c. Hệ thống buồng đốt kiểu Spray – Guide
3.4 Động Cơ CAI Dùng Xupap Điện Từ Giới thiệu
Giới thiệu
Cơng nghệ của động cơ SI đã trải qua sự phát triển nhanh chĩng. Chỉ một vài năm trƣớc, các động cơ SI đã hội tụ một khái niệm thống nhất, đặc trƣng bởi điều khiển bƣớm ga, phun đa điểm, cơng nghệ đa xupap và đốt cháy lì tƣởng kết hợp với chất xúc tác ba chiều. Hiện nay, một xu hƣớng khái niệm động cơ SI mới đang phát triển với một số hƣớng tiềm năng rõ ràng, và hiện thực hĩa thƣơng mại
Các nhà sản xuất tại Nhật Bản đã tung ra các động cơ SI sản xuất hàng loạt đầu tiên với phun trực tiếp và các động cơ DISI đầu tiên từ các nhà sản xuất châu Âu hiện cũng đang đƣợc sản xuất. Các thiết kế theo định hƣớng tƣơng lai hơn cĩ tình năng vận hành tinh gọn với điện tìch xy-lanh phân tầng trên phạm vi lớn nhất cĩ thể của sơ đồ động cơ. Với phƣơng pháp này, cĩ thể thu đƣợc những lợi thế nhiệt động đáng kể và, ngồi ra, một phần lớn tổn thất điều tiết cĩ thể đƣợc phục hồi. Những lợi thế dẫn đến tiêu thụ nhiên liệu trên đƣờng ban đầu đƣợc đánh giá quá cao. Khả năng giảm mức tiêu thụ nhiên liệu khi phun xăng trực tiếp hiện đang hội tụ khoảng 10 đến 14% trong NEDC (chu kỳ thử nghiệm lái xe mới theo tiêu chuẩn châu Âu), so với động cơ SI thơng thƣờng. Một mối quan tâm quan trọng liên quan đến việc sử dụng phun xăng trực tiếp là mặc dù khái niệm động cơ mang lại lợi thế tiêu thụ nhiên liệu lớn trong NEDC, nhƣng nĩ chỉ cĩ thể tiết kiệm nhiên liệu nhỏ trong quá trính lái xe hàng ngày của khách hàng.
Những nỗ lực phát triển gần đây để cải thiện nền kinh tế nhiên liệu động cơ SI và hành vi phát thải đang tập trung vào các khái niệm hỗn hợp đồng nhất. Một trong những khái niệm này là một khái niệm đốt nghèo đồng nhất đƣợc tăng cƣờng đƣợc áp dụng trên sơ đồ động cơ đầy đủ. Kết hợp với hệ thống đốt đƣợc điều chỉnh cho khả năng ghi nạc tuyệt vời, chế độ này mang đến tiềm năng tăng đáng kể tỷ số nén. Một
73
khái niệm khác sử dụng đánh lửa tự động cĩ kiểm sốt của hỗn hợp xăng – khơng khí xảy ra trong các điều kiện hoạt động cụ thể.
Xupap điện từ biến thiên và điều khiển tải thay đổi
Xe cĩ phun xăng trực tiếp thƣờng cho thấy khả năng giảm mức tiêu thụ nhiên liệu khoảng 10 - 14% trong NEDC so với động cơ SI thơng thƣờng. Khả năng giảm suất tiêu hao nhiên liệu của các xupap điện từ biến thiên phụ thuộc vào mức độ hoạt động của chúng. Cải thiện mức tiêu thụ nhiên liệu từ 4 - 18% tùy theo hệ thống và sự kết hợp các phƣơng pháp khác nhau, nhƣ hình 3.19.
Hình 3.19: Biểu đồ mức cải thiện tiêu hao nhiên liệu dựa trên xupap điện từ biến thiên
và điều khiển tải thay đổi trong NEDC.[5]
Các giải pháp với chi phì thấp hơn, vì dụ: điều khiển pha sớm trễ (Cam phasing) cho cả trục cam hút và xả, cải thiện mức tiêu thụ nhiên liệu trong phạm vi 4%. Nếu kết hợp cam phasing với điều khiển độ nhấc xupap thay đổi cĩ thể cải tiến lên tới 7%; điều đĩ cũng xảy ra nếu kết hợp với van tiết lƣu đƣợc điều khiển đồng bộ theo chu kỳ. Do điều khiển đồng bộ theo chu kỳ, van tiết lƣu cũng cĩ thể ảnh hƣởng đến sĩng áp suất động trong hệ thống nạp và cải thiện mơmen xoắn.
Ngắt xy-lanh giúp cải thiện mức tiêu thụ nhiên liệu khoảng 8%. Việc thay đổi độ nhấc xupap kết hợp với một phaser cam nạp và ngắt xy-lanh cũng nhƣ một xupap biến thiên cĩ khả năng giảm nhiên liệu khoảng 10%. Lợi thế cao nhất cĩ thể đạt đƣợc với xupap điện từ (EMVT) cho phép tất cả các quá trính mở xupap và hầu hết các xupap
74
và ngắt xy-lanh linh hoạt nhất. Sử dụng xupap điện từ giúp cải thiện mức tiêu thụ nhiên liệu tăng lên 16 – 18%.
Xupap điện từ
Điều khiển điện của xupap nạp và xả cung cấp độ biến thiên lớn nhất, cung cấp khả năng kiểm sốt rộng rãi đối với thành phần điện tìch và chuyển động điện tìch, bên cạnh việc kiểm sốt rõ ràng lƣợng nạp. Những lý do chình dẫn đến sự phát triển của khái niệm xupap điện là khả năng kiểm sốt tải động cơ mà khơng cần điều tiết, do đĩ giảm đƣợc rất lớn tổn thất trao đổi khì và một số lợi ìch khác trên nhiều khìa cạnh (tức, lúc này, động cơ loại bỏ hồn tồn quá trính truyền động giữa trục khuỷu và trục cam, giảm độ ồn từ xìch hoặc đai, giảm thể tìch bơi trơn,.. hoặc kìch thƣớc động cơ). Để
kết thúc q trính "Đĩng cửa nạp sớm (EIC)" chủ yếu được sử dụng đĩng các xupap
nạp ngay khi lượng nạp cần thiết đã vào xy-lanh. Trong quá trình kiểm sốt tải khác,
hỗn hợp mới vào cuối (LIC), hỗn hợp mới này đƣợc hút hồn tồn vào kí nạp và hỗn hợp khì sĩt sau đĩ đƣợc đẩy trở lại vào cổng nạp trong phần đầu tiên của hành trính nén trƣớc khi đĩng xupap nạp.
Ngồi kiểm sốt tải, kiểm sốt thành phần nạp là một tình năng quan trọng liên quan đến hiệu quả và lƣợng khì thải. Điều khiển xupap biến thiên cung cấp khả năng thìch ứng lƣợng khì xĩt cho điểm vận hành khác nhau. Trong q trính trao đổi khì, đặc tình dịng chảy của q trính nạp cũng cĩ thể bị ảnh hƣởng. Chuyển động của khì nạp đƣợc tạo ra cĩ thể đƣợc sử dụng để cải thiện sự hính thành hỗn hợp và đồng nhất hĩa cũng nhƣ để tăng tốc q trính cháy. Chuyển động khì nạp cĩ thể đƣợc tăng lên và đƣợc điều khiển bằng EMVT bằng gĩc trùng điệp xupap âm với chế độ mở trễ xupap nạp hoặc bằng cách điều khiển mở rộng đặc tình độ nhấc xupap. Điều khiển mở rộng này đối với đặc tình độ nhấc xupap cĩ thể đƣợc sử dụng để giảm lực nâng tối đa của xupap, để áp dụng một đoạn dốc trong khi mở và/hoặc đĩng xupap, hoặc để nhận ra lần mở thứ hai của xupap tƣơng ứng trong chu kỳ, hình 3.20.
75
Hình 3.20: Tối ƣu hố q trính cháy bằng phƣơng pháp tạo hính đƣờng cong xupap.
(Combustion Process Optimization by Means of Valve Lift Curve Shaping).[2] Các hệ thống điều khiển xupap điện hiện tại cĩ tình năng điều khiển vịng kìn của dịng truyền động để giảm thiểu tiếng ồn của xupap và giảm sự hao mịn của các bộ phận của xupap. Vận tốc xupap khi đĩng dƣới 0,05m/s hiện đang đạt đƣợc. Điều khiển vịng kìn này cũng cho phép nâng xupap nhỏ khoảng (1 – 1,5)mm. Các ứng dụng của xupap điện đã chứng minh rằng cĩ thể định hính đƣờng cong nâng xupap với sự trợ giúp của bộ điều khiển bộ truyền động. Kết quả, cĩ thể hút phần chình của hỗn hợp
tại độ nhấc xupap cao, gây ra tổn thất trao đổi khì tối thiểu. Trƣớc khi đĩng các xupap, chúng đƣợc giữ ở mức thấp trong một thời gian ngắn để đạt đƣợc vận tốc dịng chảy cao trong khoảng cách nhỏ giữa xupap và bệ xupap. Với chuyển động của việc nạp đƣợc tạo ra bởi khe hở xupap nhỏ, cĩ thể cải thiện đáng kể hiệu quả đốt cháy, đặc biệt là ở mức tải thấp và tốc độ động cơ xung quanh khơng hoạt động.
Các chế độ hoạt động khác của hệ thống EMVT hoạt động với độ nâng xupap tối đa trong khoảng từ (1 - 1,5)mm bằng cách điều khiển chình xác bộ chấp hành xupap. Cĩ thể cải thiện quy trính bổ sung do giảm lực nâng này, đặc biệt nếu (do tốc độ dịng chảy cao hơn), dịng chảy xy-lanh đƣợc tạo ra với sự trợ giúp của độ bao phủ bệ xupap để điều khiển chuyển động của việc nạp. Do khả năng mở gấp đơi các xupap, cĩ thể đạt đƣợc sự phân tầng cĩ kiểm sốt của hỗn hợp và khì xĩt. Với việc mở thứ hai rất muộn trong giai đoạn trao đổi khì, cĩ thể thêm hỗn hợp mới hoặc khì thải vào xy-lanh
76
với tốc độ cao. Một tình năng cĩ giá trị khác để tối ƣu hĩa quá trính đốt với xupap điện là điều khiển đồng bộ chu kỳ của tất cả các định thời của xupap. Do đĩ, xupap
biến thiên cho phép điều khiển phù hợp với tải động cơ, thành phần khí nạp và chuyển động khí trong xylanh. Các bƣớc tải cũng nhƣ thay đổi chế độ hoạt động cĩ thể đƣợc
kiểm sốt rất chình xác. Đối với sự phát triển CAI, độ linh hoạt mở rộng của xupap EMVT đƣợc sử dụng để xác định các biến số cần thiết liên quan đến thời gian mở xupap và thời gian chuyển tiếp giữa các chế độ hoạt động khác nhau của xupap.
Đánh lửa tự động cĩ kiểm sốt (CAI)
Động cơ SI, những nỗ lực phát triển gần đây để cải thiện tính kinh tế nhiên liệu và chất lƣợng khì thải, nên đang tập trung trở lại vào các khái niệm hỗn hợp đồng nhất. Một số biện pháp sử dụng đánh lửa tự động cĩ kiểm sốt, cĩ thể trong điều kiện hoạt động cụ thể.
Với mục tiêu là khả năng đốt cháy một lƣợng hỗn hợp khì trong xy-lanh cực kỳ lỗng và đốt cháy một cách nhanh chĩng và hiệu quả. Điều này, cĩ thể xảy ra nếu quá trính cháy bắt đầu đồng thời tại nhiều vị trì khác nhau trong hỗn hợp đƣợc kìch hoạt bởi nhiệt. Kết quả là hoạt động của động cơ khơng bị cản trở, to
xử lý thấp hơn và lƣợng khì thải NOx thấp. Cơng nghệ hấp thụ NOx, cần thiết cho việc xử lý khì thải.
Lý tƣởng nhất là các điều kiện cần thiết cho Đánh Lửa Tự Động Cĩ Kiểm Sốt (CAI) đƣợc tạo ra bằng cách tuần hồn khì thải. Khì thải tuần hồn nĩng làm tăng to
nạp, làm cho to xy-lanh đạt đến to đánh lửa tự động cho đến khi kết thúc quá trính nén. Trong quá trính này, khơng mong muốn cĩ sự tìch tụ của khì nạp mới và khì sĩt vì to
dẫn đến các khu vực giàu EGR của buồng đốt cao hơn so to thu đƣợc trong 1 xy-lanh hồn tồn đồng nhất. Hỗn hợp nhiên liệu khơng khì sẽ bốc cháy tại các khu vực giới hạn của các vùng giàu EGR này. Do đĩ, tình đồng nhất của khì thải tuần hồn cĩ ảnh hƣởng chình đến quá trình CAI
Điều này đƣợc hiển thị trong hình 3.21 bởi sơ đồ đơn giản hĩa của chu kỳ nén. Các quy trính đƣợc trính bày cĩ các điều kiện bắt đầu giống nhau khi xem xét tốc độ EGR và to khì sĩt cũng nhƣ tỷ số nén giống nhau. Khả năng đạt đƣợc đánh lửa tự động bằng cách làm nĩng khơng khí nhanh, mạnh; đƣợc thể hiền ở giữa hình 3.21. Nhiệt độ cần thiết để đạt đƣợc đánh lửa tự động cho đến khi kết thúc quá trính nén là từ (730 –
77
930)°C. Để giải thìch cho sự phát sinh và đánh lửa trễ, nên vƣợt quá phạm vi to này tại TDC để đảm bảo quá trính cháy nhanh và ổn định. Những điều kiện này cĩ thể đạt đƣợc một cách an tồn bằng cách làm nĩng khơng khì nạp vào khoảng 150°C. [5]
Hình 3.21. Ảnh hƣởng của nhiệt độ và tình đồng nhất đối với đánh lửa tự động cĩ
kiểm sốt. [11]
Trong trƣờng hợp, khi khơng đƣợc làm nĩng trƣớc khì nạp, cĩ thể quan sát đánh lửa tự động trong các trƣờng hợp riêng lẻ với tốc độ EGR cao, tùy thuộc vào biến động theo chu kỳ, độ lệch chuẩn và tổn thất nhiệt trong quá trính thực. Nhƣng khi đơn giản hĩa điều kiện nhiệt ở cuối quá trính nén, các điều kiện cần thiết khơng thể đảm bảo bằng khì mới và hỗn hợp lý tƣởng (phìa bên trái hình 3.21).
Giả sử rằng khối khì sĩt đƣợc phân phối trong buồng đốt ở một số điểm EGR (bên phải hình 3.21), các đỉnh nhiệt cục bộ cĩ thể đƣợc tạo ra bên trong xy-lanh, do đĩ vƣợt quá các điều kiện đạt đƣợc khi đốt nĩng khơng khì. Đây là lý do tại sao chữ viết tắt HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) và nên đƣợc thay thế bằng thuật ngữ CAI thìch hợp (Đánh lửa tự động cĩ kiểm sốt). Nghiên cứu cơ bản trên động cơ 01 xy-lanh đã chỉ ra rằng chế độ EGR cĩ ảnh hƣởng chình đến đánh lửa tự động. Ngồi to, hoạt động hĩa học của khì sĩt cĩ ảnh hƣởng lớn. Sự hiện diện của hoạt động bị ảnh hƣởng đáng kể bởi to
của khì sĩt từ q trính cháy trƣớc đến quá trính đánh lửa tự động mong muốn của chu kỳ sau. Do đĩ, việc làm mát khì sĩt, do nguyên nhân chủ yếu là trộn đồng nhất với khơng khì sạch, là khơng mong muốn. Cần phân phối khì sĩt
78
bên trong xy-lanh thuận lợi và chỉ trộn một phần với khì mới. Các hính thức vận hành xupap biến thiên khác nhau tại FEV là yếu tố chình trong việc thực hiện thành cơng q trính đốt cháy mới này. Đặc biệt là xupap điện với tình năng linh hoạt tối ƣu, rất hữu ìch để xác định và đánh giá chế độ EGR tối ƣu cho đánh lửa tự động cĩ kiểm sốt. Các chế độ EGR cĩ sẵn đƣợc trính bày trong hình 3.22. Ví thiết kế piston cho động cơ EMVT đảm bảo di chuyển hồn tồn tự do tất cả các xupap, khái niệm này cho phép linh hoạt để xác nhận các chế độ hoạt động EGR.
Hình 3.22: Phƣơng pháp tuần hồn
khí thải.[12]
EGR thơng qua buồng đốt giữ và nén khì xĩt cần thiết bên trong xy- lanh, thúc đẩy các phản ứng trƣớc của khì sĩt. Do đĩ, chế độ này cung cấp các điều kiện thuận lợi nhất để vận hành CAI ổn định, nhƣng với tổn thất trao đổi khì tƣơng đối cao. Cổng xả sớm EGR cũng nhƣ cổng xả EGR một phần cũng đƣa ra các chế độ. Các chế độ này đang hoạt động với tổn thất trao đổi khì rất thấp và cĩ thể đƣợc thực hiện bằng cách sử dụng một xupap thơng thƣờng đƣợc sửa đổi,
Vì dụ: Với điều khiển nâng biến thiên của các xupap xả. Cổng xả khì muộn EGR với mở xupap xả kép cũng nhƣ các chế độ EGR của cổng nạp cung cấp to
thấp hơn trong xy-lanh. Các sơ đồ thể tìch áp suất của 2 độ EGR cơ bản cho hoạt động CAI, tức là EGR qua cổng xả và qua buồng đốt, đƣợc hiển thị trong hình 3.23 cho 2000 v/p, IMEP 0,3 MPa. Mức to xy-lanh và phun phân tầng cao hơn trong buồng đốt EGR dẫn đến tính trạng cháy sớm hơn đáng kể và đốt cháy nhanh hơn, với áp suất cực đại vƣợt xa so với EGR của cổng xả.
79
Hình 3.23. Kết quả kiểm tra về CAI so với các động cơ SI khác (2000 rpm; BMEP =
0,2 MPa).[11]
Việc phun trực tiếp cung cấp một số lợi thế liên quan đến việc kiểm sốt quá trính CAI. Việc kiểm sốt thời gian phun cũng nhƣ phun nhiều lần cĩ thể cung cấp các thơng số bổ sung để ảnh hƣởng đến vị trì của q trính cháy. Điều này dẫn đến lợi ìch trong mức tiêu thụ nhiên liệu, tùy thuộc vào tải và tốc độ động cơ. Cần lƣu ý rằng việc chuẩn bị hỗn hợp bên trong cho phép giảm tỷ lệ EGR cần thiết cho việc giới hạn độ dốc áp suất tối đa trong quá trính đánh lửa tự động. Điều này mang đến cơ hội mở rộng chế độ CAI theo hƣớng tải cao hơn. Khu vực hoạt động trong đĩ hoạt động CAI cĩ thể bị giới hạn bởi một số điều kiện biên. Về cơ bản, tốc độ EGR đủ cao là cần thiết để đạt đƣợc các điều kiện đánh lửa tự động bên trong xy-lanh cho đến khi kết thúc quá trình nén.
Vùng vận hành kết quả cho hoạt động CAI đƣợc hiển thị trong hính 3.24. Sơ đồ này bắt nguồn từ việc kiểm tra xy-lanh đơn với hoạt động xupap biến đổi hồn tồn và chuẩn bị hỗn hợp bên ngồi. EGR thơng qua buồng đốt đƣợc chọn là chế độ EGR trong này. Động cơ cĩ tỉ số nén 11,5. Trong quá trính thử nghiệm với chế độ EGR thơng qua cổng xả khì với một phần song song, khu vực hoạt động cĩ thể đƣợc mở rộng đáng kể theo hƣớng tải cao hơn. Một phần mở rộng bổ sung đã đạt đƣợc bằng cách phun trực tiếp.
80
Hình 3.24: Sơ đồ hoạt động của CAI.[5]
Trong khu vực tải thấp, nơi khơng thể vận hành CAI ổn định, một số tùy chọn tồn