Nghiên cứu động cơ tự cháy do nén hỗn hợp đồng nhất HCCI

Do đó, tình hình giao thông ngày càng phức tạp và nảy sinh ra các vấn đề cấp bách cần phải giải quyết như tai nạn giao thông, ô nhiễm môi trường, khủnghoảng nhiên liệu… Để giải qu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

SVTH: PHẠM HỒNG ĐẮC THỊNH MSSV: 13145255

GVHD: TS LÝ VĨNH ĐẠT

Tp Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2018

1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô

Tên đề tài

NGHIÊN CỨU ĐỘNG CƠ TỰ CHÁY DO NÉN

HỖN HỢP ĐỒNG NHẤT HCCI

SVTH: NGUYỄN MINH THÀNH MSSV: 13145235

SVTH: PHẠM HỒNG ĐẮC THỊNH MSSV: 13145255

GVHD: TS LÝ VĨNH ĐẠT

Tp Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2018

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên: 1 NGUYỄN MINH THÀNH MSSV: 13145235

2 PHẠM HỒNG ĐẮC THỊNH MSSV: 13145255

Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô Mã ngành đào tạo: 52510205

Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ đào tạo:

Khóa: 2013 Lớp: 139450

1 Tên đề tài

Nghiên cứu động cơ tự cháy do nén hỗn hợp đồng nhất HCCI

2 Nhiệm vụ đề tài

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết động cơ tự cháy do nén hỗn hợp đồng nhất HCCI

- Phân tích đặc điểm kết cấu của động cơ HCCI

- So sánh ưu và nhược điểm của động cơ HCCI

3 Sản phẩm của đề tài

- Thuyết minh đề tài

- Đĩa CD

4 Ngày giao nhiệm vụ đề tài: 12/06/2017

5 Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, em xin cảm ơn nhà trường và quý thầy cô đã xây dựng môi trườnghọc tập tốt, truyền đạt kiến thức cũng như những kinh nghiệm để em có thể gặt háiđược thành quả trong các năm qua

Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Lý Vĩnh Đạt Thầy là ngườihướng dẫn nhiệt tình, luôn đưa ra những nhận xét đúng đắn để em hoàn thành được đềtài tốt nghiệp kịp thời và hoàn thiện nhất có thể

Sau cùng, tuy có nhiều nỗ lực, nhưng do thời gian thực hiện đề tài không nhiều

và kiến thức, kinh nghiệm còn hạn chế nên đồ án tốt nghiệp còn nhiều thiếu sót Do đó,

em kính mong quý thầy cô, bạn bè thông cảm và rất mong nhận được ý kiến từ mọingười để hoàn thiện đề tài tốt hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 01 năm 2018

Nhóm sinh viên thực hiện:

Nguyễn Minh Thành Phạm Hồng Đắc Thịnh

IX

LỜI NÓI ĐẦU

Trong xu thế hội nhập hiện nay, nền công nghiệp Việt Nam đang phát triển rấtmạnh và đặc biệt là ngành kỹ thuật ô tô Vấn đề đi lại, vận chuyển ngày càng tăng củacon người trên toàn thế giới Ô tô gần như là phương tiện chủ lực đáp ứng mọi nhu cầu

đó Công nghệ ô tô là một ngành khoa học kỹ thuật phát triển rất nhanh trên phạm vitoàn thế giới, để đáp ứng nhu cầu trên đã làm cho tốc độ gia tăng số lượng ô tô trên thếgiới rất nhanh Do đó, tình hình giao thông ngày càng phức tạp và nảy sinh ra các vấn

đề cấp bách cần phải giải quyết như tai nạn giao thông, ô nhiễm môi trường, khủnghoảng nhiên liệu… Để giải quyết các vấn đề đó, đòi hỏi ngành công nghệ ô tô phải ápdụng khoa học kỹ thuật tiên tiến trong thiết kế, ứng dụng các nguyên vật liệu và côngnghệ hiện đại để cho ra đời những chiếc xe ngày càng hoàn hảo với tính năng vậnhành, tính an toàn vượt trội và thân thiện với môi trường, đồng thời có hiệu suất cao.Một trong những động cơ đang được các nhà sản xuất nghiên cứu và đã được áp dụngtrên xe đó là động cơ tự cháy do nén hỗn hợp đồng nhất HCCI (Homogeneous chargecompression ignition) Động cơ HCCI là một sự kết hợp giữa động cơ xăng thôngthường, động cơ diesel và là một trong những động cơ được khách hàng quan tâm hiệnnay khi mua xe ô tô vì những lợi ích mà nó mang lại khi sử dụng như: tiết kiệm nhiênliệu, giảm ô nhiễm môi trường, đạt được hiệu quả cao hơn 30% so với động cơ xăng

trong quá trình học tập, em đã được tiếp xúc, tìm hiểu trên các bài báo và nhận thấyđây là đề tài liên quan đến chuyên nghành cơ khí động lực của mình Chính vì vậy

chúng em đã chọn đề tài tốt nghiệp: “ Nghiên cứu động cơ tự cháy do nén hỗn hợp

đồng nhất HCCI ”.

Đề tài ” nghiên cứu động cơ tự cháy do nén hỗn hợp đồng nhất HCCI ” cũng giúpcho em hiểu thêm về nguyên lý hoạt động của động cơ HCCI Bằng các nguồn tài liệutrên internet, tra cứu và tổng hợp, đề tài đã tìm hiểu được các nội dung sau:

 Khái quát tình hình phát triển của động cơ HCCI

 Lý thuyết về quá trình cháy và các thông số ảnh hưởng trên động cơ HCCI

 Bước phát triển của HCCI là động cơ GDCI

X

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP III

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Error! Bookmark not defined PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Error! Bookmark not defined XÁC NHẬN HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN Error! Bookmark not defined.

LỜI CẢM ƠN VII

TÓM TẮT Error! Bookmark not defined.

MỤC LỤC IX DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT XII DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ XV DANH MỤC CÁC BẢNG XVIII

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.3 Phạm vi nghiên cứu 2

1.4 Phương pháp nghiên cứu 2

1.5 Nội dung nghiên cứu 2

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ HCCI 4

2.1 Lịch sử hình thành động cơ HCCI 4

2.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ HCCI 6

2.3 Ưu và nhược điểm của động cơ HCCI 6

2.3.1 Ưu điểm của động cơ HCCI 6

2.3.2 Nhược điểm động cơ HCCI 10

2.4 Thách thức và tiềm năng 12

2.4.1 Thách thức 12

a Kiểm soát thời điểm đánh lửa trên một dải tốc độ và tải trọng 13

b Mở rộng phạm vi hoạt động sang chế độ tải cao 13

XI

c Khả năng bắt đầu lạnh 14

d Phát thải Hydrocacbon và Carbon Monoxide 14

2.4.2 TIỀM NĂNG 14

a.Kiểm soát thời điểm đánh lửa 14

b.Kiểm soát tốc độ cháy cho vận hành cao 15

c.Khởi động lạnh 16

d Kiểm soát khí thải 16

e Hoạt động tạm thời 17

f Hệ thống điều khiển 18

g Phát triển hệ thống nhiên liệu 18

h Hiệu ứng nhiều xylanh 19

i Mô hình cháy 19

2.5 Những phát triển gần đây của động cơ HCCI 20

2.5.1 Hiểu biết cơ bản 22

2.5.2 Những tiến bộ trong điều khiển tốc độ và tải 23

2.5.3 Kết quả sử dụng nhiên liệu khác nhau 24

2.5.4 Ứng dụng đầu tiên của công nghệ HCCI 25

CHƯƠNG III: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ 28

3.1 Các phương pháp hình thành hỗn hợp trên động cơ HCCI 28

3.1.1 Hình thành hỗn hợp bên ngoài (PFI) 28

3.1.2 Hình thành hỗn hợp bên trong xylanh 29

a Phun sớm nhiên liệu vào đầu hành trình nén 29

b Phun muộn 32

3.2 Quá trình cháy của động cơ 34

3.2.1 Tính chất tỏa nhiệt 34

3.2.2 Điều khiển quá trình cháy trong động cơ HCCI 35

3.3 Các thông số đặc trưng của quá trình cháy 36

XII

3.3.1 Tốc độ tỏa nhiệt trong xylanh động cơ 36

3.3.2 Xác định thời điểm bắt đầu cháy 39

3.3.3 Các thông số chỉ thị của động cơ 40

a Áp suất chỉ thị trung bình pi 40

b Hiệu suất chỉ thị của động cơ ηi 41

3.3.4 Giới hạn hoạt động và khí thải 42

CHƯƠNG IV: MỘT SỐ BƯỚC PHÁT TRIỂN MỚI TRÊN ĐỘNG CƠ HCCI 46

4.1 Quá trình phát triển của GDCI 46

4.2 Các phương pháp hình thành hỗn hợp trên GDCI 51

4.2.1 Hình thành hỗn hợp bên ngoài 51

4.2.2 Hình thành hỗn hợp bên trong 56

4.3 Quá trình phun và các ảnh hưởng trên GDCI… 61

4.3.1 Quá trình phun 61

4.3.2 Ảnh hưởng của quá trình phun lên sự cháy và phát thải 64

a Động cơ đốt trong ổn định dưới chế độ tải thấp 64

b Ảnh hưởng của cấu hình phun trên sự cháy thông thường và PPCI dưới một tốc độ động cơ của 1200r / min và phun lượng 20mg / stroke 69

CHƯƠNG V: NHỮNG THÀNH CÔNG MỚI NHẤT CỦA ĐỘNG CƠ HCCI 73

5.1 Tình hình công nghệ động cơ HCCI 73

5.2Động cơ Skyactiv-X của Mazda 77

5.2.1 Giới thiệu 77

5.2.2 Thành công trong phát triển động cơ 79

a Ưu điểm của việc cháy hỗn hợp nghèo 79

b Kiểm soát nén đánh lửa bằng bu gi 79

5.2.3 Những giá trị của Skyactiv - X mang lại 83

CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

XIII

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

A/F (Air to Fuel ratio): tỷ lệ không khí nhiên liệu

AR (Active Radical): hoạt động triệt để

ARC (Active Radical Combustion): hoạt động cháy triệt để

ATAC (Active Thermo Atmospheric Combustion): hoạt động gia nhiệt cho

buồng cháyATDC (After Top Dead Center): sau điểm chết trên

BDC (Bottom Dead Center): điểm chết dưới

BMEP (Brake Mean Effective Pressure): áp suất hiệu dụng trung bình có íchBSFC (Brake Specific Fuel Consumption): tiêu hao nhiên liệu có ích

CAI (Controlled Autoignition): điều khiển tự cháy

CCS (Combat Combustion System): hệ thống kiểm soát quá trình cháyCFD (Computational Fluid Dynamics): tính toán động lực học của chất lỏng

CI (Compression Ignition): nén đánh lửa

CIDI (Compression-Ignition Direct-Injection): nén cháy phun trực tiếpCIHC (Compression Ignited Homogenous Charge): nén cháy hỗn hợp đồng

nhấtCOV (Coefficient Of Variation): hệ số biến thiên

CR (Compression Ratio): tỷ số nén

CVI (Close Valve Injection): đóng van phun

ĐCĐT Động cơ đốt trong

EGR (Exhaust Gas Recirculation): luân hồi khí thải

EMS (Electronically-Modulated Suspension): hệ thống treo điều biến điện tửEOC (Engine Oil Cooler): làm mát dầu bôi trơn

XIV

EOI (End Of Injection): kết thúc phun

GDCI (Gasonline Direct Compression Igition): Động cơ phun xăng trực tiếp

tự cháyGDI (Gasonline Direct Injection): phun xăng trực tiếp

GM (General Motors): Hãng ôtô GM

HCCI (Homogenous Charge Compression Ignition): cháy do nén hỗn hợp

đồng nhấtHCLI (Homogeneous Charge Late Injection): hình thành hỗn hợp nạp đồng

nhất bằng cách phun muộnHFS (Heavy Fuel Stratification): phân tầng nhiên liệu nặng

HLSI (Homogenous Lean Charge Spark Ignition): cháy hỗn hợp nghèo đồng

nhất

HPLI (Highly Premixed Late Injection): phun muộn hỗn hợp được hòa trộn

caoIMEP (Indicated Mean Effective Pressure): áp suất chỉ thị trung bình

ISFC (Indicated Specific Fuel Consumption): Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thịIVO (Inlet Valve Opening): xupap nạp mở

MCCT Môi Chất Công Tác

MK (Modulated Kinetics): điều biến động lực học

MULDIC (Multiple Stage Diesel Combustion): cháy nén hỗn hợp được hình

thành nhiều giai đoạnNADI (Narrow Angle Direct Injection): thu hẹp góc phun nhiên liệu

ODT (One Dimensional Turbulence): sự rối kích thước một chiều

OKP (Optimised Kinetic Process): quá trình phản ứng tối ưu

OVI (Open Valve Injection): mở van phun

PCCI (Premixed Charge Compression Ignition): cháy do nén hỗn hợp hình

thành từ trướcPFI (Port Fuel Injection): phun nhiên liệu trên cổ nạp

XV

PFS (Partial Fuel Stratification): phân tầng nhiên liệu một phần

PNGV (Partnership for a New Generation of Vehicles): hợp tác cho một thế

hệ xe mới

PPCI (Partially Premixed Charge Compression Ignition): trộn một phần hỗn hợp nén đánh lửaPREDIC (Premixed Lean Diesel Combustion): cháy do nén hỗn hợp nghèo hình

thành từ trước

R & D (Research and Development): nghiên cứu và phát triển

SACI (Spark-Assisted Compression Ignition): nén đánh lửa được hỗ trợ bằng

sparkSCCI (Stratified Charge Compression Ignition): phân tầng hỗn hợp nén đánh

lửa

SI (Spark Ignition): đánh lửa cưỡng bức

SMD (Sauter Mean Diameter): đường kính trung bình Sauter

SOI (Start Of Injection): bắt đầu phun

SPCCI (Spark- Controlled Compression Ignition): kiểm soát đánh lửa nén

cháyTDC (Top Dead Centre): điểm chết trên

TDI (Turbo-Diesel Direct Injection): phun trực tiếp turbo-diesel

UNIBUS (Uniform Bulky Combustion System): hệ thống cháy đồng nhất vùng

lớnVCR (Variable Compression Ratio): tỷ lệ nén biến thiên

VVA (Variable Valve Actuation): bộ điều khiển xu pap biến thiên

VVC (Variable Valve Control): điều khiển xupap biến thiên

VVT (Variable Valve Timing): phân phối khí biến thiên

XVI

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 2.1: Động cơ diesel bầu nhiệt (2 kỳ) 4

Hình 2.2: So sánh quá trình cháy thông thường và quá trình cháy HCCI 6

Hình 2.3: So sánh áp suất trong xylanh của HCCI và động cơ xăng 7

Hình 2.4: Vùng làm việc chính của động cơ HCCI 8

Hình 2.5: Cơ chế hình thành NOx và bồ hóng của các loại động cơ 8

Hình 2.6: So sánh phát thải NOx của các loại động cơ 9

Hình 2.7: Mô hình động cơ HCCI đa nhiên liệu của Zhen Huang 10

Hình 2.8: Tỷ lệ phát thải NOx, HC, CO theo λ 11

Hình 2.9: Đồ thị công suất động cơ HCCI với nhiên liệu LPG 12

Hình 2.10: Quan sát mặt bên và mặt trước của động cơ 2,5 lít của Nissan MK 26

Hình 2.11: Mặt cắt về hoạt động tải của Honda 26

Hình 3.1: Các phương pháp phun nhiên liệu của động cơ HCCI 28

Hình 3.2: So sánh chất lượng và hình dạng phun FREDIC và diesel truyền thống 30 Hình 3.3: So sánh hình dạng phun diezen truyền thống và PREDIC 30

Hình 3.4: Quy luật cấp nhiên liệu hệ thống MULDIC 30

Hình 3.5: Bảng đồ vùng làm việc động cơ UNIBUS 31

Hình 3.6: Kết cấu buồng cháy của hệ thống NADI 31

Hình 3.7: Ảnh hưởng của phun muộn đến tốc độ tỏa nhiệt 32

Hình 3.8: Vùng hoạt động của động cơ 33

Hình 3.9: Đặc tính tỏa nhiệt của các loại động cơ 34

Hình 3.10: Sơ đồ điều khiển thời điểm cháy động cơ HCCI theo vòng kín 35

Hình 3.11: Minh họa nhiệt tích lũy xác định thời điểm cháy 36

Hình 3.12: Tốc độ tỏa nhiệt trong xylanh theo góc quay trục khuỷu 39

Hình 3.13: Đạo hàm tốc độ tỏa nhiệt trong xylanh theo góc quay trục khuỷu 39

Hình 3.14: Phương pháp cô lập các điểm cực đại của đạo hàm tốc độ tỏa nhiệt trong xylanh theo góc quay trục khuỷu 40

Hình 4.1: Bảng lịch trình của Delphi để sản xuất động cơ GDCI nhiều xylanh vào năm 2012 47

Hình 4.2: Thử nghiệm động cơ xylanh đơn GDCI (Hydra) 48

XVII

Hình 4.3: Giai đoạn đầu tiên được Delphi hoàn thành vào năm 2013 49

Hình 4.4: Động cơ nhiều xylanh GDCI được Delphi thực hiện năm 2013 50

Hình 4.5: Khái niệm động cơ GDCI 51

Hình 4.6: Các sơ đồ chuẩn bị hỗn hợp bên ngoài khác nhau trong động cơ đốt trong HCCI hỗn hợp 52

Hình 4.7: Số lượng dầu bám dính tối đa trên cổng nạp và trong xylanh đồng nhất hỗn hợp cho các kết thúc khác nhau của thời gian phun PFI 54

Hình 4.8: Phần nhỏ của nhiên liệu bốc hơi như là một chức năng của nhiệt lượng tổng thể cho nhiệt độ bề mặt liên tục 55

Hình 4.9: Mức độ không đồng nhất của (a) phần khối lượng nhiên liệu và (b) trường nhiệt độ trong một động cơ PFI 56

Hình 4.10: chiến lược phun nhiên liệu khác nhau và chất lượng phí dựa trên sự phân tầng ở nhiệt độ thấp cháy bằng xăng 57

Hình 4.11: Sự phát triển thời gian của chiều dài chất lỏng cho phun xăng và dầu diesel tại cùng thời điểm phun nhiên liệu 58

Hình 4.12: Chiều dài chất lỏng của phun dầu diesel và xăng cho thời gian phun nhiên liệu khác nhau 59

Hình 4.13: Tỷ lệ phân bố nhiên liệu-không khí sau khi kết thúc hút nhiên liệu vào động cơ PPC 60

Hình 4.14: (a) Tỷ lệ nhiên liệu trong lần phun đầu tiên (thí điểm) và (b) giai đoạn trộn theo chức năng của IMEP trong quá trình cháy PPC……… …………61

Hình 4.15: Quá trình phun GDCI được mô tả trên sơ đồ  -T với nồng độ CO 62

Hình 4.16 a: Biểu đồ  -T ở -50 CAD ATDC (trong lần phun đầu tiên) 62

Hình 4.16 b: Biểu đồ  -T ở -34 CAD ATDC (phun lần thứ 2) 63

Hình 4.16 c: Biểu đồ  -T ở -10 CAD ATDC (trước khi bắt đầu quá trình cháy) 63

Hình 4.16 d: Biểu đồ  -T ở -0 CAD ATDC (gần bắt đầu quá trình cháy) 63

Hình 4.16 e: Biểu đồ  -T ở 21 CAD ATDC (gần cuối quá trình cháy) 64

Hình 4.17: Trình báy các đặt tính cháy với kim phun (a) IMEP: Indicated Mean Effective Pressure.(Áp suất chỉ thị trung bình), (b) cháy hiệu quả và (c) COVIMEP lúc áp suất lượng khác nhau và áp suất phun (dưới: động cơ tốc độ = 800r/min, số lượng phun = 10mg/stroke; top: động cơ tốc độ = 1200r/phút, phun số lượng = 20 mg/stroke) 65 Hình 4.18: COVIMEP và cháy hiệu quả theo áp suất lượng và áp suất phun (động

cơ tốc độ = 800r / min, số lượng phun = 10 mg/stroke) Một số điểm cho mỗi biểu

XVIII

tượng chỉ ra những điểm mà hiệu suất cao (COVIMEP, hiệu quả cháy) đã đạt được điều kiện cụ thể 66 Hình 4.19: Cháy đặc trưng: (a) IMEP, (b) COVIMEP và (c) cháy hiệu quả với các kim phun áp suất lượng khác nhau và áp suất phun (động cơ tốc độ = 800r/min, số lượng phun = 10mg/stroke) 67 Hình 4.20: Đặc điểm khí thải: (a) HC, (b) CO và (c) NOx với kim phun khác nhau ở

áp suất hút và áp suất phun (động cơ tốc độ = 800r / min, phun lượng = 10mg / stroke xăng) khác nhau 68 Hình 4.21: Xu hướng IMEP theo thời gian phun với kim phun khác nhau cho (a) xăng và (b) cơ diesel (tốc độ động cơ = 1200r / min; áp suất phun = 40MPa; phun lượng = 20mg / stroke xăng, 20.2mg / stroke diesel; lượng áp = 0.14MPa) 69 Hình 4.22: Sơ đồ của nhiên liệu phun từ vòi phun với phun góc độ 146 (trái) và 70 (bên phải) vào buồng cháy khi động cơ piston được đặt tại 240 CAD ATDC: After Top Dead Center( Sau điểm chết trên) 70 Hình 4.23: Nhiên liệu năng lượng mất mát ở thời điểm phun sớm và phun muộn (động cơ tốc độ = 1200r/phút, số lượng phun = 20mg/stroke, phun = 8H 70) 71 Hình 4.24: HC, CO và lượng khí thải NOx theo thời gian phun của kim phun cơ sở (8 H 146) và 8 H 70 (a) xăng và (b) động cơ diesel (động cơ tốc độ = 1200r/min; số lượng phun = 20 mg/stroke xăng, 20,2 mg/stroke động cơ diesel) 71 Hình 4.25: ISNOx và ISFC cho các đầu phun khác nhau (tốc độ động cơ = 1200 r / phút, áp suất phun = 40 MPa, lượng phun = 20 mg / giây cho xăng) 72 Hình 5.1: General Motors đã đưa nguồn R & D đáng kể vào nghiên cứu công nghệ HCCI 73 Hình 5.2: Động cơ Skyactiv-X 78 Hình 5.3: Bản đồ để đi đến động cơ đốt trong lý

tưởng 79

Hình 5.4: SPCCI 80 Hình 5.5: Skyactiv-X: cấu trúc cơ bản của hệ thống 81 Hình 5.6: Phân bố hỗn hợp nhiên liệu không khí trong SPCCI 82

Hình 5.9: Những con số mục tiêu cho hiệu suất sử dụng nhiên liệu của

Skyactiv-X 85

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Bảng tóm tắt về những phát triển gần đây về công nghệ HCCI

……… ………20,21

XX

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN1.1 Lý do chọn đề tài

Xu hướng phát triển động cơ đốt trong ngày nay chủ yếu tập trung vào các mụctiêu chính là nâng cao hiệu quả và đặc tính kỹ thuật của động cơ, nâng cao tính kinh tếnhiên liệu và giảm các thành phần phát thải độc hại Các giải pháp để đạt được cácmục tiêu trên bao gồm nghiên cứu cải thiện và nâng cao hiệu quả quá trình cháy,nghiên cứu các phương án hình thành hỗn hợp và hệ thống đánh lửa mới, nghiên cứucác giải pháp giảm phát thải và xử lý khí thải…

Sự ra đời của động cơ đốt trong (ĐCĐT) là một bước tiến vĩ đại của nền khoahọc thế giới, ĐCĐT được sử dụng như là nguồn động lực phổ biến trong các lĩnh vựccông nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp, ngư nghiệp, quân sự, an ninh, quốc phòng,giao thông vận tải…Ngay từ khi ra đời động cơ đốt trong được chia làm hai loại chính:động cơ đánh lửa cưỡng bức (động cơ xăng) và động cơ nén cháy (động cơ diesel).Ngày nay, phần lớn các động cơ đánh lửa hoạt động với hỗn hợp lý tưởng để đạtđược hiệu quả cao nhất cho quá trình xử lý khí thải Vì hệ số dư lượng không khí gầnnhư không đổi, nên muốn thay đổi tải trọng của động cơ, cần điều chỉnh lượng khí nạpmới 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, tổn hao công 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 hiệntượng kích nổ, thông thường tỷ số nén của động cơ đánh lửa nằm trong khoảng từ 6đến 12 Vì vậy động cơ đánh lửa có hiệu suất thấp và phát thải khí thải lớn

Ngoài ra ĐCĐT sử dụng nhiên liệu là dầu mỏ gây ra cạn kiệt tài nguyên thiênnhiên mặt khác lại ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Theo các nhà nghiên cứu thuộcđại học California: thế giới sẽ cạn kiệt dầu mỏ khoảng 100 năm trước khi có đủ cácnguồn năng lượng thay thế nếu việc sử dụng dầu mỏ và phát triển các nhiên liệu mớitiếp tục với tốc độ như hiện nay Dầu mỏ sẽ cạn kiệt vào năm 2041 hoặc lâu hơn là vàonăm 2054 Chính vì vậy việc yêu cầu sử dụng nhiên liệu sao cho hợp lý là một vấn đềđặt ra đối với động cơ đốt trong trong giai đoạn hiện nay

Với nguy cơ ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính các quốc gia đã kiểm soátthành phần khí thải động cơ một cách chặt chẽ bằng cách đưa ra các tiêu chuẩn về khíthải ngày càng hết sức khắt khe

Với những quy đinh nghiêm ngặt về tiêu chuẩn khí thải ngày càng cao Tiêuchuẩn khí thải của các quốc gia khu vực và quốc gia quy định các tiêu chí khí thải phổbiến như: Euro, Nhật, Mỹ (ESP)… Tất cả các tiêu chuẩn khí thải định mức về nồng độcủa các loại khí sinh ra trong quá trình xe hoạt động như nitrogen oxide (NOx),hydrocarbons (HC), carbon monoxide (CO) và các hạt vật chất (PM), khói đen… đốivới các loại động cơ khác nhau với các dung tích xylanh khác nhau Mục tiêu của các

XXI

tiêu chuẩn này là để lọai trừ những chiếc xe tạo ra quá nhiều ô nhiễm (do hỏng hóc haycũ ) và cũng vì mục đích bảo vệ môi trường Các nhà sản xuất xe cũng vì thế mà cóđộng lực và cả áp suất nhằm tạo ra những chiếc xe xanh hơn, sạch hơn, phù hợp vớinhững tiêu chuẩn Euro cao hơn

Và một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn là động cơ tự cháy do nén hỗn hợp đồngnhất (HCCI) Mô hình cháy HCCI với các ưu điểm về hiệu suất nhiệt cao và phát thảiNOx và PM rất nhỏ là một trong những hướng nghiên cứu phát triển động cơ trongtương lai, bên cạnh đó động cơ này rất thích hợp sử dụng các loại nhiên liệu thay thế

có nguồn gốc sinh học Đó là lý do em chọn đề tài: “Nghiên cứu động cơ tự cháy do

nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI)”.

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Đồ án có mục đích tổng thể là nghiên cứu về quá trình hình thành hỗn hợp vàcháy trên động cơ (HCCI)

Mục tiêu cụ thể của đồ án là:

- Nghiên cứu phương pháp hình thành hỗn hợp trên động cơ HCCI

- Đánh giá tính tỏa nhiệt, xác định thời điểm bắt đầu cháy và điều khiển quá trìnhcháy của động cơ HCCI

- Xác định được các nguyên tắc đốt của động cơ HCCI

- Đem đến cho người đọc cái nhìn mới hơn và cung cấp thêm thông tin thamkhảo cho sinh viên trong và ngoài trường nghiên cứu về động cơ tự cháy do nén đồngnhất (HCCI)

1.4 Phương pháp nghiên cứu.

Trong quá trình thực hiện nghiên cứu đề tài nhóm em đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:

- Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với tài liệu sách nước ngoài về HCCI

- Phương pháp tra cứu và tổng hợp tài liệu tham khảo liên quan

1.5 Nội dung nghiên cứu.

XXII

- Chương 1: Tổng quan, chương này nêu lí do chọn đề tài, các phương pháp mà

tác giả sử dụng để thực hiện đề tài

- Chương 2: Giới thiệu tổng quan về động cơ HCCI, chương này trình bày tổng

quan về lịch sử phát triển, nguyên lý hoạt động, ưu và nhược điểm cũng như là nhữngphát triển gần đây trên động cơ

- Chương 3: Cơ sở lý thuyết về quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trong động

cơ, chương này tập trung nghiên cứu về quá trình hình thành hỗn hợp, quá trình cháy

và các thông số đặc trưng của quá trình này

- Chương 4: Một số bước phát triển mới trên động cơ HCCI, chương này sẽ trình

bày về quá trình hình thành hỗn hợp, quá trình phun và các ảnh hưởng của quá trình

này.

- Chương 5: Những thành tựu mới nhất của động cơ HCCI, chương này sẽ trình

bày những điểm nổi bật của động cơ Skyactiv-X của Mazda sẽ được bán vào năm2018

XXIII

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ HCCI

2.1 Lịch sử hình thành động cơ HCCI

Trong thập niên đầu thế kỷ XXI một lượng các công trình khoa học đã được xuấtbản liên quan đến mô hình cháy HCCI cho động cơ diesel và CAI cho động cơ xăngtrên động cơ đốt trong [1]

 Động cơ diesel HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition: tự cháy do

nén hỗn hợp đồng nhất)

Nguồn gốc nguyên lý cháy này đã được ứng dụng trên động cơ có tên Hot bulbengine (động cơ diesel bầu nhiệt) của Herbert Akroyd Stuart vào cuối thế kỷ XIX [2].Trên động cơ này, dầu hoả hoặc dầu thô được phun vào trong bầu nhiệt ngay từ đầuquá 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 lửacháy từ bên ngoài Sau khi khởi động, bầu nhiệt vẫn giữ được nhiệt nhờ quá trình cháynhiên liệu bên trong bầu Nhiệt độ bầu lớn đến nỗi nhiên liệu bay hơi gần như ngay lậptức khi tiếp xúc với bề mặt của bầu Do hỗn hợp được hoà trộn từ rất sớm, nên có thểtạo được hỗn hợp đồng nhất, kết quả dẫn đến hỗn hợp tự cháy khi piston tiến gần đếnTDC

Từ nghiên cứu của Herbert Akroyd Stuart nguyên lý cháy do nén hỗn hợp đồngnhất đã bắt đầu được phát triển: động cơ máy bay 2 kỳ do một công ty nhỏ ở Anh sảnxuất có tên là Progress Aero Works (PAW) từ những năm 1940 Tuy nhiên, đến giữathập niên 90, những nghiên cứu đã bắt đầu có hệ thống hơn và tập trung vào khả năngứng dụng mô hình cháy HCCI cho động cơ diesel trên ô tô, kết quả nghiên cứu có tínhkhả quan nhất đó là phương pháp cung cấp nhiên liệu diesel cho động cơ HCCI sửdụng hệ thống nhiên liệu Common Rail phun nhiên liệu khi piston ở trong kỳ nén,được phát triển bởi công ty Nissan, Nhật Bản [3] từ đó nhiều công trình nghiên cứu đã

XXIV

đạt được những thành công trong việc kiểm soát quá trình cháy, giảm tiêu hao nhiênliệu, giảm NOx và PM.

Hình 2.1: Động cơ diesel bầu nhiệt (2 kỳ)

1: Bầu nhiệt 2:xylanh 3: piston 4: cácte - trục khuỷu

Động cơ xăng CAI (Controlled Auto Ignition: Điều khiển tự cháy).

Những nghiên cứu đầu tiên của động cơ xăng cháy theo nguyên lý HCCI/CAI làcủa Onishi [4] và Noguchi cùng cộng sự của mình trong năm 1979 Tuy nhiên cơ sở lýthuyết dựa theo nghiên cứu của nhà khoa học người Nga Nikolai Semenov cùng đồngnghiệp trong những năm 1930, đã thúc đẩy các nhà khoa học sau này tiếp tục nghiêncứu nhằm điều khiển quá trình cháy, giúp cho quá trình cháy nghèo trở nên ổn địnhhơn

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

2 kỳ với dung tích 250cc [5] Các động cơ này sử dụng năng lượng nhiệt của khí sót đểđẩy mạnh quá trình tự cháy CAI, Honda xác nhận giảm tiêu hao nhiên liệu lên tới 29%đồng thời thành phần HC chưa cháy cũng giảm.Từ đó mở rộng nghiên cứu động cơCAI phát triển trên động cơ đốt trong 4 kỳ như: nghiên cứu của Najt và Foster trênđộng cơ 4 kỳ 1 xylanh vào năm 1983 Năm 1992, Stockinger cùng cộng sự đã trìnhbày nghiên cứu đầu tiên về động cơ xăng 4 xylanh hoạt động nhờ khả năng tự cháycủa nhiên liệu trong dải tốc độ và tải trọng giới hạn thông qua việc nâng tỷ số nén vàsấy nóng khí nạp Đặc biệt là các công trình nghiên cứu thay đổi pha phối khí tại hãng

ô tô Lotus (VQ.Anh), Volvo (Thụy Điển), đại học Brunel (VQ Anh), viện hóa dầupháp (IFP) đã cho thấy khả năng ứng dụng động cơ CAI là rất lớn

Trong những năm gần đây, khả năng giữ lại một phần khí sót và tuần hoàn khíthải để kích thích và điều khiển quá trình tự cháy CAI đã được chứng minh bởi một sốlượng lớn các nhà nghiên cứu, vì vậy những động cơ thương mại có thể hoạt độngdưới mô hình cháy CAI mà không cần thiết phải thay đổi kết cấu ban đầu (tiết kiệmchi phí) của động cơ và phương tiện

Trong vòng hai thập niên trở lại đây, một số lượng lớn thuật ngữ đã được gán chocác mô hình cháy mới này của động cơ đốt trong, bao gồm ATAC (Active ThermoAtmospheric Combustion), TS (Toyota Soken), ARC (Active Radical Combustion)trên động cơ 2 kỳ, CIHC (Compression Ignited Homogenous Charge), HomogenousCharge Compression Ignition (HCCI), Controlled Autoignition (CAI), UNIBUS(Uniform Bulky Combustion System), PREDIC (PREmixed lean DIeselCombustion),MK (Modulated Kinetics), Premixed Charge Compression Ignition

XXV

(PCCI), OKP (Optimised Kinetic Process), Tất cả các thuật ngữ trên đều mô tả 2nguyên lý của mô hình cháy mới: hỗn hợp nhiên liệu và không khí được hình thànhđồng nhất từ trước và hỗn hợp tự cháy [6] Để thống nhất khái niệm động cơ mới nàythì gần đây các nhà khoa học đã công nhận khái niêm HCCI cho nguyên lý cháy mới

và HCCI là thuật ngữ duy nhất để thể hiện quá trình cháy mới trên động cơ dieselhoặc động cơ đốt trong khác như xăng, gas, nhiên liệu thay thế…

2.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ HCCI

Hình 2.2: So sánh quá trình cháy thông thường và quá trình cháy HCCI

Trên hình 2.2 thể hiện sự khác biệt giữa quá trình cháy của động cơ xăng, dieseltheo nguyên lý truyền thống và HCCI Có thể thấy rằng, trên động cơ xăng nguyênbản, 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 rađồng 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 diesel HCCI, hỗn hợp nhiên liệu vàkhông khí được hình thành từ trước (trên đường nạp hoặc trong xylanh) Sau đó hỗnhợp được nén lên đến nhiệt độ tự cháy vào cuối kỳ nén, tương tự như với động cơdiesel Ngoài ra có thể tăng nhiệt độ hỗn hợp ở cuối kỳ nạp thông qua gia nhiệt khínạp, sấy nóng bằng bugi xông hoặc tận dụng khí sót trong xylanh Tất cả nhữngphương pháp này có thể giúp cho hỗn hợp nhanh đạt đến nhiệt độ tự cháy hơn và hỗnhợp trở nên đồng nhất hơn

2.3 Ưu và nhược điểm của động cơ HCCI

XXVI

2.3.1 Ưu điểm của động cơ HCCI

Động cơ HCCI là sự kết hợp giữa động cơ động cơ xăng cháy cưỡng bức SI(Spark Ignition) và động cơ diesel nén cháy CI (Compression Ignition) Một động cơHCCI hoàn thiện gồm nhiều công nghệ tiên tiến như phun nhiên trực tiếp hoặc phuntrên đường nạp, pha phối khí thông minh, hệ thống tuần hoàn khí thải EGR (ExhaustGas Recirculation), hệ thống thay đổi tỷ số nén (VCR) Mục đích để điều khiển và tối

ưu quá trình tự cháy, giảm các chất ô nhiễm trong khí thải, do đó động cơ HCCI cónhững ưu điểm nổi bật sau:

 Động cơ HCCI cho công suất cao:

Hình 2.3: So sánh áp suất trong xylanh của HCCI và động cơ xăng

- Tỷ số nén (´) cao: (´ ≥ 15) động cơ HCCI có thể làm việc với tỷ số nén lớn Tỷ

số nén càng lớn thì áp suất và nhiệt độ môi chất công tác (MCCT) càng cao, công suấtcàng lớn và giảm hệ số khí sót, động cơ tiết kiệm nhiên liệu hơn

- Hỗn hợp cháy đồng nhất, quá trình cháy xảy ra đồng thời, tại mọi điểm trong

buồng cháy nên hiệu suất nhiệt cao Quá trình cháy động cơ HCCI tương tự như giaiđoạn cháy không kiểm soát (giai đoạn cháy nhanh) của động cơ diesel nên tốc độ tăng

áp suất lớn sinh ra áp suất đỉnh cao

- Không bị tổn thất công suất: động cơ HCCI không bị tổn thất áp suất do sự cảntrở của cánh bướm ga trên đường nạp Trong quá trình hoạt động của động cơ HCCI,cánh bướm ga không làm nhiệm vụ điều tiết hoạt động, thay vào đó là cách thức điềukhiển không cánh bướm ga (Unthrotle Engine) Cách thức điều khiển này là sự thayđổi tổng hợp các yếu tố đầu vào như khối lượng không khí nạp, khối lượng khí thảilưu hồi và khối lượng nhiên liệu được phun vào Công nghệ HCCI tránh sử dụng nănglượng vô ích để tạo chân không Thay vì đó, khí nóng từ quá trình cháy trước sẽ được

XXVII

đưa trở lại buồng cháy, động cơ sẽ sử dụng kết hợp nhiệt lượng của khí nóng và nhiệtsinh ra bởi quá trình nén hỗn hợp để tạo nên nhiệt độ đủ lớn để hỗn hợp bốc cháy.

 Tiết kiệm nhiên liệu đến 25-30% so với động cơ truyền thống: theo nghiên

cứu MIT [7] động cơ HCCI hoàn hảo có thể tiết kiệm đến 25-30% nhiên liệu Tuynhiên để làm được điều này thì phải điều khiển được các thông số trên động cơ và điềukhiển động cơ một cách chính xác Honda đã thành công khi thiết kế động cơ ARC 2

kỳ có thể tiết kiệm nhiên liệu đến 29% tuy nhiên chưa được ứng dụng rộng rãi vì lý dokhí thải còn quá mức cho phép GM (General Motors) đã cho thử nghiệm động cơHCCI làm nguồn lực cho ô tô nhưng chỉ tiết kiệm được 15% nhiên liệu Điều này chothấy để hoàn thiện động cơ HCCI cần một thời gian để nghiên cứu và phát triển

- Động cơ HCCI hoạt động ổn định với hỗn hợp nghèo nhiên liệu: động cơ HCCI

sử dụng hỗn hợp nghèo để giới hạn tốc độ tỏa nhiệt và hình thành hỗn hợp cháy đồngnhất, tỷ số nén lớn do đó giảm thiểu lượng tiêu hao nhiên liệu

- Nguyên lý quá trình cháy động cơ HCCI là cháy nhanh, cháy đồng thời tại mọi điểm trong buồng cháy do hình thành rất nhiều trung tâm cháy.

 Giảm NOx và PM trong khí thải:

Hình 2.4: Vùng làm việc chính của động cơ HCCI

- NOx: một trong những lợi ích quan trọng nhất của quá trình cháy HCCI là giảmnồng độ NOx trong khí thải rất lớn (NOx hình thành khi nhiệt độ cháy cực đại lớn hơn2000ºC), giảm tới 90 - 98% so với quá trình cháy thông thường Để giảm nồng độNOx trong khí thải, hầu hết phải dùng bộ xử lý khí thải, các biện pháp kỹ thuật tácđộng tới hình thành hỗn hợp thường làm nhiệt độ giảm, áp suất tăng, tỷ số nén vượtquá giá trị giới hạn Ngày nay, quá trình cháy HCCI đã giải quyết được vấn đề này, khicùng tỷ lệ hỗn hợp thì nhiệt độ cháy của HCCI giảm Khi tăng tải, nhiệt độ cháy caonhất tăng nhưng thuận lợi hơn động cơ diesel

XXVIII

Hình 2.5: Cơ chế hình thành NOx và bồ hóng của các loại động cơ

Hình 2.6: So sánh phát thải NOx của các loại động cơ

Hình 2.6: thể hiện kết quả so sánh nồng độ NOx trong khí thải của 3 loại độngcơ: HCCI, diesel, diesel với EGR (cùng loại động cơ) Tỷ số nén của các loại động cơđều là 16:1[8]

PM (thường chứa 40% dầu bôi trơn + 31% bồ hóng + 14% các muối sun-phátngậm nước + 7% diesel + 8% các chất còn lại): lợi ích quan trọng khác của quá trìnhcháy HCCI với động cơ diesel là có khả năng giảm đồng thời NOx và bồ hóng Bồhóng hình thành với khu vực giàu nhiên liệu (λ<0,8) và nhiệt độ trên 1400ºK hình 2.6.Động cơ HCCI có nhiệt độ cháy cực đại thấp, hình thành nhiều trung tâm cháy và hoạtđộng với λ nghèo nên lượng bồ hóng giảm đáng kể

 Chế tạo, lắp ráp dễ dàng, tiết kiệm chi phí: đặc điểm ưu thế của động cơ HCCI

là có thể sử dụng các chi tiết của động cơ có sẵn do đó không tốn kém trong việc chế

XXIX

tạo và xây dựng quy trình lắp ráp Tuy nhiên với các công nghệ đã và sẽ ứng dụng trênđộng cơ HCCI thì giá thành của loại động cơ này rất cao.

 Là động cơ đa nhiên liệu: động cơ HCCI có thể hoạt động với xăng, dầu diesel

hay các nhiên liệu thay thế Theo những nghiên cứu gần đây đã chế tạo và cải hoánđộng cơ truyền thống thành động cơ HCCI dùng nhiên liệu xăng, diesel, khí thiênnhiên và các loại nhiên liệu thay thế

Hình 2.7: Mô hình động cơ HCCI đa nhiên liệu của Zhen Huang

2.3.2 Nhược điểm động cơ HCCI

Mặc dù động cơ HCCI cho những ưu điểm nổi bật: công suất lớn, tiết kiệm nhiênliệu, giảm lượng lớn NOx và PM trong khí thải, có thể hoạt động với nhiều loại nhiênliệu khác nhau, tiết kiệm chi phí thiết kế, lắp ráp nhưng động cơ HCCI cũng có nhữngnhược điểm lớn cụ thể đó là:

 Khó hình thành hỗn hợp nghèo, đồng nhất: yêu cầu của động cơ HCCI đó là

hình thành được hỗn hợp nghèo mà đồng nhất để đảm bảo chất lượng quá trình cháycũng như yêu cầu về tính kinh tế, để làm được điều này phải điều khiển một cáchchính xác các thông số đầu vào, hệ thống nhiên liệu, nạp xả, tuần hoàn khí thải phảilàm việc chính xác Đối với động cơ HCCI sử dụng nhiên liệu xăng dễ hình thành hỗnhợp đồng nhất do tính chất lý hóa của nhiên liệu, nhưng đối với động cơ HCCI dieselviệc hình thành hỗn hợp đồng nhất gây khó khăn hơn nhiều vì tính chất diesel khó bayhơi

 Khó khăn trong việc điều khiển quá trình cháy: điều khiển thời điểm tự

cháy, thời gian cháy, nhiệt độ cháy…

XXX

- Ở động cơ xăng thời điểm cháy được điều khiển bằng cách thay đổi thời điểmbugi đánh lửa hay là điều chỉnh góc đánh lửa sớm, Đối với động cơ diesel được thựchiện bằng cách thay đổi thời điểm phun nhiên liệu hay điều chỉnh góc phun sớm nhằmtối ưu cho quá trình cháy Tuy nhiên ở động cơ HCCI việc điều chỉnh thời điểm tựcháy không hề đơn giản do hỗn hợp đã được chuẩn bị từ trước: hỗn hợp khi đạt đủnhiệt độ, áp suất thì sẽ diễn ra quá trình tự cháy Ngoài ra quá trình cháy HCCI diễn ranhanh, đồng đều, tại mọi điểm, tốc độ tăng áp suất lớn có thể dẫn đến tình trạng cháygấp và gây tiếng gõ cho động cơ Vì vậy phải kiểm soát tốt quá trình cháy của động cơ

để đảm bảo cho động cơ hoạt động với thời gian lâu dài và hiệu quả

- Để điều khiển được quá trình cháy phải kiểm soát được các thông số đầu vàonhư nhiệt độ khí nạp, tính chất của nhiên liệu, lượng khí sót trong buồng cháy, lượngkhí thải được tuần hoàn, áp suất trong xylanh…Với công nghệ hiện đại như hiện nay

có thể áp dụng các công nghệ tiên tiến với bộ xử lý bằng điện tử nhưng vẫn có nhiềukhó khăn trong việc triển khai và rất phức tạp vì liên quan đến hoạt động của cả hệthống Đây cũng là vấn đề chính mà các nhà khoa học hiện nay đang nghiên cứu

 Phát thải CO và HC lớn: trong động cơ HCCI do chuẩn bị quá trình cháy từ

trước nên một phần nhiên liệu bám vào thành ống nạp, xylanh và đỉnh piston làm tănglượng CO và HC trong khí thải Thêm vào đó động cơ HCCI hoạt động với hỗn hợpnghèo dẫn đến quá trình cháy không hoàn toàn, nhiệt độ cháy thấp gây khó khăn cho quátrình oxy hóa CO thành CO2 Theo những nghiên cứu của nhà khoa học người ĐứcSchloz thì nồng độ phát thải của HC của động cơ HCCI cao gấp 5 lần so với động cơdiesel thông thường, nồng độ CO cao gấp 10 tới 20 lần so với động cơ diesel thông

thường [10].

Hình 2.8: Tỷ lệ phát thải NOx, HC, CO theo λ

 Dải làm việc bị hạn chế và chuyển đổi giữa các chế độ làm việc khó khăn:

như đã trình bày ở phần nguyên lý hoạt động động cơ HCCI chỉ làm việc phù hợp ởchế độ tải nhỏ và trung bình do bị giới hạn bởi các yếu tố tiếng gõ, NOx và khôngcháy

XXXI

Ở chế độ tải nặng nếu vẫn duy trì nguyên lý cháy HCCI thì động cơ xuất hiệntiếng gõ kim loại hoặc không cháy, động cơ làm việc với tiếng ồn và tải trọng cơ hoclớn đồng thời hao tốn nhiên liệu, lượng chất độc hại trong khí thải cũng tăng nhanh.Nguyên nhân là do trong chế độ tải nặng tốc độ động cơ cao hỗn hợp khó tự cháy hơn

do không đủ thời gian để phản ứng Mặt khác để đảm bảo cho công suất của động cơhoạt động ở chế độ tải nặng thì phải cung cấp một lượng nhiên liệu nhiều hơn, trongkhi đó nhiệt độ động cơ và khí thải cao làm nhiên liệu hoà trộn không đều với khôngkhí, mật độ nhiên liệu chênh lệch quá mức cho phép, lúc đó hỗn hợp quá dễ bốc cháy vàcháy gấp, không hoàn toàn nên không thể kiểm soát được quá trình cháy làm giảmcông suất và hiệu suất của động cơ, điều này là một trở ngại lớn vì động cơ thường làmviệc trong chế độ này Để tránh tiếng gõ và khó tự cháy phương án được đưa ra và sửdụng nhiều nhất đó là động cơ HCCI sẽ chuyển sang hoạt động tương tự như động cơcháy cưỡng bức SI và động cơ nén cháy CI, nhược điểm của hai loại động cơ SI và CI

là ở chế độ tải nặng nhiên liệu cháy không hoàn toàn, nhiệt độ cháy lớn gây ra hao tốnnhiên liệu và tăng NOx, HC và PM

Hình 2.9: Đồ thị công suất động cơ HCCI với nhiên liệu LPG

Hình 2.9 là một kết quả nghiên cứu cải tạo động cơ diesel 1xylanh thành động cơHCCI của trường ĐH BK Đà Nẵng, sau khi cải tạo động cơ hoạt động với nhiên liệuLPG, [11] tỷ số nén ´ = 16, tốc độ định mức 2200v/ph Dựa vào đồ thị có thể thấyđộng cơ hoạt động ổn định với n = 700- 1200v/ph nhưng từ n > 1200v/ph công suấtcủa động cơ giảm và lượng tiêu hao nhiên liệu tăng nhanh

Ngược lại ở chế độ khởi động và cầm chừng nhiệt độ động cơ quá thấp, lượng khíthải tuần hoàn không đủ sấy nóng khí nạp nên động cơ cũng không cháy theo nguyên lýHCCI được, mặc dù có thể trang bị bộ sấy lắp trên đường nạp hoặc sử dụng bugi xông

và các phụ gia cho nhiên liệu nhưng những nghiên cứu gần đây cho thấy không đượcthành công cho lắm, phương pháp được sử dụng nhiều là dùng bugi đánh lửa hoặc điều

XXXII

khiển hệ thống nhiên liệu như của động cơ diesel, khi đủ nhiệt độ và áp suất thì chuyểnđổi chế độ qua HCCI.

Từ đó cho thấy muốn tăng dải làm việc và chuyển đổi chế độ một cách dễ dàng thìcần nghiên cứu trong một thời gian nữa để động cơ HCCI hoạt động tốt trong tương lai

 Giá thành cao: giá thành của động cơ HCCI phụ thuộc chủ yếu vào các hệ thống

được trang bị cho động cơ, một động cơ HCCI được cho là hoàn thiện gồm rất nhiều hệthống có trong nó: phân phối khí thông minh, tuần hoàn khí thải, tăng áp, hệ thốngnhiên liệu điều khiển bằng điện tử, ngoài ra có thể còn có thay đổi tỷ số nén tự động, hệthống điều khiển kỹ thuật số… Điều này cho thấy rằng giá thành của động cơ HCCI sẽ làrất cao so với động cơ đốt trong truyền thống, đây cũng là lý do mà động cơ HCCI hiệnnay vẫn khó đi vào thương mại

2.4 Thách thức và tiềm năng [12]

2.4.1 Thách thức

Việc tự cháy HCCI được thực hiện bằng cách điều khiển nhiệt độ, áp suất vàthành phần của hỗn hợp không khí, nhiên liệu để nó tự động hóa gần trung tâm điểmchết trên (TDC) khi nó nén bằng piston Chế độ đánh lửa này về cơ bản là khó khănhơn nhiều so với việc sử dụng một cơ chế kiểm soát trực tiếp như bugi hoặc bộ phunnhiên liệu để điều khiển thời gian đánh lửa như trong động cơ xăng (SI) và diesel(CIDI) Mặc dù HCCI đã được biết đến trong khoảng 20 năm, nhưng chỉ với sự ra đờigần đây của các động cơ điện tử, việc kiểm soát cháy HCCI có thể được xem xét để ápdụng cho động cơ thương mại Mặc dù vậy, một số rào cản kỹ thuật phải được khắcphục trước khi động cơ HCCI sẽ được khả thi để sản xuất với số lượng lớn và áp dụngcho một loạt các loại xe Sau đây mô tả những thách thức quan trọng hơn cho việc pháttriển các động cơ HCCI thực tế để sản xuất Chi tiết hơn về các rào cản kỹ thuật, cácgiải pháp tiềm tàng và R & D (Research and Development) cần thiết để khắc phụcchúng được nêu trong Một số vấn đề này có thể được giảm nhẹ hoặc loại bỏ nếu động

cơ HCCI được sử dụng trong một ứng dụng hybrid-điện

a Kiểm soát thời điểm đánh lửa trên một dải tốc độ và tải trọng

Mở rộng hoạt động kiểm soát của một động cơ HCCI trên một loạt các tốc độ vàtải trọng có lẽ là trở ngại khó khăn nhất đối với động cơ HCCI Khởi động HCCI đượcxác định bởi thành phần hỗn hợp nhiên liệu và nhiệt độ dư của nó Thay đổi công suấtcủa một động cơ HCCI đòi hỏi phải thay đổi tốc độ nạp nhiên liệu Do đó, nhiệt độ dưphải được điều chỉnh để duy trì thời gian tự cháy đúng Tương tự, việc thay đổi tốc độđộng cơ sẽ làm thay đổi khoảng thời gian để hóa học tự động hóa xảy ra liên quan đếnchuyển động piston Một lần nữa, nhiệt độ của hỗn hợp phải được điều chỉnh để bùđắp Những vấn đề kiểm soát này trở nên đặc biệt khó khăn trong thời gian quá độnhanh

XXXIII

Một số phương pháp kiểm soát tiềm năng đã được đề xuất để cung cấp bồithường cần thiết cho sự thay đổi về tốc độ và tải Một số hứa hẹn nhất bao gồm thayđổi lượng EGR nóng vào trong phí nạp, sử dụng cơ chế VCR để thay đổi nhiệt độTDC và sử dụng VVT để thay đổi tỷ số nén hiệu quả lượng dư còn lại được giữ lạitrong xylanh VCR và VVT đặc biệt hấp dẫn bởi vì thời gian đáp ứng của nó có thểđược thực hiện đủ nhanh để xử lý nhanh chóng thời gian quá độ Mặc dù các kỹ thuậtnày đã cho thấy tiềm năng mạnh mẽ nhưng chúng vẫn chưa được chứng minh đầy đủ,vấn đề chi phí và độ tin cậy phải được giải quyết.

b Mở rộng phạm vi hoạt động sang chế độ tải cao

Mặc dù các động cơ HCCI đã được chứng minh hoạt động tốt ở tải trọng thấpđến trung bình, nhưng gặp phải những trở ngại khi tải trọng cao Quá trình tự cháy cóthể trở nên rất nhanh và phức tạp, gây ra tiếng ồn không được chấp nhận, thiệt hạiđộng cơ tiềm ẩn và cuối cùng là mức thải NOx không được chấp nhận Nghiên cứu sơ

bộ cho thấy phạm vi hoạt động có thể được mở rộng đáng kể bằng cách phân tầng mộtphần phí (nhiệt độ và phân tầng hỗn hợp) ở tải trọng lớn để kéo căng sự giải phóngnhiệt Một số cơ chế tiềm năng tồn tại để đạt được sự phân tầng phụ tải một phần, baogồm phun nhiên liệu trong xylanh thay đổi, bơm nước, thay đổi lượng và quá trìnhtrộn xylanh để đạt được hỗn hợp nhiên liệu, không khí hỗn hợp không đồng nhất vàthay đổi dòng xylanh để thay đổi truyền nhiệt Mức độ mà các kỹ thuật này có thể mởrộng phạm vi hoạt động hiện chưa được biết và R & D sẽ tiếp tục nghiên cứu Donhững khó khăn trong hoạt động cao, hầu hết các khái niệm ban đầu đều liên quan đếnviệc chuyển đổi sang SI hoặc CI truyền thống cho các điều kiện hoạt động khi hoạtđộng HCCI khó khăn hơn Hoạt động chế độ kép này mang lại lợi ích của HCCI quamột phần đáng kể trong chu kỳ lái xe, nhưng thêm vào sự phức tạp bằng cách chuyểnđộng giữa các chế độ vận hành

c Khả năng bắt đầu lạnh

Khi bắt đầu lạnh, nhiệt độ khí nén trong một động cơ HCCI sẽ giảm vì nhiên liệukhông nhận được sự nóng lên từ ống dẫn khí nạp và nhiên liệu nén được làm mátnhanh chóng bằng nhiệt truyền từ các vách thành buồng cháy lạnh Nếu không có một

số cơ chế bù đắp, nhiệt độ nén thấp có thể ngăn không cho động cơ HCCI cháy Các

cơ chế bắt đầu làm lạnh ở chế độ HCCI đã được đề xuất như sử dụng các bộ phíchsáng, sử dụng nhiên liệu hoặc phụ gia nhiên liệu khác nhau và tăng tỷ số nén bằngVCR hoặc VVT Có lẽ cách tiếp cận thực tế nhất là khởi động động cơ ở chế độ đánhlửa tia lửa và chuyển sang chế độ HCCI sau khi khởi động Đối với động cơ đượctrang bị VVT, có thể làm cho giai đoạn khởi động này ngắn như một vài chu trìnhcháy, vì các mức dư lượng khí nóng cao có thể được giữ lại từ các chu trình bốc cháytrước đó để gây ra sự cháy HCCI Mặc dù các giải pháp khả thi, cần phải có R & Dđáng kể để thực hiện các khái niệm này và chuẩn bị cho các động cơ sản xuất

XXXIV

d Phát thải Hydrocacbon và Carbon Monoxide

Động cơ HCCI có lượng NOx và PM thấp nhưng ít phát thải khí hydrocacbon(HC) và carbon monoxide (CO) tương đối cao Một số tiềm năng tồn tại để giảm nhẹnhững phát thải này khi tải nhẹ bằng cách sử dụng trực tiếp phun nhiên liệu trongxylanh để đạt được phân tầng phù sa một phần thích hợp Tuy nhiên, trong hầu hết cáctrường hợp, việc kiểm soát lượng HC và CO từ động cơ HCCI sẽ yêu cầu các thiết bịkiểm soát khí thải Công nghệ xúc tác để loại bỏ HC và CO được hiểu rõ và đã đượcthực hiện các thiết bị tiêu chuẩn trên xe ô tô trong nhiều năm Tuy nhiên, nhiệt độ xảlạnh của động cơ HCCI có thể làm tăng thời gian tắt của chất xúc tác và giảm hiệu quảtrung bình Do đó, đáp ứng các tiêu chuẩn phát thải trong tương lai đối với HC và CO

sẽ đòi hỏi phải phát triển thêm các chất xúc tác oxy hóa cho dòng xả nhiệt độ thấp.Tuy nhiên, các thiết bị kiểm soát khí thải HC và CO thì đơn giản, bền hơn và ít phụthuộc vào các kim loại quí hiếm đắt tiền hơn các thiết bị kiểm soát khí thải NOx và

PM Do đó, quá trình oxy hoá hóa học đồng thời HC và CO (trong một động cơ HCCI)

dễ dàng hơn nhiều so với giảm hóa học NOx và oxy hóa PM (trong động cơ CIDI).Ngoài ra, các thiết bị kiểm soát khí thải HC và CO đơn giản, bền hơn và ít phụ thuộcvào các kim loại quý hiếm đắt tiền

2.4.2 TIỀM NĂNG

a Kiểm soát thời điểm đánh lửa

R & D (Research and Development) là cần thiết để phát triển các phương phápkiểm soát động cơ HCCI, vượt qua thách thức duy trì thời gian đánh lửa khi tải và tốc

độ thay đổi Duy trì thời gian đánh lửa tối ưu là thử thách đối với động cơ HCCI so vớicác động cơ thông thường bởi vì không có cơ chế tích cực, chẳng hạn như tia lửa điệnhoặc nhiên liệu, sẽ xác định thời điểm đánh lửa

Trong động cơ HCCI, thời gian đánh lửa được xác định bằng tỷ lệ phản ứng hóahọc của hỗn hợp, được điều khiển bởi thời gian, nhiệt độ và thành phần hỗn hợp.Trong các thông số này, thời điểm đánh lửa là nhạy nhất với nhiệt độ Do tốc độ và tảicủa động cơ (thời gian và hỗn hợp) thay đổi, thời gian đánh lửa cũng sẽ thay đổi, trừkhi nhiệt độ nạp được điều chỉnh để bù lại

Nhiều phương pháp kiểm soát nhiệt độ nạp gần TDC đã được đề xuất và một số

đã được chứng minh với điều kiện hạn chế Có lẽ cách đơn giản nhất để kiểm soátnhiệt độ tích điện trong một động cơ HCCI là để thêm vào một lượng nóng EGR, tuynhiên phản ứng là chậm và tạm thời không được xử lý tốt Ngoài ra, thay đổi nhiệt độbằng biến tỷ lệ nén biến thiên (VCR) gần đây đã được chứng minh là một cách tuyệtvời để kiểm soát thời gian đánh lửa HCCI Kỹ thuật này có thể được điều chỉnh đểđiều khiển tự động Ví dụ, SAAB vừa thông báo kế hoạch sản xuất với động cơ SI có

tỷ số nén thay đổi sử dụng cơ chế nghiêng xylanh thông minh, có thể dễ dàng thíchnghi với động cơ HCCI Cuối cùng, VVT có thể là cách linh hoạt nhất để kiểm soát

XXXV

nhiệt độ nạp VVT sẽ cho phép thay đổi nhiệt độ phí bằng cách thay đổi tỷ lệ nén hiệuquả và bằng cách thay đổi lượng dư dư trong buồng và sau đó có lợi thế tiềm ẩn chohoạt động cao và bắt đầu lạnh.

b Kiểm soát tốc độ cháy cho vận hành cao

Research and Development là cần thiết để phát triển các phương pháp để làmchậm tốc độ tự cháy trong động cơ HCCI ở tải động cơ cao để tránh tiếng ồn quá mức

và thiệt hại động cơ Do sự kết hợp của động lực học chậm và sự không đồng nhấttrong quá trình nạp, tốc độ giải phóng nhiệt trong các động cơ HCCI nhìn chung là đủchậm để hoạt động trơn tru và ổn định chấp nhận được ở tải trọng thấp và trungbình.Tuy nhiên, khi tải trọng cao, nhanh hơn và tỷ lệ giải phóng nhiệt từ HCCI gầnnhư trở nên rất nhanh, gây ra tiếng ồn không thể chấp nhận và thiệt hại động cơ Vàsau đây là mô ta về hai biện pháp được đề xuất:

 Thứ nhất, trong một khoảng thời gian ngắn hơn, khi tải trọng lớn, động cơ cóthể chuyển sang và chạy như một động cơ thông thường hoặc động cơ CIDI Hoạtđộng của SI có lợi thế để kiểm soát lượng khí thải NOx và nhiên liệu xăng cũng manglại nhiều lợi ích Mặt khác, hoạt động của CIDI có lợi thế là hiệu quả cao Việc chuyểnđổi sang hoạt động của SI có thể yêu cầu giảm tỷ lệ nén, điều này sẽ đơn giản đối vớimột động cơ được trang bị hệ thống VVT hoặc VCR Các kết quả gần đây từ StanfordVVT cho thấy loại khái niệm này có thể hoạt động, nhưng cần nỗ lực nghiên cứu vàphát triển để thúc đẩy khái niệm đến một phạm vi hoạt động rộng hơn và để phát triểncác chiến lược để chuyển đổi thông suốt giữa HCCI và SI hoặc CIDI hoạt động dướitải và trong thời gian quá độ

 Thứ hai, nhiệt độ nạp hoặc hỗn hợp có thể được phân tầng một phần để làmphẳng tốc độ giải phóng nhiệt Bởi vì ngay cả những thay đổi nhỏ trong nhiệt độ (~ 10

° C) có thể làm thay đổi đáng kể thời gian đánh lửa của HCCI, sự phân tầng theo nhiệt

độ là một phương tiện khả thi để phát tán nhiệt Sự phân tầng nhiệt có thể được thựchiện bằng các dòng xylanh biến đổi tạo ra tỷ lệ truyền nhiệt không đồng đều hoặc bằngcách trộn không đầy đủ hỗn hợp nhiên liệu hoặc không khí mát với các sản phẩm cháynóng còn lại Ngoài việc phân tầng theo nhiệt độ, phân tầng hỗn hợp một phần của cácthành phần nhiệt iso (hỗn hợp nhiên liệu không khí hoặc hỗn hợp tươi / dư) cũng cóthể tạo ra sự cháy HCCI theo từng giai đoạn Tiềm năng phân tầng phụ tải một phầnphần lớn không được khám phá Mức độ phân tầng không biết có thể mở rộng phạm vihoạt động trơn tru của một động cơ HCCI không, nhưng rất có khả năng là phạm vinày có thể được mở rộng đáng kể Research and Development là cần thiết để xác địnhtiềm năng của kỹ thuật này và để phát triển các phương pháp thực tế để đạt được yêucầu phân tầng và điều tra xem hoạt động phân tầng này làm tăng lượng NOx và lượngchất thải hạt

c Khởi động lạnh

XXXVI

Research and Development là cần thiết để phát triển các hệ thống mới giúp vượtqua thách thức về vấn đề đánh lửa trên động cơ HCCI mà không làm ảnh hưởng đếnhiệu suất của động cơ Các nghiên cứu trước đây chủ yếu được tiến hành khi động cơ

đã hoạt động và có ít nghiên cứu đã được tiến hành để giải quyết vấn đề khởi độnglạnh

Khí HCCI phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ tích điện Trong quá trình khởi độnglạnh, nhiên liệu, không khí không nhận được sự nóng lên từ các ống dẫn và cổng nạp

và truyền nhiệt từ nén đến thành buồng cháy với nhiệt độ thấp Sự kết hợp của nhữnghiệu ứng này có thể làm giảm đáng kể nhiệt độ khí nén và ngăn chặn một động cơHCCI bốc cháy Có ba giải pháp xuất hiện Thứ nhất, động cơ có thể được khởi độngnhư một động cơ đốt trong thông thường (SI), sau đó chuyển sang chế độ HCCI saumột lần khởi động ngắn Giai đoạn này có thể yêu cầu giảm tỷ lệ nén trong quá trìnhvận hành, hoạt động khởi động, có thể được thực hiện dễ dàng trên một động cơ đượctrang bị một hệ thống VVT hoặc VCR để xử lý các thông số quá độ VVT có thêm lợiích là cho phép để lại phần còn lại nóng từ chu kỳ trước; qua đó cho phép chuyển đổinhanh hơn tới HCCI (Động cơ cũng có thể được khởi động như một động cơ CIDI màkhông cần điều chỉnh tỷ lệ nén, nhưng nhiên liệu xăng như mang lại nhiều lợi thếhơn) Thứ hai, động cơ có thể được khởi động ở chế độ HCCI bằng cách tăng tỷ số néntrong quá trình khởi động lạnh, với hệ thống VVT hoặc VCR Thứ ba, phích cắm phátsáng có thể được sử dụng để hỗ trợ đánh lửa HCCI cho đến khi động cơ nóng lên Cáckết hợp của các hệ thống này cũng có thể được sử dụng

d Kiểm soát khí thải

Research and Development là cần thiết để phát triển các hệ thống kiểm soát khíthải và các chiến lược kiểm soát để vượt qua thách thức duy trì các mức phát thải cóthể chấp nhận được, đặc biệt là ở các tải trọng thấp Khi tải trọng thấp và trung bình,động cơ HCCI phát ra lượng NOx rất thấp, do đó không cần thiết kiểm soát khí thải đểgiảm NOx Tuy nhiên, do phạm vi hoạt động được mở rộng đến tải cao, lượng khí thảiNOx có thể trở nên quá mức và tốc độ tự cháy có thể trở nên quá nhanh

Khí thải từ Hydrocarbon (HC) và Carbon Monoxide (CO): các động cơ HCCInói chung có lượng phát thải HC khá cao Khi tải trọng lớn, phát thải HC ra cũngtương tự như của động cơ SI và có thể được kiểm soát bằng một chất xúc tác oxy hóa.Tuy nhiên, khi tải trọng thấp lượng khí thải HC sẽ trở nên tồi tệ hơn, có lẽ vì nhiệt độthấp đến mức nhiên liệu gần thành xylanh không cháy Ngoài ra, khi tải nhẹ, nhiệt độtrở nên quá thấp để hoàn thành các phản ứng CO đến CO2 Một kế hoạch phun phântầng một phần có thể làm giảm nhẹ các vấn đề có tải trọng thấp Thay vì có một hỗnhợp đồng nhất rất nạc, nhiên liệu có thể được tập trung gần trung tâm của xylanh Cáchỗn hợp này không chỉ cháy tốt ở chế độ HCCI, mà nhiên liệu sẽ không gần thànhxylanh hoặc các khe, do đó, HCs từ các nguồn này cũng sẽ được loại bỏ Việc cấp

XXXVII

nhiên liệu phân tầng một phần có thể được thực hiện bằng một hệ thống phun nhiênliệu DI tương tự như các động cơ xăng SIDI hoặc bằng cách sắp xếp dòng nạp đặc biệtgiống như những chiếc Mitsubishi và Toyota sử dụng trên động cơ SI Các hệ thốngnày có thể làm giảm đáng kể HCs ở tải trọng thấp, nhưng vẫn có thể sẽ được yêu cầumột chất xúc tác oxy Nghiên cứu là cần thiết để xác định tiềm năng của các kỹ thuậtphân tầng phí tổn một phần hoặc các phương pháp khác để kiểm soát việc phát thải

HC và CO Ngoài ra, cần nỗ lực nghiên cứu và phát triển chất xúc tác oxy hoá ở nhiệt

độ thấp phù hợp với động cơ HCCI hoạt động ở trọng tải nhẹ

Phát thải NOx khi tải cao: động cơ HCCI tạo ra mức NOx rất thấp vì chúng vậnhành với một lượng pha rất loãng Khi việc bổ sung nhiên liệu được tăng lên để chocông suất lớn hơn, lượng hỗn hợp sẽ trở nên ít pha loãng hơn và nhiệt độ tăng lên, dẫnđến lượng phát thải NOx đáng kể Đối với các động cơ HCCI gần như đồng nhất, tỷ lệcháy nhanh ở tải trọng cao hơn thường giới hạn công suất trước khi phát thải NOx ratrở nên quá mức Sử dụng phân lớp một phần (ở nhiệt độ hoặc thành phần) nạp nénnén (SCCI), phạm vi hoạt động có thể được mở rộng đến tải cao hơn nhưng với sự giảiphóng nhiệt phân tán, giảm tối đa nhiệt độ đỉnh và giảm NOx Do đó nghiên cứu sẽđược yêu cầu để xác định mức độ tải nạp nhiên liệu có thể tăng lên cùng với SCCItrước khi phát thải NOx trở thành vấn đề Các nỗ lực nghiên cứu và phát triển đượcyêu cầu để khám phá các lựa chọn này và các phương pháp có tiềm năng khác để kiểmsoát NOx ở tải trọng lớn trong khi vẫn duy trì được hiệu quả của việc tự cháy HCCI /SCCI

e Chế độ hoạt động tạm thời

Research and Development là cần thiết để phát triển một hệ thống kiểm soátphản ứng nhanh để vượt qua thách thức duy trì đúng thời điểm đánh lửa trong nhữngbiến động nhanh về tốc độ và tải của động cơ Nhanh chóng vượt qua khó khăn hiệnnay là nhiệt độ nạp không phù hợp chính xác với điều kiện hoạt động do tốc độ và tảiđang thay đổi Có thể tránh được hiện tượng thoáng qua trong một ứng dụng điện laitạo, có thể cho phép HCCI nhanh chóng xâm nhập vào thị trường Tuy nhiên, các hệthống điều khiển HCCI tiềm năng dựa trên các thiết bị như VVT hoặc VCR có thểđược thiết kế với đáp ứng đủ nhanh để cung cấp hoạt động HCCI trơn tru, liên tụcthông qua các bước quá độ Ví dụ, Đại học Stanford gần đây đã chứng minh rằng một

hệ thống VVT tương tự có thể chuyển đổi và ra khỏi quá trình cháy HCCI từ chu kỳnày sang chu kỳ khác Tuy nhiên, ngay cả một hệ thống VVT phức tạp hơn hoặc hệthống VCR, giống như hệ thống mà SAAB vừa công bố có thể là đầy đủ Với một hệthống và điều khiển máy vi tính tốt, tỷ lệ nén có thể thay đổi theo chu kỳ để phù hợpvới việc nạp nhiên liệu và tốc độ trong suốt quá trình chuyển đổi Các nỗ lực Researchand Development sẽ được yêu cầu để xác định các đặc tính cần thiết của một hệ thống

XXXVIII