2.2 Điều khiển quá trình cháy trên động cơ HCCI
2.2.1 Điều khiển thời điểm cháy bằng luân hồi khí thải
a. Ảnh hưởng của khí luân hồi đến quá trình cháy HCCI
Khí thải ln hồi trở lại xilanh có bốn tác dụng chính làm thay đổi thời điểm cháy của động cơ HCCI:
- EGR gia nhiệt cho hỗn hợp nạp, đặc biệt là trong trường hợp khí ln hồi khơng được làm mát, làm thời điểm cháy diễn ra sớm hơn, làm tăng tốc độ tỏa nhiệt, tốc độtăng áp suất tăng và thời gian cháy hỗn hợp ngắn hơn [84]. Trên động cơ diesel khí luân hồi làm mát làm trễ thời điểm cháy hỗn hợp [76].
- EGR ảnh hưởng đến pha lỗng hỗn hợp. Khí thải quay trở lại chiếm chỗ khí nạp mới làm giảm nồng độ ơxy. Ảnh hưởng này không tác động đến thời điểm cháy động cơ CAI, nhưng kéo dài thời gian cháy và làm chậm tốc độ tỏa nhiệt khi sử dụng tỷ lệ luân hồi lớn [84,24].
- Nhiệt dung riêng tổng cộng của khí nạp trong xylanh sẽcao hơn khiđược hồ trộn với khí cháy, chủ yếu bởi nhiệt dung riêng cao của CO2 và hơi nước. Sựtăng nhiệt dung riêng của khí nạp là do ảnh hưởng của nhiệt dung riêng khí đã cháy. Nhiệt dung riêng tổng cộng tăng lên làm nhiệt độ tự cháy của hỗn hợp tăng lên.
- Cuối cùng, khí luân hồi tham gia vào các phản ứng trong chu trình tiếp theo. Nếu EGR được làm mát sẽtrơ về mặt hóa học và khơng góp phần vào các phản ứng này [35].
b. Điều khiển luân hồi khí xả
- Ln hồi nội tại: Khí sót được giữ lại trong xilanh thơng qua thay đổi góc đóng mở pha phối khí. Luân hồi nội tại khí thải khơng được làm mát, nên chứa thành phần hoạt tính dễ tham gia phản ứng, làm thời điểm cháy diễn ra sớm hơn. Khí sót được giữ lại trong xilanh càng lớn thì thời điểm cháy diễn ra càng sớm (Hình 2.13). Kiểm sốt q trình cháy thơng qua điều khiển lượng khí sót thường được gọi là kiểm sốt q trình tự cháy CAI.
33
Hình 2.13 Ảnh hưởng của luân hồi nội tại đến tải và thời điểm cháy [47] Trên Hình 2.14 một lượng khí sót được giữ lại bằng cách sử dụng độ trùng Trên Hình 2.14 một lượng khí sót được giữ lại bằng cách sử dụng độ trùng điệp van âm NVO (Negative Valve Overlap). Nguyên lý làm việc NVO van xả đóng sớm van nạp mở muộn kết quả khí sót được giữ lại trong xilanh. Lượng khí sót được giữ lại nhiều khi độ âm NVO càng lớn, thời điểm cháy diễn ra càng sớm.
Hình 2.14 Quan hệđộ nâng xupap theo góc quay khi sử dụng NVO
Với cách tiếp cận này nhiều động cơ được sản xuất có thểthay đổi được góc đóng mởvan thơng minh, thơng qua thay đổi biên dạng cam. Thơng thường sự thay đổi này trên tồn bộ xilanh là như nhau, có nghĩa khơng có hỗ trợ điều khiển từng xilanh, đây cũng là hạn chế của phương pháp này. Hạn chế khác là vùng làm việc động cơ hẹp. Tải cao đạt được khi duy trì lượng khí sót ít nhất có thể, từ đó có thể giảm thiểu được nhiệt độ khí nạp và pha cháy muộn. Tuy nhiên ở tải cao không giữ được pha cháy một cách hợp lý. Lượng khí sót làm cho hỗn hợp cháy nhanh, mạnh
34
mẽ trong hành trình nén, áp suất trong xilanh rất cao, hiệu suất nhiệt thấp. Ở tải thấp u cầu lượng khí sót cao để duy trì nhiệt độ cho hỗn hợp tự cháy. Ở tốc độđộng cơ thấp nó khơng duy trì đủ nhiệt độ để hỗn hợp tự cháy trừ khi ở tải cao hơn BMEP=1,5 bar. Vấn đề này có thể được cải thiện phần nào khi sử dụng hệ thống phun trực tiếp. Nhiên liệu được phun trong giai đoạn NVO một số tiền phản ứng xẩy ra trong hành trình nén kết quả làm cho phản ứng mạnh mẽ hơn và thời điểm cháy sớm hơn.
Một giải pháp khác có liên quan tới NVO là cho van xả mở trở lại trong quá trình nạp (Hình 2.15). Ta thấy van xảđược mở trở lại trong hành trình nạp và lượng khí thải được hút trở lại trong buồng cháy.
Hình 2.15 Minh họa khí thải được nạp lại trong xilanh khi van xả mở trở lại Tỷ lệ giữa xả mở bình thường và van xả mở trở lại nó quyết định lượng khí thải Tỷ lệ giữa xả mở bình thường và van xả mở trở lại nó quyết định lượng khí thải nóng quay trở lại và giảm pha cháy muộn. Với loại điều khiển van này có nhiều bậc tự do hơn so với cam tiêu chuẩn. Một giải pháp đơn giản hơn là cho van xả mở trong thời kỳ nạp và dùng góc đóng van xả để xác định lượng khí sót quay trở lại buồng cháy [66].
- Luân hồi ngoài: Sơ đồđiều khiển thời điểm cháy sử dụng khí luân hồi được thể hiện trên Hình 2.16. Trên sơ đồ khí luân hồi được làm mát bằng nước, lượng khí luân hồi được điều khiển bởi van EGR. Tỷ lệ luân hồi được xác định bằng cách đo nồng độ CO2 nạp vào xilanh và nồng độ CO2 ống xả, được tính theo cơng thức sau:
inlet exhaust = . [CO ]2 %EGR 100% [CO ]2
35
Hình 2.16 Sơ đồ thí nghiệm hệ thống sử dụng khí luân hồi [47]
Trên hình 2.17 cho ta thấy ảnh hưởng của khí ln hồi đến thời điểm cháy hỗn hợp. Khi tăng tỷ lệ khí ln hồi và duy trì nhiệt độ khí nạp khơng đổi thời điểm cháy diễn ra muộn hơn, áp suất lớn nhất trong xilanh giảm, tốc độtăng áp suất giảm động cơ làm việc êm hơn.
36