nghiên cứu chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất hcci sử dụng nhiên liệu n heptanethanoldiesel

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 li

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

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

Hà Nội - 2024

LỜI CAM ĐOAN

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

TẬP THỂ HƯỚNG DẪN Hà Nội, tháng 05 năm 2024

Người hướng dẫn 1 Người hướng dẫn 2

GS.TS Lê Anh Tuấn TS Phạm Minh Hiếu

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TL GIÁM ĐỐC TRƯỞNG BAN ĐÀO TẠO

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 Bách khoa Hà Nội

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

Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS Lê Anh Tuấn, TS Phạm Minh Hiếu đã hướng 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 động lực 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 những điều 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 hậu thuẫn 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 trong hội đồng chấm luận án đã đồng ý đọc, duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn 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, những người đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và thực 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 32

2.2.3 Xác định thời điểm bắt đầu cháy 39

2.2.4 Điều khiển quá trình cháy trên động cơ HCCI 40

2.3 Phương án thiết kế chuyển đổi động cơ CI sang động cơ cháy HCCI 43

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

43

2.3.2 Cơ sở lý thuyết thay đổi nhiệt độ khí nạp 45

2.3.3 Xác định hệ số dư lượng không khí và tỷ lệ n-heptan thay thế 46

2.3.4 Xác định lượng nhiên liệu cung cấp 46

2.4 Kết luận chương 2 47

CHƯƠNG 3 CHUYỂN ĐỔI VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ 1 XI LANH VẬN HÀNH THEO CHẾ ĐỘ HCCI 48

3.1 Chuyển đổi động cơ để vận hành theo chế độ HCCI 48

3.1.1 Đặc điểm của động cơ nghiên cứu 48

3.1.2 Thiết kế và chế tạo các chi tiết, hệ thống cho động cơ HCCI chuyển đổi 49

3.1.2.1 Thiết kế, cải tiến hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử 49

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 53

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 54

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 60

3.1.2.9 Hệ thống ECU điều khiển động cơ 63

3.1.2.10 Bộ 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 71

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-ICE 75 3.2.2.3 Chia lưới mô hình 78

3.2.2.4 Cài đặt các thông số, điều kiện biên cho mô phỏng 80

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 99

4.5.1 Xây dựng đặc tính của động cơ CI 99

4.5.2 Kết quả thử nghiệm hoạt động ở chế độ HCCI 101

4.5.3 Đặc tính cháy của động cơ HCCI khi có phun mồi diesel 117

4.5.4 Đánh giá tính năng kinh tế của động cơ 119

4.5.5 Đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ khí nạp tới quá trình làm việc của động cơ 119

4.5.6 Đánh giá ảnh hưởng của tỉ lệ luân hồi khí thải tới quá trình làm việc của động cơ 123

4.5.7 Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol tới các thành phần phát thải độc hại 127

4.5.8 Ảnh hưởng của nhiệt độ môi chất nạp mới tới các thành phần phát thải độc hại 129

4.5.9 Ảnh hưởng của tỷ lệ luân hồi tới các thành phần phát thải độc hại 131

4.6 Kết luận chương 4 133

KẾT LUẬN CHUNG VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 135

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 137

CỦA LUẬN ÁN 137

TÀI LIỆU THAM KHẢO 138 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 trị trung 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

-

HRR Tốc độ giải phóng nhiệt KW

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 48

Bảng 3.2 Các thông số cơ bản của vòi phun Toyota Hilux 50

Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật của van EGR 57

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 64

Bảng 4.1 Tính chất của nhiên liệu thử nghiệm 92

Bảng 4.2 Thông số kỹ thuật cơ bản của băng thử 97

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 100

Bảng 4.5 Kết quả đo tại 20% tải 100

Bảng 4.6 Kết quả đo tại 10% tải 100

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 30

Hình 2.9 Quá trình cháy trong hệ thống UNIBUS 30

Hình 2.10 Đặc tính tỏa nhiệt của các loại động cơ 34

Hình 2.11 Các pha của quá trình cháy trong một chu kỳ 36

Hình 2.12 Tốc độ tỏa nhiệt trong xi lanh theo góc quay trục khuỷu 39

Hình 2.13 Đạo hàm tốc độ tỏa nhiệt trong xi lanh theo góc quay trục khuỷu 40

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 40

Hình 2.15 Sơ đồ điều khiển thời điểm cháy động cơ HCCI 41

Hình 2.16 Mô hình cung cấp nhiên liệu cho động cơ 44

Hình 2.17 Đặc tính bay hơi của n-heptan 45

Hình 3.1 Động cơ Yanmar DB178F 48

Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu cải tiến sang phun dầu điện tử 49

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 51

Hình 3.6 Cảm biến áp suất và van điều khiển áp suất 51

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) 53

Hình 3.9 Vòi phun n-heptan/ethanol 54

Hình 3.10 Đường thải động cơ và ống luân hồi khí thải 54

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 59

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 60

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 62

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 65

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 66

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 96

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 98

Hình 4.7 Đặc tính ngoài của động cơ CI 99

Hình 4.8 Đặc tính phát thải của động cơ CI ở chế độ toàn tải 101

Hình 4.9 So sánh COVIMEP của động cơ CI và HCCI- n-heptan 104

Hình 4.10 Diễn biến tốc độ tỏa nhiệt của động cơ ở chế độ nguyên bản và HCCI 105

Hình 4.11 Đồ thị diễn biến áp suất xi lanh và tốc độ tăng áp suất trong buồng cháy

110

Hình 4.12 Đồ thị diễn biến tốc độ tỏa nhiệt trong buồng cháy 114

Hình 4.13 Xác định chế độ thử nghiệm kiểm soát quá trình cháy động cơ HCCI 115

Hình 4.14 Đồ thị COVIMEP ở một số chế độ tải, tốc độ và tỷ lệ ethanol khác nhau 116

Hình 4.15 Đồ thị diễn biến áp suất xi lanh ở một số chế độ tải, tốc độ 2000 v/ph,

30% ethanol 117

Hình 4.16 Thời điểm cháy ở một số chế độ tải, tốc độ 2000 v/ph, 30% ethanol 118

Hình 4.17 So sánh mức tiêu hao năng lượng khi sử dụng các loại nhiên liệu có tỷ lệ

ethanol khác nhau 119

Hình 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

Hình 4.22 Diễn biến áp suất bên trong xi lanh ở các tỷ lệ luân hồi khác nhau 124

Hình 4.23 Kết quả đánh giá hệ số dao động COVIMEP ở các tỷ lệ luân hồi khác nhau

125

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

126

Hình 4.25 So sánh mức tiêu hao năng lượng ở các tỷ lệ luân hồi khác nhau 126

Hình 4.26 So sánh phát thải của động cơ CI với HCCI: (a) NOx, (b) CO và (c) HC

128

Hình 4.27 So sánh phát thải của động cơ HCCI ở các nhiệt độ môi chất nạp mới 130

Hình 4.28 So sánh phát thải của động cơ HCCI ở các tỷ lệ luân hồi khác nhau 132

MỞ ĐẦU

i Lý do chọn đề tài

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 Bên cạnh đó, động cơ đốt trong vẫn có những nhược điểm như phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch, phát thải độc hại Trong những năm gần đây, cùng với việc cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch và sự khắt khe của các tiêu chuẩn khí thải đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu không ngừng phát triển động cơ Xu hướng đang giành được nhiều sự quan tâm đó nâng cao tính năng kinh tế, kỹ thuật của động cơ, đồng thời giảm phát thải độc hại Hiện nay, động cơ đốt trong đã sử dụng rất nhiều biện pháp mới như: Sử dụng nhiên liệu thay thế nhằm giảm áp lực cho nhiên liệu có nguồn 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 với các loại nhiên liệu khác nhau được quan tâm hơn cả, trong đó có mô hình cháy HCCI sử dụng hỗn hợp nhiên liệu

Mô hình cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) có nhiều ưu điểm Mô hình cháy này có hiệu suất nhiệt cao tương tự động cơ CI và có lượng khí thải thấp như động cơ SI, trong đó hai thành phần phát thải NOx và PM giảm đi đáng kể Mô hình cháy HCCI hoàn toàn có thể đáp ứng được yêu cầu của phát thải không cần trang bị thêm bộ xử lý khí thải đắt tiền và thu được hiệu suất nhiệt cao Tuy nhiên thách thức lớn 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 nghiên cứu 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 ba loại 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 liệu cho động cơ HCCI

Tại Việt Nam, động cơ CI cỡ nhỏ một xi lanh đang được sử dụng phổ biến với số lượng lớn trong ngành nông nghiệp Trong quá trình làm việc, động cơ này sinh ra nhiều khí thải độc hại Cùng với việc khuyến khích phát triển và khai thác các nguồn nhiên liệu mới thay thế dần nhiên liệu hóa thạch, việc nghiên cứu chuyển đổi chế độ cháy của động cơ CI truyền thống sang chế độ cháy HCCI là một hướng nghiên 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 truyền thống sang động cơ sử dụng đa nhiên liệu, thiết lập chế độ làm việc HCCI

n-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 độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất HCCI trên động cơ CI 1 xi lanh sử dụng trong lĩnh vực nông nghiệp

Đánh giá được ảnh hưởng của các tổ hợp nhiên liệu và một số thông số vận hành 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 vực nông 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 Trung tâm nghiên cứu Nguồn động lực và phương tiện tự hành, Đại học Bách khoa Hà Nội

- Phạm vi nghiên cứu:

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

Chế độ HCCI được thiết lập và điều khiển thông qua các tổ hợp và tỷ lệ nhiên liệu n-heptan/ethanol cung cấp vào đường nạp, nhiên liệu diesel phun trực tiếp 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 liệu khác nhau

- Mô phỏng quá trình cháy HCCI

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

n 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 liệu trong 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 sử dụng đơn nhiên liệu sang sử dụng nhiên liệu n-heptan/ethanol/diesel và thiết lập chế độ vận hành HCCI cho động cơ

- Nghiên cứu thực nghiệm nhằm định lượng hóa và đánh giá chế độ vận hành HCCI cho động cơ cũng như xây dựng bộ thông số điều khiển cho việc thiết lập 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 liệu thay thế và đa dạng hóa nguồn nhiên liệu trên động cơ CI nguyên bản Kết quả nghiên 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 phát triển 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 hợp nhiên 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

1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Trong những thập kỷ gần đây, tổng mức tiêu thụ năng lượng trên toàn thế giới 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 tiêu thụ năng lượng sẽ đạt khoảng 53% vào năm 2030 theo báo cáo của IEA (Tổ chức Năng lượng Quốc tế)[1] Như vậy, sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch đã xuất hiện một cách rõ ràng ở tương lai gần Mặt khác, khí thải từ động cơ đốt trong ảnh hưởng xấu đến môi trường và sức khỏe con người như nitrogen oxides (NOx), hạt

bồ hóng (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 đề này, hầu hết các nước trên thế giới ban hành luật phát thải ngày càng nghiêm ngặt hơn 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 trực tiếp cháy do nén (CI) và động cơ đốt cháy cưỡng bức (SI) Động cơ CI đã thể hiện được 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 lanh như common rail, luân hồi khí thải EGR,… Các công nghệ này ngoài việc làm tăng hiệu 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 việc hình thành phát thải độc hại chủ yếu thông qua việc điều chỉnh thông số phun nhiên liệu, nhiệt độ khí nạp mới trong xi lanh, áp suất cháy,… Bên cạnh đó, việc sử dụng các thiết bị xử lý khí thải cũng đang được áp dụng phổ biến như bộ xử lý khí thải ba thành phần, bộ lọc phát thải dạng hạt (DPF), bộ lọc oxy hóa nhiên liệu (DOC), bộ xúc tác khử có chọn lọc (SCR), và bẫy NOx tinh gọn (LNT) Tuy nhiên, việc thiết kế chế tạo, bảo dưỡng chúng rất phức tạp và chi phí cao đã ảnh hướng lớn đến sự phát triển 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 ứng được nhu cầu của phần lớn người tiêu dùng Hình 1.1 dự đoán sự tăng trưởng tương đối của các công nghệ ô tô khác nhau tới năm 2035

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

2035

Hình 1.1 cho thấy phương tiện sử dụng động cơ đốt trong vẫn chiếm số lượng lớn Vì vậy, động cơ đốt trong vẫn rất cần các công nghệ kiểm soát quá trình cháy giúp động cơ cháy sạch hơn và hiệu quả hơn, giảm thiểu phát thải khí độc hại

ra môi trường Nhiều mô hình cháy được nghiên cứu trên thế giới nổi bật lên là nghiên cứu về mô hình cháy nhiệt độ thấp (LTC) là có triển vọng đáp ứng được những 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 thải NOx, PM cực thấp và hiệu suất cao [2]

1.1.2 Sử dụng nhiên liệu thay thế

Nguồn dầu mỏ thế giới đang cạn kiệt dần, cộng với tình hình bất ổn tại các khu vực nhiều dầu mỏ Iran, Iraq, Nigeria, Nga khiến nguồn cung không đảm bảo liên tục gây lo ngại sự phát triển ổn định của các nền kinh tế trên thế giới Vì thế, 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 giá nhất, đáp ứng được các tiêu chuẩn như dễ sản xuất, giá rẻ và “thân thiện” với môi trường Ethanol là một loại nhiên liệu thay thế dạng cồn, được sản xuất bằng phương pháp lên men và chưng cất các loại ngũ cốc chứa tinh bột có thể chuyển hóa thành đường đơn, như bắp, lúa mì, lúa mạch Ngoài ra, ethanol còn được sản xuất 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 sách năng lượng của mình, từ khối EU đến Mỹ, Trung Quốc, Australia, Nhật Bản đều chú trọng đến ứng dụng ethanol

Ở Việt Nam, việc phát triển nhiên liệu thay thế đang dành được sự quan tâm lớn của các nhà sản xuất, nhà nghiên cứu và các cơ quản lý Trong đó, ethanol đang được quan tâm hơn cả, là nhiên liệu được sử dụng phổ biến thay thế một phần cho nhiên 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 dụng ethanol để thay thế một phần cho nhiên liệu xăng đã được phổ biến Tại tất cả các trạm nhiên liệu đều cung cấp xăng E5 Tuy nhiên, sử dụng ethanol để thay thế một phần cho nhiên liệu diesel còn nhiều hạn chế, cần có nhiều nghiên cứu hơn nữa để tìm 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 sử dụng nhiên liệu từ nhóm cồn, bao gồm methanol, ethanol, propanol và butanol, và đưa 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 khí thải của hỗn hợp xăng với ethanol và cồn benzyl theo tỷ lệ 10% và 20% trên tổng thể tích Ảnh hưởng của các tỷ lệ pha trộn xăng-ethanol E0-E85 tới các đặc tính phát thải đã được nghiên cứu 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 vượt trội, do quá trình đốt cháy được cải thiện bởi việc tăng hàm lượng oxy và sự tham gia của hydrocacbon nhẹ hơn

Hơn nữa, các nghiên cứu đã thiết lập một phương pháp đốt cháy có hiệu quả cao và thân thiện với môi trường cho động cơ đốt trong (ĐCĐT) Các thí nghiệm đang được thực hiện để xác định chế độ làm việc phù hợp với việc sử dụng các loại nhiên liệu thay thế Cháy ở nhiệt độ thấp (LTC) cho thấy một tương lai hứa hẹn trong việc tuân thủ các tiêu chuẩn về môi trường [4] Các nhà nghiên cứu đã tập trung nỗ lực vào phương pháp LTC mới, làm giảm lượng phát thải đồng thời tăng hiệu 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 trộn trước (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 cơ LTC bao gồm quá trình nạp nén đồng nhất HCCI, nén cháy hòa trộn trước PCCI và chuyển đổi chế độ giữa quá trình đốt cháy CI thông thường và LTC Việc thương mại 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 nhiên liệu 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 thuộc vào nhiên liệu hóa thạch Chế độ cháy hỗn hợp đồng nhất khó kiểm soát trực tiếp thời 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 đến trung 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 hình thành một quá trình nạp đồng nhất, động cơ HCCI có khả năng đáp ứng đồng thời yêu cầu phát thải NOx và PM ở mức cực thấp Tương tự, động cơ nén cháy hòa trộn trước (PCCI) và động cơ nén cháy kiểm soát hoạt tính nhiên liệu (RCCI) cải thiện đặc tính làm việc của động cơ đốt trong, nhưng chúng không thể so với hiệu suất và phát thải của động cơ HCCI [5] Nhiều đề tài nghiên cứu đã được tiến hành trên toàn thế giới để áp dụng chế độ đốt cháy HCCI cho nhiên liệu thông thường và nhiên liệu khác ở động cơ CI Tuy nhiên, bởi nhiều yếu tố liên quan đến việc kiểm soát quá trình cháy mà nhiên liệu sinh học thay thế như ethanol chưa được sử dụng phổ biến

Quá trình cháy của động cơ CI là không đồng nhất, nhiên liệu tự bốc cháy khi 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 trong một hỗn hợp đồng nhất đã được chuẩn bị từ trước Quá trình cháy của động cơ HCCI là sự kết hợp của cả động cơ CI và SI với hỗn hợp đồng nhất, tự bốc cháy khi bắt đầu quá trình cháy Ở động cơ CI, thời gian cháy ngắn và tốc độ tăng áp suất tăng đáng kể do tốc độ tỏa nhiệt (PPR) lớn Với động cơ SI, hệ số dư lượng không khí 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 gõ động cơ Động cơ HCCI sử dụng một kỹ thuật đốt cháy mới Về lý thuyết, không có bugi hoặc vòi phun để hỗ trợ quá trình cháy, khi nhiệt độ trong xi lanh đạt đến một giá trị phù hợp, hỗn hợp nhiên liệu -không khí sẽ tự bốc cháy, quá trình cháy diễn ra đồng thời ở nhiều khu vực khác nhau trong buồng cháy [6] Như vậy, có một số điểm 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 [7], nhiên liệu và không khí được hòa trộn trước khi đốt cháy Hòa khí tự bốc cháy tại một số điểm trong buồng cháy do nhiệt độ của kỳ nén tăng lên Chế độ cháy này thường sử dụng với hỗn hợp loãng, dẫn đến giảm khối lượng khí nạp mới và nhiệt độ đốt cháy cục bộ do đó làm giảm lượng phát thải NOx Hơn nữa, không giống như động cơ đốt trong CI truyền thống, quá trình cháy HCCI được hòa trộn đều (đồng nhất) [8] Việc giảm các vùng 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 trên nắp xi lanh trong quá trình nạp Điều này được thực hiện độc lập với quá trình nạp khí [9] 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 và nhiệt độ trong xi lanh tăng dần Khi nhiệt độ trong xi lanh đủ lớn sẽ làm cho hỗn hợp 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 sinh công, không giống như động cơ SI, quá trình cháy trong động cơ HCCI diễn ra nhẹ nhàng với tốc độ tăng áp suất ∆p/∆φ nhỏ, nhiệt độ cháy thấp[10] Kết quả vẫn đảm bảo hiệu quả sinh công cao trong khi đó giảm đáng kể các thành phần phát thải độc hại Sau quá trình cháy giãn nở, piston đảo chiều và bắt đầu kỳ thải Khác với các động cơ thông thường, xupap thải trong động cơ HCCI có xu hướng đóng sớm nhằm giữ lại một phần nhiệt lượng cung cấp cho hòa khí ở chu trình tiếp theo Bên cạnh đó, trước kỳ nạp tiếp theo, một lượng nhỏ nhiên liệu sẽ được đưa vào buồng cháy 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 đoạn tỏa nhiệt ban đầu được gọi là tỏa nhiệt ở nhiệt độ thấp (LTHR), trong đó các quá trình nhiệt động học xảy ra chậm và ở nhiệt độ dưới 850 K và chỉ chiếm 7-10% trên tổng lượng nhiệt tỏa trong chu trình [11] Phần năng lượng còn lại của nhiên liệu được giải phóng khi nhiệt độ cháy vượt quá 950 K, quá trình này được gọi là quá trình oxy hóa ở nhiệt độ cao hoặc tỏa nhiệt ở nhiệt độ cao (HTHR) Vùng hệ số nhiệt độ âm (NTC) phân tách LTHR và HTHR như thể hiện trên Hình 1.3 [12] Do

đó, vùng NTC giúp xác định kỳ cháy thông qua thời điểm bắt đầu tốc độ tỏa nhiệt chính Phản ứng cháy có thể được điều khiển trong giai đoạn NTC bằng cách sấy nóng 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 quả nghiên 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 thông thường Killingsworth và cộng sự đã đưa ra một mô hình đơn giản về kỳ cháy HCCI của động cơ thử nghiệm với tỷ số nén là 16 [13] Tác giả đã trình bày một mô hình đơn giản về quá trình đốt cháy HCCI phù hợp với nhiều mức áp suất nạp, nhiệt độ nạp, tỷ số nén tương đương và tốc độ động cơ Mô hình này cung cấp ước lượng về thời gian cháy theo từng chu kỳ Mack JH và cộng sự đã nghiên cứu một động cơ HCCI có tỷ số nén là 17 sử dụng nhiên liệu ethanol pha trộn với nước [14] Tỷ số nén của động cơ thử nghiệm thay đổi từ 20:1 đến 14.87:1 bằng cách thay đổi độ dày của 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 nén 20:1 phạm vi hoạt động của quá trình cháy HCCI bị hạn chế ở mức 30% tải, tốc độ đến 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 3200 vòng/phút và 50% tải Tỷ số nén tối ưu, khi xét đến áp suất chỉ thị trung bình và hiệu suất chỉ thị, ở 2000 vòng/phút và 30% tải là 18:1 [15] Tuy nhiên, ở mức tải cao hơn, tỷ số nén 15,4:1 sẽ cải thiện tính ổn định của quá trình cháy HCCI, nhờ vào 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 thiên nhiên nén (CNG) và nhiên liệu sinh học Khi tỷ số nén lớn hơn và khí nạp được làm nóng trước cho phép vận hành được một động cơ SI bốn xi lanh ở chế độ HCCI trong phạm vi tốc độ và tải trọng thấp [16] Để chế tạo động cơ đốt trong tự cháy thành công về mặt thương mại cho mục đích vận tải, động cơ phải chạy không có nhiệt 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 công nghệ 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 thiết của việc giảm phát thải một lượng đáng kể NOx và bụi mịn khiến cho các nghiên cứu ở giữa thập niên 1990 xoay quanh về sự khả thi của động cơ HCCI sử dụng diesel Các nghiên cứu liên quan đến nhiên liệu kép Mặc dù phương pháp này cung cấp khả năng kiểm soát hiệu quả về thời gian đốt cháy, nhưng sự thành công trong việc phát triển quá trình đốt cháy HCCI với các nhiên liệu khác nhau dễ tiếp cận hơn 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 NG được sử dụng làm nhiên liệu cho hoạt động vận tải ở một số mức độ nhất định, đặc biệt ở nơi có nguồn cung nội địa tốt khiến nó được ưa chuộng NG có chỉ số octane cao 125 và không có tỏa nhiệt ở nhiệt độ thấp (LTHR), khiến nó có khả năng chống bắt lửa Để tạo ra quá trình cháy HCCI, cần phải có nhiệt độ khí nạp cao, ổn định bằng cách sử dụng khí luân hồi được làm mát và ngay cả việc sử dụng như vậy cũng rất 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 vi hoạt động rất hạn chế: Lượng phát thải NOx cao và hiệu suất thấp Trong khi việc thiết kế động cơ có thể đóng một vai trò nhất định, nhưng việc đạt được quá trình cháy HCCI với NG là một thách thức Sử dụng Refomer Gas để bắt đầu quá trình cháy giúp cải thiện hiệu suất [17]; một số thay đổi trong phương án này có thể sẽ được yêu cầu trong tương lai nếu NG được sử dụng như nhiên liệu cho động cơ HCCI Nhiên liệu sinh học chủ yếu gồm ethanol và dầu diesel sinh học là những nhiên liệu thay thế đang được nghiên cứu sử dụng rộng rãi Nhiên liệu sinh học có thể được sử dụng dưới dạng nhiên liệu độc lập nếu ý tưởng nhiên liệu kép thiếu thực tế Tuy nhiên, chúng phải có sẵn một lượng đáng kể để thay thế xăn và dầu diesel là khó khăn Do đó, nó được sử dụng chủ yếu như là một thành phần pha trộn [18] Vì vậy, điều quan trọng là phải xác định xem việc thêm ethanol vào xăng hoặc FAME vào dầu diesel, hay ethanol vào dầu diesel có ảnh hưởng đến quá trình đốt cháy HCCI hay không Nghiên cứu HCCI về việc sử dụng ethanol trong động cơ CI

đã được thực hiện [19] 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 hỗn hợp nhiên liệu diesel đã được thử nghiệm trên động cơ bốn xi lanh Việc bổ sung FAME dường như làm tăng lượng phát thải PM, nhưng tác động không đáng kể so với lợi ích của việc chuyển sang chế độ cháy HCCI Những phát hiện này là đầy hứa hẹn và chỉ ra rằng việc kết hợp nhiên liệu sinh học vào xăng và dầu diesel sẽ không gây ra những thách thức đáng kể cho động cơ HCCI; tuy nhiên, sẽ cần nghiên 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 thải rất 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 [20] Kết quả đã chỉ ra rằng công nghệ HCCI giảm 27% phát thải dạng hạt so với động cơ CI truyền thống Hơn nữa, nghiên cứu cũng cho thấy mối tương quan đáng kể giữa nhiệt độ không khí nạp và lượng phát thải PM Agarwal AK và cộng sự đã tiến hành thử nghiệm quá trình cháy HCCI trên động cơ CI với các tỷ lệ EGR và tỷ lệ không khí/nhiên liệu (A/F) khác nhau [21] 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 rằng động cơ HCCI phun nhiên liệu trực tiếp có lượng PM tương tự như quá trình đốt cháy động cơ SI truyền thống Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng việc tăng tỷ lệ luân hồi khí thải làm giảm lượng PM Một cơ chế tạo PM với đường kính trung bình 10-20 nm cũng đã được chế tạo[22] Hỗn hợp đồng nhất trong xi lanh làm tăng nhiệt độ và áp suất trong quá trình nén, gây ra hiện tượng kích nổ Việc thiếu ngọn lửa nhiệt độ cao đầu quá trình cháy làm giảm sự hình thành NOx [23,24] Theo Olsson JO và cộng sự, phát thải NOx thấp trong động cơ HCCI chạy bằng khí tự nhiên [25,26], và nó giảm hơn nữa khi tăng tỷ lệ EGR Ngay cả ở chế độ không HCCI, 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 với động cơ CI truyền thống [27] 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 NOx đặc biệt thấp và không có PM đáng kể Tuy nhiên, một số thách thức đã hạn chế việc thương mại hóa động cơ HCCI, chẳng hạn như sự hình thành hỗn hợp không khí-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 đồng nhất trong động cơ HCCI trong các chế độ vận hành khác nhau Quá trình hòa trộn nhiên 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 hợp đồng nhất, phương pháp này thường được áp dụng với các nhiên liệu khí hoặc nhiên liệu dễ bay hơi [28-29] Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm đó là hạn chế khả năng kiểm soát đối với thời điểm bắt đầu quá trình cháy trong các chế độ làm việc khác nhau Trong khi đó, hình thành hòa khí bên trong sẽ được thực hiện bằng cách phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng cháy trong quá trình nạp hoặc đầu quá trình nén

Ngược lại, việc phun muộn xảy ra ở điểm chết trên (ĐCT) hoặc sau hành trình nén Các đặc tính của nhiên liệu xác định quá trình tạo hòa khí, thời điểm phun, phát triển tia phun, bay hơi và khuếch tán trong khí nén Trong kỳ nén, việc phun nhiên liệu sớm bị hạn chế do sự xuất hiện của tia phun va chạm với thành xi lanh, làm tăng lượng khí thải HC, CO và pha loãng dầu bôi trơn [30] Phun tách lớp

và mở rộng thời điểm phun, làm nóng bộ EGR có thể giúp tăng cường quá trình trộn không khí-nhiên liệu Giai đoạn đốt cháy là một thách thức khác của yêu cầu công nghệ HCCI với góc quay trục khuỷu hẹp gần ĐCT CA50, điểm góc quay của trục khuỷu mà tại đó 50% tổng nhiệt lượng truyền ra, được sử dụng để mô tả giai đoạn đốt cháy [31] Thời gian và lượng nhiên liệu phun trong động cơ CI ảnh hưởng đến giai đoạn đốt cháy Tuy nhiên, do nhiên liệu trong động cơ HCCI được trộn sẵn và loãng nên quá trình đánh lửa của động cơ được kiểm soát bởi tính chất hóa học ở nhiệt độ thấp của nhiên liệu [32] Cấu trúc phân tử của nhiên liệu, thời gian tồn tại,

hệ số dư lượng không khí và tương quan nhiệt độ-áp suất của lượng khí nạp đều góp phần ảnh hưởng đến tốc độ của các quá trình oxy hóa ở nhiệt độ thấp [33] Kiểm soát thời gian đốt cháy của động cơ HCCI là một thách thức do độ nhạy của LTHR đối với đặc tính hóa học nhiên liệu và điều kiện môi trường [34] Quá trình đốt cháy theo giai đoạn làm tăng tốc độ động cơ và tiếng ồn nếu lượng nhiệt chính tỏa sớm trong quá trình nén Mặt khác, việc đánh lửa muộn kết hợp với lượng khí nạp ít làm tăng khả năng đánh lửa sai, dẫn đến lượng khí thải HC rất cao và hiệu suất động cơ thấp hơn

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

có ích trung bình (BMEP) [35] Thông thường động cơ CI có tăng áp đạt được BMEP khoảng 18 bar IMEP của động cơ HCCI nạp khí thông thường là 5 bar [36] PRR cao gây ra tiếng nổ cộng hưởng âm thanh và rút ngắn quá trình đốt cháy Phun gián đoạn làm giảm áp suất cực đại và tốc độ tỏa nhiệt trong động cơ HCCI-DI chạy bằng xăng-ethanol Việc kiểm soát HRR và PRR trong động cơ HCCI yêu cầu phương 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 CO cao hơn Lượng phát thải HC và CO tăng lên khi thời gian cháy lâu hơn Khe hở nằm trên xéc măng khí đầu tiên của piston là nguồn tạo ra HC chính Các vùng HC chưa cháy phân bố chủ yếu dọc theo đường tâm, thể tích tạo xoáy và thể tích lõm trên 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 độ không khí đầu vào và tỷ số nén (C.R.) có thể làm giảm lượng khí thải HC và CO [37]

Trong động cơ HCCI, thời điểm cháy và tốc độ cháy chủ yếu được kiểm soát bởi quá trình nhiệt động học của nhiên liệu, quá trình này rất nhạy cảm với sự thay đổi của áp suất và nhiệt độ trong kỳ nén Mục tiêu chính của quá trình đốt cháy HCCI là duy trì mức tiết kiệm nhiên liệu cao trong các trường hợp tải nhỏ đồng thời giảm lượng khí thải NOx và PM Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng cả hai quá trình tỏa 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 những vấn đề quan trọng nhất đối với hoạt động của động cơ HCCI là việc tỏa nhiệt ở nhiệt 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 vận hành ở chế độ tải cao, tỏa nhiệt nhanh hơn, thải ra nhiều CO và HC hơn, đặc biệt là khi hoạt động ở chế độ tải nhỏ dễ gặp sự cố khi khởi động lạnh, thải ra nhiều NOx hơn 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 vẫn không có cơ chế điều khiển thời điểm đánh lửa được xác định một cách rõ ràng Sấy nóng khí nạp, bộ truyền động xupap biến thiên, thời gian mở xupap biến thiên, tỷ số nén thay đổi và lượng khí EGR là một số nghiên cứu đã xem xét các phương pháp kiểm soát quá trình đốt cháy HCCI Ngoài ra, một số nghiên cứu tập trung vào tác động của các tính năng vật lý và hóa học khác nhau của nhiên liệu để chi phối quá trình đốt cháy HCCI Do công nghệ này chưa phát triển đến mức phù hợp nên các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới đang nỗ lực để tạo ra động cơ HCCI Chúng có thể được sử dụng trong các thiết kế động cơ SI hoặc CI có tỷ số nén cao Không sử dụng vòi phun diesel hoặc bugi đánh lửa, động cơ HCCI có khả năng tạo ra hiệu suất động cơ cao và ít phát thải Một chiếc ô tô nguyên mẫu với động cơ SI chạy chế độ HCCI đã được thiết kế bởi General Motors Corporation (G.M.), và nó có thể giảm 15% mức tiêu thụ nhiên liệu Khả năng loại bỏ phát thải NOx của động cơ và giảm tổn thất nhiên liệu góp phần cải thiện hiệu suất làm việc của động cơ Các nghiên cứu về quá trình cháy đã phát triển đáng kể trong những năm gần đây, bao gồm tất cả các khía cạnh của quá trình đốt cháy Các nghiên cứu về tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải tốt hơn đang xuất hiện Nghiên cứu về nhiên liệu thay thế đang được thúc đẩy bởi những lo ngại về môi trường ngày càng tăng về việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch và sự nóng lên toàn cầu Do khả năng thích ứng nhiên liệu, HCCI có thể được sử dụng với nhiều loại nhiên liệu khác nhau với các chỉ số octan/cetan khác nhau Cơ chế cháy của động cơ HCCI không quá nhạy cảm với các tính chất của nhiên liệu như độ nhớt và tốc độ ngọn lửa Có thể sử dụng bất kỳ loại

nhiên liệu trị số octane hoặc cetane Tuy nhiên các loại nhiên liệu khác nhau cần các điều 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 nào cũng có thể được sử dụng trong động cơ HCCI có tỷ số nén thay đổi hoặc điều khiển được thời gian đóng mở xupap, miễn là nhiên liệu được hóa hơi và kết hợp với 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 của chúng, cũng như hỗn hợp xăng và dầu diesel và các hỗn hợp iso-octan với heptan khác 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 cơ HCCI là một lựa chọn tốt Sự cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch và lượng khí thải lớn của động cơ thông thường là những lý do chính để phát triển động cơ HCCI chạy bằng nhiên liệu sinh học Tuy nhiên, việc đạt được tiêu chuẩn phát thải trong tất cả các giai đoạn vận hành không phải là điều dễ dàng Do đó, các nghiên cứu tập trung vào việc 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 động của các thông số vận hành đối với hiệu suất của động cơ HCCI chạy bằng ethanol trước khi có thể đạt được các cải tiến khác Ngoài ra, cũng chỉ có một vài công trình khoa học đánh giá tập trung vào các động cơ sử dụng nhiên liệu ethanol chạy chế độ HCCI Do đó, việc giải quyết các hạn chế và tính ổn định của động cơ HCCI chạy bằng loại nhiên liệu này cần nghiên cứu chuyên sâu

Là thế hệ tiếp theo của ICE, các chuyên gia động cơ đang nghiên cứu tiềm năng 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 những phương pháp chính được sử dụng để phát triển động cơ HCCI chạy bằng nhiên liệu ethanol 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 tăng IMEP đối với HCCI Trong khi giảm phát thải HC, tăng áp suất cũng làm giảm phát thải NOx Theo các nhà nghiên cứu, ưu điểm quan trọng của HCCI là giảm phát thải NOx

Các nhà khoa học đã chứng minh rằng phạm vi hoạt động chấp nhận được của HCCI chạy bằng nhiên liệu ethanol sinh học có thể được cải thiện một cách hiệu quả bằng cách sử dụng hệ thống cảm biến xác định trạng thái và hệ thống lưu trữ khí oxy dư, như Yap D và cộng sự đã chỉ ra [38] Hệ thống lưu trữ và xử lý tín hiệu làm tăng khả năng điều chỉnh thời gian cháy Có thể giảm mức phát thải NOx bằng cách sử dụng nhiều khí luân hồi hơn và tăng áp suất khí nạp Mặt khác, lượng phát thải CO tăng do tổn thất bơm tăng Zhang Y và cộng sự đã sử dụng động cơ SI Ricardo với chiến lược định thời gian mở xupap trong nghiên cứu [39] Các động cơ HCCI 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 gian đóng mở xupap và lambda ảnh hưởng đáng kể đến thời điểm đánh lửa và thời gian

đốt 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

cơ HCCI, họ nhận thấy rằng phạm vi hoạt động của động cơ bị hạn chế do hiện tượng kích nổ

Hơn nữa, quá trình đốt cháy HCCI được thực hiện bằng cách điều chỉnh lượng phát thải bị giữ lại thông qua việc sử dụng phương pháp điều chỉnh góc trùng điệp của xupap Bộ làm chậm thời gian cháy trễ đã được sử dụng để giảm tiếng gõ động cơ HCCI khi tải cao Vì quá trình tự bốc cháy xảy ra trong quá trình giãn nở, nên tác động của sự phân tầng nhiệt tồn tại tự nhiên do quá trình truyền nhiệt tạo ra được tăng cường, kéo dài thời gian tự cháy theo giai đoạn và giảm mức tỏa nhiệt cao nhất Việc triệt tiêu tiếng gõ và giảm phát thải cũng có thể đạt được bằng cách

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 xi lanh bằng cách lấp đầy buồng đốt và pha loãng không khí bên trong, cũng như tăng cường 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 [40] 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 phát thải 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 các loại nhiên liệu khác nhau đối với quá trình đốt cháy và phạm vi hoạt động của HCCI Việc thêm iso-octan vào ethanol sẽ làm chậm quá trình cháy, dẫn đến giảm IMEP và hiệu suất nhiệt Ngoài ra, họ phát hiện ra việc tăng nhiệt độ khí nạp đã đẩy nhanh quá trình cháy Vấn đề này đã được nghiên cứu nhiều lần để xem liệu nước trong 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 [41] đã thử nghiệm hỗn hợp ethanol-nước trong động cơ HCCI sử dụng ethanol ướt Pha trộn nước như một cách để kiểm soát quá trình cháy đã được nghiên cứu bởi Mack JH và cộng sự [42] Các nhà nghiên cứu đã chứng minh lambda cao nhất có thể đạt được khi tăng hàm lượng 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 cao nhất có thể đạt được Khi trộn ethanol và nước, tốc độ tăng áp suất tối đa có thể giảm 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 tự cháy, bất kỳ loại nhiên liệu nào cũng phải có khả năng hóa hơi và sau đó được nén đến nhiệt độ khoảng 1100 K Nói cách khác, các giới hạn hoạt động của HCCI dựa trên 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 bên

ngoài động cơ, loại bỏ việc phun nhiên liệu lỏng trực tiếp vào động cơ, ảnh hưởng đến 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 NOx giảm 1,6 ppm với 35% hàm lượng nước theo thể tích được Martinez- Frias và đồng nghiệp sử dụng trong động cơ HCCI Độ ổn định của động cơ HCCI sau đó đã được chứng minh bằng ethanol chứa tới 40% nước theo thể tích trong hỗn hợp nhiên liệu của động cơ Olberding J và cộng sự đã thử nghiệm hiệu suất của động cơ trên hỗn hợp nhiên liệu xăng hoặc ethanol-nước (70% ethanol với 30% nước) trên phương tiện vận tải [43] Khi sử dụng ethanol ướt, hiệu suất nhiệt của động cơ có thể được tăng lên đáng kể trong khi lượng phát thải NOx và CO giảm đáng kể so với xăng

Trong nghiên cứu của mình, Bilal Aydoğan đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu ethanol/n-heptane trong động cơ HCCI đến các đặc tính đốt cháy, hiệu suất và phát thải đã được kiểm tra [44] Các thí nghiệm được thực hiện ở nhiệt độ khí nạp không đổi là 60oC, tỷ số nén 13 và các giá trị lambda khác nhau Nghiên cứu chỉ ra rằng hiệu suất nhiệt tăng khoảng 3% khi bổ sung ethanol ở mức λ=2,5 Có thể nói, ethanol đã làm quá trình cháy ổn định hơn cho động cơ HCCI

Cũng theo hướng kết hợp các loại nhiên liệu, P Saisirirat và các cộng sự đã hòa 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% và 40% [45] Nghiên cứu thử nghiệm này nhằm định lượng tác động của hỗn hợp nhiên liệu đến tốc độ giải phóng nhiệt Kết quả cho thấy nhiên liệu hỗn hợp làm cải thiện 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 làm việc 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 trung vào việc nghiên cứu tìm hiểu việc kết hợp các loại nhiên liệu khác nhau để tạo ra động cơ HCCI làm việc ổn định

1.2.4 Động cơ HCCI sử dụng nhiên liệu n-heptan

Nghiên cứu về HCCI chỉ ra rằng việc sử dụng thuần túy nhiên liệu có độ phản ứng cao trong động cơ HCCI là không đủ để kiểm soát giai đoạn cháy Nên ưu tiên sử dụng nhiên liệu có độ phản ứng thấp và cao làm hỗn hợp để đạt được hiệu suất động cơ cao, đồng thời mở rộng phạm vi vận hành [46] Jianan Wei và các cộng sự cũng đã kết hợp nhiên liệu n-heptan với iso-octan trong nghiên cứu của mình về quá trình cháy [47] Với việc hình thành hỗn hợp bên ngoài xi lanh để thiết lập chế độ cháy HCCI cho động cơ sẽ phù hợp với các loại nhiên liệu có khả năng bay hơi tốt như n-heptan Các đặc tính của nhiên liệu n-heptan được trình bày cụ thể trong Bảng 1.1

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

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 kép trong điều kiện làm việc giống như động cơ Họ đã chỉ ra rằng khi nồng độ n-heptan tăng dẫn đến quá trình tự cháy của hỗn hợp nhiên liệu kép tăng [48] Trong khi đó, Bilal Aydoğan và Alper Calam đã tìm hiểu đặc tính cháy, hiệu suất và phát thải của động cơ HCCI sử dụng hỗn hợp n-butanol/n-heptan Họ đã sử dụng n-butanol có độ phản ứng thấp và độ bay hơi cao hòa trộn với n-heptan với các tỷ lệ khác nhau (25 thể tích và 50 thể tích) Các thí nghiệm được thực hiện ở các tốc độ động cơ khác nhau (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 giảm khi tăng n-butanol trong hỗn hợp Công suất ra và mô men có ích có xu hướng tương tự nhau, lúc đầu tăng lên sau đó giảm xuống khi đạt giá trị xác định Hiệu suất nhiệt tăng lên khi tăng lambda [49]

Tại Việt Nam, tiến sĩ Khương Thị Hà [50] cũng tiến hành nghiên cứu động

cơ HCCI bằng việc bổ sung nhiên liệu n-heptan trên đường ống nạp để tăng thời gian hòa trộn không khí nhiên liệu để tạo ra hỗn hợp đồng nhất Tác giả đã tiến hành nghiên 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 công trong 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 học ethanol với n-heptan và dầu diesel Đây là một hướng đi mới nhằm giảm sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch còn nếu sử dụng n-heptan với nhiên liệu sinh học 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 mới của mô hình động cơ cháy ở nhiệt độ thấp (LTC) nhằm đáp ứng các yêu cầu về năng lượng, môi trường và nâng cao tính kinh tế của động cơ Động cơ HCCI thực hiện quá trình cháy bằng việc điều khiển quá trình tạo hỗn hợp đồng nhất trước khi nạp vào 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 trong buồng cháy mà không cần các thiết bị xử lý khí thải diesel (SCR, DPF) Các loại nhiên 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 cơ cháy ở nhiệt độ thấp (LTC), điển hình là động cơ HCCI, là một hướng phát triển mới 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 thấp còn khá mới mẻ Hiện tại, mới chỉ có một số công trình nghiên cứu về động cơ nén cháy hỗn hợp đồng nhất của các tác giả từ Đại học Bách khoa Hà Nội [50-52]

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

Ngoài ra, nhóm tác giả cũng khảo sát, đánh giá ảnh hưởng của các thông số như tỷ số nén, tỷ lệ khí thải luân hồi, và nhiệt độ sấy nóng khí nạp đến khả năng mở rộng vùng làm việc của động cơ HCCI Kết quả khảo sát cho thấy, khi giảm tỷ số nén từ 20:1 xuống 14,87:1, không áp dụng luân hồi khí xả và nhiệt độ sấy nóng khí nạp giữ nguyên thì động cơ làm việc ổn định tới 30% tải, 2000 v/ph Thời điểm bắt đầu cháy diễn ra muộn hơn, nhưng giảm tỷ số nén ảnh hưởng đến hiệu quả làm việc của 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 hành nghiên cứu thực nghiệm và đánh giá các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ CI D4BB lắp trên xe tải Huyndai 1,25 tấn khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol tại 100% tải với tỷ lệ ethanol thay thế được lựa chọn ở sát giới hạn kích nổ [53] Kết quả nghiên cứu cho thấy khi tăng tốc độ động cơ thì tỷ lệ thay thế ethanol giảm, suất tiêu thụ năng lượng, phát thải CO và độ khói giảm, trong khi phát 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 thay

thế khi chạy lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol nhằm đảm bảo động cơ làm việc ổn định, tuy nhiên các chỉ tiêu phát thải, đặc biệt là NOx lại tăng so với động cơ chưa hoán cải

Để đạt được chế độ HCCI, động cơ đảm bảo các yêu cầu về việc tạo hỗn hợp đồng nhất, áp suất nhiệt độ phù hợp cho quá trình tự cháy… để đạt được các yêu 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 xung phun (3 ms, 4 ms và 5 ms) Kết quả nghiên cứu cho thấy việc tăng tỷ lệ ABE sẽ làm giảm 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 dụng ABE5 và ABE10 so với động cơ CI tương ứng Hơn nữa, việc tăng độ rộng xung sẽ làm tăng BSFC và giảm đáng kể BTE trung bình 10 % So với khi sử dụng nhiên liệu diesel, phát thải NOx trung bình giảm 20,2 % và 24,8% tương ứng khi sử dụng nhiên 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 khí nạp bằng 140°C Thời gian phun tăng làm giảm phát thải NOx tới 24,7 % Lượng phát thải NOx giảm 12,5 % khi độ rộng xung phun tăng từ 3 ms lên 5 ms do quá trình đốt cháy có tỷ lệ trộn sẵn cao hơn dẫn đến nhiệt độ đốt cháy thấp hơn Giai đoạn đốt cháy của động cơ rất nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ khí nạp, dẫn đến quá trình đốt cháy bắt đầu sớm hơn khi nhiệt độ khí nạp tăng lên Ngoài ra, giai đoạn cháy tăng khi độ rộng xung tăng lên, điều này cho thấy độ nhạy đối với lượng nhiên 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 hỗn hợp nhiên liệu với 20% n-heptan và 80 nhiên liệu % isooctan được nghiên cứu bởi Cinar, C và các cộng sự [55] Nhiệt độ khí nạp được thay đổi từ 40°C đến 120°C

Các thí nghiệm được thực hiện với động cơ SI chạy chế độ HCCI, xi lanh đơn, bốn

kỳ với hai hệ số dư lượng không khí khác nhau (λ = 0,6 và λ = 0,7) ở 1200 v/ph Kết quả cho thấy áp suất trong xi lanh và tốc độ tỏa nhiệt tăng khi nhiệt độ khí nạp tăng Nhiệt độ khí nạp tăng làm cho quá trình cháy diễn ra nhanh hơn và thời gian cháy giảm xuống Ở nhiệt độ khí nạp 70°C, mô men có ích giảm 3,1% khi động cơ hoạt động với λ = 0,6 so với λ = 0,7 Suất tiêu hao liệu có ích và lượng phát thải NOx có xu hướng tăng ở nhiệt độ không khí nạp cao hơn 100°C và 120°C Phát thải

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 hưởng trực tiếp đến quá trình cháy, hiệu suất của động cơ, suất tiêu hao nhiêu liệu, cũng như đặc tính phát thải của động cơ đốt trong Tác giả Khương Thị Hà đã nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ số nén tới đặc tính cháy của động cơ HCCI [50] Kết quả mô phỏng cho thấy: Giảm tỷ số nén động cơ vẫn làm việc theo nguyên lý HCCI, thời điểm 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 của động cơ HCCI đối với các đặc tính đốt cháy của động cơ xi lanh đơn TY1100 sử dụng nhiên liệu bằng dimethyl ether [56] Kết quả cho thấy động cơ HCCI dimethyl ether (DME) có thể hoạt động ổn định và có thể không phát thải nitơ oxit (NOx) và đốt cháy không khói với tỷ số nén của cả 10,7 và 14 Quá trình cháy chia thành hai giai đoạn rõ ràng tại ɛ = 10,7 và điểm bắt đầu cháy được quyết định bởi nhiệt độ nén, nhiệt độ này thay đổi rất ít theo tải của động cơ; điểm bắt đầu cháy có quan hệ chặt chẽ với tải động cơ (nồng độ hỗn hợp) với sự gia tăng nhiệt độ nén và nó di chuyển về phía trước so với góc quay khi tải động cơ tăng ở ɛ = 14; thời gian đốt cháy được rút ngắn với sự gia tăng tải của động cơ ở cả hai tỷ số nén Các nghiên cứu 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 theo khối lượng khác nhau đối với động cơ HCCI chế độ nhiên liệu kép làm việc trong các điều kiện tải khác nhau [57] Ethanol (nhiên liệu chính) được cung cấp qua bộ chế 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 gian đốt 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/diesel sinh học (E + B20) so với động cơ CI thông thường

Trong khi đó, Calam, A và các cộng sự [46] đã nghiên cứu kiểm soát giai đoạn cháy HCCI bằng cách thử nghiệm nhiên liệu tinh khiết có độ phản ứng thấp và hỗn hợp của chúng ở các tỷ lệ khác nhau n-heptan được chọn làm nhiên liệu có độ phản ứng cao, trong khi n-heptan nặng được sử dụng làm nhiên liệu có độ phản ứng thấp 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 suất nhiệt 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 đã xác định rằng nhiên liệu HN75 cung cấp các điều kiện vận hành tối ưu cho quá trình đốt cháy HCCI và cũng gây ra lượng khí thải CO và HC thấp Hiệu suất nhiệt chỉ thị đạt được là khoảng 36% và trong phạm vi hoạt động khi sử dụng nhiên liệu HN75 và HN100 Nghiên cứu này cho thấy nhiên liệu n-heptan đã cải thiện đáng kể khả năng kiểm soát chế độ cháy trong động cơ HCCI Các kết quả khả quan đã thu được 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 kiểu phân lớp và đặc biệt là sử dụng hệ thống luân hồi khí xả hoặc là giữ khí sót để hoà trộn cùng hỗn hợp không khí/nhiên liệu Phương pháp này thường được sử dụng để thay 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 cả hiệu quả cao và lượng phát thải NOx và PM rất thấp [58] Tuy nhiên, phạm vi hoạt động của động cơ HCCI bị giới hạn bởi PRR (tốc độ tăng áp suất) quá mức ở vùng tải cao, đây là nguyên nhân chính gây ra tiếng gõ của động cơ Vấn đề này có nguyên nhân bởi trong quá trình cháy HCCI, thời điểm cháy nên được lùi lại sau điểm chết trên bằng cách kiểm soát nhiệt độ hợp lý Ngoài ra, thời gian cháy cũng cần được đảm bảo đầy đủ Lượng khí luân hồi có tác động đến làm thay đổi nhiệt độ khí nạp qua đó ảnh hưởng đến phạm vi làm việc của chế độ cháy HCCI [59-61]

Các nghiên cứu trong và ngoài nước đều chỉ ra rằng động cơ HCCI hiệu quả hơn bởi chúng làm giảm đồng thời cả NOx và PM, trong khi vẫn tiết kiệm nhiên liệu, 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 khí thiên nhiên nén kết hợp với nhiên liệu diesel để tạo chế độ cháy HCCI, việc kết hợp các 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 cao hơn do nhiệt độ cháy thấp hơn, tác động của tia phun và nhiệt độ thành lạnh trong xi lanh Bên cạnh đó, động cơ HCCI có sử dụng ethanol làm nhiên liệu vẫn còn một số nhược điểm cần khắc phục như: Khả năng kiểm soát nhiệt độ tự cháy, khó khởi động lạnh và khả năng chịu tải hạn chế Để khắc phục hiện tượng này, việc bổ sung thêm 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 đang tập trung vào việc chuyển đổi động cơ truyền thống sang động cơ HCCI cùng với việc hoán cải động cơ thì việc mở rộng phạm vi làm việc để phù hợp với các loại nhiên liệu khác nhau là việc làm phù hợp và cần thiết Động cơ HCCI sử dụng hỗn hợp n-heptan/ethanol/diesel làm nhiên liệu là hướng đi của luận án

2 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CHÁY

HCCI

Để xây dựng mô hình động cơ sử dụng đa nhiêu liệu và mô hình điều khiển động cơ HCCI trước hết cần phải nghiên cứu cơ sở lý thuyết để xây dựng mô hình Trong chương này, NCS trình bày cơ sở lý thuyết mô hình động cơ HCCI sử dụng nhiên liệu n-heptan/ethanol/diesel Các bước còn lại như tính toán thiết kế hệ thống

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

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 bắt nguồn từ bugi, còn động cơ CI ngọn lửa bao quanh tia phun và nhiên liệu tự bốc cháy 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 nhiên liệu 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 với động cơ CI Ngoài ra có thể tăng nhiệt độ hỗn hợp ở cuối kỳ nạp thông qua gia nhiệt khí nạp, sấy nóng bằng bugi sấy hoặc tận dụng khí sót trong xi lanh Tất cả những phương pháp này có thể giúp cho hỗn hợp nhanh đạt đến nhiệt độ tự cháy hơn và hỗn 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 được hình 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

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

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

- 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 Trộn đúng 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 xác hỗn hợp không khí-nhiên liệu và điều chỉnh thành phần, nhiệt độ và áp suất của hỗn hợp để tối ưu hóa quá trình đốt cháy trong các điều kiện vận hành khác nhau Hỗn hợp nhiên liệu-không khí được trộn đều sau đó được đưa vào buồng đốt thông qua các 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 cao không cần đánh lửa tương tự như động cơ CI

Hỗn hợp hình thành đồng nhất khi có đủ thời gian cần thiết vì vậy hình thành 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 với dòng khí nạp để tăng cường khả năng bay hơi của nhiên liệu Hỗn hợp được hình thành 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 [62] đã so sánh đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu ethanol và methanol so với xăng trong động cơ HCCI, kết quả cho 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 với các chế độ đốt cháy thông thường đối với tất cả các loại nhiên liệu Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng giá trị tối đa của ISNOx từ tất cả nhiên liệu thử nghiệm là 0,26 g/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 độ HCCI cao hơn

Kannan và các công sự [63] đã nghiên cứu thiết lập chế độ HCCI với nhiên liệu LPG trên động cơ CI, kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu suất nhiệt của động cơ khi 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 dao động trong khoảng từ 7,62 ÷ 34,76% Khi động cơ chạy bằng khí LPG theo chế độ

HCCI thì HC và CO tăng, trong khi phát thải NOx có thể giảm tới 75% so với khi động cơ chạy bằng nhiên liệu diesel

Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống thử nghiệm

Ma và các cộng sự [64] đã nghiên cứu động cơ HCCI-DI với nhiên liệu kép, với n-heptan được phun vào đường nạp kết hợp với diesel được phun trực tiếp trong buồng cháy (Hình 2.4), kết quả cho thấy lượng phát thải NOx giảm trong khi lượng

bồ hóng không thay đổi nhiều Ngoài ra hiệu suất nhiệt của động cơ được cải thiện khi động cơ hoạt động ở chế độ tải thấp và trung bình

Đối với hệ thống PFI, vấn đề cần quan tâm nhất là khả năng bay hơi của nhiên liệu Nhìn chung diesel chỉ hóa hơi hoàn toàn ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ trên đường ống nạp Nhiệt độ đường nạp thấp dẫn tới nhiên liệu không bay hơi hoàn toàn, bám trên thành vách buồng cháy xi lanh làm tăng phát thải HC rửa trôi dầu bôi trơn và làm giảm đáng kể hiệu suất cháy động cơ [65] Vì vậy với nhiên liệu diesel phun trên đường nạp cần quan tâm nhiều đến sấy nóng khí nạp [66] Ngoài ra thời gian hòa trộn kéo dài dẫn tới thời điểm cháy thường diễn ra sớm hơn so với động CI thông thường khi ta giữ nguyên tỷ số nén động cơ Kết quả sẽ làm tăng tổn thất nhiệt, rung động và ồn Để làm chậm thời điểm cháy, một giải pháp được áp dụng phổ biến đó là kết hợp với luân hồi khí thải [67] Ngoài ra khí luân hồi có nhiệt độ cao sẽ giúp tăng cường khả năng bay hơi của nhiên liệu Tuy nhiên tỷ lệ EGR cao cũng làm tăng phát thải CO và HC

Đối với động cơ HCCI hình thành hỗn hợp bên trong, không khí và nhiên liệu được đưa trực tiếp vào buồng cháy Điều này thường được thực hiện bằng cách phun nhiên liệu vào đường ống nạp và để nó trộn với không khí đi vào Chìa khóa