9.1. Cải thiện tính năng củađộng cơ truyền thống

9.1.1.Động cơđánh lửa cưỡng bức làm việc với hỗn hợp

cháy hoàn toàn lí thuyết

Động cơnày được phát triển đểbảo đảm tính hiệu quảcủa việc xử lí khí xảbằng

bộ xúc tác 3 chức năng. Trong nhiều năm qua, loạiđộng cơ này chưa có những cải tiến gì

đáng kể. Các cải tiến hiện nay tập trung vào việc nâng cao tính kinh tế và giảm thời gian

khởiđộng của bộ xúc tác.

9.1.1.1 Cải thiện hiệu suất

Hiệu suất thực tế màđộng cơ đạtđược hiện nay còn cách xa so với hiệu suất lí

thuyết mà nóđạtđược khi làm việc trongđiều kiện khí trời. Kĩ thuật nâng cao hiệu suất

được quan tâm hiện nay là giảm tổn thất bơm trong chu trình công tác và giảm tổn thất

nhiệtở tải cục bộ nhờ hồi lưu khí xả. Kĩ thuật nàyđồng thời cũng góp phần làm giảm NOx

và tạođiều kiện thuận lợi cho việc xử lí khí xả bằng bộ xúc tác.

Sự khác biệt giữa các kĩ thuật này thể hiệnở cách thức nạp khí xả hồi lưu. Chẳng hạn theo phương pháp Ricardo, khí mới nạp vàođộng cơ được thực hiện nhờ haiống dẫn khác nhau: mộtống dẫn không khí giống nhưống nạp truyền thống vàống còn lại, cóđộ tiết lưu thayđổi theođiều kiện làm việc, dẫn hỗn hợp không khí và khí xả hồi lưu. Sự phân lớp khí nạp như vậy cần thiết trong trường hợp tỉ lệ khí xả hồi lưu cao.

Hệ thống vừa mô tả có thể làm tăng hiệu suất khoảng từ 6÷8%đối vớiđộngcơ làm

việc với hỗn hợp cháy hoàn toàn lí thuyết. Sự phát sinh NOxở nguồn, nghĩa là trước khi vàoống xả xúc tác, giảm từ 85÷90% nhưng nồngđộ HC gia tăng khoảng 10%.Điều này

không gây khó khăn gì trong việc xử lí khi bộ xúc tác làm việc bình thường.

Một hệ động cơ khác ngày nayđangđược nghiên cứu áp dụng,đó làđộng cơ làm việc theo chu trình Miller. Khác với chu trình Beau de Rochas, ở động cơ này hành trình nạp và nén khác với hành trình giãn nở và thải. Thực ra chỉ có quá trình nạp và nénđược thực hiện khác vớiđộng cơ truyền thống: soupape nạpđóng trướcĐCD khi pistonđi xuống. Kết quả là tỉ số nén thực bị giảm nhưngđiềuđó không gâyảnh hưởngđến hiệu suất chu trình nhiệt củađộng cơ vì hiệu suất của chu trình bịảnh hưởng chủ yếu bởi tỉ số giãn nở của khí cháy.

Sử dụng chu trình Miller cho phép giảm tổn thất bơm. Bướm ga trở nên không cần thiết vì thời gian mở soupape nạp quyếtđịnh lượng khí nạp vào cylindre. Hãng Mazda từ năm 1993đã thương mại hóa ô tô trang bị động cơ làm việc theo chu trình này.Động cơ Mazda làm việc theo chu trình Miller có tỉ số nén và giãn nở khác nhau, nhưng soupape nạpđóng sauĐCD chứ không phải trướcĐCD như chu trình Miller cổđiển. Thêm vàođó, sự định lượng khí nạp mới cũngđược thực hiện nhờ bướm ga. Mặt khácđộng cơ cũng

được trang hệthống tăng áp và hệthống làm mát trung gian khí nạp. Việc áp dụng các hệ

thống này cho phép nâng cao tính năng củađộng cơ dù tỉ số nén thực tế bé. Thêm vàođó, việc sử dụng hệ thống tăng áp hạn chế được hiện tượng quay ngược khí ga vàođường nạp. So vớiđộng cơ cổđiển có cùng dung tích cylindre,động cơ Mazda có công suất và momen cao gấp 1,5 lần và suất tiêu hao nhiên liệu giảm từ 10đến 15%.

Một phương án khác nhằm cải thiện hiệu suấtđộng cơ là cho ngưng hoạtđộng của soupape nạp và xả của một vài cylindre khiđộng cơ làm việcở chế độ tải cục bộ và tốcđộ thấp. Lợi ích chủ yếu của giải pháp này là giảm vùng áp suất thấp của chu trình. Khiđó một vài cylindre không hoạtđộng còn các cylindre khác hoạtđộngở tải lớn hơn so với khi nó làm việc theo phương pháp phối khí cổđiển. Kết quả là tổn thất bơm giảm. Kĩ thuật này làm giảm ma sátđộng cơ và cải thiệnđược quá trình cháy trong trường hợp tải rất thấp.

Hãng Mitsubishi từ năm 1994đã phát triển hệ thống này. Hệ thống có tên gọi là MIVEC (Mitsubishi Innovative Valve timing and lift Electronic Control). Ngoài việc cho ngừng họatđộng một sốsoupape ởtải thấp, hệthống này còn được trang bị thêm một hệ thốngđiều chỉnh góc phối khí vàđộ nâng soupape.Động cơ trang bị hệ thống MIVEC cho phép giảm suất tiêu hao nhiên liệuđến 30%ở chế độ không tải và giảm hơn 15% khi thử theo chu trình tiêu chuẩn của Nhật. Công suất và momen củađộng cơ có thể cao hơn 15% so vớiđộng cơ cổđiển.

Kĩ thuật điều chỉnh góc độphối khí theo tải động cơcũng là hướng nghiên cứu

được nhiều nhà chếtạo quan tâm. Thường hướng lựa chọn thiên vềviệc làm giảm đến

mức thấp nhất khoảng trùngđiệp của các soupapeở chế độ tải thấpđể làm giảm lượng khí sót trong cylindre và cải thiện quá trình cháy. Trong trường hợp tải lớn, gócđộ trùngđiệp của các soupape phải tăng lênđể tạođiều kiện thuận lợi cho việc nạpđầy cylindre nghĩa là cải thiện hệ số nạp và từđó làm tăng hiệu suấtđộng cơ. Mặt khác, sự modul hóa khoảng

trùngđiệp của soupape cho phép làm giảm mứcđộ phát sinh HC và NOx.

Trong thực tế, người ta có thể phối hợp giữa việcđiều chỉnh gócđộ phối khí với sự thayđổi luật nâng soupape. Nhìn chung,độ nâng của soupapeở chế độ tốcđộ thấp nhỏ hơnđộ nângở chế độ tốcđộ cao. Hệ thống nàyđãđược hãng Honda phát triển với tên gọi là VTEC (Variable valve Timing and lift Electronic Control). Nóđược trang bị trênđộng cơ có 4 soupape cho mỗi cylindre. Mỗi soupape mở theo một một luật riêng phụ thuộc chế

độ làm việc của động cơ.

9.1.1.2. Gia tốc quá trình khởiđộng bộ xúc tác

Các bộ xúc tác 3 chức năng hiện nayđược lắpđặt trên ô tô chỉ hoạtđộng hiệu quả sau khiđộng cơđã làm việc khoảng 2-3 phút. Thường sau khoảng thời gian này bộ xúc tác mớiđạtđược nhiệtđộ khởiđộng.

Để gia tốc giai đoạn sấy, người ta có thể đặt ống xúc tác gần động cơnhưng điều

này không phù hợp khiđộng cơ làm việcở tải cao. Vì vậy, người ta nghiên cứu những giải pháp khác phức tạp hơn. Một trong những giải phápđó là lắpđặtở trước bộ xúc tác chính một bộ xúc tác khởiđộng. Bộ xúc tác khởiđộng này cóđặcđiểm là nhiệt dung thấp và khởiđộng nhanh dođó nó cho phép xử lí khí xả ngay sau khi khởiđộngđộng cơ.

Ngoài ra người ta cũng áp dụng một số những kĩ thuật khác như:

- Sấy bộ xúc tác bằngđiện: Bộ xúc tác này cho phép xử lí triệtđể khí xả để đạt

được tiêu chuẩn ULEV. Việc sấy thường được thực hiện ởbộ xúc tác khởi động. Công

suấtđiện (cũng chính là năng lượng cần thiết)để gia tốc việc khử các chất ô nhiễm tới một giới hạn cho trước trong trường hợpđó thấp hơn là trong trường hợp sấy trực tiếp bộ xúc tác chính. Trong trường hợp cụ thể người ta sử dụng bộ sấy có công suấtđiện khoảng 1kW tiêu thụ chưađầy 4Whđể đảm bảo khí xả động cơ thỏa mãn tiêu chuẩn ULEV. Các giá trị năng lượng tiêu tốn này sẽ tăng lên ít nhất 2 lần khi bộ sấyđặt ngayởống xúc tác chính.

- Sấy bằng nhiệt dođốt nhiên liệu: năng lượng tỏa ra có thể dođốt cháy bộ phận

nhiên liệu còn sót hoặc lượng nhiên liệu phun vào khí xả (hình 9.1). Cả 2 trường hợpđều cần phải cấp thêm một lượng không khí phụ vàoống xả để đảm bảođốt cháy lượng nhiênliệu này. Hình 9.2 giới thiệu một ví dụ về giảm ô nhiễm nhờ sấy bộ xúc tác

- Phun không khí: Việc phun không khíđược thực hiện ngay sau soupape xả bắt

đầu khi khởi động động cơ. Giải pháp này cho phép điều chỉnh thành phần khí xả phù hợp

vớiđiều kiện xử lí tốiưu bằng bộ xúc tác ba chức năng,đồng thời nó cũng tạođiều kiện

oxy hóa trước CO và HC góp phần làm tăng nhiệtđộ bộ xúc tác.

- Lưu giữ tạm thời HC:Việc lưu giữ tạm thời HC trong khí xả được thực hiệnở

bộ hấp thụ (hình 9.3). Hệ thống này có thểđi kèm với bộ xúc tác khởiđộng

Hiện nay các nhà chế tạođang tiếp tục nghiên cứu các hệ thống nàyđể có thể phát triển áp dụng trong những năm tới. Mặc dù chúng cần có một hệ thốngđiều khiển phức tạp vàđắt tiền nhưng mang lại hiệu quả rất cao trong xử lí khí xả

9.1.1.3.Động cơđánh lửa cưỡng bức phun trực tiếpàm việc với hỗn hợp nghèo

Loạiđộng cơ này cho phép nâng cao hiệu suất bằng cách chođộng cơ làm việc với hỗn hợp nghèo. Việc thiết kế chế tạođộng cơ này rất phức tạp nên cho tới nay chúng vẫn chưađược áp dụng rộng rãi (chủ yếu áp dụngở Nhật). Tuy nhiên do tínhưu việt của chúng về nhiều mặt, các nhà chế tạođang khẩn trương nghiên cứu phát triển loạiđộng cơ này

Động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo thếhệ đầu tiên được chếtạo dựa trên việc tối

ưu hóa sự đồng nhất của hỗn hợp nhiên liệu cũng nhưsự phân bố nhiên liệu trong buồng

cháy. Nhờ vậy, quá trình cháy trong các loạiđộng cơ nàyđược tiến hành một cách bình

thường với độ đậmđặc của hỗn hợp thấp hơn so vớiđộng cơ cổđiển khoảng (f=0,7 - 0,8).

Động cơ làm việc với hỗn hợp phân lớp cho phép nâng cao thêm hiệu suất công

tác. Việc thiết kế chế tạo loạiđộng cơ này rấtđược quan tâm hiện nay. Kĩ thuậtđộng cơ

làm việc với hỗn hợp phân lớp dựa trên việc tạo ra trong buồng cháy một hỗn hợpđậm

đặc cục bộ(gần nếu đánh lửa) đủ đểkhởi động và đảm bảo sự lan tràn màng lửa phù hợp

trongđiều kiện thành phần hỗn hợp có độ đậmđặc thấp nhất. Hiện nay, hỗn hợp phân lớp chỉ dùng khiđộng cơ làm việcở tải thấp; khiđộng cơ làm việc với tải cao,động cơ sử hỗn hợp cháy hoàn toàn lí thuyết.

9.1.2.Động cơ Diesel

Động cơ Diesel cũng sẽ được tiếp tục cải tiến để nâng cao hiệu suất dù hiện nay nó

đã có nhiều ưu điểmvềmặt này.

Về phương diện hạn chế mứcđộ phát sinh ô nhiễm củađộng cơ Diesel, các giải pháp kĩ thuật nói chung vẫn cònở trong giaiđoạn thí nghiệm. Cho tới những năm cuối của thập niên 1990, các kĩ thuật này vẫn còn áp dụng rất hạn chế vì nóđắt tiền và làm việc chưa thậtđáng tin cậy. Các giải phápđó là:

. Bộ xúc tác giảm NOx

. Lọc bồ hóng

Việc áp dụng bộ xúc tác oxy hóa trênđộng cơ Diesel không vấp phải trở ngại gì

đặc biệt. Chỉcó điều cần chú ý là hiệu quảcủa nó cao khi hàm lượng lưu huỳnh trong

nhiên liệu thấp.

Kĩ thuật xúc tác loại trừ NOx đang được phát triển. Việc ứng dụng kĩthuật này đặt ra một số vấnđề về kĩ thuật,đặc biệt là vấnđề làm việcổnđịnh của bộ xúc tác theo thời gian. Mặt khác, bộ xúc tác loại trừ NOxđòi hỏi nhiên liệu khôngđược chứa lưu huỳnh. Tuy hiện nay hiệu quả của nó thấp hơn bộ xúc tác 3 chức năng nhưng người ta có thể lạc quan tin rằng kĩ thuật này sẽ được áp dụng trong một tương lai gần.

Kĩ thuật lọc bồ hóng có nhiều hứa hẹn sẽ được áp dụng trên ô tô du lịch cũng như ô tô vận tải. Tuy nhiên, việc áp dụng kĩ thuật này đòi hỏi những tiến bộcảvề lõi lọc lần kĩ thuật tái sinh lọc (xem chương 7).

Đối với xe bus hoạt động trong thành phố, vùng nhạy cảm đối với vấn đề ô nhiễm,

việc trang bị hệ thống lọc bồ hóng là cần thiết cho dù giá thành của nó còn cao, nếu

không, những nguồn năng lượng cạnh tranh (khí,điện) sẽ làm mấtđi vị tríđộc tôn của

động cơ Diesel lắp trên chủng loại ô tô này.

Về phương diện hiệu suất,động cơ Diesel phun trực tiếp có suất tiêu hao nhiên liệu thấp hơnđộng cơ phun gián tiếp khoảng 15%.Ưuđiểm này chắc chắn sẽ được khai thác triệtđể trong quá trình phát triển của loạiđộng cơ Diesel.Đồng thời, trong tương lai gầnđây, nó cũng thừa hưởng những tiến bộ mới về động cơ Diesel nói chung hiệnđang

được nghiên cứu và phát triển. Sau đây chúng ta sẽ đềcập đến một vài tiến bộ có thể được

áp dụng. Những tiến bộ nàyđặc biệt liên quanđếnđộng cơ Diesel lắp trên xe du lịch

nhưng chúng cũng có thể được áp dụngđối với ô tô tải.

Các nghiên cứu cải thiệnđộng cơ Diesel trước hết liên quanđến việc hoàn thiện kĩ thuật phun,đặc biệt là việc áp dụng kĩ thuật phunđiều khiểnđiện tử cho phép nâng cao momen và công suất, giảmồn, giảm ô nhiễm... Các cải tiến này sẽ liên quan chủ yếuđến áp suất phun, dạng quy luật phun vàđộ chính xác của lượng nhiên liệu phun

Một ví dụđiển hình về các kĩ thuật phun mới là sự phát triển hệ thống 'ray chung' (common-rail). Trong hệ thống này, áp suất phun có thể được modun hóa một cách tùy ý theo tải và theo tốc độ động cơ. Nói chung, áp suất phun trong trường hợp này cao hơn nhiều so với áp suất phun trong hệ thống cổđiển, nhất là khiđầy tải và tốcđộ cao. Theo kĩ thuật này, nhiên liệuđược phun với áp suất cao trong thời gian ngắn.Điều này cho phép hạn chế sự phát sinh hạt bồ hóng nhưng lại làm gia tăng lượng NOx

Khiđộng cơ làm việcở chế độ tốcđộ thấp và tải cục bộ, có hai xu hướng nghiên cứu. Hướng phổ biến nhất làưu tiên cho hiệu suất cao; nhiên liệuđược phun dưới áp suất rất cao làm tăng momen củađộng cơ so vớiđộng cơ cùng cỡ sử dụng hệ thống phun cổ

điển. Hướng thứ hai là giảm mạnh áp suất phun khi động cơ làm việc ở các chế độnày để

làm giảm sự phát sinh NOx. Nói chung sự tốiưu giữa nồngđộ NOx và bồ hóng luôn luôn

có lợi khi áp suất phun cao (hình 9.6).

Việc sử dụng hệ thống 'ray chung' cũng thuận lợi cho việc lắpđặt hệ thống phun mồi. Sự phun trước một lượng nhỏ nhiên liệu sẽ làm giảm tốcđộ tỏa nhiệt banđầu do giảm lượng nhiên liệu cung cấp vào buồng cháy trong giaiđoạn cháy trễ. Kết quả là nồng

độ NOx và tiếng ồn giảm đi đáng kể mà không làm tăng lượng bồhóng.

Tính mềm dẻo rất lớn của hệ thống phun mới này kết hợp với hệ thống hồi lưu khí

xả cho phépđạtđược tỉ lệ tốiưu nhất giữa nồngđộ NOx và bồ hóngở mọi chế độ làm việc

đồng thời nó cũng giúp cải thiện tính năng kinh tế-kĩthuật của động cơ. Tuy nhiên, do tính

phức tạp nên hệ thống này hiện nay vẫn chưađược áp dụng rộng rãi.

Sự gia tăng số lượng soupapeở mỗi cylindre cũng như sử dụng hệ thống tăng áp làm tăng lượng không khí nạp cho mỗi chu trình,đó là những biện pháp làm tăng công suất và momen củađộng cơ.

Việc áp dụng kĩ thuật hồi lưu khí xả khiđộng cơ làm việcở tải cục bộ sẽ được áp dụng rộng rãi trênđộng cơ của các chủng loại ô tô khác nhauđể làm giảm NOx nhằm thỏa mãn các quyđịnh của luật môi trường.

Cuối cùng, kĩ thuậtđiều khiểnđiện tử cácđối với sự hoạtđộng của các hệ thống

động cơ(hệthống phun, hệthống hồi lưu khí xả...) sẽ thay thếkỹthuật điều khiển cơkhí

nhằm làm tăngđộ nhạy và tính mềm dẻo của các hệ thống.

Các tiến bộ kĩ thuật vừa nêu không chỉ liên quan duy nhấtđếnđộng cơ Diesel phun trực tiếp mà phần lớn những kĩ thuật này cũng có thể được áp dụngđối vớiđộng cơ có buồng cháy dự bị và phun gián tiếp. Vì vậy,động cơ phun gián tiếp cũng sẽ được tiếp tục cải tiến trong tương lai.

Chương 9: Xu hướng phát triểnđộng cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường

172

Khiđộng cơ làm việcở chế độ tốcđộ thấp và tải cục bộ, có hai xu hướng nghiên cứu. Hướng phổ biến nhất làưu tiên cho hiệu suất cao; nhiên liệuđược phun dưới áp suất rất cao làm tăng momen củađộng cơ so vớiđộng cơ cùng cỡ sử dụng hệ thống phun cổ

điển. Hướng thứ hai là giảm mạnh áp suất phun khi động cơ làm việc ở các chế độnày để

làm giảm sự phát sinh NOx. Nói chung sự tốiưu giữa nồngđộ NOx và bồ hóng luôn luôn

có lợi khi áp suất phun cao (hình 9.6).

Việc sử dụng hệ thống 'ray chung' cũng thuận lợi cho việc lắpđặt hệ thống phun mồi. Sự phun trước một lượng nhỏ nhiên liệu sẽ làm giảm tốcđộ tỏa nhiệt banđầu do giảm lượng nhiên liệu cung cấp vào buồng cháy trong giaiđoạn cháy trễ. Kết quả là nồng

độ NOx và tiếng ồn giảm đi đáng kể mà không làm tăng lượng bồhóng.

Tính mềm dẻo rất lớn của hệ thống phun mới này kết hợp với hệ thống hồi lưu khí

xả cho phépđạtđược tỉ lệ tốiưu nhất giữa nồngđộ NOx và bồ hóngở mọi chế độ làm việc

đồng thời nó cũng giúp cải thiện tính năng kinh tế-kĩthuật của động cơ. Tuy nhiên, do tính

phức tạp nên hệ thống này hiện nay vẫn chưađược áp dụng rộng rãi.

Sự gia tăng số lượng soupapeở mỗi cylindre cũng như sử dụng hệ thống tăng áp làm tăng lượng không khí nạp cho mỗi chu trình,đó là những biện pháp làm tăng công suất và momen củađộng cơ.

Việc áp dụng kĩ thuật hồi lưu khí xả khiđộng cơ làm việcở tải cục bộ sẽ được áp dụng rộng rãi trênđộng cơ của các chủng loại ô tô khác nhauđể làm giảm NOx nhằm thỏa mãn các quyđịnh của luật môi trường.

Cuối cùng, kĩ thuậtđiều khiểnđiện tử cácđối với sự hoạtđộng của các hệ thống

động cơ(hệthống phun, hệthống hồi lưu khí xả...) sẽ thay thếkỹthuật điều khiển cơkhí

nhằm làm tăngđộ nhạy và tính mềm dẻo của các hệ thống.

Các tiến bộ kĩ thuật vừa nêu không chỉ liên quan duy nhấtđếnđộng cơ Diesel phun trực tiếp mà phần lớn những kĩ thuật này cũng có thể được áp dụngđối vớiđộng cơ có buồng cháy dự bị và phun gián tiếp. Vì vậy,động cơ phun gián tiếp cũng sẽ được tiếp tục cải tiến trong tương lai.

9.2. Các kĩ thuật mớiđối vớiđộng cơ 2 kì

Chúng ta sẽ khảo sát sauđây những kĩ thuậtđangđược nghiên cứu mạnh mẽ ngày nay nhằm nâng cao tính năng kinh tế-kĩ thuật và giảm mứcđộ phát sinh ô nhiễm củađộng cơ xăng 2 kìđể có thể sử dụng chúng trên ô tô.

Động cơ 2 kì ngày nay được dùng phổbiến trên xe máy, tàu thể thao, các động cơ

gia dụng (máy cắt cỏ, máy cày...). Trong các lĩnh vực này,động cơ 2 kì có thế mạnh rõ rệt về công suất riêng và sự gọn nhẹ. Tuy nhiên loạiđộng cơ này có nhượcđiểm là hiệu suất thấp và mứcđộ phát sinh ô nhiễm cao,đặc biệt là CO, HC

Những nghiên cứuđược thực hiện trong những năm gầnđâyđể cải thiệnđộng cơ 2 kì,đặc biệt là kĩ thuật phun trực tiếp nhiên liệu,đã cho phép nâng cao tính năngđộng cơ không những cho các mụcđích sử dụng truyền thống (mô tô, máy móc gia dụng, hàng hải) mà cònđược phát triểnđể sử dụng trên ô tô.

1. Tóm tắt nguyên lí làm việc củađộng cơ 2 kìđánh lửa cưỡng bức

Động cơ 2 kì cổ điển thường sửdụng hỗn hợp được chuẩn bịtừ bên ngoài động cơ

nhờ bộ chế hòa khí. Chu trình công tác bao gồm các quá trình nạp, nén, cháy, giãn nở và thải. Tất cả các quá trình này chỉ thực hiện trong 1 vòng quay trục khuỷu thay vì 2 vòng như ở động cơ 4 kì. Hình 9.7 trình bày tóm tắt sơ đồ nguyên lí làm việc củađộng cơ 2 kì nén khí nhờ carter. Kĩ thuật này hiện nay thường được dùng nhất trên động cơcỡnhỏ

Cylindređộng cơ có 3 cửa,được gọi là cửa nạp, cửa thải và cửa quét.Đó là những lỗ có kích thước chuẩn giữ vai trò tương tự như các soupape ở động cơ 4 kì. Khi piston chuyểnđộng lên xuống, các lỗđó sẽđóng mở theo quy luậtđịnh trước. Mặt khác, hỗn hợp nhiên liệu không khí trước khiđưa vào cylindređược chuyển vào carter nhờ độ chân

không tạo ra khi pistonđi lên. Chu trình làm việc củađộng cơ bao gồm các giaiđoạn sau:

. Pistonđi lên, nén hỗn hợp và nạp hỗn hợp nhiên liệu không khí mới vào carter.

. Cháy, giãn nở và thải.

. Cuối kì giản nỡ, cửa quét mở, hỗn hợp khí mới từ carterđi vào cylindre vàđẩy khí cháy ra ngoài.Đây là giaiđoạn quét khí mà sự hoàn thiện của nó quyếtđịnh tính năng kinh tế-kĩ thuật củađộng cơ 2 kì.

.Đóng cửa quét và thải sauđó bắtđầu lại kì nén.

2. Các thành tựu mới trong nghiên cứuđộng cơ 2 kì

Động cơ 2 kì thếhệmới sửdụng kĩthuật phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng cháy.

Kĩ thuật này cho phép hạn chế sự thất thoát nhiên liệu ra ngoài theo theo khí xả trong giai

đoạn quét khí do đó, một mặt làm tăng tính kinh tếcủa động cơ và mặt khác, làm giảm

nồngđộ HC trong khí xả.

Hai kĩ thuật mớiđangđược quan tâm nhất

Phun nhiên liệu lỏng dưới áp suất caođược các nhà chế tạo ô tô PSA và Renault

(Pháp), Chrysler (Mỹ), Subaru (Nhật)đặc biệt quan tâm.

. Phun nhiên liệu bằng khí nénđược Hãng Orbital (Úc) và Viện Quốc gia Dầu mỏ Pháp IFP nghiên cứu. Kĩ thuật phun nhiên liệu bằng không khí nénđược tóm tắt như sau:

Nhiên liệuđược dẫn tới ngay trước soupape bởi một vòi phun cổđiển dạng áp suất thấp (hình 9.8). Trong giaiđoạn mở soupape, một hỗn hợp giàu không khí nhiên liệuđược phun rất tơi trực tiếp vào buồng cháy dưới áp suất thấp. Sự phun nhiên liệu bằng khí nén cho phépđạtđược tia phun với những hạt nhiên liệu rất bé vàđược phân bố hợp lí trong buồng cháy. Sự phun nhiên iệu bằng khí nén có thể được thực hiện một cáchđộc lập so với kì quét khí.Điều này cho phép hạn chế tốiđa sự lọt nhiên liệu theo khí xả.

Khí thảiđộng cơ 2 kì thế hệ mới chứa ít NOx do sự kết hợp của nhiều yếu tố khác nhau. Trước hết,động cơ 2 kì không bị cường hóa như động cơ 4 kì cùng công suất. Mặt khác, những thành tựu mớiđangđược phát triển cho phépđộng cơ làm việc với hỗn hợp nghèo và cho phép hồi lưu một bộ phận khí xả lớn hơn. Vì vậy, chỉ cần sử dụng bộ xúc tác oxy hóa cũng đủ để đạtđược mứcđộ ô nhiễm (CO, HC, NOx) trong giới hạn cho phép dự kiến áp dụng vào năm 2000.

Hình 9.9 so sánh mứcđộ phát sinh ô nhiễm củađộng cơ 4 kì vàđộng cơ 2 kì hiện

đại (IAPAC) (Injection Assistée Par Air Comprimé). Kết quả này cho thấy động cơ 2 kì

mới này có tínhưu việtđáng kể về mứcđộ phát sinh ô nhiễm (CO, HC, NOx). Mặt khác việc sử dụngđộng cơ này trên ô tô còn cho phép giảm suất tiêu hao nhiên liệu khoảng 17% và tăng momen lên khoảng 20%ở tốcđộ thấp và trung bình so vớiđộng cơ 4 kì.

Nói chungđộng cơ 2 kì thế hệ mới thỏa mãnđược những quyđịnh khắt khe nhất của luật môi trường hiện nay và từ năm 1994 người tađã chế tạođược nhữngđộng cơ 2 kì thỏa mãnđược tiêu chuẩn ULEV. Tuy nhiênđộng cơ 2 kì còn cần phải vượt qua những chướng ngại khácđể qua mặt các loạiđộng cơ cạnh tranh với nó. Trước hết là giảm tiếng

ồn và sau đó là giải quyết vấn đề bôi trơn cho động cơ. Giải quyết triệt để các vấn đềnày

sẽ làm tăng khả năngứng dụng rộng rãi củađộng cơ 2 kì trên các phương tiện vận tải.

3. Tương lai củađộng cơ 2 kì:

Cho tới nay, việc áp dụngđộng cơ 2 kì trên ô tô vẫn cònđangở bước chờ đợi nhưng trên mô tô, chắc chắn rằng kĩ thuậtđộng cơ 2 kì cổđiển sẽ được thay thế bởi kĩ thuật phun trực tiếp. Những mô tô hai kì thế hệ mới này chắc chắn sẽ chiếm lĩnh những thị trườngđầy tiềm năng nhưĐông nam Á, Trung Quốc.Ở một số quốc gia trong khu vực này, số lượng xe máy tăng hơn 10% mỗi năm và chúng tiêu thụ hơn 50% lượng nhiên liệu sử dụng trong nước. Cácđộng cơ hai kì kiểu cũ lắp trên mô tô thải ra khí trời từ 30-40% lượng nhiên liệu nạp vào buồng cháy. Thông thường mô tô nhỏ tiêu thụ từ 2đến 4 lít trên 100km. Mức tiêu thụ này không khác mấy so với ô tô hiệnđại công suất nhỏ. Tuy nhiên nếu dùngđộng cơ 2 kì thế hệ mới suất tiêu hao nhiên liệu có thể giảm từ 30đến 50%.

9.3.Động cơ 4 kìđánh lửa cưỡng bức phun trực tiếp

Phun trực tiếp nhiên liệu vào trong buồng cháy cho phépđộng cơ 4 kìđánh lửa cưỡng bức làm việc với hỗn hợp rất nghèo (φ = 0,3 - 0,4). Tổn thất áp suất trênđường nạp rất bé, có khi thể bỏ qua trong toàn bộ phạm vi hoạtđộng củađộng cơ từ không tảiđến toàn tải. Ngoài việc giảm tổn thất bơm, việc áp dụng kĩ thuật phun trực tiếp cho phép tăng

độ chính xác trong việc định lượng nhiên liệu và cải thiện điều kiện cháy ởchế độtải thấp.

Nói chung, kĩ thuật này cho phép làm tăng hiệu suấtđộng cơ.

Giống như đối vớiđộng cơ phun gián tiếp, quá trình cháy của hỗn hợp nghèo chỉ

được quan tâm khi động cơ làm việc ởtải cục bộ và tốc độthấp. Trong những điều kiện đó

sự phân lớp mạnh độ đậmđặc cho phépđộng cơ làm việc tốtở hỗn hợp rất nghèo.Điều nàyđược thực hiện nhờ giảm góc phun sớm (khi pistonđi lên) dođó hạn chế sự khuếch tán của không khí vào tia nhiên liệu.Ở chế độ đầy tải và tốcđộ cao, nhiên liệuđược phun vào buồng cháy rất sớm, ngay trong giaiđoạn nạp sao cho hỗn hợp nhiên liệu không khí với độ đậmđặcφ = 1 có thời gian phân bố đồngđều trong không gian buồng cháy

Năm 1996, hãng Mitshubishiđã thương mại hóa ô tô lắpđộng cơ phun xăng trực tiếp.Động cơ này cóđặcđiểm là dạngđường nạpđược thiết kế đặc biệt, vị trí lắpđặt hợp lí phối hợp với mặt phản xạ trênđỉnh piston, tạo thuận lợi cho sự phân lớp độ đậmđặc theo sự chuyểnđộng của dòng khí. Nhiên liệuđược phun với áp suất cao (50bar). Sự bay hơi nhiên liệu lỏng dẫnđến giảm nhiệtđộ khí nạp dođó có thể sử dụng tỉ số nén củađộng cơ cao hơn so vớiđộng cơ cổđiển (có thể nâng tỉ số nến lênđến 12). Dođó, hiệu suất

động cơ gia tăng và suất tiêu hao nhiên liệu có thểgiảm đến 25%

Người ta cũng có thể phân lớp hỗn hợp trong buồng cháy theo sự dịch chuyển của các vùng xoáy lốc. Phương án nàyđược áp dụng trênđộng cơ mẫu D-4 do hãng Toyota sáng chế. Các giaiđoạn công tác củađộng cơ được giới thiệu trên hình 9.10. Khiđộng cơ làm việc với hỗn hợp nghèo, sự phân lớpđược thực hiện nhờ tiết lưu một trong haiống nạp và nhờ thiết kế hợp lí củaống nạp còn lại.

9.4. Quan hệ tốiưu mới giữa tính năng kinh tế-kĩ thuật

và mứcđộ phát sinh ô nhiễm củađộng cơ

Có thể trong tương lai yếu tố quyếtđịnhđến mứcđộ ô nhiễm trong khí xả của

động cơ là NOx. Nếu chúng ta thểhiện tính năng của động cơ và ô tô tương lai theo các

đặc trưng về mứcđộ phát sinh NOxvà suất tiêu hao nhiên liệu thì chúng ta có thểthể

hiện vị trí của cácđặc trưng nàyđối với các loạiđộng cơ khác nhau như hình 9.12. Sự thể hiện này có tính gầnđúng vì nó chưa xétđến những cải tiến trong tương lai. Tuy nhiên dẫu sao nó cũng giúp chúng ta xácđịnhđược các khuynh hướng về sự phát triểnđộng cơ:

.Động cơ Diesel vàđộng cơ xăng làm việc với hỗn hợp nghèo (phun trực tiếp hay

gián tiếp) có bất lợi tươngđương về phương diện phát sinh NOx .

. Sự hứa hẹn củađộng cơ 2 kì thế hệ mớI

.Động cơđánh lửa cưỡng bức làm việc với hỗn hợp cháy hoàn toàn lí thuyết có

mứcđộ phát sinh ô nhiễm rất thấp nhưng suất tiêu hao nhiên liệu cao.

Một khuynh hướng khác cho rằng một khi các loạiđộng cơ có trang bị hệ thống xử lí ô nhiễm trênđường xả thì chúngđều thỏa mãn luật môi trường và khiđó người ta so sánh tính năng kinh tế-kĩ thuật củađộng cơ dựa trên mức tiêu thụ năng lượng, công suất riêng và giá thành.

Hình 9.12 cho thấy việc áp dụng các kĩ thuật tiên tiến nhất hiện nay cho phép làm tăng thêm hiệu suấtđộng cơ khoảng 30%.Động cơ 2 kì có khả năng tăng thêm 40% công suất riêng, có tính năng kĩ thuật tốt nhất

Nhien lieu tai sinh

Rất khó mà dựđoánđược tỉ lệ nhiên liệu tái sinh trong toàn bộ năng lượng tiêu thụ

cho giao thông vận tảiđến thập niênđầu của thế kỷ 21. Những yếu tố có thểảnh hưởng

đến tình trạng này là:

. Tính khắt khe của luật về môi trường, mứcđộ tiêu thụ năng lượng, mứcđộ thải

các chất khí gây hiệuứng nhà kính

. Cácđiều kiện về cơsởvật chất phục vụ giao thông

. Tâm lí của người sử dụng

Ở Hoa Kì, theo dự báo, trong sốnhững sản phẩm không truyền thống thì khí dầu

mỏ hóa lỏng LPG và khí thiên nhiên NGV sẽ chiếmưu thế với mứcđộ tiêu thụ theo thứ tự khoảng 2 và 3% tổng lượng xăng tiêu thụ năm 2010. Tuy nhiên tình trạng giao thôngở Hoa Kì rấtđặc biệt (xăng chiếmđại bộ phận trên thị trường nhiên liệu, luật môi trường rất khắt khe) nên không thể tổng quát hóa dự báo này cho những khu vực khác trên thế giới.

Nhiên liệu sinh học chỉ được sử dụngở một vài khu vực trên thế giới (Châu Âu, Mĩ, Brazil và Châu Phi).Ở Châu Âu người ta dự kiến sử dụngđất nông nghiệpđể sản xuất nhiên liệu sinh học với mục tiêu là thay thế được 5% tổng lượng nhiên liệu truyền thống trong tương lai.

Khí thiên nhiên có trữ lượng rất lớn vàđược phân bố hầu khắp trên các châu lục

nên nó là nguồn nhiên liệu dồi dào cho ô tô. Tuy nhiên yếu tố quyếtđịnh cho việc phổ biến rộng rãi ô tô dùng khí thiên nhiên là lợi ích thực sự của chúng (tính năng kinh tế-kĩ thuật, vầnđề ô nhiễm môi trường), tâm lí của người sử dụng (mứcđộ an toàn), việc xây dựng hạ tầng cơ sở phục vụ cho ô tô sử dụng khí thiên nhiên... (xem chương 8). Người ta dựđoánở Mĩ vào năm 2010 sẽ có khoảng 25% ô tô sử dụng NGV.

Methanol dường như không có nhiều hứa hẹn trở thành nhiên liệu thay thế.

Trênđây chúng tađãđề cậpđếnưu thế của LPG như là nhiên liệu tái sinh vàđặc biệt nhấn mạnh sự phổ biến rộng rãi của chúngở một số vùng trên thế giới (Hà Lan, Ý, ViễnĐông). Trên phạm vi toàn cầu, việc sử dụng LPG cho ô tô chiếm khoảng 3% lượng nhiên liệu lỏng truyền thống trong tương lai gần.

9.6. Ô tô dùngđiện

Hình 9.13 biểu diễn sự phát triển dự kiến hàng năm của ô tô dùngđiệnđến năm 2010ở Châu Âu, Châu Mĩ và Nhật Bản. Người taước tính chừng 2 triệu ô tôđiệnđược sản xuất hàng nămở ba khu vực nói trên. Tuy thị trường ô tôđiện có giá trị tuyệtđốiđáng kể nhưng chỉ chiếm tỉ lệ rất thấp (khoảng 3%) so với ô tô cổđiển dùngđộng cơ nhiệt.

Về mặt kĩ thuật, hiện nay ô tô chạyđiện có 2 nhượcđiểm quan trọngđó là năng lượng dự trữ thấp (khoảng 100 lần thấp hơn ô tô dùngđộng cơ nhiệt truyền thống) và giá thành banđầu cao hơn (khoảng 30-40% cao hơn so với ô tô dùngđộng cơ nhiệt). Những chướng ngại khác cầnđược giải quyết để đưa ô tô chạyđiện vàoứng dụng trong thực tế một cáchđại trà là khả năng gia tốc, thời gian nạpđiện, vầnđề sưởi vàđiều hòa không khí trong ô tô

Những tiến bộ quan trọng gầnđây về tính năng kĩ thuật của bìnhđiện có nhiều hứa hẹn sẽ được áp dụng trong những năm tới. Khả năng chứađiện tăng từ 35-50Wh/kgđối với bìnhđiện chì a-xít hay nickel- cadmiumđến 70Wh/kgđối với bìnhđiện Ni-MH (hydrure kim loại) và tăngđến 160Wh/kgđối với bìnhđiện Lithium dưới dạng ion hay polymère

Khả năng hoạtđộngđộc lập của ô tô vì vậy có thể tăng từ 80km (giá trị này hiện

nay chưa thỏa mãn người tiêu dùng)đến 300 thậm chí 500km trong tương lai. Khoảng đường hoạt động độc lập này có thểchấp nhận được đối với ô tô hoạt động trong thành

phố hay vùng venđô.

Hiện nay người ta cũng quan tâm nghiên cứu những ô tô vừa hoạtđộng bằng nhiệt, vừa hoạtđộng bằngđiện. Khi chạy với tải và tốcđộ cao, ô tô sử dụngđộng cơ nhiệt còn khi chạy trong thành phố, ô tô dùngđộng cơđiện.

Về phương diện ô nhiễm, ô tô chạyđiện rất lí tưởng về giới hạn mứcđộ gâyồn cũng như không phát sinh các chất gây ô nhiễm thông thường như bồ hóng và các chấtđộc dạng khí khác. Ô tôđiệnđược xếp vào loại ô tô sạch (ZEV: Zero Emission Vehicles).

Tuy nhiên, kĩ thuật sản xuấtđiện năng hiện nayđều ít nhiều gây ô nhiễm môi trường,đặc biệt là nhiệtđiện. Mứcđộ phát ô nhiễm của phương pháp sản xuấtđiện năng này phụ thuộc vào nhữngđặc tính của nhiên liệu sử dụng cũng như công nghệ xử lí chất thải.

Kĩ thuật sản xuấtđiện năng rấtđa dạngở các quốc gia khác nhau (77%điện năng

ởPháp được sản xuất bằng năng lượng nguyên tử, 53% điện năng ở Đức được sản xuất

bằng than...).Đó là yếu tố quan trọng cầnđược quan tâm khi xem xét tính ô nhiễm của ô

tô dùngđiện.

Về phương diện phát sinh những chất khí gây hiệuứng nhà kính, ô tô dùngđiện

đương nhiên có lợi thếhơn so với ô tô dùng động cơnhiệt. Tuy nhiên lợi thế này ít hay

nhiều còn phụ thuộc loại nhiên liệu dùng trong sản xuấtđiện năng. So với nhiên liệu

truyền thống, mứcđộ có lợi (tính theo CO2 tươngđương trên 1km) lênđến khoảng 90%

đối với điện sản xuất bằng năng lượng nguyên tử, khoảng 20% khi sản xuất điện bằng

nhiên liệu và gần như không lợi gì khi sản xuấtđiện bằng than.

Sự thâm nhập ô tôđiện vào cuộc sống của nhân loại ngay cả theo nhịpđộ trình bày trên hình 8.12 phải chăng là một nhân tố góp phần cải thiệnđáng kể vầnđề ô nhiễm môi trườngđô thị? Câu hỏi này cần có thời gianđể suy nghĩ. Thật vậy, khi một ô tôđiệnđược

đưa vào hoạt động nó sẽ thay thếmột ô tô dùng động cơnhiệt được xử lí ô nhiễm triệt để

với những thành tựu của công nghệ hiệnđại. Vì vậy mứcđộ lợi về mặt ô nhiễm khi dùng

động cơ điện sẽkhông đáng kể, chắc chắn là ít có lợi hơn khi thay ô tô cũbằng ô tô mới

dùngđộng cơ nhiệt

Ở đây chúng ta không muốn làm hẹp cánh cửa đã mởra đối với ô tô điện vào

những nămđầu của thế kỉ 21 mà sự phát triển của nóđi theo những sự cải tiến, hoàn thiện hay phát minh quan trọng về công nghệ. Tuy nhiên, sự phát triển của ô tô này cũng không cho phép giải quyết một cách nhanh chóng vấnđề ô nhiễm môi trườngđô thị vì không thể xây dựng toàn bộ cơ cấu hạ tầng cơ sở phục vụ chúng trong một thời gian ngắn.

Ô tô chạyđiện trong giaiđoạnđầu sẽ cóảnh hưởng quan trọngđến vấnđề tâm lí

xã hội. Thật vậy, sự hạn chế tính năng kĩ thuật cũng như bán kính hoạtđộng của ô tô, trở ngại trong vấnđề nạpđiện, khả năng sử dụng các dịch vụ tự phục vụ sẽ góp phần làm thay

đổi thói quen của người dùng và có thểdầndần làm thay đổi cách sống