Nghiên cứu chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) sử dụng nhiên liệu n-heptan/ethanol/diesel

Nghiên cứu chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) sử dụng nhiên liệu nheptanethanoldiesel Nghiên cứu chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) sử dụng nhiên liệu nheptanethanoldiesel Nghiên cứu chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) sử dụng nhiên liệu nheptanethanoldiesel Nghiên cứu chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) sử dụng nhiên liệu nheptanethanoldiesel Nghiên cứu chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) sử dụng nhiên liệu nheptanethanoldiesel Nghiên cứu chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) sử dụng nhiên liệu nheptanethanoldiesel Nghiên cứu chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) sử dụng nhiên liệu nheptanethanoldiesel Nghiên cứu chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) sử dụng nhiên liệu nheptanethanoldiesel Nghiên cứu chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) sử dụng nhiên liệu nheptanethanoldiesel Nghiên cứu chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) sử dụng nhiên liệu nheptanethanoldiesel Nghiên cứu chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) sử dụng nhiên liệu nheptanethanoldiesel Nghiên cứu chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) sử dụng nhiên liệu nheptanethanoldiesel Nghiên cứu chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) sử dụng nhiên liệu nheptanethanoldiesel Nghiên cứu chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) sử dụng nhiên liệu nheptanethanoldiesel Nghiên cứu chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) sử dụng nhiên liệu nheptanethanoldiesel Nghiên cứu chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) sử dụng nhiên liệu nheptanethanoldiesel Nghiên cứu chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) sử dụng nhiên liệu nheptanethanoldiesel Nghiên cứu chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) sử dụng nhiên liệu nheptanethanoldiesel Nghiên cứu chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) sử dụng nhiên liệu nheptanethanoldiesel Nghiên cứu chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) sử dụng nhiên liệu nheptanethanoldiesel Nghiên cứu chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) sử dụng nhiên liệu nheptanethanoldiesel Nghiên cứu chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) sử dụng nhiên liệu nheptanethanoldiesel Nghiên cứu chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) sử dụng nhiên liệu nheptanethanoldiesel Nghiên cứu chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) sử dụng nhiên liệu nheptanethanoldiesel Nghiên cứu chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) sử dụng nhiên liệu nheptanethanoldiesel Nghiên cứu chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) sử dụng nhiên liệu nheptanethanoldiesel Nghiên cứu chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) sử dụng nhiên liệu nheptanethanoldiesel Nghiên cứu chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) sử dụng nhiên liệu nheptanethanoldiesel

Hà Nội - 2024

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Ô TÔ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 GS TS Lê Anh Tuấn

2 TS Phạm Minh Hiếu

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu kết quảnêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ đề tàinghiên cứu nào khác

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Minh Thắng

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Đại học Bách khoa Hà Nội, Ban Đào tạo, Trường

Cơ khí, Khoa Cơ khí Động lực đã cho phép tôi thực hiện luận án tại Đại học Báchkhoa Hà Nội

Xin cảm ơn Ban Đào tạo và Khoa Cơ khí Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡtrong suốt quá trình tôi làm luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS Lê Anh Tuấn, TS Phạm Minh Hiếu đãhướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện

và hoàn thành luận án

Tôi xin chân thành biết ơn Quý Thầy, Cô Nhóm chuyên môn hệ thống độnglực ô tô và Trung tâm nghiên cứu các nguồn động lực và phương tiện tự hành -Trường Cơ khí, Đại học Bách Khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và dành cho tôi nhữngđiều kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành luận án này

Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã hậuthuẫn và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu học tập

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các Thầy phản biện, các Thầy tronghội đồng chấm luận án đã đồng ý đọc, duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thểhoàn chỉnh luận án này và định hướng nghiên cứu trong tương lai

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, nhữngngười đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu vàthực hiện công trình này

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Minh Thắng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC CÁC BẢNG ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ x

MỞ ĐẦU 1

i.Lý do chọn đề tài 1

ii.Mục đích nghiên cứu 2

iii.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

iv.Nội dung nghiên cứu 2

v.Phương pháp nghiên cứu 2

vi.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 3

vii.Các điểm đóng góp mới của luận án 3

viii.Bố cục của luận án 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 4

1.1 Vấn đề ô nhiễm môi trường và nhiên liệu thay thế 4

1.1.1 Vấn đề ô nhiễm môi trường từ ĐCĐT 4

1.1.2 Sử dụng nhiên liệu thay thế 5

1.2 Tổng quan về động cơ HCCI 7

1.2.1 Nguyên lý của động cơ HCCI 7

1.2.2 Thuận lợi và thách thức của động cơ HCCI 9

1.2.3 Động cơ HCCI sử dụng nhiên liệu ethanol 13

1.2.4 Động cơ HCCI sử dụng nhiên liệu n-heptan 16

1.3 Tình hình nghiên cứu về công nghệ HCCI trong nước 18

1.4 Thiết lập và điều khiển chế độ cháy HCCI 19

1.4.1 Chế độ phun và nhiệt độ khí nạp 19

1.4.2 Thay đổi tỉ số nén 20

1.4.3 Sử dụng đa nhiên liệu và nhiên liệu thay thế 20

1.4.4 Luân hồi khí xả 21

1.5 Kết luận chương 1 21

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CHÁY HCCI 23

2.1 Hình thành hỗn hợp và cháy HCCI 23

2.1.1 Hình thành hỗn hợp bên ngoài (PFI) 24

2.1.2 Hình thành hỗn hợp bên trong xi lanh 26

2.2 Cơ chế phản ứng và các thông số đặc trưng của quá trình cháy HCCI 31

2.2.1 Cơ chế phản ứng cháy HCCI 31

2.2.2 Đặc điểm quá trình tỏa nhiệt của động cơ HCCI 31

2.2.3 Xác định thời điểm bắt đầu cháy 38

2.2.4 Điều khiển quá trình cháy trên động cơ HCCI 39

2.3 Phương án thiết kế chuyển đổi động cơ CI sang động cơ cháy HCCI 42

2.3.1 Phương án cung cấp nhiên liệu n-heptan/ethanol/diesel cho động cơ HCCI

42

2.3.2 Cơ sở lý thuyết thay đổi nhiệt độ khí nạp 44

2.3.3 Xác định hệ số dư lượng không khí và tỷ lệ n-heptan thay thế 44

2.3.4 Xác định lượng nhiên liệu cung cấp 45

2.4 Kết luận chương 2 46

CHƯƠNG 3 CHUYỂN ĐỔI VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ 1 XI LANH VẬN HÀNH THEO CHẾ ĐỘ HCCI 47

3.1 Chuyển đổi động cơ để vận hành theo chế độ HCCI 47

3.1.1 Đặc điểm của động cơ nghiên cứu 47

3.1.2 Thiết kế và chế tạo các chi tiết, hệ thống cho động cơ HCCI chuyển đổi 48

3.1.2.1 Thiết kế, cải tiến hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử 48

3.1.2.2 Điều chỉnh giảm tỷ số nén của động cơ 51

3.1.2.3 Thiết kế chế tạo hệ thống sấy nóng khí nạp mới 52

3.1.2.4 Thiết kế, chế tạo hệ thống phun nhiên liệu hỗn hợp n-heptan/ethanol gián

tiếp 53

3.1.2.5 Thiết kế và điều chỉnh đường ống thải 53

3.1.2.6 Thiết kế và chế tạo hệ thống luân hồi khí thải 54

3.1.2.7 Thiết kế lắp đặt cảm biến trục khuỷu và trục cam 59

3.1.2.8 Hệ thống đo áp suất xi lanh và rung động cơ 59

3.1.2.9 Hệ thống ECU điều khiển động cơ 62

3.1.2.10Bộ điều khiển EDU (Electronic Diesel Unit) 64

3.1.3 Xây dựng đặc tính vòi phun 65

3.1.3.1 Đặc tính vòi phun n-heptan/ethanol 65

3.1.3.2 Đặc tính vòi phun CR 66

3.2 Nghiên cứu mô phỏng động cơ HCCI trên phần mềm Ansys Forte 67

3.2.1 Cơ sở lý thuyết của phần mềm Ansys Forte 68

3.2.1.1 Các phương trình cơ bản 68

3.2.1.2 Mô hình cháy trong Ansys Forte 70

3.2.1.3 Giải thuật trong phần mềm Ansys Forte 73

3.2.2 Xây dựng mô hình mô phỏng 74

3.2.2.1 Mô phỏng trên phần mềm Ansys-ICE 74

3.2.2.2 Nhập thông số đầu vào của bài toán cho mô hình động cơ trên Ansys-ICE75 3.2.2.3 Chia lưới mô hình 77

3.2.2.4 Cài đặt các thông số, điều kiện biên cho mô phỏng 79

3.2.2.5 Cài đặt chạy và chế độ mô phỏng 81

3.2.3 Kết quả mô phỏng và thảo luận 82

3.2.3.1 Đánh giá độ chính xác của mô hinh mô phỏng 85

3.2.3.2 Đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu đến quá trình làm việc của động cơ 87

3.2.3.3 Đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ khí nạp tới quá trình làm việc của động cơ

89

3.3 Kết luận chương 3 90

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 91

4.1 Mục đích thử nghiệm 91

4.2 Đối tượng và nhiên liệu thử nghiệm 91

4.2.1 Đối tượng thử nghiệm 91

4.2.2 Nhiên liệu thử nghiệm 91

4.3 Quy trình và phạm vi thử nghiệm 92

4.4 Sơ đồ và trang thiết bị thử nghiệm 94

4.4.1 Sơ đồ bố trí thử nghiệm 94

4.4.2 Trang thiết bị thử nghiệm 96

4.5 Kết quả thử nghiệm và thảo luận 98

4.5.1 Xây dựng đặc tính của động cơ CI 98

4.5.2 Kết quả thử nghiệm hoạt động ở chế độ HCCI 100

4.5.3 Đặc tính cháy của động cơ HCCI khi có phun mồi diesel 116

4.5.4 Đánh giá tính năng kinh tế của động cơ 118

4.5.5 Đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ khí nạp tới quá trình làm việc của động cơ

118

4.5.6 Đánh giá ảnh hưởng của tỉ lệ luân hồi khí thải tới quá trình làm việc của

động cơ 122

4.5.7 Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol tới các thành phần phát thải độc hại 126

4.5.8 Ảnh hưởng của nhiệt độ môi chất nạp mới tới các thành phần phát thải độc

hại 128

4.5.9 Ảnh hưởng của tỷ lệ luân hồi tới các thành phần phát thải độc hại 130

4.6 Kết luận chương 4 132

KẾT LUẬN CHUNG VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 134

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 136

CỦA LUẬN ÁN 136

TÀI LIỆU THAM KHẢO 137 DANH MỤC CÁC PHỤ LỤC PL-1 PHỤ LỤC 1 PL-2 PHỤ LỤC 2 PL-7 PHỤ LỤC 3 PL-9

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu,

-BSEC Năng lượng tiêu hao có ích

COV Coefficient of variation: Đại lượng đo độ phân tán tương

đối của một biến số, là tỷ số giữa độ lệch chuẩn và giá trịtrung bình của biến số đó

COVimep Hệ số dao động áp suất có ích chỉ thị trung bình

-HCCI PFI Cháy do nén hỗn hợp đồng nhất, hình thành hỗn hợp bên

-nhất

-MAPE Mean absolute percentage error)

MULDIC Cháy nén hỗn hợp được hình thành nhiều giai đoạn

-NCS Nghiên cứu sinh

-Ne Công suất có ích

-PREDIC Cháy do nén hỗn hợp nghèo hình thành từ trước

-RMSE Root-mean-square error

-SOC1 Thời điểm bắt đầu cháy đối với ngọn lửa lạnh

SOC2 Thời điểm bắt đầu cháy đối với ngọn lửa nóng

-VCR Thay đổi tỷ số nén

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Tính chất của nhiên liệu thử nghiệm n-heptan 17

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật động cơ Yanmar DB178F 47

Bảng 3.2 Các thông số cơ bản của vòi phun Toyota Hilux 49

Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật của van EGR 56

Bảng 3.4 Bảng thông số kỹ thuật của cảm biến đo áp suất xi lanh 60

Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật cơ bản của ECU điều khiển 63

Bảng 4.1 Tính chất của nhiên liệu thử nghiệm 92

Bảng 4.2 Thông số kỹ thuật cơ bản của băng thử 96

Bảng 4.3 Thông số kỹ thuật cơ bản của thiết bị đo khí thải 98

Bảng 4.4 Kết quả đo tại 30% tải 99

Bảng 4.5 Kết quả đo tại 20% tải 99

Bảng 4.6 Kết quả đo tại 10% tải 99

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Dự đoán tăng trưởng tương đối của các công nghệ ô tô khác nhau tới năm

2035 5

Hình 1.2 Vùng làm việc của động HCCI, PCCI và RCCI 7

Hình 1.3 Tốc độ tỏa nhiệt của HCCI với n-heptan 9

Hình 1.4 Đặc tính làm việc của động cơ HCCI 11

Hình 2.1 So sánh quá trình cháy động cơ SI và CI với động cơ HCCI 23

Hình 2.2 Các phương pháp phun nhiên liệu của động cơ HCCI 24

Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống PFI HCCI phun ngoài 25

Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống thử nghiệm 26

Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống PCCI 28

Hình 2.6 So sánh quá trình phun PREDIC và phun nhiên liệu diesel truyền thống 28 Hình 2.7 Quá trình phun nhiên liệu 29

Hình 2.8 Các giai đoạn phun nhiên liệu trong hệ thống HiMICS 29

Hình 2.9 Quá trình cháy trong hệ thống UNIBUS 30

Hình 2.10 Đặc tính tỏa nhiệt của các loại động cơ 33

Hình 2.11 Các pha của quá trình cháy trong một chu kỳ 35

Hình 2.12 Tốc độ tỏa nhiệt trong xi lanh theo góc quay trục khuỷu 38

Hình 2.13 Đạo hàm tốc độ tỏa nhiệt trong xi lanh theo góc quay trục khuỷu 39

Hình 2.14 Phương pháp cô lập các điểm cực đại của đạo hàm tốc độ tỏa nhiệt trong xi lanh theo góc quay trục khuỷu 39

Hình 2.15 Sơ đồ điều khiển thời điểm cháy động cơ HCCI 40

Hình 2.16 Mô hình cung cấp nhiên liệu cho động cơ 43

Hình 2.17 Đặc tính bay hơi của n-heptan 44

Hình 3.1 Động cơ Yanmar DB178F 47

Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu cải tiến sang phun dầu điện tử 48

Hình 3.3 Vòi phun nguyên bản (a) và vòi phun CR (b) 49

Hình 3.4 Vị trí vòi phun và hình dáng tia phun nhiên liệu 50

Hình 3.5 Ống tích áp 50

Hình 3.6 Cảm biến áp suất và van điều khiển áp suất 50

Hình 3.7 Tỷ số nén của động cơ theo độ dày đệm nắp máy 52

Hình 3.8 Thiết kế đường nạp (a) và hệ thống sấy nóng khí nạp mới sau khi chế tạo

(b)

52

Hình 3.9 Vòi phun n-heptan/ethanol 53

Hình 3.10 Đường thải động cơ và ống luân hồi khí thải 53

Hình 3.11 Sơ đồ bố trí hệ thống luân hồi khí thải 54

Hình 3.12 Sơ đồ tính toán tiết diện lưu thông của van EGR 56

Hình 3.13 Van EGR lựa chọn phục vụ thí nghiệm 56

Hình 3.14 Mạch điện điều khiển van EGR 57

Hình 3.15 Hệ thống điều khiển van EGR 57

Hình 3.16 Cấu tạo của bộ làm mát khí luân hồi 58

Hình 3.17 Hệ thống luân hồi khí thải sau khi chế tạo và lắp đặt hoàn chỉnh 58

Hình 3.18 Cấu tạo cảm vị trí trục khuỷu 59

Hình 3.19 Cấu tạo cảm vị trí trục cam 59

Hình 3.20 Cảm biến vị trí trục khuỷu và trục cam 59

Hình 3.21 Cảm biến áp suất (a) và kết cấu cảm biến áp suất (b) 60

Hình 3.22 Hệ thống đo AVL Indicom Mobile 61

Hình 3.23 Hình ảnh bộ thu thập và hiển thị Indicom Mobile 61

Hình 3.24 Nguyên lý làm việc của cảm biến đo rung 61

Hình 3.25 Bộ encoder (a) lắp đặt trên bệ thử (b) 62

Hình 3.26 Bộ ECU điều khiển ECM‐0565‐128‐0701‐C 63

Hình 3.27 Sơ đồ điều khiển EDU và bộ EDU sử dụng trong thí nghiệm 64

Hình 3.28 Sơ đồ thử nghiệm xây dựng đặc tính vòi phun n-heptan/ethanol 65

Hình 3.29 Kết quả đường đặc tính vòi phun n-heptan/ethanol ở áp suất 3 bar 65

Hình 3.30 Sơ đồ thử nghiệm xây dựng đặc tính vòi phun CR 66

Hình 3.31 Hệ thống tạo nhiên liệu cao áp và vòi phun CR 66

Hình 3.32 Kết quả đặc tính vòi phun diesel với 2 trường hợp áp suất phun 40 và 100 MPa 67

Hình 4.1 Quy trình thực hiện nghiên cứu thử nghiệm 92

Hình 4.2 Sơ đồ bố trí hệ thống thử nghiệm 95

Hình 4.3 Lắp đặt động cơ thử nghiệm và thiết bị đo trên bệ thử công suất 95

Hình 4.4 Băng thử DW16 96

Hình 4.5 Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu và nguyên lý làm việc 97

Hình 4.6 Thiết bị đo thành phần khí thải Horiba Mexa 584L 97

Hình 4.7 Đặc tính ngoài của động cơ CI 98 Hình 4.8 Đặc tính phát thải của động cơ CI ở chế độ toàn tải 100 Hình 4.9 So sánh COVIMEP của động cơ CI và HCCI- n-heptan 103 Hình 4.10 Diễn biến tốc độ tỏa nhiệt của động cơ ở chế độ nguyên bản và HCCI 104Hình 4.11 Đồ thị diễn biến áp suất xi lanh và tốc độ tăng áp suất trong buồng cháy

109 Hình 4.12 Đồ thị diễn biến tốc độ tỏa nhiệt trong buồng cháy 113Hình 4.13 Xác định chế độ thử nghiệm kiểm soát quá trình cháy động cơ HCCI 114Hình 4.14 Đồ thị COVIMEP ở một số chế độ tải, tốc độ và tỷ lệ ethanol khác nhau115Hình 4.15 Đồ thị diễn biến áp suất xi lanh ở một số chế độ tải, tốc độ 2000 v/ph,

30% ethanol 116Hình 4.16 Thời điểm cháy ở một số chế độ tải, tốc độ 2000 v/ph, 30% ethanol 117 Hình 4.17 So sánh mức tiêu hao năng lượng khi sử dụng các loại nhiên liệu có tỷ lệ

ethanol khác nhau 118Hình 4.18 So sánh diễn biến áp suất trong xi lanh khi thay đổi nhiệt độ môi chất nạp

mới ở tốc độ 2000 v/ph, tải thay đổi 10%, 20% và 30% với n-heptan/E30 120Hình 4.19 Kết quả đánh giá hệ số dao động COVimep khi thay đổi nhiệt độ khí nạp

120 Hình 4.20 Sự thay đổi thời điểm hình thành ngọn lửa khi thay đổi nhiệt độ môi chất

nạp

mới 121Hình 4.21 So sánh mức tiêu hao năng lượng khi thay đổi nhiệt độ môi chất nạp mới

122 Hình 4.22 Diễn biến áp suất bên trong xi lanh ở các tỷ lệ luân hồi khác nhau 123 Hình 4.23 Kết quả đánh giá hệ số dao động COVIMEP ở các tỷ lệ luân hồi khác nhau

124Hình 4.24 Sự thay đổi thời điểm hình thành ngọn lửa ở các tỷ lệ luân hồi khác nhau

125 Hình 4.25 So sánh mức tiêu hao năng lượng ở các tỷ lệ luân hồi khác nhau 125 Hình 4.26 So sánh phát thải của động cơ CI với HCCI: (a) NOx, (b) CO và (c) HC

127 Hình 4.27 So sánh phát thải của động cơ HCCI ở các nhiệt độ môi chất nạp mới 129Hình 4.28 So sánh phát thải của động cơ HCCI ở các tỷ lệ luân hồi khác nhau 131

i Lý do chọn đề tài

MỞ ĐẦU

Là một nguồn động lực quan trọng đóng góp vào sự phát triển của nhân loại,động cơ đốt trong vẫn luôn khẳng định được vai trò của mình trong tương lai Bêncạnh đó, động cơ đốt trong vẫn có những nhược điểm như phụ thuộc vào nguồnnhiên liệu hóa thạch, phát thải độc hại Trong những năm gần đây, cùng với việc cạnkiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch và sự khắt khe của các tiêu chuẩn khí thải đã thúcđẩy các nhà nghiên cứu không ngừng phát triển động cơ Xu hướng đang giànhđược nhiều sự quan tâm đó nâng cao tính năng kinh tế, kỹ thuật của động cơ, đồngthời giảm phát thải độc hại Hiện nay, động cơ đốt trong đã sử dụng rất nhiều biệnpháp mới như: Sử dụng nhiên liệu thay thế nhằm giảm áp lực cho nhiên liệu cónguồn gốc hóa thạch; nghiên cứu nâng cao hiệu quả quá trình cháy và cháy mới, xử

lý khí thải Trong các xu hướng này thì xu hướng kết hợp quá trình cháy mới vớicác loại nhiên liệu khác nhau được quan tâm hơn cả, trong đó có mô hình cháyHCCI sử dụng hỗn hợp nhiên liệu

Mô hình cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) có nhiều ưu điểm Mô hìnhcháy này có hiệu suất nhiệt cao tương tự động cơ CI và có lượng khí thải thấp nhưđộng cơ SI, trong đó hai thành phần phát thải NOx và PM giảm đi đáng kể Mô hìnhcháy HCCI hoàn toàn có thể đáp ứng được yêu cầu của phát thải không cần trang bịthêm bộ xử lý khí thải đắt tiền và thu được hiệu suất nhiệt cao Tuy nhiên thách thứclớn nhất với mô hình cháy mới này là: Điều khiển quá trình cháy, phát thải HC và

CO cao, khả năng mở rộng dải tải trọng làm việc của động cơ Đã có nhiều nghiêncứu trong và ngoài nước nghiên cứu về việc khắc phục các nhược điểm này, trong

đó có việc sử dụng hỗn hợp nhiên liệu như diesel với ethanol, diesel với methanol,diesel với butanol hay diesel với n-heptan, cũng có những nghiên cứu kết hợp baloại nhiên liệu với nhau như: ethanol/n-butanol/n-heptan hay acetone-butanol-ethanol Tuy nhiên, n-heptan/ethanol/diesel chưa từng được sử dụng làm nhiên liệucho động cơ HCCI

Tại Việt Nam, động cơ CI cỡ nhỏ một xi lanh đang được sử dụng phổ biếnvới số lượng lớn trong ngành nông nghiệp Trong quá trình làm việc, động cơ nàysinh ra nhiều khí thải độc hại Cùng với việc khuyến khích phát triển và khai tháccác nguồn nhiên liệu mới thay thế dần nhiên liệu hóa thạch, việc nghiên cứu chuyểnđổi chế độ cháy của động cơ CI truyền thống sang chế độ cháy HCCI là một hướngnghiên cứu có nhiều triển vọng

Với mục tiêu đánh giá ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu đến đặc tính kinh

tế, kỹ thuật của động cơ khi cháy HCCI, đưa ra một giải pháp hiệu quả giảm phát

thải và sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, nghiên cứu sinh chọn đề tài “Nghiên

cứu chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) sử dụng nhiên liệu heptan/ethanol/diesel” nhằm từng bước làm chủ các công nghệ hoán cải động cơ

n-truyền thống sang động cơ sử dụng đa nhiên liệu, thiết lập chế độ làm việc HCCI

với nhiên liệu n-heptan/ethanol/diesel nhằm nâng cao tính kinh tế, giảm phát thải độc hại của động cơ nguyên bản và thúc đẩy việc sử dụng nhiên liệu sinh học

ii Mục đích nghiên cứu

Thiết lập thành công trên mô hình mô phỏng và bằng thực nghiệm chế độcháy do nén hỗn hợp đồng nhất HCCI trên động cơ CI 1 xi lanh sử dụng trong lĩnhvực nông nghiệp

Đánh giá được ảnh hưởng của các tổ hợp nhiên liệu và một số thông số vậnhành đến đặc tính kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ khi cháy HCCI

iii Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu:

Nghiên cứu được thực hiện trên động cơ CI 1 xi lanh sử dụng trong lĩnh vựcnông nghiệp, vận hành với tổ hợp nhiên liệu n-heptan/ethanol/diesel

Nghiên cứu mô phỏng và nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện tại Trungtâm nghiên cứu Nguồn động lực và phương tiện tự hành, Đại học Bách khoa HàNội

- Phạm vi nghiên cứu:

Chế độ vận hành của động cơ được giới hạn trong vùng làm việc tải thấp vàtải trung bình theo các chế độ vận hành ổn định về tải trọng và tốc độ vòng quay củađộng cơ

Chế độ HCCI được thiết lập và điều khiển thông qua các tổ hợp và tỷ lệnhiên liệu n-heptan/ethanol cung cấp vào đường nạp, nhiên liệu diesel phun trựctiếp vào buồng cháy kết hợp với điều chỉnh nhiệt độ khí nạp, tỷ lệ luân hồi khí thải,thời điểm và lượng phun nhiên liệu diesel

iv Nội dung nghiên cứu

Nội dung chính của luận án:

- Tổng quan và cơ sở lý thuyết về quá trình cháy HCCI với các loại nhiên liệukhác nhau

- Mô phỏng quá trình cháy HCCI

- Chuyển đổi động cơ CI nguyên bản sang sử dụng tổ hợp nhiên liệu n- heptan/ethanol/diesel và thiết lập quá trình cháy HCCI

- Thực nghiệm đánh giá các tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động

cơ khi làm việc ở chế độ HCCI với các tổ hợp nhiên liệu và tỉ lệ nhiên liệutrong tổ hợp

v Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp lý thuyết mô hình hóa với thực nghiệm

- Nghiên cứu lý thuyết làm cơ sở để thiết kế hệ thống chuyển đổi động cơ sửdụng đơn nhiên liệu sang sử dụng nhiên liệu n-heptan/ethanol/diesel và thiếtlập chế độ vận hành HCCI cho động cơ

- Nghiên cứu thực nghiệm nhằm định lượng hóa và đánh giá chế độ vận hànhHCCI cho động cơ cũng như xây dựng bộ thông số điều khiển cho việc thiếtlập và mở rộng chế độ HCCI

vi Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Ý nghĩa khoa học:

Nghiên cứu góp phần đánh giá tính khả thi về phương án sử dụng nhiên liệuthay thế và đa dạng hóa nguồn nhiên liệu trên động cơ CI nguyên bản Kết quảnghiên cứu góp phần bổ sung vào cơ sở khoa học về thiết lập, mở rộng chế độ cháy

do nén hỗn hợp đồng nhất HCCI với các tổ hợp nhiên liệu khác nhau

Luận án có ý nghĩa trong việc trong việc nâng cao khả năng làm chủ và pháttriển các công nghệ chuyển đổi động cơ truyền thống sang động cơ cháy kiểu mới

có hiệu quả cao và phát thải sạch hơn

n-vii Các điểm đóng góp mới của luận án

Xây dựng mô hình và mô phỏng thành công chế độ cháy HCCI sử dụng tổ hợpnhiên liệu n-heptan/ethanol/diesel

Xác định được các yếu tố ảnh hưởng như nhiệt độ khí nạp, tỷ lệ luân hồi khí thải, tỷ lệ nhiên liệu trong tổ hợp tại các chế độ tải tới đặc điểm quá trình HCCI.Đưa ra định hướng bộ tham số điều khiển nhằm thiết lập và mở rộng chế độ cháy HCCI trên một động cơ nghiên cứu

viii Bố cục của luận án

Luận án gồm các phần:

Mở đầu

Chương 1 Tổng quan

Chương 2 Cơ sở lý thuyết quá trình cháy HCCI

Chương 3 Chuyển đổi và mô phỏng động cơ 1 xi lanh vận hành theo chế độ HCCI Chương 4 Nghiên cứu thực nghiệm

Kết luận chung và hướng phát triển của đề tài

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Vấn đề ô nhiễm môi trường và nhiên liệu thay thế

Trong những thập kỷ gần đây, tổng mức tiêu thụ năng lượng trên toàn thếgiới đã tăng đáng kể Nhu cầu sử dụng tài nguyên tăng khoảng 2,3% hàng năm,trong đó sản lượng dầu thô sử dụng cho động cơ đốt trong chiếm 70% Tỷ lệ tiêuthụ năng lượng sẽ đạt khoảng 53% vào năm 2030 theo báo cáo của IEA (Tổ chứcNăng lượng Quốc tế)[1] Như vậy, sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch đã xuấthiện một cách rõ ràng ở tương lai gần Mặt khác, khí thải từ động cơ đốt trong ảnhhưởng xấu đến môi trường và sức khỏe con người như nitrogen oxides (NOx), hạt bồhóng (PM), carbon monoxide (CO), hydrocarbon (HC), cacrbon dioxide (CO2)…chiếm tỉ trọng khoảng 45-55% tổng lượng phát thải toàn cầu Để giải quyết vấn đềnày, hầu hết các nước trên thế giới ban hành luật phát thải ngày càng nghiêm ngặthơn Do đó đặt ra yêu cầu động cơ đốt trong hiện đại cần có hiệu suất nhiệt cao hơn

và cháy sạch hơn

Hai loại động cơ được sử dụng phổ biến hiện nay trên ô tô động cơ phun trựctiếp cháy do nén (CI) và động cơ đốt cháy cưỡng bức (SI) Động cơ CI đã thể hiệnđược nhiều ưu điểm hơn so với động cơ SI như hiệu suất nhiệt tăng và giảm đáng kể

độ rung động nhờ sử dụng các công nghệ kiểm soát tốc độ tăng áp suất trong xi lanhnhư common rail, luân hồi khí thải EGR,… Các công nghệ này ngoài việc làm tănghiệu suất động cơ còn làm giảm các phát thải độc hại như nitrogen oxides (NOx),hạt bồ hóng (PM), carbon monoxide (CO), hydrocarbon (HC), carbon dioxide(CO2)… Các công nghệ trên bằng việc kiểm soát quá trình cháy đã hạn chế việchình thành phát thải độc hại chủ yếu thông qua việc điều chỉnh thông số phun nhiênliệu, nhiệt độ khí nạp mới trong xi lanh, áp suất cháy,… Bên cạnh đó, việc sử dụngcác thiết bị xử lý khí thải cũng đang được áp dụng phổ biến như bộ xử lý khí thải bathành phần, bộ lọc phát thải dạng hạt (DPF), bộ lọc oxy hóa nhiên liệu (DOC), bộxúc tác khử có chọn lọc (SCR), và bẫy NOx tinh gọn (LNT) Tuy nhiên, việc thiết kếchế tạo, bảo dưỡng chúng rất phức tạp và chi phí cao đã ảnh hướng lớn đến sự pháttriển của động cơ phun trực tiếp cháy do nén

Hiện tại, động cơ điện và động cơ hybrid đang là công nghệ dành được nhiều

sự quan tâm bởi khả năng kiểm soát phát thải rất tốt gần như không có của chúng,cùng với đó là hiệu suất và công suất cao Tuy nhiên, giá thành của các phương tiện

sử dụng hai loại động cơ này lại cao hơn rất nhiều so với phương tiện sử dụng động

cơ đốt trong Cùng với đó, sự khan hiếm nhiên liệu thô (đất hiếm) khó lòng đáp ứngđược nhu cầu của phần lớn người tiêu dùng Hình 1.1 dự đoán sự tăng trưởng tươngđối của các công nghệ ô tô khác nhau tới năm 2035

ra môi trường Nhiều mô hình cháy được nghiên cứu trên thế giới nổi bật lên lànghiên cứu về mô hình cháy nhiệt độ thấp (LTC) là có triển vọng đáp ứng đượcnhững thách thức nghiêm ngặt về phát thải mà động cơ đốt trong đang phải đối mặt.Các nhà nghiên cứu tập trung vào phát triển công nghệ cháy LTC do lượng phát thảiNOx, PM cực thấp và hiệu suất cao [2].

Nguồn dầu mỏ thế giới đang cạn kiệt dần, cộng với tình hình bất ổn tạicác khu vực nhiều dầu mỏ Iran, Iraq, Nigeria, Nga khiến nguồn cung không đảmbảo liên tục gây lo ngại sự phát triển ổn định của các nền kinh tế trên thế giới Vìthế, tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế đang được các nước đặt lên hàng đầu.Trong số những nhiên liệu thay thế, ethanol nổi lên như một lựa chọn sáng giánhất, đáp ứng được các tiêu chuẩn như dễ sản xuất, giá rẻ và “thân thiện” vớimôi trường Ethanol là một loại nhiên liệu thay thế dạng cồn, được sản xuất bằngphương pháp lên men và chưng cất các loại ngũ cốc chứa tinh bột có thể chuyểnhóa thành đường đơn, như bắp, lúa mì, lúa mạch Ngoài ra, ethanol còn được sảnxuất từ cây, cỏ có chứa cellulose, gọi là ethanol sinh học Ethanol là chất phụ gia

để tăng trị số và giảm phát thải độc hại của động cơ đốt trong Trong chính sáchnăng lượng của mình, từ khối EU đến Mỹ, Trung Quốc, Australia, Nhật Bản đềuchú trọng đến ứng dụng ethanol

Ở Việt Nam, việc phát triển nhiên liệu thay thế đang dành được sự quan tâmlớn của các nhà sản xuất, nhà nghiên cứu và các cơ quản lý Trong đó, ethanol đangđược quan tâm hơn cả, là nhiên liệu được sử dụng phổ biến thay thế một phần chonhiên liệu xăng, diesel truyền thống Các nghiên cứu cho thấy, với nồng độ ethanol

từ 10% hoặc thấp hơn, người sử dụng sẽ không cảm thấy sự khác biệt về hiệu suất

và công suất so với khi sử dụng nhiên liệu diesel Ở Việt Nam hiện nay việc sử dụngethanol để thay thế một phần cho nhiên liệu xăng đã được phổ biến Tại tất cả cáctrạm nhiên liệu đều cung cấp xăng E5 Tuy nhiên, sử dụng ethanol để thay thế mộtphần cho nhiên liệu diesel còn nhiều hạn chế, cần có nhiều nghiên cứu hơn nữa đểtìm hiểu cũng như nâng cao nhận thức của người tiêu dùng Yuris IM và các cộng sự

đã kiểm nghiệm hiệu suất và khí thải động cơ cháy do nén và cháy do đánh lửa sửdụng nhiên liệu từ nhóm cồn, bao gồm methanol, ethanol, propanol và butanol, vàđưa ra kết luận rằng nhiên liệu cồn có thể cải thiện quá trình đốt cháy trong động cơ[3] Edwin Geo V và cộng sự tập trung vào quá trình cháy, hiệu suất và đặc tính khíthải của hỗn hợp xăng với ethanol và cồn benzyl theo tỷ lệ 10% và 20% trên tổngthể tích [4] Ảnh hưởng của các tỷ lệ pha trộn xăng-ethanol E0-E85 tới các đặc tínhphát thải đã được nghiên cứu [5] So với nhiên liệu có hàm lượng ethanol thấp (E0

và E10), khả năng giảm phát thải bụi mịn của nhiên liệu có ethanol 30–85% là vượttrội, do quá trình đốt cháy được cải thiện bởi việc tăng hàm lượng oxy và sự thamgia của hydrocacbon nhẹ hơn

Hơn nữa, các nghiên cứu đã thiết lập một phương pháp đốt cháy có hiệu quảcao và thân thiện với môi trường cho động cơ đốt trong (ĐCĐT) Các thí nghiệmđang được thực hiện để xác định chế độ làm việc phù hợp với việc sử dụng các loạinhiên liệu thay thế Cháy ở nhiệt độ thấp (LTC) cho thấy một tương lai hứa hẹntrong việc tuân thủ các tiêu chuẩn về môi trường [6] Các nhà nghiên cứu đã tậptrung nỗ lực vào phương pháp LTC mới, làm giảm lượng phát thải đồng thời tănghiệu suất so với các phương pháp đốt cháy truyền thống Cháy ở nhiệt độ thấp(LTC) được chia thành nhiều loại như nạp nén đồng nhất (HCCI), nén cháy hòa trộntrước (PCCI), nén cháy kiểm soát hoạt tính nhiên liệu (RCCI).v.v Có thể chia thành

ba dạng để xác định khả năng ứng dụng của từng loại LTC để phát triển động cơLTC bao gồm quá trình nạp nén đồng nhất HCCI, nén cháy hòa trộn trước PCCI vàchuyển đổi chế độ giữa quá trình đốt cháy CI thông thường và LTC Việc thươngmại hóa công nghệ LTC được hỗ trợ bằng cách chuyển đổi chế độ, kết hợp các chế

độ cháy kép phụ thuộc vào điều kiện vận hành

Ngoài ra, chế độ cháy hỗn hợp đồng nhất sử dụng tổ hợp một số loại nhiênliệu như xăng, dầu diesel khoáng, các loại nhiên liệu sinh học như n-heptan,ethanol, biodiesel,…góp phần đa dạng hóa nhiên liệu sử dụng và giảm sự phụ thuộcvào nhiên liệu hóa thạch Chế độ cháy hỗn hợp đồng nhất khó kiểm soát trực tiếpthời điểm bắt đầu cháy mà cần thông qua các thông số điều khiển như tỉ số nén,nhiệt độ khí nạp, tỉ lệ EGR, Đây là trở ngại lớn nhất của chế độ cháy HCCI Chế

độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất còn bị hạn chế về chế độ tải ở mức thấp đếntrung bình

Hình 1.2 Vùng làm việc của động HCCI, PCCI và RCCI

Hình 1.2 cho thấy, bằng cách duy trì nhiệt độ thấp ở trong xi lanh và hìnhthành một quá trình nạp đồng nhất, động cơ HCCI có khả năng đáp ứng đồng thờiyêu cầu phát thải NOx và PM ở mức cực thấp Tương tự, động cơ nén cháy hòa trộntrước (PCCI) và động cơ nén cháy kiểm soát hoạt tính nhiên liệu (RCCI) cải thiệnđặc tính làm việc của động cơ đốt trong, nhưng chúng không thể so với hiệu suất vàphát thải của động cơ HCCI [7-8] Nhiều đề tài nghiên cứu đã được tiến hành trêntoàn thế giới để áp dụng chế độ đốt cháy HCCI cho nhiên liệu thông thường vànhiên liệu khác ở động cơ CI [9-11] Tuy nhiên, bởi nhiều yếu tố liên quan đến việckiểm soát quá trình cháy mà nhiên liệu sinh học thay thế như ethanol chưa được sửdụng phổ biến [12]

1.2 Tổng quan về động cơ HCCI

Quá trình cháy của động cơ CI là không đồng nhất, nhiên liệu tự bốc cháykhi bắt đầu quá trình cháy với ngọn lửa bao quanh vòi phun Trong khi đó, động cơ

SI sử dụng tia lửa điện để bắt đầu quá trình đốt cháy, ngọn lửa từ bugi lan tràn trongmột hỗn hợp đồng nhất đã được chuẩn bị từ trước Quá trình cháy của động cơHCCI là sự kết hợp của cả động cơ CI và SI với hỗn hợp đồng nhất, tự bốc cháy khibắt đầu quá trình cháy Ở động cơ CI, thời gian cháy ngắn và tốc độ tăng áp suấttăng đáng kể do tốc độ tỏa nhiệt (PPR) lớn Với động cơ SI, hệ số dư lượng khôngkhí lớn làm tăng thời điểm đánh lửa sớm khi động cơ hoạt động ở chế độ tải lớn,dẫn đến tốc độ tỏa nhiệt cao (HHR) làm tăng lượng khí thải NOx và gây ra tiếng gõđộng cơ Động cơ HCCI sử dụng một kỹ thuật đốt cháy mới Về lý thuyết, không cóbugi hoặc vòi phun để hỗ trợ quá trình cháy, khi nhiệt độ trong xi lanh đạt đến mộtgiá trị phù hợp, hỗn hợp nhiên liệu -không khí sẽ tự bốc cháy, quá trình cháy diễn rađồng thời ở nhiều khu vực khác nhau trong buồng cháy [13] Như vậy, có một sốđiểm khác biệt giữa quá trình cháy của động cơ HCCI khi so sánh với động cơ CI

và SI

Trong quá trình hoạt động của động cơ HCCI [14], nhiên liệu và không khíđược hòa trộn trước khi đốt cháy Hòa khí tự bốc cháy tại một số điểm trong buồngcháy do nhiệt độ của kỳ nén tăng lên Chế độ cháy này thường sử dụng với hỗn hợploãng, dẫn đến giảm khối lượng khí nạp mới và nhiệt độ đốt cháy cục bộ do đó làmgiảm lượng phát thải NOx Hơn nữa, không giống như động cơ đốt trong CI truyềnthống, quá trình cháy HCCI được hòa trộn đều (đồng nhất) [15] Việc giảm cácvùng hỗn hợp đậm trong buồng cháy sẽ làm giảm sự hình thành phát thải PM.Nhiên liệu được phun trực tiếp vào buồng cháy động cơ bằng vòi phun bố trí trênnắp xi lanh trong quá trình nạp Điều này được thực hiện độc lập với quá trình nạpkhí [16] Như vậy khác với động cơ CI, hỗn hợp trong kỳ nạp bao gồm cả nhiên liệu

và không khí Trong hành trình nén, piston di chuyển hướng tới ĐCT, áp suất vànhiệt độ trong xi lanh tăng dần Khi nhiệt độ trong xi lanh đủ lớn sẽ làm cho hỗnhợp nhiên liệu-không khí tự đốt cháy (mà không cần đánh lửa) Sau khi qua ĐCT,

áp suất lớn trong buồng cháy sẽ đẩy piston đi xuống để thực hiện quá trình sinhcông, không giống như động cơ SI, quá trình cháy trong động cơ HCCI diễn ra nhẹnhàng với tốc độ tăng áp suất ∆p/∆φ nhỏ, nhiệt độ cháy thấp[17] Kết quả vẫn đảmbảo hiệu quả sinh công cao trong khi đó giảm đáng kể các thành phần phát thải độchại Sau quá trình cháy giãn nở, piston đảo chiều và bắt đầu kỳ thải Khác với cácđộng cơ thông thường, xupap thải trong động cơ HCCI có xu hướng đóng sớmnhằm giữ lại một phần nhiệt lượng cung cấp cho hòa khí ở chu trình tiếp theo Bêncạnh đó, trước kỳ nạp tiếp theo, một lượng nhỏ nhiên liệu sẽ được đưa vào buồngcháy để nạp trước nhằm tạo điều kiện hình thành quá trình cháy HCCI

Nhìn chung, quá trình cháy HCCI có thể chia thành hai giai đoạn: Giai đoạntỏa nhiệt ban đầu được gọi là tỏa nhiệt ở nhiệt độ thấp (LTHR), trong đó các quátrình nhiệt động học xảy ra chậm và ở nhiệt độ dưới 850 K và chỉ chiếm 7-10% trêntổng lượng nhiệt tỏa trong chu trình [18] Phần năng lượng còn lại của nhiên liệuđược giải phóng khi nhiệt độ cháy vượt quá 950 K, quá trình này được gọi là quátrình oxy hóa ở nhiệt độ cao hoặc tỏa nhiệt ở nhiệt độ cao (HTHR) Vùng hệ sốnhiệt độ âm (NTC) phân tách LTHR và HTHR như thể hiện trên Hình 1.3 [19] Do

đó, vùng NTC giúp xác định kỳ cháy thông qua thời điểm bắt đầu tốc độ tỏa nhiệtchính Phản ứng cháy có thể được điều khiển trong giai đoạn NTC bằng cách sấynóng khí nạp, luân hồi khí thải EGR hoặc sử dụng nhiên liệu có độ phản ứng thấp(LRF) như xăng hoặc ethanol trong trường hợp động cơ sử dụng nhiên liệu kép

Hình 1.3 Tốc độ tỏa nhiệt của HCCI với n-heptan

Các thuận lợi của công nghệ HCCI đã được thể hiện trong nhiều kết quảnghiên cứu của các nhà khoa học trong và ngoài nước

Đầu tiên, động cơ HCCI có thể hoạt động ở tỷ số nén tương đương với động

cơ CI, điều này giúp động cơ HCCI có hiệu suất nhiệt tốt hơn động cơ SI thôngthường Killingsworth và cộng sự đã đưa ra một mô hình đơn giản về kỳ cháy HCCIcủa động cơ thử nghiệm với tỷ số nén là 16 [20] Tác giả đã trình bày một mô hìnhđơn giản về quá trình đốt cháy HCCI phù hợp với nhiều mức áp suất nạp, nhiệt độnạp, tỷ số nén tương đương và tốc độ động cơ Mô hình này cung cấp ước lượng vềthời gian cháy theo từng chu kỳ Mack JH và cộng sự đã nghiên cứu một động cơHCCI có tỷ số nén là 17 sử dụng nhiên liệu ethanol pha trộn với nước [21] Tỷ sốnén của động cơ thử nghiệm thay đổi từ 20:1 đến 14.87:1 bằng cách thay đổi độ dàycủa đệm nắp máy động cơ Theo đó, quá trình cháy HCCI được áp dụng trên động

cơ CI 1 xi lanh chạy nhiên liệu ethanol Kết quả nghiên cứu cho thấy với tỷ số nén20:1 phạm vi hoạt động của quá trình cháy HCCI bị hạn chế ở mức 30% tải, tốc độđến 2400 vòng/phút Trong khi đó, bằng cách giảm tỷ số nén từ 20:1 xuống 14,87:1,phạm vi hoạt động của quá trình cháy HCCI có thể mở rộng với tốc độ lên tới 3200vòng/phút và 50% tải Tỷ số nén tối ưu, khi xét đến áp suất chỉ thị trung bình vàhiệu suất chỉ thị, ở 2000 vòng/phút và 30% tải là 18:1 [22] Tuy nhiên, ở mức tảicao hơn, tỷ số nén 15,4:1 sẽ cải thiện tính ổn định của quá trình cháy HCCI, nhờvào việc xác định được thời điểm bắt đầu cháy phù hợp và giảm thiểu tiếng va đập

Thứ hai, HCCI có thể hoạt động với nhiều loại nhiên liệu như xăng, khí thiênnhiên nén (CNG) và nhiên liệu sinh học Khi tỷ số nén lớn hơn và khí nạp được làmnóng trước cho phép vận hành được một động cơ SI bốn xi lanh ở chế độ HCCItrong phạm vi tốc độ và tải trọng thấp [23] Để chế tạo động cơ đốt trong tự cháythành công về mặt thương mại cho mục đích vận tải, động cơ phải chạy không cónhiệt phát sinh bên ngoài, không có tỷ số nén quá cao và không có hỗn hợp nhiên

liệu riêng biệt Các nghiên cứu về HCCI ban đầu tập trung vào động cơ SI và côngnghệ này vẫn đang được nghiên cứu cho đến ngày nay Điều khiển quá trình tự cháy(CAI) là tên mới dành cho động cơ HCCI chạy bằng diesel Tuy nhiên, sự cần thiếtcủa việc giảm phát thải một lượng đáng kể NOx và bụi mịn khiến cho các nghiêncứu ở giữa thập niên 1990 xoay quanh về sự khả thi của động cơ HCCI sử dụngdiesel Các nghiên cứu liên quan đến nhiên liệu kép Mặc dù phương pháp này cungcấp khả năng kiểm soát hiệu quả về thời gian đốt cháy, nhưng sự thành công trongviệc phát triển quá trình đốt cháy HCCI với các nhiên liệu khác nhau dễ tiếp cậnhơn khiến phương pháp này khó có thể được triển khai trong thời gian ngắn

Khí tự nhiên (NG) là nguồn tài nguyên phong phú trên toàn thế giới NGđược sử dụng làm nhiên liệu cho hoạt động vận tải ở một số mức độ nhất định, đặcbiệt ở nơi có nguồn cung nội địa tốt khiến nó được ưa chuộng NG có chỉ số octanecao 125 và không có tỏa nhiệt ở nhiệt độ thấp (LTHR), khiến nó có khả năng chốngbắt lửa Để tạo ra quá trình cháy HCCI, cần phải có nhiệt độ khí nạp cao, ổn địnhbằng cách sử dụng khí luân hồi được làm mát và ngay cả việc sử dụng như vậy cũngrất khó để ngăn việc tăng tốc độ tỏa nhiệt quá mức

Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng động cơ chỉ sử dụng NG có phạm vihoạt động rất hạn chế: Lượng phát thải NOx cao và hiệu suất thấp Trong khi việcthiết kế động cơ có thể đóng một vai trò nhất định, nhưng việc đạt được quá trìnhcháy HCCI với NG là một thách thức Sử dụng Refomer Gas để bắt đầu quá trìnhcháy giúp cải thiện hiệu suất [24]; một số thay đổi trong phương án này có thể sẽđược yêu cầu trong tương lai nếu NG được sử dụng như nhiên liệu cho động cơHCCI Nhiên liệu sinh học chủ yếu gồm ethanol và dầu diesel sinh học là nhữngnhiên liệu thay thế đang được nghiên cứu sử dụng rộng rãi Nhiên liệu sinh học cóthể được sử dụng dưới dạng nhiên liệu độc lập nếu ý tưởng nhiên liệu kép thiếuthực tế Tuy nhiên, chúng phải có sẵn một lượng đáng kể để thay thế xăn và dầudiesel là khó khăn Do đó, nó được sử dụng chủ yếu như là một thành phần pha trộn[25] Vì vậy, điều quan trọng là phải xác định xem việc thêm ethanol vào xăng hoặcFAME vào dầu diesel, hay ethanol vào dầu diesel có ảnh hưởng đến quá trình đốtcháy HCCI hay không Nghiên cứu HCCI về việc sử dụng ethanol trong động cơ CI

đã được thực hiện [26] Mặc dù, ethanol nguyên chất dễ bốc cháy hơn iso-octan,nhưng nó hoạt động kém hiệu quả hơn ở tốc độ động cơ cao 5% FAME trong hỗnhợp nhiên liệu diesel đã được thử nghiệm trên động cơ bốn xi lanh Việc bổ sungFAME dường như làm tăng lượng phát thải PM, nhưng tác động không đáng kể sovới lợi ích của việc chuyển sang chế độ cháy HCCI Những phát hiện này là đầyhứa hẹn và chỉ ra rằng việc kết hợp nhiên liệu sinh học vào xăng và dầu diesel sẽkhông gây ra những thách thức đáng kể cho động cơ HCCI; tuy nhiên, sẽ cầnnghiên cứu thêm khi động cơ HCCI được đưa vào thương mại hóa

Thứ ba, kỹ thuật HCCI cho phép quá trình cháy sạch hơn với lượng phát thảirất nhỏ, đặc biệt là NOx như thể hiện trong hình 1.4

Hình 1.4 Đặc tính làm việc của động cơ HCCI

Gray và Ryan đã nghiên cứu phát thải dạng hạt từ quá trình cháy HCCI khi

sử dụng hỗn hợp nhiên liệu gồm dầu diesel và hexadance/heptan [27] Kết quả đãchỉ ra rằng công nghệ HCCI giảm 27% phát thải dạng hạt so với động cơ CI truyềnthống Hơn nữa, nghiên cứu cũng cho thấy mối tương quan đáng kể giữa nhiệt độkhông khí nạp và lượng phát thải PM Agarwal AK và cộng sự đã tiến hành thửnghiệm quá trình cháy HCCI trên động cơ CI với các tỷ lệ EGR và tỷ lệ khôngkhí/nhiên liệu (A/F) khác nhau [28] Kết quả nghiên cứu cho thấy việc tăng tỷ lệ A/

F (nhạt hơn) và tỷ lệ EGR đã làm tăng PM Price P và cộng sự phát hiện ra rằngđộng cơ HCCI phun nhiên liệu trực tiếp có lượng PM tương tự như quá trình đốtcháy động cơ SI truyền thống Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng việc tăng tỷ lệluân hồi khí thải làm giảm lượng PM Một cơ chế tạo PM với đường kính trung bình10-20 nm cũng đã được chế tạo[29] Hỗn hợp đồng nhất trong xi lanh làm tăngnhiệt độ và áp suất trong quá trình nén, gây ra hiện tượng kích nổ Việc thiếu ngọnlửa nhiệt độ cao đầu quá trình cháy làm giảm sự hình thành NOx [30,31] TheoOlsson JO và cộng sự, phát thải NOx thấp trong động cơ HCCI chạy bằng khí tựnhiên [32-33], và nó giảm hơn nữa khi tăng tỷ lệ EGR Ngay cả ở chế độ khôngHCCI, lượng khí thải NOx vẫn thấp hơn so với động cơ CI truyền thống Saravanan

N, Nagarajan G nhận thấy lượng khí thải NOx giảm cho tất cả các phạm vi tải so vớiđộng cơ CI truyền thống [34] Nghiên cứu cho thấy nhiệt độ ảnh hưởng đến việc tạo

ra NOx nhiều hơn lượng oxy có sẵn Do đó, chế độ HCCI tạo ra lượng khí thải NOxđặc biệt thấp và không có PM đáng kể Tuy nhiên, một số thách thức đã hạn chếviệc thương mại hóa động cơ HCCI, chẳng hạn như sự hình thành hỗn hợp khôngkhí-nhiên liệu, giai đoạn đốt cháy, kiểm soát tốc độ tỏa nhiệt (HRR) và tốc độ tăng

áp suất (PRR), tiếng ồn và lượng phát thải HC và CO cao

Những thách thức của động cơ HCCI như thời gian chuẩn bị hỗn hợp ngắn

và các biến số môi trường bên trong buồng cháy, rất khó để tạo ra hỗn hợp đồngnhất trong động cơ HCCI trong các chế độ vận hành khác nhau Quá trình hòa trộnnhiên liệu và không khí nạp có thể thực hiện bên trong hoặc bên ngoài buồng cháy.Trong đó, hình thành hỗn hợp bên ngoài là phương pháp đơn giản để tạo ra hỗn hợpđồng nhất, phương pháp này thường được áp dụng với các nhiên liệu khí hoặc nhiên

liệu dễ bay hơi [35-36] Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm đó là hạn chếkhả năng kiểm soát đối với thời điểm bắt đầu quá trình cháy trong các chế độ làmviệc khác nhau Trong khi đó, hình thành hòa khí bên trong sẽ được thực hiện bằngcách phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng cháy trong quá trình nạp hoặc đầu quátrình nén

Ngược lại, việc phun muộn xảy ra ở điểm chết trên (ĐCT) hoặc sau hànhtrình nén Các đặc tính của nhiên liệu xác định quá trình tạo hòa khí, thời điểmphun, phát triển tia phun, bay hơi và khuếch tán trong khí nén Trong kỳ nén, việcphun nhiên liệu sớm bị hạn chế do sự xuất hiện của tia phun va chạm với thành xilanh, làm tăng lượng khí thải HC, CO và pha loãng dầu bôi trơn [37] Phun tách lớp

và mở rộng thời điểm phun, làm nóng bộ EGR có thể giúp tăng cường quá trình trộnkhông khí-nhiên liệu Giai đoạn đốt cháy là một thách thức khác của yêu cầu côngnghệ HCCI với góc quay trục khuỷu hẹp gần ĐCT CA50, điểm góc quay của trụckhuỷu mà tại đó 50% tổng nhiệt lượng truyền ra, được sử dụng để mô tả giai đoạnđốt cháy [38] Thời gian và lượng nhiên liệu phun trong động cơ CI ảnh hưởng đếngiai đoạn đốt cháy Tuy nhiên, do nhiên liệu trong động cơ HCCI được trộn sẵn vàloãng nên quá trình đánh lửa của động cơ được kiểm soát bởi tính chất hóa học ởnhiệt độ thấp của nhiên liệu [39-40] Cấu trúc phân tử của nhiên liệu, thời gian tồntại, hệ số dư lượng không khí và tương quan nhiệt độ-áp suất của lượng khí nạp đềugóp phần ảnh hưởng đến tốc độ của các quá trình oxy hóa ở nhiệt độ thấp [41].Kiểm soát thời gian đốt cháy của động cơ HCCI là một thách thức do độ nhạy củaLTHR đối với đặc tính hóa học nhiên liệu và điều kiện môi trường [42] Quá trìnhđốt cháy theo giai đoạn làm tăng tốc độ động cơ và tiếng ồn nếu lượng nhiệt chínhtỏa sớm trong quá trình nén Mặt khác, việc đánh lửa muộn kết hợp với lượng khínạp ít làm tăng khả năng đánh lửa sai, dẫn đến lượng khí thải HC rất cao và hiệusuất động cơ thấp hơn

Ngoài ra, trong động cơ HCCI, lượng hỗn hợp chuẩn bị cho quá trình cháylớn gây ra HRR nhanh, có thể gây ra hiện tượng kích nổ HRR cao làm giảm áp suất

có ích trung bình (BMEP) [43] Thông thường động cơ CI có tăng áp đạt đượcBMEP khoảng 18 bar IMEP của động cơ HCCI nạp khí thông thường là 5 bar [44].PRR cao gây ra tiếng nổ cộng hưởng âm thanh và rút ngắn quá trình đốt cháy Phungián đoạn làm giảm áp suất cực đại và tốc độ tỏa nhiệt trong động cơ HCCI-DI chạybằng xăng-ethanol Việc kiểm soát HRR và PRR trong động cơ HCCI yêu cầuphương pháp phun nhiên liệu kép

Cuối cùng, trong động cơ HCCI, nhiệt độ đốt cháy trong xi lanh thấp hơn,việc phun sương và nhiệt độ thành xi lanh thấp dẫn đến lượng phát thải HC và COcao hơn Lượng phát thải HC và CO tăng lên khi thời gian cháy lâu hơn Khe hởnằm trên xéc măng khí đầu tiên của piston là nguồn tạo ra HC chính Các vùng HCchưa cháy phân bố chủ yếu dọc theo đường tâm, thể tích tạo xoáy và thể tích lõmtrên đỉnh piston Khu vực vòi phun cũng được xác định là vùng phát sinh phát thải

HC đáng kể CO không bị oxy hóa hoàn toàn thành carbon dioxide (CO2) do nhiệt

độ đốt cháy thấp hơn, khí cháy cần nhiệt độ trên 1450 K Lượng phát thải CO giảm

khi tỷ lệ trộn trước, tải trọng và tỷ lệ nhiên liệu/không khí tăng Việc tăng nhiệt độkhông khí đầu vào và tỷ số nén (C.R.) có thể làm giảm lượng khí thải HC và CO[45]

Trong động cơ HCCI, thời điểm cháy và tốc độ cháy chủ yếu được kiểm soátbởi quá trình nhiệt động học của nhiên liệu, quá trình này rất nhạy cảm với sự thayđổi của áp suất và nhiệt độ trong kỳ nén Mục tiêu chính của quá trình đốt cháyHCCI là duy trì mức tiết kiệm nhiên liệu cao trong các trường hợp tải nhỏ đồng thờigiảm lượng khí thải NOx và PM Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng cả hai quá trìnhtỏa nhiệt ở nhiệt độ thấp và nhiệt độ cao đều xảy ra trong quá trình đốt cháy HCCI,

và cả hai quá trình đều tỏa nhiệt trong phạm vi nhiệt độ nhất định Một trong nhữngvấn đề quan trọng nhất đối với hoạt động của động cơ HCCI là việc tỏa nhiệt ởnhiệt độ thấp, điều này phụ thuộc vào thành phần hóa học của từng loại nhiên liệu.Tuy nhiên, vẫn còn một vài thách thức và vấn đề xảy ra với việc ứng dụng của động

cơ HCCI cần được giải quyết Kiểm soát đánh lửa và đốt cháy, sự cố xảy ra khi vậnhành ở chế độ tải cao, tỏa nhiệt nhanh hơn, thải ra nhiều CO và HC hơn, đặc biệt làkhi hoạt động ở chế độ tải nhỏ dễ gặp sự cố khi khởi động lạnh, thải ra nhiều NOxhơn ở chế độ tải cao và tạo thành được hỗn hợp hoàn toàn đồng nhất là những vấn

đề của động cơ HCCI Nhiều sơ đồ điều khiển đã được nghiên cứu nhưng vẫnkhông có cơ chế điều khiển thời điểm đánh lửa được xác định một cách rõ ràng Sấynóng khí nạp, bộ truyền động xupap biến thiên, thời gian mở xupap biến thiên, tỷ sốnén thay đổi và lượng khí EGR là một số nghiên cứu đã xem xét các phương phápkiểm soát quá trình đốt cháy HCCI Ngoài ra, một số nghiên cứu tập trung vào tácđộng của các tính năng vật lý và hóa học khác nhau của nhiên liệu để chi phối quátrình đốt cháy HCCI Do công nghệ này chưa phát triển đến mức phù hợp nên cácnhà nghiên cứu trên toàn thế giới đang nỗ lực để tạo ra động cơ HCCI Chúng cóthể được sử dụng trong các thiết kế động cơ SI hoặc CI có tỷ số nén cao Không sửdụng vòi phun diesel hoặc bugi đánh lửa, động cơ HCCI có khả năng tạo ra hiệusuất động cơ cao và ít phát thải Một chiếc ô tô nguyên mẫu với động cơ SI chạychế độ HCCI đã được thiết kế bởi General Motors Corporation (G.M.), và nó có thểgiảm 15% mức tiêu thụ nhiên liệu Khả năng loại bỏ phát thải NOx của động cơ vàgiảm tổn thất nhiên liệu góp phần cải thiện hiệu suất làm việc của động cơ Cácnghiên cứu về quá trình cháy đã phát triển đáng kể trong những năm gần đây, baogồm tất cả các khía cạnh của quá trình đốt cháy Các nghiên cứu về tiết kiệm nănglượng và giảm phát thải tốt hơn đang xuất hiện Nghiên cứu về nhiên liệu thay thếđang được thúc đẩy bởi những lo ngại về môi trường ngày càng tăng về việc sửdụng nhiên liệu hóa thạch và sự nóng lên toàn cầu Do khả năng thích ứng nhiênliệu, HCCI có thể được sử dụng với nhiều loại nhiên liệu khác nhau với các chỉ sốoctan/cetan khác nhau Cơ chế cháy của động cơ HCCI không quá nhạy cảm với cáctính chất của nhiên liệu như độ nhớt và tốc độ ngọn lửa Có thể sử dụng bất kỳ loạinhiên liệu trị số octane hoặc cetane Tuy nhiên các loại nhiên liệu khác nhau cần cácđiều kiện vận hành khác nhau bởi nó ảnh hưởng đến hiệu suất và phạm vi hoạt động

của động cơ Về mặt lý thuyết, bất kỳ nhiên liệu hydrocacbon hoặc cồn lỏng nàocũng có thể được sử dụng trong động cơ HCCI có tỷ số nén thay đổi hoặc điềukhiển được thời gian đóng mở xupap, miễn là nhiên liệu được hóa hơi và kết hợpvới không khí trước khi cháy chế độ HCCI Ngoài nhiên liệu xăng và dầu diesel,một số nhiên liệu thay thế, bao gồm methanol, ethanol, hydro, DME và hỗn hợp củachúng, cũng như hỗn hợp xăng và dầu diesel và các hỗn hợp iso-octan với heptankhác nhau, đã được chứng minh bằng thực nghiệm là nhiên liệu tiềm năng cho động

cơ HCCI hai thì và bốn thì

Để có được lượng khí thải NOx và PM cực thấp với hiệu suất tốt, động cơHCCI là một lựa chọn tốt Sự cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch và lượng khí thải lớn củađộng cơ thông thường là những lý do chính để phát triển động cơ HCCI chạy bằngnhiên liệu sinh học Tuy nhiên, việc đạt được tiêu chuẩn phát thải trong tất cả cácgiai đoạn vận hành không phải là điều dễ dàng Do đó, các nghiên cứu tập trung vàoviệc cải thiện chế độ làm việc của động cơ HCCI chạy bằng nhiên liệu sinh học.Việc thiết lập các chế độ làm việc cần phải có các nghiên cứu sâu hơn về tác độngcủa các thông số vận hành đối với hiệu suất của động cơ HCCI chạy bằng ethanoltrước khi có thể đạt được các cải tiến khác Ngoài ra, cũng chỉ có một vài công trìnhkhoa học đánh giá tập trung vào các động cơ sử dụng nhiên liệu ethanol chạy chế độHCCI Do đó, việc giải quyết các hạn chế và tính ổn định của động cơ HCCI chạybằng loại nhiên liệu này cần nghiên cứu chuyên sâu

Là thế hệ tiếp theo của ICE, các chuyên gia động cơ đang nghiên cứu tiềmnăng của động cơ HCCI chạy bằng nhiên liệu ethanol Trong hai thập kỷ qua, tăng

áp và thay đổi tính chất nhiên liệu, điều chỉnh xupap và thời điểm hòa trộn là nhữngphương pháp chính được sử dụng để phát triển động cơ HCCI chạy bằng nhiên liệuethanol Hiệu suất của động cơ HCCI được tăng lên bằng cách sử dụng bộ tăng áp.Việc sử dụng bộ tăng áp đã được chứng minh là có liên quan đáng kể đến việc tăngIMEP đối với HCCI Trong khi giảm phát thải HC, tăng áp suất cũng làm giảm phátthải NOx Theo các nhà nghiên cứu, ưu điểm quan trọng của HCCI là giảm phát thảiNOx

Các nhà khoa học đã chứng minh rằng phạm vi hoạt động chấp nhận đượccủa HCCI chạy bằng nhiên liệu ethanol sinh học có thể được cải thiện một cáchhiệu quả bằng cách sử dụng hệ thống cảm biến xác định trạng thái và hệ thống lưutrữ khí oxy dư, như Yap D và cộng sự đã chỉ ra [46] Hệ thống lưu trữ và xử lý tínhiệu làm tăng khả năng điều chỉnh thời gian cháy Có thể giảm mức phát thải NOxbằng cách sử dụng nhiều khí luân hồi hơn và tăng áp suất khí nạp Mặt khác, lượngphát thải CO tăng do tổn thất bơm tăng Zhang Y và cộng sự đã sử dụng động cơ SIRicardo với chiến lược định thời gian mở xupap trong nghiên cứu [47] Các động cơHCCI chạy bằng ethanol đã được chạy ở nhiều tỉ lệ AFR, tốc độ và thời gian đóng

mở xupap khác nhau để xem lượng PM được giữ lại thay đổi như thế nào Thời gianđóng mở xupap và lambda ảnh hưởng đáng kể đến thời điểm đánh lửa và thời gianđốt cháy Lambda được xác định bằng cách sử dụng cảm biến oxy tuyến tính ETAS

và ảnh hưởng của thời gian đóng mở xupap được so sánh với IMEP Đối với động

sử dụng công nghệ phun nước Nhiệt độ cao làm bay hơi nước lỏng thành hơi nước

sẽ hấp thụ nhiệt của xi lanh và làm giảm nhiệt độ và áp suất của nó Kết quả là tiếng

gõ ít có khả năng xảy ra Với việc phun nước, có thể giảm nhiệt độ và áp suất xilanh bằng cách lấp đầy buồng đốt và pha loãng không khí bên trong, cũng như tăngcường sự hòa trộn trong xi lanh để không khí và nhiên liệu hòa trộn đồng đều hơn,ngăn chặn quá trình làm giàu oxy cục bộ

Xie H và cộng sự đã sử dụng ethanol, methanol và xăng trong động cơ HCCI[48] Hệ thống trục cam đã được làm lại với các van nâng thấp để duy trì hoạt động

ổn định của động cơ HCCI bằng cách giữ lại khí luân hồi trong hỗn hợp khí nạp.Khi đó, động cơ HCCI có thể hoạt động hiệu quả bằng nhiên liệu cồn và tạo ra phátthải NOx rất thấp Một động cơ CI bốn kỳ, ba xi-lanh và hai loại nhiên liệu (ethanol

và iso-octan) đã được sử dụng Các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu tác động của cácloại nhiên liệu khác nhau đối với quá trình đốt cháy và phạm vi hoạt động củaHCCI Việc thêm iso-octan vào ethanol sẽ làm chậm quá trình cháy, dẫn đến giảmIMEP và hiệu suất nhiệt Ngoài ra, họ phát hiện ra việc tăng nhiệt độ khí nạp đã đẩynhanh quá trình cháy Vấn đề này đã được nghiên cứu nhiều lần để xem liệu nướctrong ethanol có thể giúp giảm bớt tốc độ tăng áp suất của động cơ HCCI khi tải cao

và áp suất cực đại hay không Flowers DL và đồng nghiệp [49] đã thử nghiệm hỗnhợp ethanol-nước trong động cơ HCCI sử dụng ethanol ướt Pha trộn nước như mộtcách để kiểm soát quá trình cháy đã được nghiên cứu bởi Mack JH và cộng sự [50].Các nhà nghiên cứu đã chứng minh lambda cao nhất có thể đạt được khi tăng hàmlượng nước trong nhiên liệu Với hàm lượng nước 10%, có một sự thay đổi khá nhỏ.Tuy nhiên, việc tăng hàm lượng nước lên 20% sẽ làm giảm đáng kể lambda caonhất có thể đạt được Khi trộn ethanol và nước, tốc độ tăng áp suất tối đa có thểgiảm xuống

Hiệu suất của nhiên liệu ethanol bị ảnh hưởng bởi hàm lượng nước và nồng

độ ethanol hoặc cồn-nước đến các thông số vận hành của động cơ HCCI Để tựcháy, bất kỳ loại nhiên liệu nào cũng phải có khả năng hóa hơi và sau đó được nénđến nhiệt độ khoảng 1100 K Nói cách khác, các giới hạn hoạt động của HCCI dựatrên khả năng đốt nóng nhiên liệu chứ không phải khả năng lan truyền ngọn lửa trên

bề mặt Bộ hóa hơi được làm nóng bằng khí thải có thể làm bay hơi nhiên liệu bênngoài động cơ, loại bỏ việc phun nhiên liệu lỏng trực tiếp vào động cơ, ảnh hưởngđến quá trình đánh cháy Đã có những nghiên cứu trước đây về tác dụng của ethanol

đối với các loại IC động cơ, bao gồm cả động cơ phun nhiên liệu trực tiếp và động

cơ đánh lửa nén nạp đồng nhất (HCCI) Hiệu suất nhiệt có ích tăng 38,7% và NOxgiảm 1,6 ppm với 35% hàm lượng nước theo thể tích được Martinez- Frias và đồngnghiệp sử dụng trong động cơ HCCI [49] Độ ổn định của động cơ HCCI sau đó đãđược chứng minh bằng ethanol chứa tới 40% nước theo thể tích trong hỗn hợpnhiên liệu của động cơ Olberding J và cộng sự đã thử nghiệm hiệu suất của động cơtrên hỗn hợp nhiên liệu xăng hoặc ethanol-nước (70% ethanol với 30% nước) trênphương tiện vận tải [51] Khi sử dụng ethanol ướt, hiệu suất nhiệt của động cơ cóthể được tăng lên đáng kể trong khi lượng phát thải NOx và CO giảm đáng kể so vớixăng

Trong nghiên cứu của mình, Bilal Aydoğan đã tiến hành nghiên cứu ảnhhưởng của hỗn hợp nhiên liệu ethanol/n-heptane trong động cơ HCCI đến các đặctính đốt cháy, hiệu suất và phát thải đã được kiểm tra [52] Các thí nghiệm đượcthực hiện ở nhiệt độ khí nạp không đổi là 60oC, tỷ số nén 13 và các giá trị lambdakhác nhau Nghiên cứu chỉ ra rằng hiệu suất nhiệt tăng khoảng 3% khi bổ sungethanol ở mức λ=2,5 Có thể nói, ethanol đã làm quá trình cháy ổn định hơn chođộng cơ HCCI

Cũng theo hướng kết hợp các loại nhiên liệu, P Saisirirat và các cộng sự đãhòa trộn ethanol và n-butanol với n-heptan bằng cách thay đổi %mol từ 0, 18, 37 và

57 và thay đổi tỉ lệ kết hợp với luân hồi khí thải mô phỏng (EGR) từ 0%, 20% và40% [53] Nghiên cứu thử nghiệm này nhằm định lượng tác động của hỗn hợpnhiên liệu đến tốc độ giải phóng nhiệt Kết quả cho thấy nhiên liệu hỗn hợp làm cảithiện công suất của động cơ CI-HCCI

Các nghiên cứu trên đã cho thấy việc kết hợp nhiên liệu ethanol và dầu diesel

để tạo ra chế độ cháy HCCI gặp một số trở ngại như độ ổn định trong quá trình làmviệc của động cơ, khả năng kiểm soát quá trình cháy HCCI, thời điểm cháy và tốc

độ tăng áp suất của động cơ Để khắc phục các hiện tượng trên, luận án tập trungvào việc nghiên cứu tìm hiểu việc kết hợp các loại nhiên liệu khác nhau để tạo rađộng cơ HCCI làm việc ổn định

Nghiên cứu về HCCI chỉ ra rằng việc sử dụng thuần túy nhiên liệu có độphản ứng cao trong động cơ HCCI là không đủ để kiểm soát giai đoạn cháy Nên ưutiên sử dụng nhiên liệu có độ phản ứng thấp và cao làm hỗn hợp để đạt được hiệusuất động cơ cao, đồng thời mở rộng phạm vi vận hành [54] Jianan Wei và cáccộng sự cũng đã kết hợp nhiên liệu n-heptan với iso-octan trong nghiên cứu củamình về quá trình cháy [55] Với việc hình thành hỗn hợp bên ngoài xi lanh để thiếtlập chế độ cháy HCCI cho động cơ sẽ phù hợp với các loại nhiên liệu có khả năngbay hơi tốt như n-heptan Các đặc tính của nhiên liệu n-heptan được trình bày cụ thểtrong Bảng 1.1

Zongkuan Liu và các cộng sự đã nghiên cứu về ảnh hưởng của nồng độ heptan đến đặc tính và sự lan truyền ngọn lửa của quá trình cháy của nhiên liệu képtrong điều kiện làm việc giống như động cơ Họ đã chỉ ra rằng khi nồng độ n-heptantăng dẫn đến quá trình tự cháy của hỗn hợp nhiên liệu kép tăng [56] Trong khi đó,Bilal Aydoğan và Alper Calam đã tìm hiểu đặc tính cháy, hiệu suất và phát thải củađộng cơ HCCI sử dụng hỗn hợp n-butanol/n-heptan Họ đã sử dụng n-butanol có độphản ứng thấp và độ bay hơi cao hòa trộn với n-heptan với các tỷ lệ khác nhau (25thể tích và 50 thể tích) Các thí nghiệm được thực hiện ở các tốc độ động cơ khácnhau (800-1800) và lambda (λ=1,6-2,95) ở chế độ đầy tải và nhiệt độ không khí vào

n-60oC Nghiên cứu chỉ ra rằng cả áp suất trong xi lanh và tốc độ tỏa nhiệt đều giảmkhi tăng n-butanol trong hỗn hợp Công suất ra và mô men có ích có xu hướngtương tự nhau, lúc đầu tăng lên sau đó giảm xuống khi đạt giá trị xác định Hiệusuất nhiệt tăng lên khi tăng lambda [57]

Tại Việt Nam, tiến sĩ Khương Thị Hà [58] cũng tiến hành nghiên cứu động

cơ HCCI bằng việc bổ sung nhiên liệu n-heptan trên đường ống nạp để tăng thờigian hòa trộn không khí nhiên liệu để tạo ra hỗn hợp đồng nhất Tác giả đã tiến hànhnghiên cứu và thiết kế hệ thống nạp cung cấp n-heptan phun trên đường ống nạp,cùng với các hệ thống khác Kết quả nghiên cứu cho thấy tác giả đã thành côngtrong việc thiết lập động cơ làm việc theo nguyên lý HCCI Động cơ đã hoạt động

ổn định tại chế độ tốc độ 1600 v/ph đến 2000 v/ph và tải từ 10% đến 20%

Các nghiên cứu trên đều chưa cho thấy sự kết hợp các nhiên liệu sinh họcethanol với n-heptan và dầu diesel Đây là một hướng đi mới nhằm giảm sự phụthuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch còn nếu sử dụng n-heptan với nhiên liệu sinhhọc sẽ làm giá thành nhiên liệu tăng cao, ảnh hưởng đến tính kinh tế

1.3 Tình hình nghiên cứu về công nghệ HCCI trong nước

Động cơ nén cháy hỗn hợp đồng nhất (HCCI) là một hướng phát triển mớicủa mô hình động cơ cháy ở nhiệt độ thấp (LTC) nhằm đáp ứng các yêu cầu về nănglượng, môi trường và nâng cao tính kinh tế của động cơ Động cơ HCCI thực hiệnquá trình cháy bằng việc điều khiển quá trình tạo hỗn hợp đồng nhất trước khi nạpvào xi lanh động cơ tương ứng với từng điều kiện hoạt động cụ thể của động cơ.Mức phát thải NOx và PM có thể thỏa mãn tiêu chuẩn khí thải hiện tại bên trongbuồng cháy mà không cần các thiết bị xử lý khí thải diesel (SCR, DPF) Các loạinhiên liệu có thể được sử dụng trong động cơ RCCI là hỗn hợp xăng và diesel,ethanol và bio-diesel, n-heptan và diesel hay n-heptan, ethanol và diesel Động cơcháy ở nhiệt độ thấp (LTC), điển hình là động cơ HCCI, là một hướng phát triểnmới cho ngành động cơ đốt trong trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng.Tuy nhiên, ở Việt Nam thì việc nghiên cứu các loại động cơ cháy ở nhiệt độ thấpcòn khá mới mẻ Hiện tại, mới chỉ có một số công trình nghiên cứu về động cơ néncháy hỗn hợp đồng nhất của các tác giả từ Đại học Bách khoa Hà Nội [58-60]

Các tác giả Khương Thị Hà, Lê Anh Tuấn Đại học Bách khoa Hà Nội đãnghiên cứu tính toán thiết kế chế tạo hệ thống cung cấp n-heptan trên đường nạp, hệthống luân hồi khí xả, bộ gia nhiệt khí nạp và các đệm nắp máy có độ dày khácnhau nhằm thiết lập và mở rộng vùng làm việc cho động cơ HCCI Nhóm nghiêncứu đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm và thiết lập thành công động cơ làm việctheo nguyên lý HCCI với giải pháp phun nhiên liệu trên đường nạp, đánh giá, sosánh các thông số chỉ thị, có ích và các phát thải của động cơ HCCI với động cơ CInguyên bản Kết quả cho thấy, động cơ HCCI chuyển đổi hoạt động ổn định trongphạm vi tốc độ và tải trọng thấp, tốc độ từ 1600 v/ph đến 2000 v/ph, phạm vi tảitrọng từ 10% đến 20%, kết quả cũng cho thấy nếu thời điểm bắt đầu cháy diễn raquá sớm trước ĐCT sẽ làm ảnh hưởng đến các chỉ tiêu về kinh tế, kỹ thuật của độngcơ

Ngoài ra, nhóm tác giả cũng khảo sát, đánh giá ảnh hưởng của các thông sốnhư tỷ số nén, tỷ lệ khí thải luân hồi, và nhiệt độ sấy nóng khí nạp đến khả năng mởrộng vùng làm việc của động cơ HCCI Kết quả khảo sát cho thấy, khi giảm tỷ sốnén từ 20:1 xuống 14,87:1, không áp dụng luân hồi khí xả và nhiệt độ sấy nóng khínạp giữ nguyên thì động cơ làm việc ổn định tới 30% tải, 2000 v/ph Thời điểm bắtđầu cháy diễn ra muộn hơn, nhưng giảm tỷ số nén ảnh hưởng đến hiệu quả làm việccủa động cơ, không nên giảm tỷ số nén xuống thấp hơn 14,87

Trong một nghiên cứu khác gần đây, tác giả Nguyễn Thành Bắc đã tiến hànhnghiên cứu thực nghiệm và đánh giá các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật và phát thải củađộng cơ CI D4BB lắp trên xe tải Huyndai 1,25 tấn khi sử dụng lưỡng nhiên liệudiesel-ethanol tại 100% tải với tỷ lệ ethanol thay thế được lựa chọn ở sát giới hạnkích nổ [61] Kết quả nghiên cứu cho thấy khi tăng tốc độ động cơ thì tỷ lệ thay thếethanol giảm, suất tiêu thụ năng lượng, phát thải CO và độ khói giảm, trong khiphát thải CO2, HC và NOx lớn hơn so với khi chạy diesel truyền thống trên toàn dải

tốc độ Như vậy, nghiên cứu này mới chỉ chú trọng tới việc tăng tỷ lệ ethanol thaythế khi chạy lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol nhằm đảm bảo động cơ làm việc ổnđịnh, tuy nhiên các chỉ tiêu phát thải, đặc biệt là NOx lại tăng so với động cơ chưahoán cải

1.4 Thiết lập và điều khiển chế độ cháy HCCI

Để đạt được chế độ HCCI, động cơ đảm bảo các yêu cầu về việc tạo hỗnhợp đồng nhất, áp suất nhiệt độ phù hợp cho quá trình tự cháy… để đạt được cácyêu cầu đó có thể áp dụng các phương pháp sau:

Nm, 3 Nm, 4 Nm và 5 Nm) Các thí nghiệm tiếp theo đã được thực hiện bằng cách

sử dụng nhiên liệu ABE10 với các nhiệt độ nạp (60 °C, 80 °C, 100 °C, 120 °C và

140 °C), thời điểm phun tại các vị trí (230 °CA trước ĐCT, 250 °CA trước ĐCT,

270 °CA trước ĐCT, 290 °CA trước ĐCT và 310 °CA trước ĐCT) và độ rộng xungphun (3 ms, 4 ms và 5 ms) Kết quả nghiên cứu cho thấy việc tăng tỷ lệ ABE sẽ làmgiảm suất tiêu hao nhiên liệu có ích (BSFC) và tăng hiệu suất nhiệt có ích (BTE)của động cơ HCCI-DI Cải thiện tới 13,55% và 23,8 % BTE tương ứng khi sử dụngABE5 và ABE10 so với động cơ CI tương ứng Hơn nữa, việc tăng độ rộng xung sẽlàm tăng BSFC và giảm đáng kể BTE trung bình 10 % So với khi sử dụng nhiênliệu diesel, phát thải NOx trung bình giảm 20,2 % và 24,8% tương ứng khi sử dụngnhiên liệu ABE5 và ABE10 Khi tăng nhiệt độ khí nạp hơn 100°C sẽ làm tăng đáng

kể phát thải NOx (lên tới 54,1% ) trong khi HC giảm tới 23,2 % với nhiệt độ khínạp bằng 140°C Thời gian phun tăng làm giảm phát thải NOx tới 24,7 % Lượngphát thải NOx giảm 12,5 % khi độ rộng xung phun tăng từ 3 ms lên 5 ms do quátrình đốt cháy có tỷ lệ trộn sẵn cao hơn dẫn đến nhiệt độ đốt cháy thấp hơn Giaiđoạn đốt cháy của động cơ rất nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ khí nạp, dẫnđến quá trình đốt cháy bắt đầu sớm hơn khi nhiệt độ khí nạp tăng lên Ngoài ra, giaiđoạn cháy tăng khi độ rộng xung tăng lên, điều này cho thấy độ nhạy đối với lượngnhiên liệu được phun vào

Ở một nghiên cứu khác, ảnh hưởng của nhiệt độ khí nạp đến áp suất xi lanh,tốc độ tỏa nhiệt, thời điểm bắt đầu quá trình cháy, thời gian cháy, hiệu suất động cơ

và phát thải đã được nghiên cứu trong động cơ SI chạy chế độ HCCI sử dụng hỗnhợp nhiên liệu với 20% n-heptan và 80 nhiên liệu % isooctan được nghiên cứu bởi

CO và HC ban đầu tăng lên và sau đó bắt đầu giảm sau khi nhiệt độ khí nạp 90°C.

Tỷ số nén là một thông số kết cấu quan trọng của động cơ Nó ảnh hưởngtrực tiếp đến quá trình cháy, hiệu suất của động cơ, suất tiêu hao nhiêu liệu, cũngnhư đặc tính phát thải của động cơ đốt trong Tác giả Khương Thị Hà đã nghiên cứuảnh hưởng của tỷ số nén tới đặc tính cháy của động cơ HCCI [58] Kết quả môphỏng cho thấy: Giảm tỷ số nén động cơ vẫn làm việc theo nguyên lý HCCI, thờiđiểm bắt đầu cháy muộn dần, không nên giảm tỷ số nén nhỏ hơn 13,5

Song, R., Hu và các cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ số nén củađộng cơ HCCI đối với các đặc tính đốt cháy của động cơ xi lanh đơn TY1100 sửdụng nhiên liệu bằng dimethyl ether [64] Kết quả cho thấy động cơ HCCI dimethylether (DME) có thể hoạt động ổn định và có thể không phát thải nitơ oxit (NOx) vàđốt cháy không khói với tỷ số nén của cả 10,7 và 14 Quá trình cháy chia thành haigiai đoạn rõ ràng tại ɛ = 10,7 và điểm bắt đầu cháy được quyết định bởi nhiệt độnén, nhiệt độ này thay đổi rất ít theo tải của động cơ; điểm bắt đầu cháy có quan hệchặt chẽ với tải động cơ (nồng độ hỗn hợp) với sự gia tăng nhiệt độ nén và nó dichuyển về phía trước so với góc quay khi tải động cơ tăng ở ɛ = 14; thời gian đốtcháy được rút ngắn với sự gia tăng tải của động cơ ở cả hai tỷ số nén Các nghiêncứu trên cho thấy việc chuyển đổi động cơ sang chế độ cháy HCCI thì thông số tỷ

số nén cần phải được quan tâm

Việc kết hợp các loại nhiên liệu với nhau nhằm nâng cao khả năng tạo ra chế

độ cháy HCCI cũng như mở rộng được vùng làm việc của chế độ cháy này

Gawale, G R và các cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol theokhối lượng khác nhau đối với động cơ HCCI chế độ nhiên liệu kép làm việc trongcác điều kiện tải khác nhau [65] Ethanol (nhiên liệu chính) được cung cấp qua bộchế hòa khí tại thời điểm nạp và hỗn hợp dầu diesel/diesel sinh học (nhiên liệu phụ)được phun vào để bắt đầu quá trình cháy ở cuối quá trình nén Kết quả cho thấy với

sự gia tăng tốc độ dòng chảy của ethanol, thời gian cháy trễ (ID) tăng lên, thời gianđốt cháy (CD), áp suất và nhiệt độ trong xi lanh giảm; dẫn đến giảm phát thải NOx

và PM ở động cơ HCCI với nhiên liệu kép ethanol/diesel (E + D) và ethanol/dieselsinh học (E + B20) so với động cơ CI thông thường

Trong khi đó, Calam, A và các cộng sự [54] đã nghiên cứu kiểm soát giaiđoạn cháy HCCI bằng cách thử nghiệm nhiên liệu tinh khiết có độ phản ứng thấp vàhỗn hợp của chúng ở các tỷ lệ khác nhau n-heptan được chọn làm nhiên liệu có độphản ứng cao, trong khi n-heptan nặng được sử dụng làm nhiên liệu có độ phản ứngthấp Quá trình cháy được phân tích chi tiết bằng cách sử dụng dữ liệu áp suất trong

xi lanh IMEP, thời điểm bắt đầu quá trình đốt cháy, thời gian đốt cháy, hiệu suấtnhiệt được chỉ định ở các tốc độ động cơ và giá trị lambda khác nhau Phát thải NOx

và PM gần như bằng không trong mọi điều kiện thử nghiệm Các nhà nghiên cứu đãxác định rằng nhiên liệu HN75 cung cấp các điều kiện vận hành tối ưu cho quá trìnhđốt cháy HCCI và cũng gây ra lượng khí thải CO và HC thấp Hiệu suất nhiệt chỉthị đạt được là khoảng 36% và trong phạm vi hoạt động khi sử dụng nhiên liệuHN75 và HN100 Nghiên cứu này cho thấy nhiên liệu n-heptan đã cải thiện đáng kểkhả năng kiểm soát chế độ cháy trong động cơ HCCI Các kết quả khả quan đã thuđược giá trị hiệu suất và giá trị phát thải ở tỷ lệ pha trộn 50% và 75% với n-heptan

Các phương pháp tạo hỗn hợp đồng nhất như là hình thành hỗn hợp kiểuphân lớp và đặc biệt là sử dụng hệ thống luân hồi khí xả hoặc là giữ khí sót để hoàtrộn cùng hỗn hợp không khí/nhiên liệu Phương pháp này thường được sử dụng đểthay đổi tính tự cháy và tốc độ tỏa nhiệt của quá trình cháy

Nishi, M và các cộng sự đã chỉ ra rằng quá trình cháy HCCI mang lại cảhiệu quả cao và lượng phát thải NOx và PM rất thấp [66] Tuy nhiên, phạm vi hoạtđộng của động cơ HCCI bị giới hạn bởi PRR (tốc độ tăng áp suất) quá mức ở vùngtải cao, đây là nguyên nhân chính gây ra tiếng gõ của động cơ Vấn đề này cónguyên nhân bởi trong quá trình cháy HCCI, thời điểm cháy nên được lùi lại sauđiểm chết trên bằng cách kiểm soát nhiệt độ hợp lý Ngoài ra, thời gian cháy cũngcần được đảm bảo đầy đủ Lượng khí luân hồi có tác động đến thay đổi nhiệt độ khínạp qua đó ảnh hưởng đến phạm vi làm việc của chế độ cháy HCCI [67-69]

1.5 Kết luận chương 1

Các nghiên cứu trong và ngoài nước đều chỉ ra rằng động cơ HCCI hiệu quảhơn bởi chúng làm giảm đồng thời cả NOx và PM, trong khi vẫn tiết kiệm nhiênliệu, đảm bảo hiệu suất nhiệt của động cơ, tuy nhiên vẫn có sự tăng lên của HC và

CO Ngoài việc sử dụng nhiều loại nhiên liệu như xăng, ethanol, n-heptan hoặc khíthiên nhiên nén kết hợp với nhiên liệu diesel để tạo chế độ cháy HCCI, việc kết hợpcác nhiên liệu này với nhau cũng giành được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu,bởi quá trình cháy HCCI sạch với lượng khí thải NOx và PM rất thấp Tuy nhiên,việc HRR nhanh có thể gây ra hiện tượng kích nổ Lượng khí thải HC và CO caohơn do nhiệt độ cháy thấp hơn, tác động của tia phun và nhiệt độ thành lạnh trong xilanh Bên cạnh đó, động cơ HCCI có sử dụng ethanol làm nhiên liệu vẫn còn một sốnhược điểm cần khắc phục như: Khả năng kiểm soát nhiệt độ tự cháy, khó khởiđộng lạnh và khả năng chịu tải hạn chế Để khắc phục hiện tượng này, việc bổ sungthêm nhiên liệu n-heptan giúp kiểm soát các nhược điểm trên

Trên thế giới có rất ít động cơ HCCI được sản xuất, các nhà nghiên cứu đangtập trung vào việc chuyển đổi động cơ truyền thống sang động cơ HCCI cùng vớiviệc hoán cải động cơ thì việc mở rộng phạm vi làm việc và phù hợp với các loạinhiên liệu khác nhau là việc làm phù hợp và cần thiết Động cơ HCCI sử dụng hỗnhợp n-heptan/ethanol/diesel làm nhiên liệu là hướng đi của luận án

và mô phỏng động cơ sẽ được đề cập trong chương 3.

2.1 Hình thành hỗn hợp và cháy HCCI

Hình 2.1 So sánh quá trình cháy động cơ SI và CI với động cơ HCCI.

Trên Hình 2.1 thể hiện sự khác biệt giữa quá trình cháy của động cơ SI và CI

so với động cơ HCCI Có thể thấy rằng, trên động cơ SI, màng lửa lan tràn bắtnguồn từ bugi, còn động cơ CI ngọn lửa bao quanh tia phun và nhiên liệu tự bốccháy, trong khi đó trên động cơ HCCI, không có hiện tượng lan tràn màng lửa trong

xi lanh, quá trình cháy diễn ra đồng thời ở mọi vị trí trong xi lanh

Trong động cơ HCCI kết hợp lợi ích của động cơ SI và CI, hỗn hợp nhiênliệu và không khí được hình thành từ trước (trên đường nạp hoặc trong xi lanh) Sau

đó hỗn hợp được nén lên đến nhiệt độ tự cháy vào cuối kỳ nén, tương tự như vớiđộng cơ CI Ngoài ra có thể tăng nhiệt độ hỗn hợp ở cuối kỳ nạp thông qua gia nhiệtkhí nạp, sấy nóng bằng bugi sấy hoặc tận dụng khí sót trong xi lanh Tất cả nhữngphương pháp này có thể giúp cho hỗn hợp nhanh đạt đến nhiệt độ tự cháy hơn vàhỗn hợp trở nên đồng nhất hơn

Từ đặc điểm của hệ thống nhiên liệu, các phương pháp hình thành hỗn hợp

có thể được phân loại theo đặc điểm phun (Hình 2.2) Theo cách này hỗn hợp đượchình thành đồng nhất gồm 2 phương pháp: Hình thành hỗn hợp đồng nhất bên ngoài

và hỗn hợp hình thành đồng nhất bên trong

Hình 2.2 Các phương pháp phun nhiên liệu của động cơ HCCI.

2.1.1 Hình thành hỗn hợp bên ngoài (PFI)

Hình thành hỗn hợp bên ngoài là một kỹ thuật được sử dụng trong một sốđộng cơ HCCI để tạo ra hỗn hợp nhiên liệu không khí bên ngoài xi lanh và sau đóđưa vào động cơ Cách tiếp cận này trái ngược với kỹ thuật tạo hỗn hợp bên trongđược sử dụng trong động cơ HCCI truyền thống, trong đó không khí và nhiên liệuđược trộn trực tiếp trong buồng đốt Các giai đoạn tạo hỗn hợp bên ngoài trongđộng cơ HCCI bao gồm:

- Chuẩn bị không khí và nhiên liệu: Bước đầu tiên trong quá trình là chuẩn bịkhông khí và nhiên liệu riêng biệt Không khí thường được hút vào đường ống nạpcủa động cơ, trong khi nhiên liệu được phun vào đường ống nạp Trong một sốtrường hợp, cũng có thể sử dụng phương pháp phun nhiên liệu trực tiếp vào buồngđốt

- Hoà trộn: Sau khi không khí và nhiên liệu được đưa vào đường ống nạp,chúng được hoà trộn để đạt được hỗn hợp không khí-nhiên liệu đồng nhất Trộnđúng cách là điều cần thiết để quá trình đốt cháy ổn định và đảm bảo rằng hỗn hợp

có tỷ lệ phù hợp cho quá trình cháy HCCI

- Kiểm soát: Sự hình thành hỗn hợp bên ngoài cho phép kiểm soát chính xáchỗn hợp không khí-nhiên liệu và điều chỉnh thành phần, nhiệt độ và áp suất của hỗnhợp để tối ưu hóa quá trình đốt cháy trong các điều kiện vận hành khác nhau Hỗnhợp nhiên liệu-không khí được trộn đều sau đó được đưa vào buồng đốt thông quacác van nạp khi hành trình nạp bắt đầu

- Nén và đánh lửa: Khi piston nén hỗn hợp trong hành trình nén, nhiệt độ và

áp suất sẽ tăng lên Hỗn hợp đồng nhất tự động bốc cháy do nhiệt độ và áp suất caokhông cần đánh lửa, tương tự như động cơ CI

Hỗn hợp hình thành đồng nhất khi có đủ thời gian cần thiết, vì vậy hìnhthành hỗn hợp bên ngoài là biện pháp đơn giản và mức độ đồng nhất cao hơn nhiều

so với biện pháp khác Cũng như động cơ SI nhiên liệu được phun ngược chiều vớidòng khí nạp để tăng cường khả năng bay hơi của nhiên liệu Hỗn hợp được hìnhthành suốt trong thời gian nạp và nén nên hỗn hợp có đủ thời gian để đồng nhất

Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống PFI HCCI phun ngoài

1 Cảm biến lưu lượng khí nạp; 2 Bộ gia nhiệt; 3 Vòi phun nhiên liệu; 4 Cảm biến tốc độ; 5 Cảm biến áp suất; 6 Khí thải; 7 Bộ phân tích khí thải; 8 Bơm nhiên liệu;

9 Bộ nhận tín hiệu; 10 Bộ khuếch đại; 12 Máy tính; 13 Băng thử; 14 Động cơ.

Nghiên cứu của tác giả Maurya và Agarwal [70] đã so sánh đánh giá ảnhhưởng của nhiên liệu ethanol và methanol so với xăng trong động cơ HCCI, kết quảcho thấy ở bất kỳ tỷ lệ không khí/nhiên liệu không đổi (A/F), ethanol và methanol

có IMEP cao hơn trong giai đoạn đốt cháy tương ứng với hiệu suất nhiệt tốt hơn.Methanol đạt hiệu suất nhiệt tối đa thấp nhất (~45%) so với xăng (~48%) và ethanol(~48,8%) Quá trình đốt cháy HCCI giúp giảm đáng kể lượng phát thải NOx so vớicác chế độ đốt cháy thông thường đối với tất cả các loại nhiên liệu Nghiên cứucũng chỉ ra rằng giá trị tối đa của ISNOx từ tất cả nhiên liệu thử nghiệm là 0,26g/kwh và lượng phát thải NOx là 45 ppm trong phạm vi hoạt động ở chế độ HCCI,thấp hơn nhiều so với động cơ truyền thống, tuy nhiên phát thải HC và CO ở chế độHCCI cao hơn

Kannan và các công sự [71] đã nghiên cứu thiết lập chế độ HCCI với nhiênliệu LPG trên động cơ CI, kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu suất nhiệt của động cơkhi sử dụng LPG thấp hơn so với khi sử dụng nhiên liệu diesel ở tất cả các chế độ(hiệu suất nhiệt giảm do quá trình cháy LPG không hoàn toàn) Hiệu suất nhiệt daođộng trong khoảng từ 7,62 ÷ 34,76% Khi động cơ chạy bằng khí LPG theo chế độ