c. Hệ thống buồng đốt kiểu Spray – Guide
3.3 Động Cơ HCCI Đƣợc Tối Ƣu Hĩa Quá Trình Động Học Khái niệm hệ thống động cơ OKP
Khái niệm hệ thống động cơ OKP
Động cơ OKP là động cơ xăng HCCI – SI 4 kỳ 2 chế độ. Đối với hỗn hợp tự cháy, động cơ sử dụng năng lƣợng nhiệt thải cĩ trong khì thải và chất làm mát để làm nĩng khơng khì nạp. Tỷ số nén của nĩ đƣợc tăng lên khoảng 15:1. Do đĩ, hầu hết tất cả các nguồn năng lƣợng nhiệt cĩ sẵn trong động cơ đều đƣợc sử dụng cho việc tự cháy của hỗn hợp. Điều khiển thời gian đốt cháy của động cơ OKP ở chế độ HCCI phụ thuộc vào việc quản lý nhiệt nhanh của to khơng khì đầu vào.
Để sử dụng năng lƣợng nhiệt trong khì thải và chất làm mát, hai bộ trao đổi nhiệt đƣợc sử dụng để làm nĩng khì nạp, nhƣ trong hính 3.12. Một luồng khì nạp ban đầu chảy qua bộ trao đổi nhiệt khơng khì làm mát và sau đĩ qua bộ trao đổi nhiệt khì thải.
Một luồng khì nạp khác bỏ qua trao đổi nhiệt, vẫn khơng nĩng. Cả hai luồng khơng khì cĩ thể đi vào xy-lanh. Nhiệt độ trung bính của khì nạp phụ thuộc vào tỷ lệ tốc độ dịng chảy của hai luồng khì. Tỷ lệ của hai tốc độ dịng chảy đƣợc điều khiển bởi van điều khiển nhiệt độ (TCV), nhƣ trong hính 3.12. Ngồi ra, hai ống tiết lƣu cĩ thể đƣợc cài đặt trong các đoạn nĩng và lạnh, tƣơng ứng, để kiểm sốt dịng chảy.
Một cách tiếp cận khác là hai luồng khơng khì vào xy-lanh một cách độc lập thơng qua các xupap nạp khác nhau. Trong cả ba trƣờng hợp, việc kiểm sốt tỷ lệ lƣu lƣợng đƣợc làm nĩng và khơng nĩng cho phép điều chỉnh nhanh nhiệt độ khì nạp để kiểm sốt thời gian đốt HCCI, đạt đƣợc sự quản lý nhiệt nhanh.
59
Hình 3.11: Hệ thống quản lý nhiệt nhanh sử dụng bộ trao đổi nhiệt và điều khiển tốc
độ dịng chảy
Ở mức tải cao hoặc trong khi khởi động nguội, động cơ OKP hoạt động ở chế độ SI. Để tránh kìch nổ động cơ, tỷ số nén hiệu quả trong chế độ SI đƣợc giảm từ 15:1 xuống cịn khoảng 10:1 và động cơ hoạt động theo chu trính Atkinson. Phần khì sĩt trong chế độ SI cũng đƣợc giảm xuống mức bính thƣờng để đánh lửa và truyền lửa. Để điều chỉnh cả tỷ lệ nén hiệu quả và phần khì sĩt, thiết bị điều khiển xupap biến thiên (VVT) đƣợc sử dụng. Đƣờng cong nâng xupap trong chế độ HCCI và SI sử dụng VCT đƣợc hiển thị ở phần trên của hính 3.12.
Hình 3.12: Sơ đồ của hai đƣờng cong nâng xupap, phần trên sử dụng pha cam và phần
60
Việc sử dụng VCT (điều khiển cam thơng minh) với độ nâng xupap tăng cho phép động cơ hoạt động ở chế độ SI với thời gian đĩng xupap nạp chậm và thời gian gĩc trùng điệp xupap thơng thƣờng. Do đĩ, tỷ lệ nén hiệu quả và phần khì sĩt đƣợc giảm xuống mức của động cơ SI thơng thƣờng.
Một loại cơ cấu VVT khác là chuyển đổi cấu hính cam CPS (cam profile switching). Đƣờng cong nâng xupap trong chế độ HCCI và SI sử dụng CPS đƣợc hiển thị ở phần dƣới của hình 3.12. Việc sử dụng CPS cĩ thể đạt đƣợc các mục tiêu tƣơng tự của VCT. Trong chế độ HCCI, gĩc trùng điệp xupap âm (khơng cĩ gĩc trùng điệp) thay ví sử dụng phần gĩc trùng điệp xupap đƣợc mở rộng. Sử dụng CPS cĩ lợi thế hơn so với sử dụng VCT. Cơ cấu CPS cĩ thể thay đổi thời điểm của xupap trong 1 chu kỳ do đĩ cĩ thể đáp ứng nhu cầu chuyển đổi chế độ cháy. Ngƣợc lại, tốc độ thay đổi pha của thiết bị VCT cĩ thể là một vấn đề đối với việc chuyển đổi chế độ.
Một cách khác để vận hành ở chế độ SI là sử dụng cơ chế tỷ số nén biến thiên (VCR) để giảm tỷ lệ nén hính học động cơ mà khơng làm thời điểm xupap nạp đĩng trễ. Nhƣng, một hệ thống VVT vẫn cần thiết để kiểm sốt phần khì sĩt. Ở chế độ SI, hiệu suất nhiệt của động cơ sử dụng VCR ngang bằng với động cơ PFI thơng thƣờng. Khi vận hành với chu trính Atkinson sử dụng thời gian đĩng xupap nạp chậm, hiệu suất thể tìch của động cơ OKP bị giảm. Để bù cho sự mất mát về hiệu suất thể tìch, áp suất đầu vào ở mức tải cao đƣợc tăng lên. Một bộ làm mát khì nạp bằng nƣớc (intercooler) đƣợc sử dụng để giảm nhiệt độ khơng khì nạp tăng. Nếu cơ chế VCR đƣợc sử dụng để giảm tỷ lệ nén hính học ở chế độ SI, việc tăng áp suất đầu vào khơng cịn cần thiết ví hiệu suất thể tìch khơng bị giảm. Các phƣơng pháp OKP đƣợc đề xuất cho phép động cơ HCCI hoạt động với hiệu suất nhiệt cao và phạm vi hoạt động rộng.
Kết quả kiểm tra Phạm vi hoạt động
Động cơ OKP đã đƣợc thử nghiệm trong một phạm vi điều kiện hoạt động khá rộng. Tại hình 3.13 cho thấy các điểm dữ liệu thử nghiệm trong cả hai chế độ HCCI và SI. Ở chế độ HCCI, động cơ đã đƣợc thử nghiệm từ 750 4750 v/p và từ tải nhẹ đến 0,55 MPa (IMEP). Khả năng hoạt động trong một phạm vi điều kiện khá rộng ở chế độ HCCI là một lợi thế lớn của OKP. Nĩ cho phép sử dụng tốt hơn lợi ìch của quá trính
61
cháy HCCI để cải thiện tình kinh tế nhiên liệu của xe qua các chu kỳ truyền động theo quy định.
Hình 3.13: Sơ đồ các điểm dữ liệu của các thử nghiệm động cơ OKP xylanh đơn ở chế
độ HCCI và ở chế độ SI.[11]
Động cơ OKP cũng đã đƣợc thử nghiệm trong chế độ SI sử dụng VVT cho các hoạt động SI, nhƣ hình 3.13. Khơng tăng tốc, động cơ đƣợc vận hành lên đến 0,7 MPa
NMEP. Với việc tăng áp suất đầu vào lên 0,15 MPa, động cơ đã đƣợc vận hành lên tới 0,117 MPa (GMEP) ở 1500 v/p, nhƣ hình 3.13. Động cơ OKP cung cấp mơ-men xoắn cực đại tƣơng đƣơng với động cơ xăng thơng thƣờng cĩ cùng thể tìch.
Hiệu suất nhiệt
Động cơ OKP xy-lanh đơn ở chế độ HCCI cho thấy hiệu suất nhiệt cao. Hình 3.14 so sánh suất tiêu hao nhiên liệu thực tế (NSFC) của động cơ OKP, một động cơ đánh lửa phun xăng trực tiếp phân tầng (SC – DISI) nguyên mẫu và hai động cơ phun nhiên liệu trên đƣờng ống nạp (PFI) ở các tải khác nhau và 1500rpm.
62
Hình 3.14. So sánh suất tiêu hao nhiên liệu thực tế giữa động cơ OKP xy-lanh đơn ở
chế độ HCCI, động cơ phun xăng trực tiếp phân tầng và hai động cơ PFI.[10] Đối với tất cả các động cơ, tổng áp suất trung bính hiệu dụng (GMEP) đƣợc xác định bởi sự khác biệt về mơ-men xoắn đo đƣợc tại các hoạt động cháy. Sau đĩ, áp suất chỉ thị trung bính thực tế (NMEP) đƣợc xác định từ GMEP và tổn thất bơm động cơ, đƣợc đo bằng bộ chuyển đổi áp suất. Ở 1500 rpm và 0,33 MPa NMEP (tương đương với BMEP 0,262 MPa), động cơ OKP cải thiện hiệu suất nhiệt lên 50% so với động cơ PFI thơng thường và 30% so với động cơ SC – DISI nguyên mẫu. Hiệu suất nhiệt cao và phạm vi hoạt động rộng trong chế độ HCCI cho phép động cơ OKP cải thiện đáng kể khả năng tiết kiệm nhiên liệu của xe qua các chu kỳ truyền động theo quy định. Ở
chế độ SI, hiệu suất nhiệt một phần của động cơ OKP đƣợc cải thiện do tỷ lệ giãn nở cao và giảm tổn thất bơm khi sử dụng chu trính Atkinson. Ở mức 0,5 MPa NMEP, hiệu suất nhiệt của động cơ đƣợc cải thiện 7% so với động cơ PFI.
Phát thải ở chế độ HCCI
Lƣợng khì thải NOx của động cơ OKP ở chế độ HCCI đã giảm đáng kể, nhƣ thể hiện hình 3.15. Dƣới 0,4 MPa NMEP, lƣợng phát thải NOx cụ thể (NSNOx) của động cơ OKP dƣới 0,1 g/KWh, chỉ bằng 1% hoặc 2% so với động cơ PFI và SC – DISI. Lƣợng khì thải NOx cực thấp của OKP và các động cơ HCCI khác là do to khì đốt thấp của hỗn hợp nghèo (hoặc pha lỗng). Đƣợc biết, việc loại bỏ NOx khỏi khì thải của động cơ cháy nghèo là khĩ khăn. Lƣợng khì thải NOx cực thấp của các động cơ HCCI
63
cĩ thể tạo điều kiện cho thiết kế hệ thống xử lý sau động cơ để đáp ứng các quy định nghiêm ngặt về khì thải.
Hình 3.15: So sánh lƣợng khí thải NOx giữa động cơ OKP xy-lanh đơn ở chế độ HCCI, động cơ phun xăng trực tiếp phân tầng và hai động cơ PFI. [10]
Khi NMEP tăng lên 0,45 MPa, lƣợng khì thải NOx tăng đáng kể. Điều này là do sự pha lỗng của hỗn hợp trở nên khơng đủ ở tải cao hơn với sự gia tăng khối lƣợng nhiên liệu trên mỗi chu kỳ. Hỗn hợp giàu hơn dẫn đến nhiệt độ khì đốt cao hơn 1800 ~ 1900K, đây là ngƣỡng cho sự hính thành NO. Để ngăn chặn sự hính thành NO, hỗn hợp cĩ thể đƣợc pha lỗng thêm bằng cách tăng áp suất đầu vào, tức là thêm nhiều khơng khì vào hỗn hợp.
Các chỉ số phát thải hydrocarbon (HC) của động cơ OKP ở chế độ HCCI nằm giữa các chỉ số của động cơ PFI và SC – DISI, nhƣ hình 3.16. Lƣợng phát thải HC của động cơ OKP cao hơn so với động cơ PFI, bởi ví động cơ OKP cĩ tỷ số nén cao hơn và khe hở giữa piston – xy-lanh lớn hơn so với động cơ xăng truyền thống. Thể tìch kẽ hở lớn hơn của động cơ OKP xy-lanh đơn xuất phát từ một hạn chế thiết kế do sử dụng đầu xy-lanh DISI. Đối với một động cơ OKP sản xuất, thiết kế này ràng buộc cĩ thể đƣợc gỡ bỏ. Nhƣng khơng thể loại bỏ ảnh hƣởng của tỷ số nén cao hơn của động cơ OKP đối với lƣợng khì thải HC.
64
Hình 3.16. So sánh lƣợng phát thải HC giữa động cơ OKP xylanh đơn ở chế độ
HCCI, động cơ phun xăng trực tiếp phân tầng và hai động cơ PFI.[10]
Khi tải giảm, lƣợng phát thải HC của động cơ OKP tăng nhanh, mặc dù chúng vẫn thấp hơn so với động cơ SC – DISI. Điều này cĩ lẽ là do lƣợng HC thốt qua khe hở giữa piston và xy-lanh với hỗn hợp rất nghèo cĩ ảnh hƣởng lớn hơn đến phát thải HC so với hỗn hợp lý tƣởng. Nhiệt độ khì đốt của hỗn hợp rất nghèo cĩ thể quá thấp để các hydrocacbon cĩ kẽ hở bị oxy hĩa trong q trính giãn nở. Nhiệt độ khì thấp hơn khơng thuận lợi cho quá trính oxy hĩa HC trong các cổng xả khì. Hơn nữa, nhiệt độ khì đốt thấp của hỗn hợp rất nghèo cĩ thể dẫn đến sự khơng hồn thành của quá trính đốt cháy.
65
Hình 3.17: So sánh lƣợng khí thải CO giữa động cơ OKP xy-lanh đơn ở chế độ HCCI,
động cơ phun xăng trực tiếp phân tầng và hai động cơ PFI.[2]
Các chỉ số phát thải carbon monoxide (CO) của động cơ OKP ở chế độ HCCI đƣợc hiển thị hình 3.18. Ở mức tải cao hơn, lƣợng khì thải CO của động cơ OKP thấp hơn nhiều so với động cơ SC – DISI và PFI. Điều này là do trong một hỗn hợp nghèo đồng nhất, hầu nhƣ khơng cĩ khu vực nào giàu hơn lý tƣởng để tạo ra khì thải CO. Tuy nhiên, khí thải giảm, lƣợng khì thải CO tăng nhanh. Sự gia tăng nhanh chĩng này là kết quả của quá trính oxy hĩa CO trong hỗn hợp nghèo khi nhiệt độ khì giảm xuống dƣới 1500oK. Khi tải nhẹ, việc khơng hồn thành các quá trính oxy hĩa CO và HC dẫn đến giảm hiệu quả đốt cháy đáng kể.
Mở rộng phạm vi hoạt động của HCCI
Phạm vi hoạt động của HCCI bị hạn chế bởi các vấn đề về hiệu suất/kiểm sốt và khì thải của động cơ. Các ràng buộc chình đối với phạm vi hoạt động của HCCI đƣợc thể hiện dƣới dạng sơ đồ hình 3.18. Do phạm vi hoạt động của HCCI ảnh hƣởng đến việc cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu của xe qua các chu kỳ truyền động bằng cơng nghệ HCCI, nên việc mở rộng phạm vi hoạt động của HCCI là mục tiêu quan trọng nhằm phát triển động cơ HCCI.
66
Hình 3.18: Sơ đồ các ràng buộc đối với phạm vi hoạt động của HCCI.[5]
Phương pháp mở rộng giới hạn dưới
Giới hạn dƣới của phạm vi hoạt động của HCCI bị hạn chế bởi sự phát thải mạnh của CO với sự giảm hiệu suất cháy và bởi sự gia tăng của các chu kỳ thay đổi liên tục dẫn đến sự bỏ lửa của quá trính cháy. Nhƣ đã nội dụng đã phân tìch trƣớc đĩ, lượng
khí thải CO của động cơ OKP tăng mạnh khi tải nhẹ dẫn đến việc giảm to khí đốt dưới ngưỡng 1500K. Để cải thiện phát thải CO và hiệu quả đốt cháy khi tải nhẹ, to khì đốt
phải đƣợc tăng. Một phƣơng pháp kiểm sốt để tăng to khì đốt là tăng thời gian đốt cháy để khì trong q trính đốt cháy cĩ xu hƣớng bị nén.
Thời gian cháy cải thiện địi hỏi nhiều năng lƣợng nhiệt hơn cho hỗn hợp để đạt đƣợc nhiệt độ tự bốc cháy ở thời điểm sớm hơn. Một phƣơng pháp kiểm sốt khác là sử dụng phun phân tầng, làm giảm tỷ lệ nhiên liệu khơng khì cục bộ trong khu vực giàu nhiên liệu hơn. Hỗn hợp giàu hơn cĩ nhiệt độ cháy cao hơn. Phun phân tầng cĩ thể đƣợc thực hiện bằng cách giữ lại thời gian phun nhiên liệu nếu động cơ sử dụng phun nhiên liệu trực tiếp.
Cĩ hai phƣơng pháp kiểm sốt khác để giảm lƣợng khì thải CO khi tải nhẹ, bao gồm giảm áp suất đầu vào bằng cách điều tiết và tăng phần khì sĩt. Giảm áp suất đầu vào làm giảm khối lƣợng khì trong xy-lanh, dẫn đến tăng nhiệt độ khì đốt. Tăng phần khì sĩt dẫn đến tốc độ dịng khì thải thấp hơn, dẫn đến phát thải CO thấp hơn.
Ƣu điểm và nhƣợc điểm Hiệu suất nhiệt cao
67
Một động cơ xăng HCCI phức tạp và mắc tiền hơn động cơ SI thơng thƣờng. Do đĩ, việc áp dụng động cơ xăng HCCI trên xe là phù hợp nếu hiệu suất nhiệt cĩ thể đƣợc cải thiện đáng kể. Các cách tiếp cận HCCI khác nhau dẫn đến hiệu suất nhiệt khác nhau.
Để hiểu đƣợc những tiềm năng của cơng nghệ HCCI trong việc cải thiện tình kinh tế của nhiên liệu, các yếu tố chình ảnh hƣởng đến động cơ là hiệu suất nhiệt đƣợc phân tích. Các yếu tố này và các hệ thống động cơ khác nhau, bao gồm động cơ SI thơng thƣờng, động cơ Diesel (CI), động cơ phun trực tiếp phân tầng DISI và một số động cơ HCCI điển hính, đƣợc thể hiện bảng 3.1.
Tỷ lệ nén động cơ, tổn thất bơm và tỷ lệ nhiệt riêng của khì, đƣợc liệt kê trong bảng 3.1, là 3 yếu tố chình giúp phân biệt động cơ Diesel với động cơ SI thơng thƣờng về hiệu suất nhiệt. Động cơ xăng (SI) bị hạn chế bởi kìch nổ. Do đĩ, tỷ số nén của nĩ bị giới hạn, thơng thƣờng trong khoảng 10:1. Đánh lửa và truyền lửa yêu cầu tỷ lệ A/F dƣới 20:1. Việc sử dụng chất xúc tác 3 chiều để kiểm sốt khì thải ở đƣờng thải địi hỏi một hỗn hợp lý tƣởng. Từ đĩ, động cơ SI đang ở trạng thái tải nào đĩ, dẫn đến tổn thất bơm động cơ. Tỷ lệ A/F bị hạn chế cũng hạn chế tỷ lệ nhiệt riêng của khì, làm giảm hiệu suất nhiệt của bộ phận động cơ.
Bảng 3.1: Các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu quả tải một phần và đánh giá các hệ thống
động cơ khác nhau.[5]
Chú thích: Chỉ số A tốt hơn B
03 yếu tố đầu tiên cũng ảnh hƣởng đến hiệu quả nhiệt của các hệ thống khác động cơ. Một động cơ DISI phun phân tầng sử dụng hỗn hợp nghèo tổng thể ở mức tải một phần. Tỷ lệ A/F của nĩ cĩ thể tăng lên 45:1. Do đĩ, tỷ lệ nhiệt riêng của khì đƣợc tăng
68
lên, và tổn thất bơm giảm. Nhƣng, tỷ lệ nén của Động cơ SC -DISI về cơ bản vẫn khơng thay đổi ở khoảng 10:1. Do đĩ, hiệu suất nhiệt của động cơ SC – DISI vẫn thấp