Nghiên cứu khả năng điều khiển quá trình cháy trên động cơ HCCI bằng phương pháp luân hồi khí thải

Nghiên cứu khả năng điều khiển quá trình cháy trên động cơ HCCI bằng phương pháp luân hồi khí thải Nghiên cứu khả năng điều khiển quá trình cháy trên động cơ HCCI bằng phương pháp luân hồi khí thải Nghiên cứu khả năng điều khiển quá trình cháy trên động cơ HCCI bằng phương pháp luân hồi khí thải luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

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

-

Họ và tên tác giả luận văn

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

Chuyên ngành :

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

…

(ghi chuyên ngành của học vị được công nhận)

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

1

2

Hà Nội – Năm

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

- NGUYỄN ĐỨC KHÁNH

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH CHÁY TRÊN ĐỘNG CƠ HCCI BĂNG PHƯƠNG PHÁP LUÂN HỒI KHÍ THẢI

Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ khí động lực

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS LÊ ANH TUẤN

Hà Nội – Năm 2012

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi Các

số liệu kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong các công trình nào khác!

Hà Nội, tháng 09 năm 2012

Học viên

Nguyễn Đức Khánh

LỜI CẢM ƠN

Với tư cách là tác giả của bản luận văn này, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS TS Lê Anh Tuấn, người đã có tạo điều kiện và có những góp ý hữu ích

về mặt chuyên môn để tôi hoàn thành bản luận văn này

Đồng thời tôi cũng xin trân trọng cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Động cơ đốt trong và Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong – Viện Cơ khí Động lực, Viện Đào tạo Sau đại học đã giúp đỡ về cơ sở vật chất trong suốt thời gian tôi học tập và làm luận văn

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn ông Lương Minh Báu – Viện Khoa học và Công nghệ Quốc gia Ulsan, Hàn Quốc; ông Primoz Tominc – công ty AVL, Cộng hoà Áo với những những ý kiến, đóng góp trao đổi cả về mặt chuyên môn cũng như

về công cụ mô phỏng AVL Boost

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình và bạn bè, những người đã động viên và chia sẻ với tôi rất nhiều trong suốt thời gian tôi học tập và làm luận văn

Học viên

Nguyễn Đức Khánh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ HCCI 8

1.1 Lịch sử phát triển của động cơ HCCI/CAI 8

1.1.1 Động cơ xăng CAI 8

1.1.2 Động cơ diesel HCCI 11

1.2 Định nghĩa động cơ HCCI/CAI 13

1.3 Hình thành hỗn hợp trên động cơ HCCI/CAI 14

1.4 Nguyên lý của động cơ HCCI 18

1.5 Ưu, nhược điểm của động cơ HCCI 21

1.6 Điều khiển quá trình cháy động cơ HCCI 22

1.6.1 Hệ thống nhiên liệu 23

1.6.2 Điều khiển lượng khí sót trong xylanh 24

1.6.3 Điều khiển hiệu suất nén 25

1.6.4 Điều khiển tỷ số nén 25

1.6.5 Điều khiển tỷ lệ luân hồi khí thải 26

1.6.6 Điều khiển nhiệt độ khí nạp 27

1.7 Kết luận 27

CHƯƠNG II ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH CHÁY HCCI BẰNG PHƯƠNG PHÁP LUÂN HỒI KHÍ THẢI 29

2.1 Ảnh hưởng của luân hồi khí thải đến đặc tính cháy HCCI 29

2.1.1 Ảnh hưởng của khí luân hồi nhiệt độ thấp 30

2.1.2 Ảnh hưởng của khí luân hồi nhiệt độ cao 33

2.2 Tổng quan về luân hồi khí thải trên động cơ HCCI 35

2.3 Kết luận 39

CHƯƠNG III NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ HCCI TRÊN PHẦN MỀM AVL BOOST 40

3.1 Tổng quan về phần mềm AVL Boost 40

3.1.1 Giới thiệu về phần mềm AVL Boost 40

3.1.2 Lý thuyết mô phỏng của phần mềm 41

3.2 Trình tự mô phỏng 44

3.2.1 Xây dựng mô hình mô phỏng 44

3.2.2 Chế độ mô phỏng 46

3.3 Kết luận 47

CHƯƠNG IV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 48

4.1 Ảnh hưởng của luân hồi nội tại 48

4.2 Ảnh hưởng của luân hồi bên ngoài 51

4.3 Kết luận 66

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

CARB Uỷ ban tài nguyên khí California

ZEV Phương tiện không phát thải

TEGR Nhiệt độ khí luân hồi

Gct Lượng nhiên liệu cung cấp cho 1 chu trình dp/dα Tốc độ tăng áp suất

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1 Tiêu chuẩn phát thải hiện tại theo tiêu chuẩn châu Âu và CARB cho xe con 3 Bảng 3.1 Thông số động cơ AVL 5402 45 Bảng 3.2 Tính chất của nhiên liệu n-heptane 45

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Các phương pháp hình thành hỗn hợp trên động cơ HCCI 15

Hình 1.2 Quy luật xung phun đối với quá trình phun sớm 16

Hình 1.3 So sánh tia phun trên động cơ HCCI và động cơ diesel truyền thống 17

Hình 1.4 Nghiên cứu mô phỏng số sự hình thành hỗn hợp trên động cơ HCCI 18

Hình 1.5 So sánh quá trình cháy thông thường và HCCI của động cơ xăng 19

Hình 1.6 Đặc tính toả nhiệt của quá trình cháy trên các loại động cơ 20

Hình 1.7 Vùng làm việc của động cơ HCCI 21

Hình 1.8 Sơ đồ điều khiển thời điểm cháy trên động cơ HCCI 22

Hình 1.9 Tín hiệu CA50 thu được từ quá trình điều chỉnh lưỡng nhiên liệu 23

Hình 1.10 Ảnh hưởng của tỷ lệ n-pentane và iso-pentane đến tốc độ toả nhiệt 24

Hình 1.11 Sự thay đổi thời gian cháy khi thay đổi góc đóng muộn xupap thải 25

Hình 1.12 Động cơ thay đổi tỷ số nén của hãng SAAB, Thuỵ Điển 26

Hình 1.13 Diễn biến tốc độ toả nhiệt khi thay đổi tỷ lệ luân hồi 26

Hình 1.14 Diễn biến tốc độ toả nhiệt khi thay đổi nhiệt độ khí nạp 27

Hình 2.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ luân hồi đến độ trễ của thời điểm tự cháy 31

Hình 2.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ luân hồi đến sự thay đổi của thời gian cháy 32

Hình 2.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ luân hồi đến giá trị lớn nhất của tốc độ tăng áp suất 32

Hình 2.4 Ảnh hưởng của tỷ lệ luân hồi đến nhiệt độ hỗn hợp và lambda 34

Hình 2.5 Ảnh hưởng của gia nhiệt và luân hồi đến thời gian và thời điểm cháy 34

Hình 3.1 Mô hình cân bằng năng lượng trong xylanh động cơ 41

Hình 3.2 Mô hình động cơ AVL 5402 trước và sau khi lắp bộ luân hồi khí thải 45

Hình 3.3 Các pha phối khí sử dụng trong quá trình mô phỏng 46

Hình 4.1 Ảnh hưởng của pha phối khí xupap thải đến tốc độ toả nhiệt 48

Hình 4.2 Ảnh hưởng của pha phối khí xupap thải đến áp suất trong xylanh 49

Hình 4.3 Ảnh hưởng của pha phối khí xupap thải đến tốc độ tăng áp suất 49

Hình 4.4 Ảnh hưởng của pha phối khí xupap thải đến nhiệt độ trong xylanh 50

Hình 4.5 Tốc độ toả nhiệt theo tỷ lệ và nhiệt độ khí luân hồi tại Gct =10,3 mg 51

Hình 4.6 Áp suất trong xylanh theo tỷ lệ và nhiệt độ khí luân hồi tại Gct =10,3 mg 52

Hình 4.7 Tốc độ tăng áp suất theo tỷ lệ và nhiệt độ khí luân hồi tại Gct =10,3 mg 52

Hình 4.8 Nhiệt độ trong xylanh theo tỷ lệ và nhiệt độ khí luân hồi tại Gct =10,3 mg 53

Hình 4.9 Tốc độ toả nhiệt theo tỷ lệ và nhiệt độ khí luân hồi tại Gct =10,9 mg 55

Hình 4.10 Áp suất trong xylanh theo tỷ lệ và nhiệt độ khí luân hồi tại Gct =10,9 mg 55

Hình 4.11 Tốc độ tăng áp suất theo tỷ lệ và nhiệt độ khí luân hồi tại Gct =10,9 mg 56

Hình 4.12 Nhiệt độ trong xylanh theo tỷ lệ và nhiệt độ khí luân hồi tại Gct =10,9 mg 56

Hình 4.13 Tốc độ toả nhiệt theo tỷ lệ và nhiệt độ khí luân hồi tại Gct =11,5 mg 57

Hình 4.14 Áp suất trong xylanh theo tỷ lệ và nhiệt độ khí luân hồi tại Gct =11,5 mg 58

Hình 4.15 Tốc độ tăng áp suất theo tỷ lệ và nhiệt độ khí luân hồi tại Gct =11,5 mg 59

Hình 4.16 Nhiệt độ trong xylanh theo tỷ lệ và nhiệt độ khí luân hồi tại Gct =11,5 mg 60

Hình 4.17 Tốc độ toả nhiệt theo tỷ lệ và nhiệt độ khí luân hồi tại Gct =12 mg 61

Hình 4.18 Áp suất trong xylanh theo tỷ lệ và nhiệt độ khí luân hồi tại Gct =12 mg 61

Hình 4.19 Tốc độ tăng áp suất theo tỷ lệ và nhiệt độ khí luân hồi tại Gct =12 mg 62

Hình 4.20 Nhiệt độ trong xylanh theo tỷ lệ và nhiệt độ khí luân hồi tại Gct =12 mg 62

Hình 4.21 Ảnh hưởng của tỷ lệ luân hồi đến tốc độ toả nhiệt tại TEGR = 298 K 63

Hình 4.22 Ảnh hưởng của tỷ lệ luân hồi đến áp suất trong xylanh tại TEGR = 298 K 64

Hình 4.23 Ảnh hưởng của tỷ lệ luân hồi đến tốc độ tăng áp suất tại TEGR = 298 K 65

Hình 4.24 Ảnh hưởng của tỷ lệ luân hồi đến nhiệt độ trong xylanh tại TEGR = 298 K 65

MỞ ĐẦU

Kể từ khi được phát minh vào cuối thế kỷ XIX cho đến nay, động cơ đốt trong (ĐCĐT) đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của xã hội ĐCĐT là nguồn cung cấp năng lượng chính cho các phương tiện giao thông vận tải (GTVT), tàu thuỷ, máy xây dựng, máy nông nghiệp và một số ứng dụng khác trong công nghiệp ĐCĐT tiêu thụ một lượng lớn nhiên liệu để sản sinh công suất thông qua quá trình chuyển hoá nhiệt năng thành cơ năng Ngay từ khi được phát minh, động

cơ đã được chia thành hai loại chính: động cơ đánh lửa (động cơ xăng) và động cơ cháy do nén (động cơ diesel) Trên động cơ đánh lửa truyền thống, màng lửa bắt nguồn từ bugi lan tràn đến các vùng chưa cháy, quá trình cháy của loại động cơ này được điều khiển thông qua thời điểm đánh lửa Do hỗn hợp nhiên liệu – không khí trên loại động cơ này được hoà trộn từ trước và thường xung quanh giá trị lý tưởng (hệ số dư lượng không khí, λ =1), nên quá trình cháy sản sinh ít bồ hóng (soot) so với quá trình cháy của diesel Ngày nay, phần lớn các động cơ đánh lửa hoạt động với hỗn hợp lý tưởng để đạt được hiệu quả cao nhất cho quá trình xử lý khí thải Vì

hệ số dư lượng không khí gần như không đổi, nên muốn thay đổi tải trọng của động

cơ, cần điều chỉnh lượng khí nạp mới đi vào trong xylanh động cơ, thông qua bướm

ga lắp trên đường nạp Do có bướm ga, tổn thất trong quá trình nạp tăng, công bơm (hút) lớn, giảm hiệu suất động cơ Trong khi tỷ số nén của động cơ không thể tăng lên quá cao do bị giới hạn bởi hiện tượng kích nổ, thông thường tỷ số nén của động

cơ đánh lửa nằm trong khoảng từ 8 đến 12 Vì vậy động cơ đánh lửa có hiệu suất thấp Đối với động cơ cháy do nén, có tỷ số nén lớn hơn rất nhiều so với động cơ xăng (từ 12 đến 24) Trên động cơ này, hỗn hợp nhiên liệu – không khí sẽ tự bốc cháy chứ không bắt nguồn từ tia lửa điện giống như trên động cơ xăng Quá trình này diễn ra trong hai giai đoạn, đầu tiên là nhiên liệu phun vào buồng cháy hoà trộn cùng không khí và thứ hai là hỗn hợp tự cháy Giai đoạn này là một giai đoạn phức tạp với rất nhiều quá trình: xé tơi nhiên liệu, tia phun chạm thành, bay hơi và khuếch tán, những yếu tố này làm giảm tốc độ cháy của hỗn hợp Một phần của nhiên liệu và không khí được hoà trộn trước và bốc cháy rất nhanh, một lượng lớn

còn lại của hỗn hợp sẽ cháy ngay sau đó với tốc độ chậm hơn do ảnh hưởng của quá trình bay hơi, hoà trộn và khuếch tán Vì vậy trên động cơ diesel, hỗn hợp có thể được chia thành hai vùng chính là vùng có mật độ nhiên liệu lớn và vùng có màng lửa nhiệt độ cao Trong vùng đầu tiên, bồ hóng chủ yếu được hình thành trong vùng này do hỗn hợp đậm, thiếu O2, chỉ một phần bồ hóng tiếp tục được ôxy hoá do sự tăng nhiệt độ trong xylanh Nhiệt độ cao nhất trong động cơ diesel thông thường đạt khoảng 2700 K, vì vậy nồng độ phát thải NOx của loại động cơ này rất lớn Hiện nay, vấn đề lớn nhất đối với động cơ diesel là làm cách nào để giảm đồng thời hai thành phần phát thải dạng hạt (PM) và NOx, trong khi giá thành của các bộ xúc tác giảm phát thải như bộ lọc NOx tại hỗn hợp nghèo (Lean NOx Trap – LNT), bộ lọc phát thải dạng hạt (Diesel Particular Filter – DPF), rất cao [36]

Trong hai thập niên trở lại đây, các đề tài nghiên cứu về ĐCĐT chủ yếu tập trung vào ba hướng chính: nâng cao tính kinh tế nhiên liệu, giảm phát thải độc hại gây ô nhiễm môi trường cũng như phát triển nhiên liệu thay thế nhằm thay thế nguồn nhiên liệu hoá thạch Các thành phần độc hại chính của khí thải động cơ bao gồm CO, HC, NOx, CO2 và PM Tuy nhiên như đã trình bày, để giảm được phát thải độc hại vào môi trường, chi phí bỏ ra là rất lớn Vì vậy, thời gian gần đây, hiệu suất nhiệt của động cơ đã không được cải thiện một cách đáng kể cho dù nền công nghiệp ô tô và công nghiệp phụ trợ phát triển rất nhanh Điều này dẫn đến nhiên liệu tiêu thụ và phát thải khí nhà kính vẫn chủ yếu xuất phát từ các phương tiện GTVT

Cải thiện khả năng sử dụng các nguồn năng lượng mới và giảm các phát thải độc hại là mục tiêu chính của các nhà khoa học trong lĩnh vực nghiên cứu ĐCĐT

Vì sự gia tăng của phát thải khí nhà kính trong những năm gần đây, nhiều chính phủ

và tổ chức đã đưa ra những tiêu chuẩn về các thành phần phát thải Gần đây, tiêu chuẩn về thành phần phát thải CO2 từ xe con đã được đưa ra bởi Nghị viện châu Âu (số 433/2009) và hội đồng châu Âu vào ngày 23 tháng 4 năm 2009 Định luật này

đã đưa ra tiêu chuẩn phát thải mới cho các xe con mới xuất xưởng nhằm giảm phát thải khí nhà kính thải ra môi trường Mức phát thải trung bình mà các xe đang lưu hành tại EU phải đạt được 130 g/km trong năm 2012 và 65% sản phẩm mới của các

hãng ô tô phải tuân theo mức phát thải đã được đề ra Con số này sẽ tăng lên 75% vào năm 2013, 80% vào năm 2014 và 100% vào năm 2015 Tại thời điểm đó, các phát thải khác như HC, CO, NOx và PM sẽ phải đảm bảo theo các tiêu chuẩn mới khắt khe hơn trong tương lai, ví dụ như EURO V, EURO VI Ngoài ra, Mỹ, Nhật Bản, Trung Quốc và một số quốc gia khác cũng có những tiêu chuẩn phát thải hết sức ngặt nghèo [53]

Bảng 1 Tiêu chuẩn phát thải hiện tại theo tiêu chuẩn châu Âu và CARB cho xe con [20]

Tiêu chuẩn Năm Loại động cơ CO

(g/km)

HC/NMOG (g/km)

NOx (g/km)

HC+NOx (g/km)

PM (g/km) Euro III 2001 SI

CI

2,3 0,64

0,2

-

0,15 0,5

- 0,56

- 0,05

CI

1,00 0,5

0,1

-

0,08 0,25

- 0,3

- 0,025

0,08 0,08

-

-

0,0025 0,0025 CARB

Uỷ ban tài nguyên không khí California, Hoa Kỳ (California Air Resources Board – CARB) Ta có thể thấy, định mức phát thải của CARB là rất thấp, đây cũng là tiêu chuẩn phát thải ngặt nghèo nhất trên thế giới hiện nay Định luật này tại Hoa Kỳ có

sự khác biệt rất lớn so với tiêu chuẩn của châu Âu, vì nó tính theo giá trị “trung bình tổng cộng”, trung bình phát thải của một sản phẩm trong suốt thời gian lưu hành phải nằm trong mức giới hạn đề ra Do có sự khác biệt về chu trình thử và phương pháp đo thành phần hữu cơ hoạt tính (Volatile Organic Compound – VOC), nên không thể so sánh trực tiếp hai tiêu chuẩn phát thải của châu Âu và CARB [20] Theo Johnson [24], mức phát thải hydro cácbon không cháy (uHC) theo tiêu chuẩn

US LEV II và EURO IV là tương đương nhau Tuy nhiên đối với phát thải NOx, mức phát thải cho phép theo tiêu chuẩn của Hoa Kỳ nhỏ hơn khoảng 2 lần so với tiêu chuẩn châu Âu

Với những giới hạn đặt ra của các thành phần phát thải của động cơ, các nhà khoa học và nhà sản xuất đang hướng đến một loại phương tiện không phát thải (Zero Emissions Vehicle – ZEV) Mặc dù thực tế công nghệ này đã được phát triển

và đạt được những thành công nhất định với phương tiện sử dụng pin nhiên liệu (fuel cell) dùng nhiên liệu hyđrô sản xuất từ các nguồn năng lượng tái tạo Tuy nhiên để sản xuất pin nhiên liệu, chi phí phải bỏ ra là rất lớn, hơn nữa vấn đề lưu trữ

và sử dụng nguồn nhiên liệu hyđrô cũng là một bài toán đối với các nhà khoa học

Vì vậy, việc nghiên cứu và phát triển các phương tiện GTVT vẫn tiếp tục thực hiện trên ĐCĐT

Weiss cùng cộng sự [34] đã sử dụng thuật ngữ “hiệu suất từ nguồn” nhằm xác định tổng “chi phí năng lượng” và những ảnh hưởng đến môi trường của các công nghệ ứng dụng trên ô tô Trong mỗi trường hợp, tổng chi phí năng lượng được đánh giá bao gồm giá thành sản xuất, chuyển hoá nhiên liệu và thử nghiệm Họ đã kết luận được rằng với cùng một quãng đường dịch chuyển như nhau, sự kết hợp giữa động cơ diesel/điện và động cơ xăng/điện mang lại hiệu quả cao nhất Đối với phương tiện lắp pin nhiên liệu sử dụng hyđrô để sản sinh điện năng, hiệu quả sử dụng năng lượng là thấp nhất Một vấn đề nữa là dung lượng và thời gian hoạt động của ắc quy rất ngắn, đó là một vấn đề lớn cần được giải quyết trước khi xây dựng cơ

sở hạ tầng các trạm cung cấp hyđrô Vì vậy, trong tương lai, ĐCĐT vẫn đóng vai trò là nguồn cung cấp năng lượng chính cho các phương tiện GTVT Hiện nay, đã

có rất nhiều hãng ô tô, điển hình là Honda và Toyota đưa ra thị trường các sản phẩm

xe lai (hybrid) xăng/điện Các phương tiện này được hy vọng sẽ trở nên thông dụng hơn trong tương lai

Trong khi ô tô hybrid vẫn đang từng bước phát triển để tiến tới ZEV, những phát triển trong thời gian gần đây của động cơ xăng và diesel truyền thống giúp cho phát thải và lượng tiêu thụ nhiên liệu giảm đi đáng kể Đối với khả năng giảm phát thải, sử dụng bộ xúc tác 3 đường (three-way catalytic) trên động cơ đánh lửa, phát thải CO, uHC và NOx giảm hơn 90% Tuy nhiên, để duy trì được hiệu suất chuyển đổi, động cơ phải hoạt động với λ ≈ 1 Vì vậy, khi đảm bảo được khả năng xử lý khí thải, tính kinh tế của động cơ không được cải thiện đáng kể

Tuy nhiên thời gian gần đây, động cơ diesel phun trực tiếp tốc độ cao (high speed direct injection – HSDI) và động cơ phun xăng trực tiếp hình thành hỗn hợp kiểu phân lớp (stratified charge gasoline direct injection – GDI) đã được phát triển cho phép động cơ hoạt động ở hỗn hợp nghèo nhờ quá trình điều khiển lượng nhiên liệu không phụ thuộc vào lưu lượng khí nạp Khi sử dụng những phương pháp này, lượng tiêu hao nhiên liệu giảm đáng kể, đặc biệt là ở tải nhỏ Tuy nhiên, khi hoạt đông tại hỗn hợp nghèo, khả năng xử lý phát thải sẽ kém hơn Công nghệ để giảm phát thải NOx tại hỗn hợp nghèo đã được phát minh và sử dụng, nhưng hiện tại giá thành của bộ này rất cao và đòi hỏi nhiên liệu sạch trong trường hợp NOx được chứa trong bộ xúc tác hoặc ở trên xe và đòi hỏi cơ sở hạ tầng để cung cấp Urê cho

bộ xử lý DeNOx Một vấn đề khác đối với động cơ diesel là phát thải dạng hạt Tiêu chuẩn phát thải EURO V và US Tier 2 đều yêu cầu mức PM rất thấp, và để đạt được tiêu chuẩn này cần phải trang bị thêm bộ xúc tác Ngoài ra, khi sử dụng cả hai

bộ xúc tác nhằm giảm phát thải NOx và PM, lượng tiêu hao nhiên liệu sẽ tăng lên từ 3-4% [20]

Trong khoảng 15 năm trở lại đây, một công nghệ cháy mới, thay thế cho các

mô hình cháy thông thường trên ĐCĐT là cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (homogeneous charge compression ignition – HCCI) hay tự cháy điều khiển được (controlled auto-ignition – CAI) Hai mô hình cháy này có hiệu suất tương tự với

động cơ phun xăng trực tiếp và kiểu cháy tương tự với động cơ diesel, tuy nhiên thành phần phát thải NOx giảm đi đáng kể, trong khi độ khói gần như bằng không Với mô hình cháy này, hoàn toàn có thể đáp ứng được các yêu cầu của tiêu chuẩn phát thải hiện nay và cả trong tương lai mà không cần phải trang bị thêm các bộ xử

lý khí thải phức tạp và đắt tiền Mặc dù có những ưu điểm rõ ràng như vậy, nhưng

mô hình cháy này vẫn còn những vấn đề như khó khăn trong việc điều khiển pha cháy, mở rộng dải tải trọng làm việc, đảm bảo hỗn hợp hoà trộn đồng nhất và các thành phần phát thải HC, CO cao Những công trình nghiên cứu trong những năm gần đây không chỉ giúp cho quá trình tìm hiểu các yếu tố vật lý, hoá học của quá trình cháy trở nên rõ ràng hơn mà còn giúp cho việc kết hợp mô hình cháy này trên động cơ diesel phun trực tiếp Khi đó quá trình chuyển đổi giữa mô hình cháy HCCI tại tải nhỏ và mô hình cháy thông thường của diesel tại tải trung bình và tải lớn trở nên dễ dàng hơn

Nhằm xây dựng cơ sở cho việc phát triển mô hình cháy HCCI trên thực tế trong tương lai và đánh giá khả năng điều khiển quá trình cháy thông qua giải pháp

luân hồi khí thải, đề tài “Nghiên cứu khả năng điều khiển quá trình cháy trên động cơ HCCI bằng phương pháp luân hồi khí thải” là một hướng đi đúng nhằm

giúp cho quá trình tìm hiểu và nghiên cứu động cơ HCCI trong thời gian tới

i Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn

a) Mục đích nghiên cứu

Đánh giá được khả năng điều khiển quá trình cháy HCCI trên ĐCĐT bằng phương pháp luân hồi khí thải (luân hồi nội tại và luân hồi bên ngoài) để động cơ có thể làm việc ở chế độ tối ưu nhất

b) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đề tài được tiến hành nghiên cứu trên lý thuyết thông qua các kết quả đã được công bố rộng rãi trên toàn thế giới và kết quả mô phỏng động cơ nghiên cứu 1 xylanh với đầy đủ các thông số kỹ thuật được trang bị tại Phòng thí nghiệm Động

cơ đốt trong – trường Đại học Bách khoa Hà Nội Đây là động cơ được lắp đặt trên băng thử hiện đại, sẽ là đối tượng của quá trình nghiên cứu HCCI sau này

ii Phương pháp nghiên cứu

Đề tài kết hợp các công trình nghiên cứu trên thế giới và kết quả của quá trình mô phỏng trên phần mềm AVL Boost để đánh giá khả năng điều khiển quá trình cháy HCCI trên động cơ thử nghiệm Đề tài phân tích ảnh hưởng của từng phương pháp luân hồi, các thông số của luân hồi đến đặc tính cháy của động cơ Từ

đó tiến hành mô phỏng nhằm đánh giá khả năng ứng dụng các phương pháp này trên động cơ thử nghiệm để mở rộng dải tải trọng làm việc

iii Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

- Xây dựng thành công mô hình động cơ nghiên cứu hoạt động dưới chế độ HCCI trên phần mềm AVL Boost

- Xác định được pha phối khí tối ưu cho từng chế độ

- Xác định được tỷ lệ và nhiệt độ khí luân hồi tối ưu cho động cơ ở các chế độ

- Kết quả là nền tảng cho quá trình nghiên cứu, phát triển động cơ HCCI sau này tại Việt Nam

iv Các nội dung chính của đề tài

Thuyết minh của đề tài được trình bày theo các phần chính như sau:

 Mở đầu

 Chương I Tổng quan về động cơ HCCI

 Chương II Điều khiển quá trình cháy HCCI bằng phương pháp luân hồi khí thải

 Chương III Nghiên cứu mô phỏng động cơ HCCI trên phần mềm AVL Boost

 Chương IV Kết quả và thảo luận

 Kết luận và hướng phát triển

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ HCCI

1.1 Lịch sử phát triển của động cơ HCCI/CAI

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 cho nhiên liệu xăng trên động cơ đốt trong kiểu piston [20] 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, etanol 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 [19] 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

1.1.1 Động cơ xăng CAI

Mặc dù được giới khoa học thừa nhận công trình nghiên cứu đầu tiên về mô hình cháy CAI được thực hiện bởi Onishi và Noguchi trong năm 1979, tuy nhiên

nguồn gốc căn bản của lý thuyết lẫn thực nghiệm về mô hình cháy này được quy về nghiên cứu của nhà khoa học người Nga Nikolai Semenov cùng đồng nghiệp trong những năm 1930 Để chứng minh được lý thuyết chuỗi và hoá học của quá trình đánh lửa, Semenov đã theo đuổi mục tiêu sử dụng động lực học hoá học để điều khiển quá trình cháy trên động cơ đốt trong, để vượt qua được các giới hạn vật lý trên hai loại động cơ đánh lửa và động cơ cháy do nén Nhờ nắm rõ được quá trình nhiệt động học trong xylanh cũng như các điều kiện hoá học tương tự với các hiện tượng của quá trình hình thành ngọn lửa nguội trong hỗn hợp của hydrocacbon và không khí, vì vậy quá trình toả nhiệt diễn ra đồng đều hơn Điều này dẫn đến quá trình cháy điều khiển được (controlled-combustion) đầu tiên đã được ứng dụng cho ĐCĐT, còn gọi là LAG (Avalanche Activated Combustion), được phát triển bởi Semenov và Gussak cùng cộng sự trong những năm 70 của thế kỷ trước [14] Hệ thống này đã sử dụng môi chất hỗn hợp nhạt để giới hạn tốc độ toả nhiệt, ngoài ra còn được bổ sung thêm một phần hỗn hợp khí đã cháy có nhiệt độ cao từ buồng cháy dự bị Khi ngọn lửa của hỗn hợp đậm đi vào buồng cháy chính, nó sẽ bị dập tắt

và khi đó nó sẽ hoà trộn với không khí, cung cấp các phần tử hoạt hoá và năng lượng nhiệt để thực hiện quá trình cháy đồng nhất

Sau công trình đầu tiên của Onishi và Noguchi, đã bùng nổ một xu hướng nghiên cứu và phát triển động cơ xăng 2 kỳ sử dụng mô hình cháy này, điển hình là của hãng Honda với động cơ CAI đầu tiên được sản xuất và lắp trên ô tô, động cơ

xe máy ARC 2 kỳ với dung tích 250 cc [18] Các động cơ này sử dụng năng lượng nhiệt của khí sót để đẩy mạnh quá trình cháy CAI, Honda xác nhận giảm tiêu hao nhiên liệu lên tới 29% đồng thời thành phần HC chưa cháy cũng giảm

Có thể thấy rõ mô hình cháy này hoàn toàn khả thi để giảm phát thải và tiêu hao nhiên liệu Cùng với sự suy giảm đáng kể của động cơ 2 kỳ trên phương tiện GTVT, dẫn đến Najt và Foster đã chuyển hướng nghiên cứu qua ứng dụng mô hình cháy này trên động cơ 4 kỳ 1 xylanh vào năm 1983 [37] Quá trình nghiên cứu sau

đó được mở rộng bởi Thring để nghiên cứu ảnh hưởng của luân hồi khí xả bên ngoài và tỷ lệ không khí/nhiên liệu (A/F) đến tính năng của động cơ [50] Trong

nghiên cứu này, Thring đã đưa ra thuật ngữ cháy hỗn hợp đồng nhất do nén (HCCI), sau đó thuật ngữ này đã được các nhà khoa học khác sử dụng để mô tả quá trình cháy cho cả hai loại nhiên liệu xăng và diesel Năm 1992, Stockinger cùng cộng sự [46] đã trình bày nghiên cứu đầu tiên về động cơ xăng 4 xylanh hoạt động nhờ khả năng tự cháy của nhiên liệu trong dải tốc độ và tải trọng giới hạn thông qua việc nâng tỷ số nén và sấy nóng khí nạp

Động cơ xăng lớn nhất sử dụng mô hình tự cháy được đưa ra bởi Olsson cùng cộng sự trong những năm cuối thập niên 90 [41] Động cơ được sử dụng là động cơ diesel 6 xylanh, có dung tích 12 lít Động cơ sử dụng hỗn hợp nhiên liệu isooctane và n-heptane thông qua bộ điều khiển vòng tuần hoàn kín, cũng như cụm tuabin tăng áp, tỷ số nén lớn, thiết bị sấy nóng nhiệt độ khí nạp, quá trình cháy tự có thể diễn ra ở một dải tốc độ làm việc và tải rộng

Các công trình nghiên cứu trước đây đã chứng minh tính tiện lợi và khả thi của mô hình cháy CAI trên động cơ xăng 4 kỳ, nhưng lại không trình bày quá trình thực hiện mô hình cháy này trên những động cơ thương mại Để phát triển một động cơ CAI mới và đưa ra thị trường, động cơ cần phải hoạt động được khi không được trang bị bộ phận sấy nóng từ bên ngoài, tỷ số nén lớn hay phải sử dụng các hỗn hợp nhiên liệu đặc biệt

Có lẽ quá trình quan trọng nhất trong việc chấp nhận mô hình cháy CAI trên động cơ xăng 4 kỳ đã diễn ra tại châu Âu trong những năm đầu của thiên niên kỷ thứ III Theo nguyên lý của mô hình tự cháy trên động cơ xăng 2 kỳ, ba nghiên cứu độc lập đều cho thấy rằng mô hình cháy CAI có thể thực hiện được trên động cơ xăng 4 kỳ ở tất cả các dải tốc độ làm việc và tải trọng thông qua quá trình đóng sớm của xupap xả hoặc mở rộng góc trùng điệp [30,58,29,31] Tại hai hãng ô tô Lotus (VQ Anh) và Volvo (Thuỵ Điển), phương pháp mở rộng góc trùng điệp đã được thực hiện bằng cách dùng hệ thống dẫn động xupap thay đổi linh hoạt Trong khi

đó, viện hoá dầu Pháp (IFP) và đại học Brunel (VQ Anh) đã chứng minh rằng mô hình cháy CAI có thể dễ dàng thực hiện trên động cơ 4 xylanh thông thường trong

dải tốc độ làm việc và tải trọng hợp lý chỉ với một vài sự thay đổi của hệ thống phân phối khí

Trong những năm gần đây, khả năng giữ lại một phần khí sót và tái sử dụng khí thải [12] để kích thích và điều khiển quá trình cháy CAI đã được chứng minh bởi một số lượng lớn các nhà nghiên cứu, vì vậy những động cơ thương mại có thể hoạt động dưới mô hình cháy CAI mà không cần thiết phải thay đổi kết cấu ban đầu (chi phí lớn) của động cơ và phương tiện

1.1.2 Động cơ diesel HCCI

Như đã đề cập ở trước, một vài động cơ diesel 2 kỳ và 4 kỳ từ những năm đầu tiên kể từ khi được phát minh đã có thể hoạt động với chệ độ cháy do nén hỗn hợp không khí và nhiên liệu đã được hình thành từ trước thông qua quá trình phun sớm vào lớp bề mặt có nhiệt độ cao hoặc buồng cháy đã được sấy nóng Tuy nhiên, rất ít người biết động cơ diesel hiệu quả nhất sử dụng mô hình cháy do nén hỗn hợp đồng nhất đã được phát triển là động cơ máy bay 2 kỳ do một công ty nhỏ ở Anh sản xuất có tên là Progress Aero Works (PAW) từ những năm 1940 Nhiên liệu được hoà trộn với một tỷ lệ đặc biệt cùng dầu hoả, ether, dầu và phụ gia, chúng được cung cấp vào đường nạp thông qua một bộ chế hoà khí vì vậy hỗn hợp không khí/nhiên liệu đã được chuẩn bị từ trước trước khi đi vào trong xylanh Để động cơ khởi động được, phải vặn vít điều chỉnh tỷ số nén ở phía đầu động cơ nhằm tăng tỷ

số nén Sau khi động cơ khởi động, phải vặn vít điều chỉnh ngược trở lại để động cơ đạt công suất cực đại Những động cơ do PAW sản xuất có công suất từ 0,06 đến 1,2 bhp (brake horse-power – mã lực) tại tốc độ từ 10000 đến hơn 20000 vòng/phút

và có thể ứng dụng trong công nghiệp chế tạo

Tuy nhiên, đến giữa thập niên 90, những nghiên cứu đã bắt đầu có hệ thống hơn và tập trung vào khả năng ứng dụng mô hình cháy HCCI cho động cơ diesel trên ô tô, vì thời điểm này thế giới bắt đầu quan tâm đến các thành phần phát thải như NOx và PM Việc nghiên cứu và phát triển động cơ diesel HCCI dọc theo ba hướng chính, phụ thuộc vào độ phức tạp của quá trình hình thành hỗn hợp Giải pháp đầu tiên bao gồm quá trình phun nhiên liệu vào đường nạp, gần giống với

động cơ phun xăng gián tiếp Phương pháp này đã được sử dụng trước đây cho động cơ diesel nhờ quá trình phun diesel dạng hơi tồn tại trong nhiên liệu hoặc phun loại nhiên liệu khác có khả năng bay hơi tốt vào đường nạp cùng với nhiên liệu diesel từ hệ thống nhiên liệu thông thường (phun trực tiếp vào trong xylanh) Gần đây nhất, nghiên cứu về quá trình cháy diesel do nén hỗn hợp đồng nhất được chuẩn

bị từ trước (Premixed HCCI) đã được thực hiện để chứng minh tính khả thi cao của HCCI nhằm giảm phát thải NOx và độ khói cũng như là để hiểu rõ hơn về nguyên

lý của quá trình cháy HCCI diesel [45] Tuy nhiên, giải pháp này là không thực sự hứa hẹn để phát triển trên thực tế do khả năng bay hơi kém của nhiên liệu, lượng tiêu hao nhiên liệu tăng và nồng độ HC chưa cháy lớn

Với sự phát triển của hệ thống phun nhiên liệu linh hoạt áp suất cao điều khiển bằng điện tử, đặc biệt là hệ thống phun nhiên liệu kiểu tích áp (common rail – CR), phun nhiên liệu trực tiếp vào trong xylanh trước ĐCT được xem là cách thông dụng nhất để hình thành hỗn hợp cho quá trình cháy HCCI trên động cơ diesel [51,56,39] Một số tác giả khác lại sử dụng một thuật ngữ khác cho loại động cơ này

là cháy do nén hỗn hợp từ trước (premixed charge compression ignition – PCCI) [17] Bằng cách phun sớm toàn bộ hoặc một phần nhiên liệu trong kỳ nén, nhiệt độ

và áp suất cao trong xylanh tạo điều kiện cho nhiên liệu bay hơi và hoà trộn với không khí Hơn nữa, tính linh động của thời điểm phun và xung phun có thể được dùng để điều chỉnh và tối ưu hoá quá trình cháy Tuy nhiên, cho đến ngày nay, phương pháp cung cấp nhiên liệu diesel thành công nhất cho động cơ HCCI là phun sau khi piston đi qua ĐCT, được phát triển bởi công ty Nissan, Nhật Bản [27] Giống như mô hình cháy MK (Modulated Kinetics), mô hình cháy này được sử dụng ở tải bộ phận, tốc độ làm việc từ thấp đến trung bình khi ứng dụng trên những động cơ thương mại được sản xuất từ năm 1998 Ngoài ra, việc mở rộng dải làm việc HCCI của động cơ đã được thực hiện trên các xe thuộc thế hệ thứ II trong năm

2001, có thể làm việc ở tất cả các dải làm việc tại Nhật Bản, thử nghiệm ở 10-15 chế độ

Một trong những vấn đề khó khăn khi phun nhiên liệu sớm là nhiên liệu bám lên thành buồng cháy do chiều dài tia phun lớn, điều này sẽ dẫn đến tăng phát thải

CO và HC chưa cháy cũng như là giảm khả năng bôi trơn do nhiên liệu có thể tẩy rửa dầu bôi trơn ở trên mặt gương xylanh Mặc dù hiện tượng nhiên liệu bám trên thành xylanh có thể được xử lý bằng cách sử dụng vòi phun có góc côn nhỏ [52], vòi phun có lỗ thay đổi sẽ trở nên phù hợp hơn khi động cơ chuyển về hoạt động như một động cơ diesel thông thường ở tải lớn Với sự tiến bộ của hệ thống phun nhiên liệu CR, phun nhiều giai đoạn đã được nghiên cứu như là một giải pháp để gần đạt được quá trình cháy hỗn hợp đồng nhất trên động cơ diesel, khi đó nhiên liệu sẽ không bám vào thành xylanh do ở mỗi lần phun, chiều dài tia phun ngắn hơn [48,8] Trên thực tế, phun nhiều giai đoạn, có thể lên tới 5 giai đoạn, đang được ứng dụng trên các động cơ thương mại hiện đại [7] Mặc dù theo những nghiên cứu gần đây cho thấy, áp suất có ích trung bình (brake mean effective pressure – BMEP) của một động cơ diesel HCCI có thể lớn hơn 15 bar [10], động cơ hoạt động song song giữa hai chế độ HCCI/diesel có thể duy trì được trong một số điều kiện làm việc Đối với động cơ xe tải nặng và trung bình, cần có những công nghệ tiên tiến để mở rộng khả năng làm việc dưới chế độ HCCI ở tải lớn – mức tải thường xuyên của động cơ

1.2 Định nghĩa động cơ HCCI/CAI

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) [43], TS (Toyota-Soken) [40], ARC (Active Radical Combustion) [18] trên động cơ 2 kỳ, CIHC (Compression-Ignited Homogenous Charge) [37], Homogenous Charge Compression Ignition (HCCI) [50], Controlled Auto-ignition (CAI) [30,58,29,31,12], UNIBUS (Uniform Bulky Combustion System) [56], PREDIC (PREmixed lean DIesel Combustion) [39], MK (Modulated Kinetics) [17], Premixed Charge Compression Ignition (PCCI) [3], OKP (Optimised Kinetic Process) [57], 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

Để động cơ có thể hoạt động ở hỗn hợp nghèo, có những giải pháp 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 Ngoài ra, 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 diesel thấp Trong khi đó,

sự sấy nóng nhiệt độ khí nạp hoặc trao đổi nhiệt đối lưu từ khí sót giúp cho nhiên liệu có trị số octane cao như xăng, khí thiên nhiên tự cháy

Vì vậy, thuật ngữ CAI có thể phù hợp hơn cho động cơ sử dụng nhiên liệu xăng Khái niệm này gần dây được công nhận bởi ECO-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) Kể từ khi HCCI chính thức được công nhận bởi các nhà khoa học, 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

1.3 Hình thành hỗn hợp trên động cơ HCCI/CAI

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 1.1) [9]

Hình thành hỗn hợp trên động cơ HCCI

Hình thành hỗn hợp bên ngoài và đồng nhất

Hình thành hỗn hợp bên trong và đồng nhất

Vòi phun trên đường nạp CIHC / HCCI / CAI

PREDIC/MULDIC PCCI, PCI UNIBUS, NADI

MK HPLI, HCLI

Hình 1.1 Các phương pháp hình thành hỗn hợp trên động cơ HCCI

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

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 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 phun trực tiếp vào trong xylanh được xem là phương pháp phù hợp nhất đối với động cơ HCCI trong tương lai

Một số nhà khoa học đã dành thời gian nghiên cứu để cố gắng phát triển tia phun có chiều dài ngắn (độ xuyên thấu ngắn) và giảm tối thiểu lượng nhiên liệu bám trên thành xylanh Hệ thống nhiên liệu phải có tính linh hoạt phù hợp với quy luật phun và sự thay đổi biên dạng buồng cháy trong suốt quá trình phun Phun với

áp suất cao và vòi phun có số lượng lỗ (đường kính nhỏ) lớn thường được sử dụng

để tăng độ tơi của nhiên liệu và để phân 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 1.2 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

Góc quay trục khuỷu ( 0 TK trước ĐCT)

Khoảng cách giữa vòi phun/piston Mật độ và nhiệt độ khí trong xylanh

Hình 1.2 Quy luật xung phun đối với quá trình phun sớm

Đối với 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 1.3 Để có thể sử dụng cho cả HCCI và diesel, phải sử dụng mẫu vòi phun có lỗ thay đổi

Hình 1.3 So sánh tia phun trên động cơ HCCI và động cơ diesel truyền thống

Hình 1.4 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 Tuy nhiên, góc phun nhỏ có thể khiến tia phun chạm vào đỉnh piston, và sử dụng vòi phun có lỗ thay đổi 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

Hình 1.4 Nghiên cứu mô phỏng số sự hình thành hỗn hợp trên động cơ HCCI

1.4 Nguyên lý của động cơ HCCI

Hình 1.5 thể hiện sự khác biệt giữa quá trình cháy của động cơ xăng theo nguyên lý cổ điển và HCCI (CAI) của hãng GM, Mỹ Có thể thấy rằng, trên động

cơ 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 xylanh (trường hợp này bugi không đánh lửa, bugi phục vụ cho quá trình chuyển tiếp giữa chế độ thông thường và chế

độ HCCI)

Tương tự như động cơ xăng, trên động cơ HCCI/CAI, hỗn hợp nhiên liệu và không khí được hình thành từ trước (trên đường nạp hoặc trong xylanh) Sau đó hỗn hợp được nén lên đến nhiệt độ tự cháy vào cuối kỳ nén, tương tự như với động cơ diesel Ngoài ra có thể tăng nhiệt độ hỗn hợp ở cuối kỳ nạp thông qua gia nhiệt khí nạp, sấy nóng bằng bugi sấy hoặc tận dụng khí sót trong xylanh Tất cả những phương pháp này có thể giúp cho hỗn hợp nhanh đạt đến nhiệt độ tự cháy hơn và hỗn hợp trở nên đồng nhất hơn

Hình 1.5 So sánh quá trình cháy thông thường và HCCI của động cơ xăng (GM)

Tính chất toả nhiệt của quá trình cháy HCCI cũng có một vài điểm khác biệt

so với quá trình cháy thông thường 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:

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 1.6a)

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:

. dif d d premix m p dq p m dq

trong đó m p và dq p lần lượt là khối lượng và nhiệt lượng của hỗn hợp trong quá trình

cháy nhanh (premixed), m d và dq d là khối lượng và nhiệt lượng của hỗn hợp trong mỗi vùng của quá trình cháy khuếch tán (diffusion) (hình 1.6b) 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

Động cơ cháy do nén Động cơ đánh lửa

Hình 1.6 Đặc tính toả nhiệt của quá trình cháy trên các loại động cơ [11]

Trên động cơ HCCI/CAI, 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 1.6c):

1.5 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 (hiệu suất nhiệt) và động cơ xăng (phát thải) Động cơ 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 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 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 Nếu sử dụng mô hình cháy HCCI, vùng làm việc chính không nằm trong hai dải trên (hình 1.7)

Hình 1.7 Vùng làm việc của động cơ HCCI [25]

Tuy nhiên, vẫn đang 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, 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, 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 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 2500 K) Tuy nhiên, trên động cơ HCCI, nhiệt độ cháy rất thấp (nhỏ hơn 1800 K), 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 1200 K), 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

1.6 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 điểm, phương pháp được sử dụng là điều khiển vòng tuần hoàn kín (closed loop control) Hình 1.8 trình bày sơ đồ nguyên lý của quá trình điều khiển thời điểm bắt đầu cháy trên động cơ HCCI

Hình 1.8 Sơ đồ điều khiển thời điểm cháy trên động cơ HCCI

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 Trong phần này, các cơ cấu và phương pháp điều chỉnh sẽ được trình bày một cách cụ thể

1.6.1 Hệ thống 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 [41] 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 1.9 thể hiện các thông số phản hồi và điều khiển khi thay đổi pha cháy

Có thể thấy rằng, để làm trễ pha quá trình cháy (CA50 tăng từ 20TK sau ĐCT đến khoảng 80TK sau ĐCT) thì trị số Octane của nhiên liệu tăng lên từ 87 lên 91 bằng cách giảm lượng n-heptane và tăng lượng iso-octane trong nhiên liệu Điều này giúp cho quá trình tự cháy của nhiên liệu kém đi, làm trễ pha cháy

Hình 1.9 Tín hiệu CA50 thu được từ quá trình điều chỉnh lưỡng nhiên liệu [41]

Quá trình tự động điều khiển pha cháy tại các điểm tải trọng làm việc 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 [42] 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

Hình 1.10 Ảnh hưởng của tỷ lệ n-pentane và iso-pentane đến tốc độ toả nhiệt [4]

Hình 1.10 thể hiện ảnh hưởng của tỷ lệ giữa n-pentane (có trị số Ocatne thấp)

và iso-pentane (có trị số Octane cao) đến diễn biến tốc độ toả nhiệt trong xylanh động cơ Kết quả đã 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

1.6.2 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 Agrell cùng cộng sự [2] 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 Để thúc đẩy quá trình cháy, thay đổi góc trùng điệp đã được sử dụng Tại tải lớn, quá trình cháy diễn ra trễ hơn bằng cách giảm hiệu suất nén nhờ đóng muộn xupap nạp

1.6.3 Điều khiển hiệu suất nén

Strandh cùng cộng sự [47] đã điều khiển pha cháy của mỗi xylanh riêng biệt nhờ thay đổi góc đóng muộn xupap nạp Hình 1.11 thể hiện sự thay đổi của các thông số khi thay đổi hiệu suất nén nhờ thay đổi pha phối khí 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 1.11 Sự thay đổi thời gian cháy khi thay đổi góc đóng muộn xupap thải [47]

1.6.4 Điều khiển tỷ số nén

Hiện tại không có nhiều động cơ được trang bị hệ thống thay đổi tỷ số nén,

vì vậy chỉ có một vài nghiên cứu điều khiển vòng kín quá trình cháy HCCI thông qua điều chỉnh tỷ số này Mẫu động cơ được sử dụng là động cơ SAAB, được thiết

kế để nhằm tăng công suất lít của động cơ, tuy nhiên đã được nghiên cứu để điều khiển quá trình cháy HCCI bởi Haraldsson [15,16] cũng như Hyvönen cùng cộng sự [22] Hyvönen cùng cộng sự đã đưa ra kết luận rằng dải làm việc của động cơ HCCI

có 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 sót lớn Tuy nhiên, do các động cơ 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

Hình 1.12 Động cơ thay đổi tỷ số nén của hãng SAAB, Thuỵ Điển

1.6.5 Điều khiển tỷ lệ luân hồi khí thải

Phương pháp luân hồi khí thải là giải pháp thường được sử dụng nhất để điều khiển pha cháy HCCI trên động cơ đốt trong nhờ công nghệ đơn giản, giá thành chế tạo không quá đắt Thông thường với đường kính ống luân hồi không đổi, lượng khí luân hồi được quyết định thông qua độ mở của van luân hồi Khi đó, tỷ lệ khí thải luân hồi được tính toán như sau:

%100

%

Air EGR

EGR

m m

m EGR

Hình 1.13 thể hiện sự thay đổi của diễn biến tốc độ toả nhiệt theo tỷ lệ khí thải luân hồi tại cùng một lượng nhiên liệu cung cấp (ϕ=0,4) Có thể thấy, khi tăng lượng khí thải trong hỗn hợp khí nạp, quá trình cháy diễn ra trễ hơn, làm giảm tốc

độ toả nhiệt, giảm độ ồn và rung giật [4]

1.6.6 Điều khiển nhiệt độ khí nạp

Hình 1.14 Diễn biến tốc độ toả nhiệt khi thay đổi nhiệt độ khí nạp [4]

Hình 1.14 thể hiện diễn biến của tốc độ toả nhiệt trong xylanh khi thay đổi khí nạp Tair từ 210C đến 660C tại cùng một lượng nhiên liệu cung cấp (ϕ=0,3) Ta thấy, khi tăng nhiệt độ 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

1.7 Kết luận

Với những ưu điểm về mặt hiệu suất cũng như phát thải, động cơ hoạt động dưới nguyên lý HCCI là một hướng đi thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học cũng như các tổ chức, chính phủ Việc tiếp tục nghiên cứu phát triển động

cơ HCCI để có thể mở rộng giải tải trọng làm việc, điều khiển quá trình cháy đúng thời điểm vẫn đang là một mục tiêu được nhiều người hướng đến Như đã trình bày, trong các phương pháp điều khiển quá trình cháy HCCI, phương pháp điều khiển tỷ

lệ luân hồi khí thải hay lượng khí sót trong xylanh thông qua việc điều chỉnh pha phối khí là giải pháp đơn giản và đạt hiệu quả tốt nhất Cần tiếp tục nghiên cứu cả trên lý thuyết lẫn thực nghiệm để đánh giá chính xác nhất ảnh hưởng của từng thông

số đến đặc tính cháy HCCI trong xylanh Từ đó xây dựng nên bộ thông số tối ưu cho các chế độ, giúp cho quá trình cung cấp dữ liệu nhằm phát triển hệ thống điều khiển điện tử để ứng dụng trên thực tế trong tương lai với quy mô lớn hơn

CHƯƠNG II ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH CHÁY HCCI BẰNG PHƯƠNG PHÁP LUÂN HỒI KHÍ THẢI

2.1 Ảnh hưởng của luân hồi khí thải đến đặc tính cháy HCCI

Hua Zhao cùng cộng sự [21] đã phân tích ảnh hưởng của việc tái sử dụng khí cháy đến quá trình cháy HCCI thông qua công cụ mô phỏng Các tác giả đã tiến hành mô phỏng đánh giá 4 ảnh hưởng chính của khí luân hồi đến đặc tính cháy HCCI sử dụng nhiên liệu iso-octane Thứ nhất, nếu khí cháy có nhiệt độ cao được hoà trộn với hỗn hợp không khí/nhiên liệu có nhiệt độ thấp, nhiệt độ của hỗn hợp sẽ tăng lên Đó là phương pháp hình thành hỗn hợp thông thường của động cơ sử dụng

mô hình cháy CAI cho những nhiên liệu có trị số octane cao như xăng, cồn, khí

thiên nhiên Trong nội dung luận văn, nó sẽ được quy vào ảnh hưởng của sự gia nhiệt khí nạp Thứ hai, sự bổ sung hoặc duy trì khí đã cháy trong xylanh để thế chỗ

một phần khí nạp mới dẫn đến lượng ôxy trong hỗn hợp giảm Sự giảm của không

khí (hay ôxy) bởi vì sự có mặt của khí cháy được gọi là ảnh hưởng của sự pha loãng Thứ ba, nhiệt dung riêng tổng cộng của khí nạp trong xylanh sẽ cao hơn khi

được hoà trộn với khí cháy, chủ yếu bởi nhiệt dung riêng cao của CO2 và hơi nước

Sự tăng nhiệt dung riêng của khí nạp là do ảnh hưởng của nhiệt dung riêng khí đã

cháy Cuối cùng, sản phẩm của quá trình cháy có thể tham gia vào các phản ứng hoá

học để hỗn hợp tự cháy Ảnh hưởng này được gọi là ảnh hưởng hoá học Chú ý

trong trường hợp này, những ảnh hưởng hoá học của các phần tử hoạt tính hoặc các hydrocacbon bị ôxy hoá một phần không được xét đến, nếu muốn tìm hiểu rõ hơn, phải tiến hành nghiên cứu phải sử dụng các mô hình phức tạp hơn

Để phân tích những ảnh hưởng riêng rẽ của khí thải luân hồi hoặc khí sót trong xylanh đến quá trình cháy CAI, mô hình mô phỏng động cơ một vùng sử dụng động lực học hoá học để mô phỏng quá trình tự cháy và sau đó là quá trình cháy trong cùng điều kiện và cùng loại động cơ được trình bày ở phần trước đã được xây dựng Tất cả các biểu thức được thực hiện khi cố định lượng nhiên liệu (iso-octane 12,4mg/chu trình; IMEP 2,3 bar) tại tốc độ 1500 vòng/phút, tỷ số nén là 12:1 và nhiệt độ khí nạp là 600 K

2.1.1 Ảnh hưởng của khí luân hồi nhiệt độ thấp

Nghiên cứu đầu tiên được thực hiện cho hỗn hợp môi chất và khí xả luân hồi

ở cùng một nhiệt độ, không có sự trao đổi nhiệt do khí luân hồi đã được làm mát Trong thực thế, điều này có thể đạt được bằng cách cho khí xả đi qua hệ thống làm mát khí luân hồi trước khi hoà trộn cùng khí nạp mới Kết quả của quá trình nghiên cứu khi khí luân hồi được làm mát ở giá trị 600 K, được thể hiện trong các hình 2.1-2.3 Mặc dù quá trình tự cháy vẫn có thể diễn ra khi tỷ lệ luân hồi lên đến 70% (hình 2.1), nhưng khi tỷ lệ khí luân hồi đạt giá trị lớn hơn 60%, quá trình cháy không hoàn toàn đã bắt đầu xuất hiện Vì vậy, trên hình 2.2 và hình 2.3 chỉ thể hiện kết quả khi tỷ lệ khí thải luân hồi nhỏ hơn 60% Giả thiết khi tỷ lệ này lớn hơn 70%, quá trình tự cháy của hỗn hợp không thể xảy ra Có thể thấy rằng ảnh hưởng của khí

xả sau khi làm mát đến quá trình cháy CAI là làm cho thời điểm bắt đầu cháy trễ hơn, thời gian cháy kéo dài, và giảm giá trị (dp/dt)max Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy CAI khi sử dụng khí thải luân hồi có làm mát bao gồm ảnh hưởng của sự pha loãng, nhiệt dung riêng và hoá học, ảnh hưởng của các thông số này đến đặc tính cháy CAI của động cơ sẽ được trình bày cụ thể trong phần tiếp theo

a) Ảnh hưởng đến thời điểm tự cháy

Ảnh hưởng sự làm loãng, nhiệt dung riêng và hoá học của khí cháy đến thời điểm bắt đầu cháy CAI được tổng kết trên hình 2.1 Có thể thấy rằng, ảnh hưởng của nhiệt dung riêng là nguyên nhân chính dẫn đến sự trễ của thời điểm cháy khi có khí xả luân hồi Điều này cũng có thể được hiểu bằng cách xem xét ảnh hưởng của khí cháy đến nhiệt độ cuối quá trình nén; sự chiếm chỗ của ôxy (không khí) và thay vào đó là hơi nước, CO2 trong khí thải luân hồi làm giảm tỷ lệ của nhiệt dung riêng (hệ số γ) trong hỗn hợp khí nạp vào xylanh động cơ Khi hỗn hợp có một số lượng mol cố định tại cùng điều kiện áp suất và nhiệt độ ban đầu, ở cuối kỳ nén, hỗn hợp

sẽ bị nén đến một nhiệt độ thấp hơn, dẫn đến hệ số γ thấp Do quá trình phản ứng tự cháy của hỗn hợp phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ, nên thời điểm bắt đầu cháy sẽ trễ hơn một khoảng thời gian khi nhiệt độ quá trình nén đạt đến nhiệt độ tự cháy