Nghiên cứu động cơ tự cháy do nén hỗn hợp đồng nhất HCCI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU ĐỘNG CƠ TỰ CHÁY DO NÉN
HỖN HỢP ĐỒNG NHẤT HCCI

SVTH: NGUYỄN MINH THÀNH
MSSV:

13145235

SVTH: PHẠM HỒNG ĐẮC THỊNH
MSSV:

13145255

GVHD: TS. LÝ VĨNH ĐẠT

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2018
1


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô

Tên đề tài

NGHIÊN CỨU ĐỘNG CƠ TỰ CHÁY DO NÉN
HỖN HỢP ĐỒNG NHẤT HCCI

SVTH:

NGUYỄN MINH THÀNH

MSSV:

13145235

SVTH:

PHẠM HỒNG ĐẮC THỊNH

MSSV:

13145255

GVHD: TS. LÝ VĨNH ĐẠT

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2018


NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên: 1. NGUYỄN MINH THÀNH
2. PHẠM HỒNG ĐẮC THỊNH

MSSV: 13145235
MSSV: 13145255

Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô

Mã ngành đào tạo: 52510205

Hệ đào tạo: Đại học chính quy

Mã hệ đào tạo:

Khóa: 2013

Lớp: 139450

1. Tên đề tài
Nghiên cứu động cơ tự cháy do nén hỗn hợp đồng nhất HCCI
2. Nhiệm vụ đề tài
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết động cơ tự cháy do nén hỗn hợp đồng nhất HCCI
- Phân tích đặc điểm kết cấu của động cơ HCCI
- So sánh ưu và nhược điểm của động cơ HCCI
3. Sản phẩm của đề tài
- Thuyết minh đề tài
- Đĩa CD
4. Ngày giao nhiệm vụ đề tài:

12/06/2017

5. Ngày hoàn thành nhiệm vụ:
TRƯỞNG BỘ MÔN

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

3


4


5


6


7


LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, em xin cảm ơn nhà trường và quý thầy cô đã xây dựng môi trường
học tập tốt, truyền đạt kiến thức cũng như những kinh nghiệm để em có thể gặt hái
được thành quả trong các năm qua.
Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Lý Vĩnh Đạt. Thầy là người
hướng dẫn nhiệt tình, ln đưa ra những nhận xét đúng đắn để em hoàn thành được đề
tài tốt nghiệp kịp thời và hồn thiện nhất có thể.
Sau cùng, tuy có nhiều nỗ lực, nhưng do thời gian thực hiện đề tài khơng nhiều
và kiến thức, kinh nghiệm cịn hạn chế nên đồ án tốt nghiệp cịn nhiều thiếu sót. Do đó,

em kính mong q thầy cơ, bạn bè thơng cảm và rất mong nhận được ý kiến từ mọi
người để hoàn thiện đề tài tốt hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 01 năm 2018
Nhóm sinh viên thực hiện:
Nguyễn Minh Thành
Phạm Hồng Đắc Thịnh

8


LỜI NÓI ĐẦU
Trong xu thế hội nhập hiện nay, nền công nghiệp Việt Nam đang phát triển rất
mạnh và đặc biệt là ngành kỹ thuật ô tô. Vấn đề đi lại, vận chuyển ngày càng tăng của
con người trên toàn thế giới. Ơ tơ gần như là phương tiện chủ lực đáp ứng mọi nhu cầu
đó. Cơng nghệ ơ tơ là một ngành khoa học kỹ thuật phát triển rất nhanh trên phạm vi
toàn thế giới, để đáp ứng nhu cầu trên đã làm cho tốc độ gia tăng số lượng ơ tơ trên thế
giới rất nhanh. Do đó, tình hình giao thơng ngày càng phức tạp và nảy sinh ra các vấn
đề cấp bách cần phải giải quyết như tai nạn giao thông, ô nhiễm môi trường, khủng
hoảng nhiên liệu… Để giải quyết các vấn đề đó, địi hỏi ngành công nghệ ô tô phải áp
dụng khoa học kỹ thuật tiên tiến trong thiết kế, ứng dụng các nguyên vật liệu và công
nghệ hiện đại để cho ra đời những chiếc xe ngày càng hồn hảo với tính năng vận
hành, tính an tồn vượt trội và thân thiện với mơi trường, đồng thời có hiệu suất cao.
Một trong những động cơ đang được các nhà sản xuất nghiên cứu và đã được áp dụng
trên xe đó là động cơ tự cháy do nén hỗn hợp đồng nhất HCCI (Homogeneous charge
compression ignition). Động cơ HCCI là một sự kết hợp giữa động cơ xăng thông
thường, động cơ diesel và là một trong những động cơ được khách hàng quan tâm hiện
nay khi mua xe ơ tơ vì những lợi ích mà nó mang lại khi sử dụng như: tiết kiệm nhiên
liệu, giảm ô nhiễm môi trường, đạt được hiệu quả cao hơn 30% so với động cơ xăng

thơng thường, có thể hoạt động trên xăng, diesel và hầu hết các nhiên liệu thay thế. Và
trong quá trình học tập, em đã được tiếp xúc, tìm hiểu trên các bài báo và nhận thấy
đây là đề tài liên quan đến chuyên nghành cơ khí động lực của mình. Chính vì vậy
chúng em đã chọn đề tài tốt nghiệp: “ Nghiên cứu động cơ tự cháy do nén hỗn hợp
đồng nhất HCCI ”.
Đề tài ” nghiên cứu động cơ tự cháy do nén hỗn hợp đồng nhất HCCI ” cũng giúp
cho em hiểu thêm về nguyên lý hoạt động của động cơ HCCI. Bằng các nguồn tài liệu
trên internet, tra cứu và tổng hợp, đề tài đã tìm hiểu được các nội dung sau:
− Khái quát tình hình phát triển của động cơ HCCI.
− Lý thuyết về quá trình cháy và các thông số ảnh hưởng trên động cơ
HCCI.
− Bước phát triển của HCCI là động cơ GDCI.

9


MỤC LỤC
MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
A/F

(Air to Fuel ratio): tỷ lệ khơng khí nhiên liệu

AR

(Active Radical): hoạt động triệt để

ARC

(Active Radical Combustion): hoạt động cháy triệt để

ATAC

(Active Thermo Atmospheric Combustion): hoạt động gia nhiệt cho
buồng cháy

ATDC

(After Top Dead Center): sau điểm chết trên

BDC

(Bottom Dead Center): điểm chết dưới

BMEP

(Brake Mean Effective Pressure): áp suất hiệu dụng trung bình có ích

BSFC

(Brake Specific Fuel Consumption): tiêu hao nhiên liệu có ích

CAI

(Controlled Autoignition): điều khiển tự cháy

CCS

(Combat Combustion System): hệ thống kiểm soát quá trình cháy

CFD

(Computational Fluid Dynamics): tính tốn động lực học của chất lỏng

CI

(Compression Ignition): nén đánh lửa

CIDI

(Compression-Ignition Direct-Injection): nén cháy phun trực tiếp

CIHC

(Compression Ignited Homogenous Charge): nén cháy hỗn hợp đồng
nhất

COV

(Coefficient Of Variation): hệ số biến thiên

CR

(Compression Ratio): tỷ số nén

CVI

(Close Valve Injection): đóng van phun

ĐCĐT

Động cơ đốt trong

EGR

(Exhaust Gas Recirculation): luân hồi khí thải

EMS

(Electronically-Modulated Suspension): hệ thống treo điều biến điện tử

EOC

(Engine Oil Cooler): làm mát dầu bôi trơn

EOI

(End Of Injection): kết thúc phun
10


GDCI

(Gasonline Direct Compression Igition): Động cơ phun xăng trực tiếp
tự cháy

GDI

(Gasonline Direct Injection): phun xăng trực tiếp

GM

(General Motors): Hãng ôtô GM

HCCI

(Homogenous Charge Compression Ignition): cháy do nén hỗn hợp
đồng nhất

HCLI

(Homogeneous Charge Late Injection): hình thành hỗn hợp nạp đồng
nhất bằng cách phun muộn

HFS

(Heavy Fuel Stratification): phân tầng nhiên liệu nặng

HLSI

(Homogenous Lean Charge Spark Ignition): cháy hỗn hợp nghèo đồng
nhất

HPLI

(Highly Premixed Late Injection): phun muộn hỗn hợp được hòa trộn
cao

IMEP

(Indicated Mean Effective Pressure): áp suất chỉ thị trung bình

ISFC

(Indicated Specific Fuel Consumption): Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị

IVO

(Inlet Valve Opening): xupap nạp mở

MCCT
MK
MULDIC

Môi Chất Công Tác
(Modulated Kinetics): điều biến động lực học
(Multiple Stage Diesel Combustion): cháy nén hỗn hợp được hình
thành nhiều giai đoạn

NADI

(Narrow Angle Direct Injection): thu hẹp góc phun nhiên liệu

ODT

(One Dimensional Turbulence): sự rối kích thước một chiều

OKP

(Optimised Kinetic Process): quá trình phản ứng tối ưu

OVI

(Open Valve Injection): mở van phun

PCCI

(Premixed Charge Compression Ignition): cháy do nén hỗn hợp hình
thành từ trước

PFI

(Port Fuel Injection): phun nhiên liệu trên cổ nạp

PFS

(Partial Fuel Stratification): phân tầng nhiên liệu một phần
11


PNGV

(Partnership for a New Generation of Vehicles): hợp tác cho một thế hệ
xe mới

PPCI

(Partially Premixed Charge Compression Ignition): trộn một phần hỗn
hợp nén đánh lửa

PREDIC

(Premixed Lean Diesel Combustion): cháy do nén hỗn hợp nghèo hình
thành từ trước

R&D

(Research and Development): nghiên cứu và phát triển

SACI

(Spark-Assisted Compression Ignition): nén đánh lửa được hỗ trợ bằng
spark

SCCI

(Stratified Charge Compression Ignition): phân tầng hỗn hợp nén đánh
lửa

SI

(Spark Ignition): đánh lửa cưỡng bức

SMD

(Sauter Mean Diameter): đường kính trung bình Sauter

SOI

(Start Of Injection): bắt đầu phun

SPCCI

(Spark- Controlled Compression Ignition): kiểm soát đánh lửa nén
cháy

TDC

(Top Dead Centre): điểm chết trên

TDI

(Turbo-Diesel Direct Injection): phun trực tiếp turbo-diesel

UNIBUS

(Uniform Bulky Combustion System): hệ thống cháy đồng nhất vùng
lớn

VCR

(Variable Compression Ratio): tỷ lệ nén biến thiên

VVA

(Variable Valve Actuation): bộ điều khiển xu pap biến thiên

VVC

(Variable Valve Control): điều khiển xupap biến thiên

VVT

(Variable Valve Timing): phân phối khí biến thiên

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
12


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Bảng tóm tắt về những phát triển gần đây về công nghệ HCCI
…………………………………………………………………..…………………20,21

13


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Lý do chọn đề tài
Xu hướng phát triển động cơ đốt trong ngày nay chủ yếu tập trung vào các mục tiêu
chính là nâng cao hiệu quả và đặc tính kỹ thuật của động cơ, nâng cao tính kinh tế nhiên
liệu và giảm các thành phần phát thải độc hại. Các giải pháp để đạt được các mục tiêu
trên bao gồm nghiên cứu cải thiện và nâng cao hiệu quả quá trình cháy, nghiên cứu các
phương án hình thành hỗn hợp và hệ thống đánh lửa mới, nghiên cứu các giải pháp giảm
phát thải và xử lý khí thải…
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).
Ngày nay, phần lớn các động cơ đánh lửa hoạt động với hỗn hợp lý tưởng để đạt
được hiệu quả cao nhất cho q trình xử lý khí thải. Vì hệ số dư lượng khơng khí gần như
khơng 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 q trình nạp tăng, tổn hao công 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,
thơng 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 khí thải lớn.
Ngồi 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: 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 lâu 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 ơ nhiễm mơi trường và hiệu ứng nhà kính các quốc gia đã kiểm sốt
thành phần khí thải động cơ một cách chặt chẽ bằng cách đưa ra các tiêu chuẩn về khí
thải ngày càng hết sức khắt khe.
Với những quy đinh nghiêm ngặt về tiêu chuẩn khí thải ngày càng cao. Tiêu chuẩn
khí thải của các quốc gia khu vực và quốc gia quy định các tiêu chí khí thải phổ biến
như: Euro, Nhật, Mỹ (ESP)… Tất cả các tiêu chuẩn khí thải định mức về nồng độ của các
loại khí sinh ra trong q trình xe hoạt động như nitrogen oxide (NOx), hydrocarbons
(HC), carbon monoxide (CO) và các hạt vật chất (PM), khói đen… đối với các loại động
cơ khác nhau với các dung tích xylanh khác nhau. Mục tiêu của các tiêu chuẩn này là để
lọai trừ những chiếc xe tạo ra quá nhiều ô nhiễm (do hỏng hóc hay cũ...) và cũng vì mục
ĐỐT CHÁY DO NÉN HỖN HỢP ĐỒNG NHẤT HCCI

TRANG 14

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

đích bảo vệ mơi trường. Các nhà sản xuất xe cũng vì thế mà có động lực và cả áp suất
nhằm tạo ra những chiếc xe xanh hơn, sạch hơn, phù hợp với những tiêu chuẩn Euro cao
hơn.
Và một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn là động cơ tự cháy do nén hỗn hợp đồng
nhất (HCCI). Mơ hình cháy HCCI với các ưu điểm về hiệu suất nhiệt cao và phát thải
NOx và PM rất nhỏ là một trong những hướng nghiên cứu phát triển động cơ trong tương
lai, bên cạnh đó động cơ này rất thích hợp sử dụng các loại nhiên liệu thay thế có nguồn
gốc sinh học. Đó là lý do em chọn đề tài: “Nghiên cứu động cơ tự cháy do nén hỗn hợp
đồng nhất (HCCI)”.
1.2 Mục tiêu nghiên cứu
Đồ án có mục đích tổng thể là nghiên cứu về quá trình hình thành hỗn hợp và cháy
trên động cơ (HCCI).
Mục tiêu cụ thể của đồ án là:
-

Nghiên cứu phương pháp hình thành hỗn hợp trên động cơ HCCI

-

Đánh giá tính tỏa nhiệt, xác định thời điểm bắt đầu cháy và điều khiển quá trình
cháy của động cơ HCCI.

-

Xác định được các nguyên tắc đốt của động cơ HCCI.

-

Đem đến cho người đọc cái nhìn mới hơn và cung cấp thêm thông tin tham
khảo cho sinh viên trong và ngoài trường nghiên cứu về động cơ tự cháy do nén
đồng nhất (HCCI).

1.3 Phạm vi nghiên cứu.
-

Đề tài của nhóm chủ yếu nghiên cứu lý thuyết về động cơ tự cháy do nén
hỗn hợp đồng nhất (HCCI)

-

Phạm vi của đề tài chủ yếu tập trung nghiên cứu về quá trình hình thành hỗn
hợp và quá trình cháy cũng như chế độ cháy trên động cơ HCCI.

1.4 Phương pháp nghiên cứu.
Trong quá trình thực hiện nghiên cứu đề tài nhóm em đã sử dụng các phương pháp
nghiên cứu sau:
-

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với tài liệu sách nước ngoài về HCCI.

-

Phương pháp tra cứu và tổng hợp tài liệu tham khảo liên quan.

1.5 Nội dung nghiên cứu.
-

Chương 1: Tổng quan, chương này nêu lí do chọn đề tài, các phương pháp mà tác giả
sử dụng để thực hiện đề tài.

ĐỐT CHÁY DO NÉN HỖN HỢP ĐỒNG NHẤT HCCI

TRANG 15


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

-

Chương 2: Giới thiệu tổng quan về động cơ HCCI, chương này trình bày tổng quan
về lịch sử phát triển, nguyên lý hoạt động, ưu và nhược điểm cũng như là những phát
triển gần đây trên động cơ.

-

Chương 3: Cơ sở lý thuyết về quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trong động cơ,
chương này tập trung nghiên cứu về quá trình hình thành hỗn hợp, quá trình cháy và
các thơng số đặc trưng của q trình này.

-

Chương 4: Một số bước phát triển mới trên động cơ HCCI, chương này sẽ trình bày

về quá trình hình thành hỗn hợp, quá trình phun và các ảnh hưởng của quá trình này.

-

Chương 5: Những thành tựu mới nhất của động cơ HCCI, chương này sẽ trình bày
những điểm nổi bật của động cơ Skyactiv-X của Mazda sẽ được bán vào năm 2018.

ĐỐT CHÁY DO NÉN HỖN HỢP ĐỒNG NHẤT HCCI

TRANG 16


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ HCCI
2.1 Lịch sử hình thành động cơ HCCI
Trong thập niên đầu thế kỷ XXI một lượng các cơng trình khoa học đã được xuất
bản liên quan đến mơ hình cháy HCCI cho động cơ diesel và CAI cho động cơ xăng trên
động cơ đốt trong [1].
 Động cơ diesel HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition: tự 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 [2].
Trên động cơ này, dầu hoả hoặc dầu thô được phun vào trong bầu nhiệt ngay từ đầu q
trình nén, hồn tồn đủ thời gian để nhiên liệu bay hơi và hoà trộn với khơng khí. Trong
q trình khởi động, bầu nhiệt được sấy nóng trước bằng cách dùng ngọn lửa cháy 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 TDC.
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 cơng 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 mơ hình cháy HCCI cho động cơ diesel trên ơ tơ, 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 nhiên liệu khi piston ở trong kỳ nén, được phát triển
bởi cơng ty Nissan, Nhật Bản [3] từ đó nhiều cơng trình nghiên cứu đã đạt được những
thành cơng trong việc kiểm sốt q trình cháy, giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm NOx và
PM.

ĐỐT CHÁY DO NÉN HỖN HỢP ĐỒNG NHẤT HCCI

TRANG 17


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 2.1: 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: Điều khiển tự cháy).

Những nghiên cứu đầu tiên của động cơ xăng cháy theo nguyên lý HCCI/CAI là
của Onishi [4] và Noguchi 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 cơng 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 mơ 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 [5]. Các động cơ này sử dụng năng lượng nhiệt của khí sót để đẩy
mạnh quá trình tự 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. 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. Đặc biệt
là các cơng trình nghiên cứu thay đổi pha phối khí tại hãng ơ 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 t̀n hồn khí thải
để kích thích và điều khiển q trình tự cháy CAI đã được chứng minh bởi một số lượng
lớn các nhà nghiên cứu, vì vậy những động cơ thương mại có thể hoạt động dưới mơ
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 mơ hình cháy mới này của động cơ đốt trong, bao gồm ATAC (Active Thermo
Atmospheric Combustion), TS (Toyota Soken), ARC (Active Radical Combustion) trên
động cơ 2 kỳ, CIHC (Compression Ignited Homogenous Charge), Homogenous Charge
Compression Ignition (HCCI), Controlled Autoignition (CAI), UNIBUS (Uniform Bulky
Combustion System), PREDIC (PREmixed lean DIesel Combustion),MK (Modulated
Kinetics), Premixed Charge Compression Ignition (PCCI), OKP (Optimised Kinetic
Process), ... Tất cả các thuật ngữ trên đều mô tả 2 nguyên lý của mô hình cháy mới: hỗn
hợp nhiên liệu và khơng khí được hình thành đồng nhất từ trước và hỗn hợp tự cháy [6].
Để thống nhất khái niệm động cơ mới này thì gần đây các nhà khoa học đã cơng nhận

khái niêm HCCI cho nguyên lý cháy mới và HCCI là thuật ngữ duy nhất để thể hiện quá
ĐỐT CHÁY DO NÉN HỖN HỢP ĐỒNG NHẤT HCCI

TRANG 18


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

trình cháy mới trên động cơ diesel hoặc động cơ đốt trong khác như xăng, gas, nhiên liệu
thay thế…

2.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ HCCI

Hình 2.2: So sánh q trình cháy thơng thường và q trình cháy HCCI
Trên hình 2.2 thể hiện sự khác biệt giữa quá trình cháy của động cơ xăng, diesel
theo nguyên lý truyền thống 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 tượng lan tràn màng lửa trong xylanh, quá trình cháy diễn ra đồng
thời ở mọi vị trí trong xylanh (trường hợp này bugi không đánh lửa, bugi phục vụ cho
q trình chuyển tiếp giữa chế độ thơng thường và chế độ HCCI).
Tương tự như động cơ xăng, trên động cơ diesel HCCI, hỗn hợp nhiên liệu và
khơng khí được hình thành từ trước (trên đường nạp hoặc trong xylanh). Sau đó hỗn hợp
được nén lên đến nhiệt độ tự cháy vào cuối kỳ nén, tương tự như với động cơ diesel.
Ngồi ra có thể tăng nhiệt độ hỗn hợp ở cuối kỳ nạp thơng qua gia nhiệt khí nạp, sấy
nóng bằng bugi xơng hoặc tận dụng khí sót trong xylanh. Tất cả những phương pháp này
có thể giúp cho hỗn hợp nhanh đạt đến nhiệt độ tự cháy hơn và hỗn hợp trở nên đồng
nhất hơn.
2.3 Ưu và nhược điểm của động cơ HCCI

2.3.1

Ưu điểm của động cơ HCCI

Động cơ HCCI là sự kết hợp giữa động cơ động cơ xăng cháy cưỡng bức SI (Spark
Ignition) và động cơ diesel nén cháy CI (Compression Ignition). Một động cơ HCCI hồn
thiện gồm nhiều cơng nghệ tiên tiến như phun nhiên trực tiếp hoặc phun trên đường nạp,
ĐỐT CHÁY DO NÉN HỖN HỢP ĐỒNG NHẤT HCCI

TRANG 19


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

pha phối khí thơng minh, hệ thống t̀n hồn khí thải EGR (Exhaust Gas Recirculation),
hệ thống thay đổi tỷ số nén (VCR) ...Mục đích để điều khiển và tối ưu q trình tự cháy,
giảm các chất ơ nhiễm trong khí thải, do đó động cơ HCCI có những ưu điểm nổi bật sau:

 Động cơ HCCI cho cơng suất cao:

Hình 2.3: So sánh áp suất trong xylanh của HCCI và động cơ xăng
- Tỷ số nén (ε) cao: (ε ≥ 15) động cơ HCCI có thể làm việc với tỷ số nén lớn. Tỷ số
nén càng lớn thì áp suất và nhiệt độ môi chất công tác (MCCT) càng cao, cơng suất
càng lớn và giảm hệ số khí sót, động cơ tiết kiệm nhiên liệu hơn.
- Hỗn hợp cháy đồng nhất, quá trình cháy xảy ra đồng thời, tại mọi điểm trong buồng
cháy nên hiệu suất nhiệt cao. Quá trình cháy động cơ HCCI tương tự như giai đoạn
cháy không kiểm soát (giai đoạn cháy nhanh) của động cơ diesel nên tốc độ tăng áp
suất lớn sinh ra áp suất đỉnh cao.

-

Không bị tổn thất công suất: động cơ HCCI không bị tổn thất áp suất do sự
cản trở của cánh bướm ga trên đường nạp. Trong quá trình hoạt động của
động cơ HCCI, cánh bướm ga không làm nhiệm vụ điều tiết hoạt động, thay
vào đó là cách thức điều khiển không cánh bướm ga (Unthrotle Engine).
Cách thức điều khiển này là sự thay đổi tổng hợp các yếu tố đầu vào như
khối lượng khơng khí nạp, khối lượng khí thải lưu hồi và khối lượng nhiên
liệu được phun vào. Công nghệ HCCI tránh sử dụng năng lượng vô ích để
tạo chân khơng. Thay vì đó, khí nóng từ quá trình cháy trước sẽ được đưa trở
lại buồng cháy, động cơ sẽ sử dụng kết hợp nhiệt lượng của khí nóng và
nhiệt sinh ra bởi q trình nén hỗn hợp để tạo nên nhiệt độ đủ lớn để hỗn hợp
bốc cháy.

 Tiết kiệm nhiên liệu đến 25-30% so với động cơ truyền thống: theo nghiên cứu

MIT [7] động cơ HCCI hồn hảo có thể tiết kiệm đến 25-30% nhiên liệu. Tuy
nhiên để làm được điều này thì phải điều khiển được các thông số trên động cơ và
ĐỐT CHÁY DO NÉN HỖN HỢP ĐỒNG NHẤT HCCI

TRANG 20


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

điều khiển động cơ một cách chính xác. Honda đã thành cơng khi thiết kế động cơ
ARC 2 kỳ có thể tiết kiệm nhiên liệu đến 29% tuy nhiên chưa được ứng dụng rộng
rãi vì lý do khí thải cịn quá mức cho phép. GM (General Motors) đã cho thử

nghiệm động cơ HCCI làm nguồn lực cho ô tô nhưng chỉ tiết kiệm được 15%
nhiên liệu. Điều này cho thấy để hoàn thiện động cơ HCCI cần một thời gian để
nghiên cứu và phát triển.
- Động cơ HCCI hoạt động ổn định với hỗn hợp nghèo nhiên liệu: động cơ HCCI sử
dụng hỗn hợp nghèo để giới hạn tốc độ tỏa nhiệt và hình thành hỗn hợp cháy đồng
nhất, tỷ số nén lớn do đó giảm thiểu lượng tiêu hao nhiên liệu.
- Nguyên lý quá trình cháy động cơ HCCI là cháy nhanh, cháy đồng thời tại mọi điểm
trong buồng cháy do hình thành rất nhiều trung tâm cháy.
 Giảm NOx và PM trong khí thải:

Hình 2.4: Vùng làm việc chính của động cơ HCCI
- NOx: một trong những lợi ích quan trọng nhất của quá trình cháy HCCI là giảm
nồng độ NOx trong khí thải rất lớn (NOx hình thành khi nhiệt độ cháy cực đại lớn hơn
2000ºC), giảm tới 90 - 98% so với q trình cháy thơng thường. Để giảm nồng độ NOx
trong khí thải, hầu hết phải dùng bộ xử lý khí thải, các biện pháp kỹ thuật tác động tới
hình thành hỗn hợp thường làm nhiệt độ giảm, áp suất tăng, tỷ số nén vượt quá giá trị
giới hạn. Ngày nay, quá trình cháy HCCI đã giải quyết được vấn đề này, khi cùng tỷ lệ
hỗn hợp thì nhiệt độ cháy của HCCI giảm. Khi tăng tải, nhiệt độ cháy cao nhất tăng
nhưng thuận lợi hơn động cơ diesel.

ĐỐT CHÁY DO NÉN HỖN HỢP ĐỒNG NHẤT HCCI

TRANG 21


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 2.5: Cơ chế hình thành NOx và bồ hóng của các loại động cơ

Hình 2.6: So sánh phát thải NOx của các loại động cơ
Hình 2.6: thể hiện kết quả so sánh nồng độ NOx trong khí thải của 3 loại động cơ:
HCCI, diesel, diesel với EGR (cùng loại động cơ). Tỷ số nén của các loại động cơ đều là
16:1[8].
PM (thường chứa 40% dầu bôi trơn + 31% bồ hóng + 14% các muối sun-phát ngậm
nước + 7% diesel + 8% các chất cịn lại): lợi ích quan trọng khác của quá trình cháy
HCCI với động cơ diesel là có khả năng giảm đồng thời NOx và bồ hóng. Bồ hóng hình
thành với khu vực giàu nhiên liệu (λ<0,8) và nhiệt độ trên 1400ºK hình 2.6. Động cơ
HCCI có nhiệt độ cháy cực đại thấp, hình thành nhiều trung tâm cháy và hoạt động với λ
nghèo nên lượng bồ hóng giảm đáng kể.
 Chế tạo, lắp ráp dễ dàng, tiết kiệm chi phí: đặc điểm ưu thế của động cơ HCCI là

có thể sử dụng các chi tiết của động cơ có sẵn do đó khơng tốn kém trong việc chế
tạo và xây dựng quy trình lắp ráp. Tuy nhiên với các công nghệ đã và sẽ ứng dụng
trên động cơ HCCI thì giá thành của loại động cơ này rất cao.
ĐỐT CHÁY DO NÉN HỖN HỢP ĐỒNG NHẤT HCCI

TRANG 22


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

 Là động cơ đa nhiên liệu: động cơ HCCI có thể hoạt động với xăng, dầu diesel

hay các nhiên liệu thay thế. Theo những nghiên cứu gần đây đã chế tạo và cải
hoán động cơ truyền thống thành động cơ HCCI dùng nhiên liệu xăng, diesel, khí
thiên nhiên và các loại nhiên liệu thay thế.

Hình 2.7: Mơ hình động cơ HCCI đa nhiên liệu của Zhen Huang
2.3.2

Nhược điểm động cơ HCCI

Mặc dù động cơ HCCI cho những ưu điểm nổi bật: công suất lớn, tiết kiệm nhiên
liệu, giảm lượng lớn NOx và PM trong khí thải, có thể hoạt động với nhiều loại nhiên liệu
khác nhau, tiết kiệm chi phí thiết kế, lắp ráp nhưng động cơ HCCI cũng có những nhược
điểm lớn cụ thể đó là:
 Khó hình thành hỗn hợp nghèo, đồng nhất: yêu cầu của động cơ HCCI đó là

hình thành được hỗn hợp nghèo mà đồng nhất để đảm bảo chất lượng quá trình
cháy cũng như yêu cầu về tính kinh tế, để làm được điều này phải điều khiển một
cách chính xác các thơng số đầu vào, hệ thống nhiên liệu, nạp xả, tuần hồn khí
thải phải làm việc chính xác. Đối với động cơ HCCI sử dụng nhiên liệu xăng dễ
hình thành hỗn hợp đồng nhất do tính chất lý hóa của nhiên liệu, nhưng đối với
động cơ HCCI diesel việc hình thành hỗn hợp đồng nhất gây khó khăn hơn nhiều
vì tính chất diesel khó bay hơi.
 Khó khăn trong việc điều khiển quá trình cháy: điều khiển thời điểm tự cháy,

thời gian cháy, nhiệt độ cháy…
-

Ở động cơ xăng thời điểm cháy được điều khiển bằng cách thay đổi thời điểm
bugi đánh lửa hay là điều chỉnh góc đánh lửa sớm, Đối với động cơ diesel được
thực hiện bằng cách thay đổi thời điểm phun nhiên liệu hay điều chỉnh góc phun
sớm nhằm tối ưu cho quá trình cháy. Tuy nhiên ở động cơ HCCI việc điều chỉnh
thời điểm tự cháy không hề đơn giản do hỗn hợp đã được chuẩn bị từ trước: hỗn

ĐỐT CHÁY DO NÉN HỖN HỢP ĐỒNG NHẤT HCCI

TRANG 23


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

hợp khi đạt đủ nhiệt độ, áp suất thì sẽ diễn ra q trình tự cháy. Ngồi ra q trình
cháy HCCI diễn ra nhanh, đồng đều, tại mọi điểm, tốc độ tăng áp suất lớn có thể
dẫn đến tình trạng cháy gấp và gây tiếng gõ cho động cơ. Vì vậy phải kiểm sốt
tốt q trình cháy của động cơ để đảm bảo cho động cơ hoạt động với thời gian
lâu dài và hiệu quả.
-

Để điều khiển được quá trình cháy phải kiểm sốt được các thơng số đầu vào như
nhiệt độ khí nạp, tính chất của nhiên liệu, lượng khí sót trong buồng cháy, lượng
khí thải được t̀n hồn, áp suất trong xylanh…Với công nghệ hiện đại như hiện
nay có thể áp dụng các cơng nghệ tiên tiến với bộ xử lý bằng điện tử nhưng vẫn có
nhiều khó khăn trong việc triển khai và rất phức tạp vì liên quan đến hoạt động
của cả hệ thống. Đây cũng là vấn đề chính mà các nhà khoa học hiện nay đang
nghiên cứu.

 Phát thải CO và HC lớn: trong động cơ HCCI do chuẩn bị quá trình cháy từ trước

nên một phần nhiên liệu bám vào thành ống nạp, xylanh và đỉnh piston làm tăng
lượng CO và HC trong khí thải. Thêm vào đó động cơ HCCI hoạt động với hỗn hợp
nghèo dẫn đến q trình cháy khơng hồn tồn, nhiệt độ cháy thấp gây khó khăn cho
q trình oxy hóa CO thành CO2. Theo những nghiên cứu của nhà khoa học người

Đức Schloz thì nồng độ phát thải của HC của động cơ HCCI cao gấp 5 lần so với
động cơ diesel thông thường, nồng độ CO cao gấp 10 tới 20 lần so với động cơ diesel

thông thường [10].
Hình 2.8: Tỷ lệ phát thải NOx, HC, CO theo λ
 Dải làm việc bị hạn chế và chuyển đổi giữa các chế độ làm việc khó

khăn: như đã trình bày ở phần nguyên lý hoạt động động cơ HCCI chỉ làm
việc phù hợp ở chế độ tải nhỏ và trung bình do bị giới hạn bởi các yếu tố
tiếng gõ, NOx và không cháy.
Ở chế độ tải nặng nếu vẫn duy trì nguyên lý cháy HCCI thì động cơ xuất hiện tiếng
gõ kim loại hoặc không cháy, động cơ làm việc với tiếng ồn và tải trọng cơ hoc lớn đồng
thời hao tốn nhiên liệu, lượng chất độc hại trong khí thải cũng tăng nhanh. Nguyên nhân
là do trong chế độ tải nặng tốc độ động cơ cao hỗn hợp khó tự cháy hơn do khơng đủ thời
gian để phản ứng. Mặt khác để đảm bảo cho công suất của động cơ hoạt động ở chế độ
ĐỐT CHÁY DO NÉN HỖN HỢP ĐỒNG NHẤT HCCI

TRANG 24


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

tải nặng thì phải cung cấp một lượng nhiên liệu nhiều hơn, trong khi đó nhiệt độ động cơ
và khí thải cao làm nhiên liệu hồ trộn khơng đều với khơng khí, mật độ nhiên liệu chênh
lệch q mức cho phép, lúc đó hỗn hợp quá dễ bốc cháy và cháy gấp, khơng hồn tồn nên
khơng thể kiểm sốt được q trình cháy làm giảm cơng suất và hiệu suất của động cơ,
điều này là một trở ngại lớn vì động cơ thường làm việc trong chế độ này. Để tránh tiếng
gõ và khó tự cháy phương án được đưa ra và sử dụng nhiều nhất đó là động cơ HCCI sẽ

chuyển sang hoạt động tương tự như động cơ cháy cưỡng bức SI và động cơ nén cháy CI,
nhược điểm của hai loại động cơ SI và CI là ở chế độ tải nặng nhiên liệu cháy khơng
hồn tồn, nhiệt độ cháy lớn gây ra hao tốn nhiên liệu và tăng NOx, HC và PM.

Hình 2.9: Đồ thị cơng suất động cơ HCCI với nhiên liệu LPG
Hình 2.9 là một kết quả nghiên cứu cải tạo động cơ diesel 1xylanh thành động cơ
HCCI của trường ĐH BK Đà Nẵng, sau khi cải tạo động cơ hoạt động với nhiên liệu
LPG, [11] tỷ số nén ε = 16, tốc độ định mức 2200v/ph. Dựa vào đồ thị có thể thấy động
cơ hoạt động ổn định với n = 700- 1200v/ph nhưng từ n > 1200v/ph công suất của động
cơ giảm và lượng tiêu hao nhiên liệu tăng nhanh.
Ngược lại ở chế độ khởi động và cầm chừng nhiệt độ động cơ q thấp, lượng khí
thải t̀n hồn khơng đủ sấy nóng khí nạp nên động cơ cũng khơng cháy theo nguyên lý
HCCI được, mặc dù có thể trang bị bộ sấy lắp trên đường nạp hoặc sử dụng bugi xông và
các phụ gia cho nhiên liệu nhưng những nghiên cứu gần đây cho thấy không được thành
công cho lắm, phương pháp được sử dụng nhiều là dùng bugi đánh lửa hoặc điều khiển hệ
thống nhiên liệu như của động cơ diesel, khi đủ nhiệt độ và áp suất thì chuyển đổi chế độ
qua HCCI.
Từ đó cho thấy muốn tăng dải làm việc và chuyển đổi chế độ một cách dễ dàng thì
cần nghiên cứu trong một thời gian nữa để động cơ HCCI hoạt động tốt trong tương lai.
 Giá thành cao: giá thành của động cơ HCCI phụ thuộc chủ yếu vào các hệ
thống được trang bị cho động cơ, một động cơ HCCI được cho là hoàn thiện
gồm rất nhiều hệ thống có trong nó: phân phối khí thơng minh, t̀n hồn
khí thải, tăng áp, hệ thống nhiên liệu điều khiển bằng điện tử, ngồi ra có thể
ĐỐT CHÁY DO NÉN HỖN HỢP ĐỒNG NHẤT HCCI

TRANG 25