Kỹ thuật tuần hoàn khí thải có tên gọi EGR được áp dụng khá sớm trong việc hạn chế khí thải ở động cơ ôtô. EGR được phát minh để kiểm soát mức độ ô nhiễm môi trường của xe hơi vào đầu những năm 1970, sớm hơn khoảng 2 năm so với hệ thống trung hòa khí thải bằng xúc tác.
Kỹ thuật tuần hoàn khí thải EGR (Exhaust Gas Recirculation)
Kỹ thuật tuần hoàn khí thải có tên gọi EGR được áp dụng khá sớm trong việc hạn chế khí thải ở động cơ ôtô. EGR được phát minh để kiểm soát mức độ ô nhiễm môi trường của xe hơi vào đầu những năm 1970, sớm hơn khoảng 2 năm so với hệ thống trung hòa khí thải bằng xúc tác. Mục tiêu của EGR là giảm nồng độ các chất ô nhiễm bằng cách tuần hoàn khí thải trở lại hệ thống nạp động cơ trong điều kiện có tải.Trong động cơ diesel, tác dụng của lượng khí thải này là làm giảm nhiệt độ cháy đoạn nhiệt hay làm giảm nồng độ oxy. Ngoài ra, khí thải tuần hoàn còn làm tăng nhiệt dung riêng của hòa khí nên nhiệt độ cháy giảm xuống. Mục tiêu của việc hạ những thông số trên là để ngăn cản quá trình sản sinh các chất độc hại khi đốt nhiên liệu, giảm nồng độ chất này trong khí thải.Trên thực tế, nhiệt độ càng cao, lượng chất gây ô nhiễm sinh ra càng nhiều. Ngoài nhiệt độ còn có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới khả năng hình thành các chất trên như áp suất buồng đốt, thời gian đánh lửa, hỗn hợp nhiên liệu, nhiệt độ khí nạp hay nhiệt độ chất làm lạnh. Chẳng hạn như việc giảm tỷ số nén và đánh lửa chậm ở những động cơ tính năng cao sẽ làm giảm lượng chất ô nhiễm sinh ra, tuy nhiên, điều này sẽ làm giảm công suất cực đại và tính năng của xe. Chính điều này đã thôi thúc các kỹ sư thiết kế nên EGR vào những năm 1970.
EGR ban đầu được thử nghiệm như một phương pháp giảm nồng độ khí thải với điều kiện dễ ứng dụng, rẻ tiền và chỉ một vài hệ được lắp trên các mẫu xe đương thời. Thế nhưng sau đó, gần như tất cả ôtô đều trang bị hệ thống này.
Nguyên lý hoạt động
Những hệ EGR sử dụng đường ống nối giữa bộ góp xả với bộ góp nạp được gọi là tuần hoàn khí thải ngoài. Một van điều khiển sẽ đảm nhiệm việc điều chỉnh số lần mở và kiểm soát dòng khí. Khí thải tuần hoàn trước khi trộn với khí nạp được làm mát bởi nếu không, nó làm tăng nhiệt độ khí nạp, ảnh hưởng tới công suất động cơ. Trên động cơ xăng trên các mẫu xe ô tô, khoảng 5-15% khí thải được đưa trở về buồng đốt thông qua EGR. Mức 15% là giới hạn để động cơ làm việc bình thường vì nếu nhiều khí thải, động cơ sẽ khó khởi động và làm việc không trơn tru. Mặc dù EGR làm chậm quá trình cháy nhưng điều này có thể được khắc phục bằng cách điều chỉnh thời gian đánh lửa. Trên động cơ diesel các động cơ diesel hiện đại, EGR được làm mát bằng thiết bị trao đổi nhiệt để tăng lượng khí tuần hoàn. Không giống động cơ xăng, trên mẫu diesel, các kỹ sư không giới hạn tỷ lệ khí tuần hoàn. Chẳng hạn có những động cơ dùng tới 50% khí thải để đưa về bộ phận nạp. Tác dụng chủ yếu của khí thải tuần hoàn ở động cơ diesel là tăng nhiệt dung riêng của hỗn hợp, qua đó giảm nhiệt độ cháy, giúp nâng cao hiệu quả và giảm tiêu hao nhiên liệu.Thời kỳ đầu, EGR rất đơn giản vì sử dụng bộ góp chân không để điều khiển van nên hiệu quả không cao. Với công nghệ điện tử ngày nay, van được điều khiển bằng máy tính nên EGR bắt đầu có những cải tiến đáng kể. Một trong số đó là khả năng nâng cao hiệu suất động cơ mà không ảnh hưởng tới tính năng vận hành. Ngày nay, EGR không còn phổ biến như bộ trung hòa khí thải bằng xúc tác, nhưng trên các mẫu xe diesel hay xe đời cũ, nó vẫn là công nghệ có tác dụng tốt.
Hệ thống phin lọc
Một trong những biện pháp rất hiệu quả giảm thiểu sự độc hại của khí thải động cơ là việc chế tạo và sử dụng hệ thống phin lọc. Ví dụ như hệ thống CRT của hãng Volvo Trucks cho phép giảm 80-90% tỷ lệ carbon oxide, hydrocarbon và nitơ oxide cùng các phần tử cứng trong khí thải. Bộ phin này được thiết kế cho động cơ xe tải và đã trở thành cấu trúc không thể thiếu đối với hầu hết xe buýt chạy trong thành phố. Hãng PSA Peugeot - Citroen cũng gặt hái nhiều thành công trong lĩnh vực này. Hệ thống phin lọc khí thải của xe Peugeot 607 với động cơ diesel HDI và cũng đã được nhận giải thưởng quốc tế. Tuy nhiên, thiết kế của PSA có nhược điểm là đắt tiền, làm tăng giá thành ô tô.
Bộ trung hòa khí thải
Đây được xem là công nghệ mang tính ưu việt nhất và đang được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới. Đó là sự thừa kế, kết hợp của các kỹ thuật khác. Chính những bộ trung hòa khí thải này là biện pháp giúp các hãng xe trên thế giới đáp ứng được những quy định ngày càng khắt khe về môi trường tại nhiều quốc gia. Để làm giảm lượng khí thải, những chiếc xe hiện đại rất chú trọng tới việc kiểm soát lượng nhiên liệu đốt cháy trong động cơ. Các kỹ sư cố gắng giữ tỷ lệ hỗn hợp không khí và nhiên liệu ở gần điểm lý tưởng nhất.
Hoạt động của bộ trung hòa khí thải
Thông qua việc tuần hoàn khí thải, nhiên liệu gần như được đốt hết trong xy-lanh. Sau đó, hệ thống lọc xúc tác sẽ trung hoà toàn bộ lượng chất gây ô nhiễm còn lại, giảm khí thải độc hại. Trên lý thuyết, nếu nhiên liệu sẽ được đốt cháy hoàn toàn thì tỷ lệ tối ưu giữa xăng và không khí là 14,7:1 (có nghĩa là để đốt hết một pound xăng (khoảng 0,45 kg) thì cần 14,7 pound không khí). Tỷ lệ xăng khí trên thực tế thay đổi tùy theo khi lái xe. Đôi khi hỗn hợp này có thể cao hơn 14,7 hoặc có thể thấp hơn (nhiều xăng hơn cần thiết).
Đóng vai trò quan trọng trong việc biến khí độc hại thành các chất khí không ảnh hưởng đến môi trường là oxy. Lượng oxy này được điều chỉnh bởi máy tính.
Lớp thứ ba chính là hệ thống kiểm soát dòng khí thải và sử dụng thông tin này để điều chỉnh hệ thống phun nhiên liệu. Một cảm biến không khí gắn giữa bộ trung hòa khí và động cơ (gần động cơ hơn). Cảm biến này thông báo cho máy tính về lượng oxy còn lại trong khí thải ra.Máy tính sẽ tăng hoặc giảm lượng oxy trong khí thải bằng cách điều chỉnh tỷ lệ hỗn hợp khí và nhiên liệu. Sơ đồ kiểm soát này cho phép máy tính đảm bảo rằng tỷ lệ hỗn hợp nhiên liệu - khí trong động cơ gần đạt mức tối ưu. Và nó cũng đảm bảo đủ lượng oxy trong khí thải để cho phép sự lớp xúc tác oxy hóa đốt cháy lượng hydrocarbon và carbon oxide còn thừa sau kỳ nổ trong động cơ.
Bộ trung hòa khí có tác dụng rất lớn trong việc làm giảm sự ô nhiễm, và về thực chất, hiệu quả của nó còn có thể tăng hơn nữa. Một thiếu sót lớn nhất của hệ thống này nó chỉ làm việc tại một nhiệt độ đủ cao. Thời điểm khởi động xe sau một đêm trời lạnh, bộ trung hòa khí gần như không hoạt động.Giải pháp đơn giản cho vấn đề này là gắn nó gần động cơ hơn nữa. Tức là đưa khí thải tới bộ trung hòa khí nhanh hơn. Nhưng điều đó lại dẫn đến việc làm giảm tuổi thọ của bộ trung hòa khí thải. Để thay thế lớp ceramic, hiện nay người ta đã chế tạo được bộ lọc sử dụng kim loại, chịu nhiệt tốt hơn.Làm nóng bộ trung hòa khí thải trước khi khởi động xe là một biện pháp khác để giảm tối thiểu những chất khí độc hại. Cách đơn giản nhất là sử dụng điện để sưởi. Có điều, hệ thống điện 12V trên phần lớn xe ô tô hiện nay không cung cấp đủ năng lượng để làm nóng bộ trung hòa khí thải ở thời gian cần thiết. Ít ai có thể chờ được thời gian vài phút để cho bộ trung hòa khí thải kịp nóng trước khi khởi động xe. Những chiếc xe hybrid hiện nay, gắn một động cơ xăng thông thường với một động cơ điện, cho phép giải quyết khó khăn này một cách dễ dàng.
Vào năm 1976, hãng Bosch lần đầu tiên chế tạo được loại cảm biến dùng trên động cơ xăng có tên là Lambda. Vài năm sau, hãng tiếp tục cho ra mắt loại cảm biến Lambda dùng trên động cơ diesel, sau đó chế tạo thành công hệ thống điện tử điều khiển động cơ diesel EDS (electronic diesel control). Thiết bị này giúp cho dòng máy dầu đáp ứng được tiêu chuẩn bảo vệ môi trường Euro IV - chuẩn bảo vệ môi trường châu Âu áp dụng vào năm 2005.Hãng Toyota lại hoàn thiện quá trình làm việc của động cơ diesel theo một hướng khác. Trong thiết kế của họ, khi tải trọng của động cơ nhỏ, nhiên liệu được phun sớm hơn, hệ thống tuần hoàn sẽ hướng phần lớn lượng khí thải quay lại xi-lanh để được đốt cháy một lần nữa. Các kỹ sư Toyota khẳng định rằng, quá trình cháy diễn ra trong điều kiện nghèo oxy như vậy sẽ làm giảm nhiệt độ ở buồng đốt và tăng nhiệt ở hệ thống xả. Nhờ nhiệt độ cao ở đường xả, phin lọc hỗn hợp - xúc tác sẽ trung hòa hết các chất CO, HC, NO và giữ lại những phần tử muội. Hệ thống này sẽ được lắp trên chiếc Avensis từ năm 2004.
Cuonghm (Theo http://boschcarservicehanoi.com.vn)