2.1.2.1 Hình thành hỗn hợp bên ngồi (PFI)
Hỗn hợp hình thành đồng nhất khi có đủ thời gian cần thiết, vì vậy hình thành hỗn hợp bên ngồi là biện pháp đơn giản và mức độ đồng nhất cao hơn nhiều so với biện pháp khác. Cũng như động cơ xăng nhiên liệu được phun cùng chiều với dịng khí nạp để tăng cường khả năng bay hơi của nhiên liệu. Hỗn hợp được hình thành suốt trong thời gian nạp và nén nên hỗn hợp có đủ thời gian đểđồng nhất.
Với động cơ PFI HCCI phát thải NOx giảm 100 lần so với động cơ diesel truyền thống, mức phát thải bồ hóng rất thấp, tuy nhiên mức phát thải HC và CO cao hơn, phụ thuộc vào mức độđồng nhất hỗn hợp [16].
Đối với hệ thống PFI, vấn đề cần quan tâm nhất là khả năng bay hơi của nhiên liệu. Nhìn chung diesel chỉ hóa hơi hồn tồn ở nhiệt độcao hơn nhiệt độ trên đường ống nạp (nhiệt độ bắt đầu hóa hơi của nhiên liệu diesel 200oC). Nếu khơng có biện pháp xử lý kịp thời nhiên liệu khơng bay hơi hồn tồn, nhiên liệu bám trên thành vách xilanh làm tăng phát thải HC và rửa trôi dầu bôi trơn làm giảm đáng kể hiệu suất cháy động cơ [65]. Vì vậy với loại này cần quan tâm nhiều đến sấy nóng khí nạp [64].
22
Một vấn đề khác cần quan tâm của hệ thống PFI, thời điểm cháy thường diễn ra sớm hơn khi ta giữ nguyên tỷ số nén động cơ diesel truyền thống, tăng tổn thất nhiệt, và động cơ làm việc ồn. Để làm chậm thời điểm cháy, một giải pháp được áp dụng nhiều là cho khí xả quay trở lại để giảm nồng độ ơxy [16]. Ngồi ra khí ln hồi có nhiệt độ cao nên tăng cường khả năng bay hơi nhiên liệu. Tuy nhiên tỷ lệ EGR cao làm tăng phát thải CO và HC. Giảm tỷ sốnén động cơ là biện pháp làm trễ thời điểm cháy, động cơ làm việc không gây ra tiếng gõ, tuy nhiên không nên giảm quá nhiều làm ảnh hưởng đến hiệu suất nhiệt động cơ [65].
Như vậy do hạn chế của hiệu suất nhiệt, phát thải HC cao, và có tiếng ồn, động cơ PFI HCCI ngày nay không được coi là lựa chọn thay thế cho động cơ diesel thơng thường, mặc dù lợi thế của nó là giảm phát thải NOx và bồ hóng [34]. Tuy nhiên nghiên cứu động cơ này cho chúng ta hiểu nguyên tắc cơ bản của quá trình cháy HCCI.
2.1.2.2 Hình thành hỗn hợp bên trong xilanh
Có hai phương pháp hình thành hỗn hợp đồng nhất bên trong xilanh: phun sớm tại đầu hành trình nén và phun muộn.
a. Phun sớm nhiên liệu vào đầu hành trình nén
Hỗn hợp có thể được tạo ra đồng nhất khi ta phun trực tiếp nhiên liệu vào đầu hành trình nén sau khi xupap nạp đóng. Nếu lựa chọn đúng thời điểm bắt đầu phun và thời điểm kết thúc phun có thể tạo ra hỗn hợp đồng nhất và hỗn hợp cháy hồn tồn. Một số giải pháp hình thành hỗn hợp nhờ phun sớm:
PCCI (Premixed Charge Compression Ignition), cháy do nén hỗn hợp hình thành từtrước [28]. Hệ thống này nhiệt độtrong xilanh cao hơn so với hệ thống PFI nên nhiên liệu bay hơi tốt hơn, giảm thời gian chuẩn bị hỗn hợp, không cần sấy nóng khí nạp nên thời điểm cháy khơng diễn ra quá sớm. Kết cấu hệ thống nhiên liệu của PCCI là không thay đổi nhiều. Khi động cơ làm việc ở chế độ tải nhỏ, hệ thống phun nhiên liệu rất sớm để hoạt động theo cơ chế HCCI. Ở chếđộ tải cao hơn
23
thì hệ thống phun giống như hệ thống nhiên liệu truyền thống. Động cơ làm việc ở hai chếđộ HCCI và diesel truyền thống.
Kiểm soát thời điểm cháy là một vấn đề then chốt của hệ thống này vì khơng có mối liên hệ trực tiếp giữa thời điểm phun và thời điểm cháy. Ngoài ra, nhiên liệu phun vào trong xilanh trong điều kiện áp suất và nhiệt độ thấp, nhiên liệu dễ đọng trên thành vách xilanh và rửa trôi dầu bôi trơn. Thay đổi áp suất phun, phun với áp suất thấp ởđầu giai đoạn và tăng dần đến kết thúc phun hoặc thay đổi góc chùm tia phun có thểtránh được hiện tượng này [2,39,78]. Đối với hệ thống PCCI, thời gian hình thành hỗn hợp ngắn hơn so với hệ thống PFI nên mức độ đồng nhất hỗn hợp thấp hơn, phát thải HC và NOx cao hơn, nhưng nó vẫn thấp hơn so với động cơ diesel truyền thống.
Động cơ HCCI Động cơ diesel truyền thống
Hình 2.3. Tia phun trên động cơ HCCI và động cơ diesel truyền thống
PREDIC (PREmixed lean DIesel Combustion) và MULDIC (MULtiple stage DIesel Combustion) được viện New ACE của Nhật bản đưa ra. Takeda và Keiichi nghiên cứu hình dạng chùm tia phun và độ rộng chùm tia phun kết hợp với thay đổi thời điểm phun, kết quả hỗn hợp được hình thành tốt nên phát thải NOx và bồ hóng thấp [74]. Kết quả này bị ảnh hưởng nhiều bởi thời điểm phun, độ rộng chùm tia phun và sự pha loãng hỗn hợp. Phát thải CO và HC giảm đáng kể khi sử dụng hai vịi phun hoặc giảm kích thước lỗ phun [36].
24
Hình 2.4 So sánh chất lượng hỗn hợp của PREDIC và diesel truyền thống PREDIC và diesel truyền thống
Trong hầu hết động cơ HCCI sử dụng biện pháp phun sớm, thời điểm bắt đầu phun không quá sớm được giới hạn bởi lượng HC không cháy và không được quá muộn do động cơ làm việc xảy ra tiếng gõ [2].
MULDIC mở rộng phạm vi làm việc của hệ thống PREDIC bằng cách trang bị thêm một vòi phun nhiên liệu gần ĐCT và phun muộn [30]. Phun muộn trong điều kiện λ lớn ngăn chặn hình thành NOx, khói và tăng được mơ men xoắn. Hệ thống này là sự kết hợp của PREDIC và diesel truyền thống. Phát thải NOx và bồ hóng giảm đi 6 lần so với động cơ diesel truyền thống, tăng được hiệu suất, phát thải dạng hạt cao hơn.
25
Hình 2.6 Quy luật cấp nhiên liệu hệ thống MULDIC
HiMICS được phát triển bởi Hino Motors Ltd [71,72]. HiMICS (Homogeneous charge Intelligent Multiple Injection Combustion System) được định nghĩa là hệ thống phun thông minh nhiều giai đoạn hỗn hợp đồng nhất. HiMICS sử dụng hệ thống nhiên liệu common rail và sử dụng nhiều chiến lược phun khác nhau. Quá trình phun được chia làm ba giai đoạn là phun mồi, phun chính và phun muộn để giảm phát thải bồ hóng và các giai đoạn phun được điều khiển bởi ECU.
PCI được phát triển bởi Mitsubishi, PCI (Premixed Compression Ignition) cháy do nén hỗn hợp đã hòa trộn [37]. Biện pháp ở đây là phun sớm kết hợp với giảm tỷ số nén. Trong nghiên cứu đầu tiên cho góc giữa các lỗphun thay đổi và tìm ra được góc giữa các lỗ phun tốt nhất là 80o, sử dụng phun 1 lần trước ĐCT một góc 40o – 60o, kết quả cho ta thấy phát thải NOx rất thấp và phát thải HC có thể chấp nhận được tuy nhiên đi kèm là phát thải bồ hóng cao. Nếu sử dụng động cơ tăng áp 1,8 bar hiệu suất động cơ thu được tương tựnhư động cơ diesel truyền thống nhưng phát thải NOx giảm 90% và hầu như khơng có bồ hóng với cùng mức tiêu thụ nhiên liệu. Mở rộng phạm vi làm việc của hệ thống PCI bằng cách phân chia các giai đoạn phun. Giai đoạn thứ nhất nhiên liệu phun để thực hiện cháy PCI, giai đoạn hai phun như động cơ diesel truyền thống [57]. Kết quả làm giảm phát thải NOx và muội than, động cơ làm việc không ồn khi ở chếđộ tải lớn.
26
UNIBUS (UNIform BUlky combustion System) hệ thống cháy với hỗn hợp đồng nhất trong vùng lớn, hệ thống này được phát triển bởi tổng công ty Toyota motor [81], được giới thiệu trên thị trường vào năm 2000 và hiện tại đang được sử dụng trong chiến lược cháy hỗn hợp giầu của hệ thống DPNR Toyota (DeNOx and Particulate Number Reduction) khử NOx và giảm phát thải hạt [52].
Hình 2.7 Bản đồ vùng làm việc động cơ UNIBUS
Khái niệm cháy này dựa trên sự kết hợp của phun sớm (khoảng 50o trước ĐCT) và phun muộn sau ĐCT. Lần phun đầu tiên tạo ra hỗn hợp đồng nhất, hỗn hợp cháy và tốc độ tỏa nhiệt thấp. Lần phun thứ hai kích hoạt cháy hỗn hợp nhiên liệu đã hình thành trong giai đoạn thứ nhất và hỗn hợp được phun ở lần hai. Với phương pháp này cải thiện hiệu suất cháy mà không gây ra quá nhiều phát thải HC và CO.
Khái niệm cháy NADI (Narrow Angle Direct Injection) thu hẹp góc phun, phát triển ti IFP (Institut Franỗais de Pétrole), thiết kế buồng cháy và tạo chùm tia phun tối ưu cho việc phun sớm để động cơ làm việc theo cơ chế HCCI, mà không làm mất khả năng hoạt động của động cơ thông diesel thông thường. Giải pháp ở đây là thu hẹp góc tia phun khoảng 80o khơng gây bám dính nhiên liệu trên thành vách xilanh. Với thiết kế hình dạng đỉnh piston, nó có thể làm việc ở chếđộ tồn tải như động cơ diesel thơng thường. Ở chếđộ tải thấp và trung bình động cơ làm việc
27
theo cơ chế HCCI và chuyển sang hoạt động như động cơ disel thông thường ở chế độ tải cao hơn.
Phiên bản mới nhất của hệ thống NADI nó được áp dụng trên động cơ sử dụng hệ thống nhiên liệu common rail. Với hệ thống này việc điều khiển phun nhiên liệu dễdàng hơn theo từng chếđộ tải và chuyển chếđộ làm việc linh hoạt hơn, giảm phát thải HC và CO [79].
Hình 2.8 Kết cấu buồng cháy của hệ thống NADI
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 thơng thường thì tốc độ tỏa nhiệt không thay đổi quá nhiều. Tuy nhiên khi thời điểm bắt đầu phun trễ hơn và sử dụng khí ln hồi thì hình dạng đường cong tỏa nhiệt bắt đầu thay đổi. Tỷ lệ hỗn hợp cháy tăng trong khi quá 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 tồn bộ nhiên liệu được phun vào trong xilanh trước thời điểm cháy, phát thải bồ hóng có thể rất thấp, không 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