Nguyễn Đức Khánh đã thực hiện “Nghiên cứu khả năng điều khiển quá trình cháy trên động cơ HCCI bằng phương pháp luân hồi khí thải” trên phần mềm AVL-BOOST đã xác định được tỉ lệ luân hồi (bên ngồi) và nhiệt độ khí luân hồi tối ưu đối với từng chế độ làm việc thơng qua các ma trận thử nghiệm. Với các nhiệt độ khí luân hồi thơng thường, động cơ đạt hiệu suất cao nhất khi tỉ lệ luân hồi khoảng 36%, với ηi lần lượt là 44,07%, 43,19%, 42,23% và 41,44% ứng với gct lần lượt là 10,3 mg, 10,9 mg, 11,5 mg và 12 mg. Tăng nhiệt độ khí luân hồi dẫn tới hiệu suất của động cơ giảm. Giữ nhiệt độ khí luân hồi ở giá trị nhiệt độ mơi trường (298K), luân hồi khí thải giúp nâng cao hiệu suất động cơ, giảm tốc độ tăng áp suất, giảm khả năng gây “kích nổ” [4].
Tác giả Nguyễn Thìn Quỳnh đã thực hiện “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu n-heptane cho động cơ diesel chuyển đổi sang HCCI”, nghiên cứu đã thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu n-heptane. Kết quả thực nghiệm trên đã chứng minh được khả năng chuyển đổi mơ hình cháy của động cơ diesel sang HCCI là hồn tồn khả thi [5].
Tác giả Đỗ Văn Trấn đã thực hiện “Nghiên cứu mơ phỏng mơ hình cháy HCCI trên phần mềm AVL-BOOST”. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, tham số cĩ thể điều khiển thời điểm cháy theo cơ chế HCCI: áp suất khí nạp, nhiệt độ khí nạp, tỷ số nén, tỉ lệ luân hồi khí xả. Nhiệt độ khí nạp ảnh hưởng trực tiếp đến thời điểm bắt đầu cháy, với nhiên liệu n-heptan thì nhiệt độ khí nạp khơng cần sấy nĩng q cao, đặc biệt khi làm việc với tải lớn. Áp suất khí nạp ảnh hưởng đến thời điểm cháy thơng qua vận động rối hỗn hợp và tăng nhiệt độ khí nạp. Động cơ cĩ thể làm việc với hỗn hợp nhạt và hiệu suất nhiệt cải thiện đáng kể so với khơng tăng áp. Khí ln hồi ảnh hưởng q trình cháy do tác dụng sấy nĩng hỗn hợp nạp và pha lỗng hỗn hợp nạp. Tỷ số nén ảnh hưởng đến thời điểm cháy thơng qua thay đổi năng lượng cấp cho quá trình nén [2].
Hiện tại trong nước vẫn chưa cĩ cơng trình nghiên cứu trực tiếp nào liên quan đến CVCC.
Nghiên cứu nước ngồi
1.2.2.1. Nghiên cứu hình thành HCCI
Mơ hình cháy HCCI được phát triển cùng với sự phát triển của nhiên liệu thay thế (Hình 1. 10). Mơ hình cháy này tận dụng được những ưu điểm của nhiên liệu thay thế [28] .
Hình 1. 10. Mơ hình cháy HCCI [28]
Thực tế cho phép sử dụng nhiều nhiên liệu khác nhau trong cùng một quá trình cháy để điều chỉnh thời điểm cháy và các điều kiện khác, điều này khắc phục được khĩ khăn của động cơ HCCI (điều chỉnh thời điểm cháy). Động cơ HCCI đánh lửa dựa chủ yếu vào động lực học phản ứng và phần lớn phụ thuộc vào nhiên liệu sử dụng. Trong nỗ lực để kiểm sốt quá trình cháy, mở rộng hoạt động HCCI trên dải tốc độ động cơ, cĩ nhiều cách khác nhau đã được sử dụng, chẳng hạn như thay đổi tỷ số nén, điều khiển thay đổi van nạp xả, thay đổi nhiệt độ đầu vào, luân hồi bên trong hoặc bên ngồi [29]. Một phương pháp khác để hình thành mơ hình cháy HCCI là kết hợp nhiên liệu thay thế và hỗn hợp của chúng, tùy vào đặc tính của động cơ mà cĩ tỉ lệ nhiên liệu thay thế thích hợp [14, 30] . Ý tưởng nhiên liệu cĩ nhiệt độ tự cháy khác nhau cĩ thể được pha trộn ở tỉ lệ khác nhau để điều chỉnh điểm cháy ở vùng tải tốc độ khác nhau. Do đĩ, hydro, ethanol, ete và dầu diesel sinh học được dùng trong động cơ HCCI là nhiên liệu nguyên chất hoặc hỗn hợp. Nhiên liệu cĩ trị số cetan cao (như DME) cĩ thể được sử dụng như chất xúc tác cho quá trình cháy trong hỗn hợp nhiên liệu và cĩ chỉ số octan cao (ethanol, methanol). Với việc sử dụng hệ thống điều khiển vịng kín hoặc hở, dùng hỗn hợp nhiên liệu cĩ thể kiểm sốt quá trình cháy động cơ HCCI trong phạm vi rộng hơn khi khơng dùng hỗn hợp nhiên liệu [30]. Điều này đã được chứng minh trong động cơ HCCI sử dụng hỗn hợp của n-heptan và isooctane [31]. Một số nhiên liệu nguồn gốc sinh học, chẳng hạn như este và DME, cĩ xu hướng cố hữu là giảm sự hình thành bồ hĩng do cấu trúc hố học của chúng, xu hướng hình thành của bồ hĩng giảm khi hàm lượng oxy trong các phân tử nhiên liệu tăng hoặc số lượng liên kết C-C giảm. Điều này là do thực tế là các liên kết C-O cĩ xu hướng hình thành CO hoặc CO2 cao hơn là tham gia vào các phản ứng hình thành bồ hĩng [32].
Goldsborough cùng cộng sự [33] nghiên cứu động cơ piston tự do sử dụng nhiên liệu hydro cho động cơ HCCI hai kỳ. Tác giả dùng phần mềm mơ phỏng động lực học một chiều. Quá trình ơxy hĩa H2 cơ chế của Marinov và cộng sự [34]. Sử dụng mơ hình truyền nhiệt Woschni [35], các hằng số nhiệt được sửa đổi cho phù hợp với H2. Kết quả nghiên cứu cho thấy hoạt động của động cơ phụ thuộc vào q trình qt khí, ảnh hưởng đến hỗn hợp nhiên liệu khơng khí trong xylanh, nhiệt độ của hỗn hợp nạp. Fiveland và cộng sự [36] xây dựng một mơ hình số khơng chiều để mơ phỏng chu kỳ làm việc động cơ động cơ sử dụng khí mêtan hoặc hydro làm nhiên liệu. Sơ đồ phản ứng cháy hydro bao gồm 11 lồi và 25 phản ứng, sử dụng mơ hình CHEMKIN [98]. Truyền nhiệt được tính tốn dựa trên tập hợp các mơ hình k-ε với giả thiết sự biến động đẳng hướng. Phương pháp này tìm ra vận tốc đặc trưng dùng để tính tốn hệ số truyền nhiệt. Kết quả mơ phỏng cho động cơ 4 kỳ sử dụng nhiên liệu hydro với tỷ số nén 15, áp suất khí nạp là 1,5 bar, nhiệt độ khí nạp là 425K dẫn tới thời điểm cháy diễn ra trước vị trí TDC. Với H2 yêu cầu nhiệt độ khí nạp cao, tỷ số nén trung bình, tỉ lệ tương đương nhiên liệu khơng khí thấp vì nhiệt độ cháy của nĩ nằm trong khoảng 1050K – 1100K. Thời điểm cháy diễn ra muộn hơn khi giảm nhiệt độ khí nạp, tỉ lệ nhiên liệu khơng khí.
Hofmann cùng cộng sự [37] nghiên cứu mơ phỏng động cơ dùng mơ hình CHEMKIN để mơ phỏng n-heptan, DME và methyl decanoate đốt cháy theo cơ chế HCCI. Sau đĩ nghiên cứu với dầu diesel sinh học. Tác giả sử dụng mơ hình cháy Woschni [38] để tính tổn thất nhiệt buồng cháy. Mục tiêu của nghiên cứu là gĩc đánh lửa trễ và hình thành NOx trong ba loại nhiên liệu. Các nhà nghiên cứu sử dụng cơ chế hĩa học của Herbinet [39] cho methyl decanoate - thay thế dầu diesel sinh học - bao gồm 3036 loại và 8555 phản ứng, cơ chế ơxy hĩa của Lawrence [20, 22, 40, 41]. Sử dụng mơ phỏng hình thành NO sử dụng hai phương án: các cơ chế phản ứng mở rộng Zeldovich [42] và động học phản ứng NO từ cơ chế GRI-Mech [43]. Tác giả đã chứng minh rằng, DME cĩ thời gian cháy trễ ngắn nhất tiếp theo methyl decanoate và n- heptan. Do đĩ, DME yêu cầu tốc độ động cơ cao hơn và nhiệt độ hỗn hợp nạp thấp nhất. Mặc dù sự hình thành NO chủ yếu là do nhiệt độ cháy cao nhất, nhưng thành phần hĩa học của nhiên liệu cũng đĩng một vai trị thứ yếu.
Ảnh hưởng nhiệt độ và áp suất phun nhiên liệu lên độngg cơ HCCI được S. Gowthaman và cộng sự nghiên cứu [44]. Kết quả nghiên cứu cho thấy, hiệu suất nhiệt của động cơ HCCI gần với giá trị của động cơ diesel thơng thường và cĩ thể đạt được nếu động cơ HCCI hoạt động với 5 bar áp suất phun và nhiệt độ khơng khí 600C và đồng thời giảm được các oxit của nitơ (NOx) và phát thải khĩi so với động cơ diesel thơng thường. Tuy nhiên, khi khơng khí vào được làm nĩng để cải thiện q trình hĩa hơi của nhiên liệu diesel, nhiệt độ khơng khí đầu vào cao hơn sẽ hạn chế phạm vi hoạt động của động cơ HCCI, do cường độ kích nổ cao, phát thải NOx cao. Áp suất phun nhiên liệu cũng bị hạn chế do lượng khí thải HC và NOx cao.
Phân tích đánh giá tính đồng nhất của hỗn hợp trong xylanh động cơ HCCI diesel bằng phân tích CFD đã được J.M. Mallikarjuna và cộng sự nghiên cứu [45]. Trong nghiên cứu này, một nỗ lực đã được thực hiện để phát triển các phương pháp đánh giá độ nghiêng tính đồng nhất của hỗn hợp bằng phân tích CFD sử dụng AVL-FIRE. Theo thứ tự Để đánh giá các phương pháp này, sự đồng nhất của hỗn hợp trong hai trường hợp phun nhiên liệu với 7 lỗ và 10 lỗ kim phun được so sánh. Tác giả nhận thấy, biểu đồ phân phối nhiên liệu (GFD) giúp định lượng trực tiếp và đánh giá sự phân bố hỗn
hợp trong các phạm vi ERG khác nhau. Tuy nhiên, phương pháp GFD khơng thể giải thích sự thay đổi trong khơng gian của sự phân bố nhiên liệu và khơng cung cấp sự đồng nhất của hỗn hợp trên quy mơ đơn giản. Trong phương pháp vẽ biểu đồ chỉ số phân phối nhiên liệu, tính đồng nhất tổng thể sẽ được đánh giá trên thang điểm từ 0 đến 1 bằng một cách đơn giản. Trong phương pháp vẽ biểu đồ phân phối nhiên liệu cục bộ (LFD), sự biến thiên theo khơng gian của tính đồng nhất của hỗn hợp được xác định rõ trong các đới cục bộ cả theo hướng xuyên tâm và hướng trục.
P. Saisirirat và cộng sự [46] nghiên cứu thời điểm tự cháy và đặc tính cháy HCCI khi sử dụng nhiên liệu 1-butanol/n-heptane và ethanol/n-heptane. Sử dụng động cơ diesel 1 xylanh nhiên liệu là hỗn hợp alcohol/n-heptane, thay đổi phần trăm khối lượng alcohol là (0%, 18%, 37%, và 57%) ở tỉ lệ tương đương nhiên liệu khơng khí 0,3, nhiệt độ khí nạp 800C, tốc độ động cơ 1500 vịng/phút. Kết quả nghiên cứu cho thấy khi tăng tỉ lệ rượu thì thời điểm cháy diễn ra muộn hơn do tăng trị số octane. Ở giá tỉ lệ rượu lớn nhất 57% nĩ ảnh hưởng đến áp suất lớn nhất do thời điểm cháy quá trễ, cịn với tỉ lệ nhỏ hơn ảnh hưởng này khơng lớn. Như vậy rượu cũng cĩ khả năng làm trễ thời điểm cháy cho động cơ diesel giống như luân hồi khí xả.
Dongwon Jung và các cộng sự [47] đã nghiên cứu cung cấp dimethyl ete (DME) cho động cơ xăng 1xylanh, làm mát bằng khơng khí, với phuơng án sử dụng ERG để điều khiển thời điểm cháy. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng cả luân hồi nội tại và luân hồi ngồi đều thiết lập được đặc tính cháy HCCI cho động cơ khi sử dụng DME tại 1500v/ph.
Stranglmaier cùng cộng sự [48] đã điều khiển pha cháy của mỗi xylanh riêng biệt nhờ thay đổi gĩc đĩng muộn xupap nạp. Kết quả cho thấy, để đạt chế độ cháy HCCI phải đĩng muộn xupap nạp, hiệu suất nén của động cơ sẽ giảm xuống, làm giảm nhiệt độ cuối quá trình nén và thời điểm CA50 trễ hơn.
Động cơ SAAB, được thiết kế để nhằm tăng cơng suất của động cơ, nghiên cứu để điều khiển quá trình cháy HCCI bởi Haraldsson [22, 49] cũng như Hyvưnen cùng cộng sự [36]. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, dải làm việc của động cơ HCCI cĩ thể được mở rộng nhờ gia nhiệt khí nạp và thay đổi tỷ số nén (ở dải cao) khi so sánh với động cơ CAI xăng ở tỷ số nén thấp và lượng khí sĩt lớn.
Để hình thành HCCI cĩ thể chia ra thành 2 trường hợp là hình thành bên trong và hình thành bên ngồi buồng cháy [29], (Hình 1. 11).