b. Phun muộn
Nhiên liệu được phun trong hành trình nén, thời điểm cháy được làm trễ bằng cách đưa vào xilanh lượng lớn khí luân hồi để hỗn hợp có đủ thời gian hình thành đồng nhất. Phát thải bồ hóng giảm, nhiệt độ cháy thấp nên giảm hình thành NOx.
Ảnh hưởng của phun muộn đến tỷ lệ tỏa nhiệt được minh họa trong Hình 2.9. Khi thời điểm phun thay đổi trong phạm vi phổ biến của động cơ diesel thông thường thì tốc độ tỏa nhiệt khơng thay đổi q nhiều. Tuy nhiên khi thời điểm bắt đầu phun trễ hơn và sử dụng khí luân hồi thì hình dạng đường cong tỏa nhiệt bắt đầu thay đổi. Tỷ lệ hỗn hợp cháy tăng trong khi q trình cháy khuếch tán ít hơn, điều này làm giảm NOx và bồ hóng.
28
Hình 2.9 Ảnh hưởng của phun muộn đến tốc độ tỏa nhiệt [10]
Ưu điểm của biện pháp này là quá trình phun và q trình cháy khơng hồn tồn tách rời nhau nên ta có thểđiều khiển thời gian cháy thơng qua thời điểm phun. Tuy nhiên, khó khăn của biện pháp này là không làm giảm công suất trong khi hiệu suất nhiệt có thể chấp nhận được.
Hệ thống MK (Modulated Kinetics) điều biến động lực học phản ứng cháy và HPLI (Highly Premixed Late Injection) phun muộn hình thành hỗn hợp đồng nhất. Hệ thống MK được phát triển bởi tổng công ty Nissan Motor, được giới thiệu trong các tài liệu của Nhật bản vào năm 1995 và đưa ra thị trường vào năm 1998 cho động cơ diesel cao tốc [51]. Trong phiên bản đầu tiên của hệ thống MK đặc tính cháy HCCI được thiết lập dựa trên 3 yếu tố: giảm nồng độ oxy, làm trễ thời điểm cháy, tỷ lệ xoáy lốc hỗn hợp cao. Thứ nhất, giảm nồng độ ôxy trong khí nạp giảm bằng sử dụng khí luân hồi, dẫn đến giảm phát thải NOx, tăng phát thải HC. Thứ hai, làm trễ thời điểm cháy dẫn tới hỗn hợp được hình thành tốt hơn cùng với phát thải NOx thấp, nhưng phát thải HC cao. Thứ ba, tỷ lệ xoáy lốc hỗn hợp cao dẫn đến càng làm giảm phát thải bồ hóng và phát thải HC giảm mạnh [41].
Hệ thống MK được cải tiến để mở rộng phạm vi tải và tốc độ đã được mở rộng phạm vi làm việc của động cơ HCCI. Thời điểm cháy được làm trễ bằng cách giảm tỷ số nén và sử dụng luân hồi khí thải (EGR) đã được làm mát. Giảm thời gian
29
phun bằng cách tăng áp suất phun và tăng đường kính lỗ phun. Sự kết hợp giữa giảm nồng độ ôxy và làm trễ thời điểm phun dẫn tới làm giảm NOx và bồ hóng. Trong trường hợp toàn bộ nhiên liệu được phun vào trong xilanh trước thời điểm cháy, phát thải bồ hóng có thể rất thấp, khơng phụ thuộc vào tỷ lệ tương đương nhiên liệu khơng khí.
Hệ thống HCLI (Homogeneous Charge Late Injection) phun muộn hỗn hợp nạp đồng nhất và HPLI (Highly Premixed Late Injection) phun muộn hỗn hợp hình thành đồng nhất cao đang được phát triển bởi AVL và chỉ xuất hiện trong thời gian gần đây trên tài liệu quốc tế [62]. Trên hình 2.6 thế hiện hệ thống HCLI sử dụng ở tải thấp, HPLI được sử dụng ở tải trung bình, ở tải cao làm việc theo động cơ diesel truyền thống.
Hình 2.10 Vùng hoạt động của động cơ sử dụng hệ thống HCLI và HPLI
Với động cơ HCLI, thời điểm phun được thực hiện trước ĐCT một góc 40o do đó hỗn hợp nhanh chóng đồng nhất. Giống như chế độ HCCI phun sớm khác, thời điểm cháy và tỷ lệ cháy không thểđiều khiển được bằng tỷ lệphun nhưng phụ thuộc vào động lực học phản ứng hỗn hợp trong xilanh và do vậy được xác định bằng các tham số và thành phần hỗn hợp ở cuối hành trình nạp. Để giảm xu hướng cháy sớm cần giảm nhẹ tỷ số nén so với động cơ DI truyền thống và để pha loãng hỗn hợp cần tỷ lệ luân hồi cao hơn 65%. Như trong các trường hợp khác, các vấn đề
30
tốc độ cháy cao, dẫn đến tốc độ tăng áp suất cao, động cơ làm việc ồn, không đạt được hiệu suất cao như động cơ DI truyền thống.
Với hệ thống HPLI nhiên liệu được phun sau ĐCT. Để ngăn cho hỗn hợp không cháy như động cơ DI truyền thống, thời điểm bắt đầu phun được chọn để đảm bảo đủ thời gian hỗn hợp hình thành đồng nhất trước khi cháy. Trong trường hợp này khoảng thời gian giữa thời điểm kết thúc phun và thời điểm bắt đầu cháy quyết định chất lượng hình thành hỗn hợp. Nếu giai đoạn phun và cháy giao nhau làm tăng hình thành bồ hóng. Do vậy cần phải giữ nhiệt độ trong quá trình cháy cao hơn một chút để muội than ơxy hóa hồn tồn. Đồng thời làm giảm phát thải NOx với tỷ lệ luân hồi 40%.
Tóm lại, cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) là một trong những từ viết tắt thông dụng nhất để xác định chiến lược cháy mới dựa trên sự tăng cường khả năng hịa trộn. Q trình cơ bản bao gồm việc hình thành hỗn hợp đồng nhất, và hỗn hợp tự cháy, nhiệt độ cháy của hỗn hợp được duy trì thấp tránh được sự hình thành NOx. Bên cạnh đó, khi làm việc ln giữ tỷ lệ nhiên liệu khơng khí thấp nên giảm được phát thải bồ hóng. Khi tạo ra hỗn hợp càng đồng nhất phát thải NOx càng giảm và phát thải bồ hóng càng giảm. Tuy nhiên, động cơ chỉ làm việc tốt ở chế độ tải thấp, và thách thức chính là điều khiển thời điểm cháy và mở rộng vùng làm việc của động cơ khi hoạt động theo nguyên lý này.
2.2 Điều khiển quá trình cháy trên động cơ HCCI
Thách thức lớn nhất của động cơ HCCI là kiểm sốt thời điểm cháy. Q trình cháy diễn ra khi nhiệt độ và áp suất cuối quá trình nén đủ lớn. Nếu nhiệt độ này quá lớn thời điểm cháy sẽ diễn ra rất sớm, làm tăng phát thải NOx, tăng tiêu hao nhiên liệu, nghiêm trọng hơn có thể làm hư hỏng động cơ. Thời điểm cháy quá muộn tăng tổn thất nhiệt cho khí xả, tăng tiêu hao nhiên liệu, phát thải HC và CO tăng.
Quá trình tự cháy động cơ HCCI rất nhạy cảm và rất dễ gây ra bất ổn. Thực tế cũng có một số điểm hoạt động của động cơ HCCI không ổn định, tức là khơng
31
có một bản đồ đáng tin cậy cho động cơ HCCI làm việc. Ví dụ một biến động nhỏ nhiệt độ khí nạp hoặc nhiệt độnước làm mát sẽtác động lớn đến thời điểm cháy. Vì vậy cần kiểm sốt q trình cháy theo một chu trình kín mới đảm bảo thời điểm cháy chính xác.
Điều khiển thời điểm cháy bao gồm việc xác định thời điểm cháy bằng một số cảm biến và sử dụng kết quảđo này đểđiều chỉnh một số biến đầu vào kiểm sốt q trình cháy tiệm cận với thời điểm cháy mong muốn. Tốt nhất mỗi xilanh nên có một cảm biến, bộ chấp hành và việc kiểm soát thời gian cháy trên từng xilanh độc lập với nhau.
Hình 2.11 Sơ đồđiều khiển thời điểm cháy động cơ HCCI theo vịng kín Q trình cháy trên động cơ có thểđặc trưng bởi tỷ lệ tỏa nhiệt, là hàm của góc quay trục khuỷu. Thời điểm cháy có thểđược xác định thơng qua xác định tỷ lệ tỏa nhiệt, thường được xác định thơng qua xác định góc quay trục khuỷu đạt 50% nhiệt tích lũy (CA50), xem Hình. 2.12 ở CA50 hoặc gần CA50 tỷ lệ tỏa nhiệt có thể đạt tới giá trị lớn nhất và sự khác biệt góc quay CA40 và CA60 là rất nhỏ.
32
2.2.1 Điều khiển thời điểm cháy bằng luân hồi khí thải.
a. Ảnh hưởng của khí ln hồi đến q 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 luân hồi không 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 ôxy. 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
- Luân hồi nội tại: Khí sót được giữ lại trong xilanh thơng qua thay đổi góc đóng mở pha phối khí. Ln 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. Thông 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 yêu 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 ln 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 luân hồi đến thời điểm cháy hỗn hợp. Khi tăng tỷ lệ khí luân 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
2.2.2 Điều khiển hiệu suất nén
Hiệu suất nén được điều khiển bằng cách thay đổi thời điểm đóng van nạp IVC (intake valve closing). Đóng sớm hay muộn van nó ảnh hưởng đến hiệu suất nén. Nếu van đóng muộn có thể làm giảm hiệu suất nén, vì lúc này hỗn hợp nạp trong xilanh bị đẩy ra ngoài khi piston đi lên ĐCT, áp suất và nhiệt độ trong xilanh giảm dẫn đến thời điểm cháy diễn ra muộn hơn. Ngược lại khi đóng q sớm lượng khí nạp vào xilanh giảm, áp suất và nhiệt độ trong xilanh giảm, thời điểm cháy muộn hơn. Vì vậy thời điểm cháy có thể được điều khiển thơng qua thay đổi góc đóng van nạp. Đặc biệt trên động cơ có sử dụng cơ cấu phối khí thơng minh góc này có thểđược điều khiển linh hoạt theo từng chếđộ tải.
Hình 2.18 Thời điểm cháy là hàm của góc đóng van nạp [70].
2.2.3 Điều khiển nhiệt độ khí nạp
Điều khiển nhiệt độ khí nạp là biện pháp phổ biến nhất để kiểm soát thời điểm cháy trong các thí nghiệm. Khí nạp được sấy nóng làm tăng cường khả năng bay hơi của nhiên liệu, đặc biệt là nhiên liệu có độ nhớt cao khó bay hơi. Ngồi ra khi sấy nóng khí nạp làm cho nhiệt độtrong xilanh tăng lên. Dẫn đến khi tăng khảnăng sấy nóng thời điểm cháy diễn ra sớm hơn. Vì vậy nhiệt độ khí nạp có thể tham gia kiểm soát thời điểm cháy.
37
Phương pháp điều khiển nhiệt độ khí nạp: có thể dùng sấy bằng điện hoặc dùng nhiệt khí xảđể làm nóng khí nạp hoặc kết hợp cả sấy nóng và dùng nhiệt khí xả. Giải pháp kiểm sốt nhanh nhiệt độ khí nạp FTM (Fast Thermal Management) sử dụng nhiệt khí xả và sấy nóng khí nạp làm giảm độ trễ nhiệt trong mơ hình điều khiển vịng kín. FTM sử dụng hai nguồn nhiệt một nóng và một lạnh (Hình 2.19), khí nạp được gia nhiệt nhờ sự kết hợp của nguồn nóng và nguồn lạnh. Nhiệt độ khí nạp được điều khiển thông qua việc thay đổi tỷ lệ nguồn nhiệt nóng và nguồn nhiệt lạnh như trên Hình 2.19 [27]. Trên hình 2.20 ta thấy thời điểm cháy hỗn hợp ảnh hưởng khảnăng sấy nóng hỗn hợp. Nhiệt độ càng lớn thời điểm cháy diễn ra càng sớm.
Hình 2.19 Sơ đồ của hệ thống FTM [27]
Hình 2.20 Ảnh hưởng của nhiệt độ khí nạp đến tốc độ tỏa nhiệt [6].
38
Tỷ số nén liên quan trực tiếp đến nhiệt độ trong xilanh, nó rất quan trọng trong việc xác định tỷ lệ tỏa nhiệt của động HCCI cơ khi làm việc. Khi tăng tỷ số nén làm tăng nhiệt độ cuối quá trình nén và tỷ lệ của các phản ứng ở nhiệt độ thấp. Điều này cho phép nhiệt độ khí nạp thấp hơn khi động cơ làm việc. Trên động cơ HCCI diesel tỷ số nén thường được giảm tránh cho hỗn hợp cháy quá sớm, giảm