Tiếp tục loạt bài về Hệ thống tuần hoàn khí thải EGR, bài viết này tập trung vào các loại (kiến trúc) của hệ thống Tuần hoàn khí thải (EGR). Để biết thêm chi tiết về lý do tại sao cần có EGR trên động cơ đốt trong, cách thức hoạt động và hệ thống EGR chứa những thành phần nào, mời các bạn đọc thêm các bài viết sau:
Hệ thống tuần hoàn khí thải (EGR) được sử dụng rộng rãi trong động cơ đốt trong (đặc biệt động cơ diesel) với mục đích giảm sự hình thành các oxit nitơ (NOx), bằng cách hạ thấp nhiệt độ cháy và lượng oxy vào xi lanh. Tùy thuộc vào việc khí thải được tuần hoàn trước hay sau bộ tăng áp, có hai loại hệ thống EGR:
- EGR áp suất cao
- EGR áp suất thấp
EGR áp suất cao – High pressure EGR
EGR áp suất cao được gọi là kiến trúc EGR “cổ điển”. Kiến trúc này là phổ biến nhất và đã được sử dụng trên động cơ diesel bắt đầu với giới hạn phát thải chất gây ô nhiễm Euro 2. Trong hệ thống EGR áp suất cao, khí thải được lấy trước tuabin và được đưa lại vào đường ống nạp sau máy nén, do đó nằm trong vùng áp suất cao của cả đường ống xả và đường ống nạp.
Van EGR được đặt ở phía ống góp xả vì một số lý do:
- Giữ thể tích khí bổ sung trong ống góp xả, do các ống dẫn phụ, ở mức tối thiểu nhất có thể để giảm thiểu ảnh hưởng lên sóng áp suất; điều này bảo toàn động năng của khí thải, giúp bộ tăng áp phản ứng nhanh hơn.
- Giảm nguy cơ tắc nghẽn van EGR do cặn bám; cặn lắng dạng hạt thường hình thành khi nhiệt độ của khí thải dưới 150°C, việc giữ van EGR ở phía khí thải, nơi có nhiệt độ cao, sẽ giảm nguy cơ cặn bám.
- Bảo vệ các bộ phận khác của hệ thống EGR (bộ làm mát, van tiết lưu) khỏi sóng áp suất của khí thải, đặc biệt khi động cơ tải cao.
Trong phần lớn các điểm làm việc của động cơ (tốc độ và mô men xoắn), có đủ sự chênh lệch áp suất giữa khí thải (cao hơn) và khí nạp (thấp hơn), cho phép khí thải chảy vào đường ống nạp khi van EGR mở. Nếu chênh lệch áp suất không đủ, bướm ga nạp sẽ đóng lại và áp suất trong đường ống nạp sẽ giảm xuống, điều này sẽ cho phép khí thải thoát ra từ đường ống xả đi vào ống nạp.
Hệ thống EGR áp suất cao có thể cung cấp tỷ lệ EGR cao do thể tích thấp, động lực học cao của mạch khí EGR. Điều này cho phép điều chỉnh nhanh chức năng tỷ lệ EGR (rate) của điểm vận hành của động cơ. Ngoài ra, do khí thải được trộn với khí nạp sau máy nén nên không có tác động của các hạt bụi lên bánh máy nén. Vì lý do này, độ tin cậy của bộ tăng áp không bị ảnh hưởng và có thể hoạt động với hiệu suất danh nghĩa trong suốt thời gian sử dụng của nó. Tuy nhiên, bộ làm mát EGR phải chịu được tác động gây hại của áp suất cao và nhiệt độ cao của khí thải.
EGR áp suất thấp – Low pressure EGR
Tiêu chuẩn Euro 6 đã giảm giới hạn phát thải NOx xuống chỉ còn 80 mg/km trong chu trình NEDC, so với 180 mg/km của Euro 5. Sự sụt giảm đáng kể này đã làm tăng tỷ lệ EGR và đưa vào sử dụng các hệ thống EGR áp suất thấp.
Trong hệ thống EGR áp suất thấp, khí thải được lấy sau tuabin và được đưa lại vào đường ống nạp trước máy nén, do đó nằm ở vùng áp suất thấp của cả đường ống xả và đường ống nạp. Ứng dụng ô tô chở khách đầu tiên có hệ thống EGR áp suất thấp đã được bán trên thị trường trên chiếc VW Jetta với động cơ TDI 2.0 lít, tuân thủ giới hạn phát thải Tier 2 Bin 5 cho thị trường Hoa Kỳ (cuối năm 2008).
Trong kiến trúc EGR áp suất thấp, van EGR được đặt sau bộ lọc hạt diesel (DPF). Bằng cách này, bồ hóng sẽ không lọt vào van EGR, bộ làm mát hoặc bộ tăng áp. Một ưu điểm khác là nhiệt độ của khí thải thấp hơn giúp giảm ứng suất nhiệt lên các bộ phận EGR (van, bộ làm mát, van tiết lưu). Do nhiệt độ thấp hơn, hệ thống EGR áp suất thấp sẽ hiệu quả hơn trong việc giảm lượng khí thải NOx so với hệ thống EGR áp suất cao.
Nhược điểm chính của hệ thống EGR áp suất thấp là quán tính lớn hơn của khí thải. Tất cả các ống dẫn và bộ phận đều tương đối xa động cơ và không thể phản ứng nhanh khi có sự thay đổi về tốc độ EGR (rate). Vì lý do này, tốc độ EGR của EGR áp suất thấp thấp hơn so với EGR áp suất cao, nhằm tránh lượng khí thải quá mức tuần hoàn trở lại động cơ.
Ưu điểm và nhược điểm của EGR áp suất thấp so với EGR áp suất cao:
Ưu điểm:
- Có sự chênh lệch áp suất tự nhiên giữa ống xả và ống nạp, cho phép khí thải lưu thông.
- Cho phép bảo toàn năng lượng khí thải trước khi đưa vào tuabin.
- Phù hợp hơn khi được sử dụng ở mức tải động cơ đầy đủ.
- Tạo ra sự hòa trộn khí thải-khí nạp tốt hơn trước khi vào xi lanh.
- Khí thải sạch hơn (nếu dùng sau DPF) bảo vệ các thành phần EGR khỏi cặn bám.
Nhược điểm:
- Việc tăng nhiệt độ khí nạp có thể gây ra sự cố nhiệt của máy nén (rủi ro này có thể được giảm thiểu bằng cách làm mát khí thải).
- Sự ngưng tụ nước có thể gây xói mòn (hư hỏng vật lý) của bánh máy nén.
- Quán tính khí cao hơn do mạch EGR dài hơn, thời gian phản hồi trong việc điều chỉnh tỷ lệ EGR (rate) thấp hơn.
Hybrid (kết hợp), EGR vòng lặp kép (Dual loop EGR)
Hệ thống EGR hybrid (kết hợp) tích hợp cả EGR áp suất cao và EGR áp suất thấp trên cùng một động cơ. Kiểu kiến trúc EGR này còn được gọi là hệ thống EGR vòng lặp kép (Dual loop EGR).
Ưu điểm của kiến trúc này là kết hợp lợi ích của cả hệ thống EGR áp suất thấp và áp suất cao, chuyển đổi giữa chúng tùy thuộc vào điểm vận hành của động cơ (tốc độ và mô-men xoắn). EGR hybrid (kết hợp) cho phép bộ tăng áp hoạt động ở vùng có hiệu suất cao tại bất kỳ điểm vận hành nào của động cơ đốt trong.
Nhược điểm của EGR vòng lặp kép là yêu cầu về chi phí, độ phức tạp và không gian bổ sung do số lượng thành phần cao và các vấn đề tiềm ẩn khi kiểm soát tỷ lệ EGR tùy thuộc vào điểm vận hành động cơ. Thuật toán điều khiển trở nên khá khó khăn do một số bộ truyền động (van EGR áp suất cao/thấp, van tiết lưu nạp/xả và cánh tuabin/cổng xả) cần được điều khiển để đưa lượng không khí và khí thải cần thiết vào xi lanh.
EGR chuyên dụng (D-EGR)
Trong động cơ đánh lửa cưỡng bức, mức EGR cao (trên 15%) giúp tăng hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm lượng khí thải ô nhiễm. Hạn chế là tỷ lệ EGR cao có thể gây ra quá trình đốt cháy không hoàn toàn và tăng lượng phát thải hydrocarbon (HC). Để khắc phục điều này, độ ổn định của quá trình đốt cháy có thể được cải thiện bằng cách bổ sung khí nạp bằng hydro nguyên chất (H2) hoặc nhiên liệu cải tạo, bao gồm hỗn hợp carbon monoxide (CO) và hydro (H2).
- HEGO – cảm biến oxy khí thải được làm nóng
- UEGO – cảm biến oxy khí thải phổ quát
- TWC – chất xúc tác ba chiều
- WG – cổng thải
- WGS – chất xúc tác chuyển dịch nước-khí
Ưu điểm của Tỷ lệ EGR cao:
- Giảm nhiệt độ khí thải, từ đó giảm hoặc loại bỏ nhu cầu làm giàu khí nạp để làm mát động cơ ở mức tải cao.
- Giảm kích nổ động cơ, cho phép động cơ hoạt động với tỷ số nén cao hơn 12:1.
- Giảm phát thải CO và NOx do giảm nhiệt độ đốt cháy.
- Giảm tổn thất bơm, mang lại hiệu suất động cơ cao hơn.
Nhược điểm:
- Đánh lửa sai/bỏ máy, cháy không ổn định.
- Tăng lượng khí thải hydrocarbon (HC).
Viện nghiên cứu Tây Nam Hoa Kỳ (SwRI) đã phát triển EGR chuyên dụng (D-EGR), đây là hệ thống EGR sử dụng cải cách nhiên liệu trong xi-lanh để cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu và giảm lượng khí thải. Toàn bộ khí thải của một nhóm nhỏ xi lanh công suất (xi lanh chuyên dụng) được dẫn trực tiếp vào cửa nạp. Những xi lanh này chạy giàu nhiên liệu, tạo ra hydro (H2) và carbon monoxide (CO), có khả năng cải thiện độ ổn định của quá trình đốt cháy, khả năng chịu kích nổ và thời gian cháy.
Quá trình cải cách nhiên liệu xảy ra bên trong xi lanh chuyên dụng được vận hành với lượng nhiên liệu dư thừa. Quá trình đốt cháy hòa khí giàu (đậm) dẫn đến hình thành một lượng lớn hydro (H2) và carbon monoxide (CO), sau đó được tuần hoàn trở lại động cơ. Do quá trình tái tạo nhiên liệu xảy ra trong xi lanh chuyên dụng và tất cả các sản phẩm đốt được tuần hoàn nên tránh được những tổn thất thông thường liên quan đến quá trình tái tạo nhiên liệu trong thiết bị bên ngoài.
Do các xi lanh giàu nhiên liệu cũng tạo ra hàm lượng carbon monoxide (CO) cao nên có khả năng lắp đặt chất xúc tác chuyển đổi khí-nước (WGS) trong hệ thống EGR để tăng thêm mức hydro (H2) trong khí thải. Chất xúc tác WGS chuyển đổi carbon monoxide (CO) và nước (H2O) thành hydro (H2) và carbon dioxide (CO2). Công nghệ D-EGR cung cấp khí thải tuần hoàn được làm mát và nhiên liệu được cải tạo trong cùng một gói.
Ý tưởng EGR chuyên dụng, sử dụng các xi-lanh riêng lẻ dành riêng cho EGR, đã được thử nghiệm trên động cơ hút khí tự nhiên 2,4 lít ở cả điều kiện tải thấp và tải cao. Động cơ được cấu hình để chạy ở tỷ số nén cực cao (14:1) với hệ thống EGR được làm mát. Trong ứng dụng này, một trong số bốn xi-lanh được sử dụng làm xi-lanh EGR chuyên dụng, cung cấp 25% EGR không đổi cho động cơ. Kết quả cho thấy, chạy xi-lanh giàu EGR chuyên dụng tạo ra đủ hydro (H2) và carbon monoxide (CO) để cải thiện đáng kể tốc độ đốt cháy và khả năng chịu EGR của động cơ.
Sự cải thiện về khả năng chịu đựng EGR và quá trình đốt cháy giúp giảm mức tiêu thụ nhiên liệu tới 10% khi tải nhẹ. Ngoài ra, việc bổ sung hydro (H2) làm giảm khoảng cách dập tắt của hỗn hợp và cải thiện khả năng chịu pha loãng, thúc đẩy quá trình đốt cháy hoàn toàn hơn, dẫn đến giảm đáng kể lượng carbon monoxide (CO) và hydrocarbon (HC) so với trường hợp hút khí tự nhiên cơ bản. Lượng khí thải NOx tăng lên khi quá trình đốt cháy được cải thiện nhưng nhờ có 25% EGR nên vẫn thấp hơn đáng kể so với động cơ không pha loãng.
