Nghiên cứu và ứng dụng HCCI trong công nghệ nhiên liệu

Trong thập niên đầu thế kỷ XXI, một lượng lớn các công trình nghiên cứu khoa học đã được xuất bản liên quan đến ứng dụng mô hình cháy HCCI cho nhiên liệu diesel và mô hình CAI cho nhiên liệu xăng trên động cơ đốt trong kiểu piston. Vài năm gần đây, nhiều nhà khoa học cũng đã nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay thế như DME, biodiesel, LPG, syngas, etyl acetate, etanol. Trong vòng hai thập kỷ trở lại đây, một số lượng lớn thuật ngữ đã được gán cho các mô hình cháy mới của động cơ, bao gồm ATAC, TS, ARC, CIHC, HCCI, Controlled Auto-ignition (CAI), UNIBUS, PREDIC, MK, Premixed Charge Compression Ignition (PCCI), OKP,... Tất cả các thuật ngữ trên đều mô tả 2 nguyên lý của mô hình cháy mới: (1) hỗn hợp nhiên liệu và không khí được hình thành từ trước và (2) hỗn hợp tự cháy.

Động cơ HCCI kết hợp cả hai ưu điểm của động cơ diesel (hiệu suất nhiệt) và động cơ xăng (phát thải). Động cơ không có bướm ga lắp trên đường nạp và hoạt động với hỗn hợp nhạt, những yếu tố này giúp nâng cao hiệu suất nhiệt. Khi tạo được hỗn hợp hòa trộn đồng nhất, không tồn tại những vùng cục bộ có mật độ nhiên liệu lớn, quá trình cháy khuếch tán hỗn hợp đậm không diễn ra, làm giảm phát thải dạng hạt PM. Ngoài ra, quá trình cháy diễn ra hoàn toàn và trong toàn bộ xylanh, nên nhiệt độ quá trình cháy giảm, phát thải NOx giảm.

Việc điều chỉnh nhiệt độ khí nạp là một phương pháp phổ biến để kiểm soát thời điểm cháy trong động cơ HCCI. Nhiệt độ khí nạp cao hơn có thể làm tăng tốc độ phản ứng hóa học và rút ngắn thời gian tự cháy, dẫn đến thời điểm cháy sớm hơn. Ngược lại, nhiệt độ khí nạp thấp hơn có thể làm chậm quá trình tự cháy và trì hoãn thời điểm cháy. Việc kiểm soát nhiệt độ khí nạp có thể được thực hiện bằng cách sử dụng bộ trao đổi nhiệt hoặc hệ thống sưởi điện.

Tỷ lệ nén là một yếu tố quan trọng khác ảnh hưởng đến quá trình cháy HCCI. Tỷ lệ nén cao hơn có thể làm tăng nhiệt độ và áp suất của hỗn hợp nhiên liệu và không khí, dẫn đến quá trình tự cháy nhanh hơn và hiệu quả hơn. Tuy nhiên, tỷ lệ nén quá cao cũng có thể dẫn đến hiện tượng kích nổ hoặc cháy sớm, làm giảm hiệu suất và tăng lượng khí thải. Do đó, việc lựa chọn tỷ lệ nén tối ưu là rất quan trọng để đạt được hiệu suất cao và lượng khí thải thấp trong động cơ HCCI.

Hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp có thể được sử dụng để kiểm soát lượng nhiên liệu và thời điểm phun nhiên liệu vào xi lanh, cho phép kiểm soát chính xác hơn quá trình cháy HCCI. Bằng cách điều chỉnh thời điểm phun nhiên liệu, có thể kiểm soát thời điểm tự cháy và đảm bảo quá trình đốt cháy diễn ra hoàn toàn. Hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp cũng có thể được sử dụng để tạo ra các lớp hỗn hợp nhiên liệu khác nhau trong xi lanh, cho phép kiểm soát tốt hơn quá trình cháy và giảm lượng khí thải.

Động cơ HCCI có thể hoạt động với nhiều loại nhiên liệu khác nhau, bao gồm cả diesel và xăng. Diesel có tính chất tự cháy cao hơn xăng, do đó dễ dàng tự bốc cháy hơn trong điều kiện HCCI. Tuy nhiên, xăng có thể tạo ra hỗn hợp đồng nhất dễ dàng hơn và có thể giúp giảm lượng khí thải HC và CO. Việc lựa chọn nhiên liệu phù hợp phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm thiết kế động cơ, điều kiện hoạt động và mục tiêu khí thải.

Nhiên liệu sinh học, như ethanol và biodiesel, đang thu hút sự quan tâm lớn vì tiềm năng giảm lượng khí thải và tính bền vững. Ethanol có thể được sản xuất từ các nguồn tái tạo như ngô và mía, trong khi biodiesel có thể được sản xuất từ dầu thực vật và mỡ động vật. Sử dụng nhiên liệu sinh học trong động cơ HCCI có thể giúp giảm lượng khí thải CO2, HC và PM. Tuy nhiên, nhiên liệu sinh học cũng có những thách thức riêng, chẳng hạn như tính chất tự cháy thấp hơn và khả năng tương thích với vật liệu động cơ.

Các chất phụ gia nhiên liệu có thể được sử dụng để cải thiện tính chất cháy của nhiên liệu và kiểm soát thời điểm cháy trong động cơ HCCI. Ví dụ, các chất phụ gia có thể được sử dụng để tăng tốc độ tự cháy của nhiên liệu hoặc giảm lượng khí thải HC và CO. Các chất phụ gia nhiên liệu cũng có thể được sử dụng để cải thiện độ ổn định của nhiên liệu và ngăn ngừa sự hình thành cặn bẩn trong động cơ.

Kiểm soát thời điểm phun nhiên liệu là một phương pháp quan trọng để kiểm soát thời điểm cháy trong động cơ HCCI. Bằng cách điều chỉnh thời điểm phun nhiên liệu, có thể kiểm soát nhiệt độ và áp suất của hỗn hợp nhiên liệu và không khí, và do đó kiểm soát thời điểm tự cháy. Việc phun nhiên liệu sớm hơn có thể làm tăng tốc độ phản ứng hóa học và rút ngắn thời gian tự cháy, dẫn đến thời điểm cháy sớm hơn. Ngược lại, việc phun nhiên liệu muộn hơn có thể làm chậm quá trình tự cháy và trì hoãn thời điểm cháy.

Tái tuần hoàn khí thải (EGR) là một phương pháp hiệu quả để giảm lượng khí thải NOx trong động cơ HCCI. EGR làm giảm nhiệt độ cháy bằng cách đưa một phần khí thải trở lại xi lanh, làm giảm nồng độ oxy và pha loãng hỗn hợp nhiên liệu và không khí. Việc giảm nhiệt độ cháy có thể làm chậm quá trình hình thành NOx và giảm lượng khí thải NOx. Tuy nhiên, EGR cũng có thể làm giảm hiệu suất và tăng lượng khí thải HC và CO.

Thời điểm đóng van nạp (IVC) có thể được sử dụng để kiểm soát lượng khí nạp vào xi lanh và do đó kiểm soát tỷ lệ nén hiệu quả. Việc đóng van nạp sớm hơn có thể làm giảm lượng khí nạp và giảm tỷ lệ nén hiệu quả, dẫn đến nhiệt độ và áp suất thấp hơn trong xi lanh. Ngược lại, việc đóng van nạp muộn hơn có thể làm tăng lượng khí nạp và tăng tỷ lệ nén hiệu quả, dẫn đến nhiệt độ và áp suất cao hơn trong xi lanh. Việc kiểm soát IVC có thể được sử dụng để kiểm soát thời điểm cháy và đảm bảo quá trình đốt cháy diễn ra hoàn toàn.

Mô hình hóa học chi tiết bao gồm việc mô phỏng các phản ứng hóa học phức tạp xảy ra trong quá trình cháy HCCI. Các mô hình này có thể được sử dụng để dự đoán thành phần khí thải, bao gồm NOx, HC, CO và PM. Bằng cách hiểu rõ các phản ứng hóa học quan trọng, có thể phát triển các chiến lược kiểm soát để giảm lượng khí thải.

Động lực học chất lỏng tính toán (CFD) được sử dụng để mô phỏng dòng chảy khí và quá trình trộn nhiên liệu trong xi lanh của động cơ HCCI. Các mô hình CFD có thể được sử dụng để tối ưu hóa hình dạng buồng đốt, vị trí phun nhiên liệu và thời điểm phun nhiên liệu. Bằng cách cải thiện quá trình trộn nhiên liệu và không khí, có thể đạt được quá trình cháy đồng nhất hơn và giảm lượng khí thải.

Việc kết hợp mô hình hóa học chi tiết và CFD cho phép tạo ra các mô hình toàn diện để mô phỏng quá trình cháy HCCI. Các mô hình này có thể được sử dụng để dự đoán hiệu suất động cơ, thành phần khí thải và quá trình cháy trong các điều kiện hoạt động khác nhau. Bằng cách sử dụng các mô hình này, có thể phát triển các chiến lược kiểm soát hiệu quả để tối ưu hóa hiệu suất động cơ và giảm lượng khí thải.

Công nghệ HCCI có thể được kết hợp với hệ thống truyền động hybrid để tạo ra các loại xe có hiệu suất cao và lượng khí thải thấp. Trong xe hybrid, động cơ HCCI có thể hoạt động ở dải tải tối ưu, trong khi động cơ điện có thể hỗ trợ khi cần công suất cao hơn. Sự kết hợp này có thể giúp cải thiện hiệu suất nhiên liệu và giảm lượng khí thải.

Mặc dù xe điện không phát thải khí thải trực tiếp, nhưng việc sản xuất điện vẫn có thể tạo ra khí thải. Công nghệ HCCI có thể được sử dụng để tạo ra các máy phát điện hiệu suất cao và lượng khí thải thấp để sạc pin cho xe điện. Điều này có thể giúp giảm lượng khí thải tổng thể liên quan đến việc sử dụng xe điện.

Công nghệ HCCI đại diện cho một bước tiến quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất và giảm lượng khí thải của động cơ đốt trong. Mặc dù vẫn còn nhiều thách thức cần giải quyết, nhưng nghiên cứu và phát triển liên tục đang mở ra những hướng đi mới cho ứng dụng HCCI trong các loại xe hybrid, xe điện và các ứng dụng công nghiệp khác. HCCI có tiềm năng đóng góp quan trọng vào một tương lai bền vững hơn.