Mục lục:

• Hồi lưu khí thải bên ngoài (EGR)
• Xử lý lại khí thải trong bộ xúc tác
• Bộ xúc tác với hệ thống hình thành hòa khí có điều chỉnh (Fuel Trim)
• Hệ thống bơm không khí thứ cấp

Những thành phần độc hại trong khí thải có thể được giảm bớt bằng cách dùng nhiên liệu thích hợp (ít lưu huỳnh, không chứa chì) kết hợp với các biện pháp ở động cơ hoặc qua xử lý khí thải (hệ thống không khí thứ cấp, bộ xúc tác).

Việc giảm bớt chất độc hại (chưa xử lý) đạt được bằng cách đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu-không khí hoàn toàn như có thể và giảm mức tiêu thụ nhiên liệu. Những biện pháp sau đây ở động cơ có thể nâng cao chất lượng khí thải:

• Thiết kế động cơ thích hợp: Tối ưu hóa buồng đốt và tỷ số nén; ống dẫn khí nạp biên thiên (về chiều dài và tiết diện); điều khiển xu-páp biến thiên theo thời gian mở và độ nâng; giảm tiết lưu trong quá trình nạp khí.
• Phương thức và chất lượng của sự hình thành hòa khí: Sự hình thành hòa khí bên ngoài, bên trong, hòa khí đồng nhất; nạp hòa khí phân tầng.
• Hồi lưu khí thải: Bên trong thông qua độ trùng lặp của hai xu-páp nạp và xả, bên ngoài thông qua hệ thống hồi lưu khí thải EGR.
• Hệ thống quản lý động cơ: Điều khiển đánh lửa và phun nhiên liệu theo biểu đồ đặc trưng, ngắt lực đẩy (tiết kiệm, không phun nhiên liệu); điều chỉnh tăng áp khí nén; ngắt xy-lanh có chọn lọc; kiểm tra chức năng của những bộ phận ảnh hưởng đến khí thải, thí dụ như cảm biến oxy, bộ xúc tác.
• Bộ tăng áp khí nạp với thiết bị làm mát khí nạp: Nâng cao công suất/lít, đồng thời giảm nhiệt độ cực đại của buồng đốt. Qua đó giảm bớt việc hình thành NO_x.

Hồi lưu khí thải bên ngoài (EGR)

Ở hệ thống hồi lưu khí thải bên ngoài (Exhaust Gas Recirculation – EGR), một phần khí thải được trích ra sau ống dẫn khí thải và được pha trộn trở lại với hỗn hợp nhiên liệu-không khí ở ống dẫn khí nạp.

Hệ thống hồi lưu khí thải làm giảm lượng hỗn hợp nhiên liệu-không khí được nạp vào các xy-lanh. Vì những thành phần trong khí thải được hồi lưu không thể tham dự vào quá trình cháy được nữa nên nhiệt độ cháy được giảm xuống. Nhờ đó giảm một cách rõ rệt lượng nitơ oxide được hình thành (lên đến 40 %). Nếu tăng thêm tỷ lệ hồi lưu khí thải thì không những hàm lượng hợp chất HC chưa cháy sẽ tăng, mà mức tiêu thụ nhiên liệu cũng tăng. Cả hai yếu tố này xác định giới hạn trên của tỷ lệ hồi lưu khí thải (tối đa 20 %). Ngoài ra, nếu tỷ lệ hồi lưu khí thải quá cao sẽ ảnh hưởng đến độ chạy êm của động cơ khi vận hành. Hồi lưu khí thải được sử dụng khi động cơ ở nhiệt độ vận hành bình thường, trong phạm vi tải một phần và khi λ = 1 . Hồi lưu khí thải sẽ ngưng khi hỗn hợp nhiên liệu-không khí đậm được đốt cháy mà không sinh ra nhiều NOx, thí dụ khi khởi động lạnh, lúc chạy nóng, lúc tăng tốc, khi toàn tải. Trong giai đoạn vận hành không tải, hoạt động hồi lưu khí thải bị ngưng để tránh ảnh hưởng đến độ chạy êm của động cơ. Để điều khiển hồi lưu khí thải, một van được lắp vào đường ống hồi lưu khí thải, nằm giữa ống dẫn khí thải và ống dẫn khí nạp. Tỷ lệ khí thải hồi lưu được điều khiển tùy thuộc vào tải, nhiệt độ và tốc độ quay động cơ.

Hồi lưu khí thải bên trong

Phương pháp hồi lưu khí thải bên trong được thực hiện thông qua việc hiệu chỉnh thời điểm đóng mở xu-páp nạp và xu-páp xả. Ở cuối kỳ xả – đầu kỳ hút, xu-páp nạp được mở sớm hơn khiến một phần lượng khí xả bị đẩy ra ngoài qua cửa hút. Lượng khí xả này ở trong đường nạp cho tới khi kỳ hút “thực sự” bắt đầu, đi cùng không khí tươi, quay trở lại buồng đốt.

Xử lý lại khí thải trong bộ xúc tác

Việc xử lý lại khí thải được thực hiện để biến đổi hoàn toàn hay một phần những chất độc hại sinh ra lúc cháy và sau khi rời buồng đốt thành những chất ít hoặc không độc hại.

Phương pháp hiệu quả nhất hiện nay là xử lý lại khí thải trong bộ xúc tác. Bộ xúc tác biến đổi chất độc hại bằng phương pháp hóa học thành chất không độc hại mà không bị tiêu hao trong quá trình này.

Cấu tạo của bộ xúc tác

Những bộ phận chủ yếu của bộ xúc tác bao gồm:

• Giá mang bằng gốm (nhôm-magnesi-silic) hoặc giá mang bằng kim loại
• Lớp phủ trung gian
• Lớp phủ chất chủ động xúc tác

Giá mang gồm có hàng ngàn kênh nhỏ để luồng khí thải chảy qua. Những kênh của giá mang bằng gốm hoặc kim loại được tráng một lớp phủ trung gian xốp. Qua đó bề mặt hữu dụng của bộ xúc tác được tăng lên gấp khoảng 7.000 lần. Lớp phủ chất chủ động xúc tác được tráng lên trên lớp phủ trung gian này. Loại lớp phủ xúc tác hoạt tính này được sử dụng tùy thuộc vào thành phần các chất độc hại, nghĩa là tùy theo thiết kế động cơ và thành phần của hòa khí tương ứng ( λ ≈ 1;  λ > 1).

Ưu điểm và nhược điểm của giá mang bằng gốm so với giá mang bằng kim loại

Ưu điểm: Giá mang bằng gốm có nhiệt độ hoạt động ổn định hơn. Ngoài ra, quy trình thu hồi lớp phủ bằng kim loại quý đơn giản hơn so với giá mang bằng kim loại.

Nhược điểm: Giá mang bằng gốm nhạy đối với va chạm và rung động. Vì thế cần phải được đệm lót trong một lớp lưới đan bằng dây thép chịu nhiệt. Tất cả được bọc ngoài bởi vỏ bằng thép tấm. Hơn nữa, bộ xúc tác chuẩn [mật độ kênh: 400 cpsi (cells per quare inch), 400 kênh/1 inch vuông] cần thời gian làm nóng lâu hơn và đối áp trong hệ thống xả khí thải cao hơn. Vì vậy ngay sau khi khởi động động cơ, sự biến đổi khí thải cũng như công suất của động cơ bị suy giảm. Những giá mang có vách cực mỏng với mật độ kênh từ 600 cpsi đến 1.200 cpsi tránh được những nhược điểm này.

Nguyên lý hoạt động của bộ xúc tác 3 thành phần

Bộ xúc tác 3 thành phần có lớp chủ động xúc tác bằng platin (Pt), rhodi (Rd) và paladi (Pd). Tên gọi “bộ xúc tác 3 thành phần” có nghĩa là ba biến đổi hóa học đồng thời xảy ra trong cùng một vỏ bọc. Tùy thuộc vào nhiệt độ vận hành, bộ xúc tác biến đổi lên đến 98 % NO_x, CO và HC thành CO₂, H₂O và Ng trong phạm vi λ = 0,995 …1,005 (cửa sổ lamda).

• NO_x được khử thành nitơ (phóng thích oxy O₂).
• CO được oxy hóa thành CO₂ (tiêu thụ oxy O₂).
• Hợp chất HC được oxy hóa thành CO₂ và H₂O (tiêu thụ oxy).

Chỉ khi hệ số dư lượng không khí λ ≈ 1 thì mới có các thành phần khí thải mà trong đó lượng oxy được phóng thích từ sự khử nitơ oxide đủ để oxy hóa hầu như hoàn toàn lượng HC và CO trong khí thải thành CO₂ và H₂O. Hòa khí đậm ( λ < 0,995) làm tăng thành phần CO và HC trong khí thải. Hòa khí nhạt ( λ > 1,005) dẫn tới sự gia tăng nitơ oxide. Vì thế những động cơ hoạt động trong những phạm vi vận hành nhất định với  λ > 1, thí dụ động cơ phun trực tiếp, cần bộ xúc tác có thể lưu giữ NO_x tạm thời.

Điều kiện hoạt động cho bộ xúc tác 3 thành phần

Phạm vi hoạt động cũng như nhiệt độ tối ưu của bộ xúc tác nằm trong khoảng 400 °C đến 800 °C.

Bộ xúc tác đạt được tỷ lệ biến đổi trên 50 % chỉ khi nhiệt độ cao hơn 300 °C (điểm tối (“light off-point) nhiệt độ khởi động). Khoảng thời gian từ khi khởi động lạnh cho đến khi đạt được nhiệt độ này có thể được rút ngắn một cách đáng kể bằng cách lắp đặt bộ xúc tác gần động cơ, làm nóng bộ xúc tác, dùng ống dẫn khí thải có lớp cách nhiệt bằng khe không khí, dời thời điểm đánh lửa lại (đến 15°) và phun không khí thứ cấp. Trên 800 °C thì lớp phủ chất chủ động xúc tác bị lão hóa vì nhiệt. Nếu nhiệt độ trong bộ xúc tác tăng đến trên 1.000 °C, bộ xúc tác sẽ bị phá hủy vì nhiệt (Hình dưới). Điều này có thể xảy ra, chẳng hạn do hiện tượng mất lửa (bỏ lửa, bỏ máy). Trong trường hợp này, hydrocarbon chưa cháy hết sẽ đi vào bộ xúc tác và bị đốt cháy do oxy dư còn lưu giữ ở trong đó.

Để lớp chủ động xúc tác không mất tác dụng (bị ức chế xúc tác) do lớp kết tủa bám bên trên đó, xe chỉ được phép đổ xăng không chì và ít lưu huỳnh. Chất cặn do dầu động cơ cháy, thí dụ khi vòng xéc măng piston bị hư hay xy-lanh bị mòn, cũng đọng lại trên lớp chủ động xúc tác và làm giảm tác dụng của bộ xúc tác.

Bộ xúc tác với hệ thống hình thành hòa khí có điều chỉnh (Fuel Trim)

Trong trường hợp này, một cảm biến oxy giám sát thành phần hòa khí trong khoảng dung sai hẹp λ = 1 ± 0,005 (cửa sổ λ) thông qua lượng oxy dư trong khí thải.

Trong khi tỷ lệ biến đổi đạt được từ 94 % đến 98 % trong bộ xúc tác có hệ thống tạo hòa khí được điều chỉnh, thì ở những xe đời cũ chỉ có thể đạt được tỷ lệ biến đổi trung bình 60 % với hệ thống tạo hòa khí không được điều chỉnh.

Phương pháp điều chỉnh hệ số dư lượng không khí lamda (Short Term Fuel Trim)

Cảm biến oxy hoặc cảm biến λ (bộ nhận-phát tín hiệu) được gắn trước bộ xúc tác. Tùy theo hàm lượng oxy dư trong khí thải, cảm biến oxy sẽ cung cấp tín hiệu điện áp tương ứng cho bộ điều khiển. Bộ điều khiển sẽ điều chỉnh rút ngắn thời gian phun nhiên liệu nếu hàm lượng oxy dư trong khí thải thấp (hòa khí đậm). Nếu hàm lượng oxy dư trong khí thải cao (hòa khí nhạt) thì thời gian phun nhiên liệu sẽ được kéo dài với tỷ lệ thích hợp. Việc điều chỉnh được lặp lại với tần số được quy định để không ảnh hưởng đến độ chạy êm của động cơ.

Điều kiện để điều chỉnh λ:

• Nhiệt độ của cảm biến cao hơn 300 °C
• Động cơ chạy không tải hoặc trong phạm vi tải một phần
• Nhiệt độ động cơ cao hơn 40 °C

Cảm biến oxy thứ hai (cảm biến giám sát) được đặt sau bộ xúc tác để kiểm tra chức năng hoạt động của bộ xúc tác.

Điều chỉnh thích ứng hệ số dư lượng không khí lamda (Long Term Fuel Trim)

Thí dụ khi lượng oxy dư trong khí thải thường xuyên thấp trong một phạm vi tải trọng nhất định, có nghĩa là hòa khí quá đậm, thì lượng phun cơ bản cho phạm vi tải trọng này được giảm bớt và được lưu trữ trong bộ điều khiển như trị số điều khiển đặt trước. Qua đó các đại lượng gây nhiễu có thể được hiệu chỉnh lại trong một phạm vi điều chỉnh nhất định, chẳng hạn như khi áp suất trong hệ thống nhiên liệu sai, trị số nhiệt độ không đúng, động cơ bị lão hóa, rò rỉ không khí. Đồng thời, thời gian đáp ứng của hệ điều chỉnh λ được rút ngắn và chất lượng của khí thải được cải thiện.

Hệ thống bơm không khí thứ cấp

Việc bơm không khí thứ cấp vào cổ xả (ngay trước bầu xúc tác khí thải) trong giai đoạn khởi động và chạy nóng động cơ ( λ < 1) được dùng để giảm những chất độc hại HC và CÓ bằng việc đốt cháy nhiên liệu còn dư ngay chính trong bầu xúc tác.

Trong tình trạng vận hành này của động cơ, bộ xúc tác 3 thành phần chưa hoàn toàn sẵn sàng hoạt động. Khi bơm không khí thứ cấp, không khí được dẫn vào ống dẫn khí thải trước bộ xúc tác.

Ưu điểm:

• Bộ xúc tác đạt tới trạng thái sẵn sàng hoạt động nhanh hơn sau khi khởi động nguội.
• Bộ xúc tác có thể được gắn xa cửa xả hơn để tăng độ bền.

Nguyên lý hoạt động:

Ở hệ thống này, một bơm thổi không khí thứ cấp và một van chuyển dòng bằng điện-khí nén được kích hoạt qua bộ điều khiển, tùy thuộc vào nhiệt độ của động cơ. Trước bộ xúc tác, không khí thứ cấp được dẫn vào khí thải qua một van ngắt và một van một chiều. Van ngắt được kích hoạt bởi một van chuyển dòng bằng điện-khí nén. Van một chiều bảo vệ cho bơm thổi không khí không bị áp suất khí thải tác động và làm hư hại. Thêm vào đó, van mộ chiều ngăn cản khí thải bị dẫn ngược lại vào ống dẫn khí nạp.

Xem thêm:

• Hệ thống ống xả máy xăng (Phần 1: Thành phần khí thải)
• Hệ thống ống xả máy xăng (Phần 2: Biện pháp xử lý khí thải)
• Hệ thống ống xả máy xăng (Phần 3: Cảm biến Oxy)
• Hệ thống ống xả máy xăng (Phần 4: Xử lý NOx)
• Hệ thống ống xả máy xăng (Phần 5: Đăng kiểm tại Châu Âu)
• Hệ thống ống xả máy xăng (Phần 6: Chẩn đoán OBD)
• Chỉ dẫn cơ xưởng: Chẩn đoán OBD