Phân tích đặc điểm kết cấu, nguyên lý hoạt động và khả năng ứng dụng của động cơ HCCI làm nguồn động lực cho ô tô, máy kéo

Do hỗn hợp nhiên liệu - không khí trên loại động cơ này được hoà trộn từ trước và thường xung quanh giá trị lý tưởng hệ số dư lượng không khí: λ ~1, nên quá trình cháy sản sinh ít bồ hón

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ÔTÔ

NHA TRANG - 2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ÔTÔ

GVHD: ThS MAI SƠN HẢI

NHA TRANG - 2013

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Sỹ Ngọc Lớp: 51CKOT

Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô Mã Ngành: 52510205

Tên đề tài: “Phân tích đặc điểm kết cấu, nguyên lý hoạt động và khả năng

ứng dụng của động cơ HCCI làm nguồn động lực cho ô tô, máy kéo”

Số trang:112 Số chương:4 Số tài liệu tham khảo:43

Hiện vật: CD chứa toàn bộ nội dung đồ án

NHẬN XÉT

………

………

………

………

Kết luận: ………

………

Nha Trang, ngày … tháng … năm 2013

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Th.S Mai Sơn Hải

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Sỹ Ngọc Lớp: 51CKOT

Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô Mã Ngành: 52510205

Tên đề tài: “Phân tích đặc điểm kết cấu, nguyên lý hoạt động và khả năng

ứng dụng của động cơ HCCI làm nguồn động lực cho ô tô, máy kéo”

Số trang:112 Số chương:4 Số tài liệu tham khảo:43

Hiện vật: CD chứa toàn bộ nội dung đồ án

NHẬN XÉT

………

………

………

………

Điểm phản biện: ………

Nha Trang, ngày … tháng … năm 2013

CÁN BỘ CHẤM PHẢN BIỆN

(Ký và ghi rõ họ tên)

Nha Trang, ngày … tháng … năm 2013

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

(Ký và ghi rõ họ tên)

ĐIỂM CHUNG

Bằng số Bằng chữ

MỤC LỤC

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN i

MỘT SỐ THUẬT NGỮ VÀ KÝ HIỆU THƯỜNG DÙNG v

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ vi

LỜI NÓI ĐẦU 1

I.ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 6

II.NỘI DUNG 6

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ HCCI 7

1.1.Lịch sử phát triển động cơ HCCI/CAI 7

1.2.HCCI là gì? 10

1.3.Cơ sở lý thuyết của động cơ HCCI 11

1.4.Ưu điểm của động cơ HCCI 13

CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ HCCI 19

2.1.Nguyên lý hoạt động của động cơ HCCI 19

2.1.1.Nguyên lý hoạt động của động cơ HCCI 19

2.1.2.Nhược điểm động cơ HCCI 27

2.1.3.Một số giải pháp khắc phục và nâng cao chất lượng quá trình cháy cho động cơ HCCI 31

2.2.Đặc điểm kết cấu động cơ HCCI 48

2.2.1.Khái quát các hệ thống cơ bản 49

2.2.2.Hệ thống đánh lửa 54

2.2.3.Hệ thống nhiên liệu động cơ HCCI 58

2.2.3.1.Hệ thống nhiên liệu diesel HCCI 58

2.2.3.2.Hệ thống nhiên liệu xăng HCCI 74

2.2.4.Hệ thống phân phối khí thông minh 78

2.2.5.Hệ thống tuần hoàn khí xả EGR 88

2.2.6.Các cảm biến trong hệ thống điều khiển động cơ 92

CHƯƠNG 3: KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ HCCI LÀM NGUỒN ĐỘNG LỰC CHO Ô TÔ, MÁY KÉO 102

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 106

4.1.Kết luận 106

4.2.Kiến nghị và đề xuất 107

TÀI LIỆU THAM KHẢO 109

MỘT SỐ THUẬT NGỮ VÀ KÝ HIỆU THƯỜNG DÙNG

MIT : Massachusetts Institute of Technology

HCCI : Homogeneous Charge Compression Ignition

CAI : Controlled Auto Ignition

EFI : Electronic Fuel Injection

GDI : Gasoline Direct Injection

FSI : Fuel Stratified Injection

VVT : Variable Valve Timing

VVT-i :Variable Valve Timing with intelligence

VVTL-i : Variable Valve Timing and Lift intelligent system

VTEC :Variable Valve Timing and Lift Electronic Control

VANOS : VAriable NOckenwellen Steuerung

EGR : Exhaust Gas Recirculation

ESA : Electronic Spark Advance

DIS : Direct Ignition System

ON : Octane Number

SI : Spark Ignition Engine

CI : Compression Ignition Engine

SVC : Saab Variable Compression

VCR : Variable Compression Ratio

ECU : Electronic Control Unit

SCV : Van điện từ cung cấp nhiên liệu bơm cao áp

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Động cơ diesel bầu nhiệt (2 kỳ) 8

Hình 1.2: Sự khác biệt giữa quá trình cháy động cơ HCCI với động cơ đốt trong truyền thống 10

Hình 1.3: Quá trình cháy của động cơ truyền thống và động cơ HCCI 13

Hình 1.4: So sánh áp suất trong xylanh của HCCI và động cơ xăng 14

Hình 1.5: Vùng làm việc chính của động cơ HCCI 15

Hình 1.6: Cơ chế hình thành NOx và bồ hóng của các loại động cơ 16

Hình 1.7:So sánh phát thải NOx của các loại động cơ 17

Hình 1.8: Mô hình động cơ HCCI đa nhiên liệu của Zhen Huang 18

Hình 2.1: Mô phỏng nguyên lý hoạt động của động cơ HCCI với hệ thống phun nhiên liệu trên đường nạp 19

Hình 2.2: Mô phỏng nguyên lý hoạt động của động cơ xăng HCCI với vòi phun trực tiếp 20

Hình 2.3: Nguyên lý hoạt động chung của động cơ HCCI với hệ thống phun xăng trực tiếp vào buồng đốt 21

Hình 2.4: Vùng làm việc của động cơ HCCI 23

Hình 2.5: So sánh quá trình cháy động cơ HCCI với động cơ xăng SI 24

Hình 2.6: Diễn biến quá trình cháy của động cơ HCCI so với động cơ xăng 25

Hình 2.7: Đặc tính tỏa nhiệt của quá trình cháy động cơ xăng đánh lửa và động cơ nén cháy diesel 25

Hình 2.8: Đặc tính tỏa nhiệt của quá trình cháy động cơ HCCI 26

Hình 2.9: Tỉ lệ phát thải NOx, HC, CO theo λ 28

Hình 2.10: Đồ thị công suất động cơ HCCI với nhiên liệu LPG 29

Hình 2.11: Các phương pháp hình thành hỗn hợp đồng nhất trên động cơ HCCI 31

Hình 2.12: Quy luật xung phun đối với quá trình phun sớm 33

Hình 2.13: So sánh tia phun trên động cơ HCCI và động cơ diesel truyền thống 34

Hình 2.14: Mô phỏng sự hình thành hỗn hợp trên động cơ HCCI 34

Hình 2.15: Dạng đỉnh piston, góc côn tia phun, góc phun sớm và chia lưới mô phỏng theo mã KIVA-3V tại 20 độ ĐCT 35

Hình 2.16: Sơ đồ điều khiển thời điểm cháy trên động cơ HCCI 36

Hình 2.17: Ảnh hưởng của tỷ số nén tới áp suất quá trình cháy 37

Hình 2.18: Ảnh hưởngtỷ số nén tới nhiệt độ bắt đầu quá trình cháy 38

Hình 2.19: Mô hình động cơ SAAB với hệ thống thay đổi tỷ số nén tự độngSVC………… 39

Hình 2.20: Mô hình động cơ HCCI hãng LUTUS với hệ thống thay đổi tỷ số nén tự động VCR 39

Hình 2.21: Ảnh hưởng góc xả sớm đến nhiệt độ trongxylanh 40

Hình 2.22: Ảnh hưởng góc xả sớm đến áp suất trongxylanh 41

Hình 2.23: Đồ thị ảnh hưởng EGR đến công suất động cơ HCCI 42

Hình 2.24: Đồ thị ảnh hưởng EGR đến suất tiêu hao nhiên liệu 42

Hình 2.25: Đồ thị ảnh hưởng EGR đến NOx động cơ HCCI 42

Hình 2.26: Mô phỏng điều khiển nhiệt độ khí nạp của Olof Erlandsson 43

Hình 2.27: So sánh quá trình cháy của thành phần các chất trong nhiên liệu 45

Hình 2.28: So sánh ảnh hưởng chỉ số Octane đến quá trình tỏa nhiệt 45

Hình 2.29: Sơ đồ điều khiển động cơ HCCI ở chế độ chuyển tiếp 47

Hình 2.30: Những công nghệ tiên tiến được ứng dụng cho Saturn Aura HCCI 2007 48

Hình 2.31: Buồng cháy thống nhất và bố trí vòi phun và bugi đối với động cơ HCCI phun xăng trực tiếp 49

Hình 2.32: Hệ thống truyền lực động cơ HCCI 50

Hình 2.33: Hình dạng piston đỉnh bằng cho động cơ HCCI 50

Hình 2.34: Hệ thống bôi trơn cácte ướt cho động cơ HCCI 51

Hình 2.35: Sơ đồ nguyên lý và kết cấu hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức 51

Hình 2.36: Điều khiển quạt làm mát bằng điện tử 52

Hình 2.37: Kết cấu máy khởi động 53

Hình 2.38: Nguyên lý làm việc của hệ thống khởi động 53

Hình 2.39: Mạch điện hệ thống đánh lửa DIS 55

Hình 2.40: Nguyên lý điều khiển hoạt động hệ thống đánh lửa DIS 55

Hình 2.41: Bản đồ ESA 56

Hình 2.42: Nguyên lý hoạt động cuộn đánh lửa trong hệ thống DIS 56

Hình 2.43: Cấu tạo bobine và bugie đánh lửa 57

Hình 2.44: Sơ đồ kết cấu hệ thống nhiên liệu Common Rail - HCCI 59

Hình 2.45: Mạch cung cấp nhiên liệu Common Rail 62

Hình 2.46: Cấu tạo thùng nhiên liệu 63

Hình 2.47: Cấu tạo lọc nhiên liệu 63

Hình 2.48: Cấu tạo bộ làm mát nhiên liệu 63

Hình 2.49: Bơm cấp nhiên liệu: Bơm bánh răng ăn khớp ngoài 64

Hình 2.50: Bơm cấp nhiên liệu: Bơm bánh răng ăn khớp trong 64

Hình 2.51: Kết cấu bơm cao áp 65

Hình 2.52: Nguyên lý hoạt động bơm cao áp 65

Hình 2.53: Cấu tạo và hoạt động ống phân phối 66

Hình 2.54: Cấu tạo và hoạt động bộ điều chỉnh áp suất 67

Hình 2.55: Kết cấu vòi phun 67

Hình 2.56: Hoạt động vòi phun nhiên liệu 68

Hình 2.57: Nguyên lý tăng áp khí nạp cho động cơ HCCI 69

Hình 2.58: Cấu tạo chung tua-bin tăng áp 70

Hình 2.59: Bản vẽ 2D cấu tạo tua-bin tăng áp 70

Hình 2.60: Sơ đồ bộ làm mát bằng nước 71

Hình 2.61: Sơ đồ nguyên lý hoạt động mạch điều khiển 71

Hình 2.62: Sơ đồ xác định lượng phun cơ bản 72

Hình 2.63: Đồ thị lượng phun hiệu chỉnh 72

Hình 2.64: Sơ đồ xác định lượng phun tối đa 72

Hình 2.65: Sơ đồ xác định thời điểm phun 73

Hình 2.66: Điều khiển phun ngắt quãng 73

Hình 2.67: Điều khiển phun trước 73

Hình 2.68: Động cơ HCCI của GM trang bị hệ thống phun xăng trực tiếp 74

Hình 2.69: Các bộ phận chính trong hệ thống nhiên liệu GDI - HCCI 75

Hình 2.70: Nguyên lý hoạt động mạch nhiên liệu GDI - HCCI 76

Hình 2.71: Hoạt động mạch điều khiển hệ thống nhiên liệu GDI HCCI 77

Hình 2.72: Sơ đồ hệ thống VVTL-i 80

Hình 2.73: Pha phối khí động cơ HCCI 80

Hình 2.74: Cấu tạo bộ điều khiển trục cam 81

Hình 2.75: Cấu tạo cánh gạt 81

Hình 2.76: Đường dầu thủy lực cung cấp cho cánh gạt 82

Hình 2.77: Cấu tạo van điều phối 82

Hình 2.78: Mạch thủy lực của hệ thống VVTL-i 83

Hình 2.79: Làm sớm thời điểm phối khí 83

Hình 2.80: Làm trễ thời điểm phối khí 84

Hình 2.81: Giữ nguyên thời điểm phối khí 84

Hình 2.82: Hành trình xupap 85

Hình 2.83: Cấu tạo và hoạt động bộ điều khiển VVTL 85

Hình 2.84: Van điều khiển dầu vấu cam 86

Hình 2.85: Tại tốc độ thấp và trung bình 86

Hình 2.86: Khi tốc độ động cơ cao 87

Hình 2.87: Sơ đồ xác định góc phối khí trục cam tối ưu 87

Hình 2.88: Sơ đồ kết cấu và hoạt động hệ thống tuần hoàn khí xả EGR 89

Hình 2.89: Cấu tạo van điều khiển chân không 90

Hình 2.90: Cấu tạo van EGR 90

Hình 2.91: Cấu tạo bộ làm mát khí xả 91

Hình 2.92: Sơ đồ điều khiển hệ thống tuần hoàn khí xả 91

Hình 2.93: Màn hình hệ thống điều khiển kỹ thuật số 92

Hình 2.94: Cảm biến vị trí bàn đạp ga loại tuyến tính 92

Hình 2.95: Cảm biến vị trí bàn đạp ga loại phần tử Hall 93

Hình 2.96: Cấu tạo và hoạt động cảm biến loại dây sấy 93

Hình 2.97: Xác định khối lượng khí nạp 94

Hình 2.98: Cảm biến áp suất đường nạp 94

Hình 2.99: Cảm biến nhiệt độ nước làm mát 95

Hình 2.100: Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu 95

Hình 2.101: Cảm biến áp suất tua-bin 96

Hình 2.102: Cấu tạo và hoạt động cảm biến vị trí trục khuỷu 96

Hình 2.103: Cảm biến áp suất ống phân phối 97

Hình 2.104: Cảm biến vị trí trục cam 97

Hình 2.105: Cấu tạo và hoạt động cảm biến kích nổ 98

Hình 2.106: Cấu tạo và hoạt động của cảm biến oxy 98

Hình 2.107: Sơ đồ điều khiển dựa trên cảm biến áp suấtxylanh 99

Hình 2.108: Cấu tạo cảm biến áp suất xylanh 100

Hình 2.109: Nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất xylanh 100

Hình 2.110: Sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ HCCI 101

Hình 3.1: Saturn Aura HCCI 2007 103

Hình 3.2: Mercedes-Benz F700 DiesOtto 104

Hình 3.3: Động cơ HCCI của Oxy-gen 104

LỜI NÓI ĐẦU

Sự ra đời của động cơ đốt trong (ĐCĐT) là một bước tiến vĩ đại của nền khoa học thế giới, ĐCĐT được sử dụng như là nguồn động lực phổ biến trong các lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp, ngư nghiệp, quân

sự, an ninh, quốc phòng, giao thông vận tải…Ngay từ khi ra đời động cơ đốt trong được chia làm hai loại chính: Động cơ đánh lửa cưỡng bức (động cơ xăng) và động cơ nén cháy (động cơ diesel)

Ở động cơ đánh lửa cưỡng bức màng lửa bắt nguồn từ bugi lan tràn đến các vùng chưa cháy, quá trình cháy của loại động cơ này được điều khiển thông qua thời điểm đánh lửa Do hỗn hợp nhiên liệu - không khí trên loại động cơ này được hoà trộn từ trước và thường xung quanh giá trị lý tưởng (hệ

số dư lượng không khí: λ ~1), nên quá trình cháy sản sinh ít bồ hóng (soot) so với quá trình cháy của diesel nhưng tỉ lệ NOx trong khí xả cao do nhiệt độ cháy cực đại lớn (khoảng 2800ºK) Ngày nay, phần lớn các động cơ đánh lửa hoạt động với hỗn hợp lý tưởng để đạt được hiệu quả cao nhất cho quá trình

xử lý khí thải Vì hệ số dư lượng không khí gần như không đổi, nên muốn thay đổi tải trọng của động cơ, cần điều chỉnh lượng khí nạp mới đi vào trong xylanh động cơ, thông qua bướm ga lắp trên đường nạp Do có bướm ga, tổn thất trong quá trình nạp tăng, công bơm (hút) lớn, giảm hiệu suất động cơ Trong khi tỷ số nén của động cơ không thể tăng lên quá cao do bị giới hạn bởi hiện tượng kích nổ, thông thường tỷ số nén của động cơ đánh lửa nằm trong khoảng từ 6 đến 12 Vì vậy động cơ đánh lửa có hiệu suất thấp và phát thải NOx lớn

Đối với động cơ nén cháy, có tỷ số nén lớn hơn rất nhiều so với động

cơ xăng (từ 12 đến 24) Trên động cơ này, hỗn hợp nhiên liệu - không khí sẽ

tự bốc cháy chứ không bắt nguồn từ tia lửa điện giống như trên động cơ xăng

Quá trình này diễn ra trong hai giai đoạn, đầu tiên là nhiên liệu phun vào buồng cháy hoà trộn cùng không khí và thứ hai là hỗn hợp tự cháy Giai đoạn này là một giai đoạn phức tạp với rất nhiều quá trình: Xé tơi nhiên liệu, tia phun chạm thành, bay hơi và khuếch tán, những yếu tố này làm giảm tốc độ cháy của hỗn hợp Một phần của nhiên liệu và không khí được hoà trộn trước

và bốc cháy rất nhanh, một lượng lớn còn lại của hỗn hợp sẽ cháy ngay sau đó với tốc độ chậm hơn do ảnh hưởng của quá trình bay hơi, hoà trộn và khuếch tán Vì vậy trên động cơ diesel, hỗn hợp có thể được chia thành hai vùng chính là vùng có mật độ nhiên liệu lớn và vùng có màng lửa nhiệt độ cao Trong vùng đầu tiên, bồ hóng chủ yếu được hình thành trong vùng này do hỗn hợp đậm, thiếu O2, chỉ một phần bồ hóng tiếp tục được oxy hoá do sự tăng nhiệt độ trong xylanh Nhiệt độ cao nhất trong động cơ diesel cổ điển đạt khoảng 2200ºK, vì vậy nồng độ phát thải NOx của loại động cơ này khá lớn Hiện nay, vấn đề lớn nhất đối với động cơ diesel là làm cách nào để giảm đồng thời hai thành phần phát thải dạng hạt (PM) và NOx trong khí xả

Ngoài ra ĐCĐT sử dụng nhiên liệu là dầu mỏ gây ra cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên mặt khác lại ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Theo các nhà nghiên cứu thuộc Đại học California[1]: Thế giới sẽ cạn kiệt dầu mỏ khoảng 100 năm trước khi có đủ các nguồn năng lượng thay thế nếu việc sử dụng dầu mỏ và phát triển các nhiên liệu mới tiếp tục với tốc độ như hiện nay: dầu mỏ sẽ cạn kiệt vào năm 2041 hoặc lạc quan hơn là vào năm 2054 Chính

vì vậy việc yêu cầu sử dụng nhiên liệu sao cho hợp lý là một vấn đề đặt ra đối với động cơ đốt trong trong giai đoạn hiện nay

Với nguy cơ ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính các quốc gia đã kiểm soát thành phần khí xả động cơ một cách chặt chẽ bằng cách đưa ra các tiêu chuẩn về khí xả ngày càng hết sức khắt khe (bảng 1)[2]

Bảng 1: Tiêu chuẩn Euro đối với khí xả từng loại ô tô[3]

Để triệt để giải quyết vấn đề ô nhiễm khí thải có rất nhiều phương án đã được đưa ra cụ thể đó là:

 Cải tiến động cơ:

Động cơ Common Rail, GDI, EFI

Động cơ năng lượng sạch (động cơ Hidro …)

Cải thiện buồng đốt

Cải thiện hệ thống nạp xả (VVT-i, VTEC, VANOS…)

Cải thiện hệ thống nhiên liệu (Common Rail, EFI, GDI…)

Cải thiện hệ thống đánh lửa (ESA, DIS…)

 Sử dụng các thiết bị xử lý khí xả:

Bộ trung hòa khí xả (TWC)

Công nghệ BLUTEC

Tuần hoàn khí xả EGR

 Và nhiều phương án khác như hệ thống kiểm soát hơi nhiên nhiên liệu (EVAP), Hệ thống thông gió hộp trục khuỷu (PVC)…

Trong số các phương pháp trên nổi bật là công nghệ BLUTEC đã được nghiên cứu và ứng dụng tuy nhiên rất tốn kém trong việc đưa vào sử dụng

Trong hai thập niên trở lại đây các đề tài nghiên cứu về động cơ đốt trong chủ yếu tập trung ở các hướng chính: Tăng hiệu suất, nâng cao tính kinh

tế nhiên liệu, giảm độ ô nhiễm khí xả và phát triển nhiên liệu thay thế Tuy vậy hiệu suất cũng như các chỉ tiêu khác phát triển một cách chậm chạp mặc

dù nền công nghiệp ô tô phát triển rất nhanh, nhưng trong gần 15 năm trở lại đây sự phát triển thành tựu nhất là sự nghiên cứu và thử nghiệm về một loại động cơ mới bước đầu cho thấy được kết quả cao trong việc tăng hiệu suất, nâng cao tính kinh tế, giảm độ ô nhiễm khí xả mà vẫn sử dụng các nguồn năng lượng hóa thạch Theo những nghiên cứu gần đây của Học viện công

nghệ Massachuset (MIT)[4]: “Một phiên bản mới của ĐCĐT, có thể giảm

được rất lớn lượng tiêu thụ nhiên liệu và thân thiện với môi trường có thể rất

dễ dàng được triển khai Những thử nghiệm trên một mẫu động cơ của công nghệ này, đã cho phép động cơ chuyển đổi giữa công nghệ truyền thống và kiểu động cơ mới tiết kiệm nhiên liệu Động cơ mới không cần đòi hỏi một loại nhiên liệu mới, và các động cơ sử dụng công nghệ này rất rẻ nhờ sử dụng những chi tiết của động cơ thường”

Gần đây hãng xe hơi nổi tiếng GM (General Motors) đã cho thử nghiệm động cơ đốt trong mới làm nguồn lực cho ô tô 2007 Saturn Aura và Opel Vectra đó là động cơ HCCI cho khả năng vượt trội về tính kinh tế, tiết kiệm nhiên liệu, tăng công suất và hạn chế ô nhiễm môi trường so với động

cơ đốt trong truyền thống[5] Không chỉ có GM mà các hãng xe hơi nổi tiếng như Fiat, BMW, Lotus, Ford, Toyota cũng có kế hoạch nghiên cứu và ứng dụng HCCI, và đặc biệt là Honda cũng hứa hẹn sẽ sử dụng động cơ HCCI trên những chiếc Hibrid của mình[6]

Đề tài tốt nghiệp “ phân tích đặc điểm kết cấu, nguyên lý hoạt động và khả năng ứng dụng của động cơ HCCI làm nguồn lực cho ô tô, máy kéo ” sẽ trình bày rõ về động cơ HCCI: Giới thiệu, kết cấu và hoạt động, ưu - nhược điểm và khả năng ứng dụng của động cơ HCCI

Xin chân thành cảm ơn khoa Kỹ Thuật Giao Thông, bộ môn Công

Nghệ Kỹ Thuật Ô Tô và GVHDThS Mai Sơn Hải tạo điều kiện cũng như

giúp đỡ để hoàn thành đề tài này

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Sỹ Ngọc

I ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ MỤC TIÊU NGHIÊNCỨU

Đối tượng nghiên cứu : Động cơ HCCI

Phạm vi nghiên cứu : Kết cấu, nguyên lý hoạt động và khả năng ứng

dụng của động cơ HCCI làm nguồn động lực cho ô

tô, máy kéo

Mục tiêu nghiên cứu : Phát hiện và lý giải đặc điểm kết cấu, nguyên lý

hoạt động và khả năng ứng dụng của động cơ HCCI làm nguồn động lực cho ô tô, máy kéo

II NỘI DUNG

Nội dung đề tài gồm 4 phần:

Chương 1: Giới thiệu động cơ HCCI

Chương 2: Đặc điểm kết cấu và nguyên lý hoạt động của động cơ HCCI Chương 3: Khả năng ứng dụng động cơ HCCI làm nguồn động lực cho ô tô, máy kéo

Chương 4: Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ HCCI 1.1.Lịch sử phát triển động cơ HCCI/CAI

Trong thập niên đầu thế kỷ XXI một lượng các công trình khoa học đã được xuất bản liên quan đến mô hình cháy HCCI cho động cơ diesel và CAI cho động cơ xăng trên động cơ đốt trong[3]

 Động cơ diesel HCCI (Homogeneous Charge Compression

Ignition: Cháy do nén hỗn hợp đồng nhất)

Nguồn gốc nguyên lý cháy này đã được ứng dụng trên động cơ có tên Hot bulb engine (động cơ diesel bầu nhiệt) của Herbert Akroyd Stuart vào cuối thế kỷ XIX[7] Trên động cơ này, dầu hoả hoặc dầu thô được phun vào trong bầu nhiệt ngay từ đầu quá trình nén, hoàn toàn đủ thời gian để nhiên liệu bay hơi và hoà trộn với không khí Trong quá trình khởi động, bầu nhiệt được sấy nóng trước bằng cách dùng ngọn lửa đốt từ bên ngoài Sau khi khởi động, bầu nhiệt vẫn giữ được nhiệt nhờ quá trình cháy nhiên liệu bên trong bầu Nhiệt độ bầu lớn đến nỗi nhiên liệu bay hơi gần như ngay lập tức khi tiếp xúc với bề mặt của bầu Do hỗn hợp được hoà trộn từ rất sớm, nên có thể tạo được hỗn hợp đồng nhất, kết quả dẫn đến hỗn hợp tự cháy khi piston tiến gần đến ĐCT

Từ nghiên cứu của Herbert Akroyd Stuart nguyên lý cháy do nén hỗn hợp đồng nhất đã bắt đầu được phát triển: Động cơ máy bay 2 kỳ do một công

ty nhỏ ở Anh sản xuất có tên là Progress Aero Works (PAW) từ những năm

1940 Tuy nhiên, đến giữa thập niên 90, những nghiên cứu đã bắt đầu có hệ thống hơn và tập trung vào khả năng ứng dụng mô hình cháy HCCI cho động

cơ diesel trên ô tô, kết quả nghiên cứu có tính khả quan nhất đó là phương pháp cung cấp nhiên liệu diesel cho động cơ HCCI sử dụng hệ thống nhiên liệu Common rail phun khi piston ở trong kỳ nén, được phát triển bởi công ty

Nissan, Nhật Bản[8] từ đó nhiều công trình nghiên cứu đã đạt được những thành công trong việc kiểm soát quá trình cháy, giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm NOx và PM

Hình 1 1: Động cơ diesel bầu nhiệt(2 kỳ)

1: Bầu nhiệt;2:xylanh;3: piston;4: cácte - trục khuỷu

 Động cơ xăng CAI (Controlled Auto Ignition: Tự cháy điều khiển

được)

Những nghiên cứu đầu tiên của động cơ xăng cháy theo nguyên lý HCCI/CAI là của Onishi[9] và Noguchi[10] cùng cộng sự của mình trong năm 1979 Tuy nhiên cơ sở lý thuyết dựa theo nghiên cứu của nhà khoa học người Nga Nikolai Semenov cùng đồng nghiệp trong những năm 1930, đã thúc đẩy các nhà khoa học sau này tiếp tục nghiên cứu nhằm điều khiển quá trình cháy, giúp cho quá trình cháy nghèo trở nên ổn định hơn

Sau công trình đầu tiên của Onishi và Noguchi, đã bùng nổ một xu hướng nghiên cứu và phát triển động cơ xăng 2 kỳ sử dụng mô hình cháy này, điển hình là của hãng Honda với động cơ CAI đầu tiên được sản xuất và lắp trên ô tô, động cơ xe máy ARC 2 kỳ với dung tích 250cc[11] Các động cơ

này sử dụng năng lượng nhiệt của khí sót để đẩy mạnh quá trình cháy CAI, Honda xác nhận giảm tiêu hao nhiên liệu lên tới 29% đồng thời thành phần

HC chưa cháy cũng giảm.Từ đó mở rộng nghiên cứu động cơ CAI phát triển trên động cơ đốt trong 4 kỳ như: nghiên cứu của Najt và Foster trên động cơ 4

kỳ 1 xylanh vào năm 1983[12] Năm 1992, Stockinger cùng cộng sự đã trình bày nghiên cứu đầu tiên về động cơ xăng 4 xylanh hoạt động nhờ khả năng tự cháy của nhiên liệu trong dải tốc độ và tải trọng giới hạn thông qua việc nâng

tỷ số nén và sấy nóng khí nạp[13] Đặc biệt là các công trình nghiên cứu thay đổi pha phối khí tại hãng ô tô Lotus (VQ.Anh), Volvo (Thụy Điển), đại học Brunel (VQ Anh), viện hóa dầu pháp (IFP) đã cho thấy khả năng ứng dụng động cơ CAI là rất lớn

Trong những năm gần đây, khả năng giữ lại một phần khí sót và tái sử dụng khí thải để kích thích và điều khiển quá trình cháy CAI đã được chứng minh bởi một số lượng lớn các nhà nghiên cứu[14], vì vậy những động cơ thương mại có thể hoạt động dưới mô hình cháy CAI mà không cần thiết phải thay đổi kết cấu ban đầu (tiết kiệm chi phí) của động cơ và phương tiện

 Trong vòng hai thập niên trở lại đây, một số lượng lớn thuật ngữ đã

được gán cho các mô hình cháy mới của động cơ đốt trong, bao gồm ATAC (Active Thermo Atmospheric Combustion)[9], TS (Toyota Soken)[10], ARC (Active Radical Combustion)[11] trên động cơ 2 kỳ, CIHC (Compression Ignited Homogenous Charge)[12], Homogenous Charge Compression Ignition (HCCI)[15], Controlled Autoignition (CAI)[14], UNIBUS (Uniform Bulky Combustion System)[16], PREDIC (PREmixed lean DIesel Combustion)[17],MK (Modulated Kinetics)[18], Premixed Charge Compression Ignition (PCCI)[19], OKP (Optimised Kinetic Process)[20], Tất cả các thuật ngữ trên đều mô tả 2 nguyên lý của mô hình cháy mới: (1) hỗn hợp nhiên liệu và không khí được hình thành đồng nhất từ trước, và (2)

hỗn hợp tự cháy Để thống nhất khái niệm động cơ mới này thì gần đây các nhà khoa học đã công nhận khái niêm HCCI cho nguyên lý cháy mới và HCCI là thuật ngữ duy nhất để thể hiện quá trình cháy mới trên động cơ diesel hoặc động cơ đốt trong khác như xăng, gas, nhiên liệu thay thế…

1.2.HCCI là gì?

 Động cơ HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition

Engine): Là một thuật ngữ được R.H Thring[15] (Viện Nghiên cứu Tây Nam

- San Antonio Texas) đưa ra để miêu tả nguyên lý cháy mới cho ĐCĐT sau khi mở rộng phát triển mô hình của Najt và Foster[12] HCCI được hiểu là nguyên lý cháy do nén hỗn hợp đồng nhất cho ĐCĐT: Một hình thức động cơ lai giữa động cơ diesel và động cơ xăng Quá trình cháy của động cơ HCCI tương tự như diesel được thực hiện dưới dạng nén hỗn hợp nhiên liệu - không khí đồng nhất đã chuẩn bị từ trước như động cơ xăng đến thời điểm tự phát hỏa

Hình 1 2: Sự khác biệt giữa quá trình cháy động cơ HCCI với động cơ đốt

trong truyền thống Động cơ HCCI sử dụng một dạng cháy hiệu quả hơn rất nhiều so với phương pháp đánh lửa truyền thống Dưới một số điều kiện, nó có thể giảm tiêu hao nhiên liệu 25 - 30% và giảm NOx tới 90 - 98% so với quá trình cháy thông thường Nó cũng có hiệu suất tương tự như động cơ diesel, để nhiên liệu cháy thì phải nén hỗn hợp thay vì đánh lửa Nhưng không giống các động

cơ diesel, HCCI cho quá trình cháy hoàn hảo hơn và sạch hơn Một hệ thống kết hợp HCCI với động cơ truyền thống có thể giúp giảm tiêu hao nhiên liệu trung bình khá nhiều dặm/gallon nhiên liệu[31]

Đặc điểm khác biệt quá trình cháy của động cơ HCCI và động cơ đốt trong truyền thống là nhiệt độ cháy thấp hơn và không có ngọn lửa xuyên suốt buồng đốt, mà tất cả hỗn hợp nhiên liệu và không khí được đốt cháy đồng thời tại mọi điểm trong buồng đốt

Với những ưu điểm nổi bật động cơ HCCI sẽ hứa hẹn là động cơ đốt trong tương lai khi chưa có nguồn năng lượng và nhiên liệu mới thay thế được dầu mỏ

1.3.Cơ sở lý thuyết của động cơ HCCI.

 Đối với động cơ xăng sử dụng bộ chế hoà khí, hiện tượng tự cháy

hỗn hợp đồng nhất thường xảy ra sau khi động cơ hoạt động một thời gian ở chế độ tải lớn dù bugi không còn đánh lửa, do nhiệt độ các chi tiết rất cao và thời gian cháy trễ lớn khiến hoà khí tự cháy Quá trình còn được gọi là

“dieseling” do tính chất giai đoạn này giống với quá trình cháy trên động cơ diesel: Cháy không cần tia lửa điện, các nhà khoa học dựa vào nguyên lý đó

để phát triển quá trình cháy của động cơ HCCI: Nén hỗn hợp nhiên liệu - không khí đồng nhất đến thời điểm tự phát hỏa

Tuy Onishi[9] và Noguchi[10] cùng với cộng sự là những người đầu tiên nghiên cứu quá trình cháy HCCI, nhưng nguồn gốc căn bản của lý thuyết lẫn thực nghiệm về mô hình cháy này được quy về nghiên cứu của nhà khoa học người Nga Nikolai Semenov cùng đồng nghiệp trong những năm 1930

Để chứng minh được lý thuyết chuỗi và hoá học của quá trình cháy, Semenov

đã theo đuổi mục tiêu sử dụng động lực học hoá học để điều khiển quá trình cháy trên động cơ đốt trong, để vượt qua được các giới hạn vật lý trên hai loại động cơ đánh lửa và động cơ cháy do nén Nhờ nắm rõ được quá trình nhiệt

động học trong xylanh cũng như các điều kiện hoá học tương tự, với các hiện tượng của quá trình hình thành ngọn lửa nguội trong hỗn hợp của hydrocacbon và không khí, vì vậy quá trình toả nhiệt diễn ra đồng đều hơn Điều này dẫn đến quá trình cháy điều khiển được (controlled combustion) đầu tiên đã được ứng dụng cho ĐCĐT, còn gọi là LAG (Avalanche Activated Combustion), được phát triển bởi Semenov và Gussak cùng cộng sự trong những năm 70 của thế kỷtrước[21] Hệ thống này đã sử dụng môi chất hỗn hợp nhạt để giới hạn tốc độ toả nhiệt, ngoài ra còn được bổ sung thêm một phần hỗn hợp khí đã cháy có nhiệt độ cao từ buồng cháy dự bị Khi hỗn hợp khí cháy đi vào buồng cháy chính, nó sẽ bị dập tắt và hoà trộn với không khí, cung cấp các phần tử hoạt hoá và năng lượng nhiệt để thực hiện quá trình cháy đồng nhất

Để động cơ có thể hoạt động ở hỗn hợp nghèo, có những giải pháp là hình thành hỗn hợp kiểu phân lớp và đặc biệt là tái sử dụng khí xả và giữ khí sót để hoà trộn cùng hỗn hợp không khí - nhiên liệu, nó thường được sử dụng

để thay đổi tính tự cháy và tốc độ toả nhiệt của quá trình cháy trong động cơ xăng Ngoài ra, cần chú ý rằng quá trình tự cháy của hỗn hợp nhiên liệu - không khí không chỉ được quyết định bởi mỗi một nguyên nhân là quá trình nén mà có thể là bởi nhiệt độ bên ngoài hoặc bên trong xylanh Đối với trường hợp động cơ diesel, quá trình nén sẽ khiến cho hỗn hợp tự cháy do tỷ

số nén cao và nhiệt độ tự cháy của diesel thấp Trong khi đó, sự sấy nóng nhiệt độ khí nạp hoặc trao đổi nhiệt đối lưu từ khí sót giúp cho nhiên liệu có trị số octane cao như xăng, khí thiên nhiên tự cháy

Càng về sau có nhiều công trình nghiên cứu để phát triển động cơ HCCI, giải pháp để tạo hỗn hợp cháy đồng nhất và kiểm soát quá trình cháy hiệu quả đó là sử dụng hệ thống nhiên liệu phun điện tử, thay đổi pha phối khí hợp lý, sử dụng tuần hoàn khí xả để sấy nóng hỗn hợp không khí - nhiên liệu

và giảm nhiệt độ cháy, thay đổi tỷ số nén tự động nhằm mở rộng dải làm việc

và điều khiển quá trình cháy

 Quá trình cháy của động cơ diesel là nén hỗn hợp không khí - nhiên

liệu đến thời điểm hỗn hợp tự cháy, nhưng quá trình cháy của động cơ diesel

sẽ cháy trong khu vực giàu nhiên liệu và oxy không khí, cháy theo kiểu khuếch tán do khó tạo hỗn hợp không khí - nhiên liệu một cách đồng nhất, mặt khác quá trình cháy rớt kéo dài gây ra hao tốn nhiên liệu và công suất, bên cạnh đó động cơ diesel tạo ra lượng PM và NOx lớn Như vậy yêu cầu đặt

ra cho động cơ diesel là hình thành hỗn hợp cháy đồng nhất và giảm thành phần độc hại trong khí xả động cơ Đối với động cơ diesel HCCI nguyên lý động cơ HCCI được thực hiện theo cơ chế hình thành hỗn hợp đồng nhất bằng cách sấy nóng hỗn hợp không khí - nhiên liệu và tạo thời gian đủ để nhiên liệu bay hơi và hòa trộn với không khí được thực hiện tương tự như động cơ diesel bầu nhiệt của Herbert Akroyd Stuart[7].

Hình 1 3: Quá trình cháy của động cơ truyền thống và động cơ HCCI

1.4.Ưu điểm của động cơ HCCI

Động cơ HCCI là sự kết hợp giữa động cơ động cơ xăng đốt cháy cưỡng bức SI (Spark Ignition) và động cơ diesel nén cháy CI (Compression

Ignition) Một động cơ HCCI hoàn thiện gồm nhiều công nghệ tiên tiến như phun nhiên trực tiếp hoặc phun trên đường nạp, pha phối khí thông minh, hệ thống tuần hoàn khí xả EGR, hệ thống thay đổi tỷ số nén Mục đích để điều khiển và tối ưu quá trình cháy, giảm các chất ô nhiễm trong khí xả, do đó động cơ HCCI có những ưu điểm nổi bật sau:

 Động cơ HCCI cho công suất cao:

Hình 1 4: So sánh áp suất trongxylanh của HCCI và động cơ xăng

 Tỷ số nén (ε) cao: (ε ≥ 15) Động cơ HCCI có thể làm việc với tỷ số nén lớn Tỷ số nén càng lớn thì áp suất và nhiệt độ môi chất công tác (MCCT) càng cao, công suất càng lớn và giảm hệ số khí sót, động cơ tiết kiệm nhiên liệu hơn

 Hỗn hợp cháy đồng nhất, quá trình cháy xảy ra đồng thời, tại mọi điểm trong buồng đốt nên hiệu suất nhiệt cao Quá trình cháy động cơ HCCI tương tự như giai đoạn cháy không điều khiển (giai đoạn cháy nhanh) của động cơ diesel nên tốc độ tăng áp suất lớn sinh ra áp lực đỉnh cao

 Không bị tổn thất công suất: Động cơ HCCI không bị tổn thất áp suất do sự cản trở của cánh bướm ga trên đường nạp Trong quá trình hoạt động của động cơ HCCI, cánh bướm ga không làm nhiệm vụ điều tiết hoạt động, thay vào đó là cách thức điều khiển không cánh bướm ga Cách thức điều khiển này là sự thay đổi tổng hợp các yếu tố đầu vào như khối lượng không khí nạp, khối lượng khí thải lưu hồi, và khối lượng nhiên liệu được

phun vào Công nghệ HCCI tránh sử dụng năng lượng vô ích để tạo chân không Thay vì đó, khí nóng từ quá trình cháy trước sẽ được đưa trở lại buồng cháy, động cơ sẽ sử dụng kết hợp nhiệt lượng của khí nóng và nhiệt sinh ra

bởi quá trình nén hỗn hợp để tạo nên nhiệt độ đủ lớn để hỗn hợp bốc cháy

 Tiết kiệm nhiên liệu đến 25-30% so với động cơ truyền thống: Theo

nghiên cứu MIT[5] động cơ HCCI hoàn hảo có thể tiết kiệm đến 25-30% nhiên liệu Tuy nhiên để làm được điều này thì phải điều khiển được các thông số trên động cơ và điều khiển động cơ một cách chính xác Honda đã thành công khi thiết kế động cơ ARC 2 kỳ có thể tiết kiệm nhiên liệu đến 29% tuy nhiên chưa được ứng dụng rộng rãi vì lý do khí thải còn quá mức cho phép GM (General Motors) đã cho thử nghiệm động cơ HCCI làm nguồn lực cho ô tô nhưng chỉ tiết kiệm được 15% nhiên liệu Điều này cho thấy để hoàn

thiện động cơ HCCI cần một thời gian để nghiên cứu và phát triển

 Động cơ HCCI hoạt động ổn định với hỗn hợp nghèo nhiên liệu: Động cơ HCCI sử dụng hỗn hợp nghèo để giới hạn tốc độ tỏa nhiệt và hình thành hỗn hợp cháy đồng nhất, tỷ số nén lớn do đó giảm thiểu lượng tiêu hao

nhiên liệu

 Nguyên lý quá trình cháy động cơ HCCI là cháy nhanh, cháy đồng

thời tại mọi điểm trong buồng đốt do hình thành rất nhiều trung tâm cháy

 Giảm NOx và PM trong khí xả:

Hình 1 5: Vùng làm việc chính của động cơ HCCI

 NOx: Một trong những lợi ích quan trọng nhất của quá trình cháy HCCI là giảm nồng độ NOx trong khí thải rất lớn (NOx hình thành khi nhiệt

độ cháy cực đại lớn hơn 2000ºC), giảm tới 90 - 98% so với quá trình cháy thông thường Để giảm nồng độ NOx trong khí thải, hầu hết phải dùng bộ xử

lý khí thải, các biện pháp kỹ thuật tác động tới hình thành hỗn hợp thường làm nhiệt độ giảm, áp suất tăng, tỷ số nén vượt quá giá trị giới hạn Ngày nay, quá trình cháy HCCI đã giải quyết được vấn đề này, khi cùng tỷ lệ hỗn hợp thì nhiệt độ cháy của HCCI giảm Khi tăng tải, nhiệt độ cháy cao nhất tăng nhưng thuận lợi hơn động cơ diesel

Hình 1 6: Cơ chế hình thành NOx và bồ hóng của các loại động cơ

Hình1.7 thể hiện kết quả so sánh nồng độ NOx trong khí thải của 3 loại động cơ: HCCI, diesel, diesel với EGR (cùng loại động cơ) Tỷ số nén của các loại động cơ đều là 16:1[23]

Hình 1 7:So sánh phát thải NOx của các loại động cơ

 PM (thường chứa 40% dầu bôi trơn + 31% bồ hóng + 14% các muối sun-phát ngậm nước + 7% diesel + 8% các chất còn lại): Lợi ích quan trọng khác của quá trình cháy HCCI với động cơ diesel là có khả năng giảm đồng thời NOx và bồ hóng Bồ hóng hình thành với khu vực giàu nhiên liệu (λ

<0,8) và nhiệt độ trên 1400ºK (hình 1.5) Động cơ HCCI có nhiệt độ cháy cực đại thấp, hình thành nhiều trung tâm cháy và hoạt động với λ nghèo nên lượng

bồ hóng giảm đáng kể

 Chế tạo, lắp ráp dễ dàng, tiết kiệm chi phí: Đặc điểm ưu thế của

động cơ HCCI là có thể sử dụng các chi tiết của động cơ có sẵn do đó không tốn kém trong việc chế tạo và xây dựng quy trình lắp ráp Tuy nhiên với các công nghệ đã và sẽ ứng dụng trên động cơ HCCI thì giá thành của loại động

cơ này rất cao

 Là động cơ đa nhiên liệu: Động cơ HCCI có thể hoạt động với xăng,

dầu diesel hay các nhiên liệu thay thế Theo những nghiên cứu gần đây đã chế tạo và cải hoán động cơ truyền thống thành động cơ HCCI dùng nhiên liệu

xăng, diesel, khí thiên nhiên và các loại nhiên liệu thay thế

Hình 1 8: Mô hình động cơ HCCIđa nhiên liệu của Zhen Huang[24]

CHƯƠNG 2

ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA

ĐỘNG CƠ HCCI 2.1.Nguyên lý hoạt động củađộng cơ HCCI.

2.1.1 Nguyên lý hoạt động của động cơ HCCI

Nguyên lý hoạt động của động cơ HCCI giống như diesel đó là động cơ nén cháy Tuy nhiên có hai cách hình thành hỗn hợp đồng nhất đó là chuẩn bị hỗn hợp không khí - nhiên liệu trong buồng đốt bằng cách phun nhiên liệu trực tiếp hoặc chuẩn bị hỗn hợp từ trước bằng cách phun trên đường nạp như động cơ xăng

Hình 2.1: Mô phỏng nguyên lý hoạt động của động cơ HCCIvới hệ thống

phun nhiên liệu trên đường nạp Hình 2.1 mô phỏng hoạt động của động cơ HCCI với vòi phun trên đường nạp Ở quá trình nạp động cơ nạp khí mới bao gồm không khí - nhiên liệu và khí đã cháy được tuần hoàn bằng hệ thống EGR với để sấy nóng khí nạp, đưa lượng khí đã cháy vào xylanh để kiểm soát quá trình cháy từ đó điều khiển tốc độ cháy, thời điểm bắt đầu quá trình cháy và giảm nhiệt độ cháy cực đại Pha phối khí cũng được thay đổi để giữ lại một lượng khí sót trong buồng

đốt mục đích tăng khả năng hóa hơi nhiên liệu, tăng hiệu suất nén, hệ số nạp, nhiệt độ khí nạp và điều khiển quá trình cháy Do hỗn hợp đã chuẩn bị từ trước kết hợp với quá trình nén nên hỗn hợp gần như là đồng nhất Khi nén hỗn hợp đến nhệt độ và áp suất cao thì hỗn hợp sẽ tự phát hỏa và sinh công, trong quá trình xả thông thường xupap xả đóng sớm hơn so với động cơ truyền thống để giữ lại lượng khí sót trong xylanh

Đối với động cơ sử dụng hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp thì nguyên

lý cũng tương tự như động cơ xăng GDI hay Common Rail, chỉ khác là cách hình thành hỗn hợp: Nạp không khí và khí xả tuần hoàn, để tăng độ đồng nhất một lượng nhỏ nhiên liệu được phun vào kỳ nạp và phần lớn lượng nhiên liệu phun trong kỳ nén (đối với nhiên liệu diesel) hoặc nhiên liệu được phun hoàn toàn vào kỳ nạp (đối với nhiên liệu xăng) Khi hỗn hợp đạt nhiệt độ và áp suất cháy thì sẽ tự phát hỏa (hình 2.2)

Hình 2.2: Mô phỏng nguyên lý hoạt động của động cơ xăng HCCI với vòi

phun trực tiếp

Nguyên lý hoạt động chung của các hệ thống trong động cơ HCCI được

mô tả như hình 2.3: Không khí qua lọc gió đi vào đường nạp kết hợp với lượng khí xả được tuần hoàn thông qua van EGR sau đó nạp vào xylanh khi động cơ đang ở kỳ nạp, nhiên liệu từ bình nhiên liệu qua bơm nhiên liệu áp suất cao đến ống tích áp, tại đây áp suất nhiên liệu luôn không đổi sau đó phun vào buồng đốt trong kỳ nạp và kỳ nén, sau khi nén hỗn hợp đạt tới áp suất và nhiệt độ tới hạn thì hỗn hợp tự phát hỏa và sinh công Một phần khí xả được tuần hoàn lại để nạp trong chu trình tiếp theo ECU nhận tín hiệu của các cảm biến để xác định chế độ hoạt động, từ đó điều khiển bơm nhiên liệu,

áp suất ống tích áp, vòi phun, thay đổi góc nạp xả và điều khiển bugi đánh lửa trong quá trình chuyển tiếp

Hình 2.3: Nguyên lý hoạt động chung của động cơ HCCI với hệ thống phun

xăng trực tiếp vào buồng đốt Hỗn hợp không khí - nhiên liệu muốn tự cháy phải đạt được một áp suất và nhiệt độ tới hạn Áp suất được tạo ra nhờ tỷ số nén của động cơ lớn Nhiệt độ được tăng lên nhờ khí thải được lưu hồi vào trong xylanh Lượng khí

thải này giúp cho hòa khí vào cuối kỳ nén đạt được nhiệt độ để quá trình HCCI có thể xảy ra Sự nén cháy xảy ra thông qua sự tăng nhiệt độ của hoà khí trong kỳ nén khi piston tiến đến điểm chết trên Quá trình HCCI cần phải

có nhiệt độ, vì vậy động cơ vẫn dùng cách khởi động truyền thống (như đánh lửa bằng bugi, cháy như động cơ diesel) để sinh ra nhiệt trong xylanh và nhanh chóng đốt nóng khí thải để tiến hành quá trình HCCI

Khi đạt được nhiệt độ tự bốc cháy, tất cả nhiên liệu trong buồng cháy được cháy đồng đều, tại mọi điểm Ở chế độ HCCI, hoà khí tương đối nhạt, nhiên liệu được cháy kiệt hơn Không giống như động cơ xăng hay diesel, HCCI cho nhiệt độ thấp hơn, nhiệt lượng giải phóng ra không hề có ngọn lửa trên toàn bộxylanh động cơ Vì vậy, hiệu suất của quá trình HCCI đạt được như quá trình diesel, ngoài ra khí thải cũng sạch hơn, không cần các biện pháp

tốn kém để xử lý khí thải như ở động cơ diesel

HCCI sử dụng các công nghệ tiên tiến đã được ứng dụng trên động cơ như hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp vàoxylanh, hệ thống điều khiển cam thông minh, hệ thống điều tra áp suất trong từngxylanh Tất cả những hệ thống này nhằm tạo điều kiện tối ưu cho quá trình HCCI Để đạt được điều này, hệ thống phải điều tra được lượng không khí bên ngoài động cơ đi vào, điều khiển được lượng nhiên liệu phun ra, lượng khí thải luân hồi bằng cách điều khiển van dẫn khí thải vào lại trên đường nạp hoặc điều khiển xupap thải

để giữ lại khí cháy, điều khiển được thời gian mở của xupap nạp để duy trì áp suất trong lòngx ylanh như mong muốn

 Chế độ khởi động và cầm chừng: Ở chế độ khởi động và cầm chừng

do nhiệt độ động cơ thấp, khí xả không được tuần hoàn hoặc nhiệt độ khí xả thấp nên hòa khí không thể tự cháy theo nguyên lý HCCI, do đó quá trình khởi động và cầm chừng cần đảm bảo hòa khí cháy được Có nhiều phương

án được đưa ra:

 Sấy nóng khí nạp trước khi đưa vào buồng đốt

 Hoạt động như động cơ đốt trong truyền thống

 Sử dụng các loại nhiên liệu có tính bay hơi cao, chỉ số cetan lớn và

sử dụng các chất phụ gia cho quá trình khởi động và chạy cầm chừng

 Điều khiển thay đổi tỷ số nén của động cơ giúp cho quá trình nén tốt hơn kết quả là tăng áp suất, nhiệt độ của hỗn hợp cuối kỳ nén

 Phương án được cho là hiệu quả đó là trong quá trình khởi động và chạy cầm chừng đó là cho động cơ hoạt động tương tự như động cơ truyền thống (đánh lửa cưỡng bức SI, nén cháy CI) Tức là sử dụng bugi để đánh lửa cho động cơ hoạt động hoặc cho động cơ cháy theo nguyên lý động cơ diesel đến nhiệt độ đảm bảo nguyên lý cháy HCCI thì chuyển sang chế độ HCCI Phương án này cũng hiệu quả so với chế độ tải nặng Tuy nhiên hiện nay các nhà khoa học và chế tạo đang nghiên cứu để giảm thiểu các chất độc hại trong quá trình khởi động và tải nặng, đặc biệt điều khiển được quá trình chuyển tiếp

Hình 2.4: Vùng làm việc của động cơ HCCI[25]

 Động cơ HCCI hoạt động ổn định trong chế độ tải nhẹ và trung bình:

Trong chế độ tải nhẹ và trung bình do nhiệt độ động cơ tăng, nhiệt độ khí xả

và khí sót cao giúp tăng nhiệt độ của hỗn hợp nhanh chóng vì thế hỗn hợp có

thể coi như là đồng nhất (kết hợp kiểm soát quy luật phun, thời điểm phun, lượng khí xả và khí sót ) Chế độ HCCI bị giới hạn bởi dải làm việc có tiếng

gõ (áp lực đỉnh cao), lượng NOx, PM lớn (tải nặng) và hòa khí không thể tự cháy (khởi động và cầm chừng)

 Chế độ tải nặng thì nguyên lý cháy HCCI không phù hợp: Lúc này

nhiệt độ động cơ và khí xả cao nên nhiệt độ hỗn hợp tăng mạnh dẫn đến không thể kiểm soát quá trình cháy, thời điểm tự cháy của nhiên liệu, hỗn hợp cháy gấp gây ra tiếng gõ cho động cơ Phương án được triển khai nhiều nhất

đó là hoạt động như ĐCĐT truyền thống, thay đổi các thông số đầu vào: Góc nạp xả, lượng khí thải tuần hoàn và lượng khí sót, thay đổi tỷ số nén…

Hình 2.5: So sánh quá trình cháy động cơ HCCI với động cơ xăng SI

 Điễn biến quá trình cháy động cơ HCCI: Khác với động cơ truyền

thống động cơ HCCI cháy sạch hơn, hiệu suất nhiệt cao hơn, có thể hoạt động với hỗn hợp nghèo và giảm lượng NOx, PM đáng kể Hình 2.5 so sánh quá trình cháy của động cơ xăng SI và động cơ HCCI từ đó thấy rằng ở động cơ

SI ngọn lửa lan truyền từ bugi tỏa ra khắp buồng đốt trong khi với động cơ HCCI không có ngọn lửa lan truyền trongxylanh, quá trình cháy diễn ra đồng thời và tại mọi điểm Để được như vậy phải tạo được hỗn hợp cháy đồng nhất

để mật độ, áp suất và nhiệt độ hỗn hợp tại mọi điểm trong buồng đốt là như nhau

Hình 2.6: Diễn biến quá trình cháy của động cơ HCCI (a) so với động cơ

xăng (b) Hình2.6 là kết quả so sánh quá trình cháy của động cơ HCCI so với động cơ xăng truyền thống Từ hình ảnh trên thấy được quá trình cháy của HCCI (2.6a) diễn ra nhanh, đồng thời và có rất nhiều trung tâm cháy trong khi động cơ xăng cháy chậm (2.6b), ngọn lửa xuất phát từ bugi sau đó màng lửa lan tràn khắp buồng đốt

 Quá trình cháy của ĐCĐT truyền thống:

Hình 2.7: Đặc tính tỏa nhiệt của quá trình cháy động cơ xăng đánh lửa và

động cơ nén cháy diesel[26]

Quá trình cháy của động cơ xăng cưỡng bức diễn ra bằng sự đánh lửa của bugi và sau đó là quá trình lan tràn ngọn lửa khắp buồng cháy (hình 2.7a)

Đối với động cơ diesel nhiên liệu được phun trực tiếp vào cuối kỳ nén thì một lượng nhỏ hỗn hợp bay hơi hòa trộn đều với không khí đạt được điều kiện tự cháy như động cơ HCCI, phần lớn lượng nhiên liệu còn lại sẽ cháy khuếch tán sau quá trình cháy đầu tiên diễn ra (hình 2.7b)

Như vậy tổng nhiệt lượng tỏa ra trong động cơ đánh lửa cưỡng bức

Hình 2.8: Đặc tính tỏa nhiệt của quá trình cháy động cơ HCCI[26]

Tổng nhiệt lượng sinh ra trong động cơ HCCI được tính như sau:



 m dq

Trong đó: m: Khối lượng mỗi vùng

dq: Nhiệt lượng mỗi vùng Tuy nhiên trên thực tế do hỗn hợp không hoàn toàn đồng nhất nên quá trình cháy có một phần giống với động cơ diesel

2.1.2 Nhược điểm động cơ HCCI

Mặc dù động cơ HCCI cho những ưu điểm nổi bật: Công suất lớn, tiết kiệm nhiên liệu, giảm lượng lớn NOx và PM trong khí xả, có thể hoạt động với nhiều loại nhiên liệu khác nhau, tiết kiệm chi phí thiết kế, lắp ráp nhưng động cơ HCCI cũng có những nhược điểm lớn cụ thể đó là:

 Khó hình thành hỗn hợp nghèo, đồng nhất: Yêu cầu của động cơ HCCI

đó là hình thành được hỗn hợp nghèo mà đồng nhất để đảm bảo chất lượng quá trình cháy cũng như yêu cầu về tính kinh tế, để làm được điều này phải điều khiển một cách chính xác các thông số đầu vào, hệ thống nhiên liệu, nạp

xả, tuần hoàn khí xả phải làm việc chính xác Đối với động cơ HCCI sử dụng nhiên liệu xăng dễ hình thành hỗn hợp đồng nhất do tính chất lý hóa của nhiên liệu, nhưng đối với động cơ HCCI diesel việc hình thành hỗn hợp đồng nhất gây khó khăn hơn nhiều vì tính chất diesel khó bay hơi

 Khó khăn trong việc điều khiển quá trình cháy: Điều khiển thời điểm

tự cháy, thời gian cháy, nhiệt độ cháy…

 Ở động cơ xăng thời điểm cháy được điều khiển bằng cách thay đổi thời điểm bugi đánh lửa hay là điều chỉnh góc đánh lửa sớm, Đối với động cơ diesel được thực hiện bằng cách thay đổi thời điểm phun nhiên liệu hay điều chỉnh góc phun sớm nhằm tối ưu cho quá trình cháy Tuy nhiên ở động cơ HCCI việc điều chỉnh thời điểm tự cháy không hề đơn giản do hỗn hợp đã được chuẩn bị từ trước: Hỗn hợp khi đạt đủ nhiệt độ, áp suất thì sẽ diễn ra quá

trình tự cháy Ngoài ra quá trình cháy HCCI diễn ra nhanh, đồng đều, tại mọi điểm, tốc độ tăng áp suất lớn có thể dẫn đến tình trạng cháy gấp và gây tiếng

gõ cho động cơ Vì vậy phải kiểm soát tốt quá trình cháy của động cơ để đảm bảo cho động cơ hoạt động với thời gian lâu dài và hiệu quả

 Để điều khiển được quá trình cháy phải kiểm soát được các thông số đầu vào như nhiệt độ khí nạp, tính chất của nhiên liệu, lượng khí sót trong buồng cháy, lượng khí xả được tuần hoàn, áp suất trong xylanh…Với công nghệ hiện đại như hiện nay có thể áp dụng các công nghệ tiên tiến với bộ xử

lý bằng điện tử nhưng vẫn có nhiều khó khăn trong việc triển khai và rất phức tạp vì liên quan đến hoạt động của cả hệ thống Đây cũng là vấn đề chính mà các nhà khoa học hiện nay đang nghiên cứu

 Phát thải CO và HC lớn: Trong động cơ HCCI do chuẩn bị quá trình

cháy từ trước nên một phần nhiên liệu bám vào thành ống nạp, xylanh và đỉnh piston làm tăng lượng CO và HC trong khí xả Thêm vào đó động cơ HCCI hoạt động với hỗn hợp nghèo dẫn đến quá trình cháy không hoàn toàn, nhiệt độ cháy thấp gây khó khăn cho quá trình oxy hóa CO thành CO2. Theo những nghiên cứu của nhà khoa học người Đức Schloz thì nồng độ phát thải của HC của động cơ HCCI cao gấp 5 lần so với động cơ diesel thông thường, nồng độ CO cao gấp 10 tới 20 lần so với động cơ diesel thông thường[27]

Hình 2.9: Tỉ lệ phát thải NOx, HC, CO theo λ