Nghiên cứu động cơ HCCI khảo sát động cơ skyactiv mazda

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật động cơ cải tạo Bảng 3.2: Thành phần khí CNG Bảng 3.3: Các thông số chọn dùng trong tính toán nhiệt cho diesel Bảng 3.4: Các thông

i

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG

NGHIÊN CỨU ĐỘNG CƠ HCCI KHẢO SÁT ĐỘNG CƠ SKYACTIV MAZDA

Sinh viên thực hiện: TỐ BÁ HIẾU

Đà Nẵng – Năm 2019

LỜI NÓI ĐẦU

Sự ra đời của động cơ đốt trong là một bước tiến vĩ đại của nền khoa học thế giới Động cơ đốt trong được sử dụng như là nguồn động lực phổ biến trong các lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp, ngư nghiệp, quân sự, giao thông vận tải…

Tuy nhiên trong những thập kỷ gần đây những lo ngại nghiêm trọng đã được đặt ra liên quan đến tác động môi trường của khí thải phát sinh từ hoạt động của các động cơ này Ngoài ra, trữ lượng dầu mỏ hữu hạn trên thế giới dần cạn kiệt Vì vậy xu hướng phát triển động cơ đốt trong hiện nay là nâng cao hiệu suất, nâng cao tính kinh

tế nhiên liệu, giảm các thành phần phát thải độc hại Để giải quyết các vấn đề này một công nghệ đốt cháy mới đó là công nghệ HCCI (nén cháy hỗn hợp đồng nhất) được đưa ra với các ưu điểm hiệu suất nhiệt cao, tiết kiệm nhiên liệu và lượng phát thải NOx và PM thấp Công nghệ HCCI có khả năng đáp ứng các yêu cầu khắt khe về khí thải cũng như giảm áp lực đến nguồn nhiên liệu dầu mỏ

Đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu động cơ HCCI” sẽ làm rõ các vấn đề của động

cơ HCCI: Giới thiệu, phân tích hoạt động, kết cấu một số hệ thống, ưu nhược điểm, khả năng ứng dụng cho động cơ HCCI

Được sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của thầy giáo Trần Văn Nam, cùng toàn thể các thầy trong Khoa Cơ Khí Giao Thông đã tạo điều kiện cho chúng em hoàn thành đồ

án này Nhưng do chưa có kinh nghiệm và trình độ của bản thân còn hạn chế nên trong

đồ án không tránh khỏi những sai sót Rất mong được sự chỉ bảo, đóng góp của các thầy, các bạn để đồ án ngày càng được hoàn thiện hơn

Đà Nẵng, ngày 2 tháng 6 năm 2019 Sinh viên thực hiện

Lê Đức Hiền

Tô Bá Hiếu

LỜI CAM ĐOAN

Chúng em xin cam đoan đề tài: “Nghiên cứu động cơ HCCI” là một công trình nghiên cứu của bản thân Đề tài là một sản phẩm mà chúng em đã nỗ lực nghiên cứu trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp Trong quá trình viết bài có sự tham khảo một số tài liệu có nguồn gốc rõ ràng, được nêu rõ trong phần tài liệu tham khảo, các số liệu trình bày trong đồ án là hoàn toàn trung thực

Sinh viên thực hiện

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU i

LỜI CAM ĐOAN iii

MỤC LỤC iv

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ vii

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT xi

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ HCCI 3

1.1 Sự phát triển của động cơ HCCI 3

1.2 HCCI là gì? 5

1.3 Cơ sở lý thuyết 6

1.3.1 Đặc điểm quá trình cháy của động cơ HCCI 6

1.3.2 Hình thành hỗn hợp đồng nhất trong động cơ HCCI 10

1.4 Ưu điểm và nhược điểm động cơ HCCI 14

1.4.1 Ưu điểm của động cơ HCCI 14

1.4.2 Nhược điểm động cơ HCCI 16

Chương 2: LÝ THUYẾT VỀ ĐỘNG CƠ HCCI 19

2.1 Nguyên lý hoạt đông của động cơ HCCI 19

2.1.1 Chu trình làm việc động cơ HCCI 19

2.1.2 Vùng hoạt động của động cơ HCCI và các phương pháp điều khiển quá trình cháy 21

2.2 Kết cấu động cơ HCCI 24

2.2.1 Khái quát các hệ thống cơ bản 24

2.2.2 Hệ thống nhiên liệu động cơ HCCI 25

2.2.2.1 Hệ thống nhiên liệu diesel HCCI 25

2.2.2.2 Hệ thống nhiên liệu GDI - HCCI 34

2.2.3 Hệ thống đánh lửa HCCI 36

2.2.4 Hệ thống phân phối khí thông minh 40

2.2.5 Hệ thống tuần hoàn khí xả EGR 49

2.2.6 Hệ thống điều khiển 52

2.2.6.1 Bộ điều khiển trung tâm ECU 53

2.2.6.2 Các cảm biến dùng trong hệ thống 54

Chương 3: ĐỘNG CƠ HCCI LÀM NGUỒN ĐỘNG LỰC CHO Ô TÔ 62

3.1 Nghiên cứu, tính toán, cải tạo động cơ diesel làm việc theo nguyên lý HCCI 62

3.1.1 Phương án cải tạo động cơ 64

3.1.1.1 Cung cấp nhiên liệu vào động cơ 64

3.1.1.2 Bộ giảm áp suất CNG 65

3.1.1.3 Điều chỉnh tải cho động cơ 67

3.1.1.4 Giảm tỷ số nén và điều chỉnh lượng nhiên liệu diesel 69

3.1.2 Tính toán cải tạo động cơ 71

3.1.2.1 Tính toán giảm tỷ số nén của động cơ 71

3.1.2.2 Tính toán nhiệt động cơ 72

3.1.2.3 Tính toán bộ hòa trộn venturi 76

3.1.2.4 Tính toán thiết kế van tiết lưu 81

3.2 Tính kinh tế kỹ thuật của động cơ HCCI 84

3.3 Đánh giá phát thải của động cơ HCCI 90

3.3.1 NOx 90

3.3.2 PM 91

3.3.3 HC và CO 91

3.4 Nghiên cứu tính toán động cơ SKYACTIVcủa Mazda 92

3.4.1 Giới thiệu về công nghệ SKYACTIV của Mazda 92

3.4.2 Ưu điểm của động cơ SKYACTIV-X 92

3.4.3 Công nghệ SPCCI của Mazda 93

3.4.4 Những giải pháp công nghệ nâng cao hiệu suất động cơ SKYACTIV-X 96

3.4.5 Cấu tạo động cơ SKYACTIV-X 102

3.3.6 Chu trình làm việc động cơ SKYACTIV-X 103

3.3.7 Đánh giá hiệu quả động cơ 104

Chương 4: KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ ĐỀ XUẤT 108

4.1 Kết luận 108

4.2 Kiến nghị đề xuất 109

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 110

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật động cơ cải tạo

Bảng 3.2: Thành phần khí CNG

Bảng 3.3: Các thông số chọn dùng trong tính toán nhiệt cho diesel

Bảng 3.4: Các thông số chọn sử dụng trong tính toán nhiệt cho CNG

Bảng 3.5: Kết quả tính toán nhiệt động cơ trước cải tạo và sau cải tạo

Bảng 3.6: Bảng giá trị hệ số an

Bảng 3.7: Xác định tiết diện lưu thông của van ứng với hành trình L

Bảng 3.8: Bốn kỳ hoạt động cuả bốn xy lanh

Hình 1.1: Mô hình phát triển động cơ HCCI (động cơ diesel bầu nhiệt 2 kỳ)

Hình 1.2: Minh họa các đặc tính cháy động cơ đánh lửa (SI), động cơ nén cháy (CI) và động cơ nén cháy hỗn hợp đồng nhất (HCCI)

Hình 1.3: Đặc điểm tỏa nhiệt của động cơ xăng đánh lửa cưỡng bức

Hình 1.4: Đặc điểm tỏa nhiệt của động cơ HCCI

Hình 1.5: Đặc điểm tỏa nhiệt của động cơ diesel nén cháy

Hình 1.6: Các phương pháp hình thành hỗn hợp động nhất trên động cơ HCCI

Hình 1.7: Quy luật phun xung nhiên liệu

Hình 1.8: So sánh tia phun nhiên liệu của động cơ diesel thông thường (a) và

động cơ HCCI (b)

Hình 1.9: So sánh bố trí kim phun trong buồng đốt diesel thông thường và

động cơ HCCI

Hình 2.1: Chu trình làm việc động cơ HCCI hình thành hỗn hợp bên ngoài

Hình 2.2: Chu trình làm việc động cơ HCCI hình thành hỗn hợp bên trong

Hình 2.3: Vùng hoạt động của động cơ HCCI với nhiên liệu xăng

Hình 2.4: Các giá trị áp suất trung bình (bar) trong vùng hoạt động của HCCI

Hình 2.6: Cấu tạo lọc nhiên liệu

Hình 2.7: Bơm bánh răng ăn khớp trong

Hình 2.8: Cấu tạo bơm cao áp loại ba piston

Hình 2.9: Nguyên lý hoạt động bơm cao áp

Hình 2.10: Cấu tạo và hoạt động ống phân phối

Hình 2.11: Bộ hạn chế áp suất

Hình 2.12: Van xả áp

Hình 2.13: Cấu tạo vòi phun

Hình 2.14: Sơ đồ nguyên lý hoạt động mạch điều khiển

Hình 2.15: Động cơ trang bị hệ thống phun xăng trực tiếp

Hình 2.16: Nguyên lý hoạt động hệ thống nhiên liệu GDI – HCCI Hình 2.17: Hoạt động mạch điều khiển hệ thống nhiên liệu GDI - HCCI Hình 2.18: Hệ thống đánh lửa trực tiếp DIS

Hình 2.19: Nguyên lý hoạt động hệ thống đánh lửa trực tiếp DIS Hình 2.21: Các thành phần của hệ thống đánh lửa trực tiếp

Hình 2.20: Bản đồ ESA

Hình 2.22: Cấu tạo bô bin và bugi đánh lửa

Hình 2.23: Cấu tạo bộ điều khiển trục cam

Hình 2.24: Van điều khiển dầu phối khí trục cam

Hình 2.25 : Làm sớm thời điểm phối khí

Hình 2.26 : Làm muộn thời điểm phối khí

Hình 2.27: Giữ nguyên thời điểm phối khí

Hình 2.28: Trục cam và cò mổ

Hình 2.29: Cấu tạo van điều khiển dầu vấu cam

Hình 2.30: Mạch thủy lực của hệ thống VVTL-i

Hình 2.31: Động cơ hoạt động ở tốc độ thấp và trung bình

Hình 2.32: Động cơ hoạt động ở tốc độ cao

Hình 2.33: Sơ đồ hệ thống điều khiển thay đổi góc phối khí VVT-i

Hình 2.34: Hệ thống tuần hoàn khí xả EGR

Hình 3.35: Cấu tạo van EGR chân không

Hình 2.36: Cấu tạo van EGR điện từ

Hình 2.37: Sơ đồ nguyên lí điều khiển

Hình 2.38: Sơ đồ cấu tạo ECU

Hình 2.39: Cấu tạo và hoạt động của cảm biến vị trí trục khuỷu

Hình 2.40: Cấu tạo cảm biến trục cam

Hình 2.41: Cấu tạo và hoạt động của cảm biến kích nổ

Hình 2.42: Cảm biến áp suất ống phân phối

Hình 2.43: Cấu tạo và hoạt động của cảm biến oxy

Hình 2.44: Sơ đồ mạch điện cảm biến

Hình 2.45: Cấu tạo cảm biến nhiệt độ nước làm mát

Hình 2.46: Sơ đồ mạch điện cảm biến nước làm mát

Hình 2.47: Cảm biến bàn đạp ga loại phần tử Hall

Hình 2.48: Cấu tạo cảm biến lưu lượng khí nạp

Hình 2.49: Nguyên lí hoạt động của cảm biến

Hình 3.1: Đông cơ diesel YANMAR TS 230R

Hình 3.2: Bộ hòa trộn loại cùng chiều

Hình 3.3: Bộ hòa trộn loại trực giao

Hình 3.4: Kết cấu bộ giảm áp

Hình 3.5: Kết cấu van côn

Hình 3.6: Kết cấu van cánh

Hình 3.7: Kết cấu van cầu

Hình 3.8: Cơ cấu điều chỉnh lượng nhiên liệu bơm cao áp Hình 3.9: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ cải tạo

Hình 3.10: Kết cấu bộ hòa trộn thiết kế

Hình 3.11: Sơ đồ tính toán van tiết lưu

Hình 3.12: Cấu tạo của van tiết lưu thiết kế

Hình 3.13: Thông số có ích của động cơ khi thiết lập quá trình cháy HCCI

Hình 3.14: Các thông số chỉ thị của động cơ khi thiết lập quá trình cháy HCCI Hình 3.15: Quan hệ giữa ηe và pe

Hình 3.16: Quan hệ giữa ge và pe

Hình 3.17: Quan hệ giữa NOx và pe

Hình 3.18: Quan hệ giữa HC và pe

Hình 3.19: Quan hệ giữa CO2 và pe

Hình 3.20: Quan hệ giữa SMOKE và pe

Hình 3.21: So sánh phát thải NOx của các loại động cơ

Hình 3.22: Động cơ SKYACTIV-X của Mazda

Hình 3.23: Công nghệ SPCCI

Hình 3.24: Phân phối hỗn hợp nhiên liệu không khí trong SPCCI

Hình 3.25: Các yếu tố ảnh hưởng và lộ trình kỹ thuật cho việc đốt cháy lý tưởng Hình 3.26: Hệ thống khí xả 4-2-1

Hình 3.27: Tác động của áp lực khí thải xylanh trước lên xylanh sau

Hình 3.28: Piston động cơ SKYACTIV-X

Hình 3.29: Ảnh hưởng của tỷ số nén đoạn nhiệt đến hiệu suất nhiệt

Hình 3.30: Mối quan hệ giữa nhiệt độ đốt cháy và tỷ số nén đoạn nhiệt

Hình 3.31: Hệ số tỷ số nén đoạn nhiệt ở các tỷ lệ hỗn hợp khác nhau

Hình 3.32: Cấu tạo động cơ SKYACTIV-X

Hình 3.33: Chu trình làm việc động cơ SKYACTIV-X

Hình 3.34: Biểu đồ so sánh mô-men xoắn

Hình 3.35: Biểu đồ so sánh tính kinh tế nhiên liệu

Hình 3.36: Xu hướng nhiệt độ đốt cháy và phát thải NOx theo hệ số dư lượng khí

Hình 3.37: Mối quan hệ giữa tỷ lệ nhiên liệu không khí và lượng khí thải NOx

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

ĐCĐT : Động Cơ Đốt Trong

ĐCT : Điểm Chết Trên

ĐCD : Điểm Chết Dưới

HCCI : Homogeneous Charge Compression Ignition

CAI : Controlled Auto Ignition

EFI : Electronic Fuel Injection

GDI : Gasoline Direct Injection

FSI : Fuel Stratified Injection

VVT : Variable Valve Timing

VVT-i : Variable Valve Timing with intelligence

VVTL-i : Variable Valve Timing and Lift intelligent system EGR : Exhaust Gas Recirculation

ESA : Electronic Spark Advance

DIS : Direct Ignition System

SI : Spark Ignition Engine

CI : Compression Ignition Engine

VCR : Variable Compression Ratio

ECU : Electronic Control Unit

SCV : Van điện từ cung cấp nhiên liệu bơm cao áp

SPCCI : Spark Controlled Compression Ignition

RCCI : Reactivity Controlled Compression Ignition

MỞ ĐẦU

I Đặt vấn đề

Kể từ khi ra đời động cơ đốt trong (ĐCĐT) đã đóng một vai trò quan trọng, cả

về mặt xã hội và kinh tế, trong việc định hình thế giới hiện đại nhất là trong lĩnh vực giao thông vận tải, cùng với việc thiếu các giải pháp thay thế thực tế, có nghĩa là vận tải đường bộ ở hiện tại không thể tồn tại mà không có chúng Tuy nhiên, trong những thập kỷ gần đây, những lo ngại nghiêm trọng đã được đặt ra liên quan đến tác động môi trường của khí thải phát sinh từ hoạt động của các động cơ này Do đó, việc thắt chặt luật pháp, hạn chế mức độ chất ô nhiễm có thể phát ra từ các phương tiện giao thông đã được các chính phủ trên thế giới đưa ra Ngoài ra, những lo ngại về trữ lượng dầu hữu hạn của thế giới và gần đây hơn là do khí thải CO2 gây ra biến đổi khí hậu đã dẫn đến việc đánh thuế nặng nề đối với vận tải đường bộ, chủ yếu đối với nhiên liệu Hai yếu tố này đã dẫn đến áp lực lớn đối với các nhà sản xuất xe để nghiên cứu, phát triển và sản xuất những chiếc xe sạch hơn và tiết kiệm nhiên liệu hơn Mặc dù có những công nghệ về mặt lý thuyết có thể cung cấp nhiều lựa chọn thay thế cho động

cơ đốt trong có lợi cho môi trường hơn, chẳng hạn như pin nhiên liệu, nhưng vấn đề thực tế là chi phí, hiệu quả và khả năng dự trữ năng lượng sẽ ngăn chúng thay thế ĐCĐT trong tương lai gần Trong những năm gần đây, việc áp dụng bộ chuyển đổi xúc tác ba chiều trong động cơ xăng SI đã cho phép giảm phát thải CO, HC và NOx ra khỏi động cơ hơn 90% Nhưng để cho phép xử lý có hiệu quả các khí thải độc hại này thì động cơ phải hoạt động với điều kiện hòa khí chuẩn (α=1) với sai số 1% ra ngoài giới hạn trên, hoạt động của thiết bị sẽ bị rối loạn Với yêu cầu như vậy sẽ ngăn động

cơ hoạt động với hỗn hợp hòa khí nghèo, giúp tiết kiệm nhiên liệu

Hiện nay nghiên cứu cải thiện và nâng cao hiệu quả quá trình cháy vẫn là một

xu hướng để phát triển động cơ đốt trong Một công nghệ đốt cháy mới gọi là nén cháy hỗn hợp đồng nhất (HCCI) với hiệu suất nhiệt cao, hoạt động với lượng hỗn hợp nhạt giúp tiết kiệm nhiên liệu, nhưng với mức phát thải NOx, PM thấp mà không cần đến các hệ thống xử lý khí thải đắt tiền, phức tạp và không hiệu quả

Kỹ thuật HCCI đã được nghiên cứu từ rất lâu, tuy nhiên, do chỉ áp dụng được trong vùng tải nhỏ nên rất khó triển khai trên các động cơ thực tế chạy với các vùng tải

thay đổi khác nhau Một số hãng ô tô như General Motors, Mercerdes-Benz, Huyndai cũng đã cố gắng thương mại hóa kỹ thuật HCCI trên động cơ xe của mình nhưng đều thất bại Mazda chính là hãng đầu tiên đưa ra được động cơ thương mại với kỹ thuật này với tên gọi là Skyactiv Mazda đã có 2 thế hệ động cơ trên nền tảng Skyactiv với tên gọi Skyactiv-G (Gasoline) và Skyactiv-D (Diesel) Năm 2019 Hãng đã giới thiệu Skyactiv X lắp trên Mazda 3 Đây là động cơ lai giữa động cơ xăng và động cơ diesel Được quảng bá là loại động cơ mới có tính đột phá với hiệu suất nhiệt rất cao lên tới 56%, cao hơn 30% so với thế hệ động cơ xăng hiện tại, Skyactiv-G (phun xăng trực tiếp)

Có thể nói rằng tương lai của động cơ lắp trên ô tô bên cạnh ô tô điện, ô tô lai hybrid, sẽ là động cơ HCCI Động cơ HCCI chưa được trang bị trong chương trình chính khóa của ngành Động lực, vì vậy “Nghiên cứu động cơ HCCI” là đề tài giúp sinh viên tìm hiểu sâu hơn về công nghệ mới, phân tích được ưu điểm nhược điểm và khả năng ứng dụng của nó vào trong thực tế là nhu cầu cần thiết hiện nay Đây sẽ là nguồn tài liệu đóng góp một phần vào công việc học tập và nghiên cứu sau này

II Đối tượng, phạm vi và mục đích nghiên cứu

− Đối tượng nghiên cứu: Động cơ HCCI

− Phạm vi nghiên cứu: Nguyên lý hoạt động, kết cấu và khả năng ứng dụng động cơ HCCI làm nguồn động lực cho ô tô

− Mục đích nghiên cứu: Phân tích, lý giải về nguyên lý hoạt động, kết cấu và khả năng ứng dụng của động cơ HCCI vào thực tế

III Cấu trúc đồ án tốt nghiệp

Cấu trúc đồ án gồm các phần:

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về động cơ HCCI

Chương 2: Lý thuyết động cơ HCCI

Chương 3: Động cơ HCCI làm nguồn động lực cho ô tô

Chương 4: Kết luận và kiến nghị đề xuất

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ HCCI

1.1 Sự phát triển của động cơ HCCI

Động cơ đốt trong (động cơ loại piston) là một loại động cơ nhiệt, hoạt động nhờ quá trình biến đổi từ hoá năng sang nhiệt năng do nhiên liệu được đốt cháy, rồi sang dạng cơ năng, quá trình này được thực hiện trong xi lanh động cơ Năng lượng được giải phóng qua quá trình đốt cháy, quá trình đốt cháy được thực hiện chủ yếu qua hai phương pháp Đốt cháy cưỡng bức tiêu biểu cho động cơ xăng và tự bốc cháy tiêu biểu cho động cơ diesel

+ Động cơ đốt cháy cưỡng bức (SI) trong đó nhiên liệu và không khí hòa trộn với nhau thành một hỗn hợp hòa khí đồng nhất và được đốt cháy cưỡng bức nhờ nguồn nhiệt bên ngoài (tia lửa điện)

+ Động cơ nhiên liệu tự cháy (CI) trong đó nhiên liệu được phun vào trong buồng cháy và tự bốc cháy nhờ nhiệt độ cao của môi chất cuối quá trình nén

Mỗi phương pháp đốt nhiên liệu điều có những ưu điểm và nhược điểm của nó Trong đó động cơ đốt cháy cưỡng bức (SI) thì có ưu điểm là lượng phát thải dạng hạt (PM) hầu như bằng không và nhược điểm là bị hạn chế bởi tỷ số nén do hiện tượng kích nổ nên hiệu suất nhiệt nhỏ hơn động cơ CI Đối với động cơ CI thì có ưu điểm là hiệu suất nhiệt cao tuy nhiên lượng phát thải dạng hạt lớn

Tuy nhiên những năm gần đây việc lo ngại nghiêm trọng đã được đặt ra liên quan đến tác động môi trường của khí thải hạt và khí phát sinh từ hoạt động của các động cơ này Do đó, việc thắt chặt luật pháp, hạn chế mức độ các chất ô nhiễm có thể phát ra, đã được các chính phủ trên thế giới đưa ra Ngoài ra, những lo ngại về trữ lượng dầu hữu hạn của thế giới Hai yếu tố này đã dẫn đến áp lực lớn đối với con người để nghiên cứu cho ra đời các động cơ thân thiện hơn với môi trường và tiết kiệm nhiên liệu Một trong số đó là động cơ cháy nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI), về mặt nào đó động cơ HCCI kết hợp các tính năng tốt nhất của cả động cơ xăng đánh lửa (SI) và động cơ nén cháy (CI) Giống như động cơ SI, nhiên liệu được trộn đều với không khí giúp giảm thiểu phát thải hạt và giống như động cơ CI, nhiên liệu và không khí được nén đến áp suất và nhiệt độ cao tự bốc cháy, dẫn đến hiệu quả cao

Trong các nghiên cứu được công bố vài thập trước đây người ta sử dụng thuật ngữ HCCI cho động cơ nhiên liệu diesel và CAI (Control auto ignition - tự cháy có điều khiển) cho động cơ nhiên liệu xăng [6], tuy nhiên về bản chất đều là hỗn hợp nhiên liệu không khí được hòa trộn trước, đồng nhất và hỗn hợp nhiên liệu tự bốc cháy

Ngày nay công nghệ HCCI/CAI thường được coi là một quá trình đốt cháy mới trong động cơ đốt trong piston [6] Tuy nhiên nguyên lý cháy này đã được áp dụng cách đây hơn 100 năm trên động cơ diesel bầu nhiệt hai kỳ hoặc bốn kỳ, Trong động

cơ này dầu hỏa, hoặc dầu thô được phun lên bề mặt của buồng được làm nóng (bầu nhiệt) từ rất sớm trong hành trình nén, để có nhiều thời gian cho nhiên liệu bay hơi và trộn với không khí tạo hỗn hợp đồng nhất Trong quá trình khởi động, bầu nhiệt được đốt nóng ở bên ngoài bằng đèn khò hoặc đầu đốt Khi động cơ đã khởi động, bầu nhiệt được giữ nóng bởi khí đốt bên trong Bầu nhiệt nóng đến mức nhiên liệu được phun và bay hơi ngay lập tức khi nó tiếp xúc với bề mặt Thiết kế sau đó được đặt kim phun qua đường thông kết nối giữa bầu nhiệt và buồng đốt chính để có thể tạo ra hỗn hợp đồng nhất hơn, dẫn đến quá trình đốt cháy hỗn hợp đồng nhất tự động

Hình 1.1: Mô hình phát triển động cơ HCCI (động cơ diesel bầu nhiệt 2 kỳ) [8]

1 Bầu nhiệt; 2 Kim phun; 3 Piston; 4 Thanh truyền; 5 Trục khuỷu; 6 Các te;

8

Hỗn hợp đồng nhất tự động bốc cháy đã được quan sát và được tìm thấy mà nhiều người lái xe đã gặp phải với động cơ xăng chế hòa khí của họ trong những năm sáu mươi và bảy mươi, là động cơ tiếp tục hoạt động sau khi hệ thống đánh lửa đã tắt, loại đốt cháy tương tự cũng được tìm thấy là nguyên nhân gây ra hiện tượng

“dieseling” hoặc các sự cố khởi động nóng gặp phải trong các động cơ xăng có tỷ số nén cao

Nghiên cứu đầu tiên được ghi nhận về quá trình đốt cháy có kiểm soát được thực hiện bởi Nikolai Semonov vào những năm 1930 Vào năm 1979 Onishi và Noguchi đã nghiên cứu CAI một cách có hệ thống trên một động cơ xăng hai kỳ [9], [10] Sau công trình tiên phong của Onishi và Noguchi, nghiên cứu và phát triển động

cơ xăng 2 kỳ đã đạt đến đỉnh cao trong giới thiệu của Honda về động cơ CAI sản xuất đầu tiên cho ô tô, động cơ xe máy ARC 250 2 kỳ [11] Năm 1983 Najt và Foster đã áp dụng thành công quy trình cháy CAI cho động cơ 4 kỳ một xi lanh [12] Công việc sau

đó đã được Thring mở rộng để kiểm tra ảnh hưởng của EGR bên ngoài và tỷ lệ không khí / nhiên liệu đối với hiệu suất của động cơ [13] Trong công trình này, Thring đã giới thiệu thuật ngữ nén cháy hỗn hợp đồng nhất (HCCI) từ đó đã được nhiều người khác áp dụng để mô tả loại quá trình đốt cháy này cả trong động cơ xăng và diesel Năm 1992, Stockinger và cộng sự lần đầu tiên cho thấy một động cơ xăng bốn xi-lanh

có thể được vận hành nhờ khả năng tự cháy của nhiên liệu trong phạm vi tốc độ và tải rất hạn chế bằng cách tăng tỷ số nén và sấy nóng trước khí nạp [14] Những năm 1990 Olsson et al dã sử dụng kết hợp isooctan và heptan thông qua điều khiển vòng kín, tỷ

số nén cao và sấy nóng không khí [15], quá trình đốt cháy tự động đã đạt được trong một phạm vi tốc độ và tải lớn trên động cơ diesel 6 xi-lanh 12 lít

Đặc biệt vào những năm 2000 tại châu Âu các nhiên cứu thay đổi pha phân phối khí đã được áp dụng vào động cơ HCCI/CAI Nhờ khả năng giữ lại một phần khí thải trong xi lanh có tác dụng gia nhiệt hoặc làm nhạt hỗn hợp nhiên liệu không khí để điều khiển quá trình cháy HCCI/ CAI

1.2 HCCI là gì?

Thuật ngữ HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) được đưa ra để biểu thị một nguyên lý cháy mới trong động cơ đối trong, nguyên lý cháy do nén hỗn hợp đồng nhất

Hình 1.2: Minh họa các đặc tính cháy động cơ đánh lửa (SI), động cơ nén cháy (CI)

và động cơ nén cháy hỗn hợp đồng nhất (HCCI)

Động cơ HCCI tự đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và không khí đã hòa trộn, bằng cách nén hỗn hợp đến nhiệt độ bốc cháy Vì vậy, người ta có thể nói rằng HCCI là sự pha trộn của cả động cơ SI và động cơ CI Nhiên liệu và không khí được trộn sẵn giống như động cơ SI, quá trình tự cháy do nén giống động cơ CI

Động cơ HCCI có thể hoạt động với hỗn hợp hòa khí rất nhạt so với các loại động cơ thông thường Tỷ lệ nhiên liệu và không khí trong động cơ HCCI rất nhạt, điều này làm cho nhiệt độ đốt cháy thấp dẫn đến lượng khí thải NOx cực thấp Hỗn hợp nhạt này cũng dẫn đến mức tiêu thụ nhiên liệu thấp so với động cơ SI thông thường Vì diện tích bị cháy trong động cơ HCCI rất nhạt và được trộn sẵn, không có

sự đốt cháy khuếch tán nên sự hình thành PM không đáng kể

Quá trình đốt cháy mà ở đó tất cả các hỗn hợp nhiên liệu và không khí được đốt cháy đồng thời mọi điểm trong không gian buồng đốt nên quá trình đốt diễn ra rất nhanh rút ngắn thời gian đốt, điều này làm cải thiện hiệu suất động cơ, vì vậy động cơ HCCI có hiệu suất tương đương với động cơ CI

Các đặc điểm đốt cháy trên làm cho động cơ HCCI trở thành một giải pháp đầy hứa hẹn cho các thách thức về giá nhiên liệu và ô nhiễm khí thải hiện nay

1.3 Cơ sở lý thuyết

1.3.1 Đặc điểm quá trình cháy của động cơ HCCI

Trong động cơ HCCI nhiên liệu và không khí được trộn lẫn với nhau trong hệ

lại, đến cuối hành trình nén hỗn hợp tự cháy giống với động cơ CI Nhiệt độ của hỗn hợp khi bắt đầu hành trình nén phải được tăng lên để đạt được điều kiện tự cháy ở cuối hành trình nén

Trong động cơ HCCI lý tưởng hóa, quá trình tự bốc cháy sẽ diễn ra đồng thời trong toàn bộ buồng đốt, dẫn đến tốc độ giải phóng nhiệt nhanh Để ngăn chặn tốc độ giải phóng nhiệt liên quan đến việc đốt cháy hỗn hợp đồng thời, động cơ HCCI phải sử dụng hỗn hợp nhiên liệu và không khí nghèo hoặc pha loãng với khí xả động cơ

Để hiểu rõ đặc tính tỏa nhiệt của quá trình đốt cháy trong động cơ HCCI ta có thể so sánh với với các đặc tính của quá trình đốt cháy trong động cơ SI và CI

Trong trường hợp động cơ đánh lửa SI nhiên liệu và không khí được hòa trộn sẵn thành hỗn hợp đồng nhất, cuối kì nén bugi phóng tia lửa điện đốt cháy phần thể tích nhiên liệu giữa hai cực bugi, sau đó là quá trình lan truyền màng lửa ra khắp không gian buồng cháy, hỗn hợp nhiên liệu và không khí phải đạt đến mức cân bằng hóa học nhất định để màng lửa có thể lan truyền qua được Màng lửa là vùng phản ứng mỏng nó chia tách hỗn hợp trong xi lanh thành 2 vùng: vùng bị đốt cháy và vùng chưa

bị đốt cháy và sự giải phóng nhiệt được giới hạn trong vùng phản ứng

Hình 1.3: Đặc điểm tỏa nhiệt của động cơ xăng đánh lửa cưỡng bức [6]

Do đó, nhiệt tích lũy được giải phóng trong động cơ SI là tổng nhiệt lượng được giải phóng bởi một khối lượng nhất định dmi, trong vùng phản ứng và nó được xác định:

1N i

Q= q dm (1.1) Trong đó:

q: giá trị gia nhiệt trên một đơn vị khối lượng hỗn hợp nhiên liệu và không khí

N: số vùng phản ứng

Trong quá trình đốt cháy HCCI lý tưởng hóa, các phản ứng đốt cháy diễn ra đồng thời trong xi lanh và tất cả hỗn hợp tham gia vào quá trình giải phóng nhiệt tại bất kỳ thời điểm nào của quá trình đốt cháy

Hình 1.4: Đặc điểm tỏa nhiệt của động cơ HCCI [6]

Do đó, sự giải phóng nhiệt tích lũy là tổng nhiệt lượng được giải phóng từ mỗi phản ứng đốt cháy dqi, của hỗn hợp m hoàn chỉnh trong xi lanh và được xác định:

1Km i

Q= dq (1.2) Trong đó:

K là tổng số phản ứng giải phóng nhiệt

qi là nhiệt thoát ra từ phản ứng giải phóng nhiệt thứ i liên quan đến mỗi đơn vị khối lượng hỗn hợp nhiên liệu và không khí

Quá trình giải phóng nhiệt diễn ra đồng đều trên toàn bộ hỗn hợp trong quá trình đốt cháy HCCI lý tưởng hóa Tuy nhiên, trong thực tế, do tính không đồng nhất trong thành phần hỗn hợp và phân bố nhiệt độ trong động cơ thực, quá trình giải phóng nhiệt sẽ không đồng nhất trong toàn bộ hỗn hợp Sự giải phóng nhiệt nhanh hơn

có thể diễn ra trong hỗn hợp đậm hơn hoặc vùng nhiệt độ cao, dẫn đến mô hình giải phóng nhiệt không đồng nhất như được chỉ ra bởi các đường nét đứt

Trong so sánh, quá trình đốt trong động cơ diesel phức tạp hơn Trong một động cơ diesel phun trực tiếp, ngay sau khi bắt đầu phun nhiên liệu, một lượng nhỏ hỗn hợp nhiên liệu hòa trộn sẵn quá trình đốt cháy giải phóng nhiệt tương tự như động

cơ HCCI, nhưng phần nhiên liệu còn lại lớn hơn, nhiệt được giải phóng trong quá trình đốt cháy khuếch tán có kiểm soát

Hình 1.5: Đặc điểm tỏa nhiệt của động cơ diesel nén cháy [6]

Nhiệt tích lũy được giải phóng có thể được biểu thị dưới dạng tổng của hai quá trình:

1Km p i 1N j j

Q= dq + m dq (1.3) Trong đó phần đầu tiên của biểu thức thể hiện phần cháy nhanh và phần thứ hai

là cháy khuếch tán, trong đó giá trị gia nhiệt của mỗi hỗn hợp thay đổi tùy theo cường

độ hỗn hợp cục bộ Trong phương trình (1.3) mp là lượng hỗn hợp trộn sẵn tham gia

vào giai đoạn cháy nhanh, mj và dqj là khối lượng và giá trị gia nhiệt của mỗi vùng được cháy trong quá trình cháy khuếch tán

1.3.2 Hình thành hỗn hợp đồng nhất trong động cơ HCCI

Trong động cơ HCCI việc chuẩn bị hỗn hợp đồng nhất là phần rất quan trọng, các đặc tính hiệu suất cũng như phát thải dựa trên hỗn hợp đồng nhất đạt được Một hỗn hợp đồng nhất được chuẩn bị tốt sẽ giảm lượng phát thải hạt PM và giảm lượng khí thải NOx Chuẩn bị hỗn hợp đồng nhất là một nhiệm vụ rất khó khăn vì không đủ thời gian để hình thành hỗn hợp đối với các loại nhiên liệu nặng khó bay hơi Hiện nay

có hai loại hình thành hỗn hợp đồng nhất là hình thành hỗn hợp bên ngoài xi lanh và hình thành hỗn hợp bên trong xi lanh

Hình 1.6: Các phương pháp hình thành hỗn hợp động nhất trên động cơ HCCI [16]

Đối với động cơ hình thành hòa khí bên ngoài: cách đơn giản để có hỗn hợp đồng nhất trong xi lanh động cơ là hòa trộn nhiên liệu với dòng khí nạp trước khi nạp vào trong xi lanh động cơ có thể dùng bộ chế hòa khí và phun nhiên liệu trực tiếp trên đường nạp (PFI) Sự chuyển động và xoáy của dòng khí được quyết định bởi kết cấu đường nạp, khi có xoáy, quá trình hoà trộn nhiên liệu và không khí trở nên đồng nhất hơn Hiện nay phương pháp phun nhiên liệu trên đường nạp được sử dụng chủ yếu vì nhiều ưu điểm, có thể dễ dàng điều chỉnh tỉ lệ lượng nhiên liệu và không khí phù hợp

Hình thành hỗn hợp bên ngoài nên khi phun nhiên liệu không ảnh hưởng điến thời điểm bắt đầu quá trình cháy Đối với các loại nhiên liệu nặng như diesel, khả năng bay hơi kém nên khi phun nhiên liệu trên đường nạp dẫn đến tăng lượng nhiên liệu bám vào thành ống nạp và buồng cháy động cơ, tăng lượng phát thải CO và HC, tăng lượng nhiên liệu chưa cháy ảnh hưởng đến chất lượng dầu bôi trơn Phương pháp hình thành hỗn hợp bên ngoài xi lanh phù hợp hơn với các loại nhiên liệu lỏng có khả năng bay hơi tốt như xăng và nhiên liệu ở dạng khí

Để giải quyết vấn đề chính liên quan đến sự bay hơi nhiên liệu Nói chung sự bay hơi hoàn toàn của nhiên liệu diesel chỉ xảy ra ở nhiệt độ cao hơn nhiều so với nhệt

độ thường thấy trong đường ống nạp Nếu không có biện pháp nào để tăng cường sự bay hơi nhiên liệu, một phần đáng kể của nhiên liệu sẽ bay hơi muộn trong hành trình nén ngay cả sau khi bắt đầu đốt cháy Điều này dẫn đến một hỗn hợp không đồng nhất làm mất đi những lợi ích được tìm thấy trong quá trình đốt cháy HCCI Hơn nữa, việc ngưng tụ nhiên liệu trên thành động cơ có thể dẫn đến lượng hydrocarbon không cháy cao và pha loãng dầu Các lượng mức này có thể cao đến mức chúng có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả đốt cháy (một phần của nhiên liệu không cháy) Vì vậy, một giải pháp phổ biến là làm nóng khí nạp để tăng cường sự bay hơi nhiên liệu

Nếu nhiên liệu diesel được bốc hơi đúng cách và đồng nhất hóa đầy đủ tại cửa nạp, hỗn hợp này được làm nóng trong quá trình nén đến nhiệt độ tự cháy Tuy nhiên, với các tỷ số nén diesel thông thường, nhiệt độ tự cháy này đạt được quá sớm trong hành trình nén, trước ĐCT, dẫn đến các vấn đề về hiệu quả và tiếng ồn, và điều này đặc biệt quan trọng nếu khí nạp được làm nóng để tăng cường bay hơi nhiên liệu, vì điều này dẫn đến đến nhiệt độ cao hơn khi bắt đầu hành trình nén và do đó quá trình đốt cháy sẽ bắt đầu sớm hơn trong chu kỳ động cơ

Để làm chậm thời điểm tự cháy một giải pháp đưa ra là giảm nồng độ ô xy trong khí nạp bằng cách luân hồi khí xả EGR, hơn nữa nhiệt trong khí xả còn có tác dụng thúc đẩy sự bay hơi của nhiên liệu Tuy nhiên tỉ lệ cao EGR làm tăng phát thải

CO và HC Để làm chậm thời điểm cháy người ta còn giảm tỷ số nén động cơ tuy nhiên không nên giảm nhiều vì ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ

Đối với động cơ hình thành hòa khí bên trong: Nhiên liệu phun vào trong xi lanh động cơ hòa trộn với không khí nạp, có hai phương pháp là phun sớm và phun muộn Phun sớm là nhiên liệu được phun trong hành trình nén trước ĐCT để nhiên liệu có thời gian hòa trộn và hình thành hỗn hợp đồng nhất Phun muộn là nhiên liệu

được phun vào xi lanh động cơ gần ĐCT kết hợp với lượng luân hồi khí xả để hình thành hỗn hợp đồng nhất

Phun sớm là một trong những giải pháp cho động cơ HCCI dùng nhiên liệu diesel và có thời gian cháy trễ lớn để hỗn hợp đồng nhất hơn Tuy nhiên phun nhiên liệu diesel sớm, do khả năng bay hơi kém của nhiên liệu, nhiệt độ và mật độ không khí thấp trong xi lanh dẫn đến một lượng lớn nhiên liệu bám vào thành xi lanh Vì vậy cần đòi hỏi hệ thống phun nhiên liệu được thiết kế lại để thỏa mãn yêu cầu đặt ra các nhà khoa học nghiên cứu và phát triển vòi phun có tia phun có chiều dài ngắn (độ xuyên thấu ngắn) Phun áp suất cao với vòi phun có kích thước lỗ phun nhỏ, nhiều lỗ phun

để tăng độ tơi, mật độ của nhiên liệu, giảm lượng nhiên liệu bám trên thành vách xylanh

Một cách khác để đáp ứng được yêu cầu là sử dụng quá trình phun tách thông qua điều khiển vòi phun qua nhiều xung điện áp với độ dài mỗi xung khác nhau Thông qua hệ thống phun nhiên liệu điện tử Common rail kim phun được điều khiển điện áp có khả năng kiểm soát phun với áp lực phun sao cho thực hiện phun tách nhiều lần

Hình 1.7: Quy luật phun xung nhiên liệu

Hình 1.7 thể hiện quy luật phun xung nhiên liệu, vùng bên dưới dường cong thể hiện khối lượng nhiên liệu thuộc về mỗi xung Khi bắt đầu phun, mật độ không khí trong xi lanh thấp đòi hỏi các xung phun ngắn với vận tốc phun giảm và khoảng thời gian giữa các xung tương đối lớn Khi piston di chuyển lên, mật độ và nhiệt độ không khí trong xi lanh tăng, độ xuyên thấu tia phun giảm nên thời lượng xung có thể được kéo dài, trong khi khoảng thời gian giữa các xung liên tiếp bị giảm Khi kết thúc quá trình phun, khoảng cách giữa vòi phun và piston giảm đáng kể và khối lượng nhiên

liệu phun ra trên mỗi xung phải được giảm lại để ngăn chặn sự lắng đọng nhiên liệu trên đỉnh piston

Để ngăn chặn lượng nhiên liệu bám vào thành xi lanh có thể thu hẹp góc phun nhiên liệu và sử dụng piston có buồng cháy khoét sâu trên đỉnh để giữ cho nhiên liệu trong buồng cháy tránh cho nhiên liệu tương tác với thành xi lanh trong thời gian phun Vì nhiệt độ tại đỉnh piston cao cộng với chuyển động xoáy của dòng khí nên nhiên liệu dễ dàng bốc hơi hòa trộn với không khí

Hình 1.8: So sánh tia phun nhiên liệu của động cơ diesel thông thường (a) và

động cơ HCCI (b) [17]

Một giải pháp khác là dùng nhiều hơn một kim phun cho mỗi xi lanh và đặc biệt các vòi phun có nhiều lỗ phun nhỏ Kết quả hỗn hợp hình thành tốt lượng phát thải NOx và PM giảm

Hình 1.9: So sánh bố trí kim phun trong buồng đốt diesel thông thường và

động cơ HCCI [6]

Hình 1.9 thể hiện cách bố trí kim phun trong buồng đốt động cơ diesel và động

cơ HCCI Kim phun bên được sử dụng cho động cơ HCCI để hình thành hỗn hợp đồng nhất Các kim phun bên này làm tăng khoảng cách giữa kim phun và thành xi lanh so với kim phun trung tâm, và do đó có thể làm giảm sự bám dính nhiên liệu vào thành xi lanh

Phun muộn là nhiên liệu được phun trực tiếp vào buồng đốt gần ĐCT cho đến các góc quay trục khuỷu sau đó nhiệt độ khí và mật độ giảm do sự giãn nở của piston dẫn đến thời điểm bắt đầu cháy lâu hơn và sự hình thành hỗn hợp được cải thiện Các điều kiện trong xi lanh trở nên thuận lợi cho quá trình đốt cháy HCCI Ngoài ra, nếu mức độ cao của EGR được sử dụng, sẽ dẫn đến sự hình thành NOx thấp hơn, thời điểm cháy cũng được kéo dài, cho phép có đủ thời gian để trộn nhiên liệu không khí được cải thiện, làm giảm lượng bồ hóng Việc phun nhiên liệu muộn giúp tránh được hiện tượng nhiên liệu bám vào thành xi lanh, và có thể điều khiển quá trình cháy thông qua thời điểm phun

1.4 Ưu điểm và nhược điểm động cơ HCCI

1.4.1 Ưu điểm của động cơ HCCI

Động cơ HCCI là sự kết hợp ưu điểm của động cơ đốt cháy cưỡng bức SI và động cơ nén cháy CI đó là:

+ Lượng phát thải NOx và PM giảm

• Lượng khí thải NOx cực thấp

Có lẽ điểm thu hút lớn nhất của quá trình đốt cháy HCCI là nó có thể giảm lượng khí thải NOx từ 90 đến 98% so với đốt cháy Diesel thông thường [18] Cơ chế

cơ bản chịu trách nhiệm cho việc giảm phát thải NOx này là không có vùng nhiệt độ cao bên trong buồng đốt Quá trình cháy HCCI xảy ra nhiều điểm trong hỗn hợp nhiên liệu không khí được hòa trộn sẵn với tỉ lệ nhạt và ở nhiệt độ thấp hơn đáng kể so với những gì gặp phải trong vùng phản ứng trong động cơ Diesel hoặc đánh lửa

• Khí thải PM thấp

Quá trình đốt cháy HCCI sẽ tạo ra lượng khói và khí thải PM thấp Các cơ chế cho việc giảm khói này không được chứng minh rõ ràng nhưng người ta cho rằng việc không có sự đốt cháy hạn chế khuếch tán và các khu vực giàu nhiên liệu cục bộ ngăn cản sự hình thành của bồ hóng Một ngoại lệ cho điều này có thể xảy ra khi chuẩn bị hỗn hợp kém dẫn đến sự lắng đọng nhiên liệu lỏng trên buồng đốt và các vùng đốt cháy nhiên liệu cục bộ

• Hiệu suất nhiệt cao

Các yếu tố sau đây được cho là góp phần mang lại hiệu quả cao trong động cơ HCCI:

+ Áp dụng tỷ số nén cao: Tỷ lệ nén cao là điều kiện quan trọng nhất để tăng hiệu suất nhiệt cho động cơ Do quá trình đốt cháy HCCI có thể hoạt động ở các tỷ số nén cao hơn trong động cơ SI

+ Loại bỏ các tổn thất điều tiết: Hoạt động không có van tiết lưu (bướm ga) trong động cơ HCCI dẫn đến giảm tổn thất, và do đó cải thiện hiệu quả đáng kể so với hoạt động của động cơ SI

+ Nhiệt độ đốt cháy tổng thể thấp hơn: Vì động cơ HCCI thường được vận hành với hỗn hợp loãng và chúng có nhiệt độ đốt cháy thấp hơn nhiều so với động cơ SI, giúp giảm tổn thất năng lượng do truyền nhiệt

+ Thời gian đốt cháy ngắn hơn: Sự tự động đồng thời đa điểm của các hỗn hợp giúp loại bỏ sự tồn tại của sự lan truyền ngọn lửa trong động cơ HCCI, dẫn đến quá trình đốt cháy nhanh hơn và do đó thời gian đốt cháy ngắn hơn Thời gian đốt ngắn hơn này làm cho quá trình đốt HCCI có hiệu quả cao hơn

Ngoài ra còn có một số ưu điểm khác:

+ Động cơ HCCI có thể hoạt động với hỗn hợp hòa khí nghèo cộng với tỷ số nén cao điều này giúp giảm lượng tiêu hao nhiên liệu

+ HCCI có khả năng tương thích cao với các kết cấu động cơ hiện tại Có thể kết hợp với các hệ thống khác để điều khiển vận hành trong một phạm vi tốc độ và tải giới hạn, tại đó quá trình đốt cháy HCCI phù hợp hơn

+ Là động cơ đa nhiên liệu: Động cơ HCCI có thể hoạt động với xăng, dầu diesel hay các nhiên liệu thay thế khác

1.4.2 Nhược điểm động cơ HCCI

Ngoài những ưu điểm nói trên động cơ HCCI còn tồn tại những nhược điểm sau:

➢ Khó khăn cho việc kiểm soát quá trình cháy (thời điểm cháy, thời gian cháy…)

Điều khiển quá trình cháy động cơ HCCI là một trong những trở ngại khó khăn nhất Đối với động cơ xăng thời điểm cháy được điều khiển thông qua tia lửa điện của bugi bằng cách thay đổi góc đánh lửa sớm Với động cơ diesel điều khiển quá trình cháy thống qua thay đổi thời điểm phun nhiên liệu hay thay đổi góc phun sớm Không giống như trong động cơ xăng hoặc động cơ diesel thông thường, phương pháp trực tiếp để kiểm soát thời điểm cháy là không tồn tại trong động cơ HCCI Thời điểm cháy HCCI được xác định bởi thành phần hỗn hợp và nhiệt độ của nó

Lý tưởng nhất là quá trình tự cháy HCCI xảy ra tại điểm mà piston đạt đến ĐCT để có hiệu quả tối ưu Quá trình đốt cháy được xác định chủ yếu bởi thành phần của hỗn hợp oxy hóa nhiên liệu và lịch sử nhiệt độ thời gian mà hỗn hợp được tiếp xúc Các yếu tố sau đây đã được khẳng định là những ảnh hưởng chính đến thành phần hỗn hợp và nhiệt độ:

+ Sự đồng nhất hỗn hợp: Một hỗn hợp được chuẩn bị tốt sẽ dễ dàng cho quá trình cháy diễn ra tốt hơn

+ Thuộc tính nhiên liệu: Mỗi loại nhiên liệu có các tính chất hóa học và vật lý khác nhau, do đó các phản ứng hóa học trong quá trình cháy thay đổi tùy theo nhiên liệu sử dụng

+ Tỷ lệ không khí nhiên liệu: Kiểm soát tải trong động cơ HCCI đạt được bằng cách thay đổi tỷ lệ không khí nhiên liệu, gây ra sự thay đổi thành phần hỗn hợp

+ Tỷ lệ EGR: Trong khi sử dụng kỹ thuật EGR, một lượng không khí trong lành được trộn với khí thải bị giữ lại nóng, làm tăng nhiệt độ và thay đổi thành phần của hỗn hợp mới hình thành (Fuel / Air / EGR), do đó ảnh hưởng đến thời điểm cháy và tỷ

lệ nhiệt tỏa ra

+ Truyền nhiệt: Mất nhiệt từ hỗn hợp ra môi trường xung quanh cũng dẫn đến tính không đồng nhất trong khu vực của hỗn hợp trước khi cháy

+ Tỷ số nén: Tỷ lệ nén tăng làm tăng nhiệt độ của hỗn hợp trong xi lanh trong quá trình nén, giúp tăng tốc độ phản ứng hóa học Do đó, độ cháy trễ được rút ngắn và thời gian tự cháy được nâng cao

+ Nhiệt độ đầu vào: Nhiệt độ đầu vào có ảnh hưởng đáng kể đến thời điểm cháy

và tốc độ giải phóng năng lượng Nhiệt độ đầu vào tăng lên làm tăng tốc độ phản ứng hóa học và do đó thúc đẩy thời điểm cháy và ngược lại

+ Tốc độ động cơ: Thay đổi tốc độ động cơ làm thay đổi thời gian để hóa học

tự động xảy ra trong hỗn hợp liên quan đến chuyển động của piston

➢ Vùng hoạt động bị hạn chế

Một nhược điểm khác của quá trình đốt cháy HCCI là phạm vi hoạt động, hiện

bị giới hạn ở mức tải thấp và trung bình với hỗn hợp nhiên liệu nhạt Khi hỗn hợp giàu nhiên liệu được áp dụng ở mức tải cao, độ ổn định cháy giảm, tốc độ giải phóng nhiệt tăng nhanh, gây tiếng ồn, giảm tuổi thọ động cơ và cuối cùng là mức phát thải NOx không chấp nhận được Do đó, rất cần có nhu cầu để đạt được hoạt động có kiểm soát

ở điều kiện tải cao trong động cơ HCCI

Một trong những giải pháp khắc phục giới hạn phạm vi tải của HCCI là chế độ đốt hỗn hợp, trong đó chế độ HCCI được sử dụng ở mức tải một phần và sau đó chuyển sang chế độ SI hoặc CI ở điều kiện tải cao Hoạt động lai này tận dụng lợi ích của quá trình đốt cháy HCCI ở mức tải thấp và trung bình và sử dụng quá trình đốt cháy SI hoặc CI để thay thế ở mức tải cao

➢ Khả năng khởi động nguội kém

Khi khởi động nguội, nhiệt độ khí nén trong động cơ HCCI sẽ giảm do hỗn hợp không được sấy trước từ ống nạp và hỗn hợp mất nhiệt nhanh bằng nhiệt truyền vào thành buồng đốt nhiệt độ thấp hơn Nếu không có một số cơ chế bù nhiệt độ nén thấp,

có thể động cơ không thể khởi động được Có các biên pháp khác nhau để khởi động nguội ở chế độ HCCI đã được đề xuất, chẳng hạn như sấy khí nạp, sử dụng phụ gia

nhiên liệu hoặc nhiên liệu khác nhau và tăng tỷ lệ nén bằng cách sử dụng VCR hoặc VVT

Có lẽ cách tiếp cận thực tế nhất sẽ là khởi động động cơ ở chế độ SI và CI truyền thống sau đó chuyển sang chế độ HCCI sau khi khởi động Đối với các động cơ được trang bị VVT, có thể thực hiện chế độ HCCI này sớm hơn, vì mức khí thải nhiệt

độ cao có thể được giữ lại từ các chu kỳ cháy trước đó để gây ra quá trình tự cháy HCCI

➢ Khó khăn trong việc hình thành hỗn hợp đồng nhất

Trong động cơ HCCI chuẩn hỗn hợp đồng nhất là phần quan trọng nhất Các đặc tính hiệu suất và phát thải dựa trên hỗn hợp đồng nhất đạt được Một hỗn hợp đồng nhất tốt làm giảm phát thải hạt và giảm lượng khí thải NOx Chuẩn bị hỗn hợp đồng nhất là một nhiệm vụ khó khăn vì thời gian chuẩn bị ngắn Đối với nhiên liệu dễ bay hơi như xăng và nhiên liệu thể khí thì việc hình thành hỗn hợp đồng nhất là tương đối dễ dàng, nhưng đối với nhiên liệu nặng khó bay hơi như dầu diesel việc hình thành hỗn hợp đồng nhất khá khó khăn

➢ Lượng khí thải HC và CO lớn

Động cơ HCCI vốn đã phát thải NOx và PM thấp, nhưng lượng khí thải hydrocarbon (HC) và carbon monoxide (CO) tương đối cao Một phần nguyên nhân có thể do việc chuẩn bị hỗn hợp chưa tốt nhiên liệu bám vào đường nạp đối với động cơ hình thành hỗn hợp bên ngoài và nhiên liệu bám thành xi lanh với động cơ hình thành hỗn hợp bên trong Nhưng nguyên nhân chính là do nhiệt độ cháy thấp của động cơ HCCI nên quá trình ô xy hóa hoàn toàn nhiên liệu là khó xảy ra Giải pháp đưa là sử dụng công nghệ xúc tác để loại bỏ HC và CO, tuy nhiên nhiệt độ khí thải thấp của động cơ HCCI có thể làm tăng thời gian tác dụng của chất xúc tác, do đó giảm hiệu quả trung bình Việc đáp ứng các tiêu chuẩn phát thải trong tương lai cho HC và CO

có thể sẽ yêu cầu phát triển thêm các chất xúc tác oxy hóa cho các dòng khí thải nhiệt

độ thấp Tuy nhiên, các thiết bị kiểm soát khí thải HC và CO đơn giản hơn, bền hơn và

ít phụ thuộc vào các kim loại quý hiếm, đắt tiền của thiết bị kiểm soát khí thải NOx và

PM Quá trình oxy hóa hóa đồng thời HC và CO (trong động cơ HCCI) dễ dàng hơn nhiều so với quá trình khử hóa học NOx và oxy hóa PM

Chương 2: LÝ THUYẾT VỀ ĐỘNG CƠ HCCI

2.1 Nguyên lý hoạt đông của động cơ HCCI

2.1.1 Chu trình làm việc động cơ HCCI

Động cơ HCCI hoạt động dựa trên việc nén hỗn hợp đồng nhất đến nhiệt độ tự động bốc cháy Tuy nhiên có hai cách hình thành hỗn hợp đồng nhất đó là hình thành hỗn hợp bên ngoài xi lanh chủ yếu dùng phương pháp phun nhiên liệu trên đường nạp

và hình thành hỗn hợp bên trong phun trực tiếp nhiên liệu vào trong xi lanh

➢ Đối với động cơ hình thành hỗn hợp bên ngoài

Hình 2.1: Chu trình làm việc động cơ HCCI hình thành hỗn hợp bên ngoài

Trên hình 2.1 thể hiện chu trình làm việc của động cơ HCCI hình thành hỗn hợp bên ngoài được thực hiện như sau:

Trong kỳ nạp: piston đi từ ĐCT xuống ĐCD, xu páp nạp mở xu páp xả đóng Vòi phun phun nhiên liệu vào đường nạp, nhiên liệu và không khí được hòa trộn nạp vào trong xi lanh Cuối quá trình nạp hỗn hợp được điền đầy trong xi lanh đông cơ

Kỳ nén: piston đi từ ĐCD lên điểm chết trên lúc này hai xu páp đều đóng, thực hiện nén hỗn hợp lúc này nhiệt độ và áp suất trong xi lanh tăng dần tạo điều kiện hỗn hợp tự bốc cháy

Kỳ cháy giãn nở: cuối quá trình nén khi đạt đến nhiệt độ tự bốc cháy thì toàn bộ hỗn hợp trong xi lanh sẽ cùng cháy cùng một lúc do đó nhiệt lượng lớn được nhả ra

khiến áp suất và nhiệt độ môi chất trong xi lanh tăng nhanh Dưới tác dụng đẩy của lực

do áp suất sinh ra piston được đẩy xuống thực hiện quá trình giãn nở môi chất Trong quá trình giãn nở môi chất đẩy piston sinh công

Kỳ thải: piston di chuyển từ ĐCD lên ĐCT đẩy khí thải từ xi lanh qua xu páp thải đang mở vào ống xả đi ra ngoài

➢ Đối với động cơ hình thành hỗn hợp bên trong

Hình 2.2: Chu trình làm việc động cơ HCCI hình thành hỗn hợp bên trong

Chu trình làm việc cũng tương tự như động cơ hình thành hỗn hợp bên ngoài Nhưng trong kỳ nạp động cơ hút không khí vào trong xi lanh đến kỳ nén một lượng nhiên liệu được phun vào trong xi lanh hòa trộn với không khí tạo hỗn hợp đồng nhất

Quá trình đốt cháy HCCI đặt ra hai yêu cầu chính đối với các điều kiện trong xi lanh:

+ Nhiệt độ sau hành trình nén phải bằng nhiệt độ tự bốc cháy của hỗn hợp nhiên liệu/ không khí

+ Hỗn hợp nên được pha loãng thích hợp để cho tốc độ cháy hợp lý

2.1.2 Vùng hoạt động của động cơ HCCI và các phương pháp điều khiển quá trình cháy

➢ Vùng hoạt động của động cơ HCCI

Hình 2.3: Vùng hoạt động của động cơ HCCI với nhiên liệu xăng [6]

Nhiệt độ nước làm mát: 80 ± 0.20CNhiệt độ dầu bôi trơn: 55 ± 10C

Tỷ số nén: 11.5 Hình 2.3 biểu diễn vùng hoạt động của động cơ HCCI, để đạt được quá trình tự cháy HCCI, nhiệt độ khí nạp đầu vào đã được nâng lên 3200C bằng bộ gia nhiệt khí nạp Khí thải luân hồi được làm mát sau đó đưa vào đường nạp trước bộ gia nhiệt để cho phép nhiệt độ nạp vào được kiểm soát chính xác Nhiên liệu phun vào đường nạp

ở áp suất 2.7 bar bằng kim phun của Bosch

Trục hoành biểu thị phần trăm của EGR trong xi lanh và trục tung biểu thị tỷ lệ không khí nhiên liệu (lambda) Vùng hoạt động HCCI bị giới hạn bởi ba ranh giới:

- Ranh giới đầu tiên xác định vùng không cháy Ở tỷ lệ EGR cao hệ số lambda thấp thì hàm lượng CO2 và H2O có trong khí nạp được tăng lên đáng kể, gây ra sự khó khăn cho việc cháy của nhiên liệu Tỷ lệ EGR cao và hệ số lambda được tăng lên thì

ngày càng có nhiều O2 hơn và ít CO2 và H2O hơn trong khí nạp, dẫn đến quá trình cháy ổn định hơn

- Ranh giới vùng cháy cục bộ, khi hệ lambda tăng cao, sự giải phóng nhiệt cũng giảm Kết quả là nhiệt độ đốt cháy trung bình giảm dần dẫn đến hỗn hợp không cháy nhiều hơn, đặc trưng bởi lượng phát thải HC và CO cao

- Ranh giới vùng kích nổ, động cơ hoạt động trong khu vực này có tải trọng cao nhiên liệu được cung cấp vào nhiều, hệ số lambda giảm cộng với tỷ lệ EGR thấp dễ xảy ra cháy kích nổ Ở giới hạn không xảy ra kích nổ, nếu không sử dụng EGR, lambda giàu nhất có thể đạt được là khoảng 3,15 và khi sử dụng EGR giới hạn được đưa đến gần hơn với lambda 1.0, và 43% EGR

Hình 2.4: Các giá trị áp suất trung bình (bar) trong vùng hoạt động của HCCI [6]

Như mong đợi, giá trị áp suất trung bình giảm tuyến tính với tỷ lệ không khí và nhiên liệu khi nhiên liệu như được biểu diễn trên hình 2.4 Giá trị áp suất trung bình cao nhất là 3,8 bar xảy ra ở lambda 1.0, tỷ lệ EGR 43% ở giới hạn kích nổ trong khi giá trị áp suất trung bình thấp nhất không thể được xác định rõ ràng vì nó sẽ phụ thuộc vào mức phát thải HC và CO, mức tiêu thụ nhiên liệu cụ thể và biến thiên theo chu kỳ

Để có thể áp dụng vào thực tế thì động cơ phải hoạt động trong một vùng thay đổi rộng vì vậy giải pháp đưa ra là sử dụng quá trình đốt cháy HCCI ở mức tải thấp và

trung bình và sử dụng quá trình đốt SI hay CI truyền thống cho động cơ hoạt động ở mức tải cao và quá trình khởi động

➢ Các phương pháp điều khiển quá trình cháy

Kiểm soát quá trình cháy là thách thức lớn nhất của động cơ HCCI Vì lý do này, một số phương pháp đã được đề xuất để đạt được kiểm soát quá trình cháy HCCI trong phạm vi rộng các điều kiện vận hành cần thiết cho động cơ HCCI

• Tỷ số nén biến đổi (VCR): Quá trình đốt cháy HCCI bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi tỷ lệ nén của động cơ Do đó, động cơ VCR có khả năng đạt được hoạt động thỏa đáng trong chế độ HCCI trong các điều kiện khác nhau vì tỷ lệ nén có thể được điều chỉnh khi điều kiện vận hành thay đổi Do đó một hệ thống điều khiển thay đổi tỷ lệ nén nhanh trong vài phần của giây là cần thiết Hệ thống VCR có khả năng kiểm soát thời điểm cháy HCCI để duy trì pha đốt cháy tối ưu trên một phạm vi rất rộng của nhiệt độ nạp và các loại nhiên liệu có số octan khác nhau Tuy nhiên hệ thống VCR sẽ tăng chi phí và mức độ phức tạp cho động cơ, vì vậy hệ thống này rất ít được áp dụng thương mại

• Thay đổi thời gian pha phân phối khí (VVT): VVT có thể được sử dụng để thay đổi hiệu suất nén của động cơ (nghĩa là hỗn hợp bị nén sau khi đã đóng xu páp nạp), và do đó VVT có thể đạt được hiệu quả tương tự đối với HCCI đốt cháy như thay đổi tỷ lệ nén hình học của động cơ Một động cơ có thể được chế tạo với tỷ lệ nén hình học cao, có thể có hiệu suất nén thấp hơn bằng cách duy trì đóng muộn xu páp nạp trong hành trình nén Động cơ với VVT có thêm lợi ích là cho phép thay đổi nhiệt

độ và thành phần của hỗn hợp bằng cách giữ lại các khí thải nóng từ chu kỳ trước trong xi lanh Bằng cách thay đổi lượng khí thải nóng trong xi lanh, nhiệt độ và thành phần hỗn hợp có thể được điều chỉnh Tăng nhiệt độ của hỗn hợp theo cách này có thể được sử dụng để gây ra sự tự cháy HCCI ngay cả với tỷ lệ nén hình học tương đối thấp hoặc trong điều kiện động cơ lạnh Ngoài ra, việc thay đổi thành phần hỗn hợp bằng cách trộn một phần khí thải có thể có lợi cho việc kiểm soát tốc độ đốt cháy Giống như VCR, hệ thống VVT sẽ thêm chi phí cho động cơ; tuy nhiên hệ thống VVT đã được áp dụng nhiều trên các ô tô hiện nay

• Hỗn hợp nhiên liệu và phụ gia: Bằng cách sử dụng hai loại nhiên liệu có tính chất cháy khác nhau, thời gian cháy có thể được cải thiện trong phạm vi hoạt động rộng Tuy nhiên phương pháp này yêu phải mang hai loại nhiên liệu khác nhau và làm phức tạp hệ thống cung cấp nhiên liệu Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng ozone như một

chất phụ gia nhiên liệu có thể cải thiện đáng kể thời điểm cháy ngay cả ở nồng độ rất thấp Trộn một chất phụ gia vào nhiên liệu có thể thay đổi đặc tính cháy nhiên liệu Trộn một chất làm chậm cháy như nước sẽ gây ra sự chậm trễ trong quá trình cháy, trong khi trộn một chất gia tốc cháy như khí hydro sẽ làm tăng tốc độ đốt cháy

• Tái tuần hoàn khí thải (EGR): Đây là quá trình luân hồi khí thải, thêm chúng vào khí nạp Với EGR có thể kiểm soát nhiệt độ, áp suất và thành phần hỗn hợp So với các phương pháp kiểm soát khác, EGR tương đối đơn giản, đó là một lợi ích tuyệt vời

• Kiểm soát nhiệt đầu vào: Để kiểm soát quá trình đốt cháy HCCI bằng cách kiểm soát nhiệt độ, áp suất và thành phần của hỗn hợp khi bắt đầu hành trình nén Ưu điểm chính của phương pháp này là sự đơn giản của nó, vì nó không yêu cầu sửa đổi động cơ lớn hoặc sử dụng phụ gia nhiên liệu Nhược điểm của phương pháp này là nó

có thể quá chậm để phản ứng với các điều kiện thay đổi nhanh chóng Một phân tích đáp ứng nhất thời đầy đủ của loại hệ thống này vẫn chưa được thực hiện và sẽ phụ thuộc vào hệ thống cụ thể được sử dụng

Một số giải pháp hứa hẹn nhất bao gồm thay đổi lượng tuần hoàn khí thải EGR được đưa vào hỗn hợp đến việc sử dụng cơ chế VCR để thay đổi nhiệt độ hỗn hợp trước ĐCT và sử dụng VVT để thay đổi tỷ lệ nén hiệu quả hoặc lượng khí thải được giữ lại trong xi lanh VCR và VVT đặc biệt hấp dẫn bởi vì phản ứng có thể được thực hiện đủ nhanh để xử lý các đều kiện hoạt động thay đổi liên tục Mặc dù các kỹ thuật này đã cho thấy tiềm năng mạnh mẽ, nhưng các vấn đề về chi phí và độ tin cậy phải được giải quyết

2.2 Kết cấu động cơ HCCI

2.2.1 Khái quát các hệ thống cơ bản

Về đặc điểm kết cấu động cơ HCCI phụ thuộc vào loại nhiên liệu sử dụng, cách hình thành hỗn hợp đồng nhất và các biện pháp điều khiển quá trình cháy Nhìn chung kết cấu động cơ HCCI vẫn giống kết cấu của động cơ SI và CI thông thường nhưng được trang bị các công nghệ tiên tiến để động cơ hoạt động khu vực cháy HCCI

Công nghệ HCCI đã được nghiên cứu trên động cơ 2 kỳ và 4 kỳ và đã đạt được một số thành công nhất định, tuy nhiên việc áp dụng thực tế vẫn còn khó khăn vì các

hệ thống điều khiển quá trình cháy và chuyển đổi các chế độ làm việc vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu hoàn thiện

Về một số kết cấu của các hệ thống của động cơ HCCI: hệ thống truyền lực, hệ thống làm mát, hệ thống bôi trơn tương tự như động cơ SI và CI truyền thống Trong phần này sẽ giới thiệu các công nghệ hiện nay có thể giúp hình thành hỗn hợp đồng nhất, các hệ thống hỗ trợ điều khiển quá trình cháy HCCI và quá trình chuyển tiếp chế

độ làm viêc HCCI và SI, CI truyền thống

Các hệ thống nhiên liệu Common Rail, hệ thống phun xăng trực tiếp GDI, hệ thống phun xăng trên đường nạp PFI hỗ trợ hình thành hỗn hợp đồng nhất bên trong

và bên ngoài Một số hệ thống điều khiển quá trình cháy HCCI như hệ thống phân phối khí thông minh VVT, hệ thống tuần hoàn khí xả EGR… Để điều khiển quá trình chuyển tiếp chế độ làm việc giữa HCCI và SI sử dụng hệ thống đánh lửa điện tử và kết hợp thay đổi tỷ số nén động cơ bằng VVT

2.2.2 Hệ thống nhiên liệu động cơ HCCI

Hiện nay hệ thống nhiên liệu động cơ HCCI hầu hết được sử dụng là sự cải tiến

từ 2 hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp điện tử GDI hay Common Rail sử dụng nhiên liệu cụ thể như xăng hoặc diesel Những nghiên cứu gần đây cho thấy động cơ HCCI

sử dụng hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp GDI - HCCI hay Common Rail – HCCI cho những kết quả tích cực trong việc hình thành hỗn hợp đồng nhất, điều khiển quá trình cháy, giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm nồng độ các chất độc hại trong khí thải Về đặc điểm kết cấu do không có sự khác biệt lớn giữa GDI và Common Rail nên có thể cải tiến hệ thống nhiên liệu này để sử dụng cho cả nhiên liệu xăng khi thay thế một vài chi tiết và thay đổi sự liên hệ giữa hệ thống điều khiển với hệ thống nhiên liệu

2.2.2.1 Hệ thống nhiên liệu diesel HCCI

Với các ưu điểm mà hệ thống phun nhiên liệu Common Rail đã đạt được việc cải tiến hệ thống thành Common Rail - HCCI góp phần tăng hiệu suất động cơ và tính kinh tế nhiên liệu cao hơn, hơn nữa Common Rail - HCCI còn cho thấy việc chuyển đổi từ sử dụng nhiên liệu diesel sang xăng khá dễ dàng khi chỉ cần thay thế bơm cao

áp và vòi phun

Ưu điểm hệ thống nhiên liệu Common Rail - HCCI:

+ Tiêu hao nhiên liệu thấp

+ Phát thải ô nhiễm thấp

+ Động cơ làm việc êm dịu, giảm được tiếng ồn

+ Cải thiện tính năng động cơ

+ Thiết kế phù hợp để thay thế cho các động cơ diesel đang sử dụng

+ Điều khiển xung phun dễ dàng hơn các hệ thống nhiên liệu khác

Hình 2.5: Hệ thống nhiên liệu Common Rail - HCCI

1 Thùng nhiên liệu; 2 Lọc nhiên liệu; 3 Bơm cao áp; 4 Đường cấp nhiên liệu cao áp (màu đỏ); 5 Cảm biến áp suất ; 6 Ống phân phối (Ống Rail); 7 Vòi phun;8 Cảm biến bàn đạp ga; 9 Cảm biến trục cam; 10 Cảm biến trục khuỷu; 11 ECU; 12

Đường dầu hồi thấp áp (màu vàng); 13 Van an toàn

Hệ thống nhiên liệu gồm các khối sau:

- Khối cấp dầu thấp áp: Thùng dầu, bơm cấp nhiên liệu, lọc dầu, ống dẫn dầu

và đường dầu hồi

- Khối cấp dầu cao áp: Bơm cao áp, ống phân phối, van an toàn

- Khối cơ điện tử: Các cảm biến và tín hiệu, ECU, vòi phun và các van điều khiển nạp

Nguyên lý hoạt động:

Nguyên lí hoạt động của hệ thống nhiên liệu được thể hiện trên hình 2.5: Nhiên liệu được bơm cung cấp hút từ thùng nhiên liệu theo đường ống thấp áp qua bầu lọc đến bơm cao áp,từ đây nhiên liệu được bơm cao áp nén đẩy vào ống tích trữ nhiên liệu

áp suất cao hay còn gọi là ống phân phối và được đưa đến vòi phun sẵn sàng phun vào

xy lanh động cơ

Việc tạo áp suất và phun nhiên liệu hoàn toàn tách biệt với nhau trong hệ thống Common Rail Áp suất phun được tạo ra độc lập với tốc độ và lượng nhiên liệu phun

ra Nhiên liệu được trữ với áp suất cao trong ống phân phối, lượng dầu phun ra được quyết định bởi điều khiển bàn đạp ga, thời điểm phun và cả áp suất phun được tính toán bằng ECU dựa trên các tín hiệu dữ liệu từ các cảm biến gửi về đã lưu trên nó Sau

đó ECU sẽ cho các kim phun phun nhiên liệu vào xylanh,với áp suất phun có thể đến1500bar

Nhiên liệu thừa của vòi phun trở về thùng nhiên liệu theo đường hạ áp (màu vàng) Để đảm bảo an toàn cho hệ thống trên ống phân phối có gắn cảm biến áp suất

và ở đầu hoặc cuối có bố trí van an toàn, nếu áp suất tích trữ trong ống rail lớn quá giới hạn van an toàn sẽ mở để nhiên liệu trở về thùng chứa nhanh hơn

➢ Các bộ phận chính của hệ thống nhiên liệu:

+ Lọc nhiên liệu: Có tác dụng lọc nước có lẫn trong nhiên liệu và lọc sạch những

tạp chất có kích thước lớn

Hình 2.6: Cấu tạo lọc nhiên liệu

+ Bơm cấp nhiên liệu (bơm thấp áp): Bơm cấp nhiên liệu là loại bơm bánh răng

ăn khớp trong Bơm này có nhiệm vụ hút nhiên liệu từ thùng chứa cung cấp cho bơm cao áp Bơm được bố trí trực tiếp trên thân bơm cao áp

Hình 2.7: Bơm bánh răng ăn khớp trong

+ Bơm cao áp: Có tác dụng hút và tăng áp suất nhiên liệu để đưa nhiên liệu vào

ống phân phối, ngoài ra bơm cao áp còn điều khiển áp suất nhiên liệu trong ống phân phối

Hình 2.8: Cấu tạo bơm cao áp loại ba piston

1 Trục lệch tâm; 2 Cam lệch tâm;3 Piston;4 Van nạp; 5 Lò xo hồi vị; 6 Bơm cấp nhiên liệu; 7 Van định lượng nhiên liệu; 8 Đường dầu hồi; 9 Đường dầu hồi về từ ống rail; 10 Đường dầu đến dầu đến ống rail; 11 Đường nhiên liệu từ bơm bánh

răng;12 Khoang bơm cao áp

Nguyên lý hoạt động:

Hình 2.9: Nguyên lý hoạt động bơm cao áp

Nguyên lý hoạt động của bơm cao áp được thể hiện trên hình 2.9: Khi ECU điều khiển mở van điện từ (SCV) cửa hút mở ra, nhiên liệu từ thùng được bơm cấp nhiên liệu hút và bơm vào bên trong bơm cao áp làm mở van nạp, nhờ có biên dạng cam lệch tâm khi quay cam đội piston chuyển động tịnh tiến làm tăng áp suất trong mạch cao áp, khi áp suất trong mạch cao áp thắng được lực đẩy của các lò xo trong van xả và

áp suất đường dầu cao áp thì van xả mở và đưa nhiên liệu tới ống phân phối, khi piston dịch chuyển xuống áp suất nhiên liệu trong đường cao áp thắng lực đẩy của lò

xo thì van xả đóng đồng thời van nạp mở, nhiên liệu lại được đưa vào bên trong Các van hút và van xả là van một chiều

Van định lượng có nhiệm vụ điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp cho bơm cao

áp Ngoài ra để giảm bớt khả năng tiêu thụ công của bơm cao áp và tránh việc làm nóng nhiên liệu một cách không cần thiết

+ Ống phân phối:

Trong hệ thống ống phân phối có nhiệm vụ dự trữ nhiên liệu có áp suất cao (áp suất cao nhất 1500bar) từ bơm cao áp và cung cấp một lượng nhiên liệu đồng đều cho các vòi phun Ngoài ra, ống phân phối còn có tác dụng làm giảm các xung dao động