Tuần hoàn khí thải (EGR) là công nghệ phổ biến nhất để giảm lượng khí thải oxit nitơ (NOx) trên động cơ đốt trong (ICE). EGR lấy khí thải từ ống xả và đưa chúng trở lại ống nạp, trộn chúng với không khí sạch. Bằng cách này, các thành phần chính của lượng khí thải NOx sẽ giảm:
- Oxy: được thay thế bởi khí trơ (khí thải)
- Nhiệt độ đốt cháy: giảm do nhiệt dung của carbon dioxide (CO2) và hơi nước (H2O) cao hơn sẽ hút một phần nhiệt đốt cháy.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu các thành phần cơ bản của hệ thống tuần hoàn khí thải EGR. Để tìm hiểu rõ hơn về EGR, mời các bạn đọc thêm các bài viết sau:
Hầu hết hệ thống EGR đều chứa ít nhất:
- Van EGR
- EGR cooler – Bộ làm mát EGR (tùy chọn)
- EGR cooler bypass – van bypass bộ làm mát EGR (tùy chọn)
- Van tiết lưu nạp
Một số phương tiện có cả hệ thống EGR áp suất cao và áp suất thấp, điều đó có nghĩa là các thành phần EGR được tăng gấp đôi.
Van EGR
Chức năng chính của van EGR là cho phép khí thải chảy từ đường ống xả vào đường ống nạp.
Van EGR chân không/khí nén
Phần lớn các loại van đang được sản xuất, cho đến tiêu chuẩn khí thải Euro 3, đều có van poppet (xupap) mở vào trong được vận hành bằng bộ truyền động chân không hoặc khí nén. Các phiên bản đầu tiên của van EGR chân không không sử dụng năng lượng điện để di chuyển van thực tế mà sử dụng một trục được nối với màng ngăn trong xi lanh chân không. So với van EGR được kích hoạt bằng điện, ưu điểm chính của van chân không/khí nén là chi phí thấp, và tính đơn giản.
Ưu điểm khác của van EGR chân không/khí nén là: chịu được nhiệt độ cao, đặc biệt khi không có cảm biến vị trí (không có kết nối điện), kích thước nhỏ và khối lượng tổng thể của van thấp.
Tùy thuộc vào thời gian đáp ứng dự kiến và lượng chân không dự trữ để di chuyển van, kích thước của màng ngăn và xi lanh chân không có thể đáng kể. Nhược điểm của van EGR khí nén là:
- Lực tác động mở thấp
- Việc đóng chỉ được đảm bảo bằng lò xo hồi vị (trong trường hợp có cặn bám trên van, không thể loại bỏ cặn bám bằng cách đóng/đập van nhanh, điều này có thể dẫn đến vị trí mở vĩnh viễn)
Van EGR điện
Bộ truyền động điện hiện đã trở thành tiêu chuẩn nhờ khả năng điều khiển nhanh hơn, chính xác hơn, phù hợp với các tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt hơn. Van EGR điện hiện đại, bất kể chúng được lắp trong hệ thống EGR áp suất thấp hay áp suất cao, đều bao gồm các bộ phận sau:
- Van thực tế, khi đóng/mở sẽ thay đổi diện tích dòng khí
- Bộ truyền động (điện), cung cấp lực cần thiết để đóng/mở van
- Thân van, giữ van, bộ truyền động, cũng như lò xo hồi vị và các bộ phận cơ khí khác
- Cảm biến vị trí, truyền đến mô-đun điều khiển động cơ vị trí của van
- Vỏ chứa cảm biến vị trí và các kết nối điện
Van EGR được kích hoạt bằng điện có thể có van poppet mở vào trong hoặc mở ra ngoài, tùy thuộc vào loại thiết bị truyền động. Solenoid tuyến tính, động cơ bước, động cơ mô-men xoắn và động cơ DC là những loại thiết bị truyền động điện chính đang được sử dụng và phát triển bởi nhiều nhà cung cấp linh kiện EGR khác nhau. Chúng mang lại lợi thế là vận hành nhanh hơn và chính xác hơn so với hệ thống vận hành chân không (khí nén) thông thường.
Van EGR Solenoid tuyến tính
Solenoid là một nam châm điện bao gồm một cuộn dây (mạch điện) và lõi sắt mềm (mạch từ), tạo ra từ trường có hướng. Khi dòng điện đi qua cuộn dây, từ trường sinh ra sẽ kéo một trục sắt làm mở van. Thời gian phản hồi của cuộn dây điện từ thấp hơn so với động cơ điện nhưng nó có khả năng tản nhiệt tốt từ cuộn dây (stator) đến khung.
Lực tác động do cuộn dây điện từ tạo ra tỷ lệ thuận với bình phương của cảm ứng từ và nó chỉ có thể thực hiện được theo một hướng (mở). Đối với hướng ngược lại (đóng), van có lò xo cơ khí hồi lưu. Sự khác biệt về thời gian đáp ứng giữa hai hướng truyền động (điện từ nhanh và lò xo chậm) khiến cho van điện từ khá khó kiểm soát. Một nhược điểm khác của cuộn dây điện từ là lực tác động thấp, khiến chúng rất nhạy cảm với các rung động trên cùng trục với lực tác động.
Van EGR – Động cơ một chiều (DC)
Động cơ điện một chiều (DC) cũng được sử dụng để điều khiển van EGR. Do đó, động cơ DC chứa một rôto, bao gồm một lõi kim loại với cuộn dây đồng và một stato, bao gồm các nam châm vĩnh cửu có từ thông đi qua rôto. Khoảng không gian hẹp giữa rôto và stato được gọi là khe hở không khí air gap. Mô-men xoắn do động cơ DC tạo ra được chuyển thành lực truyền động tuyến tính thông qua hệ thống bánh răng và đòn bẩy cơ khí. Mặc dù có dải chết đáng kể và quán tính cao hơn của cơ chế, nhưng động cơ DC mang lại sự thỏa hiệp tốt nhất về thời gian đáp ứng, độ ổn định và khả năng chống nhiễu tốt.
Vị trí của van EGR được điều khiển bởi động cơ DC chỉ có thể đạt được bằng cách sử dụng cảm biến vị trí. Cảm biến vị trí của van là tuyến tính và cung cấp tín hiệu tỷ lệ thuận với điện áp nguồn của nó (thường là 5V). Tín hiệu cảm biến vị trí van EGR được thiết lập để tăng theo hướng mở van. Cảm biến vị trí được sử dụng vì ba lý do chính:
- Cho phép điều khiển vòng kín van EGR: khối lượng khí thải được tính toán theo hàm số của vị trí van EGR; chức năng của điểm vận hành của động cơ (mô-men xoắn, tốc độ và nhiệt độ), mô-đun điều khiển điện tử (ECM) của động cơ thiết lập một vị trí cụ thể của van EGR; vị trí này được đo bằng cảm biến và phản hồi về mô-đun điều khiển; Tùy theo sai số giữa vị trí cài đặt và vị trí thực tế, ECM sẽ điều khiển điện áp cấp vào van để đưa van EGR về vị trí mong muốn.
- Cho phép chẩn đoán van EGR: vị trí của van EGR được sử dụng để phát hiện sự khác biệt giữa điểm đặt tốc độ dòng khí thải và tốc độ dòng chảy thực tế.
- Có thể tính toán lưu lượng khối dòng khí thải.
Các loại van EGR cũ đều sử dụng cảm biến vị trí tiếp xúc (điện trở). Thế hệ van EGR hiện tại sử dụng cảm biến vị trí không tiếp xúc (chủ yếu là hiệu ứng Hall), so với cảm biến điện trở, có độ chính xác và độ tin cậy cao hơn.
Vấn đề chính của động cơ DC xuất phát từ kết nối cơ học giữa chổi than và cổ góp. Tốc độ của rôto càng cao thì áp suất chổi càng phải tăng để giữ cho nó tiếp xúc với cổ góp và tạo ra ma sát cao hơn. Vì có dòng điện chạy qua chổi than và cổ góp, nên có thể xảy ra phóng điện hồ quang, làm mòn chổi than nhanh chóng và tạo ra nhiễu trong mạch cung cấp.
Tốc độ vận hành thấp hơn khiến các hạt từ chổi than tích tụ giữa các đoạn cổ góp, gây nguy cơ đoản mạch. Tốc độ tối đa của động cơ được giới hạn ở khoảng 10000 vòng/phút. Để vận hành với tốc độ hữu ích dưới 1000 vòng/phút và tăng mô-men xoắn đầu ra, cơ cấu bánh răng được sử dụng. Do đó, động cơ DC tương đối cồng kềnh và cần một hộp số để có tốc độ và mô-men xoắn trong phạm vi phù hợp.
Một biến thể khác của động cơ DC là động cơ mô-men xoắn. Đây là các bộ truyền động quay không tiếp xúc (động cơ DC không chổi than) được điều khiển bởi mạch cầu H tiêu chuẩn. Động cơ mô-men xoắn có khả năng tạo ra mô-men xoắn không đổi vô thời hạn ở một vị trí cố định nhất định mà không bị quá nhiệt hoặc hư hỏng.
So với động cơ DC, động cơ mô-men xoắn tiết kiệm hơn do số lượng linh kiện giảm: không tiếp xúc với cổ góp và chổi than. Nó cũng nhỏ gọn hơn vì không cần thiết phải có bộ truyền bánh răng cơ học, bộ truyền động được gắn trực tiếp trên trục của van.
Van EGR cũng được điều khiển bằng động cơ bước. Rôto chứa một bộ nam châm vĩnh cửu và stato là một bộ nam châm điện (cuộn dây có lõi sắt) được điều khiển bởi một mạch điện tử công suất. Chuyển động quay xuất phát từ sự tương tác của rôto và từ trường được tạo ra trong các nam châm điện. Vị trí của rotor được điều khiển bởi một mạch cầu H, mỗi cực có hai cầu. Động cơ bước có khả năng quay ngược chiều mà không cần cơ cấu bánh răng.
Về mặt truyền động bằng khí nén và điện, ưu điểm và nhược điểm của từng công nghệ được tóm tắt trong bảng dưới đây.
Do những ưu điểm tổng thể của chúng, van EGR được kích hoạt bằng động cơ DC là loại van được sử dụng phổ biến nhất.
Van tiết lưu EGR
Hệ thống EGR thường có van tiết lưu nạp, nằm ở phía trước van EGR. Mục đích của van tiết lưu là tạo ra sự chênh lệch áp suất giữa ống xả và ống nạp (khi đóng) và cho phép khí thải chảy vào xi lanh. Hầu hết các van tiết lưu EGR đều là van ‘bướm’ truyền thống, tương tự như van tiết lưu của động cơ xăng và được điều khiển điện tử bởi mô-đun điều khiển động cơ (ECM).
Bộ làm mát EGR – EGR Cooler
Bộ làm mát EGR (bộ tản nhiệt) làm giảm nhiệt độ của khí thải trước khi nó được đưa vào dòng khí nạp. Nhiệt độ càng thấp, mật độ càng cao thì hiệu quả giảm phát thải NOx càng tốt. Làm mát khí thải trước khi trộn với khí nạp sẽ làm giảm nhiệt độ đốt cháy và tăng tỷ lệ oxy/nhiên liệu. Lưu lượng CO2 và H2O vào động cơ cao hơn với khí thải được làm mát làm tăng khả năng hấp thụ nhiệt của khí nạp vào; nhiệt độ nạp đầu vào thấp hơn thường làm giảm nhiệt độ đốt cháy. EGR làm mát được giới thiệu nhằm đạt được giới hạn Euro 4 và Euro 5 NOx.
Phần lớn các bộ làm mát EGR được làm từ các ống và tấm bằng thép không gỉ hoặc nhôm.
Hầu hết các hệ thống EGR đều có van by-pass tích hợp với bộ làm mát EGR. Khi động cơ nguội, khí thải được tuần hoàn trực tiếp vào động cơ. Bộ làm mát EGR có hiệu suất trao đổi nhiệt rất cao và nếu không có van by-pass, khí tuần hoàn sẽ rất lạnh và làm trì hoãn quá trình khởi động của chất xúc tác oxy hóa, điều này sẽ dẫn đến phát thải quá nhiều HC và CO. Do đó, giải pháp là bỏ qua bộ làm mát EGR bằng van by-pass cho đến khi chất xúc tác oxy hóa đạt đến nhiệt độ làm việc danh nghĩa.
Bộ làm mát có thể là loại I hoặc U, tùy thuộc vào hình dạng của luồng khí đi qua bộ làm mát. Trong trường hợp bộ làm mát EGR hình chữ U, mặt bích đầu vào và đầu ra được kết hợp thành một bộ phận ở một đầu của bộ làm mát.
Van tiết lưu xoáy đầu vào (Inlet Swirl Throttle – IST)
So với hệ thống EGR áp suất cao, áp suất thấp hiệu quả hơn trong việc giảm lượng khí thải NOx ở công nghệ tiên tiến nhất cho động cơ diesel. BorgWarner cho thấy tiềm năng của cái gọi là Van tiết lưu xoáy đầu vào (Inlet Swirl Throttle – IST) trong việc tận dụng tổn thất khí thải và biến chúng thành chuyển động xoáy trước của khí nạp đi vào bộ tăng áp để cải thiện tính khí động học của máy nén. IST thay thế van tiết lưu EGR áp suất thấp thông thường trong đường ống nạp, thường là van bướm đơn giản, trước bộ tăng áp.
Điều tiết luôn đồng nghĩa với việc gây ra tổn thất. Cách tiếp cận của IST là tận dụng các tổn thất và biến chúng thành chuyển động xoáy trước của khí nạp đi vào bộ tăng áp để cải thiện tính khí động học của máy nén. Rõ ràng, vòng xoáy trước sẽ có tác động tích cực đến máy nén cũng như ở những nơi không cần điều tiết. Vì vậy, IST có thể được sử dụng để cải thiện hiệu quả và hiệu suất của động cơ ở những khu vực không cần điều chỉnh tiết lưu hoặc EGR.
Với IST, hiệu quả điều tiết đạt được nhờ các cánh dẫn hướng đầu vào có thể điều chỉnh được trong ống dẫn khí trong lành. Nói cách khác, IST là một van tiết lưu nạp được thiết kế như một thiết bị tạo xoáy trước cho máy nén. Cách tiếp cận này được kỳ vọng sẽ có tác động tích cực đến động cơ đốt trong, như:
- Mô-men xoắn ở vòng tua thấp cao hơn
- Giảm lượng khí thải
- Tiêu thụ nhiên liệu thấp hơn
Để tận dụng tối đa IST, nó cần được vận hành ở các chế độ khác nhau tùy thuộc vào điểm vận hành động cơ. Góc của các cánh dẫn hướng đầu vào được điều chỉnh liên tục khi tải và tốc độ động cơ thay đổi và điểm đặt của các cánh được xác định bằng thuật toán điều khiển, đồng thời tính đến vị trí của VGT (bộ tăng áp hình học biến thiên) và các van EGR.
