CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Tổng quan về hệ thống tuần hoàn khí thải trên động cơ 1. Lịch sử nghiên cứu và phát triển hệ thống tuần hoàn khí thải Tuần hoàn khí thải (EGR) là phương pháp đưa một phần khí thải quay trở lại đường nạp nhằm làm giảm nồng độ ô xy trong hỗn hợp môi chất công tác bên trong xi lanh, giảm nhiệt độ cực đại của quá trình cháy, giảm phát thải NO x … Tuần hoàn khí thải được áp dụng rất rộng rãi trên động cơ động cơ đốt trong kiểu pít tông.
Tuần hoàn khí thải không phải là giải pháp công nghệ mới. Tác dụng làm giảm NOx của EGR được công bố từ rất sớm (Berger 1940). Tuy nhiên, việc tạo ra một hệ thống EGR trên động cơ trên thực tế mãi đến cuối những năm 1950 mới được thực hiện (Kopa 1960). Ban đầu hệ thống EGR chỉ đơn giản là dạng ống phụt jecter nối trực tiếp từ đường thải sang đường nạp.
Hệ thống sẽ đưa khí EGR trở lại đường nạp ở tất cả các chế độ làm việc của động cơ. Với thiết kế này làm cho động cơ khó khởi động, làm việc không ổn định ở chế độ không tải. Các thí nghiệm đầu tiên về hệ thống EGR được thực hiện vào những năm 1960. Sự phát triển của hệ thống EGR được đánh dấu từ năm 1973 khi Chrysle cho ra đời hệ thống EGR có làm mát khí tuần hoàn và van EGR được điều khiển theo độ chân không trên đường nạp.
Tín hiệu cảm biến nhiệt độ nước làm mát được sử dụng nhằm kích hoạt hệ thống điều khiển của van EGR khi nhiệt độ động cơ ở trạng thái làm việc ổn định. Từ những năm 1972 đến cuối những năm 1980 EGR thường được sử dụng trong việc kiểm soát phát thải NOx trong động cơ sử dụng nhiên liệu xăng trên xe tải hạng nhẹ và xe khách tại Mỹ. Cuối những năm 1990, hệ thống EGR sử dụng phổ biến trên động cơ xăng. Việc nghiên cứu ứng dụng hệ thống EGR cho động cơ diesel mãi đến đầu những năm 1990 mới được ứng dụng và phát triển (Hawley 1999).
Đến đầu những năm 2000 do yêu cầu cần đáp ứng những tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt dành cho xe tải nên Cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ (EPA) đã phát triển các chương trình nghiên cứu giúp cải thiện phát thải của phương tiện (trong đó có việc phát triển hệ thống EGR có làm mát khí EGR). Từ 2000÷2010 hệ thống EGR có làm mát khí EGR được sử dụng phổ biến trên các động cơ diesel tại Mỹ. Đến sau những năm 2010 hệ thống EGR ứng dụng trên động cơ không chỉ giúp kiểm soát phát thải NOx mà còn thực hiện các nhiệm vụ khác như: đối với động cơ xăng việc sử dụng EGR trên những động cơ phun nhiên liệu trực tiếp còn giúp giảm công bơm (tăng hiệu suất nhiệt), tăng khả năng chống kích nổ và giúp động cơ luan an 6 cháy với hỗn hợp nghèo, giảm suất tiêu thụ nhiên liệu; đối với động cơ diesel việc điều khiển hệ thống EGR nhằm làm tăng nhiệt độ khí thải với mục đích tái sinh lọc. Vai trò của hệ thống tuần hoàn khí thải Đối với động cơ diesel các ô nhiễm chính gồm: NOx, HC, CO và hạt bụi (PM).
Trong đó, NOx và PM là hai chất cần có các biện pháp xử lý thích hợp nhằm đảm bảo việc thỏa mãn các tiêu chuẩn về khí thải [66]. So với PM thì NOx là chất khó xử lý hơn đặc biệt là với động cơ diesel có tỷ lệ A/F lớn đồng thời nếu giảm NOx bằng các bộ xử lý khi thải (BXLKT) thì phát thải PM có thể ảnh hưởng đến chất lượng làm việc cũng như tuổi thọ của BXLKT [66]. Để làm giảm NOx có thể sử dụng các biện pháp sau: tối ưu hóa quá trình cháy, phun nước vào xi lanh, tuần hoàn khí thải (EGR), sử dụng các BXLKT… Bên cạnh việc đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải thì việc duy trì thời gian đáp ứng là tiêu chí quan trọng đánh giá hiệu quả của hệ thống xử lý khí thải. Xử lý khí thải tại nguồn phát sinh (trong buồng cháy động cơ) sẽ có thời gian duy trì khả năng đáp ứng tiêu chuẩn lâu hơn [72].
Tuần hoàn khí thải (EGR) là giải pháp được lựa chọn nhằm làm giảm mức phát thải NOx ngay tại nguồn phát sinh [44]. Vai trò của EGR trong việc đáp ứng các tiêu chuẩn Euro được trình bày trên Hình 1. Có thể thấy để động cơ diesel có thể đạt được tiêu chuẩn Euro III trở lên thì không thể thiếu hệ thống EGR. Vai trò của EGR trong việc đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải [66] Việc kết hợp giữa EGR và hệ thống phun nhiên liệu (HTPNL) điều khiển điện tử cho phép phun nhiều giai đoạn với áp suất cao (HTPNL kiểu Common Rail - CR) sẽ cho phép tận dụng tối đa các lợi ích của hệ thống CR đồng thời cho phép động cơ luan an 7 vận hành một cách linh hoạt, hiệu quả với mức phát thải NOx thấp và đảm bảo mức phát thải PM của động cơ không quá cao (do áp suất phun cao quá trình phun chia làm nhiều giai đoạn sẽ có xu hướng làm giảm mức phát thải PM).
Hiện nay, phương pháp điều khiển hệ thống EGR phù hợp theo từng chế độ vận hành của động cơ hiện vẫn là bí quyết công nghệ của các hãng sản xuất động cơ. Thuộc tính của dòng khí EGR (nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, thành phần chính tham gia vào quá trình cháy tiếp theo…) cũng có sự phụ thuộc rất lớn vào tính chất lý hóa của nhiên liệu sử dụng. Vì vậy, để chủ động kiểm soát %EGR khi động cơ chuyển sang sử dụng biodiesel B10, B20 cần có các nghiên cứu chi tiết. Phân loại hệ thống tuần hoàn khí thải Hệ thống EGR trên động cơ hiện nay được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau: (1) áp suất khí EGR (EGR ở áp suất cao và EGR ở áp suất thấp), (2) phương pháp làm mát dòng khí EGR (có làm mát, không làm mát), (3) phương pháp điều khiển van EGR (dựa vào độ chân không trên đường nạp, van điện từ, bơm khí EGR) 1.
Theo áp suất của dòng khí tuần hoàn 4 5 1 7 8 2 1 2 7 6 8 6 3 3 a) b) 4 5 Hình 1. Sơ đồ hệ thống EGR kiểu áp suất cao (a) và áp suất thấp (b) [40] 1 - Bộ lọc khí nạp; 2 - Cảm biến lưu lượng khí nạp; 3 - Két làm mát khí sau tăng áp; 4 - Bướm gió; 5 - Van EGR; 6 - Két làm mát khí EGR; 7 - bộ tua bin - máy nén; 8 - Bộ xử lý khí thải Sơ đồ nguyên lý hệ thống EGR kiểu áp suất cao và EGR ở áp suất thấp được trình bày trên Hình 1. Hệ thống EGR áp suất cao thường trích một phần khí thải trên cổ góp khí thải phía trước tua bin để đưa đến vị trị cổ góp khí nạp phía sau của máy nén. Hệ thống EGR ở áp suất thấp sử dụng một phần khí thải được trích ra phía sau tua bin (hoặc sau BXLKT) để đưa trở lại đường nạp tại vị trí phía trước máy nén.
So với hệ thống EGR áp suất thấp thì hệ thống EGR áp suất cao có một số ưu điểm nhất định như: kết cấu đơn giản, muội than trong khí EGR không làm ảnh hưởng luan an 8 đến động năng và sự cân bằng của máy nén… Tuy nhiên, nó cũng tồn tại một số nhược điểm như: khó kiểm soát tỷ lệ và nhiệt độ của khí EGR so với hệ thống EGR ở áp suất thấp đồng thời dòng khí EGR chứa nhiều PM hơn do chưa qua bộ lọc. Mặc dù hiện nay hệ thống EGR áp suất cao thường được sử dụng phố biến trên các động cơ diesel lắp trên xe hạng nhẹ nhằm làm giảm NO x, tuy nhiên sự phát triển mạnh mẽ của các bộ lọc khí thải (bắt buộc phải có để có thể đạt tiêu chuẩn khí thải Euro V và cao hơn nữa) đã tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của hệ thống EGR áp suất thấp vì dòng khí EGR được lọc sạch sẽ giảm ảnh hưởng đến cân bằng của rôto máy nén và nhiệt độ dòng khí EGR, tỷ lệ EGR được kiểm soát tốt hơn, [58]. Tuy nhiên, một nhược điểm khó có thể khắc phục ở hệ thống EGR áp suất thấp là việc đáp ứng với sự thay đổi chế độ làm việc của động cơ chậm, cần thể tích của hệ thống EGR lớn và điều đặc biệt là cần có một hệ thống kiểm soát vòng kín cho hệ thống EGR. Hệ thống EGR áp suất cao và EGR áp suất thấp cũng có thể được kết hợp với nhau để tạo thành một hệ thống EGR dạng lai “hybrid” [58].
Việc kết hợp giữa EGR áp suất cao và EGR áp suất thấp có thể cải thiện khả năng đáp ứng của EGR đến sự thay đổi chế độ làm việc của động cơ. Tuy nhiên, hệ thống trở nên phức tạp đồng thời làm tăng các vấn đề liên quan đến việc kiểm soát hệ thống. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống EGR “hybrid” được trình bày trên Hình 1. 1 2 3 4 1 - Bộ lọc khí nạp; 2 - Cảm biến lưu lượng khí nạp; 3 - Bướm gió; 8 6 9 4 - Van EGR áp suất thấp; 5 - Két làm mát khi sau tăng áp; 6 - Két làm mát khí EGR; 7 - Van EGR áp suất cao; 5 6 8 - Bộ tua bin - máy nén; 9 - Bộ xử lý khí thải 7 Hình 1.
Hệ thống EGR kết hợp giữa áp suất vao và áp suất thấp [40] Trong hệ thống EGR “hybrid”, tỷ lệ EGR được điều chỉnh nhờ hai van EGR một dành cho “vòng trong” và một dành cho “vòng ngoài”. ECU điều khiển kết hợp làm việc giữa hai van EGR trên nhằm phát huy tối đa hiệu quả của từng hệ thống (quá luan an 9 trình điều khiển trở nên phức tạp hơn và kết cấu của hệ thống cồng kềnh, đây là những lý do chính mà hệ thống này thường ít được sử dụng). Đối với hệ thống EGR áp suất cao, do vị trí khí EGR hòa trộn với không khí gần bầu gom khí nạp hơn so với hệ thống EGR ở áp suất thấp nên hệ thống EGR ở áp suất cao còn được gọi là hệ thống EGR với đoạn đường đi ngắn (Short Route - SR) do khí EGR chỉ cần đi qua két làm mát, van điều khiển là có thể đến đường nạp.