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

XII A/F Air to Fuel ratio: tỷ ệ h ng hí nhi n iệu AR Active Radical: hoạt động triệt để ARC Active Radical Combustion: hoạt động chá triệt để ATAC Activ Th rmo Atmosph ric Com ustion: ho

SVTH: PHẠM HỒNG ĐẮC THỊNH MSSV: 13145255

GVHD: TS LÝ VĨNH ĐẠT

Tp Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2018



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

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:

IV

VI

học tập tốt, tru ền đạt iến thức c ng như nh ng inh nghiệm để m c thể gặt hái được thành qu trong các năm ua

Đặc iệt, m in g i i c m ơn chân thành đến th L Vĩnh Đạt Th à ngư i hướng n nhiệt t nh, u n đưa ra nh ng nhận t đ ng đắn để m hoàn thành được đề tài tốt nghiệp kịp th i và hoàn thiện nhất có thể

Sau cùng, tuy có nhiều nỗ lực, nhưng o th i gian thực hiện đề tài không nhiều

và kiến thức, kinh nghiệm còn hạn chế n n đồ án tốt nghiệp còn nhiều thiếu s t Do đ ,

m ính mong u th c , ạn th ng c m và rất mong nhận được iến từ mọi ngư i để hoàn thiện đề tài tốt hơn

m in chân thành c m ơn

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

Nh m sinh vi n thực hiện:

Nguyễn Minh Thành Phạm Hồng Đắc Thịnh

đề cấp bách c n ph i gi i quyết như tai nạn giao thông, ô nhiễm m i trư ng, khủng

ho ng nhiên liệu… Để gi i quyết các vấn đề đ , đòi hỏi ngành công nghệ ô tô ph i áp dụng khoa học kỹ thuật tiên tiến trong thiết kế, ứng dụng các nguyên vật liệu và công nghệ hiện đại để cho ra đ i nh ng chiếc xe ngày càng hoàn h o với tính năng vận hành, tính an toàn vượt trội và thân thiện với m i trư ng, đồng th i có hiệu suất cao Một trong nh ng động cơ đang được các nhà s n xuất nghiên cứu và đã được áp dụng

tr n đ à động cơ tự cháy do nén hỗn hợp đồng nhất HCCI (Homogeneous charge compression ignition) Động cơ HCCI à một sự kết hợp gi a động cơ ăng th ng thư ng, động cơ i s và à một trong nh ng động cơ được khách hàng quan tâm hiện nay khi mua xe ô tô vì nh ng lợi ích mà nó mang lại khi s dụng như: tiết kiệm nhiên liệu, gi m ô nhiễm m i trư ng, đạt được hiệu qu cao hơn 30% so với động cơ ăng

th ng thư ng, có thể hoạt động tr n ăng, i s và h u hết các nhiên liệu thay thế Và trong quá trình học tập, m đã được tiếp xúc, tìm hiểu trên các bài báo và nhận thấy

đâ à đề tài i n uan đến chu n nghành cơ hí động lực của mình Chính vì vậy

ch ng m đã chọn đề tài tốt nghiệp: “ Nghiên cứu động cơ tự cháy do nén hỗn hợp

đồng nhất HCCI ”

Đề tài ” nghi n cứu động cơ tự cháy do nén hỗn hợp đồng nhất HCCI ” c ng gi p cho em hiểu thêm về nguyên lý hoạt động của động cơ HCCI Bằng các nguồn tài liệu trên internet, tra cứu và tổng hợp, đề tài đã t m 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 nh hưởng tr n động cơ HCCI

 Bước phát triển của HCCI à động cơ GDCI

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 L o chọn đề tài 1

1.2 Mục ti u nghi n cứu 2

1.3 Phạm vi nghi n cứu 2

1.4 Phương pháp nghi n cứu 2

1.5 Nội ung nghi n cứu 2

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ HCCI 4

2.1 Lịch s h nh thành động cơ HCCI 4

2.2 Ngu n 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 th i điểm đánh a tr n một i tốc độ và t i trọng 13

Mở rộng phạm vi hoạt động sang chế độ t i cao 13

c Kh năng ắt đ u ạnh 14

X

a.Kiểm soát th i điểm đánh a 14

Kiểm soát tốc độ cháy cho vận hành cao 15

c.Khởi động ạnh 16

Kiểm soát hí th i 16

Hoạt động tạm th i 17

f Hệ thống điều hiển 18

g Phát triển hệ thống nhi n iệu 18

h Hiệu ứng nhiều xylanh 19

i Mô hình cháy 19

2.5 Nh ng phát triển g n đâ của động cơ HCCI 20

2.5.1 Hiểu iết cơ n 22

2.5.2 Nh ng tiến ộ trong điều hiển tốc độ và t i 23

2.5.3 Kết u s ụng nhi n iệu hác nhau 24

2.5.4 Ứng ụng đ u ti n của c ng 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 h nh thành hỗn hợp tr n động cơ HCCI 28

3.1.1 H nh thành hỗn hợp n ngoài (PFI) 28

3.1.2 H nh thành hỗn hợp bên trong xylanh 29

a Phun sớm nhi n iệu vào đ u hành tr nh n n 29

b Phun muộn 32

3.2 Quá tr nh chá của động cơ 34

3.2.1 Tính chất tỏa nhiệt 34

3.2.2 Điều hiển uá tr nh chá trong động cơ HCCI 35

3.3 Các th ng số đặc trưng của uá tr nh chá 36

3.3.1 Tốc độ tỏa nhiệt trong anh động cơ 36

3.3.2 Xác định th i điểm ắt đ u chá 39

Hiệu suất chỉ thị của động cơ ηi 41

3.3.4 Giới hạn hoạt động và hí th i 42

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

4.1 Quá tr nh phát triển của GDCI 46

4.2 Các phương pháp h nh thành hỗn hợp tr n GDCI 51

4.2.1 H nh thành hỗn hợp n ngoài 51

4.2.2 H nh thành hỗn hợp bên trong 56

4.3 Quá tr nh phun và các nh hưởng tr n GDCI… 61

4.3.1 Quá trình phun 61

4.3.2 Ảnh hưởng của uá tr nh phun n sự chá và phát th i 64

a Động cơ đốt trong ổn định ưới chế độ t i thấp 64

b Ảnh hưởng của cấu h nh phun tr n sự chá th ng thư ng và PPCI ưới một tốc độ động cơ của 1200r / min và phun ượng 20mg / stro .69

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

5.1 T nh h nh c ng nghệ động cơ HCCI 73

5.2Động cơ S activ-X của Maz a 77

5.2.1 Giới thiệu 77

5.2.2 Thành c ng trong phát triển động cơ 79

a Ưu điểm của việc chá hỗn hợp ngh o 79

b Kiểm soát n n đánh a ằng u gi 79

5.2.3 Nh ng giá trị của S activ - X mang ại 83

CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

XII

A/F (Air to Fuel ratio): tỷ ệ h ng hí nhi n iệu

AR (Active Radical): hoạt động triệt để

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

ATAC (Activ Th rmo Atmosph ric Com ustion): hoạt động gia nhiệt cho

uồng cháy ATDC (After Top Dead Center): sau điểm chết tr n

BDC (Bottom Dead Center): điểm chết ưới

BMEP (Brake Mean Effective Pressure): áp suất hiệu ụng trung nh c íchBSFC (Brake Specific Fuel Consumption): ti u hao nhi n iệu có ích

CAI (Controlled Autoignition): điều hiển tự chá

CCS (Combat Combustion System): hệ thống iểm soát uá tr nh chá CFD (Computational Fluid Dynamics): tính toán động lực học của chất lỏng

CI (Compression Ignition): n n đánh a

CIDI (Compression-Ignition Direct-Injection): n n chá phun trực tiếp

CIHC (Compression Ignited Homogenous Charge): nén chá hỗn hợp đồng

nhấtCOV (Coefficient Of Variation): hệ số iến thi n

CR (Compression Ratio): tỷ số n n

CVI (Close Valve Injection): đ ng van phun

ĐCĐT Động cơ đốt trong

EGR (Exhaust Gas Recirculation): luân hồi khí th i

EMS (Electronically-Modulated Suspension): hệ thống tr o điều iến điện t EOC (Engine Oil Cooler): àm mát u i trơn

EOI (End Of Injection): ết th c phun

GDI (Gason in Dir ct Inj ction): phun ăng trực tiếp

GM (General Motors): Hãng ôtô GM

HCCI (Homog nous Charg Compr ssion Ignition): chá o n n hỗn hợp

đồng nhất

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

nhất ằng cách phun muộn HFS (H av Fu Stratification): phân t ng nhi n iệu nặng

HLSI (Homogenous Lean Charge Spark Ignition): chá hỗn hợp ngh o đồng

nhất

HPLI (High Pr mi Lat Inj ction): phun muộn hỗn hợp được hòa trộn

cao IMEP (In icat M an ff ctiv Pr ssur ): áp suất chỉ thị trung nh

ISFC (Indicated Specific Fuel Consumption): Suất ti u hao nhi n iệu chỉ thị IVO (In t Va v Op ning): upap nạp mở

MCCT M i Chất C ng Tác

MK (Mo u at Kin tics): điều biến động lực học

MULDIC (Multiple Stage Diesel Combustion): chá n n hỗn hợp được h nh

thành nhiều giai đoạn NADI (Narrow Ang Dir ct Inj ction): thu hẹp g c phun nhi n iệu

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

OKP (Optimised Kinetic Process): uá tr nh ph n ứng tối ưu

OVI (Op n Va v Inj ction): mở van phun

PCCI (Premixed Charge Compression Ignition): chá o n n hỗn hợp h nh

thành từ trước PFI (Port Fuel Injection): phun nhi n iệu tr n cổ nạp

PFS (Partial Fuel Stratification): phân t ng nhi n iệu một ph n

XIV

PPCI (Partially Premixed Charge Compression Ignition): trộn một ph n hỗn hợp n n đánh a PREDIC (Premixed Lean Diesel Combustion): chá o n n hỗn hợp ngh o h nh

thành từ trước

R & D (R s arch an D v opm nt): nghi n cứu và phát triển

SACI (Spark-Assist Compr ssion Ignition): n n đánh a được hỗ trợ ằng

spark SCCI (Stratified Charge Compression Ignition): phân t ng hỗn hợp n n đánh

l a

SI (Spark Ignition): đánh a cưỡng ức

SMD (Saut r M an Diam t r): đư ng ính trung nh Saut r

SOI (Start Of Inj ction): ắt đ u phun

SPCCI (Spark- Contro Compr ssion Ignition): iểm soát đánh a n n

cháy TDC (Top Dead Centre): điểm chết tr n

TDI (Turbo-Di s Dir ct Inj ction): phun trực tiếp tur o-diesel

UNIBUS (Uniform Bulky Combustion S st m): hệ thống chá đồng nhất vùng

ớn VCR (Variable Compression Ratio): tỷ ệ n n iến thi n

VVA (Variable Valve Actuation): ộ điều hiển u pap iến thi n

VVC (Variable Valve Control): điều hiển upap iến thi n

VVT (Variable Valve Timing): phân phối hí iến thi n

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

XVI

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 tượng chỉ ra những điểm mà hiệu suất cao (COVIMEP, hiệu quả cháy) đã đạt được

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 5.7: Phạm vi mở rộng của SPCCI (cháy) 83

Hình 5.8: Mục tiêu hiệu suất đầu ra của Skyactiv-X 84

Hình 5.9: Những con số mục tiêu cho hiệu suất sử dụng nhiên liệu của Skyactiv-X 85

XVIII

Bảng 2.1: B ng t m tắt về nh ng phát triển g n đâ về c ng nghệ HCCI

……… ………20,21

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Lý do chọn đề tài

Xu hướng phát triển động cơ đốt trong ngà na chủ ếu tập trung vào các mục ti u chính à nâng cao hiệu u và đặc tính ỹ thuật của động cơ, nâng cao tính inh tế nhi n iệu và gi m các thành ph n phát th i độc hại Các gi i pháp để đạt được các mục ti u

tr n ao gồm nghi n cứu c i thiện và nâng cao hiệu u uá tr nh chá , nghi n cứu các phương án h nh thành hỗn hợp và hệ thống đánh a mới, nghi n cứu các gi i pháp gi m phát th i và hí th i…

Sự ra đ i của động cơ đốt trong (ĐCĐT) là một ước tiến vĩ đại của nền hoa học thế giới, ĐCĐT được s ụng như là nguồn động ực phổ iến trong các ĩnh vực c ng nghiệp, n ng nghiệp, âm nghiệp, ngư nghiệp, uân sự, an ninh, uốc phòng, giao th ng vận t i…Nga từ hi ra đ i động cơ đốt trong được chia àm hai oại chính: động cơ đánh a cưỡng ức (động cơ ăng) và động cơ n n chá (động cơ diesel)

Ngà na , ph n ớn các động cơ đánh a hoạt động với hỗn hợp tưởng để đạt được hiệu u cao nhất cho uá tr nh hí th i Vì hệ số ư ượng h ng hí g n như

h ng đổi, n n muốn tha đổi t i trọng của động cơ, c n điều chỉnh ượng hí nạp mới đi vào trong anh động cơ, th ng ua ướm ga ắp tr n đư ng nạp Do c ướm ga, tổn thất trong uá tr nh nạp tăng, tổn hao công hút ớn, gi m hiệu suất động cơ Trong hi tỷ

số n n của động cơ h ng thể tăng n uá cao o ị giới hạn ởi hiện tượng ích nổ, thông thư ng tỷ số n n của động cơ đánh a nằm trong ho ng từ 6 đến 12 V vậ động

cơ đánh a c hiệu suất thấp và phát th i hí th i ớn

Ngoài ra ĐCĐT s ụng nhi n iệu là u mỏ gâ ra cạn iệt tài nguyên thiên nhi n mặt hác ại nhiễm m i trư ng nghi m trọng Th o các nhà nghi n cứu thuộc đại học Ca ifornia: thế giới sẽ cạn iệt u mỏ ho ng 100 năm trước hi c đủ các nguồn năng ượng tha thế nếu việc s ụng u mỏ và phát triển các nhi n iệu mới tiếp tục với tốc độ như hiện na D u mỏ sẽ cạn iệt vào năm 2041 hoặc lâu hơn là vào năm 2054 Chính v vậ việc u c u s ụng nhi n iệu sao cho hợp là một vấn đề đặt ra đối với động cơ đốt trong trong giai đoạn hiện nay

Với ngu cơ nhiễm m i trư ng và hiệu ứng nhà ính các uốc gia đã iểm soát thành ph n hí th i động cơ một cách chặt chẽ ằng cách đưa ra các ti u chuẩn về khí

th i ngà càng hết sức hắt he

Với nh ng u đinh nghi m ngặt về ti u chuẩn hí th i ngà càng cao Ti u chuẩn

hí th i của các uốc gia hu vực và uốc gia u định các ti u chí hí th i phổ iến như: uro, Nhật, Mỹ ( SP)… Tất c các ti u chuẩn hí th i định mức về nồng độ của các oại

hí sinh ra trong uá tr nh hoạt động như nitrog n o i (NOx), hydrocarbons (HC), carbon monoxide (CO) và các hạt vật chất (PM), h i đ n… đối với các oại động cơ hác nhau với các ung tích anh hác nhau Mục ti u của các ti u chuẩn nà à để ọai trừ nh ng chiếc tạo ra uá nhiều nhiễm ( o hỏng h c ha c ) và c ng v mục đích

o vệ m i trư ng Các nhà s n uất c ng v thế mà c động ực và c áp suất nhằm tạo ra nh ng chiếc anh hơn, sạch hơn, phù hợp với nh ng ti u chuẩn uro cao hơn

Và một gi i pháp tha thế đ hứa hẹn à động cơ tự chá o n n hỗn hợp đồng nhất (HCCI) M h nh chá HCCI với các ưu điểm về hiệu suất nhiệt cao và phát th i NOx và PM rất nhỏ à một trong nh ng hướng nghi n cứu phát triển động cơ trong tương lai, n cạnh đ động cơ nà rất thích hợp s ụng các oại nhi n iệu tha thế c nguồn

gốc sinh học Đ à o m chọn đề tài: “Nghiên cứu động cơ tự cháy do nén hỗn hợp

đồng nhất (HCCI)”

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Đồ án c mục đích tổng thể à nghi n cứu về uá tr nh h nh thành hỗn hợp và chá trên động cơ (HCCI)

Mục ti u cụ thể của đồ án à:

- Nghi n cứu phương pháp h nh thành hỗn hợp tr n động cơ HCCI

- Đánh giá tính tỏa nhiệt, ác định th i điểm ắt đ u chá và điều hiển uá tr nh chá của động cơ HCCI

- Xác định được các ngu n tắc đốt của động cơ HCCI

- Đ m đến cho ngư i đọc cái nh n mới hơn và cung cấp th m th ng tin tham h o cho sinh vi n trong và ngoài trư ng nghi n cứu về động cơ tự chá o n n đồng nhất (HCCI)

1.3 Phạm vi nghiên cứu

- Đề tài của nh m chủ ếu nghi n cứu thu ết về động cơ tự chá o n n hỗn hợp đồng nhất (HCCI)

- Phạm vi của đề tài chủ ếu tập trung nghi n cứu về uá tr nh h nh thành hỗn hợp

và uá tr nh chá c ng như chế độ chá trên động cơ HCCI

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Trong quá trình thực hiện nghi n cứu đề tài nh m m đã s ụng các phương pháp nghi n cứu sau:

- Nghi n cứu thu ết ết hợp với tài iệu sách nước ngoài về HCCI

- Phương pháp tra cứu và tổng hợp tài iệu tham h o i n uan

1.5 Nội dung nghiên cứu

- Chương 1: Tổng quan, chương nà n u í o chọn đề tài, các phương pháp mà tác

gi s ụng để thực hiện đề tài

- Chương 2: Giới thiệu tổng quan về động cơ HCCI, chương nà tr nh à tổng

uan về ịch s phát triển, ngu n hoạt động, ưu và nhược điểm c ng như à nh ng phát triển g n đâ tr n động cơ

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

cơ, chương nà tập trung nghi n cứu về uá tr nh h nh thành hỗn hợp, uá tr nh chá và

các th ng số đặc trưng của uá tr nh nà

- Chương 4: Một số bước phát triển mới trên động cơ HCCI, chương nà sẽ tr nh

à về uá tr nh h nh thành hỗn hợp, uá tr nh phun và các nh hưởng của uá tr nh nà

- Chương 5: Những thành tựu mới nhất của động cơ HCCI, chương nà sẽ tr nh à

nh ng điểm nổi ật của động cơ Skyactiv-X của Maz a sẽ được án vào năm 2018

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ HCCI

2.1 Lịch sử hình thành động cơ HCCI

Trong thập ni n đ u thế ỷ XXI một ượng các c ng tr nh hoa học đã được uất

n i n uan đến m h nh chá HCCI cho động cơ i s và CAI cho động cơ ăng tr n động cơ đốt trong [1]

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

n n hỗn hợp đồng nhất)

Nguồn gốc ngu n chá nà đã được ứng ụng tr n động cơ c t n Hot u ngin (động cơ i s u nhiệt) của H r rt A ro Stuart vào cuối thế ỷ XIX [2]

Tr n động cơ nà , u ho hoặc u th được phun vào trong u nhiệt nga từ đ u uá

tr nh n n, hoàn toàn đủ th i gian để nhi n iệu a hơi và hoà trộn với h ng hí Trong

uá tr nh hởi động, u nhiệt được sấ n ng trước ằng cách ùng ngọn a cháy từ n ngoài Sau hi hởi động, u nhiệt v n gi được nhiệt nh uá tr nh chá nhi n iệu n trong u Nhiệt độ u ớn đến nỗi nhi n iệu a hơi g n như nga ập tức hi tiếp c với ề mặt của u Do hỗn hợp được hoà trộn từ rất sớm, n n c thể tạo được hỗn hợp đồng nhất, ết u n đến hỗn hợp tự chá hi piston tiến g n đến TDC

Từ nghi n cứu của H r rt A ro Stuart ngu n chá o n n hỗn hợp đồng nhất đã ắt đ u được phát triển: động cơ má a 2 ỳ o một c ng t nhỏ ở Anh s n uất c t n à Progr ss A ro Wor s (PAW) từ nh ng năm 1940 Tu nhi n, đến gi a thập ni n 90, nh ng nghi n cứu đã ắt đ u c hệ thống hơn và tập trung vào h năng ứng ụng m h nh chá HCCI cho động cơ i s tr n t , ết u nghi n cứu c tính

h uan nhất đ à phương pháp cung cấp nhi n iệu i s cho động cơ HCCI s ụng

hệ thống nhi n iệu Common Rail phun nhi n iệu hi piston ở trong ỳ n n, được phát triển ởi c ng t Nissan, Nhật B n [3] từ đ nhiều c ng tr nh nghi n cứu đã đạt được

nh ng thành c ng trong việc iểm soát uá tr nh chá , gi m ti u hao nhi n iệu, gi m NOx và PM

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

1: B u nhiệt 2: anh 3: piston 4: cáct - trục huỷu

 Động cơ xăng CAI (Controlled Auto Ignition: Điều hiển tự chá )

Nh ng nghi n cứu đ u ti n của động cơ ăng chá th o ngu n HCCI/CAI là của Onishi [4] và Noguchi cùng cộng sự của m nh trong năm 1979 Tu nhi n cơ sở lý thu ết ựa th o nghi n cứu của nhà hoa học ngư i Nga Ni o ai S m nov cùng đồng nghiệp trong nh ng năm 1930, đã th c đẩ các nhà hoa học sau nà tiếp tục nghi n cứu nhằm điều hiển uá tr nh chá , gi p cho uá tr nh chá ngh o trở n n ổn định hơn Sau c ng tr nh đ u ti n của Onishi và Noguchi, đã ùng nổ một u hướng nghi n cứu và phát triển động cơ ăng 2 ỳ s ụng m h nh chá nà , điển h nh à của hãng Hon a với động cơ CAI đ u ti n được s n uất và ắp tr n t , động cơ má ARC 2

ỳ với ung tích 250cc [5] Các động cơ nà s ụng năng ượng nhiệt của hí s t để đẩ mạnh uá tr nh tự chá CAI, Hon a ác nhận gi m ti u hao nhi n iệu n tới 29% đồng

th i thành ph n HC chưa chá c ng gi m.Từ đ mở rộng nghi n cứu động cơ CAI phát triển tr n động cơ đốt trong 4 ỳ như: nghi n cứu của Najt và Fost r tr n động cơ 4 ỳ 1 anh vào năm 1983 Năm 1992, Stoc ing r cùng cộng sự đã tr nh à nghi n cứu đ u

ti n về động cơ ăng 4 anh hoạt động nh h năng tự chá của nhi n iệu trong i tốc độ và t i trọng giới hạn th ng ua việc nâng tỷ số n n và sấ n ng hí nạp Đặc iệt

à các c ng tr nh nghi n cứu tha đổi pha phối hí tại hãng t Lotus (VQ.Anh), Vo vo (Thụ Điển), đại học Brun (VQ Anh), viện h a u pháp (IFP) đã cho thấ h năng ứng ụng động cơ CAI à rất ớn

Trong nh ng năm g n đâ , h năng gi ại một ph n hí s t và tu n hoàn hí th i

để ích thích và điều hiển uá tr nh tự chá CAI đã được chứng minh ởi một số ượng

ớn các nhà nghi n cứu, v vậ nh ng động cơ thương mại c thể hoạt động ưới m

h nh chá CAI mà h ng c n thiết ph i tha đổi ết cấu an đ u (tiết iệm chi phí) của động cơ và phương tiện

Trong vòng hai thập ni n trở ại đâ , một số ượng ớn thuật ng đã được gán cho các mô h nh chá mới này của động cơ đốt trong, ao gồm ATAC (Activ Th rmo Atmospheric Combustion), TS (Toyota Soken), ARC (Active Radical Combustion) trên động cơ 2 ỳ, CIHC (Compr ssion Ignit Homog nous Charg ), Homog nous Charg Compression Ignition (HCCI), Controlled Autoignition (CAI), UNIBUS (Uniform Bulky Combustion System), PREDIC (PREmixed lean DIesel Combustion),MK (Modulated Kinetics), Premixed Charge Compression Ignition (PCCI), OKP (Optimised Kinetic Proc ss), Tất c các thuật ng tr n đều mô t 2 ngu n của mô h nh chá mới: hỗn hợp nhi n iệu và h ng hí được h nh thành đồng nhất từ trước và hỗn hợp tự chá [6]

Để thống nhất hái niệm động cơ mới nà th g n đâ các nhà hoa học đã c ng nhận hái ni m HCCI cho ngu n chá mới và HCCI là thuật ng u nhất để thể hiện uá

tr nh chá mới tr n động cơ i s hoặc động cơ đốt trong hác như ăng, gas, nhi n iệu

tha 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 hác iệt gi a uá tr nh chá của động cơ ăng, i s theo nguyên lý tru ền thống và HCCI C thể thấ rằng, tr n động cơ ăng ngu n n, màng a an tràn ắt nguồn từ ugi, trong hi tr n động cơ hoạt động với ngu n HCCI, h ng c hiện tượng an tràn màng a trong anh, uá tr nh chá iễn ra đồng

th i ở mọi vị trí trong anh (trư ng hợp nà ugi h ng đánh a, ugi phục vụ cho

uá tr nh chu ển tiếp gi a chế độ th ng thư ng và chế độ HCCI)

Tương tự như động cơ ăng, tr n động cơ i s HCCI, hỗn hợp nhi n iệu và

h ng hí được h nh thành từ trước (tr n đư ng nạp hoặc trong anh) Sau đ hỗn hợp được n n n đến nhiệt độ tự chá vào cuối ỳ n n, tương tự như với động cơ i s Ngoài ra c thể tăng nhiệt độ hỗn hợp ở cuối ỳ nạp th ng ua gia nhiệt hí nạp, sấ

n ng ằng ugi ng hoặc tận ụng hí s t trong anh Tất c nh ng phương pháp nà

c thể gi p cho hỗn hợp nhanh đạt đến nhiệt độ tự chá hơn và hỗn hợp trở n n đồng nhất hơn

2.3 Ưu và nhược điểm của động cơ HCCI

2.3.1 Ưu điểm của động cơ HCCI

Động cơ HCCI là sự ết hợp gi a động cơ động cơ ăng cháy cưỡng ức SI (Spark Ignition) và động cơ i s n n chá CI (Compr ssion Ignition) Một động cơ HCCI hoàn thiện gồm nhiều c ng nghệ ti n tiến như phun nhi n trực tiếp hoặc phun tr n đư ng nạp, pha phối hí th ng minh, hệ thống tu n hoàn hí th i EGR (Exhaust Gas Recirculation),

hệ thống tha đổi tỷ số n n (VCR) Mục đích để điều hiển và tối ưu uá tr nh tự cháy,

gi m các chất nhiễm trong hí th i, o đ động cơ HCCI c nh ng ưu điểm nổi ật 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 n n (ε) cao: (ε ≥ 15) động cơ HCCI c thể àm việc với tỷ số n n ớn Tỷ số

n n càng ớn th áp suất và nhiệt độ m i chất c ng tác (MCCT) càng cao, c ng suất càng

ớn và gi m hệ số hí s t, động cơ tiết iệm nhi n iệu hơn

- Hỗn hợp chá đồng nhất, uá tr nh chá ra đồng th i, tại mọi điểm trong uồng chá n n hiệu suất nhiệt cao Quá tr nh chá động cơ HCCI tương tự như giai đoạn chá h ng iểm soát (giai đoạn chá nhanh) của động cơ i s n n tốc độ tăng áp suất ớn sinh ra áp suất đỉnh cao

- Kh ng ị tổn thất c ng suất: động cơ HCCI h ng ị tổn thất áp suất o sự c n trở của cánh ướm ga tr n đư ng nạp Trong uá tr nh hoạt động của động cơ HCCI, cánh ướm ga h ng àm nhiệm vụ điều tiết hoạt động, tha vào đ là cách thức điều hiển

h ng cánh ướm ga (Unthrot ngine) Cách thức điều hiển nà là sự tha đổi tổng hợp các ếu tố đ u vào như hối ượng h ng hí nạp, hối ượng hí th i ưu hồi và hối ượng nhi n iệu được phun vào C ng nghệ HCCI tránh s ụng năng ượng vô ích

để tạo chân h ng Tha v đ , hí n ng từ uá tr nh chá trước sẽ được đưa trở ại uồng chá , động cơ sẽ s ụng ết hợp nhiệt ượng của hí n ng và nhiệt sinh ra ởi

uá tr nh n n hỗn hợp để tạo n n nhiệt độ đủ ớn để hỗn hợp ốc cháy

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

MIT [7] động cơ HCCI hoàn h o c thể tiết iệm đến 25-30% nhi n iệu Tu nhi n để

àm được điều nà th ph i điều hiển được các th ng số tr n động cơ và điều hiển động

cơ một cách chính ác Hon a đã thành c ng hi thiết ế động cơ ARC 2 ỳ c thể tiết iệm nhi n iệu đến 29% tu nhi n chưa được ứng ụng rộng rãi v o hí th i còn uá mức cho ph p GM (G n ra Motors) đã cho th nghiệm động cơ HCCI àm nguồn ực cho t nhưng chỉ tiết iệm được 15% nhi n iệu Điều nà cho thấ để hoàn thiện động

cơ HCCI c n một th i gian để nghi n cứu và phát triển

- Động cơ HCCI hoạt động ổn định với hỗn hợp ngh o nhi n iệu: động cơ HCCI

s ụng hỗn hợp ngh o để giới hạn tốc độ tỏa nhiệt và h nh thành hỗn hợp chá đồng nhất, tỷ số n n ớn o đ gi m thiểu ượng ti u hao nhi n iệu

- Ngu n uá tr nh chá động cơ HCCI à chá nhanh, chá đồng th i tại mọi

điểm trong uồng chá o h nh 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 nh ng ợi ích uan trọng nhất của uá tr nh chá HCCI là gi m nồng độ NOx trong hí th i rất ớn (NOx h nh thành hi nhiệt độ chá cực đại ớn hơn 2000ºC), gi m tới 90 - 98% so với uá tr nh chá th ng thư ng Để gi m nồng độ NOx trong hí th i, h u hết ph i ùng ộ hí th i, các iện pháp ỹ thuật tác động tới

h nh thành hỗn hợp thư ng àm nhiệt độ gi m, áp suất tăng, tỷ số n n vượt uá giá trị giới hạn Ngà na , uá tr nh chá HCCI đã gi i u ết được vấn đề nà , hi cùng tỷ ệ hỗn hợp th nhiệt độ chá của HCCI gi m Khi tăng t i, nhiệt độ chá cao nhất tăng nhưng thuận ợi hơn động cơ diesel

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 ết u so sánh nồng độ NOx trong hí th i của 3 oại động cơ: HCCI, i s , i s với GR (cùng oại động cơ) Tỷ số n n của các oại động cơ đều à 16:1[8]

PM (thư ng chứa 40% u i trơn + 31% ồ h ng + 14% các muối sun-phát ngậm nước + 7% i s + 8% các chất còn ại): ợi ích uan trọng hác của uá tr nh chá HCCI với động cơ i s à c h năng gi m đồng th i NO và ồ h ng Bồ h ng hình thành với hu vực giàu nhi n iệu (λ<0,8) và nhiệt độ tr n 1400ºK h nh 2.6 Động cơ HCCI c nhiệt độ chá cực đại thấp, h nh thành nhiều trung tâm chá và hoạt động với λ ngh o n n ượng ồ h ng gi m đáng ể

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

c thể s ụng các chi tiết của động cơ c sẵn o đ h ng tốn m trong việc chế tạo và

â ựng u tr nh ắp ráp Tu nhi n với các c ng nghệ đã và sẽ ứng ụng tr n động cơ HCCI th giá thành của oại động cơ nà rất cao

 Là động cơ đa nhiên liệu: động cơ HCCI c thể hoạt động với ăng, u i s

ha các nhi n iệu tha thế Th o nh ng nghi n cứu g n đâ đã chế tạo và c i hoán động

cơ tru ền thống thành động cơ HCCI ùng nhi n iệu ăng, i s , hí thi n nhi n và các oại nhi n iệu tha 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 nh ng ưu điểm nổi ật: c ng suất ớn, tiết iệm nhi n iệu, gi m ượng ớn NOx và PM trong hí th i, có thể hoạt động với nhiều oại nhiên iệu khác nhau, tiết iệm chi phí thiết ế, ắp ráp nhưng động cơ HCCI c ng có nh ng nhược điểm ớn cụ thể đ là:

 Khó hình thành hỗn hợp nghèo, đồng nhất: yêu c u của động cơ HCCI đ là hình

thành được hỗn hợp ngh o mà đồng nhất để đ m o chất ượng uá tr nh chá c ng như

u c u về tính inh tế, để àm được điều nà ph i điều hiển một cách chính ác các

th ng số đ u vào, hệ thống nhi n iệu, nạp , tu n hoàn hí th i ph i àm việc chính ác Đối với động cơ HCCI s ụng nhi n iệu ăng ễ h nh thành hỗn hợp đồng nhất o tính chất h a của nhi n iệu, nhưng đối với động cơ HCCI i s việc h nh thành hỗn hợp đồng nhất gâ h hăn hơn nhiều v tính chất i s h a hơi

 Khó khăn trong việc điều khiển quá trình cháy: điều hiển th i điểm tự chá ,

th i gian chá , nhiệt độ chá …

- Ở động cơ ăng th i điểm chá được điều hiển ằng cách tha đổi th i điểm ugi đánh a ha là điều chỉnh g c đánh a sớm, Đối với động cơ i s được thực hiện ằng cách tha đổi th i điểm phun nhi n iệu ha điều chỉnh g c phun sớm nhằm tối ưu cho uá tr nh chá Tu nhi n ở động cơ HCCI việc điều chỉnh th i điểm tự chá h ng

hề đơn gi n o hỗn hợp đã được chuẩn ị từ trước: hỗn hợp hi đạt đủ nhiệt độ, áp suất

th sẽ iễn ra quá tr nh tự chá Ngoài ra uá tr nh chá HCCI iễn ra nhanh, đồng đều, tại mọi điểm, tốc độ tăng áp suất ớn c thể n đến t nh trạng chá gấp và gâ tiếng gõ cho động cơ V vậ ph i iểm soát tốt uá tr nh chá của động cơ để đ m o cho động

cơ hoạt động với th i gian âu ài và hiệu u

- Để điều hiển được uá tr nh chá ph i iểm soát được các th ng số đ u vào như nhiệt độ hí nạp, tính chất của nhi n iệu, ượng hí s t trong uồng chá , ượng hí th i

được tu n hoàn, áp suất trong anh…Với c ng nghệ hiện đại như hiện na c thể áp ụng các c ng nghệ ti n tiến với ộ ằng điện t nhưng v n c nhiều h hăn trong việc triển hai và rất phức tạp v i n uan đến hoạt động của c hệ thống Đâ

c ng là vấn đề chính mà các nhà hoa học hiện na đang nghi n cứu

 Phát thải CO và HC lớn: trong động cơ HCCI o chuẩn ị uá tr nh chá từ trước

n n một ph n nhi n iệu ám vào thành ống nạp, anh và đỉnh piston àm tăng ượng CO

và HC trong hí th i Th m vào đ động cơ HCCI hoạt động với hỗn hợp ngh o n đến uá trình chá h ng hoàn toàn, nhiệt độ chá thấp gâ h hăn cho uá tr nh o h a CO thành CO2 Th o nh ng nghi n cứu của nhà hoa học ngư i Đức Sch oz th nồng độ phát

th i của HC của động cơ HCCI cao gấp 5 n so với động cơ i s th ng thư ng, nồng độ

CO cao gấp 10 tới 20 n so với động cơ i s th ng thư ng [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 tr nh à ở ph n ngu n hoạt động động cơ HCCI chỉ àm việc phù hợp ở chế độ t i nhỏ và trung nh o ị giới hạn ởi các ếu tố tiếng gõ, NOx và không cháy

Ở chế độ t i nặng nếu v n u tr ngu n chá HCCI th động cơ uất hiện tiếng

gõ im oại hoặc h ng chá , động cơ àm việc với tiếng ồn và t i trọng cơ hoc ớn đồng

th i hao tốn nhi n iệu, ượng chất độc hại trong hí th i c ng tăng nhanh Ngu n nhân

là o trong chế độ t i nặng tốc độ động cơ cao hỗn hợp h tự chá hơn o h ng đủ th i gian để ph n ứng Mặt hác để đ m o cho c ng suất của động cơ hoạt động ở chế độ

t i nặng th ph i cung cấp một ượng nhi n iệu nhiều hơn, trong hi đ nhiệt độ động cơ

và hí th i cao àm nhi n iệu hoà trộn h ng đều với h ng hí, mật độ nhi n iệu ch nh ệch uá mức cho phép, lúc đ hỗn hợp uá ễ ốc cháy và cháy gấp, không hoàn toàn nên

h ng thể iểm soát được uá tr nh chá àm gi m c ng suất và hiệu suất của động cơ, điều nà là một trở ngại ớn v động cơ thư ng àm việc trong chế độ nà Để tránh tiếng

gõ và h tự chá phương án được đưa ra và s ụng nhiều nhất đ là động cơ HCCI sẽ chu ển sang hoạt động tương tự như động cơ chá cưỡng ức SI và động cơ n n chá CI, nhược điểm của hai oại động cơ SI và CI là ở chế độ t i nặng nhi n iệu chá h ng hoàn toàn, nhiệt độ cháy ớn gây ra hao tốn nhiên iệu và tăng NOx, HC và PM

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

Hình 2.9 à một ết u nghi n cứu c i tạo động cơ i s 1 anh thành động cơ HCCI của trư ng ĐH BK Đà Nẵng, sau hi c i tạo động cơ hoạt động với nhi n iệu LPG, [11] tỷ số n n ε = 16, tốc độ định mức 2200v/ph Dựa vào đồ thị c thể thấ động

cơ hoạt động ổn định với n = 700- 1200v/ph nhưng từ n > 1200v/ph c ng suất của động

cơ gi m và ượng ti u hao nhi n iệu tăng nhanh

Ngược ại ở chế độ hởi động và c m chừng nhiệt độ động cơ uá thấp, ượng hí th i

tu n hoàn h ng đủ sấ nóng khí nạp n n động cơ c ng không cháy theo nguyên lý HCCI được, mặc dù có thể trang ị ộ sấ ắp trên đư ng nạp hoặc s ụng ugi xông và các phụ gia cho nhiên iệu nhưng nh ng nghiên cứu g n đâ cho thấ không được thành công cho

ắm, phương pháp được s ụng nhiều à ùng ugi đánh a hoặc điều hiển hệ thống nhiên iệu như của động cơ diesel, khi đủ nhiệt độ và áp suất thì chu ển đổi chế độ qua HCCI

Từ đ cho thấ muốn tăng i làm việc và chu ển đổi chế độ một cách ễ dàng thì

c n nghiên cứu trong một th i gian n a để động cơ HCCI hoạt động tốt trong tương lai

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

được trang ị cho động cơ, một động cơ HCCI được cho là hoàn thiện gồm rất nhiều hệ thống có trong nó: phân phối khí thông minh, tu n hoàn hí th i, tăng áp, hệ thống nhiên iệu điều hiển ằng điện t , ngoài ra có thể còn có thay đổi tỷ số n n tự động, hệ thống điều hiển ỹ thuật số… Điều này cho thấ rằng giá thành của động cơ HCCI sẽ là rất cao

so với động cơ đốt trong tru ền thống, đâ c ng là lý do mà động cơ HCCI hiện na v n khó đi vào thương mại

2.4 Thách thức và tiềm năng [12]

2.4.1 Thách thức

Việc tự chá HCCI được thực hiện ằng cách điều hiển nhiệt độ, áp suất và thành

ph n của hỗn hợp h ng hí, nhi n iệu để n tự động h a g n trung tâm điểm chết tr n (TDC) hi n n n ằng piston Chế độ đánh a nà về cơ n à h hăn hơn nhiều so với việc s ụng một cơ chế iểm soát trực tiếp như ugi hoặc ộ phun nhi n iệu để điều hiển th i gian đánh a như trong động cơ ăng (SI) và diesel (CIDI) Mặc ù HCCI đã

được iết đến trong ho ng 20 năm, nhưng chỉ với sự ra đ i g n đâ của các động cơ điện t , việc iểm soát cháy HCCI c thể được m t để áp ụng cho động cơ thương mại Mặc ù vậ , một số rào c n ỹ thuật ph i được hắc phục trước hi động cơ HCCI

sẽ được h thi để s n uất với số ượng ớn và áp ụng cho một oạt các oại Sau đâ

m t nh ng thách thức uan trọng hơn cho việc phát triển các động cơ HCCI thực tế để

s n uất Chi tiết hơn về các rào c n ỹ thuật, các gi i pháp tiềm tàng và R & D (Research and Development) c n thiết để hắc phục ch ng được n u trong Một số vấn

đề nà c thể được gi m nhẹ hoặc oại ỏ nếu động cơ HCCI được s ụng trong một ứng ụng h ri -điện

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

Mở rộng hoạt động iểm soát của một động cơ HCCI tr n một oạt các tốc độ và t i trọng c ẽ à trở ngại h hăn nhất đối với động cơ HCCI Khởi động HCCI được ác định ởi thành ph n hỗn hợp nhi n iệu và nhiệt độ ư của n Tha đổi c ng suất của một động cơ HCCI đòi hỏi ph i tha đổi tốc độ nạp nhi n iệu Do đ , nhiệt độ ư ph i được điều chỉnh để u tr th i gian tự chá đ ng Tương tự, việc tha đổi tốc độ động

cơ sẽ àm tha đổi ho ng th i gian để h a học tự động h a ra i n uan đến chu ển động piston Một n n a, nhiệt độ của hỗn hợp ph i được điều chỉnh để ù đắp Nh ng vấn đề iểm soát nà trở n n đặc iệt h hăn trong th i gian uá độ nhanh

Một số phương pháp iểm soát tiềm năng đã được đề uất để cung cấp ồi thư ng

c n thiết cho sự tha đổi về tốc độ và t i Một số hứa hẹn nhất ao gồm tha đổi ượng

GR n ng vào trong phí nạp, s ụng cơ chế VCR để tha đổi nhiệt độ TDC và s ụng VVT để tha đổi tỷ số n n hiệu u ượng ư còn ại được gi ại trong lanh VCR và VVT đặc iệt hấp n ởi v th i gian đáp ứng của n c thể được thực hiện đủ nhanh để nhanh ch ng th i gian uá độ Mặc ù các ỹ thuật nà đã cho thấ tiềm năng mạnh mẽ nhưng ch ng v n chưa được chứng minh đ đủ, vấn đề chi phí và độ tin cậ

ph i được gi i u ết

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

Mặc ù các động cơ HCCI đã được chứng minh hoạt động tốt ở t i trọng thấp đến trung nh, nhưng gặp ph i nh ng trở ngại hi t i trọng cao Quá tr nh tự chá c thể trở

n n rất nhanh và phức tạp, gâ ra tiếng ồn h ng được chấp nhận, thiệt hại động cơ tiềm

ẩn và cuối cùng à mức th i NOx h ng được chấp nhận Nghi n cứu sơ ộ cho thấ phạm vi hoạt động c thể được mở rộng đáng ể ằng cách phân t ng một ph n phí (nhiệt độ và phân t ng hỗn hợp) ở t i trọng ớn để o căng sự gi i ph ng nhiệt Một số

cơ chế tiềm năng tồn tại để đạt được sự phân t ng phụ t i một ph n, ao gồm phun nhi n iệu trong lanh tha đổi, ơm nước, tha đổi ượng và uá tr nh trộn anh để đạt được hỗn hợp nhi n iệu, h ng hí hỗn hợp h ng đồng nhất và tha đổi òng anh để tha đổi tru ền nhiệt Mức độ mà các ỹ thuật nà c thể mở rộng phạm vi hoạt động hiện chưa được biết và R & D sẽ tiếp tục nghi n cứu Do nh ng h hăn trong hoạt động cao, h u hết các hái niệm an đ u đều i n uan đến việc chu ển đổi sang SI hoặc

CI tru ền thống cho các điều iện hoạt động hi hoạt động HCCI h hăn hơn Hoạt động chế độ p nà mang ại ợi ích của HCCI ua một ph n đáng ể trong chu ỳ ái , nhưng th m vào sự phức tạp ằng cách chu ển động gi a các chế độ vận hành

c Khả năng bắt đầu lạnh

Khi ắt đ u ạnh, nhiệt độ hí n n trong một động cơ HCCI sẽ gi m v nhi n iệu

h ng nhận được sự n ng n từ ống n hí nạp và nhi n iệu n n được àm mát nhanh

ch ng ằng nhiệt tru ền từ các vách thành uồng chá ạnh Nếu h ng c một số cơ chế

ù đắp, nhiệt độ n n thấp c thể ngăn h ng cho động cơ HCCI chá Các cơ chế ắt đ u

àm ạnh ở chế độ HCCI đã được đề uất như s ụng các ộ phích sáng, s ụng nhi n iệu hoặc phụ gia nhi n iệu hác nhau và tăng tỷ số n n ằng VCR hoặc VVT C ẽ cách tiếp cận thực tế nhất à hởi động động cơ ở chế độ đánh a tia a và chu ển sang chế độ HCCI sau hi hởi động Đối với động cơ được trang ị VVT, c thể àm cho giai đoạn hởi động nà ngắn như một vài chu tr nh cháy, v các mức ư ượng hí n ng cao

c thể được gi ại từ các chu tr nh ốc chá trước đ để gâ ra sự chá HCCI Mặc ù các gi i pháp h thi, c n ph i c R & D đáng ể để thực hiện các hái niệm nà và chuẩn ị cho các động cơ s n uất

d Phát thải Hydrocacbon và Carbon Monoxide

Động cơ HCCI c ượng NOx và PM thấp nhưng ít phát th i hí h rocac on (HC)

và carbon monoxi (CO) tương đối cao Một số tiềm năng tồn tại để gi m nhẹ nh ng phát th i nà hi t i nhẹ ằng cách s ụng trực tiếp phun nhi n iệu trong anh để đạt được phân t ng phù sa một ph n thích hợp Tu nhi n, trong h u hết các trư ng hợp, việc iểm soát ượng HC và CO từ động cơ HCCI sẽ u c u các thiết ị iểm soát hí th i

C ng nghệ c tác để oại ỏ HC và CO được hiểu rõ và đã được thực hiện các thiết ị

ti u chuẩn tr n t trong nhiều năm Tu nhi n, nhiệt độ ạnh của động cơ HCCI

c thể àm tăng th i gian tắt của chất c tác và gi m hiệu u trung nh Do đ , đáp ứng các ti u chuẩn phát th i trong tương ai đối với HC và CO sẽ đòi hỏi ph i phát triển

th m các chất c tác o h a cho òng nhiệt độ thấp Tu nhi n, các thiết ị iểm soát hí th i HC và CO th đơn gi n, ền hơn và ít phụ thuộc vào các im oại uí hiếm đắt tiền hơn các thiết ị iểm soát hí th i NOx và PM Do đ , uá tr nh o hoá h a học đồng th i HC và CO (trong một động cơ HCCI) ễ àng hơn nhiều so với gi m h a học NOx và oxy hóa PM (trong động cơ CIDI) Ngoài ra, các thiết ị iểm soát hí th i HC

và CO đơn gi n, ền hơn và ít phụ thuộc vào các im oại u hiếm đắt tiền

2.4.2 TIỀM NĂNG

a Kiểm soát thời điểm đánh lửa

R & D (Research and Development) à c n thiết để phát triển các phương pháp iểm soát động cơ HCCI, vượt ua thách thức u tr th i gian đánh a hi t i và tốc độ tha đổi Du tr th i gian đánh a tối ưu à th thách đối với động cơ HCCI so với các động cơ th ng thư ng ởi v h ng c cơ chế tích cực, chẳng hạn như tia a điện hoặc nhi n iệu, sẽ ác định th i điểm đánh a

Trong động cơ HCCI, th i gian đánh a được ác định ằng tỷ ệ ph n ứng h a học của hỗn hợp, được điều hiển ởi th i gian, nhiệt độ và thành ph n hỗn hợp Trong các th ng số nà , th i điểm đánh a à nhạ nhất với nhiệt độ Do tốc độ và t i của động

cơ (th i gian và hỗn hợp) tha đổi, th i gian đánh a c ng sẽ tha đổi, trừ hi nhiệt độ nạp được điều chỉnh để ù ại

Nhiều phương pháp iểm soát nhiệt độ nạp g n TDC đã được đề uất và một số đã được chứng minh với điều iện hạn chế C ẽ cách đơn gi n nhất để iểm soát nhiệt độ tích điện trong một động cơ HCCI à để th m vào một ượng n ng GR, tu nhi n ph n ứng à chậm và tạm th i h ng được tốt Ngoài ra, tha đổi nhiệt độ ằng iến tỷ ệ nén iến thi n (VCR) g n đâ đã được chứng minh à một cách tu ệt v i để iểm soát

th i gian đánh a HCCI Kỹ thuật nà c thể được điều chỉnh để điều hiển tự động Ví

ụ, SAAB vừa th ng áo ế hoạch s n uất với động cơ SI c tỷ số n n tha đổi s ụng

cơ chế nghi ng anh th ng minh, c thể ễ àng thích nghi với động cơ HCCI Cuối cùng, VVT c thể à cách inh hoạt nhất để iểm soát nhiệt độ nạp VVT sẽ cho ph p tha đổi nhiệt độ phí ằng cách tha đổi tỷ ệ n n hiệu u và ằng cách tha đổi ượng

ư ư trong uồng và sau đ c ợi thế tiềm ẩn cho hoạt động cao và ắt đ u ạnh

b Kiểm soát tốc độ cháy cho vận hành cao

Research and Development à c n thiết để phát triển các phương pháp để àm chậm tốc độ tự chá trong động cơ HCCI ở t i động cơ cao để tránh tiếng ồn uá mức và thiệt hại động cơ Do sự ết hợp của động ực học chậm và sự h ng đồng nhất trong quá trình nạp, tốc độ gi i ph ng nhiệt trong các động cơ HCCI nh n chung à đủ chậm để hoạt động trơn tru và ổn định chấp nhận được ở t i trọng thấp và trung nh.Tu nhi n, hi t i trọng cao, nhanh hơn và tỷ ệ gi i ph ng nhiệt từ HCCI g n như trở n n rất nhanh, gâ ra tiếng ồn h ng thể chấp nhận và thiệt hại động cơ Và sau đâ à m ta về hai iện pháp được đề uất:

 Thứ nhất, trong một ho ng th i gian ngắn hơn, hi t i trọng ớn, động cơ c thể chu ển sang và chạ như một động cơ th ng thư ng hoặc động cơ CIDI Hoạt động của

SI c ợi thế để iểm soát ượng hí th i NOx và nhi n iệu ăng c ng mang ại nhiều ợi ích Mặt hác, hoạt động của CIDI c ợi thế à hiệu u cao Việc chu ển đổi sang hoạt động của SI c thể u c u gi m tỷ ệ n n, điều nà sẽ đơn gi n đối với một động cơ được trang ị hệ thống VVT hoặc VCR Các ết u g n đâ từ Stanfor VVT cho thấ oại hái niệm nà c thể hoạt động, nhưng c n nỗ ực nghi n cứu và phát triển để th c

đẩ hái niệm đến một phạm vi hoạt động rộng hơn và để phát triển các chiến ược để chu ển đổi th ng suốt gi a HCCI và SI hoặc CIDI hoạt động ưới t i và trong th i gian

uá độ

 Thứ hai, nhiệt độ nạp hoặc hỗn hợp c thể được phân t ng một ph n để àm phẳng tốc độ gi i ph ng nhiệt Bởi v nga c nh ng tha đổi nhỏ trong nhiệt độ (~ 10 ° C) c thể àm tha đổi đáng ể th i gian đánh a của HCCI, sự phân t ng th o nhiệt độ à một phương tiện h thi để phát tán nhiệt Sự phân t ng nhiệt c thể được thực hiện ằng các

dòng xy anh iến đổi tạo ra tỷ ệ tru ền nhiệt h ng đồng đều hoặc ằng cách trộn h ng

đ đủ hỗn hợp nhi n iệu hoặc h ng hí mát với các s n phẩm chá n ng còn ại Ngoài việc phân t ng th o nhiệt độ, phân t ng hỗn hợp một ph n của các thành ph n nhiệt iso (hỗn hợp nhi n iệu h ng hí hoặc hỗn hợp tươi / ư) c ng c thể tạo ra sự chá HCCI th o từng giai đoạn Tiềm năng phân t ng phụ t i một ph n ph n ớn h ng được hám phá Mức độ phân t ng h ng iết c thể mở rộng phạm vi hoạt động trơn tru của một động cơ HCCI h ng, nhưng rất c h năng à phạm vi nà c thể được mở rộng đáng ể Research and Development à c n thiết để ác định tiềm năng của ỹ thuật

nà và để phát triển các phương pháp thực tế để đạt được u c u phân t ng và điều tra

m hoạt động phân t ng nà àm tăng ượng NOx và ượng chất th i hạt

c Khởi động lạnh

Research and Development à c n thiết để phát triển các hệ thống mới gi p vượt

ua thách thức về vấn đề đánh a trên động cơ HCCI mà không làm nh hưởng đến hiệu suất của động cơ Các nghiên cứu trước đâ chủ ếu được tiến hành hi động cơ đã hoạt động và c ít nghi n cứu đã được tiến hành để gi i u ết vấn đề hởi động ạnh Khí HCCI phụ thuộc rất ớn vào nhiệt độ tích điện Trong uá tr nh hởi động ạnh, nhi n iệu, h ng hí h ng nhận được sự n ng n từ các ống n và cổng nạp và tru ền nhiệt từ n n đến thành uồng chá với nhiệt độ thấp Sự ết hợp của nh ng hiệu ứng nà

c thể àm gi m đáng ể nhiệt độ hí n n và ngăn chặn một động cơ HCCI ốc chá C

a gi i pháp uất hiện Thứ nhất, động cơ c thể được hởi động như một động cơ đốt trong th ng thư ng (SI), sau đ chu ển sang chế độ HCCI sau một n hởi động ngắn Giai đoạn nà c thể u c u gi m tỷ ệ n n trong uá tr nh vận hành, hoạt động hởi động, c thể được thực hiện ễ àng tr n một động cơ được trang ị một hệ thống VVT hoặc VCR để các th ng số uá độ VVT c th m ợi ích à cho ph p để ại ph n còn

ại n ng từ chu ỳ trước; ua đ cho ph p chu ển đổi nhanh hơn tới HCCI (Động cơ

c ng c thể được hởi động như một động cơ CIDI mà h ng c n điều chỉnh tỷ ệ n n, nhưng nhi n iệu ăng như mang ại nhiều ợi thế hơn) Thứ hai, động cơ c thể được hởi động ở chế độ HCCI ằng cách tăng tỷ số n n trong quá trình hởi động ạnh, với

hệ thống VVT hoặc VCR Thứ a, phích cắm phát sáng c thể được s ụng để hỗ trợ đánh a HCCI cho đến hi động cơ n ng n Các ết hợp của các hệ thống nà c ng c thể được s ụng

d Kiểm soát khí thải

Research and Development à c n thiết để phát triển các hệ thống iểm soát hí th i

và các chiến ược iểm soát để vượt ua thách thức u tr các mức phát th i c thể chấp nhận được, đặc iệt à ở các t i trọng thấp Khi t i trọng thấp và trung nh, động cơ HCCI phát ra ượng NOx rất thấp, o đ h ng c n thiết iểm soát hí th i để gi m NOx

Tu nhi n, o phạm vi hoạt động được mở rộng đến t i cao, ượng hí th i NOx có thể trở n n uá mức và tốc độ tự chá c thể trở n n uá nhanh

Khí th i từ H rocar on (HC) và Carbon Monoxide (CO): các động cơ HCCI n i

chung c ượng phát th i HC há cao Khi t i trọng ớn, phát th i HC ra c ng tương tự như của động cơ SI và c thể được iểm soát ằng một chất c tác o h a Tu nhi n,

hi t i trọng thấp ượng hí th i HC sẽ trở n n tồi tệ hơn, c ẽ v nhiệt độ thấp đến mức nhi n iệu g n thành anh h ng chá Ngoài ra, hi t i nhẹ, nhiệt độ trở n n uá thấp

để hoàn thành các ph n ứng CO đến CO2 Một ế hoạch phun phân t ng một ph n c thể

àm gi m nhẹ các vấn đề c t i trọng thấp Tha v c một hỗn hợp đồng nhất rất nạc, nhi n iệu c thể được tập trung g n trung tâm của anh Các hỗn hợp nà h ng chỉ chá tốt ở chế độ HCCI, mà nhi n iệu sẽ h ng g n thành anh hoặc các h , o đ , HCs từ các nguồn nà c ng sẽ được oại ỏ Việc cấp nhi n iệu phân t ng một ph n c thể được thực hiện ằng một hệ thống phun nhi n iệu DI tương tự như các động cơ ăng SIDI hoặc ằng cách sắp ếp òng nạp đặc iệt giống như nh ng chiếc Mitsu ishi và

To ota s ụng tr n động cơ SI Các hệ thống nà c thể àm gi m đáng ể HCs ở t i trọng thấp, nhưng v n c thể sẽ được u c u một chất c tác o Nghi n cứu à c n thiết để ác định tiềm năng của các ỹ thuật phân t ng phí tổn một ph n hoặc các phương pháp hác để iểm soát việc phát th i HC và CO Ngoài ra, c n nỗ ực nghi n cứu và phát triển chất c tác o hoá ở nhiệt độ thấp phù hợp với động cơ HCCI hoạt động ở trọng t i nhẹ

Phát th i NOx hi t i cao: động cơ HCCI tạo ra mức NOx rất thấp v ch ng vận hành với một ượng pha rất oãng Khi việc ổ sung nhi n iệu được tăng n để cho c ng suất ớn hơn, ượng hỗn hợp sẽ trở n n ít pha oãng hơn và nhiệt độ tăng n, n đến ượng phát th i NOx đáng ể Đối với các động cơ HCCI g n như đồng nhất, tỷ ệ chá nhanh ở t i trọng cao hơn thư ng giới hạn c ng suất trước hi phát th i NOx ra trở n n

uá mức S ụng phân ớp một ph n (ở nhiệt độ hoặc thành ph n) nạp n n n n (SCCI), phạm vi hoạt động c thể được mở rộng đến t i cao hơn nhưng với sự gi i ph ng nhiệt phân tán, gi m tối đa nhiệt độ đỉnh và gi m NOx Do đ nghi n cứu sẽ được u c u để

ác định mức độ t i nạp nhi n iệu c thể tăng n cùng với SCCI trước hi phát th i NOx trở thành vấn đề Các nỗ ực nghi n cứu và phát triển được u c u để hám phá các ựa chọn nà và các phương pháp c tiềm năng hác để iểm soát NOx ở t i trọng

ớn trong hi v n u tr được hiệu u của việc tự cháy HCCI / SCCI

e Chế độ hoạt động tạm thời

Research and Development à c n thiết để phát triển một hệ thống iểm soát ph n ứng nhanh để vượt ua thách thức u tr đ ng th i điểm đánh a trong nh ng iến động nhanh về tốc độ và t i của động cơ Nhanh ch ng vượt ua h hăn hiện na à nhiệt độ nạp h ng phù hợp chính ác với điều iện hoạt động o tốc độ và t i đang tha đổi C thể tránh được hiện tượng thoáng qua trong một ứng ụng điện ai tạo, c thể cho

ph p HCCI nhanh ch ng âm nhập vào thị trư ng Tu nhi n, các hệ thống điều hiển HCCI tiềm năng ựa tr n các thiết ị như VVT hoặc VCR c thể được thiết ế với đáp ứng đủ nhanh để cung cấp hoạt động HCCI trơn tru, i n tục th ng ua các ước uá độ

Ví ụ, Đại học Stanfor g n đâ đã chứng minh rằng một hệ thống VVT tương tự c thể chu ển đổi và ra hỏi uá tr nh chá HCCI từ chu ỳ nà sang chu ỳ hác Tu nhi n,

nga c một hệ thống VVT phức tạp hơn hoặc hệ thống VCR, giống như hệ thống mà SAAB vừa c ng ố c thể à đ đủ Với một hệ thống và điều hiển má vi tính tốt, tỷ

ệ n n c thể tha đổi th o chu ỳ để phù hợp với việc nạp nhi n iệu và tốc độ trong suốt quá tr nh chu ển đổi Các nỗ ực Research and Development sẽ được u c u để ác định các đặc tính c n thiết của một hệ thống VVT hoặc VCR, để phát triển và th nghiệm các

hệ thống m u và để phát triển các thuật toán điều hiển c n thiết

f Hệ thống điều khiển

Research and Development à c n thiết để phát triển một phương pháp ph n hồi và iểm soát vòng ín của hệ thống nhi n iệu và h ng hí để gi cho uá tr nh chá được tối ưu h a hơn tốc độ và t i trọng của động cơ trong s n uất một chiếc Các cơ chế điều hiển, c m iến và các thuật toán điều hiển thích hợp à các c ng nghệ cho ph p động cơ HCCI thiết thực Như đã th o uận ở tr n, các hệ thống VVT và VCR c tiềm năng mạnh mẽ trong việc iểm soát các động cơ HCCI và gi i u ết nhiều vấn đề uan trọng như th i gian đánh a, hởi động ạnh, uá độ, oại nhi n iệu và chu ển sang hoặc ra hỏi chế độ SI Các cơ chế iểm soát hác, chẳng hạn như việc s ụng th i gian phun nhi n iệu DI tha đổi, các oại má phun hác nhau và các chương tr nh hác nhau

để trộn các ộ phận nạp (nhi n iệu, không khí và các s n phẩm chá còn ại) c tiềm năng mạnh mẽ để iểm soát tốc độ gi i ph ng nhiệt, ượng hí th i và cho ph p s ụng các oại nhi n iệu hác nhau Ngoài ra, c ng c thể áp ụng các phương pháp đơn gi n hơn, chẳng hạn như áp ụng GR n ng vào ượng phí nạp

Ngoài các phương pháp điều hiển và ph n cứng, các thuật toán điều hiển và c m iến ph i được phát triển để cung cấp ph n hồi cho điều hiển vòng ín Dưới điều hiển vòng ín, hệ thống u n động cơ tha đổi các th ng số động cơ, chẳng hạn như òng nhi n iệu và GR, để đáp ứng các đ u vào từ c m iến Kiểm soát vòng ín cho ph p hiệu suất động cơ và ượng hí th i được i n tục được tối ưu h a trong uá tr nh vận hành Các c m iến c thể c n thiết ao gồm các c m iến để th o õi th i gian đánh a, tốc độ gi i ph ng nhiệt, mức GR, phát th i HC và phát th i NOx

Định ượng tiềm năng của nhiều hệ thống iểm soát để vượt ua các rào c n ỹ thuật đối với HCCI sẽ được thực hiện như à một ph n của Research and Development Các hệ thống điều hiển được s ụng tr n các động cơ HCCI trong phòng thí nghiệm sẽ

i n uan đến ph n cứng ngu n m u tù chỉnh trong thực tế h ng cho s n uất hàng oạt Ngoài việc ác định tiềm năng của các phương pháp iểm soát HCCI hác nhau,

c n nỗ ực nghi n cứu và phát triển các hệ thống inh tế, thiết thực cho các động cơ HCCI s n uất Nh ng nỗ ực Research and Development nà ao gồm việc phát triển các gi i pháp h thi về mặt inh tế và các thuật toán điều hiển

g Phát triển hệ thống nhiên liệu

Research and Development à c n thiết để phát triển một hệ thống phân phối nhi n iệu ởi v n à một c ng nghệ chủ chốt để vượt ua thách thức u tr đ ng th i điểm đánh a, tỷ ệ chá trơn tru và ượng hí th i thấp trong phạm vi hoạt động của động cơ

Các oại hệ thống nhi n iệu hác nhau đã được đề uất ao gồm c các oại uồng phun nhi n iệu, các ộ phun nhi n iệu DI tương tự được chế tạo cho động cơ SI, đ u phun động cơ i s DI và sự ết hợp của nh ng thiết ị phun nà Mỗi oại c ợi cho các chế

độ hoạt động hác nhau và các oại nhi n iệu

Đối với nhi n iệu i s , oại má phun u c u phụ thuộc vào chiến ược đã được

ựa chọn để trộn và cháy nhi n iệu h ng hí Đối với phương pháp tiếp cận nà , c n c một đ u phun ựa tr n một ộ phun u DI Tu nhi n, c n ph i c nh ng s a đổi để đạt được tỷ ệ pha trộn rất cao c n thiết cho uá tr nh tự cháy HCCI

Đối với nhi n iệu ăng, oại hút DI cho động cơ SI c vẻ hấp n Tu nhi n, hi nghi n cứu của HCCI phát triển, n c thể chỉ ra nh ng u c u tha đổi trong các thiết

ị phun nà để đáp ứng nhu c u của động cơ HCCI Tu nhi n, một iểu phân t ng hác nhau sẽ được u c u cho mỗi trư ng hợp Đạt được sự phân t ng mong muốn trong mọi điều iện hoạt động c thể sẽ u c u các vòi phun HCCI chu n ụng với các đặc tính phun hác với các má phun ăng DI hiện tại Research and Development sẽ được u

c u để thích nghi với các thiết ị phun hiện c hoặc để phát triển các thiết ị phun ti n

tiến hác, cung cấp các đặc tính phun th o mong muốn cho HCCI

h Hiệu ứng nhiều xylanh

Research and Development à c n thiết để phát triển thiết ế ống nạp và hí th i cho động cơ nhiều xy anh để vượt ua thách thức u tr sự thống nhất nghi m ngặt của òng

đ u vào và đ u ra của mỗi anh để đ m o vận hành động cơ trơn tru Trong động cơ nhiều xylanh, có sự hác iệt nhỏ về số ượng các s n phẩm cháy n ng còn ại Trong động cơ SI hoặc CIDI th ng thư ng, nh ng hác iệt nhỏ gi a các anh h ng nh hưởng đáng ể đến uá trình cháy Tu nhi n, sự đánh a trong các động cơ HCCI rất nhạ c m với nh ng tha đổi nhỏ trong nhiệt độ n n và nh ng hác iệt nhỏ nà c thể

n đến sự iến đổi từ anh đến anh đáng ể trong th i gian chá Research and Development sẽ được u c u để phát triển các thiết ế đa ạng để gi m thiểu vấn đề nà

tr n n đồ tốc độ t i và để phát triển các c m iến và hệ thống điều hiển để u tr sự

tự chá đồng đều gi a các lanh

i Mô hình cháy

Research and Development à c n thiết để phát triển các m h nh động cơ ưu ượng tính toán (CFD Computational Fluid Dynamics) và các mô hình cháy cho động cơ HCCI

để vượt ua th thách tạm th i và h ng tốn m đánh giá thiết ế h nh học và thiết ế

hệ thống cháy M h nh chá à trung tâm của việc phát triển các hệ thống chá HCCI thực tế và các phương pháp iểm soát Ngoài ra, nh ng nỗ ực an đ u đang được tiến hành để áp ụng các ỹ thuật m h nh h a nhiễu ti n tiến cho một số chi tiết về sự chá HCCI Tu nhi n, sự phát triển và th nghiệm đáng ể các m h nh sẽ à c n thiết để th c

đẩ hái niệm HCCI C n c nh ng nỗ ực trong a ĩnh vực chính: cơ chế h a học, động

ực học và phát triển m h nh CFD và phát triển su mo

H a học Kin tics: các m h nh động học cho các oại nhi n iệu chính, nhi n iệu

đại iện như iso-octane, n-heptan và propan đã được phát triển tốt và đã chứng minh c giá trị cho việc điều tra HCCI Tu nhi n, các cơ chế động học cho các nhi n iệu tha thế c tính h thi về mặt tính toán nhưng v n nắm ắt được chính ác các đặc tính tự động h a của nhi n iệu thực, như nhi n iệu ăng và u i s , trong các điều iện HCCI c n được phát triển

C i tiến m h nh CFD: hiểu và iểm soát phân t ng phí tổn một ph n (c hỗn hợp

và nhiệt độ) c thể sẽ đ ng một vai trò uan trọng trong việc phát triển một động cơ HCCI thực tế Các m h nh CFD chính ác được u c u để nắm ắt các uá tr nh trộn

đa tạp và trong anh được s ụng để tạo ra nh ng phân t ng phí Các m h nh ph i c

độ phân gi i h ng gian và th i gian đủ để gi i u ết các hiệu ứng pha trộn và ớp i n Các m h nh CFD c ng ph i tương thích với các gi i pháp đồng th i về cơ chế gi m, các

m h nh động học hoá học và các m h nh con cho thuốc ịt và ph i ết hợp các m h nh con rối nhiễu

Phát triển Su mo : c hai cổng phun nhi n iệu và phun trực tiếp các giai đoạn áp ụng cho động cơ HCCI Phun và các m u phụ hác được u c u tạo ra sự phân tán nhi n iệu, sự ốc hơi và sự pha trộn được s n uất ởi nh ng thiết ị phun nà Pha trộn hỗn độn à trọng tâm của tất c các hía cạnh của sự pha trộn và phân t ng phụ t i một

ph n và các mô h nh hỗn độn c i thiện n n được ết hợp vào các m h nh CFD Ngoài ra,

c n ph i tiếp tục hám phá các ứng ụng các hái niệm nhiễu oạn ti n tiến, như sự iến ạng một chiều (ODT One Dimensional Turbulence) và M phỏng Lớn (L S Large Eddy Simulation), cho các quá trình xy anh trong động cơ HCCI

2.5 Những phát triển gần đây của động cơ HCCI

PNGV (Partn rship for a N w G n ration of V hic s) đã thực hiện nghi n cứu toàn iện về HCCI tr n toàn thế giới B ng 2.1 cho thấ một n t m tắt về nh ng phát triển g n đâ về c ng nghệ HCCI Ngoài ra, For , G n ra Motors (GM) và Cummins ngin Compan đã tiến hành nghi n cứu về sự tự chá của HCCI

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