HỆ THỐNG TUẦN HOÀN KHÍ XẢ TRÊN DDEC DETROIT ( PHẦN 1 )

OBD Việt Nam chia sẻ với Anh/Em bài viết HỆ THỐNG TUẦN HOÀN KHÍ XẢ TRÊN DDEC DETROIT.

(DDEC EGR System :Exhaust gas Recirculation System)

Phần 1: Tổng quan về hệ thống EGR

Hoạt động – chức năng của hệ thống.

 Khi nhiệt độ của quá trình cháy của động cơ lên đến 25000F thì khí- Nitơ trong không khí sẽ kết hợp với Oxi để tạo nên những Oxyde Nitơ (NOX) khác nhau như: NO, NO2, N2O, N2O5… Vì vậy, cách tốt nhất để giảm lượng NOX là làm giảm nhiệt độ trong động cơ.

 Để làm giảm nhiệt độ buồng đốt xuống, ta có thể thực hiện bằng cách dùng một hệ thống để đưa một luồng khí thải nhất định trở lại buồng đốt, hệ thống này được gọi là hệ thống tuần hoàn khí thải (EGR). Lượng khí thải này có các chức năng sau:

• Khí thải có nhiệt dung riêng lớn hơn không khí cho nên nó sẽ làm giảm nhiệt độ buồng đốt nếu lượng nhiệt vẫn cao như cũ.
• Làm cho hỗn hợp có hàm lượng O2 thấp vì lượng O2 có trong khí thải rất ít.
• Làm bẩn hỗn hợp, vì vậy tốc độ cháy sẽ giảm.

 Tuy nhiên, lượng khí thải này phải được kiểm soát, điều chỉnh sao cho phù hợp. Vì nếu đưa vào buồng đốt một lượng khí thải quá lớn thì động cơ sẽ hoạt động không ổn định, làm ảnh hưởng đến công suất động cơ.

 Do ảnh hưởng của lý do trên, nên lượng khí xả được khống chế bởi van EGR, đồng thời lượng khí xả được đưa vào động cơ phụ thuộc vào hai thông số cơ bản:

• Tốc độ động cơ.
• Tải động cơ.

Cấu Tạo Hệ Thống :

1. Cấu tạo:

Hệ Thống EGR có mục đích làm giảm ô nhiễm khí thải theo quy định của cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ EPA (United States Enviromental Protection Agency).

EGR (tuần hoàn khí xả) cho phép một tỷ lệ khí thải hòa trộn trở lại với không khí đi vào từ đường ống nạp. Khí thải sẽ làm loãng không khí nạp bằng cách chiếm chỗ của oxy trong khí nạp . Lượng oxy trong khí nạp giảm sẽ làm quá trình cháy diễn ra chậm hơn và làm giảm nhiệt độ buồng đốt từ đó sẽ làm giảm được lượng NO_X

1. Ống phân phối khí cho hệ thống EGR
2. Bộ phận hòa trộn khí của hệ thống EGR
3. Ống nạp.
4. Cảm biến nhiệt độ không khí đường ống nạp
5. Cảm biến áp suất khí trời
6. Cảm biến áp suất tăng áp đường ống nạp

2. Chức năng của các bộ phận trong hệ thống EGR

Thiết bị biến đổi áp suất đầu ra: Variable Pressure Output Device (VPOD).

Có hai thiết bị biến đổi áp suất đầu ra (VPOD) đó là điều khiển Turbo có cánh thay đổi hình học (VNT) và hệ thống EGR. Vị trí đặt của VPOD thì tùy từng điều kiện làm việc của xe. Trong  khi Van EGR hoạt động, VPOD cung cấp áp suất đến cơ cấu điều khiển để thay đổi vị trí cánh quạt VNT và vị trí van EGR.

 Giao diện VPOD với những hệ thống khác sẽ thấy trong hình 4.

Turbo tăng áp VNT (Variable Nozzle Turbocharger).

Hoạt động Turbo tăng áp điều khiển cánh VNT.

Trước đây các loại xe trang bị động cơ diesel thường có khả năng tăng tốc rất kém. Vấn đề này đã được giải quyết với công nghệ turbo tăng áp có thể điều chỉnh các ”cánh điều chỉnh” của bánh turbo, như trên mẫu Detroit Diesel. Bài phân tích dưới đây sẽ giúp chúng ta nắm rõ hơn về công nghệ này.

Hiện tượng “ì turbo tăng áp”.

Với các loại xe sử dụng turbo tăng áp trước đây, khi xe chạy tải nhẹ với số vòng tua thấp, turbo tăng áp chạy cầm chừng, do lưu lượng khí nhỏ nên tuốc bin quay chậm không khí nén nạp không đáng kể.

Cánh bướm ga mở lớn khi bạn ấn bàn đạp ga để tăng công suất và khi đó động cơ sẽ được cung cấp thêm nhiều hỗn hợp và khí thải sẽ thoát ra nhiều hơn dẫn tới bánh turbo quay với tốc độ cao hơn, tăng lượng khí nạp vào động cơ.

Nhưng vấn đề ở đây là khi đạp ga, xe sẽ không đạt công suất kịp thời như ý muốn, tổng thời gian trễ có thể nửa giây hoặc hơn. Tất cả các xe sử dụng turbo tăng áp đều có hiện tượng này và thường được gọi là “tính ì của turbo”. Đây là do quá trình cung cấp trễ từ khi người lái ấn bàn đạp ga tới khi turbo bắt đầu hoạt động nén khí tăng áp cho động cơ. Nó cũng bao gồm thời gian cần thiết cho bộ làm mát trao đổi và làm đầy các ống dẫn, khi có sự thay đổi từ chân không sang áp suất cao.

Để giải quyết vấn đề, ngày nay các nhà sáng chế đưa ra một giải pháp là làm xoay các “cánh điều chỉnh” của bánh turbo mà khí xả sẽ tác dụng vào các cánh này. Cách khác là dùng 2 turbo nhỏ hơn thay thế cho một turbo lớn (các động cơ dùng hai turbo nhỏ hơn gọi là biturbo hay twinturbo). Ở đây chúng ta sẽ trình bày qua nguyên lý hoạt động của loại turbo tăng áp điều chỉnh làm xoay các “cánh điều chỉnh” của turbo được ứng dụng trên động cơ Detroit Diesel Series 60.

Turbo tăng áp điều khiển cánh.

Turbo tăng áp có thể thay đổi góc quay của cánh ngày càng được sử dụng rộng rãi nhằm giảm “sức ì turbo” ở mức nhỏ nhất. Nguyên lý là làm thay đổi góc quay ở các cánh điều chỉnh của tuốc bin mà khí xả sẽ đập vào các cánh này. Điều này giúp tăng áp ở tốc độ thấp và giảm sức ì turbo. Van xả (tránh áp) thì không cần thiết với turbo tăng áp có hình dạng biến đổi, việc dịch chuyển các cánh sẽ điều khiển tốc độ và sự tăng áp của turbo. Turbo có hình dạng biến đổi có tên gọi là VNT (Variable Nozzle Turbine).

Kiểu turbo tăng áp có hình dạng biến đổi này thường có một loạt từ 10 tới 15 cánh di động vòng quanh đĩa turbo. ECU sẽ điều khiển mô tơ bước tác động làm xoay các cánh điều chỉnh của turbo cùng lúc, điều này điều khiển tốc độ turbo tăng dần. Do sự gia tốc làm tăng tốc lực cánh điều chỉnh của turbo, nên tạo ra sự tăng áp lúc đầu nhanh hơn.

Khi xe chạy tải nhẹ với số vòng tua thấp, ECU điều khiển mô tơ bước xoay cánh điều chỉnh của turbo, làm mở một phần cánh làm giảm sự cản trở của khí thải, tránh tạo lên sự nạp không cần thiết. Phần trắng mờ được đóng khung là hình ảnh cánh điều chỉnh của turbo chỉ hé mở khi động cơ hoạt động ở tốc độ thấp.

Hình dưới là trường hợp khi xe chạy tải nhỏ, số vòng tua máy thấp, cánh điều chỉnh của turbo hé mở một phần cho gió qua. Gió lùa qua các cánh điều chỉnh bên ngoài tới các cánh của bánh turbo phía trong, làm quay cánh turbo.

Khi người lái cần tăng tốc, đạp ga các cánh bướm ga mở, các cánh di động ở turbo sẽ mở hoàn toàn, khí thải sẽ di chuyển tự do vào trong cánh điều chỉnh của turbo, khi đó tốc độ động cơ và công suất tăng. Trong hình là các cánh điều chỉnh của turbo hé mở hoàn toàn khi động cơ hoạt động ở tốc độ cao.

Hình dưới đây là trường hợp khi xe chạy ở tốc độ cao, cánh điều chỉnh của turbo mở hoàn toàn cho luồng khí qua. Khí thải lùa qua các cánh điều chỉnh bên ngoài tới các cánh của bánh turbo phía trong, làm quay cánh turbo với tốc độ cao.

Phương pháp tăng áp turbo này cho phép động cơ có thể thay đổi lưu lượng khí nạp vào động cơ, gia tăng công suất nhanh chóng, loại bỏ sức ì turbo như trên các xe sử dụng turbo thông thường.

Các kết quả của việc có thể điều chỉnh cánh quạt VNT.

• Tăng cường không khí / tỷ lệ nhiên liệu trong quá trình động cơ tăng tốc.
• Cung cấp sự vận hành về mặc cơ khí trong chế độ EGR.
• Đóng cửa van nhiều hơn làm tăng tốc độ dòng chảy EGR (PWM% là cao).
• Đóng cửa van ít hơn làm giảm tốc độ dòng chảy EGR (PWM% là thấp).
• Dự phòng khả năng phanh động cơ được an toàn.

Vị trí  van VNT trong thời gian động cơ hoạt động.

1. PWM 7%:

• Không có áp lực không khí đến để điều khiển van VNT từ VPOD.
• Hạn chế khí thải tối thiểu / tối thiểu  dòng chảy EGR trong khi hoạt động ở chế độ EGR.

1. PWM 50%.

• Điều chỉnh  áp suất không khí vào thiết bị truyền động VNT từ VPOD.
• Vừa hạn chế khí thải.
• Tăng lưu lượng EGR trong khi hoạt động ở chế độ EGR.

1. PWM 90%:

• Điều chỉnh áp suất tối đa đến thiết bị truyền động VNT từ VPOD.
• Điều chỉnh khí thải hạn chế tối đa / tối đa dòng chảy EGR trong khi hoạt động trong chế độ EGR.

2.1. Van EGR.

• Vị trí của van được điều khiển bởi DDEC. ECM liên tục giám sát tất cả các phương thức hoạt động chẩn đoán động cơ và thực hiện kiểm tra của RPM, tải, độ cao, nhiệt độ không khí… và sử dụng thông tin này để xác định vị trí van.
• Khi van EGR được đóng lại, khí thải từ đường ống thải sẽ đi qua cánh turbin trong turbo và đi ra ngoài hệ thống thải trên đường thải.
• Khi van được mở ra, khí thải được dẫn vào trong bộ làm mát EGR, qua các ống phân phối và vào trong đường nạp.

Truyền động van EGR (thiết bị điều khiển van EGR).

1. Thiết bị truyền động van EGR.
2. Áp suất không khí từ VPOD.

Van EGR quy định tỷ lệ lưu lượng EGR thông qua áp suất không khí từ VPOD.

Các thành phần van EGR

1. Van bướm

2. Chốt cánh tay quay

3. Cần kích hơi

4. Vỏ cần kích

5. Bộ phận kết nối để điều chỉnh