Hệ thống tuần hoàn khí thải động cơ ô tô ERG
Các hợp chất Oxit Nitơ NOx ( NO, NO2, N2O5, N2O.... ) có trong khí thải của động cơ đốt trong là loại chất độc hại đối với môi trường và sức khỏe con người cần phải được hạn chế tối đa có thể. Trong động cơ đốt trong, NOx được hình thành chủ yếu ở điều kiện áp suất và nhiệt độ cao( từ 2500 độ F ) . Vì vậy, để giảm lượng phát thải NOx sinh ra trong quá trình cháy người ta có một số giải pháp chính sau đây:
- Làm giàu hỗn hợp không khí- nhiên liệu để hạ nhiệt độ cháy. Tuy nhiên , giải pháp này sẽ làm tăng lượng chất ô nhiễm HC và CO;
- Giảm bớt tỷ số nén của động cơ và góc đánh lửa sớm. Giải pháp này có ảnh hưởng xấu đến công suất và tính kinh tế nhiên liệu của động cơ;
- Sử dụng hệ thống tuần hoàn khí thải EGR ( Exhaust Gas Recirculation System), dưới đây được viết tắt là “ hệ thống EGR”.
Trong số các giải pháp vừa nêu thì việc sử dụng hệ thống EGR để giảm phát thải NOx là phương án hữu hiệu và hay được sử dụng nhất.
Về thực chất thì hệ thống EGR không phải là một cái gì mới lạ; nó đã bắt đầu được đưa vào sử dụng từ thập niên 70 của thể kỷ trước. Hệ thống này không chỉ được sử dụng cho động cơ đốt trong mà còn cho các loại Turbin. Theo Kraftfahr Technisches taschenbuch (Bosch), việc sử dụng hệ thống EGR cho phép giảm tới 60% lượng NOx có trong khí thải của động cơ. Ngoài tác dụng làm giảm lượng NOx, hệ thống EGR còn có tác dụng giảm đáng kể độ ồn đối với động cơ Diezen và giảm suất tiêu hao nhiên liệu đối với động cơ xăng.
Như ta đã biết ở quá trình nạp xả, trong xy lanh luôn tồn tại một lượng khí sót còn lại của chu trình cháy trước đó; lượng khí sót này phụ thuộc rất nhiều vào góc giao nhau giữa các xu páp hút, xu páp xả của hệ thống phối khí. Qua nghiên cứu, người ta thấy lượng khí sót này có ảnh hưởng tới nhiệt độ cháy và lượng NOx . Trong một số tài liệu, người ta gọi hiệu ứng này với cái tên “ Tuần hoàn khí thải tự nhiên”. Cũng trên cơ sở của hiện tượng này, hệ thống tự động điều chỉnh thời gian đóng mở xu páp ( CVVT- Continuos Variable Valve Timing ) ở một số loại động cơ cũng có tác dụng nhất định đến việc giảm lượng NOx có trong khí thải. Tuy nhiên, phương án này cũng chỉ cho phép giảm lượng NOx trong một giới hạn nhất định nào đó; để giảm NOx nhiều hơn thì người ta cần phải sử dụng hệ thống EGR.
Hình 1. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống EGR.
1- Động cơ 2- Đường ống nạp 3-Bầu lọc khí 4- Van chân không 5-Bộ điều khiển điện tử
6- Van điều khiển lượng khí xả tuần hoàn 7- Đường ống xả 8- Bộ xử lý Catalic
Nguyên lý làm việc của hệ thống EGR là dùng van và ống dẫn để đưa một lượng khí thải phù hợp quay trở lại trộn lẫn với khí tươi trong đường ống nạp trước khi nạp vào xy lanh ( hình 1 ). Sự có mặt của phần khí thải có trong hỗn hợp nhiên liệu- không khí ở buồng cháy có các tác dụng cụ thể sau đây:
- Làm giảm hàm lượng khí Oxy có trong cùng một lượng hỗn hợp;
- Làm giảm nhiệt độ buồng cháy do nhiệt dung của khí xả lớn hơn nhiệt dung của không khí;
- Cản trở và làm giảm tốc độ lan tràn màng lửa trong buồng cháy ( giảm tốc độ cháy ).
Tất cả các điều này dẫn tới việc làm giảm áp suất, nhiệt độ cháy và từ đó làm giảm lượng NOx được hình thành. Trong hình 2 cho thấy kết quả thử nghiệm ảnh hưởng của lượng khí thải tuần hoàn đến lượng NOx đối với động cơ BMW 3.0, tại số vòng quay 2500 vg/min: ở chế độ công tác 72Nm, khi đưa một lượng khí thải bằng 8% thể tích hỗn hợp thì so với trường hợp không có khí thải tuần hoàn ( 0 % ) hàm lượng NOx giảm từ 2500 ppm xuống còn 900 ppm; Ở chế độ công tác 96 Nm, khi lượng khí thải tuần hoàn bằng 14,2 % thể tích hỗn hợp thì hàm lượng NOx giảm từ 3200 ppm xuống còn 1000 ppm.
Hình 2. Ảnh hưởng của lượng khí thải tuần hoàn đến NOx của động cơ BMW 3.0, tại vòng quay 2500 vg/min Einfluss von Abgasrückführung am Ottomotor auf Druck -und Heizverlauf - HAW Hamburg.
Ngoài tác dụng chính vừa nêu thì riêng đối với các loại động cơ xăng, việc sử dụng hệ thống EGR còn có tác dụng trong việc làm giảm suất tiêu hao nhiên liệu. Điều này có thể được lý giải như sau: ở động cơ xăng, việc điều chỉnh công suất được thực hiện theo nguyên lý thay đổi lượng hỗn hợp không khí - nhiên liệu nạp vào xy lanh thông qua việc điều khiển độ đóng mở của bướm ga ( điểu chỉnh về lượng ) và tổn thất trên đường nạp lại phụ thuộc vào độ đóng mở của bướm ga; Khi làm việc ở chế độ phụ tải, tại cùng một điểm công tác, việc trộn khí thải lẫn với khí tươi sẽ cho phép người ta mở to bướm ga hơn so với trường hợp không trộn khí thải và như vậy sẽ có tác dụng giảm bớt các tổn thất phát sinh do lực cản của bướm ga. Kết quả thí nghiệm động cơ xăng cho thấy, ở chế độ phụ tải , việc sử dụng hệ thống EGR điều khiển tự động có thể cho phép giảm tới 5 % suất tiêu hao nhiên liệu so với động cơ không trang bị hệ thống này Abgasrückführung http://de.wikipedia.org.
Hệ thống EGR thế hệ đầu có kết cấu rất đơn giản và chủ yếu được sử dụng trên các động cơ lắp chế hòa khí. Độ đóng mở của van điều khiển lưu lượng khí thải phụ thuộc chủ yếu vào độ chân không ở chế hòa khí và điều này dễ dẫn tới các sự cố khi xử dụng. Khi khởi động ở nhiệt độ thấp, bướm gió của bộ chế hòa khí thường được đóng bớt lại để làm tăng độ chân không và làm đậm hỗn hợp nhiên liệu- không khí; Vì vậy, nhiều khi ở chế độ này, độ chân không trong đường nạp đã đủ lớn để mở van điều khiển lưu lượng khí thải của hệ thống EGR và làm ảnh hưởng xấu đến khả năng khởi động và tăng tốc của động cơ.
Nhược điểm này được khắc phục vào những năm 80 của thế kỷ trước thông qua việc sử dụng hệ thống EGR điều khiển điện tử ( hình 1 ). Ở hệ thống này, độ chân không trong đường nạp chỉ là một trong số các tham số được thu thập để xử lý và điều chính độ đóng mở của Van điều khiển khí thải tuần hoàn. Ngoài ra, để có thể kiểm soát sự hoạt động của hệ thống EGR, người ta đã cài đặt vào Hệ thống OBD ( Onboard Diagnostic System – xin xem Tạp chí Đăng kiểm số 1 & 2/2008) một số tính năng kiểm soát các bộ phận trong hệ thống EGR như nhiệt độ, áp suất trong ống nạp, độ đóng mở của van điều khiển khí xả tuần hoàn....
Về mặt kỹ thuật, việc trang bị hệ thống EGR cũng làm nẩy sinh một số mâu thuẫn nhất định, cụ thể là giữa việc giảm lượng khói đen với giảm lượng NOx. Việc lượng khí thải tuần hoàn làm giảm nhiệt độ cháy sẽ có tác dụng làm giảm NOx nhưng lại làm tăng một cách đáng kể lượng khói đen do nhiên liệu không cháy hết. Ngoài ra, việc hòa trộn quá nhiều khí thải cũng có thể làm giảm công suất của động cơ. Riêng ở động cơ xăng, khi nhiệt độ cháy giảm sẽ làm tăng đáng kể lượng CO và HC có trong khí thải.
Để giải quyết vấn đề này, người ta phải tiến hành các thí nghiệm nhằm tìm ra lượng khí thải tuần hoàn tối ưu cho các chế độ làm việc của từng loại động cơ. Kết quả nghiên cứu cho thấy, việc hòa trộn khí thải đề giảm lượng NOx đem lại hiệu quả khi động cơ làm việc ở khu vực phụ tải; Tuy nhiên, tuần hoàn khí xả không có ảnh hưởng tích cực đối với chế độ chạy cầm chừng và chế độ toàn tải, trong một số trường hợp còn làm giảm công suất của động cơ . Đối động cơ Diezen, lượng khí thải hòa trộn tối đa khoảng 60% thể tích khí nạp vào xy lanh; ở động cơ phun xăng trực tiếp tỷ lệ này vào khoảng 50% và đối với động cơ sử dụng chế hòa khí là 20%. Trường hợp sử dụng hệ thống EGR mà lượng NOx vẫn vượt quá tiêu chuẩn cho phép thì thường phải xử lý tiếp bằng hệ thống Catalic gắn trên đường xả.
Một vấn đề nữa hay phát sinh trong quá trình sử dụng hệ thống EGR là hiện tượng, sau một thời gian làm việc, các đường ống dẫn và van điều khiển khí thải tuần hoàn thường bị tắc bởi muội than ( Hình 3 ) dẫn tới việc làm giảm công suất và tăng suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ. Vì vậy cần có các thiết bị cảnh báo về tình trạng của van cũng như thực hiện đầy đủ chế độ bảo dưỡng định kỳ theo quy định của nhà sản xuất đối với hệ thống EGR.
Hình 3. Sau một thời gian sử dụng, van điều khiển khí thải tuần hoàn thường bị tắc bởi muội than.
Dù vẫn còn một số vấn đề như vừa nêu nhưng ngày nay, hầu hết các loại ô tô con đạt tiêu chuẩn Euro 2, Euro 3 đều lắp hệ thống EGR và để đạt tiêu chuẩn Euro 4, Euro 5 thì hệ thống EGR là loại thiết bị không thể thiếu được trên xe.
