Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong buồng cháy thể tích không đổi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN PHI TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY
HCCI TRONG BUỒNG CHÁY THỂ TÍCH KHƠNG ĐỔI

Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số: 9520116

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. GS.TS.LÊ ANH TUẤN
2. TS.NGUYỄN TUẤN NGHĨA

Hà Nội - 2022


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn trường Đại học Bách khoa Hà Nội, phịng Đào tạo,
Viện Cơ khí Động lực, Bộ môn Động cơ đốt trong, Trung tâm nghiên cứu Động cơ,
nhiên liệu và khí thải đã cho phép và giúp đỡ tôi thực hiện luận án trong thời gian
học tập, nghiên cứu tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Tôi xin chân thành cảm ơn Bộ môn Kỹ Thuật Hệ Thống Cơng nghiệp, khoa Cơ
khí, trường Đại học Thủy lợi đã giúp đỡ tôi thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn trường KING MONGKUTK’S INSTITUTE OF
TECHNOLOGY LAKRABANG đã cho phép và giúp đỡ tôi trong thời gian học tập
và nghiên cứu tại trường.
Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS Lê Anh Tuấn và TS Nguyễn Tuấn Nghĩa đã

hướng dẫn tơi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chun mơn để tơi có thể thực
hiện và hồn thành luận án.
Tơi xin chân thành cảm ơn GS.TS Chinda Charoenphonphanich, PGS.TS Prathan
Srichai đã giúp đỡ tôi hết sức tận tình trong thời gian học tập và nghiên cứu tại trường
KING MONGKUTK’S INSTITUTE OF TECHNOLOGY LAKRABANG

Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, Ban chủ
nhiệm Khoa Cơng nghệ Ơ tơ và các thầy trong Khoa đã hậu thuẫn và động viên tơi
trong suốt q trình nghiên cứu học tập.
Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các nhà khoa học, các thầy đã đọc duyệt
và góp ý kiến quý báu để tơi có thể hồn chỉnh luận án này và định hướng nghiên
cứu trong trương lai.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những
người đã động viên khuyến khích tơi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và
thực hiện cơng trình này.
Nghiên cứu sinh

Nguyễn Phi Trường

ii


MỤC LỤC
MỤC LỤC...............................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT........................................................... vii
DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................................................ x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ.............................................................................. xi
MỞ ĐẦU............................................................................................................................................. xvi
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN............................................................................................................ 1
1.1. Giới thiệu chung..................................................................................................................... 1

Buồng cháy CVCC...................................................................................................... 3
1.2. Tình hình nghiên cứu về HCCI và CVCC................................................................. 12
Nghiên cứu trong nước........................................................................................... 12
Nghiên cứu nước ngoài........................................................................................... 13
1.3. Kết luận chương 1............................................................................................................... 28
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ
CHÁY HCCI TRONG CVCC....................................................................................................... 29
2.1. Hình thành hỗn hợp trong CVCC................................................................................. 29
Tạo nhiệt độ và áp suất trong buồng cháy CVCC........................................ 29
Phương pháp hình thành hỗn hợp trong hệ thống CVCC.........................29
Hình thành hỗn hợp trước thời điểm CNLM_hình thành hỗn hợp đồng
nhất HCCI...................................................................................................................................... 30
Hình thành hỗn hợp sau thời điểm CNLM...................................................... 31
2.2. Phương pháp hình thành hỗn hợp đồng nhất trong CVCC.................................. 33
Phun nhiên liệu trước thời điểm CNLM........................................................... 33
Phun nhiên liệu sau thời điểm CNLM............................................................... 33
2.3. Cơ chế phá vỡ chất lỏng, giọt chất lỏng và cấu trúc tia phun............................. 34
Cơ chế phá vỡ chất lỏng [66]............................................................................... 34
Cơ chế phá vỡ giọt chất lỏng................................................................................ 37
Cấu trúc tia phun...................................................................................................... 37
2.4. Cơ sở hóa lý q trình cháy............................................................................................. 40
Áp suất ban đầu......................................................................................................... 40
Giới hạn cháy thấp................................................................................................... 43
Nhiệt độ của ngọn lửa đoạn nhiệt....................................................................... 44
Tính tốn lượng khí cháy trong hỗn hợp.......................................................... 44
iii


Phản ứng dây chuyền.............................................................................................. 45
Thời gian cháy trễ..................................................................................................... 46

Tốc độ tỏa nhiệt......................................................................................................... 47
2.5. Kết luận chương 2............................................................................................................... 47
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CVCC....................................... 49
3.1. Thiết kế chế tạo CVCC..................................................................................................... 49
Sơ đồ bố trí chung và yêu cầu đối với buồng cháy CVCC........................49
Tính tốn buồng cháy.............................................................................................. 51
Tính tốn bulơng buồng cháy............................................................................... 60
Tính tốn kiểm nghiệm buồng cháy.................................................................... 61
3.2. Chế tạo các bộ phận chính của buồng cháy............................................................... 65
Chế tạo thân buồng cháy........................................................................................ 66
Chế tạo nắp buồng cháy......................................................................................... 66
Chế tạo mặt bích giữ kính quan sát.................................................................... 66
3.3. Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển.......................................................................... 68
Sơ đồ khối thuật tốn điều khiển......................................................................... 69
Ngơn ngữ lập trình điều khiển.............................................................................. 70
Phần cứng Arduino................................................................................................... 71
Lập trình điều khiển hệ thống............................................................................... 71
3.4. Các hệ thống khác............................................................................................................... 72
Hệ thống nhiên liệu áp suất cao (common Rail)........................................... 72
Hệ thống hòa trộn hỗn hợp................................................................................... 73
Hệ thống đánh lửa.................................................................................................... 75
Hệ thống cung cấp khí............................................................................................. 75
Hệ thống thải.............................................................................................................. 76
Hệ thống làm mát...................................................................................................... 77
Hệ thống thông tin.................................................................................................... 78
Hệ thống sấy................................................................................................................ 80
3.5. Kết luận chương 3............................................................................................................... 81
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY
HCCI TRONG CVCC...................................................................................................................... 82
4.1. Xây dựng mơ hình mơ phỏng......................................................................................... 82

Phương trình cơ bản mơ tả q trình cháy..................................................... 82
iv


Phương pháp mơ phỏng.......................................................................................... 84
Đối tượng mơ phỏng................................................................................................ 85
Mơ hình mô phỏng.................................................................................................... 86
4.2. Các chế độ mô phỏng........................................................................................................ 87
Điều kiện biên............................................................................................................. 88
Mơ hình lưới tính tốn............................................................................................. 88
4.3. Kết quả và thảo luận........................................................................................................... 92
Quá trình bay hơi của nhiên liệu trong CVCC.............................................. 92
Q trình hịa trộn nhiên liệu trong CVCC..................................................... 94
Độ tin cậy của mơ hình........................................................................................... 95
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình cháy trong buồng cháy CVCC 96

Ảnh hưởng của nồng độ ơxy đến q trình cháy trong CVCC.................98
4.4. kết luận chương 4................................................................................................................ 99
CHƯƠNG 5: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM................................................................. 100
5.1. Mục đích thử nghiệm...................................................................................................... 100
Đối tượng thử nghiệm........................................................................................... 100
Nhiên liệu thử nghiệm........................................................................................... 100
5.2. Quy trình và phạm vi thử nghiệm.............................................................................. 102
Thử nghiệm phun nhiên liệu trước thời điểm CNLM............................... 102
Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ ôxy đến quá trình cháy

103
Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến q trình cháy
104
5.3. Sơ đồ bố trí thử nghiệm và các trang thiết bị chính............................................. 104

Sơ đồ bố trí thử nghiệm........................................................................................ 104
Trang thiết bị thử nghiệm.................................................................................... 105
5.4. Kết quả thử nghiệm và thảo luận................................................................................ 105
Đánh giá độ tin cậy của CVCC......................................................................... 105
Thực nghiệm đánh giá chất lượng hỗn hợp HCCI.................................... 106
Đặc tính cháy của nhiên liệu B0, B10 hịa trộn trước thời điểm CNLM
107
Đặc tính cháy của nhiên liệu B0 và B10 hòa trộn sau khi CNLM.......110
Ảnh hưởng của nồng độ ơxy đến q trình cháy........................................ 112
v


Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường bên trong đến q trình cháy của
hỗn hợp hịa trộn sau khi CNLM......................................................................................... 114
5.5. Kết luận chương 5............................................................................................................ 116
KẾT LUẬN CHUNG.................................................................................................................... 117
HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI................................................................................... 119
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN....................... 120
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................................ 121
PHỤ LỤC LUẬN ÁN......................................................................................................................... 1
PHỤ LỤC 1............................................................................................................................................. 1
PHỤ LỤC 2............................................................................................................................................. 8
PHỤ LỤC 3.......................................................................................................................................... 30
PHỤ LỤC 4.......................................................................................................................................... 31
PHỤ LỤC 5.......................................................................................................................................... 45

vi


MỞ ĐẦU

Đặt vấn đề
Động cơ đốt trong hiện nay là một trong những nguồn động lực chủ yếu trong
nhiều ngành kinh tế, sản xuất, đặc biệt trong lĩnh vực giao thông vận tải. Nhiên liệu
sử dụng cho động cơ đốt trong thường là các sản phẩm chưng cất từ dầu mỏ như
xăng và dầu diesel. Trong khi đó, trong khí thải của động cơ sử dụng nhiên liệu
truyền thống có chứa nhiều chất độc hại với con người và gây ô nhiễm môi trường
như Carbonmonoxide (CO), Hydrocarbon (HC), Nitrogen Oxide (NO x), các chất
thải dạng hạt (PM)…Đối với các phương tiện cơ giới, hàm lượng các chất độc hại
này bị giới hạn trong các tiêu chuẩn khí thải ngày càng ngặt nghèo.

i.

Bên cạnh việc thắt chặt các tiêu chuẩn khí thải, vấn đề nâng cao chất lượng hoạt
động của động cơ nhằm nâng cao tính kinh tế, hiệu quả và giảm phát thải độc hại
cũng được nhiều nhà nghiên cứu động cơ nghiên cứu. Trong đó, việc thiết lập và sử
dụng chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI- Homogeneous Charge
Compression Ignition) đang nhận được sự quan tâm lớn. Đây được cho là chế độ
vận hành tương lai của động cơ nhờ kết hợp được ưu điểm của cả động cơ xăng
(cháy hỗn hợp đồng nhất) và động cơ diesel (cháy do nén). HCCI có nhiều ưu điểm
về hiệu suất nhiệt và giảm khí thải NOx và phát thải PM rất nhỏ.
Q trình cháy HCCI có thể đạt được bằng cách điều khiển nhiệt độ, áp suất và
thành phần của hỗn hợp để hỗn hợp có thể tự cháy. Hệ thống điều khiển của động
cơ để đạt chế độ cháy HCCI về cơ bản là phức tạp. Những tiến bộ trong điều khiển
động cơ bằng điện tử đã làm cho việc ứng dụng quá trình cháy HCCI vào động cơ
trở nên hiện thực hơn. Mặc dù vậy vẫn cịn nhiều thách thức trong việc đưa mơ hình
cháy HCCI vào thực tế như vấn đề điều khiển thời điểm đánh lửa, mở rộng dải làm
việc của động cơ (nhất là chế độ tải lớn) và thành phần phát thải hydro carbon (HC)
chưa cháy cũng như phát thải CO. Một vấn đề khó khăn khác là mối liên hệ giữa
động lực học dịng khí và các phản ứng hóa học xảy ra trong buồng cháy trong chu
trình làm việc của động cơ HCCI.

Việc nghiên cứu quá trình cháy, đặc biệt các quá trình cháy mới, là việc rất cần
thiết để tối ưu hóa động cơ bao gồm nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và
cháy, thời gian phun nhiên liệu, thời gian đánh lửa, thời gian đốt cháy nhiên liệu, tốc
độ lan tràn màng lửa, tốc độ tăng áp suất, tỉ lệ tương đương giữa nhiên liệu và
khơng khí. Những thông số này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của động cơ.
Khi nghiên cứu quá trình cháy HCCI trên động cơ thực tế gặp rất nhiều khó khăn
như: khó quan sát và chụp ảnh từ bên ngồi, khơng điều khiển một cách trực tiếp
quá trình cháy, một số thành phần phát thải cao, chi phí để thiết kế chế tạo buồng
cháy thực tế lớn. Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong
buồng cháy thể tích khơng đổi (CVCC) sẽ hạn chế những nhược điểm như trên của
buồng cháy truyền thống.
Hỗn hợp khơng khí-nhiên liệu có thể được hịa trộn bên ngồi hoặc bên trong
CVCC. Tùy theo từng loại hình thành hỗn hợp mà thiết kế buồng cháy có kết cấu
phù hợp.

xvi


Buồng cháy CVCC về cơ bản có một số đặc điểm như: khơng gian thể tích cố
định, trên thành buồng cháy bố trí các cửa quan sát và các bộ phận khác. Buồng
cháy này rất linh hoạt khi nghiên cứu, phát hiện quá trình cháy, điều khiển quá trình
cháy, linh hoạt khi đánh giá quá trình hình thành hỗn hợp và cháy của các loại nhiên
liệu khác nhau.
Việc nghiên cứu cơ bản về quá trình cháy trong CVCC là rất cần thiết trước khi
đưa ra ứng dụng thực tiễn trên động cơ. Buồng cháy này có thể phục vụ cho những
nghiên cứu cơ bản về quá trình hình thành hỗn hợp và cháy của một số nhiên liệu
được sử dụng phổ biến ở Việt Nam.
Hiện nay, ở Việt Nam chưa có phịng thí nghiệm nào được trang bị loại buồng cháy
CVCC. Với thực tế như vậy, việc thiết kế chế tạo một CVCC phục vụ nghiên cứu quá
trình hình thành hỗn hợp và cháy nói chung và hình thành hỗn hợp và cháy HCCI nói

riêng là cần thiết. Vì vậy, trong luận án này NCS tập trung nghiên cứu thiết kế chế tạo
CVCC. Trên cơ sở đó, tiến hành nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy
HCCI trong buồng cháy CVCC phù hợp với thực tiễn tại Việt Nam.
ii.
Mục đích nghiên cứu
Luận án có mục đích tổng thể là thiết lập quá trình hình thành hỗn hợp và cháy
HCCI trong CVCC được thiết kế, chế tạo tại Việt Nam.
Mục đích cụ thể:
- Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo CVCC.
- Nghiên cứu cơ chế và các biện pháp điều khiển quá trình hình thành hỗn hợp
HCCI trong CVCC.
- Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số như: nhiệt độ và nồng độ ơxy đến q
trình cháy HCCI trong CVCC.
- Bước đầu đưa ra khuyến cáo về việc thiết lập quá trình cháy HCCI trong CVCC.
iii.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Luận án lựa chọn CVCC được chế tạo tại Việt Nam là buồng cháy nghiên cứu.
Đây là một loại buồng cháy mới có nhiều ưu điểm so với buồng cháy của động cơ
truyền thống. Nhiên liệu sử dụng là nhiên liệu diesel (B0) và bio-diesel với tỉ lệ pha
trộn 10% (B10).
Các nội dung nghiên cứu của đề tài được thực hiện tại Trung tâm nghiên cứu Động
cơ, nhiên liệu và khí thải, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
iv.
Phương pháp nghiên cứu
Luận án kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng và nghiên cứu thực
nghiệm. Đây là phương pháp nghiên cứu hiện đại, phù hợp với điều kiện kỹ thuật
của Việt Nam và cho kết quả tin cậy.
– Tổng hợp các kết quả nghiên cứu liên quan đến CVCC và những nghiên cứu về
thiết lập quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI.
– Nghiên cứu lý thuyết dựa trên việc xây dựng mơ hình mơ phỏng q trình hình

thành hỗn hợp và cháy trong buồng cháy CVCC khi sử dụng nhiên liệu B0 và
B10.
– Thực nghiệm đánh giá quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trong buồng cháy
CVCC.
xvii


v.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
– Xây dựng thành cơng mơ hình lý thuyết, quy trình cung cấp và đốt cháy hỗn hợp
nhiên liệu và khơng khí trong buồng cháy CVCC làm cơ sở cho việc định hướng
thiết lập quá trình cháy tương tự quá trình HCCI ở động cơ thực tế.
– Thiết lập thành cơng trên mơ hình mô phỏng và bằng thực nghiệm điều kiện về áp
suất, nhiệt độ của môi chất trong buồng cháy CVCC làm nền tảng cho việc thiết
lập quá trình cháy gần với HCCI trong 2 trường hợp: phun nhiên liệu cháy do
nén trước, kết hợp đốt cháy mồi và phun nhiên liệu cháy do nén sau khi đốt cháy
mồi tạo môi trường áp suất và nhiệt độ cao.
– Thiết lập được quá trình cháy gần với quá trình cháy do nén HCCI khi sử dụng nhiên
liệu cháy do nén (B0, B10) trong CVCC làm cơ sở cho việc nghiên cứu và sử dụng các
loại nhiên liệu B0, B10 nói riêng và nhiên liệu cháy do nén nói chung, theo chế độ
HCCI trên động cơ thực tế.

Điểm mới của luận án
– Luận án đã nghiên cứu về mặt lý thuyết và tính tốn thiết kế, chế tạo thành công
buồng cháy CVCC phục vụ cho mục đích nghiên cứu thực nghiệm thiết lập q
trình cháy HCCI.
– Xây dựng thành cơng quy trình cung cấp nhiên liệu cháy do nén kết hợp với việc
khởi tạo môi trường trong buồng cháy CVCC nhằm thiết lập quá trình cháy hỗn
hợp đồng nhất, làm cơ sở cho việc nghiên cứu quá trình HCCI trong buồng cháy

CVCC khi sử dụng các loại nhiên liệu cháy do nén khác nhau.
– Thiết lập được quá trình cháy gần với HCCI trong buồng cháy CVCC sử dụng
nhiên liệu cháy do nén B0 và B10 ứng với các trường hợp phun nhiên liệu cháy
do nén trước và sau thời điểm đốt nhiên liệu mồi. Các kết quả nghiên cứu thực
nghiệm này khẳng định các điều kiện về nhiệt độ, áp suất môi trường cần thiết để
có thể khởi tạo và thiết lập thành cơng q trình cháy HCCI đối với nhiên liệu B0
và B10 khi được phun vào buồng cháy ở áp suất phun 1500 bar.
vii. Bố cục luận án
vi.

 Mở đầu
 Chương 1. Tổng quan.
 Chương 2. Cơ sở lý thuyết quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong
buồng cháy CVCC.
 Chương 3. Tính tốn, thiết kế và chế tạo buồng cháy CVCC
 Chương 4: Mơ phỏng q trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong buồng
cháy CVCC.
 Chương 5. Nghiên cứu thực nghiệm.
 Kết luận chung và hướng phát triển.

xviii


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. 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). Q 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 khơng thể điều khiển trực tiếp
q 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: khơng 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 ngồi và hình thành hỗn hợp đồng nhất bên trong.
Hình thành hỗn hợp đồng nhất bên ngồi 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 dịng khí nạp để tăng cường khả năng hịa 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 NO x 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 ơxy 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 trơi 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


khơng 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 hịa 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 khơng q 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 khơng 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 NO x 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 vịi 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 ln 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 NO x. Khi thời điểm phun thay đổi trong
phạm vi phổ biến của động cơ diesel thơng thường thì tốc độ tỏa nhiệt không thay đổi
nhiều. Tuy nhiên khi thời điểm bắt đầu phun trễ hơn và sử dụng khí ln hồi thì hình
dạng đường cong tỏa nhiệt bắt đầu thay đổi [20] (Hình 1. 1). Tỷ lệ hỗn hợp cháy tăng
trong khi q trình cháy khuếch tán ít hơn, điều này làm giảm NO x và bồ hóng. Ưu điểm
của biện pháp này là q trình phun và q trình cháy khơng hồn tồn tách rời nhau nên
ta có thể điều khiển thời gian cháy thông qua thời điểm phun.
2


Hình 1. 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 NO x, tăng phát thải
HC. Ngồi ra, hệ thống MK cịn 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
o
một góc 40 . 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 xốy lốc của dịng 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 ơxy hóa hồn tồn 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 q 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 vịi phun
Buồng cháy CVCC

3

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, vịi phun nhiên liệu quạt hịa
trộn và các cảm biến nên có thể dễ dàng quan sát quá trình cháy bên trong cũng như ghi
lại các thơng số của q trình cháy. Buồng cháy CVCC thường có dạng hình hộp chữ
nhật hoặc hình trịn, tùy theo mục đích sử dụng. Sử dụng CVCC có lợi thế về khả năng
thay đổi dễ dàng các thơng số q trình đốt cháy như: tỉ lệ khơng khí - nhiên liệu, tỉ lệ
khí dư, áp suất và nhiệt độ bên trong buồng cháy. Buồng cháy này rất linh hoạt khi
nghiên cứu, phát hiện quá trình cháy, điều khiển quá trình cháy, linh hoạt khi đánh giá
quá trình hình thành hỗn hợp và cháy của các loại nhiên liệu khác nhau.

Ưu điểm
 Buồng cháy đơn giản.
 Quan sát tồn bộ q trình cháy bên trong buồng cháy.
 Dễ dàng thay đổi các điều kiện biên (nhiệt độ, áp suất, thời gian cháy) của
quá trình cháy.
 Nghiên cứu được nhiều loại nhiên liệu khác nhau.
 Dễ dàng quan sát tồn bộ q trình cháy ở những thời điểm khác nhau.
 Thành phần khí xả khơng bị ảnh hưởng bởi dầu bơi trơn.
 Tiết kiệm nhiên liệu q hiếm khi nghiên cứu.
Nhược điểm
 Thiết bị đo và quan sát chi phí mua sắm cao.
 Thiết kế hệ thống điều khiển phức tạp.
Vật liệu chế tạo
Vật liệu chế tạo thân của buồng cháy thông thường là thép hợp kim nguyên khối,
thép khơng gỉ hoặc thép trung bình S45C, cửa sổ quan sát là tinh thể thạch anh đã
được một số nhà thiết kế lựa chọn [27].
1.1.1.1. Hệ thống CVCC
Hệ thống CVCC được sử dụng để nghiên cứu về nhiều định hướng khác nhau đối
với nhiên liệu như: tính chất của nhiên liệu, đặc tính cháy của nhiên liệu cháy cưỡng
bức hoặc tự bốc cháy. Các định hướng nghiên cứu khác có thể kể đến như: tỉ lệ giữa

nhiên liệu và khơng khí, điều kiện (nhiệt độ, áp suất, góc đánh lửa) để xảy ra phản
ứng ơxy hóa nhiên liệu, nghiên cứu quá trình cháy của các nhiên liệu khác nhau …
v.v. Buồng cháy CVCC kết hợp với hệ thống quang học để nghiên cứu các hiện tượng
ở gần điểm chết trên (TDC) tương tự như trên động cơ.
Về cơ bản hệ thống CVCC được cấu thành gồm tối thiểu các bộ phận chính.
Buồng cháy CVCC, bộ phận cung cấp nhiên liệu, bộ phận cung cấp khơng khí, bộ
phận tạo áp và nhiệt độ, bộ phận quan sát và ghi nhận dữ liệu và một số bộ phận khác
tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu.
 Hệ thống CVCC nghiên cứu nhiên liệu khí
Bao gồm các bộ phận như: bộ phận thu thập dữ liệu, nguồn cấp điện áp cao, bộ
phận hòa trộn, cung cấp nhiên liệu, bộ phận khuếch đại tín hiệu.... Hoạt động của hệ
thống như sau: hỗn hợp không khí và nhiên liệu khí vào bộ hịa trộn bằng cửa nạp. Ở
đây, hỗn hợp được hòa trộn đồng nhất sau đó được đưa đến buồng cháy, hỗn hợp khí
4


được đốt cháy nhờ bugi đánh lửa. Sau đó khí thải được đưa ra cửa xả nhờ bơm hút
chân không. Các thơng số của q trình cháy được thu thập bởi bộ thu thập dữ liệu.
Nhược điểm của hệ thống này, chỉ nghiên cứu với nhiên liệu khí cịn với nhiên
liệu lỏng thì khơng nghiên cứu được.
 Hệ thống CVCC linh hoạt
Bao gồm những bộ phận chính như: bộ thu thập dữ liệu, nguồn cấp điện 3 pha,
nguồn điện 12 V (DC), bộ phận cung cấp nhiên liệu, bộ phận cung cấp khí, bộ phận
khuếch đại tín hiệu và thu thập dữ liệu, các van an toàn.... Hệ thống này sử dụng
buồng cháy để hịa trộn hỗn hợp khơng khí - nhiên liệu.
Nguyên lý hoạt động
Hỗn hợp khí được cấp vào trong buồng cháy do sự chênh áp của bình khí với áp
suất trong buồng cháy thơng qua các van an tồn. Hỗn hợp khí được hịa trộn đồng
nhất nhờ quạt hòa trộn. Áp suất và nhiệt độ của buồng cháy tăng lên cực đại khi đốt
cháy hỗn hợp khí sau đó giảm dần do truyền nhiệt ra thành buồng cháy và cho các

phần tử. Quá trình cháy nhiên liệu tính từ thời điểm phun nhiên liệu vào và nhiệt độ
và áp suất của buồng cháy lại tăng lên. Sau đó, sản phẩm cháy được đưa ra ngồi nhờ
bơm chân khơng và van xả khí của buồng cháy. Các thơng số của q trình cháy được
ghi lại bằng máy tính và các thiết bị đo hiện đại.
Ưu điểm
 Cung cấp các thành phần khí riêng biệt.
 Nghiên cứu được nhiều loại nhiên liệu khác nhau.
 Phân tích được ảnh hưởng của các thành phần khí lên q trình hình thành
hỗn hợp và cháy của nhiều loại nhiên liệu khác nhau.
 Điều khiển được thời điểm phun, thời điểm đánh lửa.
 Điều khiển được nhiệt độ sấy nóng buồng cháy.
 Điều khiển được chất lượng hịa trộn hỗn hợp thơng qua thời gian hòa trộn
và thiết bị hòa trộn hỗn hợp (quạt hòa trộn).
Nhược điểm
 Hệ thống điều khiển phức tạp, độ chính xác cao.
 Hệ thống CVCC nghiên cứu nhiên liệu lỏng có gia nhiệt buồng cháy [17]
Nguyên lý hoạt động
Hỗn hợp khí (axetylen, C2H2, hydro, H2, ơxy, O2 và nitơ, N2) được trộn trong
buồng hịa trộn trước sau đó được cung cấp đến CVCC thông qua van nạp.
Hỗn hợp được sấy nóng bên trong buồng cháy sau đó hỗn hợp được đốt cháy hoàn
toàn nhờ bugi đánh lửa. Tốc độ tăng áp suất và nhiệt độ của buồng cháy tăng mạnh
và đạt cực đại sau đó giảm áp nhờ truyền nhiệt ra thành xylanh buồng cháy.
Nhiên liệu được phun liên tục vào buồng cháy vào thơng qua tín hiệu phun khi
buồng cháy đạt đến giá trị nhất định. Lúc đầu tốc độ tăng áp suất chậm sau đó tăng
nhanh. Quá trình cháy này tương tự quá trình cháy trong động cơ diesel truyền
thống. Sản phẩm cháy được thải sạch ra ngồi nhờ bơm chân khơng (Hình 1. 2).
5


Hình 1. 2. Hệ thống CVCC nghiên cứu nhiên liệu lỏng có gia nhiệt buồng cháy [23]

1.

Kính quan sát.

5.

Bộ phận gia
nhiệt.

9.

Cảm biến áp suất.

2. Bộ chuyển đổi áp suất.
3. Cặp nhiệt độ cho thành
xylanh.
4. Vịi phun.

Ưu điểm
 Hệ thống có thể quan sát được nhiều góc độ của q trình cháy bên trong

do CVCC bố trí nhiều cửa sổ thạch anh để quan sát bên trong buồng cháy.

 Dễ dàng đốt cháy hỗn hợp khí do sử dụng nhiều bugi đánh lửa.
 Điều khiển được thời điểm phun nhiên liệu theo nhiệt độ của nhiên liệu cháy.

Nhược điểm
 Hệ thống thiết kế phức tạp.
 Buồng cháy khó chế tạo.
 Hệ thống điều khiển cung cấp khí có độ chính xác thấp do điều khiển cấp

bằng van cơ khí.
6


 Hệ thống CVCC nghiên cứu với nhiên liệu lỏng [24]

Hình 1. 3. Hệ thống CVCC nghiên cứu với nhiên liệu lỏng [24]

Nguyên lý hoạt động
Hỗn hợp khí C2H2, O2 và N2 được đưa vào buồng hòa trộn trước theo tỉ lệ nhất
định và được hòa trộn nhờ quạt hòa trộn để hỗn hợp trở nên đồng nhất (Hình 1. 3).
Buồng hịa trộn được hút hết khơng khí nhờ bơm chân khơng trước khi đưa hỗn hợp
vào. Sau đó, hỗn hợp được đưa vào buồng cháy nhờ sự chênh áp suất của buồng hòa
trộn và buồng cháy CVCC. Hỗn hợp khí được đốt cháy nhờ bugi đánh lửa, lúc này
các phản ứng cháy của hỗn hợp khí tăng nhanh làm tăng áp suất và nhiệt độ trong
buồng cháy đến mức tối đa. Áp suất buồng và nhiệt độ buồng cháy giảm dần do
truyền nhiệt giữa các chất khí và ra thành buồng cháy. Nhiên liệu được phun vào
bằng hệ thống nhiên liệu common rail sau khi cháy hỗn hợp khí đúng thời điểm theo
điều khiển bằng máy tính (PC). Áp suất của buồng cháy được ghi lại thông qua bộ
chuyển đổi áp suất. Sau đó sản phẩm cháy được thải ra ngồi nhờ bơm chân khơng.
Ưu điểm
 Hệ thống có nhiều cửa sổ quan sát quá trình cháy bên trong.
 Buồng cháy an tồn do bố trí van hạn chế áp suất.
 Điều khiển chính xác thời điểm phun nhiên liệu.
 Đánh giá được ảnh hưởng của các thành trong hỗn hợp khí đến q trình
cháy.
Nhược điểm
 Hệ thống cồng kềnh do bố trí buồng hịa trộn khí bên ngồi CVCC.
 Khó đưa hỗn hợp khí từ buồng hịa trộn vào trong buồng cháy.
 Khó tính tốn chính xác lượng khí đưa vào buồng hịa trộn.

 Hệ thống CVCC nghiên cứu nhiên liệu khí [25]
7


Hình 1. 4. Hệ thống CVCC nghiên cứu nhiên liệu khí [25]

Ngun lý hoạt động
Hỗn hợp khí được hịa trộn trong buồng hòa trộn trước khi đưa vào buồng cháy qua
van an tồn do sự chênh áp giữa buồng hịa trộn và áp suất buồng cháy CVCC (Hình
1. 4). Sau khi hỗn hợp khí đưa vào buồng cháy sẽ được đốt cháy bằng bugi và nhiệt
độ của buồng cháy được điều khiển thông qua các cảm biến nhiệt độ. Áp suất và
nhiệt độ của buồng cháy giảm xuống nhờ quá trình truyền nhiệt ra thành xylanh và
cho sản vật cháy. Sau đó sản phẩm cháy được hút ra ngồi nhờ bơm chân khơng.
Ưu điểm
 Hệ thống đơn giản.
 Phân tích được đặc tính cháy của nhiên liệu ở các vùng khác nhau.
Nhược điểm
 Chỉ nghiên cứu với nhiên liệu thể khí.
 Chất lượng hỗn hợp đồng nhất khơng cao do khơng có quạt hịa trộn.
 Hệ thống CVCC nghiên cứu lưỡng nhiên liệu [20]

Hình 1. 5. Hệ thống CVCC nghiên cứu lưỡng nhiên liệu [96]

8


1. CVCC.
2. Dây điện trở.

3. Vòi phun diesel.

4. Ống nhiên liệu diesel.
5. Mô tơ dẫn động và bơm
nhiên liệu diesel áp suất cao.
6. Vịi phun Methanol.

Ngun lý hoạt động
Khơng khí nén được đưa vào buồng cháy CVCC nhờ sự chênh áp giữa bình
khơng khí nén và áp suất trong buồng cháy thơng qua van nạp khí trên đường nạp
(Hình 1. 5). Sau khí nạp khơng khí vào buồng cháy, tồn bộ buồng cháy được tăng áp
suất và nhiệt độ nhờ hệ thống sấy thông qua dây điện trở.
Nhiên liệu áp suất cao được phun vào buồng cháy thông qua hệ thống nhiên liệu
common rail trong điều kiện áp suất cao và nhiệt độ cao của buồng cháy. Nhiên liệu
tự bốc cháy trong điều kiện này, tốc độ cháy tăng nhanh làm cho áp suất và nhiệt độ
của buồng cháy tăng rất nhanh. Sau đó, sản phẩm cháy được đưa ra ngồi.
Để ghi lại q trình cháy của nhiên liệu trong CVCC. Hệ thống bố trí nguồn sáng,
hai gương cầu lõm, máy ảnh tốc độ cao, bộ tạo tín hiệu, bộ điều khiển tín hiệu và
máy tính.
Nguyên lý hoạt động: nguồn sáng chiếu qua CVCC nhờ hai gương cầu lõm và
chùm ánh sáng song song hội tụ tại tiêu cự của máy ảnh tốc độ cao. Thời điểm bắt
đầu chụp ảnh và bắt đầu phun nhiên liệu được đồng bộ với nhau theo thời gian thực.
Ưu điểm
 Hệ thống sử dụng 2 hệ thống phun riêng biệt. Do đó, linh hoạt khi nghiên

cứu với nhiều nhiên liệu.

 Dải quan sát quá trình cháy rộng do được bố trí nhiều cửa sổ và nguồn sáng

hỗ trợ.
Nhược điểm

 Khó tạo áp suất và nhiệt độ buồng cháy cao do hạn chế của áp suất bình khí

nén.

 Chế tạo phức tạp do bố trí nhiều vịi phun trên cùng một nắp buồng cháy.
 Khơng đánh giá được ảnh hưởng của thành phần khí trong khơng khí đến

q trình cháy.

 Hệ thống CVCC nghiên cứu tính chất lý hóa của nhiên liệu [92]

9


Hình 1. 6. Hệ thống CVCC nghiên cứu tính chất lý hóa của nhiên liệu [92]
1.

Bảng điều khiển
DQA.

7.

Lị sưởi điện.
2.

Máy tính.

3.

Camera tốc độ

cao.

4.

Buồng thể tích
khơng đổi.

5.

Thanh dẫn
hướng.

6.

Hướng vào phía
trong lị sưởi.

13.

Nguồn sáng.

Nguyên lý hoạt động
Lò sưởi được gia nhiệt bởi hệ thống nhiệt, sau đó di chuyển lị sưởi xuống phía
dưới nhờ cần điều khiển vị trí và thanh dẫn hướng đến vị trí sao cho giọt chất lỏng
nằm trong lị sưởi (Hình 1. 6). Giọt chất lỏng được tạo ra ở trên cặp nhiệt độ là nhờ
ống tạo áp suất và vòi phun. Dưới tác dụng của nhiệt độ và áp suất bên trong buồng
thể tích khơng đổi, sự thay đổi của giọt nhiên liệu sẽ được ghi lại bằng camera tốc độ
cao có sự hỗ trợ của nguồn sáng.
Ưu điểm
10

 Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất đến tính nhớt của nhiều loại

nhiên liệu.
Nhược điểm

 Khơng nghiên cứu được quá trình hình thành hỗn hợp và cháy của nhiên

liệu.
 Không nghiên cứu được ảnh hưởng của các thành phần khí đến q trình
cháy.
 Khơng đánh giá được chất lượng hỗn hợp được hình thành.
Những hệ thống CVCC trên chưa nghiên cứu và thiết lập quá trình cháy do nén hỗn
hợp đồng nhất tương tự trên động cơ diesel truyền thống mà chỉ tập trung nghiên cứu
về quá trình cháy cơ bản của nhiên liệu.
1.1.1.2. Một số dạng buồng cháy CVCC
Buồng cháy có dạng hình trịn: buồng cháy này được sử dụng nhiều để nghiên cứu
nhiên liệu dạng lỏng và dạng khí vì có hình dáng giống với buồng cháy trong động cơ
truyền thống [12, 94]. Buồng cháy này thường dùng để nghiên cứu quá trình phát triển
tia phun, hình thành hỗn hợp và cháy cho các loại nhiên liệu khác nhau (Hình 1. 7).

Hình 1. 7. buồng cháy CVCC hình trịn [27]

Buồng cháy dạng hình hộp chữ nhật: thường được sử dụng để nghiên cứu quá trình
phát triển màng lửa và thời gian cháy trễ của nhiên liệu dạng khí [26] (Hình 1. 8).

Hình 1. 8. Buồng cháy CVCC hình chữ nhật [15]

Ngồi ra, có thể sử dụng để nghiên cứu đặc của nhiên liệu

11


1.2. Tình hình nghiên cứu về HCCI và CVCC
Nghiên cứu trong nước
Khương Thị Hà đã nghiên cứu thiết lập chế độ HCCI trong động cơ diesel [3]. Kết
quả chỉ ra rằng, với tỷ số nén thiết kế 20:1, động cơ HCCI chuyển đổi hoạt động ổn
định tại chế độ tốc độ và tải thấp từ 1600 vg/ph đến 2000 vg/ph và 10% tải đến 20%
tải (Hình 1. 9). Ngồi ra, khi giảm tỷ số nén từ 20: 1 xuống 14,87:1 và không sử dụng
ERG đã mở rộng phạm vi hoạt động lên 50% tải ở tốc độ 3200 vịng/phút.

Hình 1. 9. Áp suất trong động cơ HCCI

Nguyễn Đức Khánh đã thực hiện “Nghiên cứu khả năng điều khiển quá trình cháy
trên động cơ HCCI bằng phương pháp luân hồi khí thải” trên phần mềm AVL-BOOST đã
xác định được tỉ lệ ln hồi (bên ngồi) và nhiệt độ khí ln hồi tối ưu đối với từng chế
độ làm việc thông qua các ma trận thử nghiệm. Với các nhiệt độ khí luân hồi thông
thường, động cơ đạt hiệu suất cao nhất khi tỉ lệ luân hồi khoảng 36%, với ηi lần lượt là
44,07%, 43,19%, 42,23% và 41,44% ứng với g ct lần lượt là 10,3 mg, 10,9 mg, 11,5 mg
và 12 mg. Tăng nhiệt độ khí luân hồi dẫn tới hiệu suất của động cơ giảm. Giữ nhiệt độ
khí luân hồi ở giá trị nhiệt độ môi trường (298K), luân hồi khí thải giúp nâng cao hiệu
suất động cơ, giảm tốc độ tăng áp suất, giảm khả năng gây “kích nổ” [4].

Tác giả Nguyễn Thìn Quỳnh đã thực hiện “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống
cung cấp nhiên liệu n-heptane cho động cơ diesel chuyển đổi sang HCCI”, nghiên
cứu đã thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu n-heptane. Kết quả thực nghiệm
trên đã chứng minh được khả năng chuyển đổi mơ hình cháy của động cơ diesel sang
HCCI là hoàn toàn khả thi [5].
Tác giả Đỗ Văn Trấn đã thực hiện “Nghiên cứu mơ phỏng mơ hình cháy HCCI trên
phần mềm AVL-BOOST”. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, tham số có thể điều khiển

thời điểm cháy theo cơ chế HCCI: áp suất khí nạp, nhiệt độ khí nạp, tỷ số nén, tỉ lệ luân
hồi khí xả. Nhiệt độ khí nạp ảnh hưởng trực tiếp đến thời điểm bắt đầu cháy, với nhiên
liệu n-heptan thì nhiệt độ khí nạp khơng cần sấy nóng q cao, đặc biệt khi làm việc với
tải lớn. Áp suất khí nạp ảnh hưởng đến thời điểm cháy thông qua vận động rối hỗn hợp
và tăng nhiệt độ khí nạp. Động cơ có thể làm việc với hỗn hợp nhạt và hiệu suất nhiệt cải
thiện đáng kể so với khơng tăng áp. Khí luân hồi ảnh hưởng quá trình cháy do tác dụng
sấy nóng hỗn hợp nạp và pha lỗng hỗn hợp nạp. Tỷ số nén ảnh hưởng đến thời điểm
cháy thông qua thay đổi năng lượng cấp cho quá trình nén [2].
12


Hiện tại trong nước vẫn chưa có cơng trình nghiên cứu trực tiếp nào liên quan đến
CVCC.
Nghiên cứu nước ngoài
1.2.2.1. Nghiên cứu hình thành HCCI
Mơ hình cháy HCCI được phát triển cùng với sự phát triển của nhiên liệu thay thế
(Hình 1. 10). Mơ hình cháy này tận dụng được những ưu điểm của nhiên liệu thay thế
[28] .

Hình 1. 10. Mơ hình cháy HCCI [28]

Thực tế cho phép sử dụng nhiều nhiên liệu khác nhau trong cùng một quá trình cháy
để điều chỉnh thời điểm cháy và các điều kiện khác, điều này khắc phục được khó khăn
của động cơ HCCI (điều chỉnh thời điểm cháy). Động cơ HCCI đánh lửa dựa chủ yếu
vào động lực học phản ứng và phần lớn phụ thuộc vào nhiên liệu sử dụng. Trong nỗ lực
để kiểm sốt q trình cháy, mở rộng hoạt động HCCI trên dải tốc độ động cơ, có nhiều
cách khác nhau đã được sử dụng, chẳng hạn như thay đổi tỷ số nén, điều khiển thay đổi
van nạp xả, thay đổi nhiệt độ đầu vào, luân hồi bên trong hoặc bên ngồi [29]. Một
phương pháp khác để hình thành mơ hình cháy HCCI là kết hợp nhiên liệu thay thế và
hỗn hợp của chúng, tùy vào đặc tính của động cơ mà có tỉ lệ nhiên liệu thay thế thích

hợp [14, 30] . Ý tưởng nhiên liệu có nhiệt độ tự cháy khác nhau có thể được pha trộn ở tỉ
lệ khác nhau để điều chỉnh điểm cháy ở vùng tải tốc độ khác nhau. Do đó, hydro,
ethanol, ete và dầu diesel sinh học được dùng trong động cơ HCCI là nhiên liệu nguyên
chất hoặc hỗn hợp. Nhiên liệu có trị số cetan cao (như DME) có thể được sử dụng như
chất xúc tác cho quá trình cháy trong hỗn hợp nhiên liệu và có chỉ số octan cao (ethanol,
methanol). Với việc sử dụng hệ thống điều khiển vịng kín hoặc hở, dùng hỗn hợp nhiên
liệu có thể kiểm sốt q trình cháy động cơ HCCI trong phạm vi rộng hơn khi không
dùng hỗn hợp nhiên liệu [30]. Điều này đã được chứng minh trong động cơ HCCI sử
dụng hỗn hợp của n-heptan và isooctane [31]. Một số nhiên liệu nguồn gốc sinh học,
chẳng hạn như este và DME, có xu hướng cố hữu là giảm sự hình thành bồ hóng do cấu
trúc hố học của chúng, xu hướng hình thành của bồ hóng giảm khi hàm lượng oxy trong
các phân tử nhiên liệu tăng hoặc số lượng liên kết C-C giảm. Điều này là do thực tế là
các liên kết C-O có xu hướng hình thành CO hoặc CO 2 cao hơn là tham gia vào các phản
ứng hình thành bồ hóng [32].

13


Goldsborough cùng cộng sự [33] nghiên cứu động cơ piston tự do sử dụng nhiên liệu
hydro cho động cơ HCCI hai kỳ. Tác giả dùng phần mềm mô phỏng động lực học một
chiều. Q trình ơxy hóa H2 cơ chế của Marinov và cộng sự [34]. Sử dụng mơ hình
truyền nhiệt Woschni [35], các hằng số nhiệt được sửa đổi cho phù hợp với H 2. Kết quả
nghiên cứu cho thấy hoạt động của động cơ phụ thuộc vào quá trình qt khí, ảnh hưởng
đến hỗn hợp nhiên liệu khơng khí trong xylanh, nhiệt độ của hỗn hợp nạp. Fiveland và
cộng sự [36] xây dựng một mơ hình số khơng chiều để mô phỏng chu kỳ làm việc động
cơ động cơ sử dụng khí mêtan hoặc hydro làm nhiên liệu. Sơ đồ phản ứng cháy hydro
bao gồm 11 loài và 25 phản ứng, sử dụng mơ hình CHEMKIN [98]. Truyền nhiệt được
tính tốn dựa trên tập hợp các mơ hình k-ε với giả thiết sự biến động đẳng hướng.
Phương pháp này tìm ra vận tốc đặc trưng dùng để tính tốn hệ số truyền nhiệt. Kết quả
mơ phỏng cho động cơ 4 kỳ sử dụng nhiên liệu hydro với tỷ số nén 15, áp suất khí nạp là

1,5 bar, nhiệt độ khí nạp là 425K dẫn tới thời điểm cháy diễn ra trước vị trí TDC. Với H 2
yêu cầu nhiệt độ khí nạp cao, tỷ số nén trung bình, tỉ lệ tương đương nhiên liệu khơng
khí thấp vì nhiệt độ cháy của nó nằm trong khoảng 1050K – 1100K. Thời điểm cháy diễn
ra muộn hơn khi giảm nhiệt độ khí nạp, tỉ lệ nhiên liệu khơng khí.

Hofmann cùng cộng sự [37] nghiên cứu mô phỏng động cơ dùng mô hình
CHEMKIN để mơ phỏng n-heptan, DME và methyl decanoate đốt cháy theo cơ chế
HCCI. Sau đó nghiên cứu với dầu diesel sinh học. Tác giả sử dụng mơ hình cháy
Woschni [38] để tính tổn thất nhiệt buồng cháy. Mục tiêu của nghiên cứu là góc đánh
lửa trễ và hình thành NOx trong ba loại nhiên liệu. Các nhà nghiên cứu sử dụng cơ
chế hóa học của Herbinet [39] cho methyl decanoate - thay thế dầu diesel sinh học bao gồm 3036 loại và 8555 phản ứng, cơ chế ơxy hóa của Lawrence [20, 22, 40, 41].
Sử dụng mơ phỏng hình thành NO sử dụng hai phương án: các cơ chế phản ứng mở
rộng Zeldovich [42] và động học phản ứng NO từ cơ chế GRI-Mech [43]. Tác giả đã
chứng minh rằng, DME có thời gian cháy trễ ngắn nhất tiếp theo methyl decanoate và
n-heptan. Do đó, DME yêu cầu tốc độ động cơ cao hơn và nhiệt độ hỗn hợp nạp thấp
nhất. Mặc dù sự hình thành NO chủ yếu là do nhiệt độ cháy cao nhất, nhưng thành
phần hóa học của nhiên liệu cũng đóng một vai trị thứ yếu.
Ảnh hưởng nhiệt độ và áp suất phun nhiên liệu lên độngg cơ HCCI được S.
Gowthaman và cộng sự nghiên cứu [44]. Kết quả nghiên cứu cho thấy, hiệu suất nhiệt
của động cơ HCCI gần với giá trị của động cơ diesel thơng thường và có thể đạt được
0
nếu động cơ HCCI hoạt động với 5 bar áp suất phun và nhiệt độ khơng khí 60 C và
đồng thời giảm được các oxit của nitơ (NOx) và phát thải khói so với động cơ diesel
thông thường. Tuy nhiên, khi không khí vào được làm nóng để cải thiện q trình hóa
hơi của nhiên liệu diesel, nhiệt độ khơng khí đầu vào cao hơn sẽ hạn chế phạm vi
hoạt động của động cơ HCCI, do cường độ kích nổ cao, phát thải NO x cao. Áp suất
phun nhiên liệu cũng bị hạn chế do lượng khí thải HC và NOx cao.
Phân tích đánh giá tính đồng nhất của hỗn hợp trong xylanh động cơ HCCI diesel
bằng phân tích CFD đã được J.M. Mallikarjuna và cộng sự nghiên cứu [45]. Trong
nghiên cứu này, một nỗ lực đã được thực hiện để phát triển các phương pháp đánh giá độ

nghiêng tính đồng nhất của hỗn hợp bằng phân tích CFD sử dụng AVL-FIRE. Theo thứ
tự Để đánh giá các phương pháp này, sự đồng nhất của hỗn hợp trong hai trường hợp
phun nhiên liệu với 7 lỗ và 10 lỗ kim phun được so sánh. Tác giả nhận thấy, biểu đồ
phân phối nhiên liệu (GFD) giúp định lượng trực tiếp và đánh giá sự phân bố hỗn
14


hợp trong các phạm vi ERG khác nhau. Tuy nhiên, phương pháp GFD khơng thể giải
thích sự thay đổi trong không gian của sự phân bố nhiên liệu và không cung cấp sự
đồng nhất của hỗn hợp trên quy mô đơn giản. Trong phương pháp vẽ biểu đồ chỉ số
phân phối nhiên liệu, tính đồng nhất tổng thể sẽ được đánh giá trên thang điểm từ 0
đến 1 bằng một cách đơn giản. Trong phương pháp vẽ biểu đồ phân phối nhiên liệu
cục bộ (LFD), sự biến thiên theo không gian của tính đồng nhất của hỗn hợp được
xác định rõ trong các đới cục bộ cả theo hướng xuyên tâm và hướng trục.
P. Saisirirat và cộng sự [46] nghiên cứu thời điểm tự cháy và đặc tính cháy HCCI khi
sử dụng nhiên liệu 1-butanol/n-heptane và ethanol/n-heptane. Sử dụng động cơ diesel 1
xylanh nhiên liệu là hỗn hợp alcohol/n-heptane, thay đổi phần trăm khối lượng alcohol là
(0%, 18%, 37%, và 57%) ở tỉ lệ tương đương nhiên liệu khơng khí 0,3, nhiệt
0
độ khí nạp 80 C, tốc độ động cơ 1500 vòng/phút. Kết quả nghiên cứu cho thấy khi
tăng tỉ lệ rượu thì thời điểm cháy diễn ra muộn hơn do tăng trị số octane. Ở giá tỉ lệ
rượu lớn nhất 57% nó ảnh hưởng đến áp suất lớn nhất do thời điểm cháy quá trễ, còn
với tỉ lệ nhỏ hơn ảnh hưởng này không lớn. Như vậy rượu cũng có khả năng làm trễ
thời điểm cháy cho động cơ diesel giống như luân hồi khí xả.
Dongwon Jung và các cộng sự [47] đã nghiên cứu cung cấp dimethyl ete (DME)
cho động cơ xăng 1xylanh, làm mát bằng khơng khí, với phuơng án sử dụng ERG để
điều khiển thời điểm cháy. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng cả luân hồi nội tại và luân
hồi ngoài đều thiết lập được đặc tính cháy HCCI cho động cơ khi sử dụng DME tại
1500v/ph.
Stranglmaier cùng cộng sự [48] đã điều khiển pha cháy của mỗi xylanh riêng biệt

nhờ thay đổi góc đóng muộn xupap nạp. Kết quả cho thấy, để đạt chế độ cháy HCCI
phải đóng muộn xupap nạp, hiệu suất nén của động cơ sẽ giảm xuống, làm giảm nhiệt
độ cuối quá trình nén và thời điểm CA50 trễ hơn.
Động cơ SAAB, được thiết kế để nhằm tăng công suất của động cơ, nghiên cứu
để điều khiển quá trình cháy HCCI bởi Haraldsson [22, 49] cũng như Hyvönen cùng
cộng sự [36]. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, dải làm việc của động cơ HCCI có thể
được mở rộng nhờ gia nhiệt khí nạp và thay đổi tỷ số nén (ở dải cao) khi so sánh với
động cơ CAI xăng ở tỷ số nén thấp và lượng khí sót lớn.
Để hình thành HCCI có thể chia ra thành 2 trường hợp là hình thành bên trong và
hình thành bên ngồi buồng cháy [29], (Hình 1. 11).

Hình 1. 11. Phương pháp hình thành HCCI trong động cơ

15


Đối với động cơ hình thành hỗn hợp ngồi buồng cháy, phương án phun nhiên liệu
ngược chiều với dịng khí nạp sau đó hỗn hợp được đưa vào trong xylanh (phun nhiên
liệu trực tiếp trên đường nạp_PFI). Độ xoáy của dịng khí nạp được quyết định bởi kết
cấu của đường ống. Q trình hịa trộn nhiên liệu – khơng khí sẽ đồng nhất hơn khi có
dịng khí xốy. Hỗn hợp khơng khí – nhiên liệu được hình thành từ bên ngồi nên thời
điểm phun khơng ảnh hưởng đến thời điểm bắt cháy. Đối với nhiên liệu kém bay hơi khi
phun nhiên liệu trên đường nạp sẽ tăng khả năng bám dính trên thành đường ống và
những khe kẽ của buồng cháy điều này làm tăng phát thải CO và HC. Phương pháp này
chỉ phù hợp với nhiên liệu khí và nhiên liệu lỏng có khả năng bay hơi tốt.

Trường hợp hình thành hỗn hợp đồng nhất bên trong động cơ có thể đạt được khi
phun nhiên liệu trực tiếp vào trong xylanh động cơ. Phun sớm là giải pháp được sử
dụng nhiều cho động cơ sử dụng nhiên liệu diesel vì có thời gian cháy trễ lớn hỗn
hợp trở lên đồng nhất hơn. Khi đó, một phần hoặc tồn bộ nhiên liệu được phun vào

khi piston đang ở điểm chết trên (TDC) đầu hành trình nạp. Trường hợp phun nhiên
liệu diesel, khả năng bay hơi của nhiên liệu kém, mật độ khí trong xylanh thấp làm
cho nhiên liệu bám lên thành và các góc cạnh của buồng cháy. Đối với trường hợp
này, một hệ thống nhiên liệu mới và linh hoạt được nghiên cứu phát triển, để phù hợp
cho sự thay đổi của hình dạng buồng cháy cũng như là áp suất và nhiệt độ trong
xylanh trong suốt quá trình phun. Mặc dù cịn có những vấn đề về việc bố trí vịi
phun trực tiếp trong xylanh, nhưng phương pháp hình thành hồ khí đồng nhất bằng
cách phun trực tiếp vào trong xylanh được xem là phương pháp phù hợp nhất đối với
động cơ HCCI trong tương lai.
Một số nhà khoa học đã dành thời gian nghiên cứu để phát triển tia phun có chiều
dài ngắn (độ xuyên thấu ngắn) và giảm thiểu lượng nhiên liệu bám trên thành xylanh.
Hệ thống nhiên liệu có tính linh hoạt phù hợp với quy luật phun và sự thay đổi biên
dạng buồng cháy trong suốt quá trình phun. Phun với áp suất cao và vịi phun có
nhiều lỗ (đường kính nhỏ) thường được sử dụng để tăng độ tơi của nhiên liệu và để
phân bố nhiên liệu đều hơn trong không gian buồng cháy, làm giảm hiện tượng nhiên
liệu bám trên thành xylanh. Một phương pháp để đáp ứng được yêu cầu về chiều dài
tia phun là sử dụng quá trình phun tách thơng qua điều khiển vịi phun qua nhiều
xung điện với độ dài mỗi xung khác nhau.
Hình 1. 12 thể hiện quy luật điều khiển xung phun áp suất cao. Xung phun ngắn
dẫn đến xung lực của tia phun nhỏ, chiều dài tia phun ngắn, quá trình phun kết thúc
sớm. Khi bắt đầu phun, mật độ khí trong xylanh thấp, xung phun ngắn, giảm vận tốc
tia phun và thời gian giữa hai xung tăng lên. Khi piston đi lên TDC, mật độ và nhiệt
độ hỗn hợp trong xylanh tăng làm cho chiều dài tia phun giảm. Khi đó, có thể kéo dài
xung phun hơn, trong khi khoảng thời gian giữa các xung giảm. Giai đoạn cuối của
quá trình phun nhiên liệu, khoảng cách giữa vòi phun và piston giảm rất nhanh, và
khối lượng nhiên liệu phun ra trên một xung phải giảm để tránh hiện tượng nhiên liệu
bám trên đỉnh piston.

16