưng do quá trình cháy khuếch tán và làm việc với hệ số dư lượng không khí cao, trong sản phẩm cháy có chứa bồ hóng và N

6.1 Khái quát chung.

 Nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả phụ thuộc vào đặc điểm động cơ cũng như các thông số điều chỉnh, vận hành

 Về đặc điểm, động cơ 2 kì cổ điển nói chung có mức độ phát ô nhiễm cao hơn động cơ 4 kì do quá trình tạo hỗn hợp không hoàn thiện

 Tuy nhiên, động cơ 2 kì hiện đại phun nhiên liệu trực tiếp trong buồng cháy đang được nghiên cứu phát triển sẽ khắc phục được

nhược điểm này và trở thành loại động cơ có nhiều triển vọng trong tương lai

CHƯƠNG 6: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN NỒNG ĐỘ

CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG KHÍ XẢ ĐCĐT 6.1 Khái quát chung.

 Động cơ Diesel có hiệu suất cao hơn động cơ đánh lửa cưỡng bức nhưng do quá trình cháy khuếch tán và làm việc với hệ số dư lượng không khí cao, trong sản phẩm cháy có chứa bồ hóng và

NOx, những chất ô nhiễm mà việc xử lí nó trên đường xả ngày nayvẫn còn nhiều vướng mắc về mặt kĩ thuật

 Động cơ sử dụng nhiên liệu khí bắt đầu phát triển từ những

năm đầu của thập niên 1990 có rất nhiều ưu điểm về mặt phát sinh

ô nhiễm

 Tuy nhiên sự phát triển chủng loại động cơ này phụ thuộc nhiềuđiều kiện, đặc biệt là điều kiện cơ sở hạ tầng phục vụ cho việc cung cấp nhiên liệu khí

6.1 Khái quát chung.

 Động cơ Diesel có hiệu suất cao hơn động cơ đánh lửa cưỡng bức nhưng do quá trình cháy khuếch tán và làm việc với hệ số dư lượng không khí cao, trong sản phẩm cháy có chứa bồ hóng và

NOx, những chất ô nhiễm mà việc xử lí nó trên đường xả ngày nayvẫn còn nhiều vướng mắc về mặt kĩ thuật

 Động cơ sử dụng nhiên liệu khí bắt đầu phát triển từ những

năm đầu của thập niên 1990 có rất nhiều ưu điểm về mặt phát sinh

ô nhiễm

 Tuy nhiên sự phát triển chủng loại động cơ này phụ thuộc nhiềuđiều kiện, đặc biệt là điều kiện cơ sở hạ tầng phục vụ cho việc cung

CHƯƠNG 6: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN NỒNG ĐỘ

CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG KHÍ XẢ ĐCĐT 6.1 Khái quát chung.

 Mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ cũng phụ thuộc đáng kể vào điều kiện vận hành Việc điều chỉnh không phù hợp các thông số công tác cũng như việc lựa chọn chế độ làm việc không hợp lí dẫn đến sự gia tăng đáng kể nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả

 Tuy nhiên tỉ lệ biến đổi các chất ô nhiễm của ống xả xúc tác chỉ đạt được giá trị yêu cầu khi nhiệt độ khí xả đạt được giá trị nhất

định Vì vậy cần phải làm giảm nồng độ các chất ô nhiễm đến mức thấp nhất trước khi xử lí ở bộ xúc tác

6.2 Trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức.

 Mặc dù có nhiều cải tiến về kết cấu nhằm hạn chế sự hòa trộn

giữa khí cháy và khí chưa cháy, đặc biệt đối với động cơ dùng bộ chế hòa khí, nhưng vẫn không tránh khỏi sự thất thoát một bộ phận khí mới làm tăng sự phát sinh HC và làm giảm tính năng kinh tế kĩ thuật của động cơ hai kì Thêm vào đó, khi làm việc ở tải cục bộ,

dạng động cơ này dễ bỏ lửa làm tăng HC

CHƯƠNG 6: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN NỒNG ĐỘ

CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG KHÍ XẢ ĐCĐT 6.2 Trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức.

6.2 Trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức.

6.2.1 Động cơ 2 kỳ.

 Thời gian cuối của quá trình nén (sau khi đóng cửa nạp và

cửa thải) rất ngắn đòi hỏi phải phun nhiên liệu với tốc độ lớn,

do đó một bộ phận nhiên liệu bám lên thành buồng cháy làm

tăng nồng độ HC trong khí xả

Hạn chế của giải pháp này là gì?

GP 3: Phun nhiên liệu bằng không khí ở áp suất cao trích ra

trong giai đoạn nén

Để tránh hiện tượng bám nhiên liệu trên thành, người ta dùng một vòi phun áp suất thấp được đặt trong một buồng cháy dự

bị trước xúpáp nạp phun trực tiếp trước một hỗn hợp rất đậm với

CHƯƠNG 6: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN NỒNG ĐỘ

CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG KHÍ XẢ ĐCĐT 6.2 Trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức.

6.2.1 Động cơ 2 kỳ.

6.2.2 Động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo.

 Động cơ đánh lửa cưỡng bức làm việc với hỗn hợp nghèo đã được nghiên cứu từ lâu nhằm giảm suất tiêu hao nhiên liệu dẫn đến giảm nồng độ CO2, chất 'ô nhiễm' được quan tâm nhiều trong những năm gần đây vì nó là chất khí gây hiệu ứng nhà kính

 Vấn đề là khi gia tăng hệ số dư lượng không khí hay làm bẩn hỗn hợp bằng khí xả hồi lưu vượt quá một giới hạn cho phép sẽ dẫn đến điều gì?

 Giảm tốc độ cháy, điểm cực đại của áp suất sẽ lệch về phía

giai đoạn giãn nở dù đánh lửa sớm hơn

6.2 Trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức.

6.2.1 Động cơ 2 kỳ.

6.2.2 Động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo.

 Vấn đề là khi gia tăng hệ số dư lượng không khí sẽ dẫn đến điều gì?

 Momen phát ra không đều dẫn tới sự làm việc không ổn định.

 Thường xuyên bỏ lửa.

 Gia tăng mức độ phát sinh HC.

 Gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu do tốc độ cháy giảm

CHƯƠNG 6: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN NỒNG ĐỘ

CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG KHÍ XẢ ĐCĐT 6.2 Trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức.

6.2.1 Động cơ 2 kỳ.

6.2.2 Động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo.

 Những giải pháp cho phép động cơ hoạt động gần giới hạn nghèo của hỗn hợp:

 Các giải pháp tác động trước khi hỗn hợp vào xilanh: chuẩn

bị và định lượng hỗn hợp nhiên liệu (chế hòa khí hay phun), hệ thống điều chỉnh hỗn hợp, thiết kế hợp lí đường nạp

 Các biện pháp tác động bên trong động cơ: hình dạng buồng cháy, bố trí xupáp và nến đánh lửa

6.2 Trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức.

6.2.1 Động cơ 2 kỳ.

6.2.2 Động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo.

 Những giải pháp cho phép động cơ hoạt động gần giới hạn nghèo của hỗn hợp:

 Các biện pháp tác động trên đường thải: thiết kế đường thải, trang bị bộ xúc tác oxy hóa để hạn chế CO và HC

 Để động cơ có thể làm việc với hỗn hợp nghèo người ta áp dụng giải pháp nạp phân lớp hỗn hợp nhiên liệu-không khí vào xy lanh động cơ sao cho ở gần điểm đánh lửa, độ đậm đặc của hỗn hợp cao hơn giá trị trung bình để có thể bén lửa và bốc cháy

CHƯƠNG 6: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN NỒNG ĐỘ

CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG KHÍ XẢ ĐCĐT 6.2 Trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức.

6.2.1 Động cơ 2 kỳ.

6.2.2 Động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo.

 Có hai dạng tạo hỗn hợp phân lớp được ứng dụng khả quan nhất:

 Hệ thống buồng dự bị

 Hệ thống phun trực tiếp

6.2.2 Động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo.

 Hệ thống buồng dự bị

Hình: Sơ đồ động cơ tạo hỗn hợp phân lớp sử dụng buồng cháy phụ.

CHƯƠNG 6: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN NỒNG ĐỘ

CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG KHÍ XẢ ĐCĐT

6.2.2 Động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo.

 Hệ thống buồng dự bị

Kết quả:

 Hệ thống này làm giảm nhiệt độ cực đại của quá trình cháy,

do đó làm giảm NOx, nhưng vẫn đủ cao để oxy hóa HC

 Do độ đậm đặc của hỗn hợp thấp nên nồng độ CO trong khí

xả cũng giảm

 Độngcơ làm việc với hệ thống này có suất tiêu hao nhiên

liệu riêng thấp, nhưng công suất lít của xylanh cũng giảm

Do đó từ năm 1986 nó không còn được nghiên cứu nữa và thay vào đó, người ta nghiên cứu một hệ thống tương tự trong đó bộ chế hòa khí được thay thế bằng hệ thống phun.

6.2.2 Động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo.

 Hệ thống phun trực tiếp

CHƯƠNG 6: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN NỒNG ĐỘ

CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG KHÍ XẢ ĐCĐT

6.2.2 Động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo.

 Những khuynh hướng khác dựa vào sự gia tăng cường độ rối

trong buồng cháy động cơ

 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

 Giải pháp thứ hai là trang bị hai soupape nạp cho mỗi xilanh.

6.2.2 Động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo.

 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 xilanh ở vị trí xupáp 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

CHƯƠNG 6: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN NỒNG ĐỘ

CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG KHÍ XẢ ĐCĐT

6.2.2 Động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo.

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

 Điểm cực đại thứ hai khi cấp nhiên liệu trở lại

6.2.2 Động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo.

6.2.3 Ảnh hưởng của các chế độ vận hành động cơ xăng.

6.2.3.1 Cắt nhiên liệu khi giảm tốc

 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

CHƯƠNG 6: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN NỒNG ĐỘ

CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG KHÍ XẢ ĐCĐT

6.2.2 Động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo.

6.2.3 Ảnh hưởng của các chế độ vận hành động cơ xăng.

6.2.3.1 Cắt nhiên liệu khi giảm tốc

 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 Ảnh hưởng của các chế độ vận hành động cơ xăng.

Trung bình thời gian dừng cực đoan là 50s

 Khi vượt quá thời gian này nên tắt động cơ nếu động tác này

CHƯƠNG 6: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN NỒNG ĐỘ

CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG KHÍ XẢ ĐCĐT

6.3 Trường hợp động cơ Diesel.

Đặc điểm phát sinh các chất ô nhiễm trong động cơ Diezel là gì?

 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

6.3 Trường hợp động cơ Diesel.

Đặc điểm phát sinh các chất ô nhiễm trong động cơ Diezel là gì?

 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

6.3.1 Ảnh hưởng của góc phun sớm và tối ưu hóa hệ thống phun

 Tăng góc phun sớmpzmaxvà Tz NO

 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

CHƯƠNG 6: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN NỒNG ĐỘ

CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG KHÍ XẢ ĐCĐT

6.3.1 Ảnh hưởng của góc phun sớm và tối ưu hóa hệ thống phun

 Mặt khác, khi tăng góc phun sớm, do quá trình cháy trễ kéo dài, lượng nhiên liệu hòa trộn trước với hệ số dư lượng không khí lớn gia tăng Hỗn hợp này khó bén lửa do đó chúng thường cháy không

hoàn toàn và phát sinh nhiều CO

 Về mặt lí thuyết, tăng góc đánh lửa sớm có thể làm giảm HC do quá trình cháy có thể diễn ra thuận lợi hơn, nhưng trên thực tế nó

có tác dụng ngược lại

 Thật vậy, do thời gian bén lửa kéo dài, nhiên liệu phun ra có thể bám trên thành buồng cháy, đó là nguồn phát sinh HC

6.3.1 Ảnh hưởng của góc phun sớm và tối ưu hóa hệ thống phun Các biện pháp tối ưu hoá hệ thống phun là gì?

 Tăng tốc độ phun để làm giảm nồng độ bồ hóng do tăng tốc độ hòa trộn nhiên liệu-không khí

 Tăng áp suất phun, đặc biệt là đối với động cơ phun trực tiếp

 Điều chỉnh dạng quy luật phun (quan hệ lưu lượng-thời gian)

theo khuynh hướng kết thúc nhanh quá trình phun để làm giảm HC

CHƯƠNG 6: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN NỒNG ĐỘ

 Buồng cháy tốt cần thỏa mãn các điều kiện sau đây:

 Hành trình tự do của tia nhiên liệu trong buồng cháy lớn

 Bề mặt buồng cháy trên piston đủ lớn để tránh sự giao thoa của các tia phun

 Cường độ rối cao trong vùng phân bố tia nhiên liệu

 Tiếp tục duy trì được vận động rối của dòng khí trong buồng

6.3.1 Ảnh hưởng của góc phun sớm và tối ưu hóa hệ thống phun

6.3.2 Ảnh hưởng của dạng hình học buồng cháy

 Khi tỉ số nén tăng quá cao, động cơ sẽ phát sinh nhiều bồ hóng ở chế độ đầy tải

 Vì vậy ở động cơ có tỉ số nén lớn, cần phải thiết kế dạng buồng cháy tối ưu cho phép tăng cường sự dịch chuyển của dòng không khí thuận lợi cho việc đốt cháy bồ hóng

 Để tăng cường tốc độ đốt cháy bồ hóng, người ta thiết kế thêm một buồng chứa không khí bổ sung ở động cơ phun trực tiếp

 Tuy nhiên, kết cấu này làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu

CHƯƠNG 6: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN NỒNG ĐỘ

CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG KHÍ XẢ ĐCĐT

6.3.1 Ảnh hưởng của góc phun sớm và tối ưu hóa hệ thống phun 6.3.2 Ảnh hưởng của dạng hình học buồng cháy

6.3.3 Ảnh hưởng của chế độ làm việc của động cơ và chế độ quá độ

 Khi giảm tốc độ động cơ từ 750 đến 680 v/phút, nồng độ các

chất ô nhiễm đều giảm khi đo theo chu trình FTP75: HC (-14%);

6.3.3 Ảnh hưởng của chế độ làm việc của động cơ và chế độ quá độ

 Để giảm thời gian gia tốc, cần phải tối ưu hóa việc thiết kế động

cơ để có thể:

 Giảm momen quán tính các bộ phận chuyển động quay

 Giảm thể tích các bộ phận nạp thải

 Giảm nhiệt dung riêng của hệ thống làm mát

 Gia tăng công suất dự trữ

CHƯƠNG 6: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN NỒNG ĐỘ

CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG KHÍ XẢ ĐCĐT

6.3.4 Ảnh hưởng của chỉ số xetan của nhiên liệu

 Lượng bồ hóng giảm khi thời gian cháy trễ kéo dài, nghĩa là khi dùng nhiên liệu có chỉ số xetane thấp

 Tuy nhiên việc sử dụng nhiên liệu có chỉ số cétane thấp có thể dẫn đến những nhược điểm quan trọng:

 Gia tăng độ ồn nếu quá trình cháy bắt đầu quá muộn

 Gia tăng lượng nhiên liệu bám trên thành xilanh và buồng cháy làm tăng mức độ phát sinh HC và bồ hóng

6.3.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ khí.

 Giảm nhiệt độ khí nạp sẽ làm giảm nhiệt độ cực đại của quá trình cháy và do đó nồng độ NOx cũng giảm

6.3.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ khí.

 Nhưng sự làm mát khí nạp có thể kéo dài thời kì cháy trễ làm tăng mức độ phát sinh ô nhiễm (những giọt nhiên liệu bám vào thành

xilanh làm tăng thành phần HC và bồ hóng trong khí xả)

 Khi khởi động động cơ ở trạng thái nguội, sự sấy buồng cháy

hay sấy khí nạp là cần thiết để làm giảm mức độ phát sinh HC và khói trắng

 Việc sấy nóng khí nạp có thể thực hiện nhờ nến điện hay bằng cách đốt trước một ít nhiên liệu trong khí nạp

 Nhiệt độ của khí đường thải cũng ảnh hưởng đến sự phát sinh ô nhiễm, nhất là đối với thành phần HC

CHƯƠNG 6: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN NỒNG ĐỘ

CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG KHÍ XẢ ĐCĐT

6.3.6 Ảnh hưởng của tăng áp.

 Monoxy carbon CO hình thành là do quá trình cháy thiếu không khí, đặc biệt là ở tải cao

 Do đó, tăng áp là biện pháp hữu hiệu làm giảm CO

 Lượng không khí thừa do tăng áp đồng thời cũng cho phép tái

đốt cháy bồ hóng

6.3.7 Ảnh hưởng của hệ thống hồi lưu khí xả.

 Mặc dù tỉ lệ khí hồi lưu lớn gây tác hại xấu đối với động cơ (tăng mài mòn) nhưng nó có tác dụng đáng kể trong việc làm giảm NOx do giảm nhiệt độ cháy