Nghiên cứu thiết lập chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (hcci) trong động cơ diesel

vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT A/F Tỷ lệ không khí trên nhiên liệu ARC Hoạt động cháy triệt để ATAC Hoạt động gia nhiệt cho buồng cháy EGR Luân hồi khí xả FTM Kiểm soát nha

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

KHƯƠNG THỊ HÀ

NGHIÊN CỨU THIẾT LẬP CHẾ ĐỘ CHÁY

DO NÉN HỖN HỢP ĐỒNG NHẤT (HCCI)

TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực

Mã số: 62520116

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS Lê Anh Tuấn

2 PGS TS Trần Thị Thu Hương

HÀ NỘI – 2017

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được tác giả khác công bố

Hà Nội, ngày 27 tháng 04 năm 2017

TT HƯỚNG DẪN Nghiên cứu sinh

PGS.TS Lê Anh Tuấn PGS.TS Trần Thị Thu Hương Khương Thị Hà

ii

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Sau đại học, Viện Cơ khí Động lực và Bộ môn Động cơ đốt trong đã cho phép tôi thực hiện luận án tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học

và Viện Cơ khí Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi làm luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Lê Anh Tuấn và PGS.TS Trần Thị Thu Hương đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận án

Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ môn và Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành luận án này

Tôi xin cảm Trường Đại học Giao thông vận tải, Khoa Cơ khí và các đồng nghiệp trong Bộ môn Động cơ đốt trong đã hậu thuẫn và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu học tập

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng chấm luận án đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận án này và định hướng nghiên cứu trong trương lai

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và thực hiện công trình này

Nghiên cứu sinh

Khương Thị Hà

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN - i

LỜI CẢM ƠN - ii

MỤC LỤC - iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT - vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU - vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ - viii

MỞ ĐẦU - xiii

i Lý do chọn đề tài - xiii

ii Mục đích nghiên cứu - xiv

iii Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - xv

iv Phương pháp nghiên cứu - xv

v Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - xv

vi Điểm mới của luận án - xvi

vii Bố cục luận án - xvi

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN - 1

1.1 Động cơ HCCI - 1

1.2 Nguyên lý của động cơ HCCI - 1

1.3 Ưu, nhược điểm của động cơ HCCI - 2

1.4 Các phương pháp thiết lập chế độ cháy HCCI - 3

1.5 Tình hình nghiên cứu và sử dụng HCCI - 4

1.5.1 Tình hình nghiên cứu về HCCI trên thế giới - 4

1.5.2 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam - 15

1.6 Kết luận chương 1 - 16

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ HCCI - 17

2.1 Các phương pháp hình thành hỗn hợp trên động cơ HCCI - 17

2.1.1 Hình thành hỗn hợp bên ngoài (PFI) - 17

2.1.2 Hình thành hỗn hợp bên trong xilanh - 18

2.2 Quá trình cháy của động cơ HCCI - 22

2.2.1 Tính chất tỏa nhiệt - 22

2.2.2 Điều khiển quá trình cháy trên động cơ HCCI - 23

2.3 Các thông số đặc trưng của quá trình cháy - 24

2.3.1 Tốc độ tỏa nhiệt trong xy lanh động cơ - 24

iv

2.3.2 Xác định thời điểm bắt đầu cháy - 27

2.3.3 Các thông số chỉ thị của động cơ - 28

2.4 Cơ sở lý thuyết thiết kế các chi tiết, hệ thống cho động cơ HCCI chuyển đổi từ động cơ diesel 1 xilanh - 30

2.4.2 Phương án cung cấp n – heptan cho động cơ HCCI - 30

2.4.3 Lựa chọn phương án mở rộng vùng làm việc cho động cơ HCCI - 31

2.5 Cơ sở lý thuyết mô phỏng quá trình công tác động cơ HCCI trên phần mềm AVL-Boost 33 2.5.1 Cơ sở lý thuyết tính toán mô hình cháy HCCI trên AVL - Boost - 33

2.5.2 Mô hình cháy HCCI một vùng trên AVL - BOOST - 36

2.5.3 Cơ chế phản ứng cháy HCCI - 36

2.6 Kết luận chương 2 - 38

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG CUNG CẤP N – HEPTAN VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ HCCI - 39

3.1 Thiết kế và chế tạo các chi tiết, hệ thống cho động cơ HCCI chuyển đổi từ động cơ diesel 1 xy lanh - 39

3.1.1 Thiết kế và điều chỉnh đường ống nạp - 39

3.1.2 Thiết kế và điều chỉnh đường ống thải - 40

3.1.3 Thiết kế và chế tạo hệ thống luân hồi khí thải - 41

3.1.4 Lựa chọn bộ gia nhiệt khí nạp - 44

3.1.5 Giải pháp thay đổi tỷ số nén thông qua điều chỉnh đệm nắp máy - 46

3.1.6 Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển - 47

3.2 Sơ đồ lắp đặt hệ thống thí nghiệm động cơ HCCI - 48

3.3 Mô phỏng động cơ HCCI - 48

3.3.1 Xây dựng mô hình mô phỏng - 48

3.3.2 Chế độ mô phỏng - 50

3.3.3 Đánh giá tính chính xác của mô hình mô phỏng - 50

3.3.4 Kết quả mô phỏng thiết lập quá trình cháy HCCI trên động cơ diesel - 51

3.3.5 Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của tỷ số nén - 57

3.3.6 Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của luân hồi khí thải - 60

3.3.7 Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của nhiệt độ khí nạp - 64

3.4 Kết luận chương 3 - 69

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM - 70

4.1 Mục đích thử nghiệm - 70

4.2 Đối tượng và nhiên liệu thử nghiệm - 70

v

4.2.1 Đối tượng thử nghiệm - 70

4.2.2 Nhiên liệu thử nghiệm - 71

4.3 Quy trình và phạm vi thử nghiệm - 72

4.3.1 Xác định đặc tính ngoài thực tế của động cơ thử nghiệm - 72

4.3.2 Xây dựng đặc tính vòi phun - 72

4.3.3 Thực nghiệm thiết lập đặc tính cháy HCCI - 73

4.3.4 Thực nghiệm nhằm đánh giá khả năng mở rộng dải làm việc cho động cơ HCCI được thiết lập - 73

4.4 Sơ đồ bố trí thử nghiệm và các trang thiết bị chính - 73

4.4.1 Sơ đồ bố trí thử nghiệm - 73

4.4.2 Trang thiết bị thử nghiệm - 75

4.5 Kết quả thử nghiệm và thảo luận - 77

4.5.1 Thiết lập động cơ HCCI - 77

4.5.2 Khả năng mở rộng vùng làm việc của động cơ HCCI khi thay đổi tỷ số nén - 87

4.5.3 Kết quả mở rộng vùng làm việc của động cơ HCCI khi thay đổi tỷ lệ khí luân hồi 93

4.5.4 Kết quả mở rộng vùng làm việc của động cơ HCCI khi thay đổi nhiệt độ sấy nóng khí nạp - 99

4.6 Đánh giá kết quả mô phỏng và thử nghiệm - 104

4.6.1 Đánh giá kết quả mô phỏng và thử nghiệm khi thiết lập quá trình cháy HCCI cho động cơ - 104

4.6.2 Đánh giá kết quả mô phỏng và thử nghiệm khi thay đổi tỷ số nén - 106

4.6.3 Đánh giá kết quả mô phỏng và thử nghiệm khi thay đổi tỷ lệ luân hồi - 107

4.6.4 Đánh giá kết quả mô phỏng và thử nghiệm khi thay đổi nhiệt độ khí nạp - 109

KẾT LUẬN CHUNG - 111

PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI - 112

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN - 113

TÀI LIỆU THAM KHẢO - 114

PHỤ LỤC 1 - 118

PHỤ LỤC 2 - 121

PHỤ LỤC 2 - 139

vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

A/F Tỷ lệ không khí trên nhiên liệu

ARC Hoạt động cháy triệt để

ATAC Hoạt động gia nhiệt cho buồng cháy

EGR Luân hồi khí xả

FTM Kiểm soát nhanh nhiệt độ khí nạp

HCCI PFI Cháy do nén hỗn hợp đồng nhất, hình thành hỗn hợp bên ngoài HCCI Cháy do nén hỗn hợp đồng nhất

HCCI-DI Cháy do nén hỗn hợp đồng nhất, phun trực tiếp

HCLI Phun muộn hình thành hỗn hợp nạp đồng nhất

HiMICS Hệ thống phun thông minh nhiều giai đoạn hỗn hợp đồng nhất HPLI Phun muộn hỗn hợp được hòa trộn cao

IVC Đóng van nạp

MK Điều biến động lực học

MULDIC Cháy nén hỗn hợp được hình thành nhiều giai đoạn

NADI Thu hẹp góc phun nhiên liệu

NVO Độ trùng điệp van âm

PCCI Cháy do nén hỗn hợp hình thành từ trước

PCI Cháy do nén hỗn hợp đã hòa trộn

PREDIC Cháy do nén hỗn hợp nghèo hình thành từ trước

vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Tỷ số nén của động cơ khi thay đổi độ dày đệm nắp máy 46

Bảng 3.2 Các thông số cơ bản của động cơ thử nghiệm 48

Bảng 4.1 Tính chất của nhiên liệu thử nghiệm 71

Bảng 4.2 Hiệu quả của động cơ khi thiết lập đặc tính cháy HCCI 84

Bảng 4.3 Hiệu quả của động cơ HCCI khi thay đổi tỷ số nén tại 2000 vg/ph và 30% tải 92

Bảng 4.4 Hiệu quả của động cơ HCCI khi thay đổi tỷ lệ luân hồi 97

Bảng 4.5 Hiệu quả của động cơ HCCI khi thay đổi nhiệt độ khí nạp tại 2400 vg/ph và 30% tải 103

Bảng 4.6 Thay đổi mô men, áp suất chỉ thị và hiệu suất chỉ thị giữa mô phỏng và thực nghiệm khi thiết lập đặc tính cháy HCCI 105

Bảng 4.7 Thay đổi thời điểm bắt đầu cháy giữa mô phỏng và thực nghiệm khi thiết lập đặc tính cháy HCCI 105

Bảng 4.8 Thay đổi lƣợng nhiên liệu n – heptan, hệ số dƣ lƣợng không khí λ giữa mô phỏng và thực nghiệm khi thiết lập đặc tính cháy HCCI 106

Bảng 4.9 Thay đổi mô men, áp suất chỉ thị và hiệu suất chỉ thị giữa mô phỏng và thực nghiệm khi thay đổi tỷ số nén 107

Bảng 4.10 Thay thời điểm bắt đầu cháy SOC1 và SOC2 giữa mô phỏng và thực nghiệm khi thay đổi tỷ số nén 107

Bảng 4.11 Thay đổi lƣợng nhiên liệu n – heptan, hệ số dƣ lƣợng không khí λ giữa mô phỏng và thực nghiệm khi thay đổi tỷ số nén 107

Bảng 4.12 Thay đổi mô men, áp suất chỉ thị và hiệu suất chỉ thị giữa mô phỏng và thực nghiệm khi thay đổi tỷ lệ luân hồi 108

Bảng 4.13 Thay đổi thời điểm bắt đầu cháy giữa mô phỏng và thực nghiệm khi thay đổi tỷ lệ khí luân hồi 108

Bảng 4.14 Thay đổi lƣợng n – heptan, hệ số dƣ không khí λ giữa mô phỏng và thực nghiệm khi thay đổi tỷ lệ khí luân hồi 108

Bảng 4.15 Thay đổi mô men, áp suất chỉ thị và hiệu suất chỉ thị giữa mô phỏng và thực nghiệm khi thay đổi nhiệt độ khí nạp 109

Bảng 4.16 Thay đổi thời điểm bắt đầu cháy giữa mô phỏng và thực nghiệm khi thay đổi nhiệt độ khí nạp 109

Bảng 4.17 Thay đổi lƣợng n – heptan, hệ số dƣ không khí λ giữa mô phỏng và thực nghiệm khi thay đổi nhiệt độ khí nạp 109

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 So sánh quá trình cháy thông thường và quá trình cháy HCCI - 1

Hình 1.2 Vùng làm việc của động cơ HCCI [21] - 2

Hình 1.3 Các phương pháp hình thành hỗn hợp trên động cơ HCCI - 4

Hình 1.4 Quy luật xung phun đối với quá trình phun sớm - 5

Hình 1.5 So sánh tia phun trên động cơ HCCI và động cơ diesel truyền thống - 6

Hình 1.6 Nghiên cứu mô phỏng số sự hình thành hỗn hợp trên động cơ HCCI - 6

Hình 1.7 Sơ đồ điều khiển thời điểm cháy trên động cơ HCCI - 7

Hình 1.8 Tín hiệu CA50 thu được từ quá trình điều chỉnh lưỡng nhiên liệu [31] - 7

Hình 1.9 Ảnh hưởng của tỷ lệ n-pentane và iso-pentane đến tốc độ toả nhiệt [4] - 7

Hình 1.10 Thay đổi thời gian cháy khi thay đổi góc đóng muộn xupap nạp [35] - 8

Hình 1.11 Động cơ thay đổi tỷ số nén của hãng SAAB, Thuỵ Điển - 8

Hình 1.12 Ảnh hưởng của luân hồi nội tại đến tải và thời điểm cháy [35] - 9

Hình 1.13 Quan hệ độ nâng xupap theo góc quay khi sử dụng NVO - 10

Hình 1.14 Minh họa khí thải được nạp lại trong xilanh khi van xả mở trở lại - 10

Hình 1.15 Sơ đồ thí nghiệm hệ thống sử dụng khí luân hồi [35] - 11

Hình 1.16 Ảnh hưởng của khí luân hồi đến đặc tính cháy HCCI [35] - 11

Hình 1.17 Sơ đồ thí nghiệm trên động cơ HONDA GX340 K1 sử dụng EGR để điều khiển quá trình cháy HCCI - 12

Hình 1.18 Diễn biến tốc độ toả nhiệt khi thay đổi nhiệt độ khí nạp - 12

Hình 2.1 Các phương pháp phun nhiên liệu của động cơ HCCI - 17

Hình 2.2 So sánh chất lượng hỗn hợp của PREDIC và diesel truyền thống - 19

Hình 2.3 So sánh hình dạng phun diesel truyền thống và PREDIC - 19

Hình 2.4 Quy luật cấp nhiên liệu hệ thống MULDIC - 19

Hình 2.5 Bản đồ vùng làm việc động cơ UNIBUS - 20

Hình 2.6 Kết cấu buồng cháy của hệ thống NADI - 20

Hình 2.7 Ảnh hưởng của phun muộn đến tốc độ tỏa nhiệt [10] - 21

Hình 2.8 Vùng hoạt động của động cơ sử dụng hệ thống HCLI và HPLI - 21

Hình 2.9 Đặc tính tỏa nhiệt của các loại động cơ - 22

Hình 2.10 Sơ đồ điều khiển thời điểm cháy động cơ HCCI theo vòng kín - 24

Hình 2.11 Minh họa nhiệt tích lũy xác định thời điểm cháy - 24

Hình 2.12 Tốc độ tỏa nhiệt trong xylanh theo góc quay trục khuỷu - 27

Hình 2.13 Đạo hàm tốc độ tỏa nhiệt trong xylanh theo góc quay trục khuỷu - 27

Hình 2.14 Phương pháp cô lập các điểm cực đại của đạo hàm tốc độ tỏa nhiệt trong xy lanh theo góc quay trục khuỷu - 28

Hình 2.15 Phương án cung cấp n - heptan trên đường nạp cho động cơ - 30

Hình 2.16 Đặc tính bay hơi của nhiên liệu n-heptan - 31

Hình 2.17 Sơ đồ tính toán khi giảm tỷ số nén cho động cơ đốt trong - 32

Hình 2.18 Mô hình cân bằng năng lượng trong xylanh động cơ - 33

Hình 3.1 Kết cấu đường ống nạp động cơ Kubota BD178F(E) - 39

Hình 3.2 Đường nạp động cơ Kubota BD178F(E) đã được chế tạo - 40

ix

Hình 3.3 Kết cấu đường ống thải và mặt bích động cơ Kubota BD178F(E) - 40

Hình 3.4 Đường ống thải và mặt bích động cơ Kubota BD178F(E) đã được chế tạo - 41

Hình 3.5 Sơ đồ bố trí hệ thống luân hồi khí thải - 41

Hình 3.6 Van EGR kiểu điện từ - 42

Hình 3.7 Ống luân hồi khí thải - 42

Hình 3.8 Kết cấu ống luân hồi khí thải và mặt bích - 43

Hình 3.9 Ống luân hồi khí thải lắp trên động cơ Kubota BD178F(E) - 44

Hình 3.10 Vỏ bộ gia nhiệt khí nạp - 45

Hình 3.11 Đường ống vào ra bộ gia nhiệt và dây sấy - 46

Hình 3.12 Các chi tiết của bộ sấy điện - 46

Hình 3.13 Bản vẽ chi tiết đệm nắp máy và chi tiết đã được chế tạo - 47

Hình 3.14 Sơ đồ lắp đặt hệ thống thí nghiệm động cơ HCCI - 47

Hình 3.15 Mô hình mô phỏng động cơ hoạt động theo nguyên lý HCCI trong AVL – Boost 49 Hình 3.16 Kết quả so sánh công suất, mô men và suất tiêu hao nhiên liệu giữa mô phỏng và thực nghiệm của động cơ diesel Kubota BD178F(E) - 50

Hình 3.17 Áp suất trong xy lanh của động cơ HCCI khi mô phỏng - 51

Hình 3.18 Tốc độ tăng áp suất trong xy lanh của động cơ HCCI khi mô phỏng - 52

Hình 3.19 Tốc độ tỏa nhiệt của động cơ HCCI khi mô phỏng - 53

Hình 3.20 Nhiệt độ trong xy lanh của động cơ HCCI khi mô phỏng - 54

Hình 3.21 Hệ số dư không khí của động cơ HCCI khi mô phỏng - 55

Hình 3.22 Thời điểm bắt đầu cháy của động cơ HCCI khi mô phỏng - 55

Hình 3.23 Các thông số có ích của động cơ HCCI khi mô phỏng - 56

Hình 3.24 Các thông số chỉ thị của động cơ HCCI khi mô phỏng - 56

Hình 3.25 Áp suất của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi tỷ số nén - 57

Hình 3.26 Tốc độ tăng áp suất của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi tỷ số nén - 57

Hình 3.27 Tốc độ tỏa nhiệt của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi tỷ số nén - 58

Hình 3.28 Nhiệt độ trong xy lanh của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi tỷ số nén - 58

Hình 3.29 Hệ số dư không khí của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi tỷ số nén - 59

Hình 3.30 Thời điểm bắt đầu cháy của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi tỷ số nén 59

Hình 3.31 Các thông số có ích của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi tỷ số nén - 59

Hình 3.32 Các thông số chỉ thị của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi tỷ số nén - 60

Hình 3.33 Áp suất của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi tỷ lệ luân hồi - 60

Hình 3.34 Tốc độ tăng áp suất của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi tỷ lệ luân hồi 61

Hình 3.35 Tốc độ tỏa nhiệt của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi tỷ lệ luân hồi - 61

Hình 3.36 Nhiệt độ trong xy lanh của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi tỷ lệ luân hồi - 62 Hình 3.37 Hệ số dư không khí của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi tỷ lệ luân hồi 62

Hình 3.38 Thời điểm bắt đầu cháy của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi tỷ lệ luân hồi 63 Hình 3.39 Các thông số có ích của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi tỷ lệ luân hồi 64

Hình 3.40 Các thông số chỉ thị của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi tỷ lệ luân hồi 64

Hình 3.41 Áp suất của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi nhiệt độ khí nạp - 65

Hình 3.42 Tốc độ tăng áp suất của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi nhiệt độ khí nạp - 66 Hình 3.43 Tốc độ tỏa nhiệt của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi nhiệt độ khí nạp - 66

x

Hình 3.44 Nhiệt độ trong xy lanh của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi nhiệt độ khí nạp

- 66

Hình 3.45 Hệ số dƣ không khí của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi nhiệt độ khí nạp 67 Hình 3.46 Thời điểm bắt đầu cháy của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi nhiệt độ khí nạp - 68

Hình 3.47 Các thông số có ích của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi nhiệt độ khí nạp 68 Hình 3.48 Các thông số chỉ thị của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi nhiệt độ khí nạp 68 Hình 4.1 Hình ảnh thực tế của động cơ Kubota178F(E) - 70

Hình 4.2 Đặc tính ngoài thực tế của động cơ thử nghiệm - 72

Hình 4.3 Thiết bị cân nhiên liệu - 72

Hình 4.4 Đặc tính phun n-heptan tại n = 1200 vg/ph - 72

Hình 4.5 Sơ đồ bố trí thử nghiệm - 74

Hình 4.6 Lắp đặt động cơ thử nghiệm và các hệ thống trên băng thử - 74

Hình 4.7 Nguyên lý điều chỉnh lực phanh của băng thử eddy DW 16 - 75

Hình 4.8 Áp suất trong xy lanh - 79

Hình 4.9 Tốc độ tăng áp suất trong xy lanh - 80

Hình 4.10 Tốc độ tỏa nhiệt của động cơ - 82

Hình 4.11 Hệ số dƣ không khí của động cơ HCCI - 82

Hình 4.12 Thời điểm bắt đầu cháy của động cơ HCCI - 83

Hình 4.13 Các thông số có ích của động cơ khi thiết lập đặc tính cháy HCCI - 83

Hình 4.14 Các thông số chỉ thị của động cơ khi thiết lập đặc tính cháy HCCI - 84

Hình 4.15 Phát thải NOx của động cơ khi thiết lập đặc tính cháy HCCI - 85

Hình 4.16 Phát thải PM của động cơ khi thiết lập đặc tính cháy HCCI - 86

Hình 4.17 Phát thải CO của động cơ khi thiết lập đặc tính cháy HCCI - 86

Hình 4.18 Phát thải CO2 của động cơ khi thiết lập đặc tính cháy HCCI - 87

Hình 4.19 Phát thải HC của động cơ khi thiết lập đặc tính cháy HCCI - 87

Hình 4.20 Áp suất trong xy lanh động cơ khi thay đổi tỷ số nén tại 2000 vg/ph và 30% tải - 88 Hình 4.21 Tốc độ tăng áp suất trong xy lanh động cơ khi thay đổi tỷ số nén tại 2000 vg/ph và 30% tải - 89

Hình 4.22 Tốc độ tỏa nhiệt của động cơ khi thay đổi tỷ số nén tại 2000 vg/ph và 30% tải 89

Hình 4.23 Hệ số dƣ không khí của động cơ khi thay đổi tỷ số nén tại 2000 vg/ph và 30% tải - 90

Hình 4.24 Thời điểm bắt đầu cháy khi thay đổi tỷ số nén tại 2000vg/ph và 30% tải - 90

Hình 4.25 Các thông số có ích của động cơ khi thay đổi tỷ số nén tại 2000 vg/ph và 30% tải - 91

Hình 4.26 Các thông số chỉ thị của động cơ khi thay đổi tỷ số nén tại 2000 vg/ph và 30% tải - 91

Hình 4.27 Phát thải PM và NOx của động cơ HCCI khi thay đổi tỷ số nén tại 2000 vg/ph và 30% tải - 92

Hình 4.28 Phát thải CO, HC, CO2 của động cơ HCCI các tỷ số nén thay đổi tại 2000 vg/ph và 30% tải - 93

4.5.3 Kết quả mở rộng vùng làm việc của động cơ HCCI khi thay đổi tỷ lệ khí luân hồi 93

xi

Hình 4.29 Áp suất trong xy lanh động cơ HCCI tại 2400 vg/ph, 50% tải khi thay đổi tỷ lệ

EGR - 94

Hình 4.30 Tốc độ tăng áp suất trong xy lanh động cơ HCCI tại 2400 vg/ph, 50% tải khi thay đổi tỷ lệ EGR - 95

Hình 4.31 Tốc độ tỏa nhiệt của động cơ HCCI tại 2400 vg/ph, 50% tải khi thay đổi tỷ lệ EGR - 95

Hình 4.32 Hệ số dƣ không khí của động cơ tại 2400 vg/ph, 50% tải khi thay đổi tỷ lệ EGR 96 Hình 4.33 Thời điểm bắt đầu cháy của động cơ HCCI tại 2400 vg/ph, 50% tải khi thay đổi tỷ lệ EGR - 96

Hình 4.34 Thông số có ích của động cơ HCCI 2400 vg/ph, 50% tải khi thay đổi tỷ lệ EGR 97 Hình 4.35 Thông số chỉ thị của động cơ HCCI 2400 vg/ph, 50% tải khi thay đổi tỷ lệ EGR 97 Hình 4.36 Phát thải NOx và PM của động cơ HCCI tại 2400 vg/ph, 50% tải khi thay đổi tỷ lệ EGR - 98

Hình 4.37 Phát thải HC, CO và CO2 của động cơ HCCI 2400 vg/ph, 50% tải khi thay đổi tỷ lệ EGR - 99

Hình 4.38 Áp suất trong xy lanh của động cơ HCCI khi thay đổi nhiệt độ khí nạp tại 2400 vg/ph và 30% tải - 100

Hình 4.39 Tốc độ tăng áp suất trong xy lanh động cơ HCCI khi thay đổi nhiệt độ khí nạp tại 2400 vg/ph và 30% tải - 100

Hình 4.40 Tốc độ tỏa nhiệt của động cơ HCCI khi thay đổi nhiệt độ khí nạp tại 2400 vg/ph và 30% tải - 101

Hình 4.41 Hệ số dƣ không khí của động cơ HCCI khi thay đổi nhiệt độ khí nạp tại 2400 vg/ph và 30% tải - 101

Hình 4.42 Thời điểm bắt đầu cháy của động cơ HCCI khi thay đổi nhiệt độ khí nạptại 2400 vg/ph và 30% tải - 102

Hình 4.43 Thông số có ích của động cơ HCCI khi thay đổi nhiệt độ khí nạp tại 2400 vg/ph và 30% tải - 102

Hình 4.44 Thông số chỉ thị của động cơ HCCI khi thay đổi nhiệt độ khí nạp tại 2400 vg/ph và 30% tải - 103

Hình 4.45 Phát thải NOx và PM của động cơ HCCI khi thay đổi nhiệt độ khí nạptại 2400 vg/ph và 30% tải - 103

Hình 4.46 Phát thải HC, CO và CO2 của động cơ HCCI khi thay đổi nhiệt độ khí nạptại 2400 vg/ph và 30% tải - 104

Hình PL2.1 Sơ đồ khối mạch điều khiển - 122

Hình PL2.2 Hình ảnh thật của chip và các cổng chức năng của chip - 122

Hình PL2.3 Sơ đồ nguyên lý khối CPU - 124

Hình PL2.4 Hình ảnh LCD 2004-03 - 125

Hình PL2.5 Sơ đồ ghép nối LCD - 126

Hình PL2.6 Sơ đồ nguyênlý khối nguồn 5V - 126

Hình PL2.7 Sơ đồ nguyên khối công suất - 127

Hình PL2.8 Sơ đồ khối đặt nhiệt độ - 127

Hình PL2.9 Sơ đồ nguyên lý khối đo nhiệt độ - 128

Hình PL2.10 Sơ đồ nguyên lý tổng mạch điều khiển bộ gia nhiệt khí nạp - 128

xii

Hình PL2.11 Sơ đồ mạch in mạch điều khiển bộ gia nhiệt khí nạp - 128

Hình PL2.12 Hình ảnh mặt trên mạch điều khiển bộ gia nhiệt khí nạp - 129

Hình PL2.13 Hình ảnh mặt dưới mạch điều khiển bộ gia nhiệt khí nạp - 129

Hình PL 2.14 Cấu tạo và tín hiệu trả về của senser và điện áp đặt vào các phase của động cơ - 130

Hình PL 2.14 Khối vi xử lý chính - 131

Hình PL 2.15 Khối truyền nhận tín hiệu USB TO COM - 132

Hình PL 2.16 Khối hiển thị kết quả điều khiển van luân hồi EGR - 132

Hình PL 2.17 Khối công suất điều khiển động cơ BLDC của van luân hồi EGR - 133

Hình PL 2.18 Sơ đồ nguyên lý tạo nguồn 5V - 134

Hình PL 2.19 Mạch xử lý tín hiệu tốc độ - 134

Hình PL 2.20 Mạch xử lý tín hiệu lưu lượng và nhiệt độ khí nạp - 134

Hình PL 2.21 Mạch xử lý tín hiệu vị trí chân ga và tín hiệu không tải - 134

Hình PL 2.22 Mạch xử lý tín hiệu dự phòng (option) - 135

Hình PL 2.23 Mạch xử lý tín hiệu điều khiển vòi phun n-heptan - 135

Hình PL 2.24 Mạch xử lý tín hiệu điều khiển bơm n-heptan và rơle - 135

Hình PL 2.25 Sơ đồ khối vi điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu n-heptan - 136

Hình PL 2.27 Khối mạch Reset - 136

Hình PL 2.26 Khối tạo xung nhịp - 136

và cháy mới, nghiên cứu các giải pháp giảm phát thải và xử lý khí thải

Khái niệm động cơ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (Homogeneous charge compression ignition - HCCI) được ra đời năm 1979, không lâu so với lịch sử của ngành động

cơ đốt trong HCCI là một loại động cơ đốt trong, với hỗn hợp nhiên liệu và không khí được hòa trộn trước và được nén đến điểm tự cháy Mô hình cháy HCCI với các ưu điểm về hiệu suất nhiệt cao và phát thải NOx và PM rất nhỏ là một trong những hướng nghiên cứu phát triển động cơ trong tương lai Mô hình cháy HCCI ra đời có thể đảm bảo được yêu cầu khắt khe về phát thải và giảm áp lực cho nguồn nhiên liệu từ dầu mỏ, vì loại động cơ này rất thích hợp sử dụng các loại nhiên liệu thay thế có nguồn gốc sinh học

Sở dĩ động cơ HCCI có các ưu điểm trên là vì kết hợp được ưu điểm của cả động cơ diesel (hiệu suất nhiệt) và động cơ xăng (phát thải) Động cơ không có bướm ga trên đường nạp và hoạt động với hỗn hợp nhạt, những yếu tố này giúp nâng cao hiệu suất nhiệt Khi tạo được hỗn hợp hoà trộn đồng nhất, không tồn tại những vùng cục bộ có mật độ nhiên liệu lớn, quá trình cháy khuếch tán hỗn hợp đậm không diễn ra, làm giảm phát thải dạng hạt PM Ngoài ra, quá trình cháy diễn ra hoàn toàn và trong toàn bộ xylanh, nên nhiệt độ quá trình cháy giảm, phát thải NOx giảm

Bên cạnh những ưu điểm không thể phủ nhận trên, động cơ HCCI vẫn đang còn nhiều vấn đề cần phải giải quyết như: không thể điều khiển một cách trực tiếp quá trình cháy, phát thải CO và HC cao, cũng như là vùng làm việc tập trung ở tải nhỏ Vấn đề điều khiển thời điểm tự cháy trên động cơ HCCI không đơn giản như trên động cơ xăng và diesel với thời điểm cháy được tính từ khi bugi đánh lửa hay thời điểm phun nhiên liệu diesel vào buồng cháy Quá trình cháy của động cơ HCCI rất phức tạp được quyết định bởi động lực học phản ứng, vì vậy cần đảm bảo tính chất của hỗn hợp sao cho thời điểm cháy bắt đầu ở gần ĐCT Trên động cơ xăng, một phần hỗn hợp nhiên liệu-không khí bám trong các khe kẽ, khi piston

đi xuống, thành phần này sẽ được đốt cháy do nhiệt độ cao (lớn hơn 2500K) Tuy nhiên, trên động cơ HCCI, nhiệt độ cháy rất thấp (nhỏ hơn 1800K), nên phần hỗn hợp này không được phân huỷ, phát thải CO và HC cao Tại tải nhỏ, giá trị nhiệt độ lớn nhất rất nhỏ (chỉ khoảng 1200K), không đủ để CO chuyển hoá thành CO2, vì vậy quá trình tự cháy khó khăn hơn Trong khi tại tải lớn, do hỗn hợp được cháy cùng một thời điểm, tốc độ toả nhiệt diễn ra rất nhanh, tốc độ tăng áp suất lớn, gây ảnh hưởng xấu đến động cơ Vùng làm việc của động cơ HCCI bị giới hạn bởi hai yếu tố: không cháy và kích nổ Tại tốc độ cao, hỗn hợp khó tự cháy hơn do không đủ thời gian để phản ứng, vấn đề khởi động cũng là một trong những vấn đề chính đối với loại động cơ này

xiv

Những giải pháp để động cơ có thể hoạt động theo nguyên lý HCCI bao gồm các giải pháp tạo hỗn hợp đồng nhất và các giải pháp để điều khiển thời điểm cháy và hỗn hợp tự cháy Từ đặc điểm của hệ thống nhiên liệu diesel, các phương pháp hình thành hỗn hợp có thể được phân loại theo đặc điểm phun Theo cách này hỗn hợp được hình thành đồng nhất gồm 2 phương pháp: hình thành hỗn hợp đồng nhất bên ngoài và hình thành hỗn hợp đồng nhất bên trong

Hỗn hợp hình thành đồng nhất khi có đủ thời gian cần thiết, vì vậy hình thành hỗn hợp bên ngoài là biện pháp đơn giản và mức độ đồng nhất cao hơn nhiều so với biện pháp khác Cũng như động cơ xăng hỗn hợp không khí và nhiên liệu được hòa trộn trước và tiếp tục hòa trộn trong suốt thời gian nạp và nén nên hỗn hợp có đủ thời gian để đồng nhất

Đối với hệ thống hình thành hỗn hợp bên ngoài (PFI), vấn đề cần quan tâm nhất là khả năng bay hơi của nhiên liệu Nhìn chung nhiên liệu diesel chỉ hóa hơi hoàn toàn ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ trên đường ống nạp Nếu không có biện pháp xử lý kịp thời nhiên liệu không bay hơi hoàn toàn, 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 Vì vậy với loại này cần quan tâm nhiều đến sấy nóng khí nạp

Một vấn đề khác cần quan tâm của hệ thống PFI là thời điểm cháy thường diễn ra sớm hơn khi 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 ôxy Ngoài ra khí luân 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 số nén 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

Kiểm soát thời điểm cháy là vấn đề then chốt của hệ thống vì không 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 ở đầu giai đoạn và tăng dần đến kết thúc phun hoặc thay đổi góc chùm tia phun có thể tránh được hiện tượng này

Do các yếu tố trên, trong luận án này em chọn hướng nghiên cứu giải pháp cung cấp hỗn hợp đồng nhất cho động cơ để chuyển đổi quá trình cháy sang HCCI và nghiên cứu mở rộng dải làm việc của động cơ trên cơ sở đánh giá ảnh hưởng của các thông số như tỷ số nén,

tỷ lệ luân hồi khí thải và nhiệt độ sấy nóng khí nạp

ii Mục đích nghiên cứu

Luận án có mục đích tổng thể là đánh giá khả năng thiết lập chế độ cháy HCCI trên động cơ chuyển đổi từ động cơ diesel truyền thống và khảo sát khả năng mở rộng vùng làm việc của động cơ HCCI với nhiên liệu nghiên cứu là n-heptan

Mục đích cụ thể của luận án là:

Thiết lập được động cơ cháy theo nguyên lý HCCI với nhiên liệu n-heptan phun trước

xu páp nạp trên cơ sở chuyển đổi từ động cơ diesel truyền thống;

iii Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án là động cơ một xy lanh Kubota BD178F(E) Đây là động cơ diesel truyền thống, một xylanh, không tăng áp, làm mát bằng không khí, động cơ này sử dụng 2 xupap (1 nạp, 1 thải), buồng cháy thống nhất Động cơ tương đối nhỏ gọn, chất lượng tốt, và phù hợp với mục đích nghiên cứu chuyển đổi sang HCCI hình thành hỗn hợp bên ngoài

Nhiên liệu dùng trong thử nghiệm là n – heptan, một loại nhiên liệu nghiên cứu với một thành phần hóa học n-C7H16, là nhiên liệu lý tưởng thường dùng làm đại diện cho nhiên liệu diesel trong các nghiên cứu cơ bản

Các nội dung nghiên cứu của luận án được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

iv Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án là sự kết hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu

lý thuyết và thực nghiệm Cụ thể, luận án sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau đây:

 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trong động cơ HCCI;

 Nghiên cứu mô phỏng quá trình cháy động cơ HCCI sử dụng nhiên liệu heptan;

n- Thiết kế và chế tạo các chi tiết và hệ thống chuyển đổi từ động cơ diesel nguyên bản sang động cơ cháy theo nguyên lý HCCI;

 Thực nghiệm đánh giá khả năng thiết lập quá trình cháy theo nguyên lý HCCI và đánh giá, so sánh các thông số chỉ thị, có ích và các phát thải chủ yếu (NOx, PM,

CO, CO2, HC) của động cơ HCCI với động cơ diesel nguyên bản;

 Thực nghiệm khảo sát, đánh giá các thông số (tỷ số nén, tỷ lệ khí thải luân hồi,

và nhiệt độ sấy nóng khí nạp) ảnh hưởng đến khả năng mở rộng vùng làm việc của động cơ HCCI đã thiết lập

v Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý nghĩa khoa học:

Luận án đã khẳng định khả năng thiết lập được động cơ cháy theo nguyên lý HCCI trên cơ sở thiết kế, chế tạo các hệ thống chuyển đổi và thực hiện đánh giá các thông số của

Ý nghĩa thực tiễn:

Luận án đã đưa ra được những định hướng cụ thể trong việc khẳng định khả năng thiết lập và mở rộng vùng làm việc của động cơ HCCI với các ưu thế về hiệu suất nhiệt cao cũng như phát thải NOx và PM rất nhỏ Qua đó góp phần đảm bảo được yêu cầu ngày càng khắt khe về phát thải của động cơ và giảm áp lực cho nguồn nhiên liệu từ dầu mỏ…

vi Điểm mới của luận án

Thiết lập được quá trình cháy HCCI cho động cơ diesel 1 xy lanh, tại một số chế độ tải và tốc độ động cơ có tính năng kinh tế, kỹ thuật tương đương động cơ diesel truyền thống, phát thải NOx và bồ hóng rất thấp

1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Động cơ HCCI

Trong thập niên đầu thế kỷ XXI, một lượng lớn các công trình nghiên cứu khoa học đã được xuất bản liên quan đến ứng dụng mô hình cháy HCCI cho nhiên liệu diesel và mô hình CAI (Control auto ignition – Tự cháy có điều khiển) cho nhiên liệu xăng trên động cơ đốt trong kiểu piston [14] Vài năm gần đây, nhiều nhà khoa học cũng đã nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay thế như DME, biodiesel, LPG, syngas, ethyl acetate, ethanol, trên động cơ HCCI/CAI, tuy nhiên chưa thực sự phổ biến Thực tế nguyên lý cháy này đã được ứng dụng trên động cơ bầu nhiệt (2 kỳ và 4 kỳ) từ hơn 100 năm trước [11] Trên động cơ này, dầu hoả hoặc dầu thô được phun vào trong bầu nhiệt ngay từ đầu quá trình nén, hoàn toàn đủ thời gian

để nhiên liệu bay hơi và hoà trộn với không khí Trong quá trình khởi động, bầu nhiệt được sấy nóng trước bằng cách dùng ngọn lửa đốt từ bên ngoài Sau khi khởi động, bầu nhiệt vẫn giữ được nhiệt nhờ quá trình cháy nhiên liệu bên trong bầu Nhiệt độ bầu lớn đến nỗi nhiên liệu bay hơi gần như ngay lập tức khi tiếp xúc với bề mặt của bầu Do hỗn hợp được hoà trộn

từ rất sớm, nên có thể tạo được hỗn hợp đồng nhất, kết quả dẫn đến hỗn hợp tự cháy khi piston tiến gần đến ĐCT

Đối với động cơ xăng sử dụng bộ chế hoà khí, hiện tượng tự cháy hỗn hợp đồng nhất thường xảy ra sau khi động cơ hoạt động một thời gian ở chế độ tải lớn dù bugi không còn đánh lửa do nhiệt độ các chi tiết rất cao và thời gian cháy trễ lớn khiến hoà khí tự cháy Quá trình còn được gọi là “dieseling” do tính chất giai đoạn này giống với quá trình cháy trên động cơ diesel: cháy không cần tia lửa điện Thực tế, những nghiên cứu đầu tiên về động cơ xăng cháy theo nguyên lý HCCI/CAI do Onishi [43] và Noguchi [40] cùng cộng sự của mình trong năm 1979 đã thúc đẩy các nhà khoa học sau này tiếp tục nghiên cứu nhằm điều khiển quá trình cháy không đồng đều giúp cho quá trình cháy nghèo trở nên ổn định hơn

1.2 Nguyên lý của động cơ HCCI

Hình 1.1 So sánh quá trình cháy thông thường và quá trình cháy HCCI

Trên hình 1.1 thể hiện sự khác biệt giữa quá trình cháy của động cơ xăng, diesel theo nguyên lý cổ điển và HCCI Có thể thấy rằng, trên động cơ xăng nguyên bản, màng lửa lan tràn bắt nguồn từ bugi, trong khi trên động cơ hoạt động với nguyên lý HCCI, không có hiện tượng lan tràn màng lửa trong xylanh, quá trình cháy diễn ra đồng thời ở mọi vị trí trong

1.3 Ưu, nhược điểm của động cơ HCCI

Trong một chừng mực nào đó, động cơ HCCI kết hợp cả hai ưu điểm của động cơ diesel và động cơ xăng đó là:

 Hiệu suất nhiệt tăng;

 Phát thải NOx và PM giảm

Động cơ HCCI không có bướm ga

lắp trên đường nạp và hoạt động với hỗn

hợp nhạt, những yếu tố này giúp nâng

cao hiệu suất nhiệt

Bên cạnh đó khi tạo được hỗn hợp

hoà trộn đồng nhất, không tồn tại những

vùng cục bộ có mật độ nhiên liệu lớn,

quá trình cháy khuếch tán hỗn hợp đậm

không diễn ra, làm giảm phát thải dạng

hạt PM

Ngoài ra, quá trình cháy diễn ra

hoàn toàn và trong toàn bộ xylanh, nên

nhiệt độ quá trình cháy giảm, phát thải

NOx giảm

Hình 1.2 Vùng làm việc của động cơ HCCI

[21]

Phát thải NOx thông thường được hình thành khi nhiệt độ cao hơn 2000K, trong khi đó

bồ hóng hình thành ở những nơi có hỗn hợp quá đậm với λ < 0,8 và nhiệt độ lớn hơn 1400K [21] Nếu sử dụng mô hình cháy HCCI, vùng làm việc chính không nằm trong hai dải trên (hình 1.2)

Tuy nhiên vẫn còn nhiều vấn đề cần phải giải quyết đối với động cơ HCCI như:

 Không thể điều khiển một cách trực tiếp quá trình cháy;

 Phát thải CO và HC cao;

 Vùng làm việc tập trung ở tải nhỏ, tốc độ thấp

Vấn đề điều khiển thời điểm tự cháy trên động cơ HCCI không đơn giản như trên động cơ xăng và diesel Quá trình này được quyết định bởi động lực học phản ứng, vì vậy cần đảm bảo tính chất của hỗn hợp sao cho thời điểm cháy bắt đầu ở gần ĐCT

3

Trên động cơ xăng, một phần hỗn hợp nhiên liệu-không khí bám trong các khe kẽ, khi piston đi xuống, thành phần này sẽ được đốt cháy do nhiệt độ cao (lớn hơn 2500K) Tuy nhiên, trên động cơ HCCI, nhiệt độ cháy rất thấp (nhỏ hơn 1800K), nên phần hỗn hợp này không được phân huỷ, phát thải CO và HC cao Tại tải nhỏ, giá trị nhiệt độ lớn nhất rất nhỏ (chỉ khoảng 1200K), không đủ để CO chuyển hoá thành CO2, vì vậy quá trình tự cháy khó khăn hơn

Trong khi tại tải lớn, do hỗn hợp được cháy cùng một thời điểm, tốc độ toả nhiệt diễn

ra rất nhanh, tốc độ tăng áp suất lớn, gây ảnh hưởng xấu đến động cơ Vùng làm việc của động cơ HCCI bị giới hạn bởi hai yếu tố: không cháy và kích nổ Tại tốc độ cao, hỗn hợp khó

tự cháy hơn do không đủ thời gian để phản ứng, vấn đề khởi động cũng là một trong những vấn đề chính đối với loại động cơ này

1.4 Các phương pháp thiết lập chế độ cháy HCCI

Trong vòng hai thập niên trở lại đây, một số lượng lớn thuật ngữ đã được gán cho các

mô hình cháy mới của động cơ, bao gồm ATAC (Active Thermo- Atmospheric Combustion) [33], TS (Toyota-Soken) [30], ARC (Active Radical Combustion) [11] trên động cơ 2 kỳ, CIHC (Compression-Ignited Homogenous Charge) [26], Homogenous Charge Compression Ignition (HCCI) [37], Controlled Auto-ignition (CAI) [30,44,19,21], UNIBUS (Uniform Bulky Combustion System) [62], PREDIC (PREmixed lean DIesel Combustion) [29], MK (Modulated Kinetics) [10], Premixed Charge Compression Ignition (PCCI) [63], OKP (Optimised Kinetic Process) [42], Tất cả các thuật ngữ trên đều mô tả 2 nguyên lý của mô hình cháy mới: (1) hỗn hợp nhiên liệu và không khí được hình thành từ trước, và (2) hỗn hợp

tự cháy Trong thời gian gần đây khái niệm về động cơ HCCI được công nhận bởi Engine Network of Excellence (một tổ chức nghiên cứu động cơ bao gồm hơn 20 viện nghiên cứu, trường đại học và các công ty ô tô tại châu Âu thường xuyên thực hiện các hoạt động trao đổi nghiên cứu, học tập) cho nên HCCI có thể được dùng như một thuật ngữ duy nhất để thể hiện quá trình cháy mới trên động cơ diesel hoặc các động cơ đốt trong khác

ECO-Những giải pháp để động cơ có thể hoạt động theo nguyên lý HCCI là:

 Các phương pháp tạo hỗn hợp đồng nhất như là hình thành hỗn hợp kiểu phân lớp và đặc biệt là tái sử dụng khí xả và giữ khí sót để hoà trộn cùng hỗn hợp không khí/nhiên liệu, nó thường được sử dụng để thay đổi tính tự cháy và tốc độ toả nhiệt của quá trình cháy trong động cơ xăng

 Các giải pháp để điều khiển thời điểm cháy và hỗn hợp tự cháy Cần chú ý rằng quá trình tự cháy của hỗn hợp nhiên liệu/không khí không chỉ được quyết định bởi mỗi một nguyên nhân là quá trình nén mà có thể là bởi nhiệt độ bên ngoài hoặc bên trong xylanh

 Đối với trường hợp động cơ diesel, quá trình nén sẽ khiến cho hỗn hợp tự cháy do tỷ

số nén cao và nhiệt độ tự cháy của nhiên liệu diesel thấp Trong khi đó, sự sấy nóng nhiệt độ khí nạphoặc trao đổi nhiệt đối lưu từ khí sót giúp cho nhiên liệu có trị số octane cao như xăng, khí thiên nhiên tự cháy

4

1.5 Tình hình nghiên cứu và sử dụng HCCI

1.5.1 Tình hình nghiên cứu về HCCI trên thế giới

1.5.1.1 Giải pháp về hình thành hỗn hợp cháy

Việc hình thành hỗn hợp từ trước và không cho nhiên liệu bám vào mặt gương xylanh

là một giải pháp để nâng cao hiệu suất nhiên liệu, giảm phát thải CO và HC cũng như không ảnh hưởng đến chất lượng dầu bôi trơn Sự bám nhiên liệu trên mặt gương xylanh khiến cho phát thải HC tăng, nhưng nếu nhiên liệu có khả năng bay hơi tốt như xăng thì ảnh hưởng này

là không đáng kể Để hình thành hoà khí cho động cơ HCCI, có thể chia thành hai trường hợp khác nhau là hình thành hoà khí bên trong và hình thành hoà khí bên ngoài (hình 1.3) [5]

Đối với động cơ hình thành hoà khí bên ngoài, cách đơn giản nhất để hỗn hợp trong xylanh trở nên đồng nhất là phun nhiên liệu ngược với chiều dòng khí nạp, sau đó hỗn hợp được hút vào trong xylanh, phương pháp này được hiểu là phun nhiên liệu trực tiếp vào đường nạp (PFI) Sự xoáy của dòng khí được quyết định bởi kết cấu đường ống, khi có xoáy, quá trình hoà trộn nhiên liệu và không khí trở nên đồng nhất hơn Vì hỗn hợp không khí/nhiên liệu được hình thành từ bên ngoài, nên thời điểm phun nhiên liệu không ảnh hưởng đến thời điểm bắt đầu cháy Đối với các loại nhiên liệu nặng, khả năng bay hơi kém, khi phun nhiên liệu trên đường nạp dẫn đến tăng lượng nhiên liệu bám trên thành đường ống và buồng cháy, tăng phát thải CO và HC, tăng lượng nhiên liệu chưa cháy và ảnh hưởng đến chất lượng dầu bôi trơn Phương pháp hình thành hoà khí bên ngoài chỉ phù hợp với nhiên liệu khí và nhiên liệu lỏng có khả năng bay hơi tốt, không phù hợp với nhiên liệu diesel

Hình 1.3 Các phương pháp hình thành hỗn hợp trên động cơ HCCI

Đối với trường hợp hình thành hoà khí bên trong, nhiên liệu được phun trực tiếp vào trong xylanh động cơ Có hai giai đoạn, phun sớm và phun muộn Phun sớm là giải pháp được sử dụng nhiều nhất cho động cơ HCCI sử dụng nhiên liệu diesel và có thời gian cháy trễ lớn để hỗn hợp trở nên đồng nhất hơn Một phần hoặc toàn bộ nhiên liệu được phun khi piston đang ở ĐCD Trong trường hợp phun nhiên liệu diesel, khả năng bay hơi kém của nhiên liệu và mật độ khí trong xylanh thấp dẫn đến một lượng lớn nhiên liệu bám lên thành buồng cháy Đối với trường hợp này, một hệ thống nhiên liệu mới và linh hoạt được nghiên cứu phát triển, để phù hợp cho sự thay đổi của hình dạng buồng cháy cũng như là áp suất và nhiệt độ trong xylanh trong suốt quá trình phun Mặc dù còn có những vấn đề về việc bố trí vòi phun trực tiếp trong xylanh, nhưng phương pháp hình thành hoà khí đồng nhất bằng cách

bố đều nhiên liệu hơn, làm giảm hiện tượng nhiên liệu bám trên thành xylanh Một cách khác

để đáp ứng được yêu cầu về chiều dài tia phun là sử dụng quá trình phun tách thông qua điều khiển vòi phun qua nhiều xung điện với độ dài mỗi xung khác nhau

Hình 1.4 thể hiện một ví dụ về

quy luật điều khiển xung phun áp suất

cao Xung phun ngắn, điều này dẫn đến

xung lực của tia phun nhỏ, giảm chiều

dài tia phun Khi bắt đầu phun, mật độ

khí trong xylanh thấp, xung phun ngắn,

giảm vận tốc tia phun và thời gian giữa

hai xung tăng lên Khi piston đi lên ĐCT,

mật độ và nhiệt độ hỗn hợp trong xylanh

tăng và vì vậy chiều dài tia phun sẽ giảm

Khi đó, xung phun có thể kéo dài hơn,

trong khi khoảng thời gian giữa các xung

giảm Giai đoạn cuối của quá trình phun nhiên liệu, khoảng cách giữa vòi phun và piston giảm rất nhanh, và khối lượng nhiên liệu phun ra trên một xung phải giảm để tránh hiện tượng nhiên liệu bám trên đỉnh piston

Với hệ thống nhiên liệu kiểu tích áp (common rail), xung phun nhiên liệu có thể được điều chỉnh dễ dàng Trường hợp nhiên liệu được phun sớm vào trong xylanh, hướng của tia phun được điều chỉnh So với động cơ diesel thông thường, khi bắt đầu phun thể tích buồng cháy còn rất lớn Để đảm bảo khả năng hoà trộn giữa không khí và nhiên liệu tốt, cũng như tia phun không chạm vào thành xylanh, góc giữa các tia phun theo mặt phẳng thẳng đứng đi qua trục vòi phun phải được giảm xuống, như hình 1.5 Để có thể sử dụng cho cả HCCI và diesel, phải sử dụng mẫu vòi phun có lỗ thay đổi

Hình 1.6 thể hiện một ví dụ về nghiên cứu mô phỏng số về sự hình thành hỗn hợp trên động cơ diesel HCCI một xylanh, dung tích 2.0 lít với tỷ số nén là 14:1, không tạo xoáy đường nạp Động cơ sử dụng hệ thống nhiên liệu common rail bao gồm 13 lỗ (đường kính lỗ

là 0,12 mm; hai dãy, mỗi dãy gồm 6 lỗ, có góc phun khác nhau) Bắt đầu phun từ 1100TK trước ĐCT và kết thúc tại 300TK trước ĐCT, bao gồm 9 xung với tổng lượng nhiên liệu là 70

mg Hiện tượng bám nhiên liệu trên thành xylanh có thể được giảm xuống vì xung phun ngắn

và góc giữa các tia phun nhỏ

Hình 1.4 Quy luật xung phun đối với quá trình

phun sớm

6

Hình 1.5 So sánh tia phun trên động cơ HCCI và động cơ diesel truyền thống

Hình 1.6 Nghiên cứu mô phỏng số sự hình thành hỗn hợp trên động cơ HCCI

Tuy nhiên, góc phun nhỏ có thể khiến tia phun chạm vào đỉnh piston, khi tăng đường kính lỗ phun sẽ giúp cho quá trình bay hơi của nhiên liệu Vì nhiệt độ đỉnh piston cao hơn nhiều so với nhiệt độ của thành xylanh, vì vậy lượng nhiên liệu bám trên piston không quá lớn Khi piston ở gần ĐCT, hỗn hợp rất nghèo nhưng không hoàn toàn đồng nhất Mặc dù phát thải NOx không bị ảnh hưởng quá nhiều bởi sự không đồng nhất của môi chất, nhưng quá trình cháy cục bộ có thể diễn ra ở một số vùng hỗn hợp nghèo, có thể dẫn đến tăng phát thải

CO và HC

1.5.1.2 Các nghiên cứu về điều khiển quá trình cháy động cơ HCCI

Hiện tại trên động cơ HCCI, để điều khiển được quá trình cháy diễn ra đúng thời

Tín hiệu thu được từ cảm biến sẽ được gửi

về bộ điều khiển, bộ điều khiển tiến hành phân

tích và đưa ra giải pháp để điều chỉnh quá trình

cháy diễn ra đúng thời điểm mong muốn Cơ cấu

điều chỉnh hiện nay có rất nhiều loại: hệ thống

nhiên liệu, hệ thống pha phối khí linh hoạt, thay

đổi tỷ số nén, điều chỉnh van luân hồi khí thải,

điều chỉnh nhiệt độ khí nạp hoặc có thể là cơ cấu

chuyển đổi giữa hai chế độ HCCI và chế độ thông

thường

Hình 1.7 Sơ đồ điều khiển thời điểm cháy trên động cơ HCCI

1.5.1.3 Giải pháp khi sử dụng lưỡng nhiên liệu

Phương pháp điều khiển sử dụng lưỡng

nhiên liệu (dual-fuel) là phương pháp đầu tiên

được sử dụng cho quá trình điều khiển vòng

tuần hoàn kín trên động cơ HCCI, được nghiên

cứu bởi Olsson cùng cộng sự [43] như trên

hình 1.8 Trong nghiên cứu này, động cơ 6

xylanh cỡ lớn được trang bị hệ thống phun

lưỡng nhiên liệu bao gồm hai vòi phun riêng

biệt với hai loại nhiên liệu Nhiên liệu quy

chiếu (primary referebce fuel) bao gồm

iso-octane và n-heptane với trị số Octane lần lượt là

100 và 0 được sử dụng để kiểm soát một khoảng

rộng của đặc tính tự cháy Thời điểm CA50 dựa

trên diễn biến áp suất trong xylanh được sử dụng

làm tín hiệu phản hồi đến bộ điều khiển

Hình 1.8 Tín hiệu CA50 thu được từ quá trình điều chỉnh lưỡng nhiên liệu [31]

Hình 1.9 thể hiện ảnh hưởng của tỷ

lệ giữa n-pentane (có trị số Octane thấp)

và iso-pentane (có trị số Octane cao) đến

diễn biến tốc độ toả nhiệt trong xylanh

động cơ Kết quả cho thấy, thời điểm

cháy diễn ra trễ hơn khi tăng trị số

Octane của nhiên liệu và ngược lại Cùng

với đó, tốc độ toả nhiệt cũng giảm do quá

trình cháy diễn ra muộn hơn, động cơ

làm việc êm hơn Hình 1.9 Ảnh hưởng của tỷ lệ n-pentane và

iso-pentane đến tốc độ toả nhiệt [4]

8

Quá trình tự động điều khiển pha cháy tại các chế độ tải khác nhau là điều không thể với cơ cấu điều khiển bằng tay, vì vậy phải xây dựng bộ điều khiển tự động giúp nâng cao hiệu suất động cơ Olsson cùng cộng sự [44] cũng đã nghiên cứu tăng áp cho động cơ HCCI

và điều khiển thông qua tỷ lệ nhiên liệu dual-fuel với hai thành phần ethanol và n-heptane, áp suất chỉ thị trung bình (IMEP) của động cơ có thể đạt giá trị cực đại là 16 bar

1.5.1.4 Điều khiển lượng khí sót trong xylanh

Phương pháp thông dụng để điều khiển lượng khí sót trong xylanh là sử dụng pha phối khí linh hoạt (variable valve actuation - VVA), phương pháp này được bắt đầu nghiên cứu bởi Fiveland SB cùng cộng sự [16] Hệ thống cơ điện tử dẫn động xupap đã được sử dụng trên động cơ cỡ lớn một xylanh để điều khiển độ nâng và thời gian nâng xupap giúp quá trình cháy tốt hơn nhờ thay đổi góc trùng điệp Tại tải lớn, quá trình cháy diễn ra trễ hơn bằng cách giảm hiệu suất nén nhờ đóng muộn xupap nạp

1.5.1.5 Điều khiển hiệu suất nén

Strandh cùng cộng sự [50] đã điều

khiển pha cháy của mỗi xy lanh riêng biệt

nhờ thay đổi góc đóng muộn xupap nạp

Hình 1.10 thể hiện sự thay đổi thời gian

cháy khi thay đổi góc đóng muộn xupap

nạp Có thể thấy, khi đóng muộn xupap nạp,

hiệu suất nén của động cơ sẽ giảm xuống,

làm giảm nhiệt độ cuối quá trình nén, vì vậy

thời điểm CA50 trễ hơn Hình 1.10 Thay đổi thời gian cháy khi thay

đổi góc đóng muộn xupap nạp [35]

1.5.1.6 Điều khiển tỷ số nén

Hình 1.11 Động cơ thay đổi tỷ số nén của hãng SAAB, Thuỵ Điển

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 sót lớn

Tuy nhiên, với các động cơ có thay đổi tỷ số nén, trong đó có hãng SAAB, không cho phép thay đổi tỷ số nén riêng rẽ của mỗi xylanh, vì vậy cần thêm trang thiết bị bên ngoài để điều chỉnh thời điểm cháy của các xylanh trở nên đồng đều

1.5.1.7 Điều khiển tỷ lệ luân hồi khí thải

Luân hồi nội tại

Khí sót được giữ lại trong xilanh thông qua thay đổi góc đóng mở pha phối khí Luân hồi nội tại khí thải không 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 1.12) Kiểm soát quá trình cháy thông qua điều khiển lượng khí

sót thường được gọi là kiểm soát quá trình tự cháy CAI

Trên Hình 1.13 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 1.12 Ảnh hưởng của luân hồi nội tại đến tải và thời điểm cháy [35]

10

Với cách tiếp cận này nhiều động cơ được sản xuất có thể thay đổi được góc đóng mở

van thông minh, thông qua thay đổi biên dạng cam Thông thường sự thay đổi này trên toàn

bộ xy lanh là như nhau, có nghĩa không 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 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

độ động cơ thấp nó không 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

Hình 1.13 Quan hệ độ nâng xupap theo góc quay khi sử dụng NVO

Một giải pháp khác có liên quan tới NVO là cho van xả mở trở lại trong quá trình nạp (Hình 1.14)

Hình 1.14 Minh họa khí thải được nạp lại trong xilanh khi van xả mở trở lại

Ta thấy van xả được mở trở lại trong hành trình nạp và lượng khí thải được hút trở lại trong buồng cháy Tỷ lệ giữa xả mở bình thường và van xả mở trở lại 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

11

Luân hồi ngoài

Một giải pháp đơn giản hơn là đưa một lượng khí thải quay trở lại buồng cháy thông qua đường ống luân hồi

Hình 1.15 Sơ đồ thí nghiệm hệ thống sử dụng khí luân hồi [35]

Sơ đồ bố trí thí nghiệm hệ thống luân

hồi ngoài với khí luân hồi được làm mát

bằng nước, lượng khí luân hồi được điều

khiển bởi van EGR như trên hình 1.15

Trên hình 1.16 cho 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 không đổi thời điểm

cháy diễn ra muộn hơn, áp suất lớn lớn

nhất trong xilanh giảm, tốc độ tăng áp

suất giảm động cơ làm việc êm hơn

Dongwon Jung và các cộng sự [13]

đã nghiên cứu cung cấp dimethyl ete

(DME) cho động cơ xăng 1xylanh, làm

mát bằng không khí, với phương án sử

dụng EGR để điều khiển thời điểm cháy

Sơ đồ bố trí thí nghiệm như trên hình

1.17 Kết quả của nghiên cứu cho thấy cả

luân hồi nội tại và luân hồi ngoài đều

thiết lập được đặc tính cháy HCCI cho

động cơ khi sử dụng DME tại 1500v/ph Hình 1.16 Ảnh hưởng của khí luân hồi đến đặc

tính cháy HCCI [35]

12

Hình 1.17 Sơ đồ thí nghiệm trên động cơ HONDA GX340 K1 sử dụng EGR để điều

khiển quá trình cháy HCCI

1.5.1.8 Điều khiển nhiệt độ sấy nóng khí nạp

Hình 1.18 Diễn biến tốc độ toả nhiệt khi thay đổi nhiệt độ khí nạp

Hình 1.18 thể hiện diễn biến của tốc độ toả nhiệt trong xylanh khi thay đổi nhiệt độ khí nạp (Tair) từ 210C đến 660C tại cùng một lượng nhiên liệu cung cấp (Φ=0,3) Ta thấy, khi tăng nhiệt độ sấy nóng khí nạp, thời điểm đạt nhiệt độ tự cháy của nhiên liệu sớm hơn,

vì vậy cả pha cháy thứ nhất (nhiệt độ thấp) và thứ hai (nhiệt độ cao) đều diễn ra sớm hơn Khi quá trình cháy diễn ra sớm, tốc độ toả nhiệt nhanh, động cơ làm việc rung giật, độ ồn lớn Từ 210C đến 660C tại cùng một lượng nhiên liệu cung cấp (Φ =0,3) Khi quá trình cháy diễn ra sớm, tốc độ toả nhiệt nhanh, động cơ làm việc rung giật, độ ồn lớn

1.5.1.9 Nhiên liệu thay thế sử dụng cho động cơ HCCI

Mô hình cháy HCCI phát triển song song với việc nghiên cứu nhiên liệu thay thế Mô hình cháy này dường như tận dụng được các tính chất đa dạng của nhiên liệu thay thế [40]

13

Thực tế cho phép sử dụng các loại nhiên liệu khác nhau hoặc hỗn hợp của chúng để điều chỉnh thời điểm cháy và các điều kiện vận hành khác nhau, khắc phục được khó khăn lớn nhất của động cơ HCCI là điều khiển 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 soát quá trình cháy, mở rộng hoạt động HCCI trên dải tốc độ động cơ, có 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 ngoài [5] Phương pháp đầy hứa hẹn cho việc kiểm soát quá trình cháy đó là sử dụng các nhiên liệu thay thế và hỗn hợp của chúng, tùy thuộc vào các đặc tính của động cơ và các điều kiện vận hành [54, 36] Ý tưởng chính là nhiên liệu có nhiệt độ tự cháy khác nhau có thể được pha trộn ở tỷ lệ khác nhau để điều chỉnh điểm cháy ở vùng tải tốc độ khác nhau Vì vậy, hydro, ethanol, ete và dầu diesel sinh học đã được sử dụng trong động cơ HCCI là nhiên liệu nguyên chất hoặc hỗn hợp Nhiên liệu có trị

số cetan cao (như DME) có thể được sử dụng như chất xúc tác cho quá trình cháy trong hỗn hợp nhiên liệu và có chỉ số octan cao (như ethanol, methanol,… ) Với việc sử dụng hệ thống điều khiển vòng kín hoặc hở, dùng hỗn hợp nhiên liệu có thể kiểm soát quá trình cháy động

cơ HCCI trong phạm vi rộng hơn khi không dùng hỗn hợp nhiên liệu [36] Điều này đã được chứng minh trong động cơ HCCI sử dụng hỗn hợp của n-heptan và isooctane [44] Một số nhiên liệu nguồn gốc sinh học, chẳng hạn như este và DME, có xu hướng cố hữu là giảm sự hình thành bồ hóng do cấu trúc hoá học của chúng, xu hướng hình thành của bồ hóng 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 có xu hướng hình thành CO hoặc CO2 cao hơn là tham gia vào các phản ứng hình thành bồ hóng [53]

Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến nhiên liệu sinh học cả lý thuyết cũng như thực nghiệm Kết quả nghiên cứu phần nào đã làm sáng tỏ ưu việt của nhiên liệu này so với nhiên liệu truyền thống Goldsborough và Van Blarigan [17] nghiên cứu động

cơ piston tự do sử dụng nhiên liệu hydro cho động cơ HCCI hai kỳ Họ dùng phần mềm mô phỏng động lực học một chiều Quá trình ôxy hóa H2 sử dụng cơ chế của Marinov và cộng sự [37] Sử dụng mô hình truyền nhiệt Woschni [62], 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 quá trình quét khí, ảnh hưởng đến hỗn hợp nhiên liệu không khí trong xilanh, nhiệt độ của hỗn hợp nạp Fiveland và Assanis [16] xây dựng một mô hình số không chiều để mô 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 loài và 25 phản ứng, sử dụng mô hình CHEMKIN [30] Truyền nhiệt được tính toán dựa trên tập hợp các mô hình k-ε với giả thiết sự biến động đẳng hướng Phương pháp này tìm được vận tốc đặc trưng dùng để tính toán hệ số truyền nhiệt Kết quả mô 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 ĐCT Với H2 yêu cầu nhiệt độ khí nạp cao, tỷ số nén trung bình, tỷ lệ tương đương nhiên liệu không khí thấp vì nhiệt độ cháy của nó nằm trong khoảng 1050K – 1100K Thời điểm cháy diễn ra muộn hơn khi giảm nhiệt

độ khí nạp, tỷ lệ nhiên liệu không khí

Ng và Thomson [41] sử dụng mô hình đơn vùng để mô phỏng nhiên liệu ethanol cháy theo cơ chế HCCI và đặc biệt là ảnh hưởng hơi ethanol tới việc tự cháy và phát thải NOx Họ

sử dụng cơ chế phản ứng hóa học của Marinov [37] để mô phỏng quá trình oxy hóa ethanol và

14

cơ chế phản ứng NOx từ GRI-Mech [49] để mô phỏng sự hình thành NOx Để ước tính tổn thất nhiệt họ dùng mối liên hệ truyền nhiệt đối lưu Các tham số được nghiên cứu là: tỷ lệ tương đương không khí nhiên liệu, EGR, mức độ cải thiện của ethanol tức là mức độ chuyển ethanol thành CO và H2 Có thể thấy rằng việc cải thiện nhiên liệu có thể mở rộng được vùng làm việc của động cơ HCCI, xác định được ranh giới vùng không cháy và không phát thải

NOx Tuy nhiên việc cải thiện ethanol có xu hướng làm tăng phát thải NOx do kết quả của việc tăng nhiệt độ cháy EGR có tác dụng mở rộng phạm vi hoạt động mô phỏng ở các tỷ lệ tương đương trung bình (0,2 - 0,5)

Hofmann và Abraham [22] mô phỏng động cơ dùng mô hình CHEMKIN [30] để mô phỏng n-heptan, DME và methyl decanoate đốt cháy theo cơ chế HCCI Sau này nghiên cứu thay thế là dầu diesel sinh học Mô hình sử dụng mô hình cháy Woschni [57] để tính tổn thất nhiệt từ buồng cháy Mục tiêu chính của nghiên cứu góc đánh lửa trễ và hình thành NOx trong

ba loại nhiên liệu Với mục đích này, các nhà nghiên cứu dùng cơ chế hóa học của Herbinet [21] dùng cho methyl decanoate - thay thế dầu diesel sinh học - bao gồm 3036 loại và 8555 phản ứng, và cơ chế ôxy hóa của Lawrence [10,15,9,28] Mô phỏng hình thành NO sử dụng hai phương án: các cơ chế phản ứng mở rộng Zeldovich [34] và động học phản ứng NO từ cơ chế GRI-Mech[49] Nhà khoa học đã chứng minh DME có thời gian cháy trễ ngắn nhất tiếp theo methyl decanoate và n-heptan Do đó, 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 hóa học của nhiên liệu cũng đóng một vai trò thứ yếu

Can Cinar và cộng sự [7] nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu DEE đến đặc tính cháy

và phát thải động cơ HCCI-DI diesel Họ sử dụng động cơ diesel 1 xilanh làm việc theo cơ chế HCCI Các thí nghiệm đã được thực hiện ở tốc độ quay động cơ 2200 vòng/phút, mô men xoắn 19Nm Lượng nhiên liệu DEE được kiểm soát bởi ECU và nhiên liệu được phun vào nhờ một vòi phun áp suất thấp Tỷ lệ trộn nhiên liệu DEE được thay đổi từ 0% đến 40% và kết quả được so với động cơ sử dụng diesel thuần túy Cho thay đổi nhiên liệu ở tỷ lệ nhỏ từ 10% nhiên liệu DEE tăng dần lên tỷ lệ 40% đã gây ra kích nổ, lượng NOx và bồ hóng trong khí thải giảm tương ứng 19,4% và 76,1% nhiệt độ khí thải giảm 23,8% Mặt khác tỷ lệ phát thải CO và HC tăng lên Brakora và Reitz [6] sử dụng mã SENKIN của gói phần mềm CHEMKIN [30] mô phỏng cơ chế cháy HCCI và sự hình thành NOx dùng nhiên liệu diesel sinh học Nhiên liệu n-heptan đã được sử dụng thay thế dầu diesel, và một hỗn hợp của 2/3 n- heptan và 1/3 methyl butanoate đã được sử dụng để mô phỏng quá trình đốt cháy nhiên liệu diesel sinh học Hình thành NOx được thiết lập thông qua phản ứng gồm 7 loại và 19 sơ đồ phản ứng được phát triển bởi Yoshikawa và Reitz [83] dựa trên cơ chế phản ứng GRI Mech [49] Họ thấy rằng thời điểm cháy đóng một vai trò quan trọng trong kết quả của phát thải NOx Thành phần oxy trong nhiên liệu ảnh hưởng lớn tới sự hình thành NOx Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng khi dùng cơ chế cháy HCCI thì sự gia tăng NOx nhỏ

Mack và cộng sự [50] xây dựng một mô hình một vùng để mô phỏng hỗn hợp Ethanol/Diethyl Ether (DEE) Họ sử dụng mô hình truyền nhiệt Woschni để tính toán tổn thất nhiệt Cơ chế quá trình ôxy hóa DEE dựa trên cơ chế oxy hóa DME [11] và sơ đồ oxy hóa ethanol của Marinov [37], cơ chế kết hợp bao gồm 112 loại và 484 phản ứng Mục đích của nghiên cứu này là nghiên cứu phản ứng của DEE và ethanol trong sự pha trộn nhiên liệu 25%

xả

1.5.2 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam

Việc nghiên cứu lý thuyết mô phỏng đã bắt đầu được thực hiện trong thời gian gần đây ở Việt Nam

Tác giả 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” Việc nghiên cứu được thực

hiện trên phần mềm chuyên dụng AVL-BOOST đã thu được các kết quả: Xác định được tỷ lệ luân hồi (bên ngoài) và nhiệt độ khí luân hồi tối ưu đối với từng chế độ làm việc thông qua các ma trận thử nghiệm Với các nhiệt độ khí luân hồi thông thường, động cơ đạt hiệu suất cao nhất khi tỷ 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 Khi tăng nhiệt độ khí luân hồi, hiệu suất của động cơ giảm Nếu giữ nhiệt độ khí luân hồi ở giá trị nhiệt độ môi trường (298K), khí thải luân hồi giúp nâng cao hiệu suất động cơ, giảm tốc độ tăng áp suất, giảm nguy cơ “kích nổ” [1]

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 này đã thiết

kế, chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu n-heptane và kết quả chạy thực nghiệm trên băng thử

đã chứng minh được khả năng chuyển đổi mô hình cháy của động cơ diesel sang HCCI là hoàn toàn khả thi Tuy nhiên, dựa vào kết quả chạy với 5 chế độ tốc độ khác nhau từ 1050v/ph đến 1500v/ph và với mỗi chế độ tốc độ thực hiện chạy với 5 điểm bắt đầu từ khi động cơ có công suất đến khi động cơ có sự biến thiên mạnh về áp suất trong buồng đốt Các thời điểm bắt đầu cháy quá sớm làm động cơ không phát huy được công suất tối đa [2]

Tác giả Đỗ Văn Trấn đã thực hiện “Nghiên cứu mô phỏng mô hình cháy HCCI trên

phần mềm AVL-BOOST” Với nghiên cứu này, đã chỉ ra được tham số có thể điều khiển thời

điểm cháy theo cơ chế HCCI: nhiệt độ khí nạp, áp suất khí nạp, tỷ lệ luân hồi khí xả, tỷ số nén Nhiệt độ khí nạp ảnh hưởng trực tiếp đến thời điểm bắt đầu cháy, với nhiên liệu n-heptan thì nhiệt độ khí nạp không cần sấy nóng quá cao, đặc biệt khi làm việc với tải lớn Áp suất khí nạp ảnh hưởng đến thời điểm cháy thông qua vận động rối hỗn hợp và tăng nhiệt độ khí nạp Động cơ có thể làm việc với hỗn hợp nhạt và hiệu suất nhiệt cải thiện đáng kể so với không tăng áp Khí luân hồi ảnh hưởng quá trình cháy nhờ tác dụng sấy nóng hỗn hợp nạp và pha

Giải pháp đƣa ra khi nghiên cứu thiết lập quá trình cháy HCCI là hình thành hỗn hợp đồng nhất cho động cơ diesel, để điều khiển thời điểm bắt đầu cháy sẽ nghiên cứu thay đổi tỷ

số nén, thay đổi tỷ lệ khí luân hồi (EGR) và nhiệt độ sấy nóng khí nạp

17

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ HCCI 2.1 Các phương pháp hình thành hỗn hợp trên động cơ HCCI

Từ đặc điểm của hệ thống nhiên liệu, các phương pháp hình thành hỗn hợp có thể được phân loại theo đặc điểm phun (Hình 2.1) Theo cách này hỗn hợp được hình thành đồng nhất gồm 2 phương pháp:

 Hình thành hỗn hợp đồng nhất bên ngoài

 Hỗn hợp hình thành đồng nhất bên trong

Hình 2.1 Thời điểm phun nhiên liệu của động cơ HCCI

2.1.1 Hình thành hỗn hợp bên ngoài (PFI)

Hỗn hợp hình thành đồng nhất khi có đủ thời gian cần thiết, vì vậy hình thành hỗn hợp bên ngoài 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 ngược chiều với dòng 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 để đồng 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 độ đồng nhất hỗn hợp [9]

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 hoàn toàn ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ trên đường ống nạp Nếu không có biện pháp xử lý kịp thời nhiên liệu không bay hơi hoàn toàn, nó bám trên thành vách xylanh làm tăng phát thải HC và rửa trôi dầu bôi trơn làm giảm đáng kể hiệu suất cháy động cơ [48] Vì vậy với loại này cần quan tâm nhiều đến sấy nóng khí nạp [47]

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

18

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 ôxy [9] Ngoài ra khí luân 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

số nén 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 [48] Bên cạnh đó động cơ PFI có lợi thế về phát thải NOx và bồ hóng [23] nên hiện nay trong các nghiên cứu về thiết lập đặc tính cháy HCCI vẫn thường sử dụng giải pháp này vì đây là cách đơn giản nhất nhằm chuyển đổi động cơ diesel sang HCCI

2.1.2 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

 Phun muộn

2.1.2.1 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 trước khi pittông đến điểm chết trên 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 hoàn toàn Một số giải pháp hình thành hỗn hợp nhờ phun sớm:

PCCI (Premixed Charge Compression Ignition), cháy do nén hỗn hợp hình thành từ trước [18] Hệ thống này nhiệt độ trong 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 không 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 chế độ tải cao hơn thì hệ thống phun giống như hệ thống nhiên liệu truyền thống Động cơ làm việc ở hai chế độ HCCI và diesel truyền thống

Kiểm soát thời điểm cháy là một vấn đề then chốt của hệ thống này vì không 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 ở đầu giai đoạn và tăng dần đến kết thúc phun hoặc thay đổi góc chùm tia phun có thể tránh được hiện tượng này [2,

29, 56] 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

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 (Hình 2.2

và hình 2.3), kết quả hỗn hợp được hình thành tốt nên phát thải NOx và bồ hóng thấp [54] 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 vòi phun hoặc giảm kích thước lỗ phun [25]

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 [20] như trên hình 2.4 Phun

muộn trong điều kiện λ lớn ngăn

chặn hình thành NOx, khói và tăng

được mô 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

Hình 2.4 Quy luật cấp nhiên liệu hệ thống MULDIC

PCI được phát triển bởi Mitsubishi, PCI (Premixed Compression Ignition) cháy do nén hỗn hợp đã hòa trộn [26] Biện pháp ở đây là phun sớm kết hợp với giảm tỷ số nén Trong nghiên cứu đầu tiên cho góc giữa các lỗ phun 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 như động cơ diesel truyền thống nhưng phát thải NOx giảm 90% và hầu như không 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 [42] Kết quả làm giảm phát thải NOx và muội than, động cơ làm việc không ồn khi ở chế độ tải lớn

này được phát triển bởi tổng

công ty Toyota motor, được

giới thiệu trên thị trường vào

năm 2000 và hiện tại đang

phát thải hạt [39] (Hình 2.5) Hình 2.5 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

tại IFP (Institut Français 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

(Hình 2.6) Giải pháp ở đây là thu hẹp góc tia

2.1.2.2 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 2.7 Khi thời điểm phun thay đổi trong phạm vi

21

phổ biến của động cơ diesel thông 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 luân 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

Ưu điểm của biện pháp này là quá trình phun và quá trình cháy không hoàn toàn tách rời nhau nên ta có thể điều khiển thời gian cháy thông 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

Hình 2.7 Ảnh hưởng của phun muộn đến tốc độ tỏa nhiệt [10]

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 [38] 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 [31]

Hệ thống MK được cải tiến để mở

rộng phạm vi tải và tốc độ đã mở rộng được

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 phun bằng cách

tăng áp suất phun và tăng đường kính lỗ phun

Sự kết hợp giữa giảm nồng độ ô xy 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, không

phụ thuộc vào tỷ lệ tương đương nhiên liệu

không khí

Hình 2.8 Vùng hoạt động của động cơ sử dụng hệ thống HCLI và HPLI

22

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 [46] Trên hình 2.8 thể 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

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 thể điều khiển được bằng tỷ lệ phun 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 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 ôxy hóa hoàn toàn Đồng thời làm giảm phát thải NOx với tỷ lệ luân hồi 40%

2.2 Quá trình cháy của động cơ HCCI

2.2.1 Tính chất tỏa nhiệt

Hình 2.9 Đặc tính tỏa nhiệt của các loại động cơ

Tính chất toả nhiệt của quá trình cháy HCCI cũng có một vài điểm khác biệt so với quá trình cháy thông thường như trên hình 2.9

Trên động cơ đánh lửa, quá trình cháy diễn ra thông qua quá trình đánh lửa của bugi, màng lửa từ bugi sẽ lan tràn khắp buồng cháy Phần hỗn hợp chưa cháy được ngăn cách với phần đã cháy thông qua màng lửa Tổng nhiệt lượng toả ra trong động cơ đánh lửa được tính như sau:

23

∫

Trong đó: q là nhiệt lượng trên một đơn vị khối lượng hỗn hợp nhiên liệu/không khí

và dm là phần khối lượng của màng lửa cháy (hình 2.9a)

Trên động cơ diesel, nhiên liệu được phun trực tiếp vào khí có nhiệt độ cao sau quá trình nén Một lượng nhỏ hỗn hợp đạt được điều kiện tự cháy giống như quá trình cháy HCCI, trong khi đó một lượng lớn nhiên liệu còn lại sẽ cháy khuếch tán sau khi quá trình cháy đầu tiên diễn ra Vì vậy, trên động cơ diesel, quá trình toả nhiệt chia làm hai giai đoạn là kết quả của quá trình cháy nhanh và cháy khuếch tán:

∫

Trong đó: mp và dqp lần lượt là khối lượng và nhiệt lượng của hỗn hợp trong quá trình

cháy nhanh (premixed); md và dqd là khối lượng và nhiệt lượng của hỗn hợp trong mỗi vùng của quá trình cháy khuếch tán (diffusion) (hình 2.9b) Giá trị nhiệt lượng toả ra phụ thuộc vào

độ đậm nhạt (λ) của mỗi vùng đó, vì vậy khi cháy, mỗi vùng có lượng nhiệt toả ra khác nhau Trên động cơ HCCI do quá trình cháy diễn ra gần như đồng thời, không có hiện tượng

lan tràn màng lửa, vì vậy tổng lượng nhiệt toả ra được tính bằng tổng nhiệt lượng các vùng dq

từ quá trình cháy hỗn hợp trong xylanh với khối lượng mỗi vùng là m (hình 2.9c):

∫

Tuy nhiên trên thực tế, do hỗn hợp không hoàn toàn đồng nhất nên quá trình cháy có thể một phần giống với quá trình cháy khuếch tán trên động cơ diesel

2.2.2 Điều khiển quá trình cháy trên động cơ HCCI

Thách thức lớn nhất của động cơ HCCI là kiểm soát thời điểm cháy Quá 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 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 không có một bản đồ đáng tin cậy cho động cơ HCCI làm việc Ví dụ một biến động nhỏ nhiệt độ khí nạphoặc nhiệt độ nước làm mát sẽ tác động lớn đến thời điểm cháy Vì vậy cần kiểm soát quá 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 quả đo này để điều chỉnh một số biến đầu vào kiểm soát quá 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 2.10)