Tiểu luận động cơ đốt trong nâng cao tiết kiệm nhiên liệu và khí xả

Động cơ GDI sử dụng hệ thống phân lớp chất thải đưa ra điện áp để làm giảm lượng tiêu hao nhiên liệu 20-25% trong chu kỳ xăng, nhiệt và hình học được tối ưu hóa.. Thực vậy trong chu trì

5 Tiết kiệm nhiên liệu và khí xả.

5.1 Khả năng tiết kiệm nhiên liệu

Trong những động cơ 4 thì cũ, hệ thống nhiên liệu được cải tiến thực chất là cải tiến lượng tiêu thụ nhiên liệu trong khi chất cặn bẩn và khí xả làm ô nhiễm môi trường Sự cải tiến nhiên liệu trên xe khách rất quan trọng vì nó làm nền tảng cho sự phát triển động cơ SI, loại động cơ Diesel nhỏ,có tốc độ cao Hiệu suất nhiệt trên động cơ GDI có thế được tăng cường vì có tỉ số nén lớn,hoặc tạo ra hòa khí nghèo qua đó khử được nhiệt mất mát qua bướm ga và vách Động cơ GDI sử dụng hệ thống phân lớp chất thải đưa ra điện áp để làm giảm lượng tiêu hao nhiên liệu 20-25% trong chu kỳ xăng, nhiệt

và hình học được tối ưu hóa Trong hình 81(a) biểu diễn mức nhiên liệu ở 2000rpm và 0.2MPa BMEP Tính toán công suất ra và mất mát ma sát là không đổi khi tỉ số cân bằng thay đổi Trong phần này động cơ có hòa khí lí tưởng tại = 1.0 - 1.3 và hệ thống phân lớp chất thải từ = 1.6- 3.4 Nó chỉ ra rằng lượng khí xả và nhiệt trao đổi vách giảm 10.8 và 12,5% Theo kết quả nghiên cứu dự báo có thể lên đến 23% Hiệu suất nhiệt mất mát không thể giải thích được sự thất thoát trong bướm ga trong chu trình nhiệt động lực học một mình

Sự cân bằng trong tính toán riêng lẻ tại những điểm được biểu thị Chu trình nhiệt động lực học trong công nghệ GDI tại những điểm hoạt động có thể làm giảm công suất bơm bị mất 95%, nhiệt bị mất 42% và làm giảm lượng khí xả 26% Nó có thể tạo ra được hỗn hợp nghèo = 1,3 và làm giảm áp suất tổng cộng khoảng 5% Khả năng tiết kiệm nhiên liệu trong PFI và GDI rất cao Động

cơ GDI có khả năng chịu tải cao mà không cần bướm ga mở hết cỡ Thực vậy trong chu trình nhiệt động lực học hệ thống tiết kiệm nhiên liệu GDI có thể có khả năng vận hành một phần tải bằng cách sử dụng một overall-lean ,nhưng phân lớp ,hòa khí Vì chúng quá nổi tiếng nên hiệu suất tiết kiệm cao hơn.

xx.Tóm lại việc cải tiến BSFC của động cơ GDI và động cơ PFI thông thường

là :

•Tạo ra áp lực bơm để bướm ga vận hành một phần sử dụng hòa khí nghèo tổng cộng

•Tạo ra tiếng gõ giới hạn cho tỉ số nén để cho nhiệt độ khí thấp

•Tạo ra nhiệt độ thấp trong kim phun trong suốt quá trình cháy diễn ra

•Tạo ra một áp suất vòng để làm gi ảm tỉ số nén trong điều kiện hòa khí nghèo nhất

•Tạo ra trên thành xy lanh và trong buồng cháy có sức nóng giả m cho quá trình cháy phân lớp

•Shimotani so sánh lượng tiêu thụ nhiên liệu của động cơ PFI và GDI trong quá trình phun đồng nhất Trên hình 82 mức giới hạn nghèo được phun ở thời diểm 600 ATDC trong kì hút (ứng với 300 trên hình) ở động

cơ GDI Tuy nhiên khi kim phun ở 2100 ATDC ở thì hút (-150 ở trên hình) là hòa khí nghèo giới hạn của GDI.Người ta phát hiện ra rằng BSFC cải thiện được tỉ số nhiên liệu/ không khí,mặc dù hiệu suất lớn hơn 20% BSFC cải thiện khoảng 13% tỉ số lí tưởng.

Hình 82: Thời gian phun và tỉ lệ nhiên liệu không khí trong động cơ ISUZU sử dụng GDI

Bảng mức độ thải ra từ các hệ thống

Hình 83 : Tính kinh tế nhiên liệu trong GDI

So sánh giữa DGI và PFI

Như chúng ta đã biết, hệ thống nhiên liệu được cải thiện trong công nghệ GDI ,mà không biết rằng những động cơ bình thường hoặc tải nặng là những thuộc tính bộ phận có thể cải thiện được nhiên liệu trong công nghệ phun xăng trực tiếp.Anderson có một báo cáo cho rằng có thể cải thiện từ 5% ớ chế độ có tải và 10% ở chế độ cầm chừng Hệ thốnng GDI của FORD có hệ số tỷ lượng thấp hoạt động ớ chế độ tải có thể cải thiện đến 12% khi so sánh với PFI trong cùng diều kiện Động cơ GDI với bộ EGR có thể giảm khí xả đến 22% khi so sánh với PFI không có EGR ,trong lúc dó BSFC cải thiện được 19% Động cơ GDI làm giảm lượng NOx từ 7-10% Tóm lại :

•GDI có tỉ số nén cao : 1,5 -2%

•Chỉ số EGR cho phép : 1,5- 2%

•Cải thiện chỉ số nhiên liệu không khí ở quá trình làm ấm nhất thời 1-2%

•Cải thiện mômen và lực 3-4%

5.2 Khí xả và giải pháp cải thiện hệ thống nhiên liệu

Điện áp khá quan trọng trong hệ thống phun xăng trực tiếp,ở dộng cơ 4 kì FI là một điều dễ hiểu Nó đang sẽ tạo ra công suất thật, tuy nhiên ,có thể cài đặt hệ thống diều khiển khí xả ,phần cứng, và điều khiển mức khí xả thích hợp Đây là một rào chắn cơ bản trong việc phát triển hệ thống phun xăng điện tử trực tiếp Đặt biệt nó chỉ ra rằng một vài lưc cản trong quá trình phun nhiên liệu có thể được thỏa hiệp để tạo ra tiêu chủa khí xả như US ULVE và SULEV Đáp án của câu hỏi này nằm ở công thức OEMs trong động cơ GDI là giới hạn cuối cùng trong hệ thống tiết kiệm nhiên liệu Một điều rất quan trọng nữa là sai số sẽ luôn có tỉ đối chính xác trong động cơ PFI Đây là sự so sánh giữa BSFC và hệ thống tuần hoàn khí xả Những công nghệ truyền thống của hệ thống tuần hoàn khí xả từ động cơ GDI được tổng kết ở phía dưới sau đây và chúng ta sẽ thảo luận tiếp trong chương này:

•Hệ thống điều khiển khí xả UBHC ở tải nhẹ và tải nặng:

 Bướm ga tải nhẹ hoạt động

 UBHC mở

 Bộ xúc tác UBHC hoạt động

NOx :

oEGR oBộ xúc tác ba tác dụng oBộ xúc tác làm giảm NOx

 Chất phân tán

oTrong hệ thống cháy và hệ thống điều khiển buồng cháy oBộ xúc tác oxi hóa

Mặc dù điện áp trong hệ thống tiết kiệm nhiên liệu động cơ GDI được cải thiện đáng kể Nó được áp dụng cho hầu hết động cơ GDI, nó yêu cầu hệ thống xả hoạt động ít cho quá trình cháy sạch Ví dụ, rất khó đẻ xác định quá trình cháy nhỏ trong lúc

bộ xúv tác hoạt động và động cơ được làm nóng Như đã chỉ ra ở trên,hòa khì nghèo có thể giới hạn khí xả Jackson có một báo cáo cho rằng 20% EGR và 20% tái tạo lại trong UBHC có thể được điều khiển thông qua bướm ga, động cơ GDI với 5 tốc độ, tay số,và 60% NOx thải ra đáp ứng tiêu chuẩn EURO 4 Chiến lược này tiết kiệm nhiên liệu tới 14%, và 3,6% CO2 đáp ứng tiêu chuẩn

Sử dụng kiểu 2 vùng, Iiyama và Muranaka tính toán lượng tiêu thụ nhiên liệu trong động cơ GDI cho từng nhánh hoạt động nhất định Và cho rằng nó có thể cải thiện đến 20% nhiên liệu so với động cơ PFI có sử dụng bộ xúc tác ba tác dụng Nhiệt

độ trong bộ xúc tác rất quan trọng và tính được khi hòa khí cực nghèo, nếu bộ xúc tác

để nhiệt độ duy trì thì giá trị sẽ chính xác

•Sử dụng IWEP để khởi động lạnh trong xylanh đơn để nghiên cứu quá trình

hoạt động khi phun trực tiếp.

Hình 84 : Biểu đồ và mức độ ô nhiễm trong Ford sử dụng

GDI

Mức độ sử dụng HC cho xy lanh đơn để nghiên cứu động cơ ở 295K, 1500rpm, 43kPa, Bugi đánh lửa ở 23 0 BTDC

5.2 Chất thải Hidro Cacbon

Một trong những ý nghĩa thuận lợi trong động cơ GDI 4 thì là có thể tái tạo lại khí UBHC( hidro cacbon) khi động cơ làm ấm hay khi mới khởi động Hệ thống phun trực tiếp có thể khử vấn đề này một cách triệt để nhất khi nhiên kiệu được phun thẳng góc vào trong xy lanh Kết quả là nó rất thích hợp cho quá trình làm giàu nhiên liệu và bồi hoàn

Động cơ tiêu chuẩn và mức khí xả trong động cơ GDI và PFI khi khởi động lạnh được so sánh bởi Shimotani Nó đã được quan sát và trình bày ở động cơ GDI sự tăng nhanh trong IMEP theo kim phun đầu tiên Đây là những thuộc tính về sự hình thành và lớn lên của bản nhiên liệu trong kỳ hút và trên thành của động cơ PFI, khi khối lượng nhiên liệu vào trong xy lanh không đủ

để kim phun trong một lần thì không cần thiết để cấ liệu cho kim phun Cuối cùng, đánh lửa sai và cháy sớm sẽ tạo ra HC trong chu trình Để bù cho nhiên liệu nhận được trong mạch dao động cho thành xy lanh, nhiên liệu phải được thêm vào để tránh làm lạnh động cơ khi khởi động trong hệ thống GDI.Tuy nhiên có thể khởi động được khi hòa khí rất nghèo

Anderson thì so sánh sự khởi động lạnh trong động cơ GDI và PFI Biểu đồ IMEP hình 84(a) khẳng định rằng quá trình đánh lửa động cơ GDI diễn ra trong 2 chu kỳ,sau

đó là quá trình đánh lửa sai và cháy sớm sẽ xảy ra Động cơ GDI có quá trình cháy tốt hơn PFI ,vì PFI có quá trình cháy diễn ra nhanh hơn nên sẽ dễ đánh lửa sai và cháy sớm.Chỉ số IWEP cao chỉ ra rằng để đạt được trong 2 vòng chu kỳ.

Hình 85 : Khả năng tái tạo lại HC trong NISSAN sử dụng GDI khởi động

lạnh

Đối lập với nồng độ HC khi khởi động lạnh,nồng độ HC khi tải thấp hoạt động giống với động cơ DISC Trong hệ thống phun xăng trực tiếp, ngọn lửa không đồng nhất với chế độ hòa khí nghèo tại khu vực mà hòa khí chuyển từ giàu sang nghèo Ngọn lửa giàu được hòa trộn tại khe hở bugi khi hòa khí nghèo sẽ sinh ra HC khi có tải trong động cơ GDI Khi nhiệt độ khí xả thấp ,nó làm cho bộ xúc tác ba tác dụng hoạt động khó khăn Kết quả của quá trình tạo ra HC trong động cơ GDI có thể được tóm lại như sau :

 Ngọn lửa yếu tạo ra hòa khí cực nghèo hòa trộn gần khu vực biên của động cơ nạp.

 Sự cháy yếu có thể làm giàu khu vực đỉnh piston hoặc thành xy lanh

 Nhiệt độ ngọn lửa thấp làm giảm khả năng xảy ra HC

 Nhiệt độ khí xả thấp làm giảm bớt hiệu quả của bộ xúc tác.

 Nhiệt độ khí xả thấp làm giảm khả năng tạo ra HC tại ống Pô

Tóm lại, khi có hệ thống phun xăng trực tiếp thì làm giảm khả năng xảy ra

HC khi cầm chừng Khi động cơ có tải hoạt động ở tốc độ cao,thì HC chỉ được sinh ra trong quá trình hòa trộn nhiên liệu trước Khi EGR hoạt động ở tải thấp thì HC bị loại trừ

•Mức độ thải HC ở động cơ trong một xy lanh HC thải ra ở ống xả trong 1 xy lanh

Hình 86: Kết quả thí nghiệm trên động cơ GDI ISUZU LA-4 ở động cơ thứ 11

Như chúng ta biết sử dụng động cơ nạp làm ngọc lửa xảy ra nhanh hơn hơn trong quá trình cháy đồng nhất Khi gắn hệ thống EGR có thể làm cho quá trinh cháy xảy ra chậm do đó làm cho thời điểm đánh lửa bị trễ Tỉ lệ KK/NL lớn, Nhưng nó không cải thiện quá trình cháy sạch làm cho khí xả tăng lên HC được sử dụng lại trong hệ thống EGR,nhưng cơ cấu rất phức tạp, làm cho quá trình cháy khó khăn,làm trễ thời điểm đánh lửa Tuy nhiên Jackson và Lakes lại có một báo cáo cho rằng HC tạo ra trong PFI và GDI có thể giống nhau khi ta cho chúng cùng tỉ số KK/NL Quá trình thoát HC sẽ xảy ra thuận lợi khi gắn trêm hệ thống EGR.Khả năng đặc biệt của hệ thống EGR là có thể đem HC thải

ra tham gia lại quá trình cháy như vậy quá trình cháy sẽ sạch HC hơn.

5.2.2 NOx

Khi khí cháy bắt đầu sạch, quá trình cháy sạch của động cơ PFI tạo ra

NOx và trong động cơ Kết quả của quá trình này là không khí bị ô nhiễm Tuy nhiên sự phát triển của động cơ GDI với động cơ nạp tuy nhiên, trong hệ thống GDI vùng phản ứng vẫn còn có nhiệt độ rất cao dẫn đến việc phải bù hệ số lượng vào cho hòa khí giàu Động cơ GDI có thể đạt được mức tiết kiệm nhiên liệu thuận lợi có thể chống được tiếng gõ lớn ở tỉ số nén cao, nhưng khó có thể khống chế được NOx Một điều nữa là nhiệt độ bên trong xy lanh cao bởi khối lượng tỉ số nén lớn khi bướm ga mở rộng Một điều nữa là mức NOx của động

cơ GDI khi không có hệ thống hồi lưu ,khí thải EGR sẽ giống như trong động

cơ PFI, mặc dù một số loại động cơ GDI có thể hoạt động ở tỉ số nén lớn tại tải thấp

Như mô tả trong sử dụng thời kim phun sớm ở một động cơ GDI có thể sản sinh NOx giống như PFI Kim phun ở 300 ATDC vào kỳ hút(-1500C ATDC trong hình) thì sản sinh lượng NOx cao nhất.

Góc đánh lửa sớm có ảnh hưởng mạnh đến sự phát sinh NO Khi tăng góc đánh lửa sớm, điểm bắt đầu cháy xuất hiện sớm hơn trong chu trình công tác, áp suất cực đại xuất hiện gần ĐTC hơn do đó giá trị của nó cao hơn Vì vậy, tăng góc đánh lửa sớm cũng làm tăng nhiệt độ cực đại Mặt khác, vì thời điểm cháy bắt đầu sớm hơn nên thời gian tồn tại của khí cháy ở nhiệt độ cao cũng kéo dài Hai yếu tố này đều tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành NO

Vì vậy tăng góc đánh lửa sớm làm tăng nồng độ NO trong khí xả Trong điều kiện vận hành bình thường của động cơ, giảm góc đánh lửa 10 độ có thể giảm nồng độ NO từ 20 ÷ 30% cùng áp suất cực đại của động cơ

Một động cơ ví dụ như là GDI thiết kế để hoạt động hòa khí nghèo và hòa khí cưc nghèo,nó hầu như không có tác dụng khi dùng bộ xúc tác 3 tác dụng

dể khử NOx, do đó nên sử dụng công nghệ tái tạo NOx trong xy lanh một hệ thống xử lí khí xả khác

So sánh về khả năng tái sản xuất NOx trong động cơ PFI, GDI và động cơ Diesel được

mô ta trên hình 88 Rõ rằng NOx sinh ra ít độc hại hơn NOx được sinh ra có thể tạo ra được áp suất chân không sử dụng bướm ga Hệ thống thắng chống áp lực chân không (VPBS)luôn sử dụng chân không qua bướm ga hơn là sử dụng hệ thống bơm chân không Một vài động cơ GDI chứng minh được khi so sánh khí xả và nhiên liệu với sử dụng bướm ga Hệ thống bướm ga điều khiển điện tử thường được sử dụng cho GDI bởi vì nó là một hệ thống cơ khí tiên tiến và được TOYOTA sử dụng

Hình 88: Hiệu suất của EGR để tái sử dụng NO x ở những kiểu khác nhau trên

đỉnh ngọn lửa

Động cơ SI sử dụng EGR rộng rãi để tiết kiệm nhiên liệu, có nhiều báo cáo cho rằng động cơ GDI mạnh gấp đôi khi sử dụng bộ xúc tác làm nghèo NOx Bởi vì EGR không tái sản sinh NOx khi chạy có tải và chúng được sử dụng hầu hết trên thế giới( Nam Mỹ, Châu Âu, Nhật) Một số công nghệ cho rằng NOx trong quá trình cháy nghèo và động cơ nạp Chúng được tóm tắt bên dưới đây:

Kiểm soát NOx khi động cơ nghèo

Kiểm soát NOx khi tỉ số nhiên liệu không khí cao

Không có HC để kiểm soát NOx

 Hoạt động ở áp suất cao khi hoạt động ở 300-500 0 C

Hình 89 : Khả năng tái tạo NO x trên động cơ GDI Mitsubisi sử dụng

Hình 90 : Khả năng tái tạo NO x trên động cơ GDI TOYOTA sử dụng

Một trong những vấn đề khi sử dụng hệ thống hồi lưu NOx cho hỗn hợp cháy nghèo để có thể giảm được khí xả khi động cơ có tải Trong suốt quá trình làm sạch động cơ, bất kỳ những thành phần tạo ra tỉ lệ nhiên liệu thì ngay lập tức tạo ra công suất động cơ Trong động cơ Toyota D-4 sử dụng hệ thống GDI, nhiên liệu được phun liên tục trong suốt quá trình hút và tạo ra hỗn hợp giàu tại đỉnh thì đạt được cự ly xa gấp

50 lần Sử dụng động cơ nạp tại đỉnh rất phức tạp bởi vì không những

nó cung cấp nhiên liệu nhiều mà còn đánh lửa chậm Nhưng nó luôn luôn kiểm soát thời điểm đánh lửa, khi bướm ga mở và van SCV và EGR hoạt động Có báo cáo cho rằng, mức NOx cho động cơ mà không

có EGR hoặc NOx Catalyst là 1,85 g/km ở Nhật sau 10-15 lần thử Với

hệ thống EGR, NOx gi ảm xuống còn 0,6 g/km, tức là giảm đến 67%

Và có thể giảm xuống còn 0,1 g/km khi xử dụng bộ NOx Catalyst

•6 Giới thiệu hệ thống đánh lửa của MISUBISHI

Hệ thống đánh lửa của động cơ GDI Misubishi được phát minh bởi Kume, Ando, Kuwahara, Kamara và Takada, Yamamoto,Yamaguchi, McCann,Auer, Schreffler, Demmler, Lewis, Ward và Treece Biểu đồ bố trí động cơ, động cơ lượt cắt,hệ thống xy lanh Piston chỉ ra ở hình 101-103.

Biểu đồ bố trí động cơ

Biểu đồ lượt cắt động cơ

Đặc điểm chủ yếu của động cơ 1,8L ,GDI 4 xy lanh là :

•4 xy lanh

•Van DOHC buồng cháy nghiêng

•Xy lanh 81 x 89 mm

•Đánh lửa trung tâm

•Hòa khí trực tiếp sử dụng buồng cháy trung tâm

•Tỉ số Lực trộn hút 1,8

•Phun áp suất cao, xoáy lốc

•Sử dụng Common-rail áp lực phun 5 Mpa

•Sử dụng bướm ga phẳng đều khiển điện tử

•Hệ thống đánh lửa 60 mJ, sử dụng Bugi Platium khe hẹp

•TỈ số Nhiên liệu không khí 40:1 khi có tải

•Tải cao phun sớm

•Sử dụng hệ thống hồi lưu khí xả EGR, bộ xúc tác NOx

•Chỉ số otan cho xăng A92

•Tốc độ cầm chừng 600rpm

•Công suất 112Kw HS ở 65 ở rpm