EGR là viết tắt của cụm từ Exhaust Gas Recirculation, có nghĩa là Hệ thống tuần hoàn khí thải. Trong động cơ đốt trong, tuần hoàn khí thải (EGR) là kỹ thuật giảm phát thải oxit nitơ (NOx) được sử dụng trong động cơ xăng/xăng, động cơ diesel và một số động cơ hydro. EGR hoạt động bằng cách tuần hoàn một phần khí thải của động cơ trở lại xi lanh động cơ. Khí thải thay thế không khí trong khí quyển và làm giảm lượng O2 trong buồng đốt. Giảm lượng oxy làm giảm lượng nhiên liệu có thể cháy trong xi lanh từ đó làm giảm nhiệt độ đỉnh giới hạn (peak) trong xi lanh. Lượng khí thải tuần hoàn thực tế thay đổi tùy theo thông số vận hành của động cơ.
Tìm hiểu thêm về EGR:
Tại sao cần hệ thống tuần hoàn khí thải?
Trong xi lanh đốt, NOx được tạo ra bởi hỗn hợp nitơ và oxy trong khí quyển ở nhiệt độ cao và điều này thường xảy ra ở áp suất cực đại của xi lanh. Trong động cơ đánh lửa cưỡng bức, lợi ích phụ của việc tuần hoàn khí thải thông qua van EGR bên ngoài là tăng hiệu suất, vì việc pha loãng khí nạp cho phép vị trí bướm ga lớn hơn và giảm tổn thất bơm liên quan. Động cơ phun xăng trực tiếp SkyActiv tăng áp của Mazda sử dụng khí thải được tuần hoàn và làm mát để giảm nhiệt độ buồng đốt, từ đó cho phép động cơ chạy ở mức tăng áp cao hơn trước khi hỗn hợp không khí-nhiên liệu phải được làm giàu để ngăn ngừa hiện tượng kích nổ động cơ.
Trong động cơ xăng, khí thải trơ này sẽ thay thế một lượng hòa khí dễ cháy trong xi lanh, làm giảm một cách hiệu quả lượng hòa khí có sẵn cho quá trình đốt cháy mà không ảnh hưởng đến tỷ lệ không khí-nhiên liệu. Trong động cơ diesel, khí thải thay thế một phần lượng oxy dư thừa trong hỗn hợp trước khi đốt. Do NOx hình thành chủ yếu khi hỗn hợp nitơ và oxy tiếp xúc với nhiệt độ cao nên nhiệt độ buồng đốt thấp hơn do EGR gây ra sẽ làm giảm lượng NOx mà quá trình đốt cháy tạo ra. Khí được đưa vào lại từ hệ thống EGR cũng sẽ chứa nồng độ NOx và CO gần như cân bằng; phần nhỏ ban đầu trong buồng đốt sẽ ức chế tổng sản lượng ròng của những chất này và các chất ô nhiễm khác khi lấy mẫu theo thời gian trung bình. Tính chất hóa học của các loại nhiên liệu khác nhau sẽ giới hạn lượng EGR có thể được sử dụng. Ví dụ, metanol có khả năng chịu EGR cao hơn xăng.
Quá trình cháy của hỗn hợp không khí-nhiên liệu trong động cơ đốt trong chưa hoàn chỉnh. Do đó, khí thải chứa các chất gây ô nhiễm như: carbon monoxide (CO), nitơ oxit (NOx), hydrocarbon (HC) và chất dạng hạt (PM). Mọi khí thải ô nhiễm từ động cơ đốt trong đều có tác hại đến đời sống con người và môi trường.
Các oxit nitơ hình thành ở nhiệt độ cao và khi có quá nhiều oxy. Cả hai điều kiện này đều xuất hiện trong quá trình đốt cháy của động cơ diesel, ở hầu hết các điểm vận hành. Vì động cơ diesel không được điều tiết nên luôn có không khí/oxy dư thừa và đặc biệt là ở mức tải cao, nhiệt độ cháy cao. Vì những lý do này, động cơ diesel có nhiều oxit nitơ trong khí thải hơn so với động cơ xăng.
Trong động cơ xăng (xăng), lượng khí thải gây ô nhiễm phụ thuộc rất nhiều vào tỷ lệ không khí-nhiên liệu. Hỗn hợp giàu (thiếu không khí, λ = 0,9) tạo ra nhiều carbon monoxide (CO) và hydrocarbon (HC). Hỗn hợp nghèo (không khí dư, λ = 1,1) gây ra nhiều oxit nitơ (NOx). Ở động cơ diesel luôn chạy bằng hỗn hợp nghèo (λ = 1,5), lượng oxit nitơ trong khí thải cao.
Tuần hoàn khí thải (EGR) là một hệ thống cho phép khí thải được tuần hoàn trở lại đường ống nạp. Quá trình này giúp giảm đáng kể lượng khí thải nitơ oxit (NOx) vì nó làm giảm hai yếu tố cơ bản trong quá trình sản xuất ra nó: lượng oxy dư thừa và nhiệt độ đốt cháy.
Có hai loại EGR
- Tuần hoàn khí thải bên trong (iEGR): khí thải được hút trở lại xi lanh bằng cách chồng chéo thời gian mở của van nạp và van xả
- Tuần hoàn khí thải bên ngoài EGR: khí thải được tuần hoàn trở lại đường ống nạp bằng cách sử dụng ống dẫn ngoài và một van bổ sung (van EGR)
iEGR hoạt động bằng cách giữ lại cặn nóng từ chu trình động cơ trước đó. Phần khí dư có thể được định nghĩa là khối lượng khí cháy chia cho tổng khối lượng khí trong xi lanh (cháy và không cháy) trước khi bắt đầu đốt (tức là khi đóng van nạp). Lượng khí thải bị mắc kẹt bên trong xi lanh phụ thuộc vào các yếu tố như thời điểm mở van, tốc độ động cơ và chênh lệch áp suất. Các phương tiện điều chỉnh phần khí dư thường dựa vào các cơ chế như nâng cam hai giai đoạn, phân pha trục cam, dẫn động van biến thiên và dẫn động van biến thiên hoàn toàn.
EGR (bên ngoài) là công nghệ chính được các nhà sản xuất ô tô sử dụng để giảm lượng khí thải NOx trên động cơ diesel. Nó hiệu quả hơn iEGR chủ yếu là do khí thải có thể được làm mát trước khi vào lại xi-lanh, lượng khí thải được tuần hoàn cao hơn và dòng khí được kiểm soát tốt hơn.
Tác động của EGR đến chu trình động cơ như thế nào
Việc giảm phát thải đạt được là do khí thải, chủ yếu là carbon dioxide (CO2), nitơ (N2), nước (H2O) và oxy (O2), hoạt động như một chất pha loãng, kết hợp với nhiệt dung riêng cao liên quan đến các phân tử ba nguyên tử, dẫn đến việc giảm trực tiếp nhiệt độ ngọn lửa đoạn nhiệt và động học hình thành của oxit nitơ (NOx). Do nhiệt dung riêng của cả CO2 và hơi nước đều lớn hơn oxy nên nhiệt độ khí trong xi lanh động cơ trong quá trình đốt cháy giảm.
Bằng cách tuần hoàn khí thải vào cửa nạp, một phần oxy cần thiết cho quá trình đốt cháy được thay thế bằng khí trơ (khí thải), dẫn đến giảm lượng oxy dư thừa. Ngoài ra, do khí thải hấp thụ một phần nhiệt sinh ra trong quá trình đốt cháy nên nhiệt độ đốt cháy tối đa trên mỗi chu kỳ động cơ cũng giảm xuống.
Hệ thống EGR làm giảm đáng kể lượng NOx, nhưng nếu đưa quá nhiều khí thải vào cửa nạp, nó có thể tác động đến việc tăng lượng khí thải carbon monoxide (CO), hydrocarbon (HC) và chất dạng hạt (PM), là kết quả của quá trình đốt cháy không hoàn toàn do thiếu không khí (oxy). Hệ thống EGR hoạt động chủ yếu khi động cơ tải một phần và ở khu vực tốc độ động cơ thấp và trung bình, nơi có quá nhiều oxy. Ở chế độ tải động cơ (mô-men xoắn) cao, hệ thống EGR bị ngừng hoạt động, các xi-lanh chỉ được nạp đầy không khí, sẵn sàng cho quá trình đốt cháy.
Hệ thống EGR bên ngoài
Tùy thuộc vào áp suất của khí thải tuần hoàn, có hai loại hệ thống EGR bên ngoài:
- EGR áp suất cao: khí thải được thu gom trước khi vào tuabin và được đưa lại vào đường ống nạp sau máy nén
- EGR áp suất thấp: khí thải được thu sau tuabin và được đưa lại vào đường ống nạp trước máy nén
- Máy nén
- Tua bin
- Cảm biến khí oxi
- Van EGR (truyền động điện khí nén)
- Van tiết lưu/bướm ga
- Góp nạp
- Góp xả
- Kim phun nhiên liệu
Quá trình tuần hoàn khí thải ở đường ống nạp không liên tục trong quá trình động cơ hoạt động. Bộ điều khiển điện tử (ECU) điều khiển van EGR (4) để cho khí thải đi vào đường ống nạp. Trên động cơ tăng áp, việc kiểm soát dòng khí thải cũng được thực hiện bằng van tiết lưu (5), khi đóng sẽ làm giảm áp suất trong đường ống nạp và tạo điều kiện thuận lợi cho dòng khí từ đường ống xả.
Việc kiểm soát EGR phải được thực hiện theo cách tìm ra sự dung hòa tối ưu giữa lượng khí thải ô nhiễm và công suất mô-men xoắn của động cơ. Bắt đầu với quy định về phát thải chất gây ô nhiễm Euro 3, EGR đã trở thành trang bị tiêu chuẩn cho hầu hết các loại xe chạy bằng diesel. EGR đã được chứng minh là một hệ thống hiệu quả và rẻ tiền để giảm lượng khí thải oxit nitơ.
Nhiệt độ của khí thải càng thấp thì mật độ càng cao. Bằng cách làm mát khí thải, trước khi tuần hoàn vào đường ống nạp, hiệu suất của hệ thống EGR được cải thiện. Khí trơ (khí thải) đậm đặc hơn trong khí nạp làm giảm nhiệt độ đốt cháy bằng cách hấp thụ một phần nhiệt và thay thế một phần oxy trong xi lanh. Bắt đầu từ Euro 4, động cơ diesel EGR được trang bị bộ làm mát khí thải và van bypass.
- Đầu vào nước làm mát động cơ
- Bộ trao đổi nhiệt
- Bộ góp xả
- đầu xi-lanh
- Bộ góp nạp
- Van EGR (truyền động điện)
- Mô-đun điều khiển điện tử
Để có luồng khí thải vào đường ống nạp, áp suất khí thải phải cao hơn áp suất khí nạp. Trên động cơ diesel tăng áp, điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng hình dạng của các cánh tuabin (VGT) hoặc bằng cách lắp van tiết lưu trên đường ống nạp. Bằng cách đóng các cánh VGT, áp suất khí thải sẽ tăng lên, cao hơn áp suất nạp, điều này cho phép khí thải đi vào cửa nạp. Bằng cách sử dụng van tiết lưu ở đường ống nạp, áp suất sau khi bướm ga giảm xuống, thấp hơn áp suất khí thải, điều này cũng khiến khí thải chảy vào đường ống nạp.
Tỷ lệ EGR được định nghĩa là phần trăm khí thải trong tổng khối lượng khí thải vào động cơ. Ví dụ, tỷ lệ EGR là 33% có nghĩa là một phần ba lượng khí đi vào xi lanh thực sự là khí thải và 67% là không khí trong lành.
Tỷ lệ EGR càng cao thì mức phát thải NOx càng thấp. Tuy nhiên, quá nhiều khí thải vào xi-lanh có thể tác động tiêu cực đến hiệu suất động cơ về độ ổn định khi đốt cháy, điều này có thể làm giảm công suất mô-men xoắn và tăng lượng khí thải hydrocarbon (HC) và chất dạng hạt (PM).
Động cơ diesel tăng áp được trang bị bộ tăng áp hình học cố định có thể tuần hoàn tới 45-50% khí thải trở lại xi lanh mà không ảnh hưởng lớn đến mức tiêu thụ nhiên liệu và các khí thải ô nhiễm khác. Động cơ xăng, tùy thuộc vào điều kiện vận hành, có thể tuần hoàn tới 20% lượng khí thải mà không ảnh hưởng đến độ ổn định của quá trình đốt cháy.
Tác động của EGR đến động cơ đốt trong
Có một số nghiên cứu liên quan đến tác động của hệ thống EGR đến sự mài mòn và xuống cấp của động cơ. Trong nghiên cứu này, việc điều tra EGR và độ mài mòn được tiến hành trên một động cơ thử nghiệm hoạt động ở tốc độ 2400 vòng/phút với hệ thống đốt và thông số kỹ thuật dầu bôi trơn cụ thể. Động cơ cơ bản được chỉ định ở mức phát thải Euro II và không được tái sử dụng khi áp dụng EGR. Kết luận chính của cuộc điều tra là EGR có thể tác động đến độ mài mòn của động cơ, điều này phụ thuộc nhiều vào mức độ bồ hóng trong khí thải.
Phần lớn sự gia tăng bồ hóng trong dầu bôi trơn là do các hạt vật chất (PM) bám vào màng dầu trên thành xi lanh và bị các vòng piston cạo xuống cacte. Về độ mài mòn của động cơ, có hai loại mài mòn: mài mòn do ăn mòn và mài mòn do mài mòn. Axit sulfuric hình thành trong khí thải và bồ hóng gây ra sự phá vỡ màng dầu và do đó thúc đẩy sự ăn mòn của gang xung quanh điểm chết trên (TDC) và điểm chết dưới (BDC). Sự mài mòn do ăn mòn là do vật chất dạng hạt (PM) bị giữ lại trong dầu.
EGR có mục đích khác đối với động cơ xăng. Nó được sử dụng chủ yếu để giảm nhiệt độ của khí thải, nhằm bảo vệ bộ tăng áp và bộ chuyển đổi xúc tác. Sử dụng EGR để bảo vệ nhiệt thành phần là giải pháp thay thế cho hỗn hợp nhiên liệu-không khí đậm đặc, đặc biệt ở mức tải cao, giúp giảm đáng kể mức tiêu thụ nhiên liệu. Ngoài ra, khi động cơ hoạt động ở mức tải một phần, bằng cách sử dụng EGR, tổn thất khi bơm sẽ giảm và hiệu suất nhiên liệu được cải thiện.
Trên động cơ xăng tăng áp, phun nhiên liệu trực tiếp, EGR được sử dụng để ngăn chặn tiếng gõ (kích nổ) động cơ. Nguyên lý chung của hoạt động tuần hoàn khí thải bướm ga mở rộng đánh lửa bằng tia lửa điện (WOT-EGR) là đưa khí thải đã được làm mát về xi lanh ở mức tải vừa phải đến cao, giảm nhiệt độ của khí chưa cháy đến mức có thể ngăn chặn được kích nổ và/hoặc nhiệt độ của khí thải thoát ra đủ thấp để bảo toàn các bộ phận khí thải.
Hệ thống tuần hoàn khí thải (EGR) lần đầu tiên được giới thiệu trên các phương tiện giao thông vào năm 1970. Hiện nay, nó được sử dụng trên tất cả các phương tiện chạy bằng động cơ diesel như một hệ thống chính để giảm mức độ hoặc oxit nitơ (NOx).
