Giáo trình Ô tô và ô nhiễm môi trường - Chương 8: Nhiên liệu khí - Một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường

s phụ thuộc vào nhiệt độ lưu trữ và được hút vào lỗ A và van thứ nhất B. Trong khoang đầu tiên C thực hiện đồng thời sự bốc hơi và giãn nở sơ bộ đến áp suất khoảng 0,7 bar. Khoang này được cấp nhiệt bởi hệ thống làm mát động cơ D. Sự giãn nở tiếp theo được thực hiện nhờ van E đến áp suất định trước phụ thuộc vào áp suất chuẩn do lỗ F tạo ra. LPG lỏng Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường 139 Hình 8.11: Bộ bốc hơi-giãn nở 8.3.3.2. Bình chứa nhiên liệu Hình 8.12: Các dạng bình chứa nhiên liệu LPG Nhiên liệu LPG trên ô tô thường được nén trong bình chứa dưới áp suất khoảng 10 bar. Bình chứa nhiên liệu khí thường có dạng trụ và hai đầu hình bán cầu. Đôi khi bình chứa cũng có dạng hình xuyến (hình 8.12). Dạng bình chứa này giống hệt bánh xe, thường được sử dụng đối với động cơ lưỡng nhiên liệu vì nó có thể đặt vào không gian của bánh xe dự trữ. Để khởi động dễ dàng khi động cơ ở trạng thái nguội, lưu lượng khí ga được gia tăng nhờ mở van ở tầng thứ hai do một nút điều khiển bằng tay G hay một chốt điện từ điều khiển từ xa. Hiện nay phổ biến trong thương mại là phương pháp tạo hỗn hợp bằng bộ chế hòa khí. Các trang bị chế tạo sẵn để cải tạo động cơ xăng sang động cơ LPG gồm: bình chứa LPG, bộ bốc hơi-giãn nở được sấy nóng bởi trích nước làm mát từ động cơ và bộ hỗn hợp dạng Venturi. Lưu lượng ga được khống chế đồng thời bởi bộ giãn nở và hệ thống điều chỉnh lượng nhiên liệu điện tử thông qua các thông tin cần thiết để điều chỉnh lượng xăng Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường 140 Nhìn chung, trọng lượng của bình chứa lớn vì phải chế tạo bằng thép dày khoảng vài mm để đảm bảo an toàn cho ô tô và hành khách đặc biệt là khi xảy ra tai nạn. Ở Pháp bình chứa LPG trên ô tô phải qua thử nghiệm hai bước: bước đầu dưới áp suất tĩnh 30 bar; bước thứ hai thử va chạm (50km/h và dừng) ở áp suất 11 bar trong bình chứa. Bố trí hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG trên ô tô được trình bày trên hình 8.13. Hình 8.13: Bố trí các hệ thống trên ô tô LPG 8.4. Tổng hợp kinh nghiệm về ô tô dùng LPG Sử dụng LPG làm nhiên liệu cho động cơ nói chung là rất có lợi không những về tính kinh tế mà còn làm giảm rất rõ rệt mức độ ô nhiễm môi trường so với động cơ sử dụng nhiên liệu cổ điển (xăng, diesel). 8.4.1. Tính năng của ô tô LPG Tính năng của động cơ LPG thường được so sánh với động cơ xăng cùng cỡ. 8.4.1.1. Momen, công suất Trước đây động cơ dùng LPG có momen, công suất thấp hơn động cơ xăng cùng cỡ do phun nhiên liệu khí vào đường nạp qua họng Venturi làm giảm hệ số nạp động cơ. Tuy nhiên, trên những động cơ LPG hiện đại, nhiên liệu khí được phun trực tiếp ở dạng lỏng, nên chúng có tính năng kinh tế-kĩ thuật tương đương với động cơ xăng. Thật vậy, so sánh nhiệt trị thể tích của hỗn hợp không khí-xăng và không khí-LPG (ở độ đậm đặc bằng 1) cho thấy xăng cho giá trị cao hơn 3%. Tuy nhiên, không phải chỉ có nhiên liệu gây ra sự khác biệt về momen và công suất động cơ mà các đặc trưng của hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG cũng gây ảnh hưởng đáng kể. Chẳng hạn khi LPG được phun dưới dạng lỏng, sự Đầu nối để nạp LPG Bộ chuyển xăng/LPG Đồng hồ xăng/LPG Hỗn hợp không khí-gas Bộ giãn nở-bốc hơi Cảm biến lambda Bộ vi xử lý LPG Đường nạp LPG Bình chứa LPG Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường 141 bốc hơi của nó trên đường nạp làm giảm nhiệt độ khí và do đó làm tăng khối lượng riêng của hỗn hợp, cải thiện được hệ số nạp. Ngược lại khi phun nhiên liệu dạng khí, hệ số nạp bị giảm so với động cơ xăng. Thêm vào đó, sự hiện diện của họng Venturi trên đường nạp gây ra sự xáo trộn động lực học và đó cũng là nguyên nhân làm giảm momen động cơ. 8.4.1.2. Suất tiêu hao nhiên liệu Suất tiêu hao nhiên liệu tính theo thể tích và tính theo khối lượng nhiên liệu của động cơ LPG so với động cơ xăng có lợi thế khác nhau. Trong thực tế nếu so sánh năng lượng tiêu hao trên 100km hành trình (J/100km) thì nhiên liệu LPG được xếp ở vị trí tương đối tốt, thấp hơn động cơ xăng khoảng vài phần trăm. Điều này là do sự lắp đặt hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG mới có khả năng phun nhiên liệu với độ chính xác cao. Mặt khác, hệ thống mới còn dự kiến cả việc cắt nhiên liệu khi giảm tốc độ cho phép giảm suất tiêu hao nhiên liệu đến mức thấp nhất. Thêm vào đó, nếu LPG giàu propane, chỉ số octane của nó rất cao nên có thể tăng tỉ số nén động cơ dẫn đến giảm suất tiêu hao nhiên liệu khoảng 5%. 8.4.2. Mức độ phát ô nhiễm Ô tô sử dụng LPG phát sinh rất ít ô nhiễm. Đây là đặc điểm rất đáng quan tâm đối với công tác bảo vệ môi trường. 8.4.2.1. Các chất ô nhiễm thông thường Như được giới thiệu trên hình 8.14, sự phát sinh ô nhiễm trong khí xả động cơ LPG giảm đi rất đáng kể so với động cơ xăng. Bảng 8.3 cho thấy một ô tô sử dụng LPG thõa mãn một cách dễ dàng tiêu chuẩn Cộng đồng Châu Âu 2000 và tiêu chuẩn California ULEV (ô tô phát ô nhiễm cực thấp). Nổi bật nhất là mức độ giảm CO. Điều này một mặt là do tỉ số H/C đối với LPG cao hơn xăng mặt khác do hỗn hợp được hòa trộn đồng đều hơn khi động cơ sử dụng LPG. Mức độ giảm NOx cũng quan trọng, đặc biệt là khi động cơ hoạt động ở khu vực gần đầy tải do nhiệt độ màng lửa nhiên liệu khí thấp hơn màng lửa xăng. Còn mức độ phát sinh HC thấp chủ yếu là do LPG bay hơi rất dễ dàng (không có lớp nhiên liệu lỏng trên đường nạp), lượng nhiên liệu lỏng bám trên thành buồng cháy thấp và lượng nhiên liệu hấp thụ bởi lớp dầu bôi trơn bé. Chúng ta cũng thấy trên hình 8.15 rằng HC trong khí xả chủ yếu là sản phẩm nhẹ (C1-C4) ít độc hơn hydrocabure nặng trong khí xả động cơ xăng hay Diesel. Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường 142 Hình 8.14: So sánh mức độ phát ô nhiễm của ô tô dùng xăng và LPG Bảng 8.3: Mức độ phát ô nhiễm của ô tô sử dụng LPG so với các tiêu chuẩn khắt khe nhất hiện nay Chất ô nhiễm Giới hạn cho phép Mức độ phát ô nhiễm Europe 2000 (g/km) California ULEV (g/mile) Chu trình Europe (g/km) Chu trình FTP75 (g/mile) CO 2,30 1,70 0,16 0,14 HC 0,20 0,04 0,031 0,032 NOx 0,15 0,20 0,02 0,065 Quá trình thử theo tiêu chuẩn không hoàn toàn thích hợp với điều kiện vận hành trong thực tế vì nhiệt độ môi trường có thể gây ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ. Tuy nhiên, đối với động cơ LPG ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường không đáng kể (hình 8.16). Kết quả này làm tăng thêm ưu điểm của động cơ LPG về mặt phát sinh ô nhiễm, đặc biệt đối với dự luật về ô nhiễm môi trường khi động cơ làm việc ở nhiệt độ nạp thấp. 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1 2 3 NOx (g/km) HC (g/km) CO (g/km) Giới hạn Euro 93 Giới hạn Euro 96 Xăng LPG Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường 143 Hình 8.15: So sánh thành phần hydrocarbure trong khí xả của ô tô dùng xăng và LPG Hình 8.16: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến mức độ phát sinh ô nhiễm của ô tô 8.4.2.2. Các chất ô nhiễm đặc biệt Nói chung, các chất ô nhiễm đặc biệt trong khí xả động cơ sử dụng LPG rất thấp. Những chất độc là những chất có nguồn gốc benzène. Mức độ phát sinh của chúng trong khí xả khoảng 0,1mg/dặm đối với động cơ LPG. Trong khi đó đối với động cơ xăng, mức độ phát sinh là 8mg/dặm. Nồng độ buta-1,3-diène cũng thấp, 10 lần thấp hơn động cơ 0,4 0,8 1,2 5 10 0,97 0,5 2,2 2,72 Euro 93 Euro 96 22°C 14°C 7°C 0°C -7°C -15°C 22°C -7°C 22°C -7°C HC+NOx (g/km) CO (g/km) Diesel LPG Xăng Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường 144 xăng. Sự cải thiện nồng độ aldéhydes dù có ít hơn những chất khác nhưng cũng làm giảm đi 50% so với động cơ xăng. Một ưu thế đặc biệt của nhiên liệu LPG là không cần pha thêm những chất phụ gia để làm tăng chỉ số octane nên trong sản phẩm cháy của nó không có chứa những chất độc như chì. 8.4.3. Viễn ảnh phát triển động cơ LPG Sự phát triển của động cơ LPG trong tương lai phụ thuộc nhiều vào chính sách thuế của từng nước đối với loại nhiên liệu này. Một số nước (Ý, Hà Lan, Hàn Quốc...) từ lâu đã có chính sách thuế ưu đãi để phổ biến nhiên liệu LPG. Tuy nhiên, việc sử dụng rộng rãi LPG trên hầu hết các phương tiện vận tải là khó có thể thực hiện được. Trước mắt, việc áp dụng LPG trên xe bus, taxi, xe tải giao hàng... là rất thực tế. Trong lĩnh vực đó, chỉ có một loại nhiên liệu có thể cạnh tranh với LPG là khí thiên nhiên dùng cho ôtô NGV, nhiên liệu có mức độ phát ô nhiễm còn thấp hơn LPG đối với một số chất. Theo những phân tích trên đây, ô tô nhiên liệu khí dầu mỏ hóa lỏng LPG rất có lợi đối với công tác bảo vệ môi trường. Ở nước ta, việc phát triển loại động cơ này ngoài mục đích bảo vệ môi trường còn góp phần thúc đẩy ngành công nghiệp dầu khí phát triển. Thật vậy, trong một tương lai gần, các nhà máy lọc dầu của ta sẽ bắt đầu hoạt động, sản phẩm LPG nếu được tiêu thụ ngay trên thị trường nội địa sẽ góp phần không nhỏ cho giải quyết vấn đề lưu kho của nhiên liệu khí hóa lỏng. Để các chủng loại động cơ LPG có thể phát triển rộng rãi, một mặt, chúng ta nên có một chính sách khuyến khích ở tầm vĩ mô trong việc điều tiết giá cả và thuế giữa các loại nhiên liệu và mặt khác, chúng ta cũng cần đầu tư cơ sở hạ tầng nhất định cho hệ thống cung cấp LPG. Hình 8.17 giới thiệu một trạm cung cấp LPG cho ô tô ở Pháp. Hình 8.17: Một trạm cung cấp LPG cho ô tô ở Pháp 165 Chương 9 XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỘNG CƠ Ô TÔ NHẰM LÀM GIẢM Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG Để đáp ứng với yêu cầu của luật bảo vệ môi trường ngày càng trở nên khắt khe, các nhà chế tạo ô tô đã không ngừng cải tiến sản phẩm của mình. Những tiến bộ mới đây trong lĩnh vực tổ chức quá trình phun nhiên liệu nhờ ứng dụng thành tựu của kĩ thuật điều khiển cũng như sử dụng các loại nhiên liệu khí để chạy động cơ đã tạo ra một viễn ảnh khá lạc quan cho sự phát triển động cơ nhiệt truyền thống. Trong chương này, chúng ta sẽ đề cập đến các xu hướng hoàn thiện động cơ đốt trong lắp trên các phương tiện giao thông vận tải. 9.1. Cải thiện tính năng của động cơ truyền thống 9.1.1. Động cơ đánh lửa cưỡng bức làm việc với hỗn hợp cháy hoàn toàn lí thuyết Động cơ này được phát triển để bảo đảm tính hiệu quả của việc xử lí khí xả bằng bộ xúc tác 3 chức năng. Trong nhiều năm qua, loại động cơ này chưa có những cải tiến gì đáng kể. Các cải tiến hiện nay tập trung vào việc nâng cao tính kinh tế và giảm thời gian khởi động của bộ xúc tác. 9.1.1.1 Cải thiện hiệu suất Hiệu suất thực tế mà động cơ đạt được hiện nay còn cách xa so với hiệu suất lí thuyết mà nó đạt được khi làm việc trong điều kiện khí trời. Kĩ thuật nâng cao hiệu suất được quan tâm hiện nay là giảm tổn thất bơm trong chu trình công tác và giảm tổn thất nhiệt ở tải cục bộ nhờ hồi lưu khí xả. Kĩ thuật này đồng thời cũng góp phần làm giảm NOx và tạo điều kiện thuận lợi cho việc xử lí khí xả bằng bộ xúc tác. Sự khác biệt giữa các kĩ thuật này thể hiện ở cách thức nạp khí xả hồi lưu. Chẳng hạn theo phương pháp Ricardo, khí mới nạp vào động cơ được thực hiện nhờ hai ống dẫn khác nhau: một ống dẫn không khí giống như ống nạp truyền thống và ống còn lại, có độ tiết lưu thay đổi theo điều kiện làm việc, dẫn hỗn hợp không khí và khí xả hồi lưu. Sự phân lớp khí nạp như vậy cần thiết trong trường hợp tỉ lệ khí xả hồi lưu cao. Hệ thống vừa mô tả có thể làm tăng hiệu suất khoảng từ 6÷8% đối với động cơ làm việc với hỗn hợp cháy hoàn toàn lí thuyết. Sự phát sinh NOx ở nguồn, nghĩa là trước khi Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường 166 vào ống xả xúc tác, giảm từ 85÷90% nhưng nồng độ HC gia tăng khoảng 10%. Điều này không gây khó khăn gì trong việc xử lí khi bộ xúc tác làm việc bình thường. Một hệ động cơ khác ngày nay đang được nghiên cứu áp dụng, đó là động cơ làm việc theo chu trình Miller. Khác với chu trình Beau de Rochas, ở động cơ này hành trình nạp và nén khác với hành trình giãn nở và thải. Thực ra chỉ có quá trình nạp và nén được thực hiện khác với động cơ truyền thống: soupape nạp đóng trước ĐCD khi piston đi xuống. Kết quả là tỉ số nén thực bị giảm nhưng điều đó không gây ảnh hưởng đến hiệu suất chu trình nhiệt của động cơ vì hiệu suất của chu trình bị ảnh hưởng chủ yếu bởi tỉ số giãn nở của khí cháy. Sử dụng chu trình Miller cho phép giảm tổn thất bơm. Bướm ga trở nên không cần thiết vì thời gian mở soupape nạp quyết định lượng khí nạp vào cylindre. Hãng Mazda từ năm 1993 đã thương mại hóa ô tô trang bị động cơ làm việc theo chu trình này. Động cơ Mazda làm việc theo chu trình Miller có tỉ số nén và giãn nở khác nhau, nhưng soupape nạp đóng sau ĐCD chứ không phải trước ĐCD như chu trình Miller cổ điển. Thêm vào đó, sự định lượng khí nạp mới cũng được thực hiện nhờ bướm ga. Mặt khác động cơ cũng được trang hệ thống tăng áp và hệ thống làm mát trung gian khí nạp. Việc áp dụng các hệ thống này cho phép nâng cao tính năng của động cơ dù tỉ số nén thực tế bé. Thêm vào đó, việc sử dụng hệ thống tăng áp hạn chế được hiện tượng quay ngược khí ga vào đường nạp. So với động cơ cổ điển có cùng dung tích cylindre, động cơ Mazda có công suất và momen cao gấp 1,5 lần và suất tiêu hao nhiên liệu giảm từ 10 đến 15%. Một phương án khác nhằm cải thiện hiệu suất động cơ là cho ngưng hoạt động của soupape nạp và xả của một vài cylindre khi động cơ làm việc ở chế độ tải cục bộ và tốc độ thấp. Lợi ích chủ yếu của giải pháp này là giảm vùng áp suất thấp của chu trình. Khi đó một vài cylindre không hoạt động còn các cylindre khác hoạt động ở tải lớn hơn so với khi nó làm việc theo phương pháp phối khí cổ điển. Kết quả là tổn thất bơm giảm. Kĩ thuật này làm giảm ma sát động cơ và cải thiện được quá trình cháy trong trường hợp tải rất thấp. Hãng Mitsubishi từ năm 1994 đã phát triển hệ thống này. Hệ thống có tên gọi là MIVEC (Mitsubishi Innovative Valve timing and lift Electronic Control). Ngoài việc cho ngừng họat động một số soupape ở tải thấp, hệ thống này còn được trang bị thêm một hệ thống điều chỉnh góc phối khí và độ nâng soupape. Động cơ trang bị hệ thống MIVEC cho phép giảm suất tiêu hao nhiên liệu đến 30% ở chế độ không tải và giảm hơn 15% khi thử theo chu trình tiêu chuẩn của Nhật. Công suất và momen của động cơ có thể cao hơn 15% so với động cơ cổ điển. Kĩ thuật điều chỉnh góc độ phối khí theo tải động cơ cũng là hướng nghiên cứu được nhiều nhà chế tạo quan tâm. Thường hướng lựa chọn thiên về việc làm giảm đến mức thấp nhất khoảng trùng điệp của các soupape ở chế độ tải thấp để làm giảm lượng khí sót trong cylindre và cải thiện quá trình cháy. Trong trường hợp tải lớn, góc độ trùng điệp của các soupape phải tăng lên để tạo điều kiện thuận lợi cho việc nạp đầy cylindre nghĩa là Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường 167 cải thiện hệ số nạp và từ đó làm tăng hiệu suất động cơ. Mặt khác, sự modul hóa khoảng trùng điệp của soupape cho phép làm giảm mức độ phát sinh HC và NOx. Trong thực tế, người ta có thể phối hợp giữa việc điều chỉnh góc độ phối khí với sự thay đổi luật nâng soupape. Nhìn chung, độ nâng của soupape ở chế độ tốc độ thấp nhỏ hơn độ nâng ở chế độ tốc độ cao. Hệ thống này đã được hãng Honda phát triển với tên gọi là VTEC (Variable valve Timing and lift Electronic Control). Nó được trang bị trên động cơ có 4 soupape cho mỗi cylindre. Mỗi soupape mở theo một một luật riêng phụ thuộc chế độ làm việc của động cơ. 9.1.1.2. Gia tốc quá trình khởi động bộ xúc tác Các bộ xúc tác 3 chức năng hiện nay được lắp đặt trên ô tô chỉ hoạt động hiệu quả sau khi động cơ đã làm việc khoảng 2-3 phút. Thường sau khoảng thời gian này bộ xúc tác mới đạt được nhiệt độ khởi động. Để gia tốc giai đoạn sấy, người ta có thể đặt ống xúc tác gần động cơ nhưng điều này không phù hợp khi động cơ làm việc ở tải cao. Vì vậy, người ta nghiên cứu những giải pháp khác phức tạp hơn. Một trong những giải pháp đó là lắp đặt ở trước bộ xúc tác chính một bộ xúc tác khởi động. Bộ xúc tác khởi động này có đặc điểm là nhiệt dung thấp và khởi động nhanh do đó nó cho phép xử lí khí xả ngay sau khi khởi động động cơ. Ngoài ra người ta cũng áp dụng một số những kĩ thuật khác như: - Sấy bộ xúc tác bằng điện: Bộ xúc tác này cho phép xử lí triệt để khí xả để đạt được tiêu chuẩn ULEV. Việc sấy thường được thực hiện ở bộ xúc tác khởi động. Công suất điện (cũng chính là năng lượng cần thiết) để gia tốc việc khử các chất ô nhiễm tới một giới hạn cho trước trong trường hợp đó thấp hơn là trong trường hợp sấy trực tiếp bộ xúc tác chính. Trong trường hợp cụ thể người ta sử dụng bộ sấy có công suất điện khoảng 1kW tiêu thụ chưa đầy 4Wh để đảm bảo khí xả động cơ thỏa mãn tiêu chuẩn ULEV. Các giá trị năng lượng tiêu tốn này sẽ tăng lên ít nhất 2 lần khi bộ sấy đặt ngay ở ống xúc tác chính. - Sấy bằng nhiệt do đốt nhiên liệu: năng lượng tỏa ra có thể do đốt cháy bộ phận nhiên liệu còn sót hoặc lượng nhiên liệu phun vào khí xả (hình 9.1). Cả 2 trường hợp đều cần phải cấp thêm một lượng không khí phụ vào ống xả để đảm bảo đốt cháy lượng nhiên liệu này. Hình 9.2 giới thiệu một ví dụ về giảm ô nhiễm nhờ sấy bộ xúc tác. Không khí thứ cấp Nhiên liệu Vòi đốt Bộ xúc tác –ng xả Động cơ Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường 168 Hình 9.1: Gia nhiệt bộ xúc tác bằng vòi đốt nhiên liệu Hình 9.2: Hiệu quả xử lí khí xả nhờ sấy bộ xúc tác - Phun không khí: Việc phun không khí được thực hiện ngay sau soupape xả bắt đầu khi khởi động động cơ. Giải pháp này cho phép điều chỉnh thành phần khí xả phù hợp với điều kiện xử lí tối ưu bằng bộ xúc tác ba chức năng, đồng thời nó cũng tạo điều kiện oxy hóa trước CO và HC góp phần làm tăng nhiệt độ bộ xúc tác. - Lưu giữ tạm thời HC: Việc lưu giữ tạm thời HC trong khí xả được thực hiện ở bộ hấp thụ (hình 9.3). Hệ thống này có thể đi kèm với bộ xúc tác khởi động. Hình 9.3: Hệ thống xúc tác có thêm bộ lưu giữ tạm thời HC Hiện nay các nhà chế tạo đang tiếp tục nghiên cứu các hệ thống này để có thể phát triển áp dụng trong những năm tới. Mặc dù chúng cần có một hệ thống điều khiển phức tạp và đắt tiền nhưng mang lại hiệu quả rất cao trong xử lí khí xả. 9.1.1.3. Động cơ đánh lửa cưỡng bức phun trực tiếp, Mức độ ô nhiễm khi động cơ hoạt động với bộ xúc tác cũ Sãy bằng đốt nhiên liệu còn lại trong khí xả (15kW) Sãy điện 3,5kW Sãy bằng vòi đốt nhiên liệu trên đường xả (15kW) Mức độ ô nhiễm (giá trị tương đối) ‘Bẫy’ chứa than hoạt tính Bộ xúc tác ba chức năng Van điều khiểnBộ xúc tác khởi động Động cơ Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường 169 làm việc với hỗn hợp nghèo Loại động cơ này cho phép nâng cao hiệu suất bằng cách cho động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo. Việc thiết kế chế tạo động cơ này rất phức tạp nên cho tới nay chúng vẫn chưa được áp dụng rộng rãi (chủ yếu áp dụng ở Nhật). Tuy nhiên do tính ưu việt của chúng về nhiều mặt, các nhà chế tạo đang khẩn trương nghiên cứu phát triển loại động cơ này. Hình 9.4: Tạo hỗn hợp ở tải thấp của động cơ Mitsubishi Động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo thế hệ đầu tiên được chế tạo dựa trên việc tối ưu hóa sự đồng nhất của hỗn hợp nhiên liệu cũng như sự phân bố nhiên liệu trong buồng cháy. Nhờ vậy, quá trình cháy trong các loại động cơ này được tiến hành một cách bình thường với độ đậm đặc của hỗn hợp thấp hơn so với động cơ cổ điển khoảng (f=0,7 - 0,8). Nến đánh lửa Vòi phun nhiên liệu Các ống tách dòng đường nạp Đầu piston định hình Hỗn hợp rất đậm Không khí Suất tiêu hao nhiên liệu (g/kWh) Mức độ phát sinh NOx (g/kWh) f = 1 f điều chỉnh Giới hạn ổn định Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường 170 Hình 9.5: Ảnh hưởng của độ đậm đặc đến suất tiêu hao nhiên liệu và mức độ phát sinh NOx của động cơ Honda VTEC Động cơ làm việc với hỗn hợp phân lớp cho phép nâng cao thêm hiệu suất công tác. Việc thiết kế chế tạo loại động cơ này rất được quan tâm hiện nay. Kĩ thuật động cơ làm việc với hỗn hợp phân lớp dựa trên việc tạo ra trong buồng cháy một hỗn hợp đậm đặc cục bộ (gần nếu đánh lửa) đủ để khởi động và đảm bảo sự lan tràn màng lửa phù hợp trong điều kiện thành phần hỗn hợp có độ đậm đặc thấp nhất. Hiện nay, hỗn hợp phân lớp chỉ dùng khi động cơ làm việc ở tải thấp; khi động cơ làm việc với tải cao, động cơ sử hỗn hợp cháy hoàn toàn lí thuyết. 9.1.2. Động cơ Diesel Động cơ Diesel cũng sẽ được tiếp tục cải tiến để nâng cao hiệu suất dù hiện nay nó đã có nhiều ưu điểm về mặt này. Về phương diện hạn chế mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ Diesel, các giải pháp kĩ thuật nói chung vẫn còn ở trong giai đoạn thí nghiệm. Cho tới những năm cuối của thập niên 1990, các kĩ thuật này vẫn còn áp dụng rất hạn chế vì nó đắt tiền và làm việc chưa thật đáng tin cậy. Các giải pháp đó là: . Bộ xúc tác giảm NOx . Lọc bồ hóng Việc áp dụng bộ xúc tác oxy hóa trên động cơ Diesel không vấp phải trở ngại gì đặc biệt. Chỉ có điều cần chú ý là hiệu quả của nó cao khi hàm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu thấp. Kĩ thuật xúc tác loại trừ NOx đang được phát triển. Việc ứng dụng kĩ thuật này đặt ra một số vấn đề về kĩ thuật, đặc biệt là vấn đề làm việc ổn định của bộ xúc tác theo thời gian. Mặt khác, bộ xúc tác loại trừ NOx đòi hỏi nhiên liệu không được chứa lưu huỳnh. Tuy hiện nay hiệu quả của nó thấp hơn bộ xúc tác 3 chức năng nhưng người ta có thể lạc quan tin rằng kĩ thuật này sẽ được áp dụng trong một tương lai gần. Kĩ thuật lọc bồ hóng có nhiều hứa hẹn sẽ được áp dụng trên ô tô du lịch cũng như ô tô vận tải. Tuy nhiên, việc áp dụng kĩ thuật này đòi hỏi những tiến bộ cả về lõi lọc lần kĩ thuật tái sinh lọc (xem chương 7). 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 bồ hóng (tương đối) Áp suất phun 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 n