Luận văn: Nghiên cứu động cơ HCCI và tính toán cải tạo động cơ Diesel

Nghiên cứu về động cơ HCCI và các tính toán cải tạo động cơ Diesel hoạt động theo nguyên lý HCCI, giúp nâng cao hiệu suất và giảm phát thải độc hại.

• Tác giả: Lê Đức Hiền
• Người hướng dẫn: Trần Văn Nam
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa - Đại Học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Cơ Khí Giao Thông
• Đề tài: Nghiên Cứu Động Cơ HCCI Tính Toán Cải Tạo Động Cơ Diesel Hoạt Động Theo Nguyên Lý HCCI
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Đà Nẵng

Tóm tắt

I. Động cơ HCCI là gì Khám phá công nghệ động cơ sạch mới

Động cơ HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) đại diện cho một bước tiến đột phá trong lĩnh vực động cơ đốt trong. Đây là một công nghệ động cơ sạch kết hợp những ưu điểm vượt trội của cả động cơ xăng (SI - Spark Ignition) và động cơ Diesel (CI - Compression Ignition). Về bản chất, động cơ HCCI hoạt động dựa trên nguyên lý nén cháy hỗn hợp đồng nhất. Không giống động cơ xăng cần bugi đánh lửa hay động cơ Diesel phun nhiên liệu vào cuối kỳ nén, HCCI chuẩn bị một hỗn hợp không khí và nhiên liệu đồng nhất ngay từ đầu, sau đó nén hỗn hợp này đến khi đạt nhiệt độ tự bốc cháy mà không cần nguồn nhiệt bên ngoài. Quá trình đốt cháy hỗn hợp đồng nhất diễn ra đồng thời tại nhiều điểm trong buồng đốt, giúp quá trình cháy diễn ra nhanh hơn, hiệu quả hơn và ở nhiệt độ thấp hơn. Điều này mang lại hai lợi ích cốt lõi: hiệu suất nhiệt cao tương đương động cơ Diesel và mức phát thải NOx cùng phát thải bồ hóng (PM) cực kỳ thấp. Việc hiểu rõ nguyên lý này là nền tảng quan trọng cho việc nghiên cứu và tính toán cải tạo động cơ Diesel hiện có để hoạt động theo nguyên lý HCCI, mở ra một tương lai bền vững hơn cho ngành công nghiệp ô tô.

1.1. Lịch sử của Homogeneous Charge Compression Ignition

Mặc dù thuật ngữ HCCI trở nên phổ biến trong vài thập kỷ gần đây, nguyên lý cơ bản của nó đã xuất hiện từ hơn 100 năm trước trên các động cơ diesel bầu nhiệt. Trong các động cơ này, nhiên liệu được phun sớm lên một bề mặt nóng, cho phép bay hơi và hòa trộn với không khí để tạo thành một hỗn hợp tương đối đồng nhất. Các nghiên cứu có hệ thống đầu tiên về quá trình này được ghi nhận vào năm 1979 bởi Onishi và Noguchi trên động cơ xăng hai kỳ. Công trình của họ đã mở đường cho Honda giới thiệu động cơ CAI (Controlled Auto Ignition) thương mại đầu tiên. Đến năm 1983, Najt và Foster đã áp dụng thành công nguyên lý này trên động cơ 4 kỳ. Thuật ngữ Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) được Thring giới thiệu sau đó và đã trở thành tên gọi tiêu chuẩn để mô tả quá trình đốt cháy này.

1.2. So sánh nguyên lý đốt cháy hỗn hợp đồng nhất và SI CI

Sự khác biệt cơ bản nằm ở cách hình thành hỗn hợp và khơi mào quá trình cháy. Động cơ SI hòa trộn nhiên liệu và không khí trước, sau đó dùng tia lửa điện để đốt cháy, tạo ra màng lửa lan truyền. Động cơ CI nén không khí đến nhiệt độ cao rồi phun nhiên liệu vào, gây ra quá trình cháy khuếch tán. Ngược lại, động cơ HCCI là sự kết hợp: hòa trộn đồng nhất như SI và tự bốc cháy do nén như CI. Quá trình cháy của HCCI diễn ra đồng thời trên toàn bộ thể tích buồng đốt, không có màng lửa lan truyền, giúp rút ngắn pha cháy và tăng hiệu suất. Nhiệt độ cháy thấp hơn đáng kể so với SI và CI, là nguyên nhân chính giúp giảm mạnh lượng phát thải NOx.

1.3. Phân tích ưu và nhược điểm chính của công nghệ HCCI

Ưu điểm lớn nhất của động cơ HCCI là hiệu suất nhiệt cao và phát thải cực thấp. Nó có thể giảm từ 90-98% NOx và gần như loại bỏ hoàn toàn phát thải bồ hóng (PM) so với động cơ Diesel truyền thống. Tuy nhiên, công nghệ này cũng đối mặt với nhiều thách thức. Nhược điểm lớn nhất là khó khăn trong việc kiểm soát quá trình cháy, đặc biệt là thời điểm bắt đầu cháy. Dải tải hoạt động của HCCI cũng bị giới hạn, thường chỉ hiệu quả ở tải thấp và trung bình. Ngoài ra, nhiệt độ cháy thấp dẫn đến phát thải HC và CO cao hơn, đòi hỏi hệ thống xử lý khí thải hiệu quả. Vấn đề khởi động nguội và hình thành hỗn hợp đồng nhất với các nhiên liệu khó bay hơi cũng là những rào cản cần vượt qua.

II. Thách thức lớn khi cải tạo động cơ Diesel thành động cơ HCCI

Việc tính toán cải tạo động cơ Diesel sang hoạt động theo nguyên lý HCCI là một nhiệm vụ phức tạp, đối mặt với nhiều rào cản kỹ thuật. Thách thức cốt lõi nhất nằm ở việc kiểm soát quá trình cháy. Động cơ Diesel nguyên bản được thiết kế cho quá trình cháy không đồng nhất, được kiểm soát bằng thời điểm phun nhiên liệu. Khi chuyển sang HCCI, quá trình cháy phụ thuộc hoàn toàn vào lịch sử nhiệt độ, áp suất và thành phần hóa học của hỗn hợp. Việc không có cơ chế kiểm soát trực tiếp như bugi hay thời điểm phun khiến động cơ HCCI rất nhạy cảm với các thay đổi về tải, tốc độ và điều kiện môi trường. Một thách thức lớn khác là dải hoạt động hẹp. Động cơ Diesel có thể hoạt động hiệu quả trên một dải tải rộng, nhưng chế độ HCCI thường chỉ ổn định ở tải thấp đến trung bình. Ở tải cao, tốc độ tỏa nhiệt quá nhanh có thể gây ra hiện tượng kích nổ nghiêm trọng, phá hủy động cơ. Ngược lại, ở tải quá thấp, nhiệt độ nén không đủ để đạt đến nhiệt độ tự bốc cháy, dẫn đến cháy không hoàn toàn hoặc bỏ máy, làm tăng vọt phát thải HC và CO.

2.1. Vấn đề kiểm soát thời điểm và pha cháy trong động cơ

Không giống động cơ truyền thống, động cơ HCCI không có cơ chế trực tiếp để kích hoạt quá trình cháy. Thời điểm tự bốc cháy được quyết định bởi các phản ứng hóa học phức tạp, phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, tỷ số nén, và thành phần hỗn hợp (bao gồm cả khí xả tuần hoàn). Việc kiểm soát chính xác pha cháy để đạt hiệu suất tối đa và tránh kích nổ là cực kỳ khó khăn. Bất kỳ sự thay đổi nhỏ nào về nhiệt độ khí nạp, tỷ lệ nhiên liệu hay lượng luân hồi khí xả (EGR) đều có thể làm thay đổi đáng kể thời điểm bắt đầu cháy, đòi hỏi một hệ thống điều khiển điện tử động cơ (ECU) rất tinh vi và các thuật toán dự đoán phức tạp.

2.2. Hạn chế về dải tải và mức phát thải HC và CO cao

Giới hạn hoạt động là một trong những nhược điểm lớn nhất của HCCI. Ở tải cao, hỗn hợp giàu nhiên liệu hơn sẽ giải phóng năng lượng quá nhanh, gây ra áp suất tăng đột ngột, dẫn đến tiếng ồn và nguy cơ hư hỏng cơ khí. Để mở rộng dải tải, các giải pháp như động cơ đa chế độ (chuyển đổi giữa HCCI và SI/CI) đang được nghiên cứu. Mặt khác, do nhiệt độ cháy thấp, quá trình oxy hóa nhiên liệu thường không hoàn toàn, dẫn đến mức phát thải HC và CO cao hơn so với động cơ thông thường. Đây là một sự đánh đổi với việc giảm NOx và PM, đòi hỏi các giải pháp xử lý khí thải sau động cơ, chẳng hạn như bộ chuyển đổi xúc tác được tối ưu hóa cho dòng khí thải nhiệt độ thấp.

2.3. Khó khăn trong việc tạo hỗn hợp đồng nhất từ nhiên liệu Diesel

Nhiên liệu Diesel có đặc tính khó bay hơi so với xăng. Việc tạo ra một hỗn hợp đồng nhất hoàn toàn từ Diesel trong khoảng thời gian ngắn của một chu trình động cơ là một thách thức kỹ thuật. Các phương pháp như phun trên đường nạp có thể dẫn đến hiện tượng nhiên liệu bám dính vào thành ống, gây lãng phí và tăng phát thải HC. Phương pháp phun trực tiếp vào xi-lanh đòi hỏi phải phun rất sớm trong kỳ nạp hoặc kỳ nén, nhưng điều này lại làm tăng nguy cơ nhiên liệu bám vào thành xi-lanh lạnh. Do đó, việc thiết kế lại hệ thống phun nhiên liệu và buồng đốt là bắt buộc khi thực hiện cải tạo động cơ Diesel sang HCCI, ví dụ như sử dụng vòi phun nhiều lỗ tia nhỏ, áp suất cao và piston có hình dạng đặc biệt.

III. Phương pháp tính toán cải tạo động cơ Diesel sang HCCI

Quá trình tính toán cải tạo động cơ Diesel để hoạt động hiệu quả theo nguyên lý HCCI đòi hỏi một phương pháp luận khoa học và chi tiết. Trọng tâm của quá trình này là thay đổi kết cấu động cơ và các hệ thống phụ trợ để tạo điều kiện lý tưởng cho quá trình đốt cháy hỗn hợp đồng nhất. Một trong những bước đầu tiên và quan trọng nhất là điều chỉnh tỷ số nén. Động cơ Diesel thường có tỷ số nén rất cao (16:1 đến 22:1) để đảm bảo không khí được nén đến nhiệt độ đủ cao để tự bốc cháy khi phun nhiên liệu. Tuy nhiên, với hỗn hợp đã được hòa trộn sẵn của HCCI, tỷ số nén cao như vậy sẽ khiến hỗn hợp tự cháy quá sớm, gây kích nổ. Do đó, việc tính toán để giảm tỷ số nén xuống mức tối ưu (thường trong khoảng 11:1 đến 15:1) là bắt buộc. Điều này có thể được thực hiện bằng cách thay đổi piston, tay biên hoặc đệm lót nắp máy. Bên cạnh đó, việc thiết kế một hệ thống phun nhiên liệu mới, có khả năng tạo hỗn hợp đồng nhất, là yếu tố then chốt. Các nghiên cứu thường đề xuất sử dụng nhiên liệu kép (dual fuel), ví dụ như sử dụng khí CNG phun trên đường nạp để tạo hỗn hợp nền đồng nhất và một lượng nhỏ Diesel phun mồi để kiểm soát thời điểm cháy.

3.1. Phân tích phương án thay đổi kết cấu động cơ Diesel

Phương án thay đổi kết cấu động cơ là bước nền tảng. Các thay đổi chính bao gồm: giảm tỷ số nén để kiểm soát thời điểm tự cháy; thiết kế lại đỉnh piston để tạo ra chuyển động xoáy lốc tối ưu, giúp nhiên liệu và không khí hòa trộn tốt hơn, đồng thời giảm thiểu lượng nhiên liệu bám dính thành xi-lanh. Hệ thống cung cấp nhiên liệu cũng cần được cải tạo toàn diện. Thay vì bơm cao áp và vòi phun Diesel truyền thống, hệ thống mới có thể bao gồm một bộ hòa trộn khí (như Venturi) cho nhiên liệu dạng khí (CNG, LPG) và một hệ thống phun nhiên liệu Diesel common rail được hiệu chỉnh để phun một lượng rất nhỏ làm mồi lửa. Những thay đổi này cần được tính toán và mô phỏng động cơ kỹ lưỡng trước khi triển khai.

3.2. Tính toán nhiệt và tối ưu hóa thông số động cơ HCCI

Tính toán nhiệt là một phần không thể thiếu để dự đoán hiệu suất và các thông số hoạt động của động cơ sau cải tạo. Quá trình này bao gồm việc xác định các thông số chu trình làm việc như áp suất, nhiệt độ cuối kỳ nén và kỳ cháy, công chỉ thị, và hiệu suất nhiệt. Các phần mềm mô phỏng (GT-Power, AVL Boost) đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa thông số động cơ. Bằng cách thay đổi các biến số như tỷ số nén, thời điểm phun mồi, tỷ lệ luân hồi khí xả (EGR) trên mô hình, các nhà nghiên cứu có thể tìm ra bộ thông số tối ưu để đạt được hiệu suất cao nhất trong khi vẫn đảm bảo quá trình cháy ổn định và giảm thiểu phát thải NOx.

3.3. Thiết kế bộ hòa trộn Venturi và hệ thống nhiên liệu kép

Đối với phương án sử dụng nhiên liệu kép (dual fuel), việc thiết kế bộ hòa trộn là rất quan trọng. Bộ hòa trộn Venturi là một lựa chọn phổ biến do cấu tạo đơn giản và hiệu quả. Nó hoạt động dựa trên nguyên lý giảm áp suất khi dòng khí đi qua một eo hẹp, từ đó hút nhiên liệu (dạng khí) vào và hòa trộn với không khí nạp. Việc tính toán kích thước họng Venturi và vị trí cấp nhiên liệu cần đảm bảo tạo ra một hỗn hợp đồng nhất trên toàn dải tốc độ và tải của động cơ. Hệ thống phun nhiên liệu Diesel phun mồi cũng cần được điều khiển chính xác bởi ECU, vì lượng nhiên liệu và thời điểm phun mồi có ảnh hưởng trực tiếp đến việc khơi mào và kiểm soát quá trình cháy HCCI.

IV. Bí quyết kiểm soát động cơ HCCI để tối ưu hiệu suất nhiệt

Để động cơ HCCI hoạt động ổn định và đạt hiệu suất nhiệt cao, việc triển khai các chiến lược kiểm soát quá trình cháy là yếu-tố-sống-còn. Vì không có cơ chế kích hoạt cháy trực tiếp, việc điều khiển phải được thực hiện một cách gián tiếp thông qua việc thay đổi các điều kiện trong xi-lanh. Một trong những phương pháp hiệu quả nhất là sử dụng hệ thống luân hồi khí xả (EGR). Bằng cách đưa một phần khí xả quay trở lại đường nạp, EGR giúp làm giảm nồng độ oxy và tăng nhiệt dung của hỗn hợp, từ đó làm chậm tốc độ phản ứng cháy, giúp kiểm soát tốc độ tăng áp suất và mở rộng vùng hoạt động an toàn của động cơ. Hơn nữa, nhiệt độ của khí xả tuần hoàn còn giúp sấy nóng khí nạp, hỗ trợ quá trình tự bốc cháy ở các chế độ tải thấp. Ngoài EGR, công nghệ điều khiển van biến thiên (VVT) cũng đóng vai trò quan trọng. Bằng cách thay đổi thời điểm đóng mở xupap, VVT có thể điều khiển lượng khí thải nóng còn sót lại trong xi-lanh (EGR nội), từ đó điều chỉnh nhiệt độ hỗn hợp một cách nhanh chóng và linh hoạt. Tất cả các hệ thống này phải được tích hợp và điều khiển bởi một ECU tiên tiến, có khả năng xử lý dữ liệu từ nhiều cảm biến và ra quyết định trong thời gian thực.

4.1. Vai trò của hệ thống luân hồi khí xả EGR trong HCCI

Hệ thống luân hồi khí xả (EGR) là công cụ kiểm soát chính trong động cơ HCCI. Nó có hai tác dụng chính: pha loãng hỗn hợp và điều chỉnh nhiệt độ. Khí xả trơ (chủ yếu là CO2 và N2) làm giảm nồng độ oxy, giúp làm chậm quá trình cháy và ngăn chặn kích nổ ở tải cao. Đồng thời, nhiệt lượng từ khí xả giúp tăng nhiệt độ khí nạp, đảm bảo hỗn hợp đạt đến nhiệt độ tự bốc cháy ngay cả ở tải thấp, nơi nhiệt lượng từ quá trình nén có thể không đủ. Tỷ lệ EGR cần được điều khiển chính xác dựa trên tốc độ và tải của động cơ để duy trì pha cháy tối ưu.

4.2. Điều khiển điện tử động cơ ECU và các cảm biến chính

Hệ thống điều khiển điện tử động cơ (ECU) là bộ não của động cơ HCCI. Nó phải liên tục thu thập và xử lý tín hiệu từ hàng loạt cảm biến như cảm biến áp suất trong xi-lanh, cảm biến nhiệt độ khí nạp/khí xả, cảm biến oxy, và cảm biến vị trí trục khuỷu. Dựa trên các dữ liệu này, ECU sẽ tính toán và điều khiển các cơ cấu chấp hành như van EGR, kim phun nhiên liệu (cả nhiên liệu chính và nhiên liệu mồi), và hệ thống VVT. Mục tiêu là duy trì quá trình cháy diễn ra đúng thời điểm (gần điểm chết trên) và với tốc độ tỏa nhiệt phù hợp, nhằm tối ưu hóa thông số động cơ và hiệu suất nhiệt.

4.3. Ứng dụng công nghệ VVT để điều khiển pha cháy động cơ

Công nghệ điều khiển van biến thiên (Variable Valve Timing - VVT) mang lại một phương pháp kiểm soát linh hoạt hơn so với EGR ngoại. Bằng cách đóng muộn xupap xả hoặc mở sớm xupap nạp, một lượng khí xả nóng sẽ được giữ lại bên trong xi-lanh. Lượng khí thải nội này có tác dụng tương tự EGR ngoại nhưng có ưu điểm là phản ứng nhanh hơn nhiều. Điều này cho phép ECU điều chỉnh nhiệt độ và thành phần hỗn hợp theo từng chu trình, giúp động cơ thích ứng nhanh chóng với sự thay đổi về tải và tốc độ. Sự kết hợp giữa VVT và EGR ngoại thường mang lại khả năng kiểm soát quá trình cháy tốt nhất.

V. Đánh giá kết quả cải tạo Hiệu suất và mức phát thải NOx

Việc đánh giá hiệu quả sau khi tính toán cải tạo động cơ Diesel sang HCCI là bước cuối cùng và quan trọng nhất, xác định sự thành công của dự án. Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng thường cho thấy những cải thiện đáng kể về mặt phát thải và hiệu quả kinh tế. Lợi ích nổi bật nhất là sự sụt giảm mạnh mẽ của hai loại chất ô nhiễm nguy hiểm nhất từ động cơ Diesel: phát thải NOx và phát thải bồ hóng (PM). Do quá trình đốt cháy hỗn hợp đồng nhất diễn ra ở nhiệt độ thấp và không có vùng giàu nhiên liệu cục bộ, sự hình thành NOx (vốn cần nhiệt độ rất cao) và bồ hóng bị hạn chế gần như hoàn toàn. Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng mức NOx có thể giảm tới 98% so với động cơ Diesel gốc. Về mặt hiệu suất, động cơ HCCI duy trì được hiệu suất nhiệt cao nhờ tỷ số nén lớn và loại bỏ tổn thất bơm (do không dùng bướm ga). Điều này trực tiếp dẫn đến việc giảm suất tiêu thụ nhiên liệu, mang lại lợi ích kinh tế rõ rệt. Một ví dụ điển hình trong thực tế là công nghệ SKYACTIV-X của Mazda, minh chứng cho tiềm năng thương mại hóa của nguyên lý cháy HCCI.

5.1. So sánh phát thải NOx và phát thải bồ hóng PM sau cải tạo

Kết quả thực nghiệm trên các động cơ Diesel được cải tạo cho thấy sự giảm thiểu ấn tượng. Đồ thị phát thải thường cho thấy đường cong NOx của chế độ HCCI phẳng và ở mức rất thấp trên toàn dải tải hoạt động, trái ngược hoàn toàn với đường cong tăng vọt của động cơ Diesel truyền thống khi tải tăng. Tương tự, độ khói (Smoke Meter), một chỉ số của phát thải bồ hóng (PM), giảm xuống gần bằng không. Theo tài liệu nghiên cứu, so sánh phát thải cho thấy NOx ở chế độ HCCI thấp hơn đáng kể so với cả động cơ xăng và Diesel tiêu chuẩn, đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải khắt khe nhất mà không cần đến các hệ thống xử lý khí xả phức tạp như SCR hay DPF.

5.2. Phân tích hiệu quả kinh tế và mức tiêu thụ nhiên liệu

Về kinh tế, động cơ HCCI cải tạo cho thấy suất tiêu thụ nhiên liệu đặc thù (ge) giảm đáng kể, đặc biệt ở các chế độ tải từng phần, là chế độ hoạt động phổ biến trong giao thông đô thị. Hiệu suất có ích (ηe) của động cơ HCCI có thể cao hơn 30% so với động cơ xăng phun xăng trực tiếp. Điều này không chỉ giúp người dùng tiết kiệm chi phí nhiên liệu mà còn giảm phát thải CO2, góp phần giải quyết vấn đề biến đổi khí hậu. Mặc dù chi phí thay đổi kết cấu động cơ ban đầu có thể cao, lợi ích lâu dài về tiết kiệm nhiên liệu và không cần các hệ thống xử lý khí thải đắt tiền có thể bù đắp lại.

5.3. Nghiên cứu thực nghiệm Động cơ SKYACTIV X của Mazda

Động cơ SKYACTIV-X của Mazda là một ví dụ thương mại thành công, áp dụng một dạng của HCCI gọi là SPCCI (Spark Controlled Compression Ignition). Công nghệ này sử dụng bugi không phải để đốt cháy toàn bộ hỗn hợp, mà để tạo ra một quả cầu lửa nhỏ. Quả cầu lửa này hoạt động như một "piston không khí", nén thêm phần hỗn hợp còn lại trong buồng đốt, giúp nó đạt đến điều kiện tự bốc cháy một cách đồng nhất và có kiểm soát. Đây là một giải pháp thông minh để giải quyết vấn đề kiểm soát quá trình cháy, cho phép động cơ chuyển đổi liền mạch giữa chế độ đánh lửa và chế độ nén cháy, mở rộng đáng kể dải hoạt động hiệu quả.

VI. Tương lai động cơ HCCI Hướng đi cho công nghệ động cơ sạch

Tương lai của động cơ HCCI và việc tính toán cải tạo động cơ Diesel sang công nghệ này hứa hẹn một kỷ nguyên mới cho động cơ đốt trong, nơi hiệu suất và bảo vệ môi trường song hành. Mặc dù vẫn còn nhiều thách thức, đặc biệt là trong việc kiểm soát quá trình cháy trên một dải hoạt động rộng, các tiến bộ không ngừng trong công nghệ điều khiển điện tử, vật liệu và mô phỏng động cơ đang dần tháo gỡ những nút thắt này. Hướng đi trong tương lai không chỉ tập trung vào việc hoàn thiện chế độ HCCI đơn thuần, mà còn vào việc phát triển các hệ thống động cơ lai (hybrid) đa chế độ. Các hệ thống này sẽ vận hành ở chế độ HCCI ở các dải tải thấp và trung bình để tối ưu hóa việc tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải, sau đó chuyển đổi mượt mà sang chế độ SI hoặc CI khi cần công suất cao. Sự kết hợp giữa động cơ HCCI và điện hóa (hybrid) có thể là giải pháp tối ưu, tận dụng ưu điểm của cả hai công nghệ để tạo ra những phương tiện giao thông gần như không phát thải độc hại nhưng vẫn đảm bảo hiệu suất và sự tiện dụng. Công nghệ HCCI chắc chắn sẽ tiếp tục là một lĩnh vực nghiên cứu thực nghiệm sôi nổi, đóng vai trò quan trọng trong lộ trình hướng tới một nền giao thông bền vững.

6.1. Tổng kết những thách thức và tiềm năng phát triển HCCI

Nhìn lại, thách thức lớn nhất vẫn là khả năng kiểm soát chính xác và đáng tin cậy. Tuy nhiên, tiềm năng của HCCI là không thể phủ nhận: hiệu suất nhiệt vượt trội, giảm tiêu thụ nhiên liệu và loại bỏ gần như hoàn toàn phát thải NOx và PM. Các nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc phát triển các thuật toán điều khiển tiên đoán, các loại nhiên liệu mới có đặc tính cháy phù hợp hơn (Reactivity Controlled Compression Ignition - RCCI), và các thiết kế cơ khí thông minh hơn như tỷ số nén biến thiên (VCR) để mở rộng hơn nữa dải hoạt động.

6.2. Xu hướng kết hợp HCCI với công nghệ động cơ lai Hybrid

Sự kết hợp giữa động cơ HCCI và hệ thống truyền động hybrid điện là một xu hướng tất yếu. Động cơ điện có thể hỗ trợ động cơ HCCI trong các giai đoạn chuyển tiếp chế độ hoặc khi cần mô-men xoắn tức thời, giúp loại bỏ các điểm yếu của HCCI. Ngược lại, động cơ HCCI có thể hoạt động ở điểm hiệu suất tối ưu của nó để sạc pin và cung cấp năng lượng cho các hành trình dài. Sự cộng hưởng này tạo ra một hệ thống truyền động cực kỳ hiệu quả và sạch, là một giải pháp thay thế khả thi cho xe điện hoàn toàn, đặc biệt là ở những khu vực có cơ sở hạ tầng sạc chưa phát triển.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ HCCI 1. Sự phát triển của động cơ HCCI Động cơ đốt trong (động cơ loại piston) là một loại động cơ nhiệt, hoạt động nhờ quá trình biến đổi từ hoá năng sang nhiệt năng do nhiên liệu được đốt cháy, rồi sang dạng cơ năng, quá trình này được thực hiện trong xi lanh động cơ. Năng lượng được giải phóng qua quá trình đốt cháy, quá trình đốt cháy được thực hiện chủ yếu qua hai phương pháp. Đốt cháy cưỡng bức tiêu biểu cho động cơ xăng và tự bốc cháy tiêu biểu cho động cơ diesel.

+ Động cơ đốt cháy cưỡng bức (SI) trong đó nhiên liệu và không khí hòa trộn với nhau thành một hỗn hợp hòa khí đồng nhất và được đốt cháy cưỡng bức nhờ nguồn nhiệt bên ngoài (tia lửa điện). + Động cơ nhiên liệu tự cháy (CI) trong đó nhiên liệu được phun vào trong buồng cháy và tự bốc cháy nhờ nhiệt độ cao của môi chất cuối quá trình nén. Mỗi phương pháp đốt nhiên liệu điều có những ưu điểm và nhược điểm của nó. Trong đó động cơ đốt cháy cưỡng bức (SI) thì có ưu điểm là lượng phát thải dạng hạt (PM) hầu như bằng không và nhược điểm là bị hạn chế bởi tỷ số nén do hiện tượng kích nổ nên hiệu suất nhiệt nhỏ hơn động cơ CI.

Đối với động cơ CI thì có ưu điểm là hiệu suất nhiệt cao tuy nhiên lượng phát thải dạng hạt lớn. Tuy nhiên những năm gần đây việc lo ngại nghiêm trọng đã được đặt ra liên quan đến tác động môi trường của khí thải hạt và khí phát sinh từ hoạt động của các động cơ này. Do đó, việc thắt chặt luật pháp, hạn chế mức độ các chất ô nhiễm có thể phát ra, đã được các chính phủ trên thế giới đưa ra. Ngoài ra, những lo ngại về trữ lượng dầu hữu hạn của thế giới.

Hai yếu tố này đã dẫn đến áp lực lớn đối với con người để nghiên cứu cho ra đời các động cơ thân thiện hơn với môi trường và tiết kiệm SVTH: Lê Đức Hiền, Tô Bá Hiếu GVHD: Trần Văn Nam 3 Nghiên cứu động cơ HCCI nhiên liệu. Một trong số đó là động cơ cháy nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI), về mặt nào đó động cơ HCCI kết hợp các tính năng tốt nhất của cả động cơ xăng đánh lửa (SI) và động cơ nén cháy (CI). Giống như động cơ SI, nhiên liệu được trộn đều với không khí giúp giảm thiểu phát thải hạt và giống như động cơ CI, nhiên liệu và không khí được nén đến áp suất và nhiệt độ cao tự bốc cháy, dẫn đến hiệu quả cao. Trong các nghiên cứu được công bố vài thập trước đây người ta sử dụng thuật ngữ HCCI cho động cơ nhiên liệu diesel và CAI (Control auto ignition - tự cháy có điều khiển) cho động cơ nhiên liệu xăng [6], tuy nhiên về bản chất đều là hỗn hợp nhiên liệu không khí được hòa trộn trước, đồng nhất và hỗn hợp nhiên liệu tự bốc cháy.

Ngày nay công nghệ HCCI/CAI thường được coi là một quá trình đốt cháy mới trong động cơ đốt trong piston [6]. Tuy nhiên nguyên lý cháy này đã được áp dụng cách đây hơn 100 năm trên động cơ diesel bầu nhiệt hai kỳ hoặc bốn kỳ, Trong động cơ này dầu hỏa, hoặc dầu thô được phun lên bề mặt của buồng được làm nóng (bầu nhiệt) từ rất sớm trong hành trình nén, để có nhiều thời gian cho nhiên liệu bay hơi và trộn với không khí tạo hỗn hợp đồng nhất. Trong quá trình khởi động, bầu nhiệt được đốt nóng ở bên ngoài bằng đèn khò hoặc đầu đốt. Khi động cơ đã khởi động, bầu nhiệt được giữ nóng bởi khí đốt bên trong.

Bầu nhiệt nóng đến mức nhiên liệu được phun và bay hơi ngay lập tức khi nó tiếp xúc với bề mặt. Thiết kế sau đó được đặt kim phun qua đường thông kết nối giữa bầu nhiệt và buồng đốt chính để có thể tạo ra hỗn hợp đồng nhất hơn, dẫn đến quá trình đốt cháy hỗn hợp đồng nhất tự động. SVTH: Lê Đức Hiền, Tô Bá Hiếu GVHD: Trần Văn Nam 4 Nghiên cứu động cơ HCCI 1 2 8 3 4 7 5 6 Hình 1.1: Mô hình phát triển động cơ HCCI (động cơ diesel bầu nhiệt 2 kỳ) [8] 1. Hỗn hợp đồng nhất tự động bốc cháy đã được quan sát và được tìm thấy mà nhiều người lái xe đã gặp phải với động cơ xăng chế hòa khí của họ trong những năm sáu mươi và bảy mươi, là động cơ tiếp tục hoạt động sau khi hệ thống đánh lửa đã tắt, loại đốt cháy tương tự cũng được tìm thấy là nguyên nhân gây ra hiện tượng “dieseling” hoặc các sự cố khởi động nóng gặp phải trong các động cơ xăng có tỷ số nén cao.

Nghiên cứu đầu tiên được ghi nhận về quá trình đốt cháy có kiểm soát được thực hiện bởi Nikolai Semonov vào những năm 1930. Vào năm 1979 Onishi và Noguchi đã nghiên cứu CAI một cách có hệ thống trên một động cơ xăng hai kỳ [9], [10]. Sau công trình tiên phong của Onishi và Noguchi, nghiên cứu và phát triển động cơ xăng 2 kỳ đã đạt đến đỉnh cao trong giới thiệu của Honda về động cơ CAI sản xuất đầu tiên cho ô tô, động cơ xe máy ARC 250 2 kỳ [11]. Năm 1983 Najt và Foster đã áp dụng thành công quy trình cháy CAI cho động cơ 4 kỳ một xi lanh [12].

Công việc sau đó đã được Thring mở rộng để kiểm tra ảnh hưởng của EGR bên ngoài và tỷ lệ không khí / nhiên liệu đối với hiệu suất của động cơ [13]. Trong công trình này, Thring đã giới thiệu thuật ngữ nén cháy hỗn hợp đồng nhất (HCCI) từ đó đã được nhiều người SVTH: Lê Đức Hiền, Tô Bá Hiếu GVHD: Trần Văn Nam 5 Nghiên cứu động cơ HCCI khác áp dụng để mô tả loại quá trình đốt cháy này cả trong động cơ xăng và diesel. Năm 1992, Stockinger và cộng sự lần đầu tiên cho thấy một động cơ xăng bốn xi-lanh có thể được vận hành nhờ khả năng tự cháy của nhiên liệu trong phạm vi tốc độ và tải rất hạn chế bằng cách tăng tỷ số nén và sấy nóng trước khí nạp [14]. Những năm 1990 Olsson et al dã sử dụng kết hợp isooctan và heptan thông qua điều khiển vòng kín, tỷ số nén cao và sấy nóng không khí [15], quá trình đốt cháy tự động đã đạt được trong một phạm vi tốc độ và tải lớn trên động cơ diesel 6 xi-lanh 12 lít.

Đặc biệt vào những năm 2000 tại châu Âu các nhiên cứu thay đổi pha phân phối khí đã được áp dụng vào động cơ HCCI/CAI. Nhờ khả năng giữ lại một phần khí thải trong xi lanh có tác dụng gia nhiệt hoặc làm nhạt hỗn hợp nhiên liệu không khí để điều khiển quá trình cháy HCCI/ CAI. HCCI là gì? Thuật ngữ HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) được đưa ra để biểu thị một nguyên lý cháy mới trong động cơ đối trong, nguyên lý cháy do nén hỗn hợp đồng nhất.2: Minh họa các đặc tính cháy động cơ đánh lửa (SI), động cơ nén cháy (CI) và động cơ nén cháy hỗn hợp đồng nhất (HCCI) Động cơ HCCI tự đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và không khí đã hòa trộn, bằng cách nén hỗn hợp đến nhiệt độ bốc cháy. Vì vậy, người ta có thể nói rằng HCCI là sự pha trộn của cả động cơ SI và động cơ CI.

Nhiên liệu và không khí được trộn sẵn giống như động cơ SI, quá trình tự cháy do nén giống động cơ CI. SVTH: Lê Đức Hiền, Tô Bá Hiếu GVHD: Trần Văn Nam 6 Nghiên cứu động cơ HCCI Động cơ HCCI có thể hoạt động với hỗn hợp hòa khí rất nhạt so với các loại động cơ thông thường. Tỷ lệ nhiên liệu và không khí trong động cơ HCCI rất nhạt, điều này làm cho nhiệt độ đốt cháy thấp dẫn đến lượng khí thải NOx cực thấp. Hỗn hợp nhạt này cũng dẫn đến mức tiêu thụ nhiên liệu thấp so với động cơ SI thông thường.

Vì diện tích bị cháy trong động cơ HCCI rất nhạt và được trộn sẵn, không có sự đốt cháy khuếch tán nên sự hình thành PM không đáng kể. Quá trình đốt cháy mà ở đó tất cả các hỗn hợp nhiên liệu và không khí được đốt cháy đồng thời mọi điểm trong không gian buồng đốt nên quá trình đốt diễn ra rất nhanh rút ngắn thời gian đốt, điều này làm cải thiện hiệu suất động cơ, vì vậy động cơ HCCI có hiệu suất tương đương với động cơ CI. Các đặc điểm đốt cháy trên làm cho động cơ HCCI trở thành một giải pháp đầy hứa hẹn cho các thách thức về giá nhiên liệu và ô nhiễm khí thải hiện nay. Đặc điểm quá trình cháy của động cơ HCCI Trong động cơ HCCI nhiên liệu và không khí được trộn lẫn với nhau trong hệ thống nạp hoặc trong xi lanh, hỗn hợp nhiên liệu và không khí đã hòa trộn được nén lại, đến cuối hành trình nén hỗn hợp tự cháy giống với động cơ CI.

Nhiệt độ của hỗn hợp khi bắt đầu hành trình nén phải được tăng lên để đạt được điều kiện tự cháy ở cuối hành trình nén. Trong động cơ HCCI lý tưởng hóa, quá trình tự bốc cháy sẽ diễn ra đồng thời trong toàn bộ buồng đốt, dẫn đến tốc độ giải phóng nhiệt nhanh. Để ngăn chặn tốc độ giải phóng nhiệt liên quan đến việc đốt cháy hỗn hợp đồng thời, động cơ HCCI phải sử dụng hỗn hợp nhiên liệu và không khí nghèo hoặc pha loãng với khí xả động cơ. Để hiểu rõ đặc tính tỏa nhiệt của quá trình đốt cháy trong động cơ HCCI ta có thể so sánh với với các đặc tính của quá trình đốt cháy trong động cơ SI và CI.

Trong trường hợp động cơ đánh lửa SI nhiên liệu và không khí được hòa trộn sẵn thành hỗn hợp đồng nhất, cuối kì nén bugi phóng tia lửa điện đốt cháy phần thể tích nhiên liệu giữa hai cực bugi, sau đó là quá trình lan truyền màng lửa ra khắp không gian buồng cháy, hỗn hợp nhiên liệu và không khí phải đạt đến mức cân bằng hóa học nhất định để màng lửa có thể lan truyền qua được. Màng lửa là vùng phản ứng mỏng nó chia tách hỗn hợp trong xi lanh thành 2 vùng: vùng bị đốt cháy và vùng chưa bị đốt cháy và sự giải phóng nhiệt được giới hạn trong vùng phản ứng. SVTH: Lê Đức Hiền, Tô Bá Hiếu GVHD: Trần Văn Nam 7 Nghiên cứu động cơ HCCI Hình 1.