CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu chung Quá trình hình thành và cháy HCCI HCCI trên động cơ đốt trong được ra đời từ những năm 1979. HCCI là thuật ngữ dùng để chỉ một quá trình cháy mới kết hợp được ưu điểm của quá trình cháy do nén (CI) và cháy cưỡng bức (SI). Quá trình cháy này có ưu điểm là hiệu suất nhiệt cao và phát thải NOx và PM rất nhỏ.
Nhược điểm của quá trình cháy này là phát thải CO và HC cao và nếu áp dụng trên động cơ truyền thống thì không thể điều khiển trực tiếp quá trình cháy và chỉ thiết lập được ở chế độ tải nhỏ. Vùng làm việc của động HCCI bị giới hạn bởi hai yếu tố: không cháy và kích nổ. Những giải pháp để động cơ truyền thống hoạt động theo nguyên lý HCCI bao gồm điều khiển thời điểm cháy và tự cháy của hỗn hợp. Từ đặc điểm của hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel, các phương pháp hình thành hỗn hợp có thể được phân loại theo vị trí phun nhiên liệu.
Theo cách này, hỗn hợp được hình thành đồng nhất gồm 2 phương pháp: hình thành hỗn hợp đồng nhất bên ngoài và hình thành hỗn hợp đồng nhất bên trong. Hình thành hỗn hợp đồng nhất bên ngoài buồng cháy (PFI): phương án này giúp hỗn hợp có nhiều thời gian để hình thành đồng nhất và đơn giản và có độ đồng nhất cao hơn so với các phương án hình thành hỗn hợp bên trong buồng cháy. Hỗn hợp được phun ngược chiều với dòng khí nạp để tăng cường khả năng hòa trộn và bay hơi của nhiên liệu. Do đó, hỗn hợp được hình thành trong suốt thời gian nạp và nén nên có nhiều thời gian để đồng nhất hơn.
Với phương án này, phát thải NOx giảm 100 lần so với động cơ diesel truyền thống và mức độ phát thải bồ hóng cũng thấp hơn. Hệ thống này thời điểm cháy thường diễn ra sớm hơn khi ta giữ nguyên tỉ số nén của động cơ diesel, tổn thất nhiệt tăng. Để điều chỉnh thời điểm cháy, giải pháp đưa ra là sử dụng luân hồi khí thải để làm giảm nồng độ ôxy và sấy nóng hỗn hợp trong buồng cháy [22]. Tuy nhiên, khi tỉ lệ luân hồi cao làm tăng phát thải CO và HC.
Trường hợp giảm tỉ số nén của động cơ sẽ làm trễ thời điểm cháy và động cơ làm việc êm dịu hơn [73]. Nhiên liệu diesel có nhiệt độ bay hơi cao nên cần phải xử lý nếu không nhiên liệu sẽ bám trên thành đường nạp, từ đó tăng phát thải HC và rửa trôi dầu bôi trơn làm ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ. Đối với loại này vấn đề quan trọng là sấy nóng khí nạp [77]. Hình thành hỗn hợp bên trong buồng cháy: có hai giải pháp hình thành hỗn hợp đồng nhất đó là: phun sớm vào đầu hành trình nén và phun muộn.
Giải pháp phun sớm vào đầu hành trình nén: Hỗn hợp có độ đồng nhất cao hơn so với cách phun nhiên liệu truyền thống trong động cơ diesel truyền thống sử dụng buồng cháy thống nhất. Phun nhiên liệu trong hành trình nén trước khi piston lên điểm chết trên. Khó khăn của phương án này là việc lựa chọn thời điểm bắt đầu phun và kết thúc phun để tạo ra hỗn hợp đồng nhất và hỗn hợp cháy hoàn toàn, một số giải pháp phun sớm: PCCI (Premixed Charge Compression ignition), cháy do nén hỗn hợp hình thành từ trước [82]. Hệ thống này nhiệt độ trong xylanh của buồng cháy thống nhất cao hơn so với hệ thống PFI nên nhiên liệu bay hơi tốt hơn, giảm thời gian chuẩn bị hỗn hợp, 1 luan an không cần sấy nóng khí nạp nên thời điểm cháy không diễn ra quá sớm.
Động cơ làm việc theo hai chế độ, chế độ HCCI tải nhỏ và số vòng quay nhỏ, nhiên liệu được phun sớm vào đầu hành trình nén. Còn khi ở chế độ tải cao hơn hệ thống nhiên liệu phun bình thường như trong động cơ truyền thống và động cơ làm việc giống như động cơ truyền thống. So với hệ thống PFI hệ thống PCCI có thời gian hòa trộn hỗn hợp ngắn hơn nhưng lại có nhiệt độ trong xylanh khi hòa trộn hỗn hợp cao hơn vì vậy thời điểm cháy diễn ra không quá sớm. Kiểm soát thời điểm cháy là vấn đề then chốt khi nghiên cứu chế độ cháy HCCI trên động cơ truyền thống sử dụng buồng cháy thống nhất vì không có mối liên hệ giữa thời điểm phun và thời điểm cháy.
Mặt khác, khi nhiên liệu được phun vào trong xylanh trong điều kiện áp suất và nhiệt độ thấp, nhiên liệu dễ bám vào thành xylanh, rãnh xéc măng và có thể rửa trôi dầu bôi trơn. Để tránh hiện tượng này, giải pháp thay đổi áp suất phun và hướng phun của chùm tia nhiên liệu phun vào buồng cháy thống nhất của động cơ diesel truyền được đưa ra [16, 17]. Đối với hệ thống PCCI, do thời gian hòa trộn ngắn hơn so với hệ thống PFI nên độ đồng nhất thấp hơn thể hiện ở phát thải HC và NOx cao hơn. Tuy nhiên, phát thải này vẫn thấp hơn so với động cơ truyền thống.
Phương án khác để tạo HCCI là thay đổi hình dạng chùm tia phun và kết hợp với thay đổi thời điểm phun vào buồng cháy thống nhất của động cơ diesel truyền thống [18]. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, phát thải NOx và bồ hóng thấp và phát thải CO và HC giảm đáng kể khi sử dụng hai vòi phun hoặc giảm kích thước lỗ phun. Ngoài ra, phương án phun sớm kết hợp với giảm tỉ số nén cũng được nghiên cứu để tạo hỗn hợp đồng nhất PCI (Premixed Compression Ignition) cháy do nén hỗn hợp hòa trộn từ trước [90]. Kết quả nghiên cho thấy, phát thải NOx rất thấp so với động cơ truyền thống tuy nhiên phát thải bồ hóng cao hơn so với động cơ diesel truyền thống.
Giải pháp thu hẹp góc phun NADI (Narrow Angle Direct Ịnection) kết hợp với thiết kế lại buồng cháy thống nhất của động cơ diesel truyền thống được phát triển tại IFP (Institut Francais de Pétrole) để tạo ra chùm tia phun tối ưu, phun sớm để chuyển động cơ làm việc theo cơ chế HCCI nhưng vẫn đảm bảo động cơ hoạt động được theo cơ chế truyền thống [19]. Phiên bản mới nhất của hệ thống NADI nó được áp dụng trên động cơ sử dụng hệ thống nhiên liệu common rail. Hệ thống này điều khiển phun nhiên liệu dễ dàng hơn theo từng chế độ tải và chuyển chế độ làm việc linh hoạt hơn, giảm phát thải HC và CO so với động cơ diesel truyền thống. Giải pháp phun muộn: Nhiên liệu được phun trong hành trình nén của động cơ diesel truyền thống sử dụng buồng cháy thống nhất, thời điểm cháy được làm trễ bằng cách đưa vào xylanh lượng lớn khí luân hồi để hỗn hợp có đủ thời gian hình thành đồng nhất.
Phát thải bồ hóng giảm, nhiệt độ cháy thấp nên giảm hình thành NOx. Khi thời điểm phun thay đổi trong phạm vi phổ biến của động cơ diesel thông thường thì tốc độ tỏa nhiệt không thay đổi nhiều. Tuy nhiên khi thời điểm bắt đầu phun trễ hơn và sử dụng khí luân hồi thì hình dạng đường cong tỏa nhiệt bắt đầu thay đổi [20] (Hình 1. Tỷ lệ hỗn hợp cháy tăng trong khi quá trình cháy khuếch tán ít hơn, điều này làm giảm NOx và bồ hóng.
Ưu điểm của biện pháp này là quá trình phun và quá trình cháy không hoàn toàn tách rời nhau nên ta có thể điều khiển thời gian cháy thông qua thời điểm phun. 2 luan an Hình 1. Ảnh hưởng của phun muộn đến tốc độ tỏa nhiệt [20] Hệ thống điều biến động lực học phản ứng cháy MK (Modulated Kinetics) và hệ thống phun muộn hình thành hỗn hợp đồng nhất HPLI (Highly Premixed Late Injection) được công ty Nissan Motor nghiên cứu phát triển [21]. Hệ thống này thiết lập đặc tính cháy HCCI dựa trên ba yếu tố: giảm nồng độ ôxy, làm trễ thời điểm cháy và tạo xoáy lốc trong hỗn hợp cao.
Do đó sẽ làm giảm phát thải NOx, tăng phát thải HC. Ngoài ra, hệ thống MK còn mở rộng phạm vi làm việc của động cơ HCCI bằng cách làm trễ thời điểm cháy với phương án giảm tỉ số nén, sử dụng khí luân hồi đã được làm mát và phun với áp suất cao với vòi phun nhiều lỗ. Hệ thống phun muộn hỗn hợp nạp đồng nhất HCLI (Homogeneous Charge Late Injection) và phun muộn hỗn hợp hình thành đồng nhất cao HPLI (Highly Premixed Late Injection) được phát triển bởi AVL và chỉ xuất hiện trong thời gian gần đây trên tài liệu quốc tế [99]. Với động cơ HCLI, thời điểm phun được thực hiện trước TDC một góc 40o.
Giống như chế độ HCCI phun sớm khác, thời điểm cháy và tỷ lệ cháy không thể điều khiển được bằng tỷ lệ phun nhưng phụ thuộc vào động lực học phản ứng của hỗn hợp trong xylanh. Do đó được xác định bằng các tham số và thành phần hỗn hợp ở cuối hành trình nạp. để giảm thời điểm cháy sớm cần giảm tỉ số nén so với động cơ truyền thống và tăng tỉ lệ luân hồi khí xả lên cao hơn 65%. Để ngăn cho hỗn hợp không cháy như động cơ truyền thống, hệ thống HPLI phun nhiên liệu sau TDC.
Để hỗn hợp có thể hình thành đồng nhất trước khi cháy, thời điểm phun cần được lựa chọn thích hợp. Trong trường hợp này khoảng thời gian giữa thời điểm kết thúc phun và thời điểm bắt đầu cháy và tốc độ xoáy lốc của dòng khí bên trong xylanh quyết định chất lượng hình thành hỗn hợp. Nếu giai đoạn phun và cháy giao nhau làm tăng hình thành bồ hóng. Do vậy nhiệt độ trong quá trình cháy phải cao hơn để muội than ôxy hóa hoàn toàn và làm giảm phát thải NOx với tỷ lệ luân hồi 40%.
Trong động cơ truyền thống, để thiết lập chế độ HCCI bên trong buồng cháy, có thể phun sớm hoặc phun muộn trong quá trình nén của động cơ. Tuy nhiên, độ đồng nhất của hỗn hợp phụ thuộc nhiều vào thời điểm phun kết cấu buồng cháy cũng như đặc tính phun nhiên liệu của vòi phun Buồng cháy CVCC 3 luan an CVCC là thiết bị thí nghiệm có nhiều cửa sổ bằng thạch anh trong suốt được bố trí trên thành buồng cháy, trên thành buồng cháy bố trí bugi, vòi phun nhiên liệu quạt hòa trộn và các cảm biến nên có thể dễ dàng quan sát quá trình cháy bên trong cũng như ghi lại các thông số của quá trình cháy. Buồng cháy CVCC thường có dạng hình hộp chữ nhật hoặc hình tròn, tùy theo mục đích sử dụng.