Nghiên cứu thiết lập chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) trong động cơ diesel (LA tiến sĩ)

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
công bố trong các công trình nào khác!
Hà Nội, tháng 03 năm 2017
TM TT HƢỚNG DẪN

Nghiên cứu sinh

PGS.TS Lê Anh Tuấn PGS.TS Trần Thị Thu Hƣơng Khƣơng Thị Hà

i


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Sau đại
học, Viện Cơ khí Động lực và Bộ môn Động cơ đốt trong đã cho phép tôi thực hiện
luận án tại Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội. Xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học
và Viện Cơ khí Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi làm luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Lê Anh Tuấn và PGS.TS Trần Thị Thu
Hƣơng đã hƣớng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể
thực hiện và hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ môn và Phòng thí nghiệm Động cơ
đốt trong - Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và dành cho tôi những
điều kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành luận án này.
Tôi xin cảm Trƣờng Đại học Giao thông vận tải, Khoa Cơ khí và các đồng
nghiệp trong Bộ môn Động cơ đốt trong đã hậu thuẫn và động viên tôi trong suốt quá
trình nghiên cứu học tập.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội
đồng chấm luận án đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn
chỉnh luận án này và định hƣớng nghiên cứu trong trƣơng lai.

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những
ngƣời đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và
thực hiện công trình này.
Nghiên cứu sinh

Khƣơng Thị Hà

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN -------------------------------------------------------------------------------------------i
LỜI CẢM ƠN ---------------------------------------------------------------------------------------------- ii
MỤC LỤC ------------------------------------------------------------------------------------------------- iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ------------------------------------------------ vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU --------------------------------------------------------------------- vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ -------------------------------------------------------- viii
MỞ ĐẦU ------------------------------------------------------------------------------------------------- xiii
i. Lý do chọn đề tài -------------------------------------------------------------------------------------- xiii
ii. Mục đích nghiên cứu ---------------------------------------------------------------------------------xiv
iii. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ----------------------------------------------------------------- xv
iv. Phƣơng pháp nghiên cứu ---------------------------------------------------------------------------- xv
v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ----------------------------------------------------------------------- xv
vi. Điểm mới của luận án -------------------------------------------------------------------------------xvi
vii. Bố cục luận án ---------------------------------------------------------------------------------------xvi
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ----------------------------------------------------------------------------- 1
1.1. Động cơ HCCI ---------------------------------------------------------------------------------------- 1
1.2. Nguyên lý của động cơ HCCI----------------------------------------------------------------------- 1
1.3. Ƣu, nhƣợc điểm của động cơ HCCI --------------------------------------------------------------- 2
1.4. Các phƣơng pháp thiết lập chế độ cháy HCCI --------------------------------------------------- 3

1.5. Tình hình nghiên cứu và sử dụng HCCI----------------------------------------------------------- 4
1.5.1. Tình hình nghiên cứu về HCCI trên thế giới --------------------------------------------------- 4
1.5.2. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam ------------------------------------------------------------ 15
1.6. Kết luận chƣơng 1 ---------------------------------------------------------------------------------- 16
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY
TRONG ĐỘNG CƠ HCCI ----------------------------------------------------------------------------- 17
2.1. Các phƣơng pháp hình thành hỗn hợp trên động cơ HCCI ----------------------------------- 17
2.1.1. Hình thành hỗn hợp bên ngoài (PFI) ---------------------------------------------------------- 17
2.1.2. Hình thành hỗn hợp bên trong xilanh---------------------------------------------------------- 18
2.2. Quá trình cháy của động cơ HCCI --------------------------------------------------------------- 22
2.2.1. Tính chất tỏa nhiệt -------------------------------------------------------------------------------- 22
2.2.2. Điều khiển quá trình cháy trên động cơ HCCI ----------------------------------------------- 23
2.3. Các thông số đặc trƣng của quá trình cháy------------------------------------------------------ 24
2.3.1. Tốc độ tỏa nhiệt trong xy lanh động cơ ------------------------------------------------------- 24
iii


2.3.2. Xác định thời điểm bắt đầu cháy --------------------------------------------------------------- 27
2.3.3 Các thông số chỉ thị của động cơ --------------------------------------------------------------- 28
2.4. Cơ sở lý thuyết thiết kế các chi tiết, hệ thống cho động cơ HCCI chuyển đổi từ động cơ
diesel 1 xilanh -------------------------------------------------------------------------------------------- 30
2.4.2. Phƣơng án cung cấp n – heptan cho động cơ HCCI ----------------------------------------- 30
2.4.3. Lựa chọn phƣơng án mở rộng vùng làm việc cho động cơ HCCI ------------------------- 31
2.5. Cơ sở lý thuyết mô phỏng quá trình công tác động cơ HCCI trên phần mềm AVL-Boost --- 33
2.5.1. Cơ sở lý thuyết tính toán mô hình cháy HCCI trên AVL - Boost ------------------------- 33
2.5.2. Mô hình cháy HCCI một vùng trên AVL - BOOST ---------------------------------------- 36
2.5.3. Cơ chế phản ứng cháy HCCI ------------------------------------------------------------------- 36
2.6. Kết luận chƣơng 2 ---------------------------------------------------------------------------------- 38
CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG CUNG CẤP N – HEPTAN VÀ MÔ
PHỎNG ĐỘNG CƠ HCCI ----------------------------------------------------------------------------- 39

3.1. Thiết kế và chế tạo các chi tiết, hệ thống cho động cơ HCCI chuyển đổi từ động cơ diesel
1 xy lanh --------------------------------------------------------------------------------------------------- 39
3.1.1. Thiết kế và điều chỉnh đƣờng ống nạp -------------------------------------------------------- 39
3.1.2. Thiết kế và điều chỉnh đƣờng ống thải -------------------------------------------------------- 40
3.1.3. Thiết kế và chế tạo hệ thống luân hồi khí thải------------------------------------------------ 41
3.1.4. Lựa chọn bộ gia nhiệt khí nạp ------------------------------------------------------------------ 44
3.1.5. Giải pháp thay đổi tỷ số nén thông qua điều chỉnh đệm nắp máy ------------------------- 46
3.1.6. Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển ------------------------------------------------------- 47
3.2. Sơ đồ lắp đặt hệ thống thí nghiệm động cơ HCCI --------------------------------------------- 48
3.3. Mô phỏng động cơ HCCI -------------------------------------------------------------------------- 48
3.3.1. Xây dựng mô hình mô phỏng ------------------------------------------------------------------- 48
3.3.2. Chế độ mô phỏng --------------------------------------------------------------------------------- 50
3.3.3. Đánh giá tính chính xác của mô hình mô phỏng --------------------------------------------- 50
3.3.4. Kết quả mô phỏng thiết lập quá trình cháy HCCI trên động cơ diesel ------------------- 51
3.3.5. Kết quả mô phỏng ảnh hƣởng của tỷ số nén -------------------------------------------------- 57
3.3.7. Kết quả mô phỏng ảnh hƣởng của nhiệt độ khí nạp ----------------------------------------- 64
3.4. Kết luận chƣơng 3 ---------------------------------------------------------------------------------- 68
CHƢƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ---------------------------------------------------- 69
4.1. Mục đích thử nghiệm------------------------------------------------------------------------------- 69
4.2. Đối tƣợng và nhiên liệu thử nghiệm ------------------------------------------------------------- 69
4.2.1. Đối tƣợng thử nghiệm --------------------------------------------------------------------------- 69
4.2.2. Nhiên liệu thử nghiệm --------------------------------------------------------------------------- 70
iv


3. Quy trình và phạm vi thử nghiệm ------------------------------------------------------------------ 70
4.3.1. Xác định đặc tính ngoài thực tế của động cơ thử nghiệm ---------------------------------- 70
4.3.2 Xây dựng đặc tính vòi phun --------------------------------------------------------------------- 71
4.3.3. Thực nghiệm thiết lập đặc tính cháy HCCI --------------------------------------------------- 71
4.3.4 Thực nghiệm nhằm đánh giá khả năng mở rộng dải làm việc cho động cơ HCCI đƣợc

thiết lập ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 71
4.4. Sơ đồ bố trí thử nghiệm và các trang thiết bị chính -------------------------------------------- 72
4.4.1. Sơ đồ bố trí thử nghiệm-------------------------------------------------------------------------- 72
4.4.2. Trang thiết bị thử nghiệm ----------------------------------------------------------------------- 73
4.5. Kết quả thử nghiệm và thảo luận ----------------------------------------------------------------- 76
4.5.1. Thiết lập động cơ HCCI ------------------------------------------------------------------------- 76
4.5.2. Khả năng mở rộng vùng làm việc của động cơ HCCI khi thay đổi tỷ số nén ----------- 86
4.5.3. Kết quả mở rộng vùng làm việc của động cơ HCCI khi thay đổi tỷ lệ khí luân hồi ---- 91
4.5.4. Kết quả mở rộng vùng làm việc của động cơ HCCI khi thay đổi nhiệt độ sấy nóng khí
nạp ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- 96
4.6. Đánh giá kết quả mô phỏng và thử nghiệm ---------------------------------------------------- 101
4.6.1. Đánh giá kết quả mô phỏng và thử nghiệm khi thiết lập quá trình cháy HCCI cho động
cơ ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- 101
4.6.2. Đánh giá kết quả mô phỏng và thử nghiệm khi thay đổi tỷ số nén ----------------------- 103
4.6.3. Đánh giá kết quả mô phỏng và thử nghiệm khi thay đổi tỷ lệ luân hồi ------------------ 104
4.6.4. Đánh giá kết quả mô phỏng và thử nghiệm khi thay đổi nhiệt độ khí nạp -------------- 106
KẾT LUẬN CHUNG ---------------------------------------------------------------------------------- 108
PHƢƠNG HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ------------------------------------------------------- 109
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ------------------------- 110
TÀI LIỆU THAM KHẢO ----------------------------------------------------------------------------- 111
PHỤ LỤC 1 ---------------------------------------------------------------------------------------------- 115
PHỤ LỤC 2 ---------------------------------------------------------------------------------------------- 118

v


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
A/F

Tỷ lệ không khí trên nhiên liệu

ARC

Hoạt động cháy triệt để

ATAC

Hoạt động gia nhiệt cho buồng cháy

CA

Góc quay trục khuỷu

CAI

Tự cháy có điều khiển

CI

Động cơ diesel

CIHC

Nén đốt cháy hỗn hợp nạp đồng nhất

ĐCD

Điểm chết dƣới

ĐCĐT

Động cơ đốt trong

ĐCT

Điểm chết trên

EGR

Luân hồi khí xả

FTM

Kiểm soát nhanh nhiệt độ khí nạp

HCCI PFI

Cháy do nén hỗn hợp đồng nhất, hình thành hỗn hợp bên ngoài

HCCI

Cháy do nén hỗn hợp đồng nhất

HCCI-DI

Cháy do nén hỗn hợp đồng nhất, phun trực tiếp

HCLI

Phun muộn hình thành hỗn hợp nạp đồng nhất

HiMICS

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

HPLI

Phun muộn hỗn hợp đƣợc hòa trộn cao

IVC

Đóng van nạp

MK

Điều biến động lực học

MULDIC

Cháy nén hỗn hợp đƣợc hình thành nhiều giai đoạn

NADI

Thu hẹp góc phun nhiên liệu

NVO

Độ trùng điệp van âm

PCCI

Cháy do nén hỗn hợp hình thành từ trƣớc

PCI

Cháy do nén hỗn hợp đã hòa trộn

PREDIC

Cháy do nén hỗn hợp nghèo hình thành từ trƣớc

SI

Động cơ xăng

SOC

Thời điểm bắt đầu cháy

ε

Tỷ số nén

UNIBUS

Hệ thống cháy đồng nhất vùng lớn

λ

Hệ số dƣ không khí

vi


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1. Tỷ số nén của động cơ khi thay đổi độ dày đệm nắp máy ....................................... 46
Bảng 3.2. Các thông số cơ bản của động cơ thử nghiệm ......................................................... 48
Bảng 4.1. Tính chất của nhiên liệu thử nghiệm ........................................................................ 70
Bảng 4.2. Hiệu quả của động cơ khi thiết lập đặc tính cháy HCCI .......................................... 83
Bảng 4.3. Hiệu quả của động cơ HCCI khi thay đổi tỷ số nén tại 2000 vg/ph và 30% tải ...... 90
Bảng 4.4. Hiệu quả của động cơ HCCI khi thay đổi tỷ lệ luân hồi .......................................... 95
Bảng 4.5. Hiệu quả của động cơ HCCI khi thay đổi nhiệt độ khí nạp tại 2400 vg/ph và 30%
tải ............................................................................................................................................ 100
Bảng 4.6. Thay đổi mô men, áp suất chỉ thị và hiệu suất chỉ thị giữa mô phỏng và thực
nghiệm khi thiết lập đặc tính cháy HCCI ............................................................................... 102
Bảng 4.7. Thay đổi thời điểm bắt đầu cháy giữa mô phỏng và thực nghiệm khi thiết lập đặc
tính cháy HCCI ....................................................................................................................... 102
Bảng 4.8. Thay đổi lƣợng nhiên liệu n – heptan, hệ số dƣ lƣợng không khí λ giữa mô phỏng
và thực nghiệm khi thiết lập đặc tính cháy HCCI .................................................................. 103
Bảng 4.9. Thay đổi mô men, áp suất chỉ thị và hiệu suất chỉ thị giữa mô phỏng và thực
nghiệm khi thay đổi tỷ số nén ................................................................................................. 104
Bảng 4.10. Thay thời điểm bắt đầu cháy SOC1 và SOC2 giữa mô phỏng và thực nghiệm khi
thay đổi tỷ số nén .................................................................................................................... 104
Bảng 4.11. Thay đổi lƣợng nhiên liệu n – heptan, hệ số dƣ lƣợng không khí λ giữa mô phỏng
và thực nghiệm khi thay đổi tỷ số nén .................................................................................... 104
Bảng 4.12. Thay đổi mô men, áp suất chỉ thị và hiệu suất chỉ thị giữa mô phỏng và thực
nghiệm khi thay đổi tỷ lệ luân hồi .......................................................................................... 105
Bảng 4.13. Thay đổi thời điểm bắt đầu cháy giữa mô phỏng và thực nghiệm khi thay đổi tỷ lệ
khí luân hồi ............................................................................................................................. 105
Bảng 4.14. Thay đổi lƣợng n – heptan, hệ số dƣ không khí λ giữa mô phỏng và thực nghiệm

khi thay đổi tỷ lệ khí luân hồi ................................................................................................. 105
Bảng 4.15. Thay đổi mô men, áp suất chỉ thị và hiệu suất chỉ thị giữa mô phỏng và thực
nghiệm khi thay đổi nhiệt độ khí nạp ..................................................................................... 106
Bảng 4.16. Thay đổi thời điểm bắt đầu cháy giữa mô phỏng và thực nghiệm khi thay đổi nhiệt
độ khí nạp ............................................................................................................................... 106
Bảng 4.17. Thay đổi lƣợng n – heptan, hệ số dƣ không khí λ giữa mô phỏng và thực nghiệm
khi thay đổi nhiệt độ khí nạp .................................................................................................. 106

vii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1. So sánh quá trình cháy thông thƣờng và quá trình cháy HCCI-------------------------- 1
Hình 1.2. Vùng làm việc của động cơ HCCI [21] ----------------------------------------------------- 2
Hình 1.3. Các phƣơng pháp hình thành hỗn hợp trên động cơ HCCI ------------------------------ 4
Hình 1.4. Quy luật xung phun đối với quá trình phun sớm ------------------------------------------ 5
Hình 1.5. So sánh tia phun trên động cơ HCCI và động cơ diesel truyền thống ------------------ 6
Hình 1.6. Nghiên cứu mô phỏng số sự hình thành hỗn hợp trên động cơ HCCI ----------------- 6
Hình 1.7. Sơ đồ điều khiển thời điểm cháy trên động cơ HCCI------------------------------------- 7
Hình 1.8. Tín hiệu CA50 thu đƣợc từ quá trình điều chỉnh lƣỡng nhiên liệu [31] --------------- 7
Hình 1.9. Ảnh hƣởng của tỷ lệ n-pentane và iso-pentane đến tốc độ toả nhiệt [4] --------------- 7
Hình 1.10. Thay đổi thời gian cháy khi thay đổi góc đóng muộn xupap nạp [35]---------------- 8
Hình 1.11. Động cơ thay đổi tỷ số nén của hãng SAAB, Thuỵ Điển ------------------------------- 8
Hình 1.12. Ảnh hƣởng của luân hồi nội tại đến tải và thời điểm cháy [35] ---------------------- 9
Hình 1.13. Quan hệ độ nâng xupap theo góc quay khi sử dụng NVO --------------------------- 10
Hình 1.14. Minh họa khí thải đƣợc nạp lại trong xilanh khi van xả mở trở lại ----------------- 10
Hình 1.15. Sơ đồ thí nghiệm hệ thống sử dụng khí luân hồi [35] --------------------------------- 11
Hình 1.16 Ảnh hƣởng của khí luân hồi đến đặc tính cháy HCCI [35] -------------------------- 11
Hình 1.17 Sơ đồ thí nghiệm trên động cơ HONDA GX340 K1 sử dụng EGR để điều khiển

quá trình cháy HCCI ------------------------------------------------------------------------------------- 12
Hình 1.18. Diễn biến tốc độ toả nhiệt khi thay đổi nhiệt độ khí nạp ----------------------------- 12
Hình 2.1. Các phƣơng pháp phun nhiên liệu của động cơ HCCI--------------------------------- 17
Hình 2.2. So sánh chất lƣợng hỗn hợp của PREDIC và diesel truyền thống ------------------- 19
Hình 2.3. So sánh hình dạng phun diesel truyền thống và PREDIC ----------------------------- 19
Hình 2.4 Quy luật cấp nhiên liệu hệ thống MULDIC ---------------------------------------------- 19
Hình 2.5. Bản đồ vùng làm việc động cơ UNIBUS ------------------------------------------------ 20
Hình 2.6 Kết cấu buồng cháy của hệ thống NADI ------------------------------------------------ 20
Hình 2.7 Ảnh hƣởng của phun muộn đến tốc độ tỏa nhiệt [10] ---------------------------------- 21
Hình 2.8 Vùng hoạt động của động cơ sử dụng hệ thống HCLI và HPLI ---------------------- 21
Hình 2.9. Đặc tính tỏa nhiệt của các loại động cơ --------------------------------------------------- 22
Hình 2.10. Sơ đồ điều khiển thời điểm cháy động cơ HCCI theo vòng kín --------------------- 24
Hình 2.11. Minh họa nhiệt tích lũy xác định thời điểm cháy ------------------------------------- 24
Hình 2.12. Tốc độ tỏa nhiệt trong xylanh theo góc quay trục khuỷu ----------------------------- 27
Hình 2.13. Đạo hàm tốc độ tỏa nhiệt trong xylanh theo góc quay trục khuỷu ------------------ 27
Hình 2.14. Phƣơng pháp cô lập các điểm cực đại của đạo hàm tốc độ tỏa nhiệt trong xy lanh
theo góc quay trục khuỷu ------------------------------------------------------------------------------- 28
Hình 2.15. Phƣơng án cung cấp n - heptan trên đƣờng nạp cho động cơ ------------------------ 30
Hình 2.16. Đặc tính bay hơi của nhiên liệu n-heptan ----------------------------------------------- 31
Hình 2.17. Sơ đồ tính toán khi giảm tỷ số nén cho động cơ đốt trong --------------------------- 32
Hình 2.18. Mô hình cân bằng năng lƣợng trong xylanh động cơ -------------------------------- 33
Hình 3.1. Kết cấu đƣờng ống nạp động cơ Kubota BD178F(E) ---------------------------------- 39
Hình 3.2. Đƣờng nạp động cơ Kubota BD178F(E) đã đƣợc chế tạo ----------------------------- 40
viii


Hình 3.3. Kết cấu đƣờng ống thải và mặt bích động cơ Kubota BD178F(E) ------------------- 40
Hình 3.4. Đƣờng ống thải và mặt bích động cơ Kubota BD178F(E) đã đƣợc chế tạo -------- 41
Hình 3.5. Sơ đồ bố trí hệ thống luân hồi khí thải ---------------------------------------------------- 41
Hình 3.6. Van EGR kiểu điện từ ----------------------------------------------------------------------- 42

Hình 3.7. Ống luân hồi khí thải ------------------------------------------------------------------------ 42
Hình 3.8. Kết cấu ống luân hồi khí thải và mặt bích ------------------------------------------------ 43
Hình 3.9. Ống luân hồi khí thải lắp trên động cơ Kubota BD178F(E) --------------------------- 44
Hình 3.10. Vỏ bộ gia nhiệt khí nạp -------------------------------------------------------------------- 45
Hình 3.11. Đƣờng ống vào ra bộ gia nhiệt và dây sấy ---------------------------------------------- 46
Hình 3.12. Các chi tiết của bộ sấy điện --------------------------------------------------------------- 46
Hình 3.13. Bản vẽ chi tiết đệm nắp máy và chi tiết đã đƣợc chế tạo ----------------------------- 47
Hình 3.14. Sơ đồ lắp đặt hệ thống thí nghiệm động cơ HCCI ------------------------------------- 47
Hình 3.15. Mô hình mô phỏng động cơ hoạt động theo nguyên lý HCCI trong AVL – Boost 49
Hình 3.16. Kết quả so sánh công suất, mô men và suất tiêu hao nhiên liệu giữa mô phỏng và
thực nghiệm của động cơ diesel Kubota BD178F(E) ----------------------------------------------- 50
Hình 3.17. Áp suất trong xy lanh của động cơ HCCI khi mô phỏng ----------------------------- 51
Hình 3.18. Tốc độ tăng áp suất trong xy lanh của động cơ HCCI khi mô phỏng --------------- 52
Hình 3.19. Tốc độ tỏa nhiệt của động cơ HCCI khi mô phỏng------------------------------------ 53
Hình 3.20. Nhiệt độ trong xy lanh của động cơ HCCI khi mô phỏng ---------------------------- 54
Hình 3.21. Hệ số dƣ không khí của động cơ HCCI khi mô phỏng ------------------------------- 55
Hình 3.22. Thời điểm bắt đầu cháy của động cơ HCCI khi mô phỏng --------------------------- 55
Hình 3.23. Các thông số có ích của động cơ HCCI khi mô phỏng ------------------------------- 56
Hình 3.24. Các thông số chỉ thị của động cơ HCCI khi mô phỏng ------------------------------- 56
Hình 3.25. Áp suất của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi tỷ số nén ------------------------ 57
Hình 3.26. Tốc độ tăng áp suất của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi tỷ số nén --------- 57
Hình 3.27. Tốc độ tỏa nhiệt của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi tỷ số nén ------------- 58
Hình 3.28. Nhiệt độ trong xy lanh của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi tỷ số nén ------ 58
Hình 3.29. Hệ số dƣ không khí của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi tỷ số nén --------- 59
Hình 3.30. Thời điểm bắt đầu cháy của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi tỷ số nén ---- 59
Hình 3.31. Các thông số có ích của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi tỷ số nén --------- 59
Hình 3.32. Các thông số chỉ thị của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi tỷ số nén --------- 60
Hình 3.33. Áp suất của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi tỷ lệ luân hồi ------------------- 60
Hình 3.34. Tốc độ tăng áp suất của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi tỷ lệ luân hồi ---- 61
Hình 3.35. Tốc độ tỏa nhiệt của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi tỷ lệ luân hồi -------- 61

Hình 3.36. Nhiệt độ trong xy lanh của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi tỷ lệ luân hồi - 62
Hình 3.37. Hệ số dƣ không khí của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi tỷ lệ luân hồi ---- 62
Hình 3.38. Thời điểm bắt đầu cháy của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi tỷ lệ luân hồi 63
Hình 3.39. Các thông số có ích của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi tỷ lệ luân hồi ---- 63
Hình 3.40. Các thông số chỉ thị của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi tỷ lệ luân hồi ---- 64
Hình 3.41. Áp suất của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi nhiệt độ khí nạp --------------- 64
Hình 3.42. Tốc độ tăng áp suất của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi nhiệt độ khí nạp- 65
Hình 3.43. Tốc độ tỏa nhiệt của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi nhiệt độ khí nạp----- 65

ix


Hình 3.44. Nhiệt độ trong xy lanh của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi nhiệt độ khí nạp
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 66
Hình 3.45. Hệ số dƣ không khí của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi nhiệt độ khí nạp 66
Hình 3.46. Thời điểm bắt đầu cháy của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi nhiệt độ khí nạp
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 67
Hình 3.47. Các thông số có ích của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi nhiệt độ khí nạp 67
Hình 3.48. Các thông số chỉ thị của động cơ HCCI khi mô phỏng thay đổi nhiệt độ khí nạp 68
Hình 4.1. Hình ảnh thực tế của động cơ Kubota178F(E) ------------------------------------------ 69
Hình 4.2. Đặc tính ngoài thực tế của động cơ thử nghiệm ----------------------------------------- 70
Hình 4.3. Thiết bị cân nhiên liệu ----------------------------------------------------------------------- 71
Hình 4.4. Đặc tính phun n-heptan tại n = 1200 vg/ph ---------------------------------------------- 71
Hình 4.5. Sơ đồ bố trí thử nghiệm --------------------------------------------------------------------- 72
Hình 4.6. Lắp đặt động cơ thử nghiệm và các hệ thống trên băng thử -------------------------- 73
Hình 4.7. Nguyên lý điều chỉnh lực phanh của băng thử eddy DW 16 -------------------------- 74
Hình 4.8. Áp suất trong xy lanh ------------------------------------------------------------------------ 77
Hình 4.9. Tốc độ tăng áp suất trong xy lanh --------------------------------------------------------- 78
Hình 4.10. Tốc độ tỏa nhiệt của động cơ ------------------------------------------------------------- 80
Hình 4.11. Hệ số dƣ không khí của động cơ HCCI ------------------------------------------------- 81

Hình 4.12. Thời điểm bắt đầu cháy của động cơ HCCI -------------------------------------------- 81
Hình 4.13. Các thông số có ích của động cơ khi thiết lập đặc tính cháy HCCI ----------------- 82
Hình 4.14. Các thông số chỉ thị của động cơ khi thiết lập đặc tính cháy HCCI----------------- 82
Hình 4.15. Phát thải NOx của động cơ khi thiết lập đặc tính cháy HCCI ----------------------- 83
Hình 4.16. Phát thải PM của động cơ khi thiết lập đặc tính cháy HCCI ------------------------- 84
Hình 4.17. Phát thải CO của động cơ khi thiết lập đặc tính cháy HCCI ------------------------- 84
Hình 4.18. Phát thải CO2 của động cơ khi thiết lập đặc tính cháy HCCI ------------------------ 85
Hình 4.19. Phát thải HC của động cơ khi thiết lập đặc tính cháy HCCI ------------------------- 85
Hình 4.20. Áp suất trong xy lanh động cơ khi thay đổi tỷ số nén tại 2000 vg/ph và 30% tải - 86
Hình 4.21. Tốc độ tăng áp suất trong xy lanh động cơ khi thay đổi tỷ số nén tại 2000 vg/ph và
30% tải ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 87
Hình 4.22. Tốc độ tỏa nhiệt của động cơ khi thay đổi tỷ số nén tại 2000 vg/ph và 30% tải -- 87
Hình 4.23. Hệ số dƣ không khí của động cơ khi thay đổi tỷ số nén tại 2000 vg/ph và 30% tải
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 88
Hình 4.24. Thời điểm bắt đầu cháy khi thay đổi tỷ số nén tại 2000vg/ph và 30% tải---------- 88
Hình 4.25. Các thông số có ích của động cơ khi thay đổi tỷ số nén tại 2000 vg/ph và 30% tải
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 89
Hình 4.26. Các thông số chỉ thị của động cơ khi thay đổi tỷ số nén tại 2000 vg/ph và 30% tải
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 89
Hình 4.27. Phát thải PM và NOx của động cơ HCCI khi thay đổi tỷ số nén tại 2000 vg/ph và
30% tải ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 90
Hình 4.28. Phát thải CO, HC, CO2 của động cơ HCCI các tỷ số nén thay đổi tại 2000 vg/ph và
30% tải ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 91
4.5.3. Kết quả mở rộng vùng làm việc của động cơ HCCI khi thay đổi tỷ lệ khí luân hồi ---- 91

x


Hình 4.29. Áp suất trong xy lanh động cơ HCCI tại 2400 vg/ph, 50% tải khi thay đổi tỷ lệ
EGR -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 92

Hình 4.30. Tốc độ tăng áp suất trong xy lanh động cơ HCCI tại 2400 vg/ph, 50% tải khi thay
đổi tỷ lệ EGR --------------------------------------------------------------------------------------------- 92
Hình 4.31. Tốc độ tỏa nhiệt của động cơ HCCI tại 2400 vg/ph, 50% tải khi thay đổi tỷ lệ EGR
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 93
Hình 4.32. Hệ số dƣ không khí của động cơ tại 2400 vg/ph, 50% tải khi thay đổi tỷ lệ EGR 93
Hình 4.33. Thời điểm bắt đầu cháy của động cơ HCCI tại 2400 vg/ph, 50% tải khi thay đổi tỷ
lệ EGR ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 94
Hình 4.34. Thông số có ích của động cơ HCCI 2400 vg/ph, 50% tải khi thay đổi tỷ lệ EGR 94
Hình 4.35. Thông số chỉ thị của động cơ HCCI 2400 vg/ph, 50% tải khi thay đổi tỷ lệ EGR 95
Hình 4.36. Phát thải NOx và PM của động cơ HCCI tại 2400 vg/ph, 50% tải khi thay đổi tỷ lệ
EGR -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 95
Hình 4.37. Phát thải HC, CO và CO2 của động cơ HCCI 2400 vg/ph, 50% tải khi thay đổi tỷ
lệ EGR ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 96
Hình 4.38. Áp suất trong xy lanh của động cơ HCCI khi thay đổi nhiệt độ khí nạp tại 2400
vg/ph và 30% tải ----------------------------------------------------------------------------------------- 97
Hình 4.39. Tốc độ tăng áp suất trong xy lanh động cơ HCCI khi thay đổi nhiệt độ khí nạp tại
2400 vg/ph và 30% tải ----------------------------------------------------------------------------------- 97
Hình 4.40. Tốc độ tỏa nhiệt của động cơ HCCI khi thay đổi nhiệt độ khí nạp tại 2400 vg/ph và
30% tải ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 98
Hình 4.41. Hệ số dƣ không khí của động cơ HCCI khi thay đổi nhiệt độ khí nạp tại 2400
vg/ph và 30% tải ----------------------------------------------------------------------------------------- 98
Hình 4.42. Thời điểm bắt đầu cháy của động cơ HCCI khi thay đổi nhiệt độ khí nạptại 2400
vg/ph và 30% tải ----------------------------------------------------------------------------------------- 99
Hình 4.43. Thông số có ích của động cơ HCCI khi thay đổi nhiệt độ khí nạp tại 2400 vg/ph và
30% tải ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 99
Hình 4.44. Thông số chỉ thị của động cơ HCCI khi thay đổi nhiệt độ khí nạp tại 2400 vg/ph và
30% tải ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 100
Hình 4.45. Phát thải NOx và PM của động cơ HCCI khi thay đổi nhiệt độ khí nạptại 2400
vg/ph và 30% tải ---------------------------------------------------------------------------------------- 100
Hình 4.46. Phát thải HC, CO và CO2 của động cơ HCCI khi thay đổi nhiệt độ khí nạptại 2400

vg/ph và 30% tải ---------------------------------------------------------------------------------------- 101
Hình PL2.1. Sơ đồ khối mạch điều khiển ----------------------------------------------------------- 119
Hình PL2.2. Hình ảnh thật của chip và các cổng chức năng của chip --------------------------- 119
Hình PL2.3. Sơ đồ nguyên lý khối CPU ------------------------------------------------------------ 121
Hình PL2.4. Hình ảnh LCD 2004-03----------------------------------------------------------------- 122
Hình PL2.5. Sơ đồ ghép nối LCD -------------------------------------------------------------------- 123
Hình PL2.6. Sơ đồ nguyênlý khối nguồn 5V ------------------------------------------------------- 123
Hình PL2.7. Sơ đồ nguyên khối công suất ---------------------------------------------------------- 124
Hình PL2.8. Sơ đồ khối đặt nhiệt độ ----------------------------------------------------------------- 124
Hình PL2.9. Sơ đồ nguyên lý khối đo nhiệt độ ---------------------------------------------------- 125
Hình PL2.10. Sơ đồ nguyên lý tổng mạch điều khiển bộ gia nhiệt khí nạp -------------------- 125
xi


Hình PL2.11. Sơ đồ mạch in mạch điều khiển bộ gia nhiệt khí nạp ----------------------------- 125
Hình PL2.12. Hình ảnh mặt trên mạch điều khiển bộ gia nhiệt khí nạp------------------------ 126
Hình PL2.13. Hình ảnh mặt dƣới mạch điều khiển bộ gia nhiệt khí nạp ----------------------- 126
Hình PL 2.14. Cấu tạo và tín hiệu trả về của senser và điện áp đặt vào các phase của động cơ
------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 127
Hình PL 2.14. Khối vi xử lý chính ------------------------------------------------------------------- 128
Hình PL 2.15. Khối truyền nhận tín hiệu USB TO COM ----------------------------------------- 129
Hình PL 2.16. Khối hiển thị kết quả điều khiển van luân hồi EGR ----------------------------- 129
Hình PL 2.17. Khối công suất điều khiển động cơ BLDC của van luân hồi EGR ------------ 130
Hình PL 2.18. Sơ đồ nguyên lý tạo nguồn 5V ------------------------------------------------------ 131
Hình PL 2.19. Mạch xử lý tín hiệu tốc độ ----------------------------------------------------------- 131
Hình PL 2.20. Mạch xử lý tín hiệu lƣu lƣợng và nhiệt độ khí nạp ------------------------------- 131
Hình PL 2.21. Mạch xử lý tín hiệu vị trí chân ga và tín hiệu không tải ------------------------- 131
Hình PL 2.22. Mạch xử lý tín hiệu dự phòng (option) -------------------------------------------- 132
Hình PL 2.23. Mạch xử lý tín hiệu điều khiển vòi phun n-heptan ------------------------------- 132
Hình PL 2.24. Mạch xử lý tín hiệu điều khiển bơm n-heptan và rơle --------------------------- 132

Hình PL 2.25. Sơ đồ khối vi điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu n-heptan -------------- 133
Hình PL 2.27. Khối mạch Reset ---------------------------------------------------------------------- 133
Hình PL 2.26. Khối tạo xung nhịp -------------------------------------------------------------------- 133

xii


MỞ ĐẦU
i.

Lý do chọn đề tài

Xu hƣớng phát triển động cơ đốt trong ngày nay chủ yếu tập trung vào các mục tiêu
chính là nâng cao hiệu quả làm việc của động cơ, nâng cao tính kinh tế nhiên liệu và giảm các
thành phần phát thải độc hại. Các giải pháp để đạt đƣợc các mục tiêu trên bao gồm nghiên cứu
cải thiện và nâng cao hiệu quả quá trình cháy, nghiên cứu các phƣơng án hình thành hỗn hợp
và cháy mới, nghiên cứu các giải pháp giảm phát thải và xử lý khí thải.
Khái niệm động cơ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (Homogeneous charge
compression ignition - HCCI) đƣợc ra đời năm 1979, không lâu so với lịch sử của ngành động
cơ đốt trong. HCCI là một loại động cơ đốt trong, với hỗn hợp nhiên liệu và không khí đƣợc
hòa trộn trƣớc và đƣợc nén đến điểm tự cháy. Mô hình cháy HCCI với các ƣu điểm về hiệu
suất nhiệt cao và phát thải NOx và PM rất nhỏ là một trong những hƣớng nghiên cứu phát
triển động cơ trong tƣơng lai. Mô hình cháy HCCI ra đời có thể đảm bảo đƣợc yêu cầu khắt
khe về phát thải và giảm áp lực cho nguồn nhiên liệu từ dầu mỏ, vì loại động cơ này rất thích
hợp sử dụng các loại nhiên liệu thay thế có nguồn gốc sinh học.
Sở dĩ động cơ HCCI có các ƣu điểm trên là vì kết hợp đƣợc ƣu điểm của cả động cơ
diesel (hiệu suất nhiệt) và động cơ xăng (phát thải). Động cơ không có bƣớm ga trên đƣờng
nạp và hoạt động với hỗn hợp nhạt, những yếu tố này giúp nâng cao hiệu suất nhiệt. Khi tạo
đƣợc hỗn hợp hoà trộn đồng nhất, không tồn tại những vùng cục bộ có mật độ nhiên liệu lớn,
quá trình cháy khuếch tán hỗn hợp đậm không diễn ra, làm giảm phát thải dạng hạt PM.

Ngoài ra, quá trình cháy diễn ra hoàn toàn và trong toàn bộ xylanh, nên nhiệt độ quá trình
cháy giảm, phát thải NOx giảm.
Bên cạnh những ƣu điểm không thể phủ nhận trên, động cơ HCCI vẫn đang còn nhiều
vấn đề cần phải giải quyết nhƣ: không thể điều khiển một cách trực tiếp quá trình cháy, phát
thải CO và HC cao, cũng nhƣ là vùng làm việc tập trung ở tải nhỏ. Vấn đề điều khiển thời
điểm tự cháy trên động cơ HCCI không đơn giản nhƣ trên động cơ xăng và diesel với thời
điểm cháy đƣợc tính từ khi bugi đánh lửa hay thời điểm phun nhiên liệu diesel vào buồng
cháy. Quá trình cháy của động cơ HCCI rất phức tạp đƣợc quyết định bởi động lực học phản
ứng, vì vậy cần đảm bảo tính chất của hỗn hợp sao cho thời điểm cháy bắt đầu ở gần ĐCT.
Trên động cơ xăng, một phần hỗn hợp nhiên liệu-không khí bám trong các khe kẽ, khi piston
đi xuống, thành phần này sẽ đƣợc đốt cháy do nhiệt độ cao (lớn hơn 2500K). Tuy nhiên, trên
động cơ HCCI, nhiệt độ cháy rất thấp (nhỏ hơn 1800K), nên phần hỗn hợp này không đƣợc
phân huỷ, phát thải CO và HC cao. Tại tải nhỏ, giá trị nhiệt độ lớn nhất rất nhỏ (chỉ khoảng
1200K), không đủ để CO chuyển hoá thành CO2, vì vậy quá trình tự cháy khó khăn hơn.
Trong khi tại tải lớn, do hỗn hợp đƣợc cháy cùng một thời điểm, tốc độ toả nhiệt diễn ra rất
nhanh, tốc độ tăng áp suất lớn, gây ảnh hƣởng xấu đến động cơ. Vùng làm việc của động cơ
HCCI bị giới hạn bởi hai yếu tố: không cháy và kích nổ. Tại tốc độ cao, hỗn hợp khó tự cháy
hơn do không đủ thời gian để phản ứng, vấn đề khởi động cũng là một trong những vấn đề
chính đối với loại động cơ này.
xiii


Những giải pháp để động cơ có thể hoạt động theo nguyên lý HCCI bao gồm các giải
pháp tạo hỗn hợp đồng nhất và các giải pháp để điều khiển thời điểm cháy và hỗn hợp tự
cháy. Từ đặc điểm của hệ thống nhiên liệu diesel, các phƣơng pháp hình thành hỗn hợp có thể
đƣợc phân loại theo đặc điểm phun. Theo cách này hỗn hợp đƣợc hình thành đồng nhất gồm 2
phƣơng pháp: hình thành hỗn hợp đồng nhất bên ngoài và hình thành hỗn hợp đồng nhất bên
trong.
Hỗn hợp hình thành đồng nhất khi có đủ thời gian cần thiết, vì vậy hình thành hỗn hợp
bên ngoài là biện pháp đơn giản và mức độ đồng nhất cao hơn nhiều so với biện pháp khác.

Cũng nhƣ động cơ xăng hỗn hợp không khí và nhiên liệu đƣợc hòa trộn trƣớc và tiếp tục hòa
trộn trong suốt thời gian nạp và nén nên hỗn hợp có đủ thời gian để đồng nhất.
Đối với hệ thống hình thành hỗn hợp bên ngoài (PFI), vấn đề cần quan tâm nhất là khả
năng bay hơi của nhiên liệu. Nhìn chung nhiên liệu diesel chỉ hóa hơi hoàn toàn ở nhiệt độ
cao hơn nhiệt độ trên đƣờng ống nạp. Nếu không có biện pháp xử lý kịp thời nhiên liệu không
bay hơi hoàn toàn, bám trên thành vách xilanh làm tăng phát thải HC và rửa trôi dầu bôi trơn
làm giảm đáng kể hiệu suất cháy động cơ. Vì vậy với loại này cần quan tâm nhiều đến sấy
nóng khí nạp.
Một vấn đề khác cần quan tâm của hệ thống PFI là thời điểm cháy thƣờng diễn ra sớm
hơn khi giữ nguyên tỷ số nén động cơ diesel truyền thống, tăng tổn thất nhiệt, và động cơ làm
việc ồn. Để làm chậm thời điểm cháy, một giải pháp đƣợc áp dụng nhiều là cho khí xả quay
trở lại để giảm nồng độ ôxy. Ngoài ra khí luân hồi có nhiệt độ cao nên tăng cƣờng khả năng
bay hơi nhiên liệu. Tuy nhiên tỷ lệ EGR cao làm tăng phát thải CO và HC. Giảm tỷ số nén
động cơ là biện pháp làm trễ thời điểm cháy, động cơ làm việc không gây ra tiếng gõ, tuy
nhiên không nên giảm quá nhiều làm ảnh hƣởng đến hiệu suất nhiệt động cơ.
Kiểm soát thời điểm cháy là vấn đề then chốt của hệ thống vì không có mối liên hệ
trực tiếp giữa thời điểm phun và thời điểm cháy. Ngoài ra, nhiên liệu phun vào trong xilanh
trong điều kiện áp suất và nhiệt độ thấp, nhiên liệu dễ đọng trên thành vách xilanh và rửa trôi
dầu bôi trơn. Thay đổi áp suất phun, phun với áp suất thấp ở đầu giai đoạn và tăng dần đến kết
thúc phun hoặc thay đổi góc chùm tia phun có thể tránh đƣợc hiện tƣợng này.
Do các yếu tố trên, trong luận án này em chọn hƣớng nghiên cứu giải pháp cung cấp
hỗn hợp đồng nhất cho động cơ để chuyển đổi quá trình cháy sang HCCI và nghiên cứu mở
rộng dải làm việc của động cơ trên cơ sở đánh giá ảnh hƣởng của các thông số nhƣ tỷ số nén,
tỷ lệ luân hồi khí thải và nhiệt độ sấy nóng khí nạp.

ii.

Mục đích nghiên cứu

Luận án có mục đích tổng thể là đánh giá khả năng thiết lập chế độ cháy HCCI trên

động cơ chuyển đổi từ động cơ diesel truyền thống và khảo sát khả năng mở rộng vùng làm
việc của động cơ HCCI với nhiên liệu nghiên cứu là n-heptan.
Mục đích cụ thể của luận án là:
Thiết lập đƣợc động cơ cháy theo nguyên lý HCCI với nhiên liệu n-heptan phun trƣớc
xu páp nạp trên cơ sở chuyển đổi từ động cơ diesel truyền thống;
xiv


Đánh giá so sánh các thông số chỉ thị, có ích và các phát thải chủ yếu của động cơ HCCI
đƣợc thiết lập với động cơ diesel nguyên bản;
Đánh giá ảnh hƣởng của tỷ số nén, tỷ lệ khí luân hồi và nhiệt độ khí nạp đến thời điểm
bắt đầu cháy của động cơ HCCI đã thiết lập;
Đánh giá khảo sát ảnh hƣởng của tỷ số nén, tỷ lệ khí luân hồi và nhiệt độ khí nạp đến
khả năng mở rộng vùng làm việc của động cơ HCCI đã thiết lập;
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

iii.

Đối tƣợng nghiên cứu của luận án là động cơ một xy lanh Kubota BD178F(E). Đây là
động cơ diesel truyền thống, một xylanh, không tăng áp, làm mát bằng không khí, động cơ
này sử dụng 2 xupap (1 nạp, 1 thải), buồng cháy thống nhất. Động cơ tƣơng đối nhỏ gọn, chất
lƣợng tốt, và phù hợp với mục đích nghiên cứu chuyển đổi sang HCCI hình thành hỗn hợp
bên ngoài.
Nhiên liệu dùng trong thử nghiệm là n – heptan, một loại nhiên liệu nghiên cứu với
một thành phần hóa học n-C7H16, là nhiên liệu lý tƣởng thƣờng dùng làm đại diện cho nhiên
liệu diesel trong các nghiên cứu cơ bản.
Các nội dung nghiên cứu của luận án đƣợc thực hiện tại Phòng thí nghiệm Động cơ
đốt trong, Viện Cơ khí động lực, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội.

Phƣơng pháp nghiên cứu

iv.

Phƣơng pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án là sự kết hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu
lý thuyết và thực nghiệm. Cụ thể, luận án sử dụng các phƣơng pháp nghiên cứu sau đây:







v.

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trong động cơ
HCCI;
Nghiên cứu mô phỏng quá trình cháy động cơ HCCI sử dụng nhiên liệu nheptan;
Thiết kế và chế tạo các chi tiết và hệ thống chuyển đổi từ động cơ diesel nguyên
bản sang động cơ cháy theo nguyên lý HCCI;
Thực nghiệm đánh giá khả năng thiết lập quá trình cháy theo nguyên lý HCCI và
đánh giá, so sánh các thông số chỉ thị, có ích và các phát thải chủ yếu (NOx, PM,
CO, CO2, HC) của động cơ HCCI với động cơ diesel nguyên bản;
Thực nghiệm khảo sát, đánh giá các thông số (tỷ số nén, tỷ lệ khí thải luân hồi,
và nhiệt độ sấy nóng khí nạp) ảnh hƣởng đến khả năng mở rộng vùng làm việc
của động cơ HCCI đã thiết lập.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học:

Luận án đã khẳng định khả năng thiết lập đƣợc động cơ cháy theo nguyên lý HCCI

trên cơ sở thiết kế, chế tạo các hệ thống chuyển đổi và thực hiện đánh giá các thông số của
xv


quá trình cháy cũng nhƣ các thông số tính năng làm việc của động cơ HCCI so với động cơ
diesel ban đầu.
Đồng thời, đề tài đã xác định đƣợc xu hƣớng ảnh hƣởng của các thông số điều chỉnh
nhƣ tỷ số nén của động cơ, tỷ lệ khí thải luân hồi và nhiệt độ không khí nạp đến thời điểm bắt
đầu cháy của động cơ HCCI. Trên cơ sở đó đánh giá đƣợc khả năng mở rộng phạm vi điều
khiển quá trình cháy HCCI, một loại động cơ cháy theo nguyên lý mới, đang đƣợc nghiên cứu
phát triển trên thế giới.
Ý nghĩa thực tiễn:
Luận án đã đƣa ra đƣợc những định hƣớng cụ thể trong việc khẳng định khả năng thiết
lập và mở rộng vùng làm việc của động cơ HCCI với các ƣu thế về hiệu suất nhiệt cao cũng
nhƣ phát thải NOx và PM rất nhỏ. Qua đó góp phần đảm bảo đƣợc yêu cầu ngày càng khắt
khe về phát thải của động cơ và giảm áp lực cho nguồn nhiên liệu từ dầu mỏ…

vi.

Điểm mới của luận án

Thiết lập đƣợc quá trình cháy HCCI cho động cơ diesel 1 xy lanh, tại một số chế độ tải và
tốc độ động cơ có tính năng kinh tế, kỹ thuật tƣơng đƣơng động cơ diesel truyền thống, phát
thải NOx và bồ hóng rất thấp.

vii. Bố cục luận án
Mở đầu
Chƣơng 1. Tổng quan
Chƣơng 2. Cơ sở lý thuyết về quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trong động cơ
HCCI

Chƣơng 3. Thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp n – heptan và mô phỏng động cơ HCCI
Chƣơng 4. Nghiên cứu thực nghiệm
Kết luận chung và hƣớng phát triển

xvi


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Động cơ HCCI
Trong thập niên đầu thế kỷ XXI, một lƣợng lớn các công trình nghiên cứu khoa học đã
đƣợc xuất bản liên quan đến ứng dụng mô hình cháy HCCI cho nhiên liệu diesel và mô hình
CAI (Control auto ignition – Tự cháy có điều khiển) cho nhiên liệu xăng trên động cơ đốt
trong kiểu piston [14]. Vài năm gần đây, nhiều nhà khoa học cũng đã nghiên cứu sử dụng
nhiên liệu thay thế nhƣ DME, biodiesel, LPG, syngas, ethyl acetate, ethanol,... trên động cơ
HCCI/CAI, tuy nhiên chƣa thực sự phổ biến. Thực tế nguyên lý cháy này đã đƣợc ứng dụng
trên động cơ bầu nhiệt (2 kỳ và 4 kỳ) từ hơn 100 năm trƣớc [11]. Trên động cơ này, dầu hoả
hoặc dầu thô đƣợc 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 đƣợc
sấy nóng trƣớc bằng cách dùng ngọn lửa đốt từ bên ngoài. Sau khi khởi động, bầu nhiệt vẫn
giữ đƣợc nhiệt nhờ quá trình cháy nhiên liệu bên trong bầu. Nhiệt độ bầu lớn đến nỗi nhiên
liệu bay hơi gần nhƣ ngay lập tức khi tiếp xúc với bề mặt của bầu. Do hỗn hợp đƣợc hoà trộn
từ rất sớm, nên có thể tạo đƣợc hỗn hợp đồng nhất, kết quả dẫn đến hỗn hợp tự cháy khi
piston tiến gần đến ĐCT.
Đối với động cơ xăng sử dụng bộ chế hoà khí, hiện tƣợng tự cháy hỗn hợp đồng nhất
thƣờng 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 đƣợc gọi là “dieseling” do tính chất giai đoạn này giống với quá trình cháy trên
động cơ diesel: cháy không cần tia lửa điện. Thực tế, những nghiên cứu đầu tiên về động cơ
xăng cháy theo nguyên lý HCCI/CAI do Onishi [43] và Noguchi [40] cùng cộng sự của mình
trong năm 1979 đã thúc đẩy các nhà khoa học sau này tiếp tục nghiên cứu nhằm điều khiển

quá trình cháy không đồng đều giúp cho quá trình cháy nghèo trở nên ổn định hơn.
1.2. Nguyên lý của động cơ HCCI

Hình 1.1. So sánh quá trình cháy thông thường và quá trình cháy HCCI
Trên hình 1.1 thể hiện sự khác biệt giữa quá trình cháy của động cơ xăng, diesel theo
nguyên lý cổ điển và HCCI. Có thể thấy rằng, trên động cơ xăng nguyên bản, màng lửa lan
tràn bắt nguồn từ bugi, trong khi trên động cơ hoạt động với nguyên lý HCCI, không có hiện
tƣợng lan tràn màng lửa trong xylanh, quá trình cháy diễn ra đồng thời ở mọi vị trí trong
1


xylanh (trƣờng hợp này bugi không đánh lửa, bugi phục vụ cho quá trình chuyển tiếp giữa chế
độ thông thƣờng và chế độ HCCI).
Tƣơng tự nhƣ động cơ xăng, trên động cơ diesel HCCI, hỗn hợp nhiên liệu và không
khí đƣợc hình thành từ trƣớc (trên đƣờng nạp hoặc trong xylanh). Sau đó hỗn hợp đƣợc nén
lên đến nhiệt độ tự cháy vào cuối kỳ nén, tƣơng tự nhƣ với động cơ diesel. Ngoài ra có thể
tăng nhiệt độ hỗn hợp ở cuối kỳ nạp thông qua gia nhiệt khí nạp, sấy nóng bằng bugi sấy hoặc
tận dụng khí sót trong xylanh. Tất cả những phƣơng pháp này có thể giúp cho hỗn hợp nhanh
đạt đến nhiệt độ tự cháy hơn và hỗn hợp trở nên đồng nhất hơn.
1.3. Ƣu, nhƣợc điểm của động cơ HCCI
Trong một chừng mực nào đó, động cơ HCCI kết hợp cả hai ƣu điểm của động cơ
diesel và động cơ xăng đó là:



Hiệu suất nhiệt tăng;
Phát thải NOx và PM giảm.

Động cơ HCCI không có bƣớm ga
lắp trên đƣờng nạp và hoạt động với hỗn

hợp nhạt, những yếu tố này giúp nâng
cao hiệu suất nhiệt.
Bên cạnh đó khi tạo đƣợc hỗn hợp
hoà trộn đồng nhất, không tồn tại những
vùng cục bộ có mật độ nhiên liệu lớn,
quá trình cháy khuếch tán hỗn hợp đậm
không diễn ra, làm giảm phát thải dạng
hạt PM.
Ngoài ra, quá trình cháy diễn ra
hoàn toàn và trong toàn bộ xylanh, nên
nhiệt độ quá trình cháy giảm, phát thải
NOx giảm.

Hình 1.2. Vùng làm việc của động cơ HCCI
[21]

Phát thải NOx thông thƣờng đƣợc hình thành khi nhiệt độ cao hơn 2000K, trong khi đó
bồ hóng hình thành ở những nơi có hỗn hợp quá đậm với λ < 0,8 và nhiệt độ lớn hơn 1400K
[21]. Nếu sử dụng mô hình cháy HCCI, vùng làm việc chính không nằm trong hai dải trên
(hình 1.2).
Tuy nhiên vẫn còn nhiều vấn đề cần phải giải quyết đối với động cơ HCCI nhƣ:
 Không thể điều khiển một cách trực tiếp quá trình cháy;
 Phát thải CO và HC cao;
 Vùng làm việc tập trung ở tải nhỏ, tốc độ thấp.
Vấn đề điều khiển thời điểm tự cháy trên động cơ HCCI không đơn giản nhƣ trên
động cơ xăng và diesel. Quá trình này đƣợc quyết định bởi động lực học phản ứng, vì vậy cần
đảm bảo tính chất của hỗn hợp sao cho thời điểm cháy bắt đầu ở gần ĐCT.
2

Trên động cơ xăng, một phần hỗn hợp nhiên liệu-không khí bám trong các khe kẽ, khi
piston đi xuống, thành phần này sẽ đƣợc đốt cháy do nhiệt độ cao (lớn hơn 2500K). Tuy
nhiên, trên động cơ HCCI, nhiệt độ cháy rất thấp (nhỏ hơn 1800K), nên phần hỗn hợp này
không đƣợc phân huỷ, phát thải CO và HC cao. Tại tải nhỏ, giá trị nhiệt độ lớn nhất rất nhỏ
(chỉ khoảng 1200K), không đủ để CO chuyển hoá thành CO2, vì vậy quá trình tự cháy khó
khăn hơn.
Trong khi tại tải lớn, do hỗn hợp đƣợc cháy cùng một thời điểm, tốc độ toả nhiệt diễn
ra rất nhanh, tốc độ tăng áp suất lớn, gây ảnh hƣởng xấu đến động cơ. Vùng làm việc của
động cơ HCCI bị giới hạn bởi hai yếu tố: không cháy và kích nổ. Tại tốc độ cao, hỗn hợp khó
tự cháy hơn do không đủ thời gian để phản ứng, vấn đề khởi động cũng là một trong những
vấn đề chính đối với loại động cơ này.
1.4. Các phƣơng pháp thiết lập chế độ cháy HCCI
Trong vòng hai thập niên trở lại đây, một số lƣợng lớn thuật ngữ đã đƣợc gán cho các
mô hình cháy mới của động cơ, bao gồm ATAC (Active Thermo- Atmospheric Combustion)
[33], TS (Toyota-Soken) [30], ARC (Active Radical Combustion) [11] trên động cơ 2 kỳ,
CIHC (Compression-Ignited Homogenous Charge) [26], Homogenous Charge Compression
Ignition (HCCI) [37], Controlled Auto-ignition (CAI) [30,44,19,21], UNIBUS (Uniform
Bulky Combustion System) [62], PREDIC (PREmixed lean DIesel Combustion) [29], MK
(Modulated Kinetics) [10], Premixed Charge Compression Ignition (PCCI) [63], OKP
(Optimised Kinetic Process) [42],... 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 đƣợc hình thành từ trƣớc, và (2) hỗn hợp
tự cháy. Trong thời gian gần đây khái niệm về động cơ HCCI đƣợc công nhận bởi ECOEngine Network of Excellence (một tổ chức nghiên cứu động cơ bao gồm hơn 20 viện nghiên
cứu, trƣờng đại học và các công ty ô tô tại châu Âu thƣờng xuyên thực hiện các hoạt động
trao đổi nghiên cứu, học tập) cho nên HCCI có thể đƣợc dùng nhƣ một thuật ngữ duy nhất để
thể hiện quá trình cháy mới trên động cơ diesel hoặc các động cơ đốt trong khác.
Những giải pháp để động cơ có thể hoạt động theo nguyên lý HCCI là:


Các phƣơng pháp tạo hỗn hợp đồng nhất nhƣ 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 thƣờng đƣợc sử dụng để thay đổi tính tự cháy và tốc độ toả nhiệt của quá trình
cháy trong động cơ xăng.



Các giải pháp để điều khiển thời điểm cháy và hỗn hợp tự cháy. Cần chú ý rằng quá
trình tự cháy của hỗn hợp nhiên liệu/không khí không chỉ đƣợc 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 trƣờng 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 nhiên liệu diesel thấp. Trong khi đó, sự sấy nóng
nhiệt độ khí nạphoặc trao đổi nhiệt đối lƣu từ khí sót giúp cho nhiên liệu có trị số
octane cao nhƣ xăng, khí thiên nhiên ... tự cháy.

3


1.5. Tình hình nghiên cứu và sử dụng HCCI
1.5.1. Tình hình nghiên cứu về HCCI trên thế giới
1.5.1.1. Giải pháp về hình thành hỗn hợp cháy
Việc hình thành hỗn hợp từ trƣớc và không cho nhiên liệu bám vào mặt gƣơng xylanh
là một giải pháp để nâng cao hiệu suất nhiên liệu, giảm phát thải CO và HC cũng nhƣ không
ảnh hƣởng đến chất lƣợng dầu bôi trơn. Sự bám nhiên liệu trên mặt gƣơng xylanh khiến cho
phát thải HC tăng, nhƣng nếu nhiên liệu có khả năng bay hơi tốt nhƣ xăng thì ảnh hƣởng này
là không đáng kể. Để hình thành hoà khí cho động cơ HCCI, có thể chia thành hai trƣờng hợp
khác nhau là hình thành hoà khí bên trong và hình thành hoà khí bên ngoài (hình 1.3) [5].
Đối với động cơ hình thành hoà khí bên ngoài, cách đơn giản nhất để hỗn hợp trong

xylanh trở nên đồng nhất là phun nhiên liệu ngƣợc với chiều dòng khí nạp, sau đó hỗn hợp
đƣợc hút vào trong xylanh, phƣơng pháp này đƣợc hiểu là phun nhiên liệu trực tiếp vào
đƣờng nạp (PFI). Sự xoáy của dòng khí đƣợc quyết định bởi kết cấu đƣờng ống, khi có xoáy,
quá trình hoà trộn nhiên liệu và không khí trở nên đồng nhất hơn. Vì hỗn hợp không
khí/nhiên liệu đƣợc hình thành từ bên ngoài, nên thời điểm phun nhiên liệu không ảnh hƣởng
đến thời điểm bắt đầu cháy. Đối với các loại nhiên liệu nặng, khả năng bay hơi kém, khi phun
nhiên liệu trên đƣờng nạp dẫn đến tăng lƣợng nhiên liệu bám trên thành đƣờng ống và buồng
cháy, tăng phát thải CO và HC, tăng lƣợng nhiên liệu chƣa cháy và ảnh hƣởng đến chất lƣợng
dầu bôi trơn. Phƣơng pháp hình thành hoà khí bên ngoài chỉ phù hợp với nhiên liệu khí và
nhiên liệu lỏng có khả năng bay hơi tốt, không phù hợp với nhiên liệu diesel.

Hình 1.3. Các phương pháp hình thành hỗn hợp trên động cơ HCCI
Đối với trƣờng hợp hình thành hoà khí bên trong, nhiên liệu đƣợc phun trực tiếp vào
trong xylanh động cơ. Có hai giai đoạn, phun sớm và phun muộn. Phun sớm là giải pháp
đƣợc sử dụng nhiều nhất cho động cơ HCCI sử dụng nhiên liệu diesel và có thời gian cháy trễ
lớn để hỗn hợp trở nên đồng nhất hơn. Một phần hoặc toàn bộ nhiên liệu đƣợc phun khi
piston đang ở ĐCD. Trong trƣờng hợp phun nhiên liệu diesel, khả năng bay hơi kém của
nhiên liệu và mật độ khí trong xylanh thấp dẫn đến một lƣợng lớn nhiên liệu bám lên thành
buồng cháy. Đối với trƣờng hợp này, một hệ thống nhiên liệu mới và linh hoạt đƣợc nghiên
cứu phát triển, để phù hợp cho sự thay đổi của hình dạng buồng cháy cũng nhƣ là áp suất và
nhiệt độ trong xylanh trong suốt quá trình phun. Mặc dù còn có những vấn đề về việc bố trí
vòi phun trực tiếp trong xylanh, nhƣng phƣơng pháp hình thành hoà khí đồng nhất bằng cách
4


phun trực tiếp vào trong xylanh đƣợc xem là phƣơng pháp phù hợp nhất đối với động cơ
HCCI trong tƣơng lai.
Một số nhà khoa học đã dành thời gian nghiên cứu để cố gắng phát triển tia phun có
chiều dài ngắn (độ xuyên thấu ngắn) và giảm tối thiểu lƣợng nhiên liệu bám trên thành
xylanh. Hệ thống nhiên liệu phải 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 vòi phun có số
lƣợng lỗ (đƣờng kính nhỏ) lớn thƣờng đƣợc sử dụng để tăng độ tơi của nhiên liệu và để phân
bố đều nhiên liệu hơn, làm giảm hiện tƣợng nhiên liệu bám trên thành xylanh. Một cách khác
để đáp ứng đƣợc yêu cầu về chiều dài tia phun là sử dụng quá trình phun tách thông qua điều
khiển vòi phun qua nhiều xung điện với độ dài mỗi xung khác nhau.
Hình 1.4 thể hiện một ví dụ về
quy luật điều khiển xung phun áp suất
cao. Xung phun ngắn, điều này dẫn đến
xung lực của tia phun nhỏ, giảm chiều
dài tia phun. 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 ĐCT,
mật độ và nhiệt độ hỗn hợp trong xylanh
tăng và vì vậy chiều dài tia phun sẽ giảm.
Hình 1.4. Quy luật xung phun đối với quá trình
Khi đó, xung phun có thể kéo dài hơn,
phun sớm
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 lƣợng nhiên liệu phun ra trên một xung phải giảm để tránh hiện tƣợng
nhiên liệu bám trên đỉnh piston.
Với hệ thống nhiên liệu kiểu tích áp (common rail), xung phun nhiên liệu có thể đƣợc
điều chỉnh dễ dàng. Trƣờng hợp nhiên liệu đƣợc phun sớm vào trong xylanh, hƣớng của tia
phun đƣợc điều chỉnh. So với động cơ diesel thông thƣờng, khi bắt đầu phun thể tích buồng
cháy còn rất lớn. Để đảm bảo khả năng hoà trộn giữa không khí và nhiên liệu tốt, cũng nhƣ tia
phun không chạm vào thành xylanh, góc giữa các tia phun theo mặt phẳng thẳng đứng đi qua
trục vòi phun phải đƣợc giảm xuống, nhƣ hình 1.5. Để có thể sử dụng cho cả HCCI và diesel,
phải sử dụng mẫu vòi phun có lỗ thay đổi.
Hình 1.6 thể hiện một ví dụ về nghiên cứu mô phỏng số về sự hình thành hỗn hợp trên

động cơ diesel HCCI một xylanh, dung tích 2.0 lít với tỷ số nén là 14:1, không tạo xoáy
đƣờng nạp. Động cơ sử dụng hệ thống nhiên liệu common rail bao gồm 13 lỗ (đƣờng kính lỗ
là 0,12 mm; hai dãy, mỗi dãy gồm 6 lỗ, có góc phun khác nhau). Bắt đầu phun từ 1100TK
trƣớc ĐCT và kết thúc tại 300TK trƣớc ĐCT, bao gồm 9 xung với tổng lƣợng nhiên liệu là 70
mg. Hiện tƣợng bám nhiên liệu trên thành xylanh có thể đƣợc giảm xuống vì xung phun ngắn
và góc giữa các tia phun nhỏ.

5


Hình 1.5. So sánh tia phun trên động cơ HCCI và động cơ diesel truyền thống

Hình 1.6. Nghiên cứu mô phỏng số sự hình thành hỗn hợp trên động cơ HCCI
Tuy nhiên, góc phun nhỏ có thể khiến tia phun chạm vào đỉnh piston, khi tăng đƣờng
kính lỗ phun sẽ giúp cho quá trình bay hơi của nhiên liệu. Vì nhiệt độ đỉnh piston cao hơn
nhiều so với nhiệt độ của thành xylanh, vì vậy lƣợng nhiên liệu bám trên piston không quá
lớn. Khi piston ở gần ĐCT, hỗn hợp rất nghèo nhƣng không hoàn toàn đồng nhất. Mặc dù
phát thải NOx không bị ảnh hƣởng quá nhiều bởi sự không đồng nhất của môi chất, nhƣng quá
trình cháy cục bộ có thể diễn ra ở một số vùng hỗn hợp nghèo, có thể dẫn đến tăng phát thải
CO và HC.
1.5.1.2. Các nghiên cứu về điều khiển quá trình cháy động cơ HCCI
Hiện tại trên động cơ HCCI, để điều khiển đƣợc quá trình cháy diễn ra đúng thời
6


điểm, phƣơng pháp đƣợc sử dụng là điều khiển vòng tuần hoàn kín (closed loop control).
Hình 1.7 trình bày sơ đồ nguyên lý của quá
trình điều khiển thời điểm bắt đầu cháy trên động
cơ HCCI.
Tín hiệu thu đƣợc từ cảm biến sẽ đƣợc gửi

về bộ điều khiển, bộ điều khiển tiến hành phân
tích và đƣa ra giải pháp để điều chỉnh quá trình
cháy diễn ra đúng thời điểm mong muốn. Cơ cấu
điều chỉnh hiện nay có rất nhiều loại: hệ thống
nhiên liệu, hệ thống pha phối khí linh hoạt, thay
đổi tỷ số nén, điều chỉnh van luân hồi khí thải,
điều chỉnh nhiệt độ khí nạp hoặc có thể là cơ cấu
chuyển đổi giữa hai chế độ HCCI và chế độ thông
thƣờng.

Hình 1.7. Sơ đồ điều khiển thời điểm
cháy trên động cơ HCCI

1.5.1.3. Giải pháp khi sử dụng lƣỡng nhiên liệu
Phƣơng pháp điều khiển sử dụng lƣỡng
nhiên liệu (dual-fuel) là phƣơng pháp đầu tiên
đƣợc sử dụng cho quá trình điều khiển vòng
tuần hoàn kín trên động cơ HCCI, đƣợc nghiên
cứu bởi Olsson cùng cộng sự [43] nhƣ trên
hình 1.8. Trong nghiên cứu này, động cơ 6
xylanh cỡ lớn đƣợc trang bị hệ thống phun
lƣỡng nhiên liệu bao gồm hai vòi phun riêng
biệt với hai loại nhiên liệu. Nhiên liệu quy
chiếu (primary referebce fuel) bao gồm isooctane và n-heptane với trị số Octane lần lƣợt là
100 và 0 đƣợc sử dụng để kiểm soát một khoảng
rộng của đặc tính tự cháy. Thời điểm CA50 dựa Hình 1.8. Tín hiệu CA50 thu được từ quá
trên diễn biến áp suất trong xylanh đƣợc sử dụng
trình điều chỉnh lưỡng nhiên liệu [31]
làm tín hiệu phản hồi đến bộ điều khiển.
Hình 1.9 thể hiện ảnh hƣởng của tỷ

lệ giữa n-pentane (có trị số Octane thấp)
và iso-pentane (có trị số Octane cao) đến
diễn biến tốc độ toả nhiệt trong xylanh
động cơ. Kết quả cho thấy, thời điểm
cháy diễn ra trễ hơn khi tăng trị số
Octane của nhiên liệu và ngƣợc lại. Cùng
với đó, tốc độ toả nhiệt cũng giảm do quá
trình cháy diễn ra muộn hơn, động cơ
làm việc êm hơn.

Hình 1.9. Ảnh hưởng của tỷ lệ n-pentane và
iso-pentane đến tốc độ toả nhiệt [4]
7


Quá trình tự động điều khiển pha cháy tại các chế độ tải khác nhau là điều không thể
với cơ cấu điều khiển bằng tay, vì vậy phải xây dựng bộ điều khiển tự động giúp nâng cao
hiệu suất động cơ. Olsson cùng cộng sự [44] cũng đã nghiên cứu tăng áp cho động cơ HCCI
và điều khiển thông qua tỷ lệ nhiên liệu dual-fuel với hai thành phần ethanol và n-heptane, áp
suất chỉ thị trung bình (IMEP) của động cơ có thể đạt giá trị cực đại là 16 bar.
1.5.1.4. Điều khiển lƣợng khí sót trong xylanh
Phƣơng pháp thông dụng để điều khiển lƣợng khí sót trong xylanh là sử dụng pha
phối khí linh hoạt (variable valve actuation - VVA), phƣơng pháp này đƣợc bắt đầu nghiên
cứu bởi Fiveland SB cùng cộng sự [16]. Hệ thống cơ điện tử dẫn động xupap đã đƣợc sử dụng
trên động cơ cỡ lớn một xylanh để điều khiển độ nâng và thời gian nâng xupap giúp quá trình
cháy tốt hơn nhờ thay đổi góc trùng điệp. Tại tải lớn, quá trình cháy diễn ra trễ hơn bằng cách
giảm hiệu suất nén nhờ đóng muộn xupap nạp.
1.5.1.5. Điều khiển hiệu suất nén
Strandh cùng cộng sự [50] đã điều
khiển pha cháy của mỗi xy lanh riêng biệt

nhờ thay đổi góc đóng muộn xupap nạp.
Hình 1.10 thể hiện sự thay đổi thời gian
cháy khi thay đổi góc đóng muộn xupap
nạp. Có thể thấy, khi đóng muộn xupap nạp,
hiệu suất nén của động cơ sẽ giảm xuống,
làm giảm nhiệt độ cuối quá trình nén, vì vậy
thời điểm CA50 trễ hơn.

Hình 1.10. Thay đổi thời gian cháy khi thay
đổi góc đóng muộn xupap nạp [35]

1.5.1.6. Điều khiển tỷ số nén

Hình 1.11. Động cơ thay đổi tỷ số nén của hãng SAAB, Thuỵ Điển

8


Hiện tại không có nhiều động cơ đƣợc trang bị hệ thống thay đổi tỷ số nén, vì vậy
chỉ có một vài nghiên cứu điều khiển vòng kín quá trình cháy HCCI thông qua điều chỉnh
tỷ số này.
Mẫu động cơ đƣợc sử dụng là động cơ SAAB, đƣợc thiết kế để nhằm tăng công
suất lít của động cơ, tuy nhiên đã đƣợc nghiên cứu để điều khiển quá trình cháy HCCI bởi
Haraldsson [8,9] cũng nhƣ Hyvönen cùng cộng sự [16]. Hyvönen cùng cộng sự đã đƣa ra
kết luận rằng dải làm việc của động cơ HCCI có thể đƣợc 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
lƣợng khí sót lớn.
Tuy nhiên, với các động cơ có thay đổi tỷ số nén, trong đó có hãng SAAB, không cho
phép thay đổi tỷ số nén riêng rẽ của mỗi xylanh, vì vậy cần thêm trang thiết bị bên ngoài để
điều chỉnh thời điểm cháy của các xylanh trở nên đồng đều.

1.5.1.7. Điều khiển tỷ lệ luân hồi khí thải
Luân hồi nội tại
Khí sót đƣợc giữ lại trong xilanh thông qua thay đổi góc đóng mở pha phối khí. Luân
hồi nội tại khí thải không đƣợc làm mát, nên chứa thành phần hoạt tính dễ tham gia phản ứng,
làm thời điểm cháy diễn ra sớm hơn. Khí sót đƣợc giữ lại trong xilanh càng lớn thì thời điểm
cháy diễn ra càng sớm (Hình 1.12). Kiểm soát quá trình cháy thông qua điều khiển lƣợng khí
sót thƣờng đƣợc gọi là kiểm soát quá trình tự cháy CAI.
Trên Hình 1.13 một lƣợng khí sót đƣợc giữ lại bằng cách sử dụng độ trùng điệp van
âm NVO (Negative Valve Overlap). Nguyên lý làm việc NVO van xả đóng sớm van nạp mở
muộn kết quả khí sót đƣợc giữ lại trong xilanh. Lƣợng khí sót đƣợc giữ lại nhiều khi độ âm
NVO càng lớn, thời điểm cháy diễn ra càng sớm.

Hình 1.12. Ảnh hưởng của luân hồi nội tại đến tải và thời điểm cháy [35]

9