CHƯƠNG 1.1 Vấn đề tiêu thụ nhiên liệu và ô nhiễm môi trường Giao thông vận tải hiện nay là một thành phần thiết yếu trong cuộc sống con người. Xã hội càng phát triển càng yêu cầu các phương tiện giao thông an toàn, tin cậy và thân thiện với môi trường do đó việc phát triển các công nghệ ô tô mới ngày càng trở nên quan trọng. Theo World Energy Outlook (2011) của cơ quan Năng lượng thế giới (IEA) nhu cầu về năng lượng thế giới tăng 1/3 từ năm 2010 đến năm 2035 và lượng phát thải CO2 liên quan đến năng lượng dự kiến tăng 20% (tăng đến 37GtCO2 vào năm 2035) [1]. Dự trữ xăng dầu đang cạn kiệt nhanh chóng ảnh hướng lớn đến quá trình phát triển của động cơ ô tô do đó các nghiên cứu tập trung vào phát triển năng lượng thay thế và các mô hình động cơ mới có hiệu suất nhiệt cao giảm thiểu phát thải độc hại ra môi trường.
Động cơ phun trực tiếp cháy do nén và động cơ đánh lửa điện tử (SI) là những động cơ phổ biến trên ô tô hiện nay. Trong quá trình phát triển động cơ phun trực tiếp cháy do nén đã trở nên hiệu quả hơn, hiệu suất nhiệt tăng và giảm đáng kể độ rung động nhờ sử dụng các công nghệ kiểm soát quá trình cháy như common rail, luân hồi khí thải EGR,… Các công nghệ này ngoài tăng hiệu suất động cơ còn giảm các phát thải độc hại như nitrogen oxides (NOx), hạt bồ hóng (PM), carbon monoxide (CO), hydrocarbon (HC), carbon dioxide (CO2)… Nguyên tắc chính của các công nghệ này là kiểm soát quá trình cháy nhằm hạn chế quá trình hình thành phát thải độc hại chủ yếu được điều chỉnh bởi thông số phun nhiên liệu, nhiệt độ không khí trong xi-lanh, áp suất cháy,… Ngoài ra nhằm giảm phát thải thụ động các bộ xử lý khí thải cũng đã được phát triển như bộ xử lý khí thải ba thành phần, bộ lọc phát thải dạng hạt (DPF) bộ lọc oxy hóa nhiên liệu (DOC), bộ xúc tác khử có chọn lọc (SCR), và bẫy NOx tinh gọn (LNT) là những công nghệ phổ biến. Tuy nhiên chi phí và phức tạo trong quá trình chế tạo lắp đặt cũng ảnh hướng lớn đến sự phát triển của động cơ phun trực tiếp cháy do nén [2]. Việc sử dụng động cơ điện và động cơ hybrid cũng là công nghệ nhằm kiểm soát khí thải do động cơ điện có hiệu suất và công suất cao nhưng không có phát thải.
Tuy nhiên xe sử dụng động cơ điện và động cơ hybrid cũng gặp phải hạn chế do giá thành cao hơn động cơ đốt trong và khan hiếm nhiên liệu thô (đất hiếm) mặt khác kính thước và trọng lượng lớn khiến tỷ lệ xe điện và xe hybrid cũng còn khá nhỏ.1 dự đoán sự tăng trưởng tương đối của các công nghệ ô tô khác nhau tới năm 2035 1 Hình 1.1: Dự đoán tăng trưởng tương đối của các công nghệ ô tô khác nhau tới năm 2035 [3] Từ Hình 1.1 có thể thấy ô tô sử dụng động cơ đốt trong vẫn còn rất phổ biến do đó rất cần các công nghệ kiểm soát quá trình cháy giúp động cơ cháy sạch hơn và hiệu quả hơn, giảm thiểu phát thải khí nhà kính ra môi trường. Nhiều mô hình cháy được nghiên cứu trên thế giới nổi bật lên là nghiên cứu về quá trình cháy nhiệt độ thấp (LTC) có triển vọng đáp ứng được những thách thức nghiêm ngặt về phát thải mà động cơ đốt trong phải đối mặt. Các nhà nghiên cứu tập trung vào phát triển công nghệ cháy LTC do lượng phát thải NOx và PM cực thấp và hiệu suất cao.2 Tổng quan về động cơ cháy ở nhiệt độ thấp Trong động cơ cháy nhiệt độ thấp LTC, hỗn hợp nhiên liệu-không khí đồng nhất được đưa vào trong xy lanh trong quá trình nạp. Sau khi xupap nạp đóng piston bắt đầu nén hỗn hợp nhiên liệu-không khí làm tăng nhiệt độ và áp suất trong xy lanh.
Khi piston tiệm cận điểm chết trên áp suất và nhiệt độ cao dẫn tới quá trình oxi hóa và tự cháy của nhiên liệu. Thời điểm bắt đầu cháy SOC của động cơ cháy nhiệt độ thấp LTC có thể được kiểm soát bằng sự hợp của tỉ số nén, nhiệt độ khí nạp, áp suất,… Quá trình oxy hóa và cháy trong động cơ LTC xảy ra đồng thời tại nhiều vị trí trên toàn bộ xy lanh động cơ, quá trình giải phóng nhiệt nhanh làm tăng áp suất trong thời gian ngắn trong khi nhiệt độ của xy lanh thấp hơn đáng kể so với động cơ thông thường.2 thể hiện quá tình cháy trong động cơ cháy nhiệt độ thấp LTC 2 Hình 1.2: Nguyên lý động cơ cháy nhiệt độ thấp LTC [4] Theo Wahlin F (2007) [5], động cơ cháy nhiệt độ thấp là một quá trình cháy có thể tích không đổi trong thời gian cháy rất ngắn do đó hiệu suất nhiệt cao nhiệt độ cháy thấp hơn. Động cơ cháy nhiệt độ thấp có tiềm năng phát thải thấp hơn đáng kể so với động cơ thông thường với việc giảm phát thải NOx và PM. Do hỗn hợp đồng nhất nên không có những vùng có nhiên liệu đậm dẫn tới không có vùng nhiệt độ cháy cao là giảm sự hình thành phát thải NOx và PM Ngoài ra động cơ cháy nhiệt độ thấp còn có thể sử dụng nhiều loại nhiên liệu như xăng, dầu diesel khoáng, các loại nhiên liệu sinh học như ethanol, biodiesel,… có thể làm giảm tốc độ cạn kiệt nhanh chóng của trữ lượng dầu mỏ trên thế giới [6- 8].
Động cơ cháy nhiệt độ thấp không kiểm soát trực tiếp thời điểm bắt đầu cháy mà cần thông qua các thông số như tỉ số nén, nhiệt độ khí nạp, tỉ lệ EGR,. do đó quá trình kiểm soát quá trình cháy còn nhiều khó khăn. Ngoài ra động cơ cháy nhiệt độ thấp còn bị hạn chế về tải, động cơ cháy nhiệt độ thấp hoạt động tại mức tải từ thấp đến trung bình. Để ứng dụng động cơ cháy nhiệt độ thấp trên động cơ thương mại cần phải chuyển đổi qua lại giữa động cơ cháy nhiệt độ thấp tại tải thấp và tải trung bình và chế độ động cơ thông thường tại mức tải cao hơn.
Ngoài ra động cơ cháy nhiệt độ thấp có hỗn hợp đồng nhất và nhiệt độ trong xy lanh thấp dẫn tới giảm quá trình oxy hóa HC và chuyển hóa CO thành CO2. Do đó động cơ cháy nhiệt độ thấp có phát thải CO và HC cao hơn so với động cơ thông thường. Các động cơ ứng dụng cơ chế cháy nhiệt độ thấp LTC hiện nay có thể kể đến là động cơ nạp đồng nhất cháy do nén HCCI, động cơ hòa trộn trước cháy do nén 3 PCCI và động cơ nén cháy kiểm soát hoạt tính nhiên liệu RCCI.3: Vùng làm việc của động HCCI, PCCI và RCCI [9] Hình 1.3 cho thấy động cơ cháy LTC hoạt động ở vùng có phát thải NO x và soot thấp tuy nhiên CO và HC cao hơn so với động cơ nguyên bản. Động cơ HCCI có vùng làm việc khá nhỏ chủ yếu tập trung vào vùng tải thấp.
Động cơ RCCI và PCCI có vùng làm việc rộng hơn tuy nhiên động cơ PCCI tiện cận gần đến vùng NOx và soot cao.1 Động cơ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) Động cơ HCCI là động cơ kết hợp giữa động cơ xăng và động cơ diesel trong đó nhiên liệu được phun trên đường ống nạp nhằm tạo hỗn hợp hòa khí đồng nhất giống động cơ xăng. Vào kì nạp hòa khí được nạp vào trong xylanh, ở quá trình nén hỗn hợp được nén đến ngưỡng nhiệt độ tự cháy ở cuối kỳ nén giống động cơ diesel [10]. Động cơ HCCI có hiệu suất nhiệt cao phát thải NOx và PM thấp tuy nhiên do động cơ HCCI không điểu khiển một cách trực tiếp quá trình cháy dẫn tới vùng làm việc hạn chế, ngoài ra phát thải CO và HC cao hơn so với động cơ diesel thông thường.4: So sánh quá trình cháy của động cơ xăng, HCCI và động cơ diesel.2 Động cơ nén cháy hòa trộn trước PCCI Được phát triển từ động cơ HCCI, động cơ nén cháy hoà trộn trước PCCI có khả năng điều khiển quá trình cháy hiệu quả hơn [6]. Với động cơ HCCI hỗn hợp cháy hoàn toàn đồng nhất, động cơ PCCI là sự kết hợp của động cơ HCCI và động cơ diesel truyền thống, với thời điểm phun nhiên liệu diesel được điều khiển phun sớm kết hợp với luân hồi khí thải EGR để hỗn hợp cháy đồng nhất còn gọi là cháy hoà trộn trước một phần PCCI [11,12].
Mặc dù phát thải NOx và PM, có cao hơn động cơ HCCI nhưng vẫn thấp hơn động cơ diesel truyền thống. Thay đổi tỉ số nén giúp động cơ PCCI mở rộng vùng làm việc và giảm NOx và PM tuy nhiên CO và HC lại tăng cao [13-14]. Khi tăng thời điểm phun chính, NOx và PM giảm, hiệu suất có ích BTE (Brake Thermal Efficiency) tăng, tuy nhiên tốc độ gia tăng áp suất của động cơ tăng dẫn tới vùng làm việc của động cơ PCCI giảm. Để giải quyết vấn đề này có thể tách thành 2 lần phun [15].
Tại tải thấp lần phun thứ 2 sẽ được tính toán và phun trước quá trình cháy của lần phun thứ nhất. Khi ở tải cao lần phun thứ nhất được tính toán lựa chọn sao cho giảm lượng muội trong khí thải, trong khi đó lần phun thứ 2 được phun sát điểm chết trên nhằm giữ hiệu suất nhiệt. Các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng có thể sử dụng nhiên liệu xăng trong quá trình cháy PCCI. Tia phun của nhiên liệu xăng ngắn hơn tia phun của nhiên liệu diesel do tốc độ bay hơi của nhiên liệu xăng tốt hơn, tốc độ toả nhiệt và cháy trễ của 2 nhiên liệu cũng khác nhau, phân bố muội của xăng thấp hơn và quá trình cháy tốt hơn [16].
Ngoài ra theo Zhang X, Kalghatgi G và các cộng sự cũng cho thấy khi sử dụng nhiên liệu xăng việc điều khiển tốc độ toả nhiệt tốt hơn đồng thời NOx và soot giảm [17,18]. Tuy nhiên, ở tải thấp chỉ số octan của xăng cần được điều chỉnh giảm nhằm đảm bảo cho 5 quá trình cháy được ổn định, hoặc sử dụng bugi. Nhưng việc sử dụng bugi dẫn đến NOx và soot tăng.5: So sánh quá trình cháy của động cơ PCCI, diesel và động cơ xăng 1.3 Động cơ RCCI Động cơ RCCI là sự kết hợp của động cơ HCCI và động cơ PCCI khi sử dụng hai loại nhiên liệu khác nhau trong đó một loại nhiên liệu có chỉ số octan cao gọi là nhiên liệu hoạt tính thấp LRF (Low Reactivity Fuel) và một loại nhiên liệu có chỉ số xetan cao gọi là nhiên liệu hoạt tính cao HRF (High Reactivity Fuel).
