78

Chương 6

CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG
ĐẾN NỒNG ĐỘ CÁC CHẤT
Ô NHIỄM TRONG KHÍ XẢ
ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
6.1. Giới thiệu 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.

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 NO
x
, những chất ô nhiễm mà việc xử lí nó trên đường xả ngày nay
vẫn 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. Thực nghiệm đo được trên những

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.

Một trong các giải pháp làm giảm tổn thất nhiên liệu trong quá trình quét khí là
làm thay đổi sự phân bố độ đậm đặc của hỗn hợp nhiên liệu không khí trong xy lanh sao
cho chỉ có hỗn hợp nghèo mới thoát ra đường thải. Một giải pháp khác có hiệu quả hơn là
phun nhiên liệu vào buồng cháy một khi cửa thải đã đóng. Tuy nhiên với giải pháp này
người ta phải dùng một bơm do động cơ dẫn động do đó nó làm giảm đi một ít công suất
có ích của động cơ. Mặt khác, so với động cơ 4 kì, 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. Một
giải pháp tiết kiệm hơn là 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 tốc độ tương đối thấp.

Kĩ thuật quét khí cháy bằng không khí cho phép hạn chế tối đa sự phát thải HC
trong khí xả. Kĩ thuật này cho phép giảm được từ 80% đến 90% nồng độ HC so với giá trị
thông thường đối với động cơ hai kì cổ điển. Nồng độ NO
x
trong khí xả của động cơ hai kì
hiện đại cao hơn một chút so với động cơ 2 kì cổ điển do hiệu suất cháy cao hơn và làm
việc với hỗn hợp nghèo hơn. 6.2.2. Động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo


- gia tăng mức độ phát sinh HC
- gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu do tốc độ cháy giảm

Những giải pháp cho phép động cơ hoạt động gần giới hạn nghèo của hỗn hợp có
thể chia làm ba loại:

- Các giải pháp tác động trước khi hỗn hợp vào cylindre: 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 soupape
và nến đánh lửa

- 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. Người ta
đã thử nghiệm nhiều hệ thống tạo hỗn hợp phân lớp nhưng hiện nay chỉ có hai dạng được
ứng dụng khả quan nhất: hệ thống buồng dự bị (dạng CVCC) và hệ thống phun trực tiếp
(dạng PROCO)

- Hệ thống Honda CVCC dùng một buồng cháy phụ nhỏ có soupape nạp riêng
(hình 6.1). Hỗn hợp giàu được nạp vào buồng cháy phụ còn hỗn hợp rất nghèo được nạp
vào buồng cháy chính qua soupape nạp thông thường. Hỗn hợp giàu trong buồng cháy phụ
được đốt bằng tia lửa điện. Sản phẩm cháy có nhiệt độ cao thoát ra khỏi buồng cháy phụ
và tiếp tục đốt cháy hỗn hợp nghèo trong buồng cháy chính. Hệ thống này làm giảm nhiệt
độ cực đại của quá trình cháy, do đó làm giảm NO
x

Hình 6.1: Sơ đồ động cơ tạo hỗn hợp phân lớp sử dụng buồng cháy phụ

- Hệ thống Ford PROCO thực hiện sự phân lớp hỗn hợp bằng cách phun nhiên liệu
trực tiếp vào trong buồng cháy (hình 6.2). Hệ thống này không có buồng cháy phụ nhưng
sử dụng một buồng cháy khoét lõm trên đỉnh piston. Người ta sử dụng một tia phun có góc
phun rất rộng với hỗn hợp giàu được phun vào giữa cylindre bởi một vòi phun có độ
xuyên thâu bé. Hỗn hợp này được đốt nhờ tia lửa điện và lan đến hỗn hợp chung quanh
nghèo hơn ngay khi piston đi xuống nhờ cường độ xoáy lốc mạnh.

Hình 6.2: Sơ đồ động cơ tạo hỗn hợp phân lớp phun trực tiếp PROCO

- Hệ thống TEXACO TCCS: Khác với hệ thống PROCO, hệ thống này phun nhiên
liệu theo phương tiếp tuyến với buồng cháy và hướng về phía nến đánh lửa và quá trình
đánh lửa được kéo dài. Việc điều chỉnh tối ưu thời gian phun và thời điểm đánh lửa cho
phép khởi đầu quá trình cháy ở thời điểm mà hỗn hợp giàu đạt đến nến đánh lửa; màng lửa
được giữ lại ở đó với điều kiện nhiên liệu được khuếch tán ra không khí chung quanh. Hệ
thống này có những nhược điểm giống như động cơ Diesel (hỗn hợp không đồng nhất) và
phát sinh nhiều hạt rắn trong khí xả.

Giải pháp hạn chế nhược điểm của việc đánh lửa là sử dụng ngọn lửa điện có năng
lượng lớn hơn (t
ăng khoảng cách giữa hai điện cực, kéo dài thời gian đánh lửa), giảm tổn
thất nhiệt ở nến đánh lửa (cực đánh lửa nhỏ, giảm đường kính nến đánh lửa từ 14 xuống
10mm) và tăng số điểm đánh lửa. Năng lượng đánh lửa hiện nay (khoảng 10mJ) là đủ để
đảm bảo sự hoạt động ổn định và mức độ phát sinh HC bé nhất. Bố trí hai nến đánh lửa

Vòi phun

khí cao tốc phun trong một ống dẫn có tiết diện nhỏ hơn ống nạp chính theo hướng tiếp
tuyến với thành cylindre ở vị trí soupape 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.

Sự gia tăng cường độ rối bằng cách thêm tia khí cho phép dịch chuyển giới hạn
cháy ổn định về phía độ đậm đặc thấp hơn (từ 0,95 xuống 0,75), cho phép nhận được sự
làm việc ổn định hơn ở chế độ không tải. Khi động cơ làm việc với độ đậm đặc 0,7 thay vì
0,8, nồng độ NO
x
chỉ còn 1/6 và nồng độ CO giảm đi 50% nhưng làm tăng HC. Vận động
rối trong buồng cháy cũng cho phép sử dụng thuận lợi hệ thống hồi lưu khí xả: chẳng hạn
nó cho phép tăng từ 20% lên 28% lượng khí xả hồi lưu để làm giảm NO
x
mà không làm
tăng HC.

Khi dùng hệ thống phun tập trung quá trình tạo hỗn hợp được cải thiện hơn so với
khi sử dụng hệ thống phun riêng rẽ vì thời gian bay hơi của hỗn hợp được kéo dài hơn. Vì
vậy hệ thống này cho phép giảm được từ 10 đến 15% HC trong cùng điều kiện làm việc
với động cơ phun riêng rẽ.

Khi tăng nhiệt độ khí nạp hỗn hợp cũng được chuẩn bị tốt hơn do sự bốc hơi nhiên
liệu diễn ra thuận lợi hơn: cùng độ đậm đặc như nhau, nồng độ HC giảm từ 20 đến 30%
khi tăng nhiệt độ khí nạp từ 25 lên 80°C, nhưng làm tăng nồng độ NO
x
từ 35 lên 55%. Do
70 đến 80% nồng độ CO và HC liên quan đến hai phút đầu tiên của chu trình khởi động
nguội, theo qui trình FTP-75, vì vậy sấy cục bộ đường nạp trong giai đoạn bộ xúc tác chưa

phun nhiên liệu.

Điều chỉnh góc độ phối khí cũng có ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm. Góc
độ này được điều chỉnh sao cho các giá trị áp suất cực đại, momen ở chế độ tải thấp tối ưu
cũng như khả năng động cơ làm việc ổn định khi chạy không tải với tốc độ thấp. Tăng thời
kì trùng điệp ở chế độ không tải làm tăng mức độ phát sinh ô nhiễm và sự làm việc không
ổn định của động cơ, nhưng nó cải thiện tính năng động cơ ở chế độ tốc độ cao đồng thời
cũng làm giảm NO
x
do hỗn hợp nạp mới bị làm bẩn bởi một bộ phận khí cháy đẩy vào
đường nạp khi piston đi lên. Sự gia tăng góc độ trùng điệp hợp lí có thể làm giảm được
80% nồng độ HC. Lượng HC trong sản phẩm cháy thoát ra đường thải có thể được xem
chứa trong hai bọng khí: bọng khí thứ nhất tương ứng với những thể tích chết ở gần
soupape thải (các không gian chết quanh soupape, ren nến đ
ánh lửa...) và bọng khí thứ hai
tương ứng với thể tích chết xa hơn (khe hở segment...). Gia tăng góc độ trùng điệp có thể
loại trừ hoàn toàn bọng khí thứ hai ở đường xả.

Khi thời gian cháy giảm, nhiệt độ cháy tăng, mức độ phát sinh NO
x
gia tăng. Giảm
góc đánh lửa sớm trong một số điều kiện làm việc của động cơ cho phép kéo dài thời gian
cháy, do đó nhiệt độ cháy giảm, thuận lợi cho việc giảm NO
x
. Mặt khác, đánh lửa muộn
làm gia tăng nhiệt độ khí thải tạo điều kiện thuận lợi cho việc đốt cháy thành phần HC có
mặt trong khí xả.

Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong


e
: suất tiêu hao nhiên liệu,
w
e
: công có ích, e: tỉ số nén, _ _ : e = 9,3; -.-: e =11,0; ---: e =13,0; ___: e =15,0)

Khi động cơ chuyển sang làm việc với hỗn hợp nghèo, sự lệch chu kì của áp suất
chỉ thị trung bình sẽ trở nên quan trọng: nếu độ đậm đặc của hỗn hợp l=0,8, áp suất có ích
trung bình dao động cực đại 20kPa, dao động này có thể đạt 140kPa khi l=1,2. Do đó, để
cải thiện tính năng phát lực của động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo, người ta phải khống
chế sự dao động của momen (đo được bằng cảm biến gia tốc lắp trên bánh đà của động cơ)
bằng cách điều chỉnh thời điểm bắt đầu phun và thời gian phun nhờ một hệ thống khép kín
hay theo biểu đồ thiết lập trước. Sự khống chế dao động momen cũng cho phép giảm đến
mức tối thiểu mức độ phát sinh HC, chất ô nhiễm tăng nhanh chóng theo sự làm việc
không đồng đều của động cơ.
N=2000 v/ph
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong85

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 và điểm cực đại thứ hai khi cấp nhiên liệu trở lại.

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 (NO
x
, HC). Vì vậy, ngày nay dạng
buồng cháy này chỉ dùng đối với động cơ ô tô tải hạng nặng.

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 NO
x
và bồ hóng.
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong866.3.1. Ảnh hưởng của góc phun sớm và tối ưu hóa hệ thống phun Ảnh hưởng của chất lượng hệ thống phun đối với động cơ phun trực tiếp lớn hơn
đối với động cơ phun gián tiếp về phương diện phát sinh ô nhiễm,. Trong cả hai trường
hợp, sự thay đổi góc phun sớm có ảnh hưởng ngược nhau đối với sự phát sinh NO
x,
HC và
bồ hóng (hình 6.4).

Tăng góc phun sớm làm tăng áp suất cực đại và nhiệt độ quá trình cháy, do đó làm
tăng nồng độ NO. Thông thường, động cơ phun trực tiếp có góc phun sớm lớn hơn nên

HC
Bồ
hóng
Phạm vi thay đổi đối với ô tô từ
1000 đến 1600kg, động cơ buồng
cháy dự bị, không hồi lưu khí xả
HC
(%)
NOx
(%)
độ góc quay trục khuỷu
Góc phun tối ưu
Muộn
Sớm
Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong87

Hình 6.5: Ảnh hưởng của góc phun sớm đến mức độ phát sinh
HC và NO
x
(động cơ buồng cháy dự bị, chu trình FTP-75) 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 (hình
6.5), nhưng trên thực tế nó có tác dụng ngược lại. Thật vậy, do thời gian bén lửa kéo dài,

kính bé làm tăng chất lượng hòa trộn không khí và nhiên liệu do kích thước hạt nhiên liệu
giảm, hỗn hợp bốc cháy dễ dàng hơn, bù trừ được sự phun trễ do đó làm giảm NO
x
. Với
cùng lượng phát thải NO
x
cho trước, sự gia tăng số lượng lỗ phun làm giảm nồng độ bồ
hóng.

Đối với động cơ phun trực tiếp, áp suất phun tối ưu thay đổi từ 75 đến 100MPa
tùy theo chế độ động cơ. Vượt quá áp suất này, với cùng lượng phát sinh NO
x
, lượng hạt
rắn phát sinh giảm nhưng suất tiêu hao nhiên liệu và độ ồn của quá trình cháy gia tăng do
sự tăng đột ngột của áp suất. Điều này có thể khắc phục được bằng cách dùng một tia phun
mồi.

Quy luật phun cũng có ảnh hưởng quan trọng đến quá trình phát sinh các chất ô
nhiễm. Thời gian phun rút ngắn, áp suất phun cao cho phép gia tốc quá trình cung cấp
nhiên liệu dẫn đến giảm lượng HC không cháy hết. Các tiến bộ mới đây về kĩ thuật phun
nhằm giảm mức độ phát sinh ô nhiễm bao gồm quy luật phun hai giai đoạn, quy luật phun