Hệ thống ống xả máy Diesel (Phần 2: Hồi lưu khí thải EGR)

Mục lục:

Tổng quan về hồi lưu khí thải (EGR – Exhaust Gas Recirculation)
Hồi lưu khí thải ở áp suất cao
Hồi lưu khí thải ở áp suất thấp
Tỷ lệ hồi lưu khí thải

Tổng quan về hồi lưu khí thải (EGR – Exhaust Gas Recirculation)

Hồi lưu khí thải (EGR) được áp dụng để làm giảm nồng độ NO_x. Trộn khí thải vào không khí nạp sẽ làm giảm lượng oxy đi vào buồng đốt. Thành phần khí thải không những không tham gia vào tiến trình cháy nữa mà còn hấp thụ thêm nhiệt. Vì vậy nhiệt độ cháy cực đại giảm đi và qua đó lượng khí nitơ oxide giảm đến khoảng 60%. Tỷ lệ khí thải được sử dụng có thể lên đến 40% thể tích. Nếu tăng tỷ lệ này hơn nữa, lượng phát tán NO_x sẽ tiếp tục giảm, nhưng lại khiến nhiên liệu diesel không còn được cháy hoàn toàn. Qua đó thành phần hydrocarbon (HC) không cháy và hạt (PM) sẽ tăng lên vì thiếu oxy.

Người ta phân biệt những hệ thống hồi lưu khí thải sau đây:

Hồi lưu khí thải bên trong động cơ (Scavenging)
Hồi lưu khí thải bên ngoài động cơ (EGR valve)

Hồi lưu khí thải bên trong động cơ

Mở xu-páp nạp sớm hơn sau kỳ sinh công có tác dụng giúp trộn nhiều khí thải hơn vào không khí nạp. Tỷ lệ khí thải trong buồng đốt được gọi là hồi lưu khí thải bên trong. Biện pháp này không có tác dụng đáng kể để giảm NOx như mong muốn, vì trên nguyên tắc động cơ diesel có ít độ trùng lặp của hai xu-páp nạp/xả và khí nạp thường được tăng áp.

Hồi lưu khí thải bên ngoài động cơ

Một phần của khí thải sau khi đã được làm nguội hoặc chưa được làm nguội được trộn với không khí nạp qua một ống dẫn khí thải bổ sung và một van hồi lưu khí thải (EGR valve). Thành phần khí thải có tác dụng như khí trơ, được làm nóng lên trong buồng đốt nhưng không có tác dụng hỗ trợ gì cho tiến trình cháy động cơ giảm đi. Sự hấp thụ nhiệt này làm nhiệt độ cháy cực đại trong động cơ giảm đi.

Tùy theo khí thải được lấy ra trước hay sau bộ turbo tăng áp khí thải, người ta phân biệt:

Hồi lưu khí thải ở áp suất cao
Hồi lưu khí thải ở áp suất thấp

Hồi lưu khí thải ở áp suất cao (High pressure EGR)

Khí thải hồi lưu được lấy ở phía trước tua bin khí thải của bộ turbo tăng áp và trộn với không khí sạch đã được nén ở phía sau máy nén (Hình dưới).

Một van hồi lưu điều chỉnh lượng khí thải. Để tăng lượng khí thải hồi lưu, khí thải phải được làm mát trước khi trộn với không khí (EGR Cooler).

Tiêu chuẩn Euro 3 còn dùng hệ thống hồi lưu khí thải không cần làm mát. Bắt đầu từ Euro 4, xe thường có một đoạn dẫn khí thải hồi lưu được làm mát.

Hệ thống hồi lưu khí thải (EGR) áp suất cao

Để đạt được một tỷ lệ hồi lưu khí thải đủ cho động cơ tăng áp, nắp điều chỉnh áp suất được gắn ở cửa vào buồng trộn (Hình trên). Nắp điều chỉnh áp suất tạo nên một độ chênh lệch áp suất từ cửa xả đến cửa hút. Thí dụ khi nắp điều chỉnh áp suất đóng thì độ chênh lệch áp suất giữa ống dẫn khí nạp và cửa xả lớn hơn, qua đó tỷ lệ hồi lưu khí thải được nâng cao.

Để đạt được công suất và mô-men xoắn tối đa, hệ thống hồi lưu khí thải sẽ ngưng hoạt động ở tốc độ quay động cơ cao và khi toàn tải. Thêm vào đó lượng phát tán hạt sẽ rất cao do thiếu không khí. Việc giảm độ chạy êm do hệ thống hồi lưu khí thải gây ra trong khi vận hành không tải được bù trừ ở những xe có bộ điều chỉnh tốc độ chạy không tải.

Quy trình hồi lưu khí thải ở các trạng thái động cơ khác nhau:

Chạy không tải/khởi động lạnh: Bằng việc hồi lưu khí thải đang nóng trở lại buồng đốt, động cơ sẽ được làm nóng nhanh hơn. Vấn đề cháy kém hơn do hồi lưu khí thải sẽ được cân bằng lại bằng chu trình điều khiển chạy không tải từ ECU.
Tải vừa: Ở trạng thái hoạt động này, lượng khí thải được hồi lưu nhiều nhất, lên tới 40% lượng khí thải ra.
Tải cao/toàn tải: Để cho ra công suất và mô-men xoắn cao nhất, hệ thống hồi lưu khí thải sẽ bị đóng lại ở vòng tua cao và ở trạng thái toàn tải. Nắp điều chỉnh áp suất nói trên sẽ mở ra hoàn toàn và van hồi lưu sẽ đóng lại.

Hồi lưu khí thải ở áp suất thấp (Low pressure EGR)

Khí thải hồi lưu được lấy sau cánh tua bin của turbo tăng áp khí thải và bầu DPF. Nó được trộn vào không khí sạch trước khi đi vào phía cánh nén của turbo tăng áp

Hệ thống hồi lưu khí thải kết hợp áp cao và áp thấp

Vì được lấy ở phía sau của hệ thống xả khí nên khí thải nguội và chứa ít muội than hơn. Do đó hệ thống này có những ưu điểm sau:

Hệ số nạp tốt hơn, vì không khí hút vào ít bị nung nóng.
Lượng khí thải trước tua bin của bộ turbo tăng áp khí thải không bị giảm, do đó bộ turbo tăng áp hoạt động nhạy hơn và quá trình thay đổi tải tốt hơn.
Nhu cầu điều tiết bằng van điều chỉnh áp suất của hệ thống hồi lưu khí thải cao áp được giảm thiểu rất nhiều.

Nhược điểm của hệ thống hồi lưu khí thải áp suất thấp là đòi hỏi điều kiện hoạt động cường độ cao hơn bộ turbo tăng áp, do tác dụng nhiệt cũng như của những chất bẩn có trong khí thải (dù đã được đi qua bộ xúc tác và bầu lọc DPF), làm giảm công suất của bánh nén turbo.

Động cơ đạt tiêu chuẩn Euro 6 có thể cần đồng thời một hệ thống hồi lưu khí thải ở cả áp suất thấp được làm mát, và cả hệ thống hồi lưu khí thải cao áp không cần làm mát vì những ưu thế động lực học và khi khởi động lạnh của hệ thống này.

Tỷ lệ hồi lưu khí thải

Như được mô tả trong Hình dưới, nồng độ NO_x sẽ giảm khi tỷ lệ hồi lưu khí thải tăng. Nhưng đồng thời nồng độ của hạt muội than, CO và HC cũng tăng. Do nhiệt độ cháy giảm, mức tiêu thụ nhiên liệu cũng cao hơn. Từ những lý do này, trị số giới hạn trên của tỷ lệ hồi lưu khí thải nằm trong khoảng 40 % thể tích.

Điều chỉnh tỷ lệ hồi lưu khí thải

Tỷ lệ hồi lưu khí thải được điều chỉnh từ bộ điều khiển, thông qua một van áp suất chân không hoặc một mô-tơ trợ động điện (Stepper Motor), và phụ thuộc vào những thông số sau đây:

Tải/tốc độ quay của động cơ
Nhiệt độ động cơ
Áp suất khí nén
Nhiệt độ của không khí nạp

Nhiệm vụ: Trong biểu đồ đặc trưng của động cơ, vị trí của những cơ cấu chấp hành tại mỗi điểm vận hành được ghi nhận, chẳng hạn như cho van điều chỉnh lượng khí thải hồi lưu và vị trí của nắp điều chỉnh áp suất. Để có thể bảo đảm đạt được những trị số giới hạn nghiêm ngặt hơn của tiêu chuẩn Euro 5, vị trí của nắp điều chỉnh áp suất thay vì chỉ điều khiển, sẽ được điều chỉnh qua một mạch điều chỉnh. Điều đó có nghĩa là một bộ chiết áp xác định vị trí của nắp và truyền thông tin này đến bộ điều khiển.

Thêm vào đó khối lượng không khí nạp cũng được đo bằng bộ đo khối lượng khí nạp kiểu màng nhiệt. Thông qua số liệu lập trình sẵn, tỉ lệ hồi lưu khí thải sẽ được cân đối chính xác với khí nạp để cho ra tỉ lệ tối ưu.

Hàm lượng oxy dư trong khí thải được xác định bằng một cảm biến oxy băng rộng đặt trong ống xả. Ở những động cơ dùng bugi xông có cảm biến áp suất (xem thêm: Hoà khí động cơ Diesel (Phần 2: Bugi xông)), diễn biến áp suất cũng được thông báo.

Từ ba tín hiệu nói trên, ECU sẽ tính toán tỷ lệ khí thải hồi lưu tối ưu và kích hoạt những cơ cấu chấp hành tương ứng.

Khi động cơ diesel đã chạy nóng thì sự hồi lưu khí thải được kích hoạt trong lúc vận hành không tải và tải một phần. Hệ thống này không hoạt động ở tải toàn phần.

Xem thêm: