Phân tích đặc điểm kết cấu, nguyên lý hoạt động và khả năng ứng dụng của động cơ HCCI làm nguồn động lực cho ô tô, máy kéo

i



BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG



NGUYỄN SỸ NGỌC
51 CKOT



PHÂN TÍCH ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU, NGUYÊN LÝ HOẠT
ĐỘNG VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ
HCCI LÀM NGUỒN ĐỘNG LỰC CHO Ô TÔ, MÁY KÉO








ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ÔTÔ

NHA TRANG - 2013

ii


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG


NGUYỄN SỸ NGỌC
51 CKOT



PHÂN TÍCH ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU, NGUYÊN LÝ HOẠT
ĐỘNG VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ
HCCI LÀM NGUỒN ĐỘNG LỰC CHO Ô TÔ, MÁY KÉO







ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ÔTÔ

GVHD: ThS. MAI SƠN HẢI




NHA TRANG - 2013


i

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
Họ và tên sinh viên: Nguyễn Sỹ Ngọc Lớp: 51CKOT
Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô Mã Ngành: 52510205
Tên đề tài: “Phân tích đặc điểm kết cấu, nguyên lý hoạt động và khả năng
ứng dụng của động cơ HCCI làm nguồn động lực cho ô tô, máy kéo”
Số trang:112 Số chương:4 Số tài liệu tham khảo:43
Hiện vật: CD chứa toàn bộ nội dung đồ án
NHẬN XÉT
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
Kết luận:
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
Nha Trang, ngày … tháng … năm 2013
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Th.S Mai Sơn Hải
ii

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Nguyễn Sỹ Ngọc Lớp: 51CKOT
Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô Mã Ngành: 52510205
Tên đề tài: “Phân tích đặc điểm kết cấu, nguyên lý hoạt động và khả năng
ứng dụng của động cơ HCCI làm nguồn động lực cho ô tô, máy kéo”
Số trang:112 Số chương:4 Số tài liệu tham khảo:43
Hiện vật: CD chứa toàn bộ nội dung đồ án
NHẬN XÉT
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
Điểm phản biện:
…………………………………………………………………………………
Nha Trang, ngày … tháng … năm 2013
CÁN BỘ CHẤM PHẢN BIỆN
(Ký và ghi rõ họ tên)



Nha Trang, ngày … tháng … năm 2013
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
(Ký và ghi rõ họ tên)

ĐIỂM CHUNG
Bằng số Bằng chữ


iii

MỤC LỤC
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN i
MỘT SỐ THUẬT NGỮ VÀ KÝ HIỆU THƯỜNG DÙNG v
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ vi
LỜI NÓI ĐẦU 1
I.ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU. 6
II.NỘI DUNG 6
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ HCCI 7
1.1.Lịch sử phát triển động cơ HCCI/CAI. 7
1.2.HCCI là gì? 10
1.3.Cơ sở lý thuyết của động cơ HCCI. 11
1.4.Ưu điểm của động cơ HCCI. 13
CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
CỦA ĐỘNG CƠ HCCI 19
2.1.Nguyên lý hoạt động của động cơ HCCI. 19
2.1.1.Nguyên lý hoạt động của động cơ HCCI. 19
2.1.2.Nhược điểm động cơ HCCI. 27
2.1.3.Một số giải pháp khắc phục và nâng cao chất lượng quá trình cháy
cho động cơ HCCI 31
2.2.Đặc điểm kết cấu động cơ HCCI. 48
2.2.1.Khái quát các hệ thống cơ bản. 49
2.2.2.Hệ thống đánh lửa. 54
2.2.3.Hệ thống nhiên liệu động cơ HCCI. 58

iv

2.2.3.1.Hệ thống nhiên liệu diesel HCCI. 58
2.2.3.2.Hệ thống nhiên liệu xăng HCCI. 74
2.2.4.Hệ thống phân phối khí thông minh. 78
2.2.5.Hệ thống tuần hoàn khí xả EGR. 88
2.2.6.Các cảm biến trong hệ thống điều khiển động cơ. 92
CHƯƠNG 3: KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ HCCI LÀM NGUỒN
ĐỘNG LỰC CHO Ô TÔ, MÁY KÉO 102
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 106
4.1.Kết luận. 106
4.2.Kiến nghị và đề xuất. 107
TÀI LIỆU THAM KHẢO 109



v

MỘT SỐ THUẬT NGỮ VÀ KÝ HIỆU THƯỜNG DÙNG
ĐCĐT : Động Cơ Đốt Trong.
TDC, ĐCT : Điểm Chết Trên.
ĐCD : Điểm Chết Dưới.
ºTK : Góc Quay Trục Khuỷu.
MCCT : Môi Chất Công Tác.
MIT : Massachusetts Institute of Technology.
HCCI : Homogeneous Charge Compression Ignition.
CAI : Controlled Auto Ignition.
EFI : Electronic Fuel Injection.
GDI : Gasoline Direct Injection.
FSI : Fuel Stratified Injection.

VVT : Variable Valve Timing.
VVT-i :Variable Valve Timing with intelligence.
VVTL-i : Variable Valve Timing and Lift intelligent system.
VTEC :Variable Valve Timing and Lift Electronic Control.
VANOS : VAriable NOckenwellen Steuerung.
EGR : Exhaust Gas Recirculation.
ESA : Electronic Spark Advance.
DIS : Direct Ignition System.
ON : Octane Number.
SI : Spark Ignition Engine.
CI : Compression Ignition Engine.
SVC : Saab Variable Compression.
VCR : Variable Compression Ratio.
ECU : Electronic Control Unit.
SCV : Van điện từ cung cấp nhiên liệu bơm cao áp.

vi

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Động cơ diesel bầu nhiệt (2 kỳ) 8
Hình 1.2: Sự khác biệt giữa quá trình cháy động cơ HCCI với động cơ
đốt trong truyền thống 10
Hình 1.3: Quá trình cháy của động cơ truyền thống và động cơ HCCI 13
Hình 1.4: So sánh áp suất trong xylanh của HCCI và động cơ xăng 14
Hình 1.5: Vùng làm việc chính của động cơ HCCI 15
Hình 1.6: Cơ chế hình thành NOx và bồ hóng của các loại động cơ 16
Hình 1.7:So sánh phát thải NO
x
của các loại động cơ 17
Hình 1.8: Mô hình động cơ HCCI đa nhiên liệu của Zhen Huang 18

Hình 2.1: Mô phỏng nguyên lý hoạt động của động cơ HCCI với hệ
thống phun nhiên liệu trên đường nạp 19
Hình 2.2: Mô phỏng nguyên lý hoạt động của động cơ xăng HCCI với
vòi phun trực tiếp 20
Hình 2.3: Nguyên lý hoạt động chung của động cơ HCCI với hệ thống
phun xăng trực tiếp vào buồng đốt 21
Hình 2.4: Vùng làm việc của động cơ HCCI 23
Hình 2.5: So sánh quá trình cháy động cơ HCCI với động cơ xăng SI 24
Hình 2.6: Diễn biến quá trình cháy của động cơ HCCI so với động cơ
xăng 25
Hình 2.7: Đặc tính tỏa nhiệt của quá trình cháy động cơ xăng đánh lửa và
động cơ nén cháy diesel 25
Hình 2.8: Đặc tính tỏa nhiệt của quá trình cháy động cơ HCCI 26
Hình 2.9: Tỉ lệ phát thải NOx, HC, CO theo λ 28
Hình 2.10: Đồ thị công suất động cơ HCCI với nhiên liệu LPG 29
Hình 2.11: Các phương pháp hình thành hỗn hợp đồng nhất trên động cơ HCCI 31
vii

Hình 2.12: Quy luật xung phun đối với quá trình phun sớm 33
Hình 2.13: So sánh tia phun trên động cơ HCCI và động cơ diesel truyền thống 34
Hình 2.14: Mô phỏng sự hình thành hỗn hợp trên động cơ HCCI 34
Hình 2.15: Dạng đỉnh piston, góc côn tia phun, góc phun sớm và chia
lưới mô phỏng theo mã KIVA-3V tại 20 độ ĐCT 35
Hình 2.16: Sơ đồ điều khiển thời điểm cháy trên động cơ HCCI 36
Hình 2.17: Ảnh hưởng của tỷ số nén tới áp suất quá trình cháy 37
Hình 2.18: Ảnh hưởngtỷ số nén tới nhiệt độ bắt đầu quá trình cháy 38
Hình 2.19: Mô hình động cơ SAAB với hệ thống thay đổi tỷ số nén tự
độngSVC………… 39
Hình 2.20: Mô hình động cơ HCCI hãng LUTUS với hệ thống thay đổi
tỷ số nén tự động VCR 39

Hình 2.21: Ảnh hưởng góc xả sớm đến nhiệt độ trongxylanh 40
Hình 2.22: Ảnh hưởng góc xả sớm đến áp suất trongxylanh 41
Hình 2.23: Đồ thị ảnh hưởng EGR đến công suất động cơ HCCI 42
Hình 2.24: Đồ thị ảnh hưởng EGR đến suất tiêu hao nhiên liệu 42
Hình 2.25: Đồ thị ảnh hưởng EGR đến NOx động cơ HCCI 42
Hình 2.26: Mô phỏng điều khiển nhiệt độ khí nạp của Olof Erlandsson 43
Hình 2.27: So sánh quá trình cháy của thành phần các chất trong nhiên liệu 45
Hình 2.28: So sánh ảnh hưởng chỉ số Octane đến quá trình tỏa nhiệt 45
Hình 2.29: Sơ đồ điều khiển động cơ HCCI ở chế độ chuyển tiếp 47
Hình 2.30: Những công nghệ tiên tiến được ứng dụng cho Saturn Aura HCCI
2007 48
Hình 2.31: Buồng cháy thống nhất và bố trí vòi phun và bugi đối với
động cơ HCCI phun xăng trực tiếp 49
Hình 2.32: Hệ thống truyền lực động cơ HCCI 50
Hình 2.33: Hình dạng piston đỉnh bằng cho động cơ HCCI 50
viii

Hình 2.34: Hệ thống bôi trơn cácte ướt cho động cơ HCCI 51
Hình 2.35: Sơ đồ nguyên lý và kết cấu hệ thống làm mát tuần hoàn
cưỡng bức 51
Hình 2.36: Điều khiển quạt làm mát bằng điện tử 52
Hình 2.37: Kết cấu máy khởi động 53
Hình 2.38: Nguyên lý làm việc của hệ thống khởi động 53
Hình 2.39: Mạch điện hệ thống đánh lửa DIS. 55
Hình 2.40: Nguyên lý điều khiển hoạt động hệ thống đánh lửa DIS 55
Hình 2.41: Bản đồ ESA 56
Hình 2.42: Nguyên lý hoạt động cuộn đánh lửa trong hệ thống DIS 56
Hình 2.43: Cấu tạo bobine và bugie đánh lửa 57
Hình 2.44: Sơ đồ kết cấu hệ thống nhiên liệu Common Rail - HCCI 59
Hình 2.45: Mạch cung cấp nhiên liệu Common Rail 62

Hình 2.46: Cấu tạo thùng nhiên liệu 63
Hình 2.47: Cấu tạo lọc nhiên liệu 63
Hình 2.48: Cấu tạo bộ làm mát nhiên liệu 63
Hình 2.49: Bơm cấp nhiên liệu: Bơm bánh răng ăn khớp ngoài 64
Hình 2.50: Bơm cấp nhiên liệu: Bơm bánh răng ăn khớp trong 64
Hình 2.51: Kết cấu bơm cao áp 65
Hình 2.52: Nguyên lý hoạt động bơm cao áp 65
Hình 2.53: Cấu tạo và hoạt động ống phân phối 66
Hình 2.54: Cấu tạo và hoạt động bộ điều chỉnh áp suất 67
Hình 2.55: Kết cấu vòi phun 67
Hình 2.56: Hoạt động vòi phun nhiên liệu 68
Hình 2.57: Nguyên lý tăng áp khí nạp cho động cơ HCCI 69
Hình 2.58: Cấu tạo chung tua-bin tăng áp 70
Hình 2.59: Bản vẽ 2D cấu tạo tua-bin tăng áp 70
ix

Hình 2.60: Sơ đồ bộ làm mát bằng nước 71
Hình 2.61: Sơ đồ nguyên lý hoạt động mạch điều khiển 71
Hình 2.62: Sơ đồ xác định lượng phun cơ bản 72
Hình 2.63: Đồ thị lượng phun hiệu chỉnh 72
Hình 2.64: Sơ đồ xác định lượng phun tối đa 72
Hình 2.65: Sơ đồ xác định thời điểm phun 73
Hình 2.66: Điều khiển phun ngắt quãng 73
Hình 2.67: Điều khiển phun trước 73
Hình 2.68: Động cơ HCCI của GM trang bị hệ thống phun xăng trực tiếp 74
Hình 2.69: Các bộ phận chính trong hệ thống nhiên liệu GDI - HCCI 75
Hình 2.70: Nguyên lý hoạt động mạch nhiên liệu GDI - HCCI 76
Hình 2.71: Hoạt động mạch điều khiển hệ thống nhiên liệu GDI HCCI 77
Hình 2.72: Sơ đồ hệ thống VVTL-i 80
Hình 2.73: Pha phối khí động cơ HCCI 80

Hình 2.74: Cấu tạo bộ điều khiển trục cam 81
Hình 2.75: Cấu tạo cánh gạt 81
Hình 2.76: Đường dầu thủy lực cung cấp cho cánh gạt 82
Hình 2.77: Cấu tạo van điều phối 82
Hình 2.78: Mạch thủy lực của hệ thống VVTL-i 83
Hình 2.79: Làm sớm thời điểm phối khí 83
Hình 2.80: Làm trễ thời điểm phối khí 84
Hình 2.81: Giữ nguyên thời điểm phối khí. 84
Hình 2.82: Hành trình xupap 85
Hình 2.83: Cấu tạo và hoạt động bộ điều khiển VVTL 85
Hình 2.84: Van điều khiển dầu vấu cam 86
Hình 2.85: Tại tốc độ thấp và trung bình 86
Hình 2.86: Khi tốc độ động cơ cao 87
x

Hình 2.87: Sơ đồ xác định góc phối khí trục cam tối ưu 87
Hình 2.88: Sơ đồ kết cấu và hoạt động hệ thống tuần hoàn khí xả EGR 89
Hình 2.89: Cấu tạo van điều khiển chân không 90
Hình 2.90: Cấu tạo van EGR 90
Hình 2.91: Cấu tạo bộ làm mát khí xả 91
Hình 2.92: Sơ đồ điều khiển hệ thống tuần hoàn khí xả 91
Hình 2.93: Màn hình hệ thống điều khiển kỹ thuật số 92
Hình 2.94: Cảm biến vị trí bàn đạp ga loại tuyến tính 92
Hình 2.95: Cảm biến vị trí bàn đạp ga loại phần tử Hall 93
Hình 2.96: Cấu tạo và hoạt động cảm biến loại dây sấy 93
Hình 2.97: Xác định khối lượng khí nạp 94
Hình 2.98: Cảm biến áp suất đường nạp 94
Hình 2.99: Cảm biến nhiệt độ nước làm mát 95
Hình 2.100: Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu 95
Hình 2.101: Cảm biến áp suất tua-bin 96

Hình 2.102: Cấu tạo và hoạt động cảm biến vị trí trục khuỷu 96
Hình 2.103: Cảm biến áp suất ống phân phối 97
Hình 2.104: Cảm biến vị trí trục cam 97
Hình 2.105: Cấu tạo và hoạt động cảm biến kích nổ 98
Hình 2.106: Cấu tạo và hoạt động của cảm biến oxy 98
Hình 2.107: Sơ đồ điều khiển dựa trên cảm biến áp suấtxylanh 99
Hình 2.108: Cấu tạo cảm biến áp suất xylanh 100
Hình 2.109: Nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất xylanh 100
Hình 2.110: Sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ HCCI 101
Hình 3.1: Saturn Aura HCCI 2007 103
Hình 3.2: Mercedes-Benz F700 DiesOtto 104
Hình 3.3: Động cơ HCCI của Oxy-gen 104

1
LỜI NÓI ĐẦU
Sự ra đời của động cơ đốt trong (ĐCĐT) là một bước tiến vĩ đại của
nền khoa học thế giới, ĐCĐT được sử dụng như là nguồn động lực phổ biến
trong các lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp, ngư nghiệp, quân
sự, an ninh, quốc phòng, giao thông vận tải…Ngay từ khi ra đời động cơ đốt
trong được chia làm hai loại chính: Động cơ đánh lửa cưỡng bức (động cơ
xăng) và động cơ nén cháy (động cơ diesel).
Ở động cơ đánh lửa cưỡng bức màng lửa bắt nguồn từ bugi lan tràn đến
các vùng chưa cháy, quá trình cháy của loại động cơ này được điều khiển
thông qua thời điểm đánh lửa. Do hỗn hợp nhiên liệu - không khí trên loại
động cơ này được hoà trộn từ trước và thường xung quanh giá trị lý tưởng (hệ
số dư lượng không khí: λ ~1), nên quá trình cháy sản sinh ít bồ hóng (soot) so
với quá trình cháy của diesel nhưng tỉ lệ NOx trong khí xả cao do nhiệt độ
cháy cực đại lớn (khoảng 2800ºK). Ngày nay, phần lớn các động cơ đánh lửa
hoạt động với hỗn hợp lý tưởng để đạt được hiệu quả cao nhất cho quá trình
xử lý khí thải. Vì hệ số dư lượng không khí gần như không đổi, nên muốn

thay đổi tải trọng của động cơ, cần điều chỉnh lượng khí nạp mới đi vào trong
xylanh động cơ, thông qua bướm ga lắp trên đường nạp. Do có bướm ga, tổn
thất trong quá trình nạp tăng, công bơm (hút) lớn, giảm hiệu suất động cơ.
Trong khi tỷ số nén của động cơ không thể tăng lên quá cao do bị giới hạn bởi
hiện tượng kích nổ, thông thường tỷ số nén của động cơ đánh lửa nằm trong
khoảng từ 6 đến 12. Vì vậy động cơ đánh lửa có hiệu suất thấp và phát thải
NOx lớn.
Đối với động cơ nén cháy, có tỷ số nén lớn hơn rất nhiều so với động
cơ xăng (từ 12 đến 24). Trên động cơ này, hỗn hợp nhiên liệu - không khí sẽ
tự bốc cháy chứ không bắt nguồn từ tia lửa điện giống như trên động cơ xăng.
2
Quá trình này diễn ra trong hai giai đoạn, đầu tiên là nhiên liệu phun vào
buồng cháy hoà trộn cùng không khí và thứ hai là hỗn hợp tự cháy. Giai đoạn
này là một giai đoạn phức tạp với rất nhiều quá trình: Xé tơi nhiên liệu, tia
phun chạm thành, bay hơi và khuếch tán, những yếu tố này làm giảm tốc độ
cháy của hỗn hợp. Một phần của nhiên liệu và không khí được hoà trộn trước
và bốc cháy rất nhanh, một lượng lớn còn lại của hỗn hợp sẽ cháy ngay sau đó
với tốc độ chậm hơn do ảnh hưởng của quá trình bay hơi, hoà trộn và khuếch
tán. Vì vậy trên động cơ diesel, hỗn hợp có thể được chia thành hai vùng
chính là vùng có mật độ nhiên liệu lớn và vùng có màng lửa nhiệt độ cao.
Trong vùng đầu tiên, bồ hóng chủ yếu được hình thành trong vùng này do hỗn
hợp đậm, thiếu O2, chỉ một phần bồ hóng tiếp tục được oxy hoá do sự tăng
nhiệt độ trong xylanh. Nhiệt độ cao nhất trong động cơ diesel cổ điển đạt
khoảng 2200ºK, vì vậy nồng độ phát thải NOx của loại động cơ này khá lớn.
Hiện nay, vấn đề lớn nhất đối với động cơ diesel là làm cách nào để giảm
đồng thời hai thành phần phát thải dạng hạt (PM) và NOx trong khí xả.
Ngoài ra ĐCĐT sử dụng nhiên liệu là dầu mỏ gây ra cạn kiệt tài
nguyên thiên nhiên mặt khác lại ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Theo các
nhà nghiên cứu thuộc Đại học California[1]: Thế giới sẽ cạn kiệt dầu mỏ
khoảng 100 năm trước khi có đủ các nguồn năng lượng thay thế nếu việc sử

dụng dầu mỏ và phát triển các nhiên liệu mới tiếp tục với tốc độ như hiện nay:
dầu mỏ sẽ cạn kiệt vào năm 2041 hoặc lạc quan hơn là vào năm 2054. Chính
vì vậy việc yêu cầu sử dụng nhiên liệu sao cho hợp lý là một vấn đề đặt ra đối
với động cơ đốt trong trong giai đoạn hiện nay.
Với nguy cơ ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính các quốc gia đã
kiểm soát thành phần khí xả động cơ một cách chặt chẽ bằng cách đưa ra các
tiêu chuẩn về khí xả ngày càng hết sức khắt khe (bảng 1)[2].

3
Bảng 1: Tiêu chuẩn Euro đối với khí xả từng loại ô tô[3]
Lo
ạ
i ô
tô
Tiêu
chẩn
Giới hạn


Ô tô du
lịch
(g/km)


CO

HC

NOx

Xăng

Diesel

Xăng

Diesel

Xăng

Diesel

Euro I

3,16

1,13

-

-

Euro
II
2,2 1 0,5 0,9 - -
Euro
III
2 0,64 0,2 0,15 0,5
Euro
IV

1,0 0,5 0,1 0,08 0,25

Euro V

-

-

0,05

0,08

0,08


Euro I: 1991; Euro II: 1996; Euro III: 2000; Euro IV:2005;Euro V:2008
Các quốc gia Đông Âu cũ trước đây cũng áp dụng tiêu chuẩn của Cộng
Đồng Châu Âu ECE.
Để triệt để giải quyết vấn đề ô nhiễm khí thải có rất nhiều phương án đã
được đưa ra cụ thể đó là:
 Cải tiến động cơ:
Động cơ Common Rail, GDI, EFI.
Động cơ năng lượng sạch (động cơ Hidro …).
Cải thiện buồng đốt.
Cải thiện hệ thống nạp xả (VVT-i, VTEC, VANOS…)
Cải thiện hệ thống nhiên liệu (Common Rail, EFI, GDI…).
Cải thiện hệ thống đánh lửa (ESA, DIS…)
 Sử dụng các thiết bị xử lý khí xả:
4
Bộ trung hòa khí xả (TWC).

Công nghệ BLUTEC.
Tuần hoàn khí xả EGR.
 Và nhiều phương án khác như hệ thống kiểm soát hơi nhiên nhiên
liệu (EVAP), Hệ thống thông gió hộp trục khuỷu (PVC)…
Trong số các phương pháp trên nổi bật là công nghệ BLUTEC đã được
nghiên cứu và ứng dụng tuy nhiên rất tốn kém trong việc đưa vào sử dụng.
Trong hai thập niên trở lại đây các đề tài nghiên cứu về động cơ đốt
trong chủ yếu tập trung ở các hướng chính: Tăng hiệu suất, nâng cao tính kinh
tế nhiên liệu, giảm độ ô nhiễm khí xả và phát triển nhiên liệu thay thế. Tuy
vậy hiệu suất cũng như các chỉ tiêu khác phát triển một cách chậm chạp mặc
dù nền công nghiệp ô tô phát triển rất nhanh, nhưng trong gần 15 năm trở lại
đây sự phát triển thành tựu nhất là sự nghiên cứu và thử nghiệm về một loại
động cơ mới bước đầu cho thấy được kết quả cao trong việc tăng hiệu suất,
nâng cao tính kinh tế, giảm độ ô nhiễm khí xả mà vẫn sử dụng các nguồn
năng lượng hóa thạch. Theo những nghiên cứu gần đây của Học viện công
nghệ Massachuset (MIT)[4]: “Một phiên bản mới của ĐCĐT, có thể giảm
được rất lớn lượng tiêu thụ nhiên liệu và thân thiện với môi trường có thể rất
dễ dàng được triển khai. Những thử nghiệm trên một mẫu động cơ của công
nghệ này, đã cho phép động cơ chuyển đổi giữa công nghệ truyền thống và
kiểu động cơ mới tiết kiệm nhiên liệu. Động cơ mới không cần đòi hỏi một
loại nhiên liệu mới, và các động cơ sử dụng công nghệ này rất rẻ nhờ sử dụng
những chi tiết của động cơ thường”.
Gần đây hãng xe hơi nổi tiếng GM (General Motors) đã cho thử
nghiệm động cơ đốt trong mới làm nguồn lực cho ô tô 2007 Saturn Aura và
Opel Vectra đó là động cơ HCCI cho khả năng vượt trội về tính kinh tế, tiết
kiệm nhiên liệu, tăng công suất và hạn chế ô nhiễm môi trường so với động
5
cơ đốt trong truyền thống[5]. Không chỉ có GM mà các hãng xe hơi nổi tiếng
như Fiat, BMW, Lotus, Ford, Toyota cũng có kế hoạch nghiên cứu và ứng
dụng HCCI, và đặc biệt là Honda cũng hứa hẹn sẽ sử dụng động cơ HCCI

trên những chiếc Hibrid của mình[6].
Đề tài tốt nghiệp “ phân tích đặc điểm kết cấu, nguyên lý hoạt động và
khả năng ứng dụng của động cơ HCCI làm nguồn lực cho ô tô, máy kéo ” sẽ
trình bày rõ về động cơ HCCI: Giới thiệu, kết cấu và hoạt động, ưu - nhược
điểm và khả năng ứng dụng của động cơ HCCI.
Xin chân thành cảm ơn khoa Kỹ Thuật Giao Thông, bộ môn Công
Nghệ Kỹ Thuật Ô Tô và GVHDThS. Mai Sơn Hải tạo điều kiện cũng như
giúp đỡ để hoàn thành đề tài này.
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Sỹ Ngọc

6
I. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ MỤC TIÊU NGHIÊNCỨU.
Đối tượng nghiên cứu : Động cơ HCCI.
Phạm vi nghiên cứu : Kết cấu, nguyên lý hoạt động và khả năng ứng
dụng của động cơ HCCI làm nguồn động lực cho ô
tô, máy kéo.
Mục tiêu nghiên cứu : Phát hiện và lý giải đặc điểm kết cấu, nguyên lý
hoạt động và khả năng ứng dụng của động cơ
HCCI làm nguồn động lực cho ô tô, máy kéo.
II. NỘI DUNG
Nội dung đề tài gồm 4 phần:
Chương 1: Giới thiệu động cơ HCCI.
Chương 2: Đặc điểm kết cấu và nguyên lý hoạt động của động cơ HCCI.
Chương 3: Khả năng ứng dụng động cơ HCCI làm nguồn động lực cho ô tô,
máy kéo.
Chương 4: Kết luận và kiến nghị.

7
CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ HCCI
1.1.Lịch sử phát triển động cơ HCCI/CAI.
Trong thập niên đầu thế kỷ XXI một lượng các công trình khoa học đã
được xuất bản liên quan đến mô hình cháy HCCI cho động cơ diesel và CAI
cho động cơ xăng trên động cơ đốt trong[3].
 Động cơ diesel HCCI (Homogeneous Charge Compression
Ignition: Cháy do nén hỗn hợp đồng nhất).
Nguồn gốc nguyên lý cháy này đã được ứng dụng trên động cơ có tên
Hot bulb engine (động cơ diesel bầu nhiệt) của Herbert Akroyd Stuart vào
cuối thế kỷ XIX[7]. Trên động cơ này, dầu hoả hoặc dầu thô được phun vào
trong bầu nhiệt ngay từ đầu quá trình nén, hoàn toàn đủ thời gian để nhiên
liệu bay hơi và hoà trộn với không khí. Trong quá trình khởi động, bầu nhiệt
được sấy nóng trước bằng cách dùng ngọn lửa đốt từ bên ngoài. Sau khi khởi
động, bầu nhiệt vẫn giữ được nhiệt nhờ quá trình cháy nhiên liệu bên trong
bầu. Nhiệt độ bầu lớn đến nỗi nhiên liệu bay hơi gần như ngay lập tức khi tiếp
xúc với bề mặt của bầu. Do hỗn hợp được hoà trộn từ rất sớm, nên có thể tạo
được hỗn hợp đồng nhất, kết quả dẫn đến hỗn hợp tự cháy khi piston tiến gần
đến ĐCT.
Từ nghiên cứu của Herbert Akroyd Stuart nguyên lý cháy do nén hỗn
hợp đồng nhất đã bắt đầu được phát triển: Động cơ máy bay 2 kỳ do một công
ty nhỏ ở Anh sản xuất có tên là Progress Aero Works (PAW) từ những năm
1940. Tuy nhiên, đến giữa thập niên 90, những nghiên cứu đã bắt đầu có hệ
thống hơn và tập trung vào khả năng ứng dụng mô hình cháy HCCI cho động
cơ diesel trên ô tô, kết quả nghiên cứu có tính khả quan nhất đó là phương
pháp cung cấp nhiên liệu diesel cho động cơ HCCI sử dụng hệ thống nhiên
liệu Common rail phun khi piston ở trong kỳ nén, được phát triển bởi công ty
8
Nissan, Nhật Bản[8] từ đó nhiều công trình nghiên cứu đã đạt được những

thành công trong việc kiểm soát quá trình cháy, giảm tiêu hao nhiên liệu,
giảm NOx và PM.

Hình 1. 1: Động cơ diesel bầu nhiệt(2 kỳ)
1: Bầu nhiệt;2:xylanh;3: piston;4: cácte - trục khuỷu

 Động cơ xăng CAI (Controlled Auto Ignition: Tự cháy điều khiển
được).
Những nghiên cứu đầu tiên của động cơ xăng cháy theo nguyên lý
HCCI/CAI là của Onishi[9] và Noguchi[10] cùng cộng sự của mình trong
năm 1979. Tuy nhiên cơ sở lý thuyết dựa theo nghiên cứu của nhà khoa học
người Nga Nikolai Semenov cùng đồng nghiệp trong những năm 1930, đã
thúc đẩy các nhà khoa học sau này tiếp tục nghiên cứu nhằm điều khiển quá
trình cháy, giúp cho quá trình cháy nghèo trở nên ổn định hơn.
Sau công trình đầu tiên của Onishi và Noguchi, đã bùng nổ một xu
hướng nghiên cứu và phát triển động cơ xăng 2 kỳ sử dụng mô hình cháy này,
điển hình là của hãng Honda với động cơ CAI đầu tiên được sản xuất và lắp
trên ô tô, động cơ xe máy ARC 2 kỳ với dung tích 250cc[11]. Các động cơ
9
này sử dụng năng lượng nhiệt của khí sót để đẩy mạnh quá trình cháy CAI,
Honda xác nhận giảm tiêu hao nhiên liệu lên tới 29% đồng thời thành phần
HC chưa cháy cũng giảm.Từ đó mở rộng nghiên cứu động cơ CAI phát triển
trên động cơ đốt trong 4 kỳ như: nghiên cứu của Najt và Foster trên động cơ 4
kỳ 1 xylanh vào năm 1983[12]. Năm 1992, Stockinger cùng cộng sự đã trình
bày nghiên cứu đầu tiên về động cơ xăng 4 xylanh hoạt động nhờ khả năng tự
cháy của nhiên liệu trong dải tốc độ và tải trọng giới hạn thông qua việc nâng
tỷ số nén và sấy nóng khí nạp[13]. Đặc biệt là các công trình nghiên cứu thay
đổi pha phối khí tại hãng ô tô Lotus (VQ.Anh), Volvo (Thụy Điển), đại học
Brunel (VQ. Anh), viện hóa dầu pháp (IFP) đã cho thấy khả năng ứng dụng
động cơ CAI là rất lớn.

Trong những năm gần đây, khả năng giữ lại một phần khí sót và tái sử
dụng khí thải để kích thích và điều khiển quá trình cháy CAI đã được chứng
minh bởi một số lượng lớn các nhà nghiên cứu[14], vì vậy những động cơ
thương mại có thể hoạt động dưới mô hình cháy CAI mà không cần thiết phải
thay đổi kết cấu ban đầu (tiết kiệm chi phí) của động cơ và phương tiện.
 Trong vòng hai thập niên trở lại đây, một số lượng lớn thuật ngữ đã
được gán cho các mô hình cháy mới của động cơ đốt trong, bao gồm ATAC
(Active Thermo Atmospheric Combustion)[9], TS (Toyota Soken)[10], ARC
(Active Radical Combustion)[11] trên động cơ 2 kỳ, CIHC (Compression
Ignited Homogenous Charge)[12], Homogenous Charge Compression
Ignition (HCCI)[15], Controlled Autoignition (CAI)[14], UNIBUS (Uniform
Bulky Combustion System)[16], PREDIC (PREmixed lean DIesel
Combustion)[17],MK (Modulated Kinetics)[18], Premixed Charge
Compression Ignition (PCCI)[19], OKP (Optimised Kinetic Process)[20],
Tất cả các thuật ngữ trên đều mô tả 2 nguyên lý của mô hình cháy mới: (1)
hỗn hợp nhiên liệu và không khí được hình thành đồng nhất từ trước, và (2)
10
hỗn hợp tự cháy. Để thống nhất khái niệm động cơ mới này thì gần đây các
nhà khoa học đã công nhận khái niêm HCCI cho nguyên lý cháy mới và
HCCI là thuật ngữ duy nhất để thể hiện quá trình cháy mới trên động cơ
diesel hoặc động cơ đốt trong khác như xăng, gas, nhiên liệu thay thế…
1.2.HCCI là gì?
 Động cơ HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition
Engine): Là một thuật ngữ được R.H Thring[15] (Viện Nghiên cứu Tây Nam
- San Antonio Texas) đưa ra để miêu tả nguyên lý cháy mới cho ĐCĐT sau
khi mở rộng phát triển mô hình của Najt và Foster[12]. HCCI được hiểu là
nguyên lý cháy do nén hỗn hợp đồng nhất cho ĐCĐT: Một hình thức động cơ
lai giữa động cơ diesel và động cơ xăng. Quá trình cháy của động cơ HCCI
tương tự như diesel được thực hiện dưới dạng nén hỗn hợp nhiên liệu - không
khí đồng nhất đã chuẩn bị từ trước như động cơ xăng đến thời điểm tự phát hỏa.

Hình 1. 2: Sự khác biệt giữa quá trình cháy động cơ HCCI với động cơ đốt
trong truyền thống
Động cơ HCCI sử dụng một dạng cháy hiệu quả hơn rất nhiều so với
phương pháp đánh lửa truyền thống. Dưới một số điều kiện, nó có thể giảm
tiêu hao nhiên liệu 25 - 30% và giảm NOx tới 90 - 98% so với quá trình cháy
thông thường. Nó cũng có hiệu suất tương tự như động cơ diesel, để nhiên
liệu cháy thì phải nén hỗn hợp thay vì đánh lửa. Nhưng không giống các động
11
cơ diesel, HCCI cho quá trình cháy hoàn hảo hơn và sạch hơn. Một hệ thống
kết hợp HCCI với động cơ truyền thống có thể giúp giảm tiêu hao nhiên liệu
trung bình khá nhiều dặm/gallon nhiên liệu[31].
Đặc điểm khác biệt quá trình cháy của động cơ HCCI và động cơ đốt
trong truyền thống là nhiệt độ cháy thấp hơn và không có ngọn lửa xuyên suốt
buồng đốt, mà tất cả hỗn hợp nhiên liệu và không khí được đốt cháy đồng thời
tại mọi điểm trong buồng đốt.
Với những ưu điểm nổi bật động cơ HCCI sẽ hứa hẹn là động cơ đốt
trong tương lai khi chưa có nguồn năng lượng và nhiên liệu mới thay thế được
dầu mỏ.
1.3.Cơ sở lý thuyết của động cơ HCCI.
 Đối với động cơ xăng sử dụng bộ chế hoà khí, hiện tượng tự cháy
hỗn hợp đồng nhất thường xảy ra sau khi động cơ hoạt động một thời gian ở
chế độ tải lớn dù bugi không còn đánh lửa, do nhiệt độ các chi tiết rất cao và
thời gian cháy trễ lớn khiến hoà khí tự cháy. Quá trình còn được gọi là
“dieseling” do tính chất giai đoạn này giống với quá trình cháy trên động cơ
diesel: Cháy không cần tia lửa điện, các nhà khoa học dựa vào nguyên lý đó
để phát triển quá trình cháy của động cơ HCCI: Nén hỗn hợp nhiên liệu -
không khí đồng nhất đến thời điểm tự phát hỏa.
Tuy Onishi[9] và Noguchi[10] cùng với cộng sự là những người đầu
tiên nghiên cứu quá trình cháy HCCI, nhưng nguồn gốc căn bản của lý thuyết

lẫn thực nghiệm về mô hình cháy này được quy về nghiên cứu của nhà khoa
học người Nga Nikolai Semenov cùng đồng nghiệp trong những năm 1930.
Để chứng minh được lý thuyết chuỗi và hoá học của quá trình cháy, Semenov
đã theo đuổi mục tiêu sử dụng động lực học hoá học để điều khiển quá trình
cháy trên động cơ đốt trong, để vượt qua được các giới hạn vật lý trên hai loại
động cơ đánh lửa và động cơ cháy do nén. Nhờ nắm rõ được quá trình nhiệt
12
động học trong xylanh cũng như các điều kiện hoá học tương tự, với các hiện
tượng của quá trình hình thành ngọn lửa nguội trong hỗn hợp của
hydrocacbon và không khí, vì vậy quá trình toả nhiệt diễn ra đồng đều hơn.
Điều này dẫn đến quá trình cháy điều khiển được (controlled combustion) đầu
tiên đã được ứng dụng cho ĐCĐT, còn gọi là LAG (Avalanche Activated
Combustion), được phát triển bởi Semenov và Gussak cùng cộng sự trong
những năm 70 của thế kỷtrước[21]. Hệ thống này đã sử dụng môi chất hỗn
hợp nhạt để giới hạn tốc độ toả nhiệt, ngoài ra còn được bổ sung thêm một
phần hỗn hợp khí đã cháy có nhiệt độ cao từ buồng cháy dự bị. Khi hỗn hợp
khí cháy đi vào buồng cháy chính, nó sẽ bị dập tắt và hoà trộn với không khí,
cung cấp các phần tử hoạt hoá và năng lượng nhiệt để thực hiện quá trình
cháy đồng nhất.
Để động cơ có thể hoạt động ở hỗn hợp nghèo, có những giải pháp là
hình thành hỗn hợp kiểu phân lớp và đặc biệt là tái sử dụng khí xả và giữ khí
sót để hoà trộn cùng hỗn hợp không khí - nhiên liệu, nó thường được sử dụng
để thay đổi tính tự cháy và tốc độ toả nhiệt của quá trình cháy trong động cơ
xăng. Ngoài ra, cần chú ý rằng quá trình tự cháy của hỗn hợp nhiên liệu -
không khí không chỉ được quyết định bởi mỗi một nguyên nhân là quá trình
nén mà có thể là bởi nhiệt độ bên ngoài hoặc bên trong xylanh. Đối với
trường hợp động cơ diesel, quá trình nén sẽ khiến cho hỗn hợp tự cháy do tỷ
số nén cao và nhiệt độ tự cháy của diesel thấp. Trong khi đó, sự sấy nóng
nhiệt độ khí nạp hoặc trao đổi nhiệt đối lưu từ khí sót giúp cho nhiên liệu có
trị số octane cao như xăng, khí thiên nhiên tự cháy.

Càng về sau có nhiều công trình nghiên cứu để phát triển động cơ
HCCI, giải pháp để tạo hỗn hợp cháy đồng nhất và kiểm soát quá trình cháy
hiệu quả đó là sử dụng hệ thống nhiên liệu phun điện tử, thay đổi pha phối khí
hợp lý, sử dụng tuần hoàn khí xả để sấy nóng hỗn hợp không khí - nhiên liệu
13
và giảm nhiệt độ cháy, thay đổi tỷ số nén tự động nhằm mở rộng dải làm việc
và điều khiển quá trình cháy.
 Quá trình cháy của động cơ diesel là nén hỗn hợp không khí - nhiên
liệu đến thời điểm hỗn hợp tự cháy, nhưng quá trình cháy của động cơ diesel
sẽ cháy trong khu vực giàu nhiên liệu và oxy không khí, cháy theo kiểu
khuếch tán do khó tạo hỗn hợp không khí - nhiên liệu một cách đồng nhất,
mặt khác quá trình cháy rớt kéo dài gây ra hao tốn nhiên liệu và công suất,
bên cạnh đó động cơ diesel tạo ra lượng PM và NOx lớn. Như vậy yêu cầu đặt
ra cho động cơ diesel là hình thành hỗn hợp cháy đồng nhất và giảm thành
phần độc hại trong khí xả động cơ. Đối với động cơ diesel HCCI nguyên lý
động cơ HCCI được thực hiện theo cơ chế hình thành hỗn hợp đồng nhất
bằng cách sấy nóng hỗn hợp không khí - nhiên liệu và tạo thời gian đủ để
nhiên liệu bay hơi và hòa trộn với không khí được thực hiện tương tự như
động cơ diesel bầu nhiệt của Herbert Akroyd Stuart[7].

Hình 1. 3: Quá trình cháy của động cơ truyền thống và động cơ HCCI
1.4.Ưu điểm của động cơ HCCI.
Động cơ HCCI là sự kết hợp giữa động cơ động cơ xăng đốt cháy
cưỡng bức SI (Spark Ignition) và động cơ diesel nén cháy CI (Compression