Luận án tiến sĩ 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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Hà Nội – 2022


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 CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu
trong luận án là trung thực và chưa từng được ai cơng cơng bố trong cơng trình nào
khác!
Hà nội, ngày 5 tháng 01 năm 2022
TMTT HƯỚNG DẪN

Nghiên cứu sinh

GS.TS Lê Anh Tuấn TS Nguyễn Tuấn Nghĩa

i

Nguyễn Phi Trường


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 quá 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 TỐN 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: MƠ PHỎNG Q 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 mô phỏng ....................................................................... 84
Đối tượng mô phỏng ............................................................................ 85
Mơ hình mơ phỏng ............................................................................... 86
4.2. Các chế độ mơ phỏng ................................................................................... 87
Điều kiện biên ...................................................................................... 88
Mơ hình lưới tính toán ......................................................................... 88
4.3. Kết quả và thảo luận ..................................................................................... 92
Quá trình bay hơi của nhiên liệu trong CVCC .................................... 92
Quá 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 quá 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 hòa 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 CƠNG 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


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Diễn giải

NCS

Nghiên cứu sinh

HCCI

Cháy do nén hỗn hợp đồng nhất

CI

Cháy do nén

SI

Cháy cưỡng bức

CO

Carbonmonoxide

TDC

Điểm chết trên

HC

Hyđrô cácbon

B0

Nhiên liệu Diesel truyền thống

B10

10% Diesel sinh học và 90% Diesel về thể tích

PFI

Hỗn hợp đồng nhất hình thành bên ngồi buồng cháy

PCCI

Cháy do nén hỗn hợp hình thành từ trước

NOx

Ơxit nitơ

PM

Chất thải dạng hạt

PCI

Cháy do nén hỗn hợp đã hịa trộn

NDI

Thu hẹp góc phun nhiên liệu

SOC

Thời điểm bắt đầu cháy

MK

Hệ thống điều biến động lực học phản ứng cháy

HPLI

Phun muộn hỗn hợp được hòa trộn đồng nhất

HCLI

Phun muộn hình thành hỗn hợp nạp đồng nhất

CVCC

Buồng cháy thể tích khơng đổi

DC
C2H2

Nguồn điện một chiều
Axetylen

H2

Hydro

O2

Ơxy

N2

Nitơ

PC

Máy tính

ERG

Ln hồi khí thải
vii


DME

Dymethyl ete

CFD

Mô phỏng động lực học chất lỏng

GFD

Biểu đồ phân phối nhiên liệu

LFD

Biểu đồ phân phối nhiên liệu cục bộ

IMEP

Áp suất chỉ thị trung bình

HRR

Tốc độ tỏa nhiệt

PG

Khí tổng hợp

CPG

Khí cơng nghiệp

CNG

Khí nén thiên nhiên

A/F

Tỉ lệ khơng khí - nhiên liệu

CA

Góc quay trục khuỷu

E0

Xăng nguyên chất

E20

Hỗn hợp pha trộn 20% ethanol và 80% xăng về thể tích

E85

Hỗn hợp pha trộn 85% ethanol và 15% xăng về thể tích

E100

Ethanol nguyên chất

ADB

Liên kết đơi trung bình của ngun tử cacbon

AC

Số ngun tử cacbon trung bình

CO2

Cacbonic

E20S80

Tỉ lệ thể tích là 20% ethanol/80% diesel sinh học

B20S80

Tỉ lệ thể tích là 20% butanol/80% diesel sinh học

SMD

Đường kính trung bình Sauter

B10S1080

10% n-butanol, 10% diesel sinh học đậu nành và 80% diesel về khối
lượng

B5S1580

5% n-butanol, 15% diesel sinh học đậu nành và 80% diesel về khối
lượng

B0S20D80

0% n-butanol, 20% diesel sinh học đậu nành và 80% diesel về khối
lượng

KL

Hệ số đánh giá sự tập trung bồ hóng

HVO

Dầu thực vật

CPG

Khí nén sản suất
viii


PG

Khí tổng hợp

DI

Phun xăng trực tiếp

RCEM

Máy nén nhanh mở rộng

HCCI PFI Cháy do nén hỗn hợp đồng nhất, hình thành hỗn hợp bên ngoài
HCCI-DI Cháy do nén hỗn hợp đồng nhất, phun trực tiếp
HiMICS

Hệ thống phun thông minh nhiều giai đoạn hỗn hợp đồng nhất

MULDIC Cháy nén hỗn hợp được hình thành nhiều giai đoạn

NVO

Độ trùng điệp van âm

PREDIC Cháy do nén hỗn hợp nghèo hình thành từ trước
RCEM

Máy nén nhanh mở rộng

UNIBUS Hệ thống cháy đồng nhất vùng lớn
λ

Hệ số dư lượng khơng khí

ϕ

Tỉ lệ tương đương

CNLM

Cháy nhiên liệu mồi

ix


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2. 1. Thành phần phần trăm khí trước và sau khi cháy ................................... 45
Bảng 3. 1. Quy trình thiết kế, chế tạo hệ thống CVCC ............................................ 49
Bảng 3. 2. Điều kiện khí và đặc tính nhiên liệu sử dụng để tính tốn chiều dài và
góc tia phun [74] ....................................................................................................... 52

Bảng 3. 3. Thông số của vật liệu làm kính quan sát ................................................. 55
Bảng 3. 4. Thơng số của vật liệu thép S45C ............................................................ 55
Bảng 3. 5. Đặc tính vật liệu và dữ liệu tính tốn bề dày thành buồng cháy ............. 56
Bảng 3. 6. Kích thước sơ bộ của CVCC................................................................... 57
Bảng 3. 7. Thông số và dữ liệu tính tốn cửa sổ quan sát ........................................ 58
Bảng 3. 8. Thông số sơ bộ của buồng cháy .............................................................. 59
Bảng 3. 9. Thông số kỹ thuật bulông M10 cường độ cao ........................................ 61
Bảng 3. 10. Điều kiện mô phỏng của buồng cháy .................................................... 62
Bảng 4. 1. Thơng số hình học của mơ hình mơ phỏng ............................................. 86
Bảng 4. 2. Điều kiện biên xác định cho mơ hình mơ phỏng .................................... 88
Bảng 4. 3. Bước thời gian liên quan đến vòi phun nhiên liệu .................................. 88
Bảng 4. 4. Các cài đặt lưới sử dụng cho mơ hình mơ phỏng CVCC ....................... 89
Bảng 4. 5. Thông số và chất lượng lưới mô phỏng .................................................. 89
Bảng 4. 6. Thông số lưới và chất lượng lưới các mặt biên ...................................... 90
Bảng 4. 7. Phổ màu sắc tương ứng với tỉ lệ A/F ...................................................... 94
Bảng 5. 1. Tính chất của nhiên liệu B0, B10 [101] ................................................ 100
Bảng 5. 2. Nhiên liệu thử nghiệm theo thời gian ................................................... 101
Bảng 5. 3. Điều kiện thí nghiệm ............................................................................. 102

x


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1. 1. Ảnh hưởng của phun muộn đến tốc độ tỏa nhiệt [21] ............................... 3
Hình 1. 2. Hệ thống CVCC nghiên cứu nhiên liệu lỏng có gia nhiệt buồng cháy [24]
.................................................................................................................................... 6
Hình 1. 3. Hệ thống CVCC nghiên cứu với nhiên liệu lỏng [25]............................... 7
Hình 1. 4. Hệ thống CVCC nghiên cứu nhiên liệu khí [100] ..................................... 8
Hình 1. 5. Hệ thống CVCC nghiên cứu lưỡng nhiên liệu [97]................................... 8
Hình 1. 6. Hệ thống CVCC nghiên cứu tính chất lý hóa của nhiên liệu [93] .......... 10

Hình 1. 7. buồng cháy CVCC hình trịn [27] ........................................................... 11
Hình 1. 8. Buồng cháy CVCC hình chữ nhật [15] ................................................... 11
Hình 1. 9. Áp suất trong động cơ HCCI ................................................................... 12
Hình 1. 10. Mơ hình cháy HCCI [28] ....................................................................... 13
Hình 1. 11. Phương pháp hình thành HCCI trong động cơ ...................................... 15
Hình 1. 12. Quy luật xung phun đối xứng quá trình phun sớm ................................ 17
Hình 1. 13. Chùm tia phun trên động cơ HCCI và động cơ truyền thống ............... 17
Hình 1. 14. Nghiên cứu mơ phỏng số hình thành hỗn hợp HCCI trên động cơ ....... 17
Hình 1. 15. Hình ảnh tia phun của xăng và n-butan tại 280 CAD Btdc [Pamb=1,1
MPa/Tamb=465K] từ Mei-scattering ......................................................................... 19
Hình 1. 16. Hình ảnh phát triển tia phun của dầu và dầu cọ ở áp suất phun 20 MPa
.................................................................................................................................. 20
Hình 1. 17. Hình ảnh ngọn lửa của nhiên liệu trong điều kiện áp suất 0,098 MPa,
nhiệt độ 1770C. ......................................................................................................... 20
Hình 1. 18. Ảnh hưởng của phần trăm thể tích hydro đến thời gian cháy ............... 22
Hình 1. 19. Ảnh hưởng của áp suất phun đến chiều dài thâm nhập và góc hình nón
của tia phun. ............................................................................................................. 23
Hình 1. 20. Bộ chuyển đổi, vị trí của bộ chuyển đổi trong CVCC, ảnh hưởng của
đường kính và số lỗ đến quá trình cháy.................................................................... 24
Hình 1. 21. Hình ảnh tia phun của hỗn hợp B0S2080 và B10S20D80 ở 800K ....... 24
Hình 1. 22. Hệ số KL của quá trình đốt cháy diesel tại thời điểm 1,110 ms dưới điều
kiện ôxy: (a) 21%; (b) 18%; (c) 15%; (d) 12%; (e) 10% ......................................... 25
Hình 1. 23. Buồng cháy CVCC ................................................................................ 26
Hình 1. 24. Hình ảnh ứng suất Von mises của CVCC và kính quan sát .................. 27
Hình 2. 1. Các phương pháp phun nhiên liệu trong CVCC ..................................... 30
Hình 2. 2. Hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong CVCC .................................... 31
Hình 2. 3. Quá trình cháy trong động cơ diesel truyền thống .................................. 32
xi

Hình 2. 4. Phun nhiên liệu trước khi CNLM ............................................................ 33
Hình 2. 5. Đồ thị áp suất của CVCC phun sau khi CNLM [71]............................... 34
Hình 2. 6. Đồ thị áp suất buồng cháy khi phun lưỡng nhiên liệu ............................. 34
Hình 2. 7. Cơ chế phá vỡ tia phun [66]. ................................................................... 35
Hình 2. 8. Sơ đồ mơ tả cơ chế phá vỡ tia phun [12] ................................................. 36
Hình 2. 9. Sự phân rã của tia phun diesel [66] ......................................................... 36
Hình 2. 10. Phân bố chùm tia phun áp suất cao nhiều lỗ chất lỏng (màu đen), hơi
(màu xám) [67] ......................................................................................................... 37
Hình 2. 11. Phần trăm CO2 với phần trăm O2 khác nhau sau khi cháy hỗn hợp khí
[94]............................................................................................................................ 44
Hình 2. 12. LFL tại các giá trị khác nhau của phần trăm số mol [94]...................... 45
Hình 2. 13. Thời gian cháy trễ của nhiên liệu [61]................................................... 46
Hình 3. 1. Hệ thống CVCC ...................................................................................... 50
Hình 3. 2. Chiều dài và góc của tia phun [73] .......................................................... 52
Hình 3. 3. Đặc tính của tia phun với nhiên liệu thử nghiệm [82] ............................. 53
Hình 3. 4. Kích thước lớn nhất đối với nhiên liệu thử nghiệm ................................ 54
Hình 3. 5. Hình chiếu bằng và chiếu cạnh của buồng cháy ..................................... 54
Hình 3. 6. Ứng suất bên trong thành xylanh [78] ..................................................... 56
Hình 3. 7. Điều kiện xung quanh TDC bởi q trình đa biến tính tốn với chỉ số đa
biến (n=1,35) ............................................................................................................ 57
Hình 3. 8. Hình vẽ mặt cắt của kính thạch anh ........................................................ 58
Hình 3. 9. Chiều dày và bề mặt kính quan sát .......................................................... 58
Hình 3. 10. Mối ghép bulơng chịu lực dọc ............................................................... 60
Hình 3. 11. Ký hiệu trên bulơng ............................................................................... 61
Hình 3. 12. Mơ hình CVCC, kính quan sát và nắp CVCC ....................................... 62
Hình 3. 13. Mơ hình chia lưới của buồng cháy, kính quan sát và nắp buồng cháy . 62
Hình 3. 14. Ứng suất, chuyển vị và truyền nhiệt của buồng cháy ở 4000C ............. 63
Hình 3. 15. Ứng suất, chuyển vị và truyền nhiệt của buồng cháy ở 10000C ........... 63
Hình 3. 16. Ứng suất, chuyển vị và truyền nhiệt của kính quan sát ở 2000C ........... 64
Hình 3. 17. Ứng suất, chuyển vị và truyền nhiệt của kính quan sát ở 10000C ......... 64

Hình 3. 18. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến chuyển vị tương đương và truyền nhiệt đến
kính quan sát ............................................................................................................. 65
Hình 3. 19. Ứng suất tương đương, chuyển vị và truyền nhiệt của nắp CVCC ....... 65
Hình 3. 20. Thân CVCC ........................................................................................... 66
xii


Hình 3. 21. Nắp CVCC ............................................................................................. 67
Hình 3. 22. Mặt bích giữ kính quan sát .................................................................... 67
Hình 3. 23. Các chi tiết chính của buồng cháy sau khi gia cơng .............................. 68
Hình 3. 24. Các bộ phận của hệ thống điều khiển CVCC ........................................ 68
Hình 3. 25. Giao diện hệ thống điều khiển hoạt động của CVCC ........................... 69
Hình 3. 26. Sơ đồ thuật toán điều khiển hệ thống CVCC ........................................ 69
Hình 3. 27. Giao diện LabView................................................................................ 70
Hình 3. 28. Board Arduino Nano ............................................................................. 71
Hình 3. 29. Sơ đồ khối chương trình điều khiển ...................................................... 72
Hình 3. 30. Hệ thống nhiên liệu Common Rail ........................................................ 73
Hình 3. 31. Cơ chế điều khiển vịi phun ................................................................... 73
Hình 3. 32. Các bộ phận chính của quạt hịa trộn .................................................... 74
Hình 3. 33. Hình dạng quạt hịa trộn lắp ráp ............................................................ 74
Hình 3. 34. Vị trí cánh quạt hịa trộn bên trong CVCC ............................................ 74
Hình 3. 35. Mơ tơ quạt hịa trộn ............................................................................... 74
Hình 3. 36. Sơ đồ hệ thống đánh lửa ........................................................................ 75
Hình 3. 37. Các bộ phận chính của hệ thống đánh lửa ............................................. 75
Hình 3. 38. Hệ thống cung cấp khí cho CVCC ........................................................ 76
Hình 3. 39. Các bộ phận chính của hệ thống cung cấp khí: a. Khóa; b. Dây nối; c.
Van an tồn; d. Bình khí ơxy; e. Bình khí axetilen; f. Bình khí nitơ ....................... 76
Hình 3. 40. Các bộ phận chính của hệ thống thải ..................................................... 77
Hình 3. 41. Sơ đồ hệ thống làm mát vịi phun nhiên liệu ......................................... 78
Hình 3. 42. Bơm nước làm mát vịi phun nhiên liệu ................................................ 78

Hình 3. 43. Hệ thống thơng tin và thu thập dữ liệu .................................................. 78
Hình 3. 44. Hệ thống thu thập hình ảnh CVCC ....................................................... 79
Hình 3. 45. Hệ thống camera tốc độ cao và các thiết bị .......................................... 79
Hình 3. 46. Vịng ốp nhiệt điện trở ........................................................................... 80
Hình 3. 47. Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiệt............................................................... 80
Hình 3. 48. Vị trí vịng nhiệt điện trở trên CVCC .................................................... 81
Hình 4. 1. Buồng cháy CVCC .................................................................................. 85
Hình 4. 2. Mơ hình mơ phỏng CVCC ...................................................................... 87
Hình 4. 3. Lưới tính tốn sử dụng cho mơ hình mơ phỏng: 4,740,722 ơ lưới;
14,157,523 mặt; 4,859,160 điểm nút ........................................................................ 91
xiii


Hình 4. 4. Lưới tính tốn được làm mịn trong vùng không gian xảy ra hiện tượng
vật lý phức tạp. ......................................................................................................... 91
Hình 4. 5. Chi tiết lưới tính tốn tại vùng van nạp và van xả................................... 91
Hình 4. 6. Các ô lưới có độ nghiêng lớn xảy ra tại khe hẹp tiếp xúc giữa xupáp và
xylanh ....................................................................................................................... 92
Hình 4. 7. Hình ảnh ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình bay hơi của nhiên liệu
trong CVCC .............................................................................................................. 93
Hình 4. 8. Đồ thị ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự bay hơi của nhiên liệu trong CVCC
.................................................................................................................................. 93
Hình 4. 9. Quá trình hình thành hỗn hợp trong CVCC thời điểm bắt đầu phun nhiên
liệu ............................................................................................................................ 94
Hình 4. 10. Quá trình hình thành hỗn hợp ở 1.0E-6 (s) sau khi phun nhiên liệu ..... 94
Hình 4. 11. Quá trình hình thành hỗn hợp ở 2.0E-6 (s) sau khi phun nhiên liệu ..... 95
Hình 4. 12. Quá trình hình thành hỗn hợp ở 5.0E-6 (s) sau khi phun nhiên liệu ..... 95
Hình 4. 13. Đồ thị áp suất thực nghiệm và mô phỏng .............................................. 96
Hình 4. 14. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến áp suất buồng cháy.................................. 96
Hình 4. 15. Tốc độ tăng áp suất trong buồng cháy ................................................... 97

Hình 4. 16. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ tỏa nhiệt ........................................ 97
Hình 4. 17. Ảnh hưởng của nồng độ ơxy đến áp suất buồng cháy........................... 98
Hình 4. 18. Tốc độ tỏa nhiệt trường hợp phun nhiên liệu trước khi CNLM ............ 98
Hình 4. 19. Tốc độ tỏa nhiệt trường hợp phun nhiên liệu sau khi CNLM ............... 99
Hình 5. 1. Hình ảnh thực tế buồng cháy CVCC ..................................................... 100
Hình 5. 2. Cân nhiên liệu AVL............................................................................... 101
Hình 5. 3. Đặc tính vịi phun .................................................................................. 101
Hình 5. 4. Sơ đồ bố trí thử nghiệm hệ thống CVCC .............................................. 104
Hình 5. 5. Sơ đồ trang thiết bị thử nghiệm ............................................................. 105
Hình 5. 6. Đồ thị áp suất trong CVCC ................................................................... 105
Hình 5. 7. Hình ảnh cháy trong CVCC .................................................................. 106
Hình 5. 8. CVCC sau khi thử nghiệm với áp suất 80 bar ....................................... 106
Hình 5. 9. Hỗn hợp nhiên liệu hòa trộn trong CVCC theo thời gian ..................... 107
Hình 5. 10. Hình ảnh quá trình lan truyền màng lửa của nhiên liệu trong CVCC. 107
Hình 5. 11. Tốc độ lan tràn màng lửa ở thời điểm 2ms sau thời điểm CNLM; (a).
B0; (b). B10 ............................................................................................................ 107
Hình 5. 12. Diễn biến áp suất trong CVCC ............................................................ 108
Hình 5. 13. Diễn biến tốc độ tăng áp suất trong CVCC ......................................... 109
xiv


Hình 5. 14. Diễn biến tốc độ tỏa nhiệt trong CVCC .............................................. 109
Hình 5. 15. Đồ thị % nhiên liệu cháy trong CVCC ................................................ 110
Hình 5. 16. Diễn biến áp suất trong CVCC ............................................................ 110
Hình 5. 17. Đồ thị tốc độ tăng áp suất trong CVCC............................................... 111
Hình 5. 18. Đồ thị tốc độ tỏa nhiệt trong CVCC .................................................... 111
Hình 5. 19. Phần trăm nhiên liệu cháy ................................................................... 112
Hình 5. 20. Ảnh hưởng của nồng độ ôxy đến áp suất quá trình cháy .................... 112
Hình 5. 21. Ảnh hưởng của nồng độ ôxy đến áp suất buồng cháy sau khi CNLM 113
Hình 5. 22. Diễn biến tốc độ tỏa nhiệt trong buồng cháy....................................... 113

Hình 5. 23. Diễn biến tốc độ tỏa nhiệt trong buồng cháy sau khi CNLM ............. 114
Hình 5. 24. Diễn biến áp suất buồng cháy sau khi CNLM..................................... 114
Hình 5. 25. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ tăng áp suất buồng cháy ............. 115
Hình 5. 26. Diễn biến tốc độ tỏa nhiệt trong buồng cháy sau khi CNLM ............. 115

xv


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 (NOx), 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.
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 còn 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 q 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 không 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.

i.

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.
–
–

–

vi.
–
–

–

vii.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Xây dựng thành công 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 mơ 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 cơng
buồng cháy CVCC phục vụ cho mục đích nghiên cứu thực nghiệm thiết lập quá
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 mơi 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.
Bố cục luận án
 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: Mô phỏng quá 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 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 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 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 vịi phun hoặc giảm kích thước lỗ phun. Ngồi 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 NOx. Khi thời điểm phun thay đổi trong
phạm vi phổ biến của động cơ diesel thơng thường thì tốc độ tỏa nhiệt khơng 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 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 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 NOx, 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
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 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 q 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 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 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