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 NOx, 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

động cơ này cho thấy động cơ sử dụng khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) hay khí thiên nhiên

(NGV) thỏa mãn dễ dàng các tiêu chuẩn ô nhiễm môi trường khắt khe nhất hiện nay (tiêu

chuẩn ULEV chẳng hạn). Tuy nhiên sự phát triển chủng loại động cơ này phụ thuộc nhiều

điều kiện, đặc biệt là điều kiện cơ sở hạ tầng phục vụ cho việc cung cấp nhiên liệu khí.

Mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ cũng phụ thuộc đáng kể vào điều kiện vận

hành. Việc điều chỉnh không phù hợp các thông số công tác cũng như việc lựa chọn chế

độ làm việc không hợp lí dẫn đến sự gia tăng đáng kể nồng độ các chất ô nhiễm trong khí

xả.

Luật môi trường ngày càng trở nên khắt khe buộc người ta phải áp dụng các biện

pháp xử lí khí xả sau khi thoát ra khỏi động cơ bằng bộ xúc tác. Tuy nhiên tỉ lệ biến đổi

các chất ô nhiễm của ống xả xúc tác chỉ đạt được giá trị yêu cầu khi nhiệt độ khí xả đạt

được giá trị nhất định. Vì vậy cần phải làm giảm nồng độ các chất ô nhiễm đến mức thấp

nhất trước khi xử lí ở bộ xúc tác. Tất cả những điều chỉnh hay thay đổi kết cấu bên trong

động cơ đều gây ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm.

6.2. Trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức

6.2.1. Động cơ hai kì

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 NOx 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

Động cơ đánh lửa cưỡng bức làm việc với hỗn hợp nghèo đã được nghiên cứu từ

lâu nhằm giảm suất tiêu hao nhiên liệu dẫn đến giảm nồng độ CO2, chất 'ô nhiễm' được

quan tâm nhiều trong những năm gần đây vì nó là chất khí gây hiệu ứng nhà kính.

Khi động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo (hệ số dư lượng không khí a >1,25), nồng

độ các chất ô nhiễm chính (CO, HC, NOx) đều giảm. Khi hệ số dư lượng không khí thay

đổi từ a=1,0 đến a=1,4, suất tiêu hao nhiên liệu giảm đi 7%, nồng độ NOx có thể giảm đến

85% so với động cơ làm việc với hỗn hợp có a=1 nếu kết hợp với việc giảm một cách hợp

lí góc đánh lửa sớm. Tuy nhiên ưu điểm này chỉ có được trong điều kiện hỗn hợp gần nến

đánh lửa có thể bốc cháy và sự lan tràn màng lửa diễn ra một cách bình thường. Điều này

đòi hỏi việc tổ chức tốt quá trình cháy cũng như phân bố hợp lí độ đậm đặc của hỗn hợp

trong buồng cháy.

Khi gia tăng hệ số dư lượng không khí hay làm bẩn hỗn hợp bằng khí xả hồi lưu

vượt quá một giới hạn cho phép sẽ dẫn đến:

- giảm tốc độ cháy, điểm cực đại của áp suất sẽ lệch về phía giai đoạn giãn nở dù

đánh lửa sớm hơn

- momen phát ra không đều dẫn tới sự làm việc không ổn định

- thường xuyên bỏ lửa

- 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 NOx, nhưng vẫn đủ cao để oxy hóa HC.

Mặt khác, do độ đậm đặc của hỗn hợp thấp nên nồng độ CO trong khí xả cũng giảm. Động

cơ làm việc với hệ thống này có suất tiêu hao nhiên liệu riêng thấp, nhưng công suất lít

của cylindre cũng giảm. Do đó từ năm 1986 nó không còn được nghiên cứu nữa và thay

vào đó, người ta nghiên cứu một hệ thống tương tự trong đó bộ chế hòa khí được thay thế

bằng hệ thống phun. Ở hệ thống mới này, vòi phun phun nhiên liệu có áp suất 3,5 MPa tạo

nên vùng hỗn hợp giàu gần nến đánh lửa trong buồng cháy phụ có kích thước bé. Hệ thống

này làm giảm NOx nhưng làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu.

- 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.

- 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 (tăng 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

trong buồng cháy cho phép tăng xác suất đánh lửa, tăng năng lượng đánh lửa và tốc độ

cháy mà không làm tăng tổn thất nhiệt. Nhưng giải pháp này làm tăng giá thành và làm

giảm tuổi thọ của hệ thống đánh lửa.

Những khuynh hướng khác dựa vào sự gia tăng cường độ rối trong buồng cháy

động cơ. Bằng cách thay đổi dạng hình học của buồng cháy, nguy cơ màng lửa bị tắt có

thể giảm bằng cách giảm tỉ số diện tích bề mặt/thể tích và gia tăng cường độ rối trong quá

trình nạp để gia tăng tốc độ cháy. Sự cải tiến dạng buồng cháy cho phép giảm một ít áp

suất cực đại, giảm NOx nhưng cho tới nay người ta chưa tìm được dạng buồng cháy lí

tưởng nhất và sự thay đổi hình dạng buồng cháy dường như không gây ảnh hưởng đến sự

phát sinh HC.

Giải pháp đầu tiên làm tăng cường độ rối là thiết kế đường nạp hợp lí. Sự gia tăng

cường độ xoáy lốc cho phép giảm khoảng thời gian từ lúc bật tia lửa điện đến khi hỗn hợp

bắt đầu cháy cũng như thời gian cháy; các giá trị này có độ lớn tương đương với quá trình

cháy cổ điển.

Giải pháp thứ hai là trang bị hai soupape nạp cho mỗi cylindre hay lắp trên

soupape nạp một bản dẫn hướng. Soupape này đóng lại ở tải cục bộ và mở khi đầy tải.

Giải pháp cuối cùng làm tăng cường độ rối ở động cơ riêng rẽ là thực hiện một tia

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 NOx 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 NOx 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 NOx 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

đạt được nhiệt độ khởi động sẽ cho phép làm giảm được nồng độ những chất ô nhiễm này.

Trong thực tế, người ta bố trí ở mỗi đường nạp của động cơ phun nhiều điểm những phần

tử cấp nhiệt để nâng nhiệt độ khu vực sấy lên khoảng 40 đến 50°C và các tia phun hướng

về các khu vực này. Công suất điện cung cấp cho những phần tử nhiệt này giảm dần và cắt

đi hoàn toàn khi nhiệt độ nước làm mát khoảng 60-65°C. Tốc độ lưu thông của khí nạp

cũng ảnh hưởng đến mức độ phát sinh HC. Tốc độ này được khống chế bởi đường kính

soupape nạp. Khi giảm đường kính soupape nạp từ 35 đến 29mm thì mức độ phát sinh HC

giảm đi được từ 15 đến 25%.

Khi phun riêng rẽ, vị trí đặt vòi phun trong trường hợp cylindre có hai soupape nạp

có ảnh hưởng lớn đến mức độ phát sinh HC cũng như momen của động cơ. Tuy nhiên vị

trí đặt vòi phun chủ yếu được lựa chọn sao cho động cơ có thể được khởi động dễ dàng.

Người ta cũng nghiên cứu những hệ thống để cải thiện việc chuẩn bị hỗn hợp trong trường

hợp phun riêng rẽ như sấy nóng hỗn hợp, phun khí nạp với tốc độ lớn, xé tia phun bằng

siêu âm... Chất lượng xé tơi tia phun đóng vai trò quan trọng đến mức độ phát sinh ô

nhiễm. Những hạt nhiên liệu có đường kính bé sẽ bị cuốn theo dòng không khí trong ống

xoắn của đường nạp, giảm nguy cơ va chạm vào thành. Khi đường kính thủy lực của hạt

nhiên liệu khoảng 10 micron thì sự va chạm của hạt nhiên liệu vào thành hầu như không

xảy ra, đảm bảo sự phân bố tối ưu của hỗn hợp nhiên liệu không khí giữa các cylindre.

Trong thực tế, bộ chế hòa khí cho phép phân bố tốt hỗn hợp khi động cơ làm việc ở tải

thấp, ngược lại phun nhiên liệu đảm bảo sự phân bố tốt hỗn hợp khi động cơ làm việc ở tải

cao. Thật vậy, ở chế độ tải thấp do độ chân không trên đường nạp lớn, chất lượng xé tơi

nhiên liệu sau khi ra khỏi vòi phun trong trường hợp bộ chế hòa khí tốt hơn; ngược lại

trong trường hợp tải cao, chất lương xé tơi nhiên liệu xấu đi rất nhiều so với trường hợp

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 NOx 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 đánh 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 NOx 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 NOx. 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.

Gia tăng tỉ số S/D làm tăng tốc độ cháy và tạo điều kiện dễ dàng cho sự bén lửa do

đó động cơ có thể làm việc với hệ số dư lượng không khí cao hơn. Điều này có lợi trong

trường hợp động cơ làm việc với tải cục bộ nhưng ít có lợi khi động cơ làm việc ở tải cao.

Một phương án khác để làm tăng tốc độ cháy và tốc độ lan tràn màng lửa là tăng tỉ

số nén (đến 18), trong điều kiện không xảy ra hiện tượng kích nổ. Tăng tỉ số nén có

khuynh hướng tăng mức độ phát sinh NOx. Khi động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo hay

giàu, nồng độ NOx đều giảm mạnh (hình 6.3).

Hoàn thiện việc chuẩn bị hỗn hợp bao hàm việc khống chế đúng mức độ đậm đặc

trong mỗi cylindre ngay cả trong giai đoạn quá độ. Phương án tốt nhất là phun nhiên liệu

riêng rẽ kết hợp với sấy nóng vòi phun và đường nạp. Phương án này còn cho phép cải

thiện tính năng khởi động ở trạng thái nguội. Mặt khác sấy nóng đường nạp còn có tác

dụng đặc biệt trong việc tránh sự ngưng tụ nhiên liệu trên thành đường nạp (lớp nhiên liệu

ngưng tụ này sẽ bốc hơi lại ở chế độ đầy tải làm tăng độ đậm đặc của hỗn hợp).

Làm mát riêng rẽ thân động cơ và nắp cylindre cho phép duy trì thân động cơ một

nhiệt độ cao hơn nắp cylindre điều này cho phép thu hồi nhiệt độ thân máy ở tải thấp có

tác dụng tích cực đến việc giảm HC và NOx.

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.

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.

Đối với động cơ dùng bộ chế hòa khí, để tránh giai đoạn quá độ khi động cơ phát

lực trở lại, người ta sử dụng một hệ thống cho phép cung cấp thêm nhiên liệu dự trữ.

Nhiên liệu này được tích trữ trong hệ thống bù trừ ở giai đoạn giảm tốc. Sự cung cấp

nhiên liệu bổ sung này cho phép duy trì được độ đậm đặc của hỗn hợp một cách hợp lí ở

thời điểm mở đột ngột bướm ga trở lại.

Đối với động cơ phun nhiên liệu, người ta sử dụng một hệ thống cho phép điều

chỉnh lượng nhiên liệu phun vào đường nạp theo lưu lượng không khí. Khi giảm tốc,

bướm ga đóng lại, một van giảm tốc mở ra để cung cấp không khí cho động cơ và người ta

sử dụng lượng không khí này để điều khiển lượng nhiên liệu. Trong trường hợp đó, động

cơ hút một thể tích khí lớn hơn trong trường hợp động cơ dùng chế hòa khí. Hai điểm cực

đại của HC cũng xuất hiện giống như trong trường hợp động cơ dùng bộ chế hòa khí.

6.2.3.2. Dừng động cơ ở đèn đỏ

Chế độ dừng động cơ hợp lí khi ô tô chạy trong thành phố có thể làm giảm đồng

thời mức độ phát sinh ô nhiễm và suất tiêu hao nhiên liệu. Thực nghiệm cho thấy khi thời

gian dừng ô tô vượt quá một giá trị cực đoan thì nên tắt động cơ. Nếu không xét đến suất

tiêu hao nhiên liệu thì việc tắt động cơ không đem lại lợi ích gì về mặt giảm ô nhiễm trong

trường hợp động cơ có bộ xúc tác trên đường xả. Trung bình thời gian dừng cực đoan là

50s. Khi vượt quá thời gian này nên tắt động cơ nếu động tác này không làm giảm tuổi thọ

của máy khởi động và bình điện.

6.3. Trường hợp động cơ Diesel

Kĩ thuật tổ chức quá trình cháy của động cơ Diesel ảnh hưởng trực tiếp đến mức

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 (NOx, 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 NOx và bồ hóng.

6.3.1. 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 NOx, 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

phát sinh NO nhiều hơn động cơ có buồng cháy ngăn cách. Giảm góc phun sớm là biện

pháp hữu hiệu làm giảm nồng độ NOx trong khí xả. Tuy nhiên việc giảm góc phun sớm

cần phải xem xét đến chế độ tốc độ và chế độ tải để tránh sự gia tăng suất tiêu hao nhiên

liệu.

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,

nhiên liệu phun ra có thể bám trên thành buồng cháy, đó là nguồn phát sinh HC.

Đối với động cơ phun trực tiếp, sự giảm góc phun sớm làm tăng độ khói và cũng

làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu nhưng làm giảm nồng độ NOx và thành phần SOF. Đối

với động cơ Diesel cỡ lớn, giảm góc phun sớm có thể làm giảm đi 50% nồng độ NO trong

khí xả. Đối với động cơ có buồng cháy ngăn cách, giảm góc phun sớm làm làm tăng nồng

độ HC nhưng làm giảm nồng độ NO và bồ hóng, đặc biệt là ở chế độ đầy tải. Khi góc

phun sớm thay đổi từ 8 đến 23 độ trước ĐCT, lượng bồ hóng tăng gấp đôi theo chu trình

thử FTP75 đối với một động cơ buồng cháy ngăn cách có góc đánh lửa sớm bình thường

15 độ trước ĐCT.

Sự thay đổi góc phun sớm phù hợp theo tốc độ và tải cho phép chọn được vị trí

điều chỉnh tối ưu hài hòa giữa nồng độ các chất ô nhiễm và hiệu suất động cơ. Đối với

động cơ có buồng cháy dự bị, sự điều khiển góc đánh lửa sớm tối ưu bằng hệ thống điện

tử theo chế độ tốc độ và chế độ tải cho phép giảm 15% nồng độ NOx và 25% nồng độ bồ

hóng theo chu trình thử FTP75 trong phạm vi gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu không đáng

kể.

Tốc độ phun cao (nhờ tăng áp suất phun) có ảnh hưởng đến quá trình phát sinh ô

nhiễm của động cơ phun trực tiếp. Thật vậy, do tăng tốc độ hòa trộn nhiên liệu và không

khí, lượng nhiên liệu cháy ở điều kiện hòa trộn trước gia tăng, do đó nồng độ NOx tăng

nhưng lượng bồ hóng giảm. Tuy nhiên sự gia tăng áp suất phun (hơn 100MPa) làm tăng

lượng hạt rắn do tăng lượng phát sinh SOF. Sử dụng vòi phun có nhiều lỗ phun đường

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 NOx. Với

cùng lượng phát thải NOx 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 NOx, 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

'hình chữ nhật' (phun đều đặn nhiên liệu và cắt nhanh khi kết thúc phun) để tránh hiện

tượng phun rớt. Phun rớt là nguyên nhân làm tăng hydrocacbure chưa cháy và hạt rắn

trong khí xả động cơ.

Đối với động cơ có buồng cháy ngăn cách, sự khống chế lưu lượng nhiên liệu kèm

theo việc giảm góc phun sớm có thể làm giảm 30% lượng NOx trong khí thải nhưng làm

tăng lượng HC lên 100%, CO lên 70% và bồ hóng lên 150%. Để có thể đảm bảo qui luật

phun phù hợp ở mọi chế độ làm việc của động cơ cả về phương diện phát ô nhiễm lẫn tính

năng kinh tế-kĩ thuật, trên những động cơ thế hệ mới hiện nay người ta sử dụng cảm biến

λ lắp trên đường xả. Kết hợp thông số cho bởi cảm biến này với các cảm biến áp suất,

nhiệt độ khí nạp và tốc độ động cơ người ta co thể điều khiển chính xác thời điểm phun và

lượng nhiên liệu cung cấp cho mỗi chu trình. Giải pháp này đặc biệt có lợi đối với động cơ

Diesel lắp trên ô tô nhằm giảm độ khói khi gia tốc.

6.3.2. Ảnh hưởng của dạng hình học buồng cháy

Dạng buồng cháy hợp lí cho phép tránh được lớp nhiên liệu bám trên thành do đó

giảm được nồng độ HC trong khí xả. Đối với động cơ phun trực tiếp, biện pháp có hiệu

quả nhất để làm giảm nồng độ bồ hóng là gia tăng cường độ rối và kết hợp với việc sử

dụng vòi phun nhiều lỗ. Buồng cháy tốt cần thỏa mãn các điều kiện sau đây:

- Hành trình tự do của tia nhiên liệu trong buồng cháy lớn.

- Bề mặt buồng cháy trên piston đủ lớn để tránh sự giao thoa của các tia phun.

- Cường độ rối cao trong vùng phân bố tia nhiên liệu.

- Tiếp tục duy trì được vận động rối của dòng khí trong buồng cháy sau ĐCT.

Việc gia tăng áp suất trong buồng cháy đơn thuần có khuynh hướng thuận lợi cho

sự hình thành bồ hóng. Tuy nhiên, sự gia tăng áp suất cực đại sẽ làm tăng đồng thời nhiệt

độ khí cháy cho phép gia tăng tốc độ oxy hóa bồ hóng nên lượng bồ hóng trong khí xả

không tăng. Sự gia tăng áp suất làm tăng độ ồn và sự phát sinh NOx.

Đối với động cơ phun trực tiếp, tỉ lệ nén cao cho phép khởi động dễ dàng ở nhiệt

độ thấp. Sự gia tăng tỉ số nén vừa phải đồng thời cũng làm giảm HC và thành phần SOF

của hạt rắn. Khi tỉ số nén tăng quá cao, động cơ sẽ phát sinh nhiều bồ hóng ở chế độ đầy

tải. Vì vậy ở động cơ có tỉ số nén lớn, cần phải thiết kế dạng buồng cháy tối ưu cho phép

tăng cường sự dịch chuyển của dòng không khí thuận lợi cho việc đốt cháy bồ hóng.

Để tăng cường tốc độ đốt cháy bồ hóng, người ta thiết kế thêm một buồng chứa

không khí bổ sung ở động cơ phun trực tiếp. Buồng không khí bổ sung này lưu trữ không

khí trong kì nén và lượng không khí đó sẽ cung cấp lại cho buồng cháy động cơ ở kì giãn

nở để tạo điều kiện oxy hóa hạt bồ hóng. Tuy nhiên, kết cấu này làm tăng suất tiêu hao

nhiên liệu. Ở động cơ phun gián tiếp, buồng không khí bổ sung cho phép làm giảm 40%

lượng bồ hóng phát sinh và làm gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu thêm 3%.

Đối với động cơ có buồng cháy ngăn cách, sự gia tăng tỉ lệ giữa thể tích buồng

cháy phụ và buồng cháy chính cho phép giảm sự hình thành bồ hóng nhờ tăng cường thêm

không khí cho buồng cháy phụ. Tiết diện đường thông giữa hai buồng cháy khống chế

cường độ rối sinh ra ở thời điểm dịch chuyển lượng khí cháy từ buồng cháy phụ sang

buồng cháy chính. Giảm nhỏ tiết diện này sẽ làm giảm nồng độ bồ hóng ở chế độ đầy tải

nhưng làm tăng lượng bồ hóng ở chế độ tải cục bộ. Trong thiết kế, tiết diện tối ưu của

đường nối này được chọn ở chế độ đầy tải.

6.3.3. Ảnh hưởng của vận động rối trong buồng cháy

Sự rối phát sinh trong quá trình nạp có ảnh hưởng trái ngược nhau giữa sự phát

sinh NOx, tiếng ồn, HC và bồ hóng. Để làm giảm mức độ ảnh hưởng của giai đoạn hỗn

hợp đậm đặc đến sự phát sinh bồ hóng trong cylindre, cần tăng hiệu quả của việc hòa trộn

nhiên liệu-không khí ngay từ lúc bắt đầu giai đoạn cháy trễ (tăng cường xoáy lốc). Nhưng

điều này gây nhược điểm là làm tăng áp suất cực đại trong buồng cháy cùng với sự tăng

tiếng ồn và mức độ phát sinh NOx.

Hướng tia phun trong buồng cháy dự bị cho phép điều chỉnh được tốc độ hòa trộn

nhiên liệu-không khí, do đó cải thiện sự phát sinh bồ hóng. Hướng tia phun cũng ảnh

hưởng đến lượng nhiên liệu bám trên thành và đó là nguồn phát sinh HC. Vị trí của vòi

phun trong buồng cháy phụ cũng có ảnh hưởng đến sự hình thành NOx.

6.3.4. Ảnh hưởng của chế độ làm việc của động cơ và chế độ quá độ

Khi giảm tốc độ động cơ từ 750 đến 680 v/phút, nồng độ các chất ô nhiễm đều

giảm khi đo theo chu trình FTP75: HC (-14%); CO(-2%); NO (-3%) và bồ hóng (-5%).

Trong thử nghiệm động cơ theo chu trình tiêu chuẩn cũng như trong thực tế, sự thay đổi

chế độ tốc độ là yếu tố làm gia tăng sự phát ô nhiễm. Nồng độ bồ hóng trong khí xả động

cơ Diesel gia tăng rất mạnh khi gia tốc vì độ đậm đặc trung bình của hỗn hợp gia tăng.

Lượng gia tăng này càng lớn khi thời gian gia tốc càng dài. Để giảm thời gian gia tốc, cần

phải tối ưu hóa việc thiết kế động cơ để có thể:

- Giảm momen quán tính các bộ phận chuyển động quay

- Giảm thể tích các bộ phận nạp thải

- Giảm nhiệt dung riêng của hệ thống làm mát

- Gia tăng công suất dự trữ

6.3.5. Ảnh hưởng của chỉ số cétane của nhiên liệu

Lượng bồ hóng giảm khi thời gian cháy trễ kéo dài, nghĩa là khi dùng nhiên liệu có

chỉ số cétane thấp. Tuy nhiên việc sử dụng nhiên liệu có chỉ số cétane thấp có thể dẫn đến

những nhược điểm quan trọng: gia tăng độ ồn nếu quá trình cháy bắt đầu quá muộn, gia

tăng lượng nhiên liệu bám trên thành cylindre và buồng cháy làm tăng mức độ phát sinh

HC và bồ hóng.

6.3.6. Ảnh hưởng của nhiệt độ khí

Giảm nhiệt độ khí nạp sẽ làm giảm nhiệt độ cực đại của quá trình cháy và do đó

nồng độ NOx cũng giảm. Vì vậy, ở động cơ tăng áp người ta có khuynh hướng làm mát

khí sau máy nén để đảm bảo nhiệt độ khí nạp không vượt quá 500C. Nhưng sự làm mát khí

nạp có thể kéo dài thời kì cháy trễ làm tăng mức độ phát sinh ô nhiễm như đã nêu (những

giọt nhiên liệu bám vào thành cylindre làm tăng thành phần HC và bồ hóng trong khí xả).

Khi khởi động động cơ ở trạng thái nguội, sự sấy buồng cháy hay sấy khí nạp là cần thiết

để làm giảm mức độ phát sinh HC và khói trắng. Việc sấy nóng khí nạp có thể thực hiện

nhờ nến điện hay bằng cách đốt trước một ít nhiên liệu trong khí nạp.

Nhiệt độ của khí đường thải cũng ảnh hưởng đến sự phát sinh ô nhiễm, nhất là đối

với thành phần HC. Thật vậy, ở chế độ tải thấp, HC ngưng tụ trên đường thải rồi bốc hơi

lại khi tăng tải làm tăng nồng độ HC. Đường thải bằng vật liệu gốm cho phép tái oxyhóa

bồ hóng và HC, nhưng làm tăng NOx. Động cơ Diesel phun trực tiếp có buồng cháy bằng

vật liệu gốm, không làm mát cho phép làm giảm được nồng độ các chất ô nhiễm ở chế độ

tải thấp. Nhưng khi tải cao, nồng độ NOx và bồ hóng đều tăng dù nhiệt độ thành buồng

cháy cao cho phép tái đốt cháy bồ hóng ở cuối chu trình.

6.3.7. Ảnh hưởng của tăng áp

Monoxy carbon CO hình thành là do quá trình cháy thiếu không khí, đặc biệt là ở

tải cao. Do đó, tăng áp là biện pháp hữu hiệu làm giảm CO. Lượng không khí thừa do tăng

áp đồng thời cũng cho phép tái đốt cháy bồ hóng, bù trừ lượng tăng bồ hóng do khí xả hồi

lưu mang vào buồng cháy. Hệ thống hồi lưu khí xả trong trường hợp động cơ tăng áp có

thể làm giảm 50% lượng NOx mà không làm tăng bồ hóng.

6.3.8. Ảnh hưởng của hệ thống hồi lưu khí xả

Mặc dù tỉ lệ khí hồi lưu lớn gây tác hại xấu đối với động cơ (tăng mài mòn) nhưng

nó có tác dụng đáng kể trong việc làm giảm NOx do giảm nhiệt độ cháy. Đối với động cơ

phun trực tiếp làm việc với nhiệt độ khí nạp từ 40-600C (làm việc ở các hầm mỏ), hệ thống

hồi lưu khí xả có thể làm giảm 30% và 50% nồng độ NOx theo thứ tự. Nếu làm ẩm thêm

không khí nạp, cùng điều kiện làm việc như trên mức độ giảm NOx có thể đạt đến 50% và

85% theo thứ tự. Tuy nhiên, hồi lưu khí xả có tác động xấu đối với các chất ô nhiễm khác:

làm tăng nồng độ CO và bồ hóng, ngay cả khi thêm hơi nước. Phun hơi nước cho phép

hạn chế phản ứng cracking tạo bồ hóng nhờ giảm nhiệt độ cháy. Đối với động cơ buồng

cháy ngăn cách, nồng độ bồ hóng gia tăng trước hết chậm, sau đó tăng nhanh theo lượng

nước phun vào buồng cháy phụ; biến thiên của nồng độ CO và HC cũng tương tự. Hơi

nước chỉ có tác dụng làm giảm nồng độ NO. Sự điều chỉnh tỉ lệ khí xả hồi lưu cần được

căn cứ theo tải và theo tốc độ. Hệ thống điện tử cho phép điều chỉnh van hồi lưu khí xả

theo các đường đặc tính chọn trước: cắt lượng khí xả hồi lưu khi động cơ nguội; sau đó

lượng khí xả hồi lưu tăng dần phụ thuộc nhiệt độ nước làm mát, áp suất môi trường, lượng

nhiên liệu cung cấp. Mặt khác, hệ thống cũng cắt lượng khí hồi lưu ở chế độ gia tốc lớn để

hạn chế nồng độ bồ hóng. Hồi lưu khí xả tối ưu cho phép giảm được 40% NOx mà không

làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu cũng như không làm tăng CO và bồ hóng. Kết hợp với

tăng áp, hệ thống hồi lưu khí xả cho phép làm giảm đồng thời NOx, HC và bồ hóng.

6.3.9. Điều khiển vòi phun và hệ thống hồi lưu khí xả

Việc điều chỉnh các thông số công tác động cơ thường có tác dụng mâu thuẫn nhau

đối với các chất ô nhiễm khác nhau. Tuy nhiên, do mức độ ảnh hưởng đó không đồng đều

ở các điểm làm việc khác nhau của động cơ nên ở mỗi chế độ công tác ta có thể lựa chọn

một bộ thông số điều khiển tối ưu đối với các chất ô nhiễm HC, NOx và bồ hóng. Việc

điều khiển phức tạp như vậy chỉ có thể thực hiện được nhờ hệ thống điện tử. Hệ thống

điều khiển điện tử phải thỏa mãn các điều kiện sau:

- Độ chính xác cao và nhạy, làm việc ổn định theo thời gian.

- Có khả năng điều chỉnh theo nhiều thông số

- Mềm dẻo trong lập chương trình hệ thống điều khiển để có thể áp dụng trong các

điều kiện sử dụng ô tô khác nhau (tùy theo yêu cầu của luật môi trường của từng

quốc gia)

- Thực hiện việc điều chỉnh động cơ theo những chỉ tiêu cho trước

Thêm vào đó, hệ thống phải hoạt động tin cậy trong mọi tình huống, phải được bảo

vệ chống nhiễu và chống hỏng hóc, bảo trì dễ dàng nhờ hệ thống chẩn đoán nhanh.

Khi hoạt động, máy tính điều khiển chuyên dụng nhận số liệu từ các cảm biến: vị

trí thanh răng hay cần gia tốc, vị trí kim phun, tốc độ động cơ, nhiệt độ không khí nạp,

nhiệt độ nhiên liệu, nhiệt độ nước làm mát, áp suất trong xilanh,.... Sau khi xử lí, máy tính

phát tín hiệu điều khiển đến bộ phận chấp hành. Bộ phận này sẽ tác động lên cơ cấu điều

khiển lượng nhiên liệu chu trình, thời điểm bắt đầu phun, lượng khí xả hồi lưu, tỉ số truyền

của hộp số. Hệ thống điều khiển điện tử hoàn hảo như vậy cho phép làm giảm đồng thời

nồng độ bồ hóng, NOx và tăng tính kinh tế của động cơ so với hệ thống điều khiển cơ khí,

đặc biệt là kết hợp bộ điều khiển quá trình phun và điều khiển góc phun sớm, mức độ phát

ô nhiễm của động cơ có thể giảm đi 3 lần.

6.4. Ảnh hưởng của việc giới hạn tốc độ ô tô

đến mức độ phát sinh ô nhiễm

Khi ô tô hoạt động ổn định người ta thấy nồng độ CO đạt cực tiểu ở tốc độ

80÷90km/h, nồng độ HC giảm dần đến khi tốc độ đạt khoảng 100km/h sau đó tăng lên

chậm còn nồng độ NOx tăng từ từ đến khi tốc độ động cơ đạt 70÷80km/h sau đó tăng

mạnh, nhất là đối với động cơ có dung tích cylindre lớn. Các kết quả đo đạc trên chu trình

có điều kiện thử gần với điều kiện vận hành thực tế cho thấy giới hạn tốc độ ít gây ảnh

hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm. Khi giảm mạnh giới hạn tốc độ, nồng độ NOx có thể

giảm đi vài phần trăm, nhưng làm tăng đôi chút CO, HC. Khi tăng tốc độ ô tô, nhờ sự rối

của không khí phía sau xe, các chất ô nhiễm thải ra khỏi ống xả khuếch tán nhanh chóng

trong không gian, làm giảm nồng độ cục bộ của chúng trong môi trường.

Trên xa lộ Châu Âu, tốc độ giới hạn là 130km/h. Khi đại bộ phận ô tô giảm tốc độ

từ 119 đến 107km/h người ta thấy nồng độ các chất ô nhiễm trong bầu không khí quanh hệ

thống xa lộ giảm đi đáng kể: -12% đối với CO; -1,7% đối với HC và -10,5% đối với NOx.

Một thí nghiệm khác được thực hiện bằng cách giảm tốc độ giới hạn từ 100 xuống 60km/h

trên một bộ phận xa lộ người ta nhận thấy lượng NOx giảm đi 50% trong 6 tháng.

6.5. Ảnh hưởng của nhiên liệu đến mức độ phát ô nhiễm

của động cơ

6.5.1. Nhiên liệu động cơ xăng

Việc điều chỉnh động cơ có ảnh hưởng đến lượng ô nhiễm phát sinh vì việc điều

chỉnh này tác động đến cơ chế hình thành hay phân hủy các chất ô nhiễm trước khi thoát

ra ngoài khí quyển.

Nhiên liệu cũng gây ảnh hưởng đến sự phát ô nhiễm, chủ yếu là do tỉ số không

khí/nhiên liệu có thể bị thay đổi do sự thay đổi các đặc trưng hóa lí của chúng không phải

lúc nào cũng được bù lại bởi sự điều chỉnh các thông số của động cơ. Như chúng ta đã

biết, độ đậm đặc của hỗn hợp ảnh hưởng lớn đến mức độ phát sinh ô nhiễm: NOx đạt cực

đại trong môi trường hơi nghèo; CO, HC đạt cực tiểu trong môi trường nghèo; sự xuất

hiện bồ hóng diễn ra trong môi trường rất giàu (a<0,6), điều kiện này diễn ra chung quanh

hạt nhiên liệu trong buồng cháy động cơ Diesel.

Các tính chất của nhiên liệu ô tô, nhiên liệu thông thường hay super thỏa mãn

những đặc trưng yêu cầu của từng quốc gia. Mỗi quốc gia có tiêu chuẩn riêng xác định

phạm vi cho phép của khối lượng riêng, phạm vi chưng cất, sự bốc hơi, nồng độ lưu huỳnh

và nồng độ các chất phụ gia.

6.5.1.1. Ảnh hưởng của khối lượng riêng nhiên liệu

Khối lượng riêng nhiên liệu có quan hệ chặt chẽ với thành phần các hydrocarbure

tạo thành hỗn hợp nhiên liệu thường hay super, đặc biệt là tỉ lệ nguyên tử tổng quát

carbon/hydrogène.

Sự gia tăng khối lượng riêng của nhiên liệu có khuynh hướng làm nghèo hỗn hợp

đối với động cơ dùng bộ chế hòa khí và ngược lại, làm giàu hỗn hợp đối với động cơ phun

xăng. Tuy nhiên, do phạm vi thay đổi khối lượng riêng nhiên liệu rất bé (từ 2,5 đến 4%),

ảnh hưởng của nó đến mức độ phát ô nhiễm của động cơ đã điều chỉnh sẵn với một nhiên

liệu cho trước không đáng kể.

6.5.1.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ hydrocarbure thơm

Các hydrocarbure thơm có chỉ số octane nghiên cứu RON>100 và chỉ số octane

động cơ MON thường lớn hơn 90. Do đó thêm thành phần hydrocarbure thơm vào nhiên

liệu là một biện pháp làm tăng tính chống kích nổ của nhiên liệu hiện đại.

Hiện nay người ta có khuynh hướng gia tăng hàm lượng các chất hydrocarbure

thơm trong nhiên liệu nhằm phổ biến nhiên liệu không chì. Theo tiêu chuẩn Cộng Đồng

Châu Âu, hàm lượng benzene trong nhiên liệu phải thấp hơn 5%.

Các hydrocarbure thơm có tỉ số C/H cao hơn do đó khối lượng riêng lớn hơn. Do

nhiệt lượng tỏa ra đối với một đơn vị thể tích cao hơn nên nhiệt độ cháy của hỗn hợp tăng

làm tăng NOx. Hình 6.6 cho thấy ví dụ trên động cơ có tốc độ 1500 vòng/phút ở chế độ tải

trung bình sự thay đổi NOx theo tỉ số không khí/nhiên liệu đối với alkylat không thơm và

đối với nhiên liệu super thơm. Chúng ta thấy ở vị trí phát ô nhiễm cực đại, alkylat làm

giảm nồng độ ô nhiễm khoảng 20%.

Mức độ phát sinh CO ít bị ảnh hưởng bởi hàm lượng hydrocarbure thơm. Tuy

nhiên, các hydrocarbure thơm có cấu tạo ổn định hơn parafine nên có động học phản ứng

cháy chậm hơn. Do đó trong cùng điều kiện cháy, sự phát sinh hydrocarbure chưa cháy

của nhiên liệu chứa nhiều hydrocarbure thơm hơn sẽ cao hơn. Khi chuyển từ nhiên liệu

super thơm sang alkylat, mức độ phát sinh HC giảm đi 16% (hình 6.7).

Mặt khác, các chất thơm trong nhiên liệu giữ vai trò phát sinh các hydrocarbure

thơm đa nhân HAP, phènol và aldehyde thơm mà những chất này tăng theo các chất thơm

còn formaldehyde thì giảm. Sự phụ thuộc của HAP vào tỉ lệ các chất thơm trong nhiên

liệu thay đổi một mặt theo HAP xem xét và mặt khác theo dạng chất thơm trong nhiên

liệu: benzene ít ảnh hưởng đến HAP hình thành, HAP nhẹ (đến 4 nhân) gia tăng tuyến tính

theo tỉ lệ các chất thơm trong nhiên liệu, những HAP nặng hơn (đến 5 nhân) (hình 6.8)

không chịu ảnh hưởng bởi tỉ lệ này. HAP đã có mặt trong nhiên liệu cũng ảnh hưởng đến

mức độ phát sinh HAP trong khí xả.

6.5.1.3. Ảnh hưởng của tính bay hơi

Tính bay hơi của nhiên liệu thường được đặc trưng bởi đường cong chưng cất và

áp suất hơi Reid (PVR) đo ở 37,8°C. Đó là một đặc tính quan trọng đối với hoạt động của

động cơ, nó ảnh hưởng đến thời gian khởi động động cơ ở trạng thái nguội, tính ưu việt

khi gia tốc và tính ổn định khi làm việc ở chế độ không tải và khi chạy nóng.

Những thành phần quá nặng (bay hơi ở nhiệt độ lớn hơn 200-220°C) có ảnh hưởng

đến sự phát sinh hydrocrabure chưa cháy, do sự bốc hơi kém dẫn tới sự cháy không hoàn

toàn với sự hình thành aldehydes và sự gia tăng HC.

Những thành phần nhẹ hơn, cần thiết cho việc khởi động và làm việc ở trạng thái

nguộI, ảnh hưởng đến sự phát ô nhiễm của khí xả và nhất là ảnh hưởng đến tổn thất do bay

hơi. Tính chất bay hơi tiêu chuẩn của nhiên liệu phụ thuộc vào điều kiện khí hậu và mùa.

Chẳng hạn ở Pháp, tính chất bay hơi của nhiên liệu được qui định như sau:

- 45<=PVR<=79 kPa (từ 20/6 đến 9/9)

- 50<=PVR<=86 kPa (từ 10/4 đến 19/6 và từ 10/9 đến 31/10)

- 55<=PVR<=99 kPa (từ 01/11 đến 9/4)

Chính những thành phần dễ bay hơi nhất, đặc biệt là cặp butane-pentane gây ảnh

hưởng đến PVR. Cặp này nhẹ, thường có nhiều hơn qui định trong quá trình lọc dầu, được

pha vào nhiên liệu đến giới hạn tối đa cho phép để tận dụng chỉ số octane cao của nó

(butane có chỉ số RON = 94) nhằm bù trừ việc giảm hàm lượng chì. Tính bay hơi của

nhiên liệu không gây ảnh hưởng đến sự phát sinh NOx trong khí xả. Chỉ có CO và HC gia

tăng theo PVR: nồng độ CO và HC tăng khoảng 20% theo chu trình FTP khi PVR tăng từ

65 đến 80kPa.

6.5.1.4. Ảnh hưởng của chỉ số octane

Chỉ số octane có ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm, đặc biệt khi động cơ bị

kích nổ. Sự giảm chỉ số octane dẫn đến sự gia tăng tính kích nổ, do đó làm tăng NOx nhất

là khi hỗn hợp nghèo. Nhưng trong thực tế, sự kích nổ trong điều kiện như vậy không diễn

ra.

6.5.1.5. Ảnh hưởng của các chất phụ gia

Người ta pha vào nhiên liệu ô tô nhiều chất phụ gia:

- Những chất phụ gia làm tăng chỉ số octane: Alkyle chì, méthylcyclopenta-diényl

mangan tricarbonyle (MMT), ferrocène,...

- Những chất phụ gia chống oxy hóa, ngăn chận sự hình thành oléphine gồm:

phénylène diamin, aminophénol và phénol alkylé.

- Những chất phụ gia làm sạch bề mặt đường ống nạp do hơi dầu bôi trơn và những

chất không bị lọc gió giữ lại trên đường nạp.

- Màu và các chất phụ gia chống nhầm lẫn.

Những chất phụ gia chì, dù rằng thành phần chlore và brome đảm bảo biến chì

thành dạng halogene nhẹ, không đủ để loại trừ hoàn toàn những lớp bám trong buồng

cháy. Sự hiện diện của các lớp bám này dường như không gây ảnh hưởng đến nồng độ CO

và NOx nhưng làm tăng HC. Chì không gây ảnh hưởng đến sự hình thành aldéhyde.

Những chất phụ gia mangan (MMT) gây ảnh hưởng xấu đến sự phát sinh HC và aldéhyde.

Nếu sự phát sinh CO và NOx không bị ảnh hưởng, nồng độ HC tăng tuyến tính

theo nồng độ MMT: sự chuyển đổi ở bộ xúc tác không hạn chế hoàn toàn được sự gia tăng

này và bộ xúc tác dần dần bị bao phủ bởi lớp bám Mn3O4.

Các chất phụ gia hữu cơ hay hữu cơ-kim loại (organometallique) thêm vào nhiên

liệu để tác động đến các phản ứng cháy dường như không gây ảnh hưởng đến mức độ phát

ô nhiễm, các chất phụ gia chống các lớp bám cũng vậy. Tuy nhiên, việc duy trì độ sạch

trên đường nạp cho phép giữ được sự điều chỉnh ban đầu và sự ổn định về mức độ phát

sinh CO ở chế độ không tải.

6.5.1.6. Ảnh hưởng của việc sử dụng nhầm nhiên liệu

Từ 'nhầm' nhiên liệu dùng để chỉ việc cung cấp không đúng nhiên liệu cho động

cơ, chẳng hạn cung cấp dầu Diesel cho động cơ đánh lửa cưỡng bức. Trong thực tế thường

diễn ra sự nhầm lẫn cung cấp nhiên liệu pha chì cho động cơ có ống xả xúc tác. Sự 'đầu

độc' bộ xúc tác do chì làm giảm dần hiệu quả của bộ xúc tác dẫn đến sự gia tăng HC và

aldehyde ở phía sau ống xả. Hình 6.9 cho thấy sự gia tăng nhanh chóng của HC và

aldehyde ngay khi cung cấp nhiên liệu pha chì. Mặt dù khi cung cấp lại xăng không chì,

tính năng của bộ xúc tác được phục hồi trở lại nhưng không bao giờ đạt được hiệu quả ban dau

Chúng ta sẽ khảo sát sau đây ảnh hưởng của khối lượng riêng, chỉ số cetane, thành

phần lưu huỳnh, các chất phụ gia đến mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ Diesel. Các

chất ô nhiễm quan tâm như động cơ đánh lửa cưỡng bức nhưng phải thêm vào những hạt

rắn và các chất hữu cơ liên quan (SOF) là những chất ô nhiễm đặc biệt ở động cơ Diesel.

6.5.2.1. Ảnh hưởng của khối lượng riêng

Sự gia tăng khối lượng riêng của dầu Diesel dẫn tới sự gia tăng nồng độ hạt rắn.

Hình 6.10 giới thiệu mức độ phát sinh hạt rắn tính theo gam/lít nhiên liệu theo khối lượng

riêng ứng với động cơ V8, 10,4 lít chạy ở tốc độ 1700 vòng/phút và một động cơ tăng áp

14 lít, chạy ở 1700 vòng/phút. Tương tự như vậy, nồng độ SOF cũng tăng theo khối lượng

riêng.

Ảnh hưởng của thành phần thơm

Thành phần thơm của nhiên liệu Diesel ảnh hưởng trực tiếp đến chỉ số cetane.

Nhiên liệu không cháy hết, hạt rắn, SOF gia tăng theo hàm lượng thơm. Nồng độ NOx ít bị

ảnh hưởng. Động cơ Diesel phun trực tiếp, ít bị ảnh hưởng bởi thành phần thơm

6.5.2.3. Ảnh hưởng của chỉ số cétane

Kéo dài thời gian cháy trễ do giảm chỉ số cétane dẫn đến sự gia tăng HC, hạt rắn

và CO.

Hình 6.11 giới thiệu ảnh hưởng của chỉ số cétane đến mức độ phát sinh ô nhiễm

của động cơ phun gián tiếp: NOx ít bị ảnh hưởng bởi chỉ số cétane. Đối với động cơ có

buồng cháy ngăn cách, ảnh hưởng của chỉ số cétane chủ yếu đến bộ phận SOF dẫn xuất

(extractible), thành phần hạt rắn không hòa tan dường như không bị ảnh hưởng.

Chỉ số cétane cũng ảnh hưởng đến sự phát sinh khói xanh hay khói trắng, sương

mù trong khí xả gồm những hạt nhiên liệu không cháy, hiện tượng gặp khi khởi động hay

khi làm việc trên cao áp suất giảm.

6.5.2.4. Ảnh hưởng của thành phần lưu huỳnh

Thành phần lưu huỳnh là một trong những đặc trưng quan trong được qui định

nghiêm ngặt đối với nhiên liệu Diesel. Ở Pháp thành phần lưu huỳnh cho phép là 0,3%. Ở

Châu Âu, thành phần lưu huỳnh dao động từ 0,05% đến 0,65%. Ở Thụy sĩ, thành phần lưu

huỳnh giới hạn 0,2% còn ở California, người ta hướng tới giới hạn 0,05%.

Đại bộ phận chất ô nhiễm do lưu huỳnh gây ra tồn tại dưới dạng SO2: Nhiên liệu

chứa 0,3% lưu huỳnh thì ở trong khí xả có khoảng 100ppm SO2. Tuy nhiên, một bộ phận

SO2 (khoảng 2 đến 3%) bị oxy hóa thành SO3 và acide sulfurique

Ảnh hưởng của các chất phụ gia

1. Các chất phụ gia kim loại:

Các chất phụ gia kim loại dưới dạng muối acide được sử dụng để làm giảm mức độ

phát sinh bồ hóng của động cơ Diesel.

Những kim loại alcalino-terreux (Ca, Ba, Mg, Fe, Mn, Cu, Ni) thường được sử

dụng làm chất phụ gia trong nhiên liệu Diesel. Những alcalino-terreux, barium và calcium

có hiệu quả nhất đối với động cơ phun trực tiếp hay phun gián tiếp. Hình 6.12 biểu diễn sự

biến thiên của độ đen khí xả theo thành phần chất phụ gia.

2. Các chất phụ gia hữu cơ:

Các chất phụ gia hữu cơ cho thêm vào nhiên liệu Diesel nhằm những mục đích

khác nhau:

- để giảm thời kì cháy trễ

- như là chất ổn định, chống oxy hóa, nâng cao tính ổn định trong quá trình dự trữ

- như chất tẩy rửa bề mặt để duy trì độ sạch của vòi phun, đây là yếu tố rất quan

trọng trong trường hợp động cơ có buồng cháy dự bị.

3. Thêm nước:

Sự pha thêm nước vào nhiên liệu được nghiên cứu rất nhiều vì phương pháp này

dường như là một trong những biện pháp rất hiếm hoi làm giảm đồng thời sự phát sinh

NOx và bồ hóng, trong khi những phương pháp khác thường tác động ngược nhau đối với

chiều biến thiên của hai chất ô nhiễm này.

Người ta đề nghị nhiều giải pháp: cung cấp nước dạng emulsion trong dầu Diesel,

phun trực tiếp nước trong cylindre hay phun trong dòng khí nạp. Giải pháp đầu tiên dường

như có hiệu quả nhất.

Nước có tác dụng làm giảm nhiệt độ dẫn đến giảm NOx; mặt khác, do kéo dài thời

kì cháy trễ, nó làm gia tăng lượng nhiên liệu cháy trong giai đoạn hòa trộn trước và giảm

lượng bồ hóng hình thành chủ yếu trong giai đoạn cháy khuếch tán. Điều này thấy rõ trên

hình 6.15. Kết quả này trình bày tỉ lệ giảm mức độ phát sinh bồ hóng theo tải của động cơ

một cylindre phun trực tiếp theo hai giá trị nồng độ nước trong dầu. Người ta có thể làm

giảm được 70% bồ hóng khi pha vào 10% nước.

Thành phần SOF hấp thụ bởi hạt rắn cũng gia tăng theo tỉ lệ nước. Hydrocarbure

chưa cháy gia tăng do giảm nhiệt độ cháy; sự gia tăng nhiệt độ khí nạp cũng không phải là

một biện pháp kinh tế để bù trừ sự gia tăng HC. Người ta nhận thấy rằng thành phần HAP

có mặt trong SOF tăng theo thành phần nước

Sự pha nước vào nhiên liệu không phải là giải pháp hữu hiệu làm giảm ô nhiễm

trong quá trình cháy Diesel vì nếu nó làm giảm NOx nhưng lại làm tăng HC và CO, việc

làm giảm bồ hóng còn phụ thuộc vào chế độ tải của động cơ.