hoặc giảm tính tự cháy của nhiên liệu. Hoặc sử dụng các loại nhiên liệu đặc biệt cho động cơ HCCI: Hiện nay chưa tìm một loại nhiên liệu đặc biệt nào để có thể sử dụng nhằm mở rộng chế độ hoạt động cho động cơ HCCI.
Làm mát khí nạp khi động cơ hoạt động chế độ tải lớn và sấy nóng khi ở tải nhỏ: Khá phực tạp và tăng kích thước khối lượng cho động cơ.
……
Qua đó cho thấy muốn mở rộng vùng làm việc cần có những nghiên cứu thiết thực và hiệu quả do vậy, đây cũng là mục tiêu được đặt ra trong tương lai gần để có thể sử dụng động cơ HCCI thay thế cho các loại động cơ đốt trong truyền thống. Khi chế độ HCCI không phù hợp thì động cơ hoạt động như là một động cơ cháy theo chế độ truyền thống (cưỡng bức SI và nén cháy CI). Việc điều khiển chế độ chuyển tiếp đòi hỏi phải dễ dàng, không gây cảm giác bất thường cho người điều khiển cũng như cho sự ổn định của động cơ, để làm được điều đó cần một hệ thống cảm biến để gửi tín hiệu về ECU để ECU điều khiển đánh lửa và hệ thống nhiên liệu.
2.2.Đặc điểm kết cấu động cơ HCCI.
Kết cấu động cơ HCCI phụ thuộc vào loại nhiên liệu sử dụng và cách thức điều khiển quá trình cháy, nhưng nhìn chung kết cấu động cơ tương tự động cơ xăng và diesel tích hợp thêm các công nghệ tiên tiến khác.
Tuy công nghệ HCCI đã được ứng dụng trên động cơ 2 kỳ và 4 kỳ nhưng chưa được đi vào thương mại và ngày càng được nghiên cứu, phát triển nên nên kết cấu cấu động cơ HCCI vẫn là những chi tiết và các hệ thống của động cơ xăng và diesel. Ở nội dung này sẽ trình bày khái quát về các hệ thống đối với động cơ ô tô: Thân động cơ và cấu hình buồng đốt; Hệ thống truyền lực, bôi trơn, làm mát, các cảm biến và bộ phận điều khiển. Ngoài ra sẽ trình bày chi tiết những công nghệ mới áp dụng cho động cơ HCCI: Hệ thống nhiên liệu Common Rail- HCCI, GDI - HCCI, hệ thống đánh lửa ESA, tuần hoàn khí xả EGR, phân phối khí thông minh(variable valve timing).
2.2.1. Khái quát các hệ thống cơ bản.
Thân động cơ và cấu hình buồng đốt.
Thân động cơ vẫn sử dụng các chi tiết của động cơ xăng hay diesel tùy thuộc vào loại nhiên liệu sử dụng, ngoài ra cần đảm bảo độ bền, độ cứng vững do áp suất sinh ra lớn có thể gây thiệt hại cho động cơ.
Buồng cháy được sử dụng cho động cơ HCCI chủ yếu là buồng cháy
thống nhất vì có nhiều ưu điểm:
Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo và tiết kiệm chi phí.
Hiệu suất cao do nhiệt truyền qua thành buồng cháy ít.
Tiết kiệmnhiên liệu do ít bị tổn thất khí động học.
Dễ khởi động do nhiệt cuối quá trình nén cao nên không cần bugi sấy.
Hình 2.31: Buồng cháy thống nhất và bố trí vòi phun và bugi đối với động cơ
HCCI phun xăng trực tiếp
Hệ thống truyền lực động cơ.
Hệ thống truyền lực động cơ HCCI tương tự như động cơ diesel, tuy nhiên do nguyên lý của động cơ HCCI là cháy đồng thời đo đó giải phóng nhiệt năng lớn tạo ra áp lực đỉnh cao tác động lên các chi tiết đặc biệt là hệ thống truyền lực. Do đó yêu cầu đặt ra là hệ thống truyền lực phải đảm bảo sự làm việc ổn định trong suốt quá trình hoạt động của động cơ.
Hình 2.32: Hệ thống truyền lực động cơ HCCI
Hình dạng đỉnh piston: Đối với động cơ HCCI hình dạng đỉnh piston có vai trò tới việc tạo chuyển động rối cho môi chất công tác từ đó dễ hình thành hỗn hợp đồng nhất, nhất là đối với động cơ HCCI sử dụng nhiên liệu khó bay hơi như diesel vì thế piston của động cơ HCCI thường sử dụng 2 hình dạng đỉnh piston chính:
Đỉnh bằng: Diện tích chịu nhiệt bé, kết cấu đơn giản dễ chế tạo.
Đỉnh lõm: Diện tích chịu nhiệt lớn, tạo độ xoáy lốc cho nhiên liệu tốt hơn. Độ lõm cũng như hình dạng lõm phải đạt 2 yêu cầu: Tạo xoáy lốc và độ cứng vững cao.
Hệ thống bôi trơn.
Động cơ HCCI vẫn sử dụng hệ thống bôi trơn cưỡng bức cácte ướt do hệ thống này vẫn đảm bảo được các điều kiện bôi trơn. Mặt khác có ưu điểm nhỏ gọn, phù hợp với động cơ lắp đặt trên ô tô. Đối với các loại động cơ máy kéo và máy chuyên dụng thường sử dụng bôi trơn cácte khô.
Hình 2.34: Hệ thống bôi trơn cácte ướt cho động cơ HCCI
Hệ thống làm mát.
Động cơ HCCI sử dụng hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức, nguyên lý hoạt động của hệ thống được mô tả trong hình 2.35.
Như đã trình bày trong nội dung các biện pháp nhằm mở rộng chế độ HCCI. Để tăng dải làm việc cho động cơ HCCI ở chế độ cầm chừng có thể sử dụng van hằng nhiệt điều khiển bằng điện tử mục đích tăng nhanh nhiệt độ động cơ để quá trình cháy HCCI có thể xảy ra được. Mặt khác sử dụng quạt làm mát bằng điện tử hoặc thủy lực để ECU tốc độ quạt làm mát nhằm nâng cao hiệu suất trong các chế độ hoạt động và hạ nhiệt độ động cơ khi động cơ hoạt động ở tải nặng để giảm nhiệt độ MCCT cuối quá trình nén. Hình 2.36 cho thấy tốc độ quạt làm mát được điều khiển bằng ECU thông qua sự đóng mở của các rơle quạt làm mát.
Hình 2.36: Điều khiển quạt làm mát bằng điện tử (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hệ thống khởi động.
Động cơ HCCI cũng như các loại động cơ khác, muốn động cơ hoạt động cần hệ thống khởi động để động cơ có thể nổ được. Sơ đồ kết cấu được trình bày ở hình 2.37:
Hình 2.37: Kết cấu máy khởi động
Nguyên lý hoạt động của hệ thống: Khi công tắc khởi động 9 bật vị trí ST dòng điện từ accu vào cuộn dây 1 hút và giữ lõi thép đi vào bên trong làm thanh gài khớp 6 đẩy bánh răng đề 6 ăn khớp với vòng răng bánh đà 7 đồng thời dòng điện đi đến chổi than 4 làm roto 3 quay dẫn động bánh răng đề 6 kéo theo bánh đà quay. Khi động cơ đã hoạt động công tắc khởi động về vị trí ON ngắt dòng điện từ accu đến cuộn dây 1 làm cho lõi thép và thanh gài khớp 5 về vị trí ban đầu đồng thời bánh răng đề 6 cũng trở về vị trí ban đầu.
1 - Cuộn hút và cuộn giữ, 2 - cuộn dây stato, 3 - Roto, 4 - Chổi than, 5 -Thanh gài khớp, 6 - Bánh răng đề, 7 - Vòng răng bánh đà, 8 - Accu, 9 - Công tắc khởi động, 10 - Tiếp điểm relay khởi động.
2.2.2. Hệ thống đánh lửa.
Tuy có nhiều phương pháp hỗ trợ động cơ HCCI hoạt động ở chế độ khởi động, cầm chừng tuy nhiên phương pháp sử dụng bugi đánh lửa được cho là tối ưu vì:
Dễ dàng thiết kế, lắp ráp do đã có sẵn trên thị trường và tiết kiệm chi phí sản xuất.
Điều khiển quá trình chuyển tiếp dễ dàng, hoạt động chính xác, kết cấu nhỏ gọn.
Phù hợp khi cải tiến từ động cơ đánh lửa cưỡng bức sang động cơ HCCI.
Điểm khác biệt của hệ thống đánh lửa của động cơ HCCI so với động cơ xăng thông thường đó là chỉ hoạt động khi động cơ khởi động, chạy cầm chừng hoặc tải nặng. Do động cơ HCCI hoạt động với tỷ số nén lớn nên hệ thống đánh lửa phải đảm bảo được khả năng chống kích nổ, cháy hoàn toàn, khí xả…Ngoài ra để điều khiển quá trình chuyển tiếp dễ dàng thì hệ thống điều đánh lửa sớm điều khiển bằng điện tử (ESA) loại trực tiếp (DIS) đảm bảo tốt nhất cho các yêu cầu cho động cơ HCCI khi hoạt động. Hệ thống này có các ưu điểm:
Hoạt động chính xác, ổn định với các chế độ hoạt động.
Cường độ đánh lửa lớn do không bị tổn thất điện áp do không sử dụng bộ chia điện và dây cao áp (bobine có IC đánh lửa).
Không cần điều chỉnh vì hệ thống được điều khiển hoàn toàn bằng ECU động cơ và không bị mòn như các hệ thống đánh lửa có bộ chia điện và các tiếp điểm.
Hình 2.39: Mạch điện hệ thống đánh lửa DIS.
Hoạt động bộ điều khiển hệ thống đánh lửa DIS.
Hình 2.40: Nguyên lý điều khiển hoạt động hệ thống đánh lửa DIS
Khi động cơ HCCI chuyển đổi chế độ sang động cơ đánh lửa cưỡng bức, ECU động cơ nhận tín hiệu dựa vào các cảm biến: Vị trí trục khuỷu, vị trí trục cam, tiếng gõ, vị trí bướm ga, lưu lượng khí nạp, nhiệt độ nước làm mát và tín hiệu phản hồi IGF,từ đó ECU điều khiển thời điểm đánh lửa, thời gian phóng điện một cách chính xác.
Sự thay đổi góc đánh lửa sớm được ECU điều khiển dựa trên các giá trị đánh lửa sớm tối ưu đã được được lưu giữ trên máy tính dưới dạng bản đồ ESA.
Hình 2.41: Bản đồ ESA
Hoạt động của cuộn đánh lửa trong hệ thống DIS.
Dòng điện từ accu qua khóa điện tới cuộn dây sơ cấp trong bobine qua IC đánh lửa và về mass, lúc này dòng điện trong mạch thứ cấp rất nhỏ do đó có thể coi mạch thứ cấp hở nên không có dòng điện. Khi ECU nhận tín hiệu từ các cảm biến và thông qua bản đồ ESA, ECU đưa tín hiệu IGT đến IC đánh lửa làm ngắt dòng sơ cấp, sự ngắt dòng đột ngột trên mạch sơ cấp làm xuất hiện một sức điện động cảm ứng qua cuộn thứ cấp phát sinh một hiệu hiện thế rất lớn trên cuộn thứ cấp và đi đến bugie phát sinh tia lửa giữa 2 cực bugie đồng thời IC đánh lửa gửi tín hiệu phản hồi IGF về ECU để báo hiệu đánh lửa có xảy ra.
Để hệ thống đánh lửa DIS hoạt động một cách chính xác và hiệu quả thì ECU phải hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm sao cho tối ưu nhất, bao gồm:
Hiệu chỉnh để hâm nóng động cơ.
Hiệu chỉnh khi động cơ quá tải (quá nhiệt).
Hiệu chỉnh cho tốc độ không tải ổn định (chế độ cầm chừng).
Hiệu chỉnh tiếng gõ để chống kích nổ ở tải nặng.
Hiệu chỉnh theo lượng khí xả tuần hoàn.
Hiệu chỉnh khi chuyển tiếp từ chế độ HCCI sang đánh lửa và ngược lại.
Hiệu chỉnh khi thay đổi pha phối khí. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
2.2.3. Hệ thống nhiên liệu động cơ HCCI.
Động cơ HCCI sử dụng hệ thống phun nhiên liệu điện tử, những nghiên cứu gần đây cho thấy động cơ HCCI sử dụng hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp như GDI - HCCI hay Common Rail - HCCI có những kết quả tích cực trong việc hình thành hỗn hợp đồng nhất, điều khiển quá trình cháy, giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm nồng độ các chất độc hại trong khí thải. Về đặc điểm kết cấu không có sự khác biệt lớn giữa Common Rail và GDI cho động cơ HCCI: Sự khác biệt chủ yếu là áp suất phun, thời điểm phun, hệ thống điều khiển và yêu cầu bôi trơn của các chi tiết trong hệ thống. Do đó có thể cải tiến hệ thống nhiên liệu này để sử dụng cho cả nhiên liệu xăng khi thay thế một vài chi tiết và thay đổi sự liên hệ giữa hệ thống điều khiển với hệ thống nhiên liệu.
2.2.3.1. Hệ thống nhiên liệu diesel HCCI.
Với các ưu điểm của Common Rail, việc điều khiển động cơ HCCI dễ dàng hơn so với các hệ thống nhiên liệu khác, hơn nữa Common Rail còn cho thấy việc chuyển đổi từ sử dụng nhiên liệu diesel sang xăng là khá dễ dàng khi thay thế bơm cao áp và vòi phun. Trong giai đoạn hiện nay hệ thống nhiên liệu cho động cơ HCCI hầu hết được sử dụng là sự cải tiến từ 2 hệ thống GDI hay Common Rail khi sử dụng nhiên liệu cụ thể như xăng hoặc diesel. Do đó để nắm rõ nguyên lý hoạt động và cách thức điều khiển quá trình cháy của động cơ HCCI, đề tài sẽ đi sâu vào hệ thống nhiên liệu Common Rail cho động cơ HCCI.
Ưu điểm hệ thống nhiên liệu Common Rail - HCCI:
Tích hợp cả tuần hoàn khí xả EGR và tua-bin tăng áp.
Tiêu hao nhiên liệu thấp.
Phát thải ô nhiễm thấp.
Động cơ làm việc êm dịu, giảm được tiếng ồn.
Thiết kế phù hợp để thay thế cho các động cơ diesel đang sử dụng.
Điều khiển xung phun dễ dàng hơn các hệ thống nhiên liệu khác.
Hình 2.44: Sơ đồ kết cấu hệ thống nhiên liệu Common Rail - HCCI
A - Nhiên liệu cao áp, B - Nhiên liệu hồi về thùng, C - Nhiên liệu thấp áp, D - Khí nạp trước máy nén, E - Khí nạp sau máy nén chưa làm mát, F - Khí nạp sau khi làm mát, G - Hỗn hợp khí nạp và khí xả, H - Khí xả, I - Khí xả sau khi làm mát, J - Tín hiệu từ các cảm biến, K - Tín hiệu điều khiển của ECU.
1 - Vành răng cảm biến tốc độ, 2 - Cảm biến bàn đạp ga, 3 - Cảm biến tốc độ động cơ, 4 - Cảm biến nhiệt độ nước làm mát, 5 - Van điều áp, 6 - Bình giảm thanh, 7 - Bộ làm mát khí xả tuần hoàn, 8 - Tuabin tăng áp, 9 - Bướm gió, 10 - Cảm biến lưu lượng khí nạp, 11 - Lọc gió, 12 - ECU, 13 - Bộ làm mát khí nạp, 14 - Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu, 15 - Bơm cao áp, 16 - Điều chỉnh áp suất nhiên liệu, 17 - Ống phân phối, 18 - Cảm biến áp suất nhiên
liệu, 19 - Vòi phun, 20 - Cảm biến vị trí trục cam, 21 - Van EGR, 22 - Bánh răng dẫn động trục cam, 23 - Van một chiều, 24 - Làm mát nhiên liệu, 25 - Lọc nhiên liệu, 26 - Bơm thấp áp, 27 - Thùng nhiên liệu.
Nguyên lý hoạt động chung của hệ thống nhiên liệu.
Chế độ khởi động và cầm chừng: Như đã phân tích động cơ HCCI không thể cháy theo nguyên lý HCCI trong chế độ này nên cháy theo nguyên lý động cơ diesel: Khi công tắc khởi động bật vị trí ON nhiên liệu được bơm cao áp hút nhiên liệu từ bình chứa qua lọc nhiên liệu với hỗ trợ bơm trợ lực sau đó được bơm vào ống Rail với áp suất cao và đi đến vòi phun, ECU nhận tín hiệu từ các cảm biến: Tốc độ động cơ, vị trí trục cam, lưu lượng khí nạp, áp suất ống Rail,… để từ đó tính toán lượng nhiên liệu phun cần thiết, thời điểm phun cho quá trình khởi động. Khi công tắc khởi động bật sang vị trí ST ECU điều khiển kích mở vòi phun để phun nhiên liệu cuối kỳ nén và quá trình cháy diesel xảy ra. Ở chế độ cầm chừng ECU nhận tín hiệu từ hệ thống cảm biến để điều khiển van EGR, góc phối khí giúp tăng nhiệt độ động cơ để có thể chuyển tiếp sang chế độ HCCI.
Chế độ HCCI: Khi đã đạt điều kiện cháy HCCI, ECU động cơ điều khiển thay đổi quy luật tạo hỗn hợp: Giảm nhiên liệu, tăng lượng khí xả tuần hoàn, đóng sớm xupap xả, tăng góc phun sớm sao cho quá trình cháy HCCI diễn ra mà người điều khiển không cảm thấy có sự thay đổi nào về công suất của động cơ. Đặc điểm khác biệt của hệ thống nhiên liệu Common Rail - HCCI với Common Rail - diesel đó chính là quy luật tạo hỗn hợp đồng nhất