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

I


II


III


IV

V


VI


LỜI CẢM ƠN
Trước ti n, m in c m ơn nhà trư ng và u th c đã â ựng m i trư ng
học tập tốt, tru ền đạt iến thức c ng như nh ng inh nghiệm để m c thể gặt hái
được thành qu trong các năm ua.
Đặc iệt, m in g i i c m ơn chân thành đến th L Vĩnh Đạt. Th à ngư i
hướng n nhiệt t nh, u n đưa ra nh ng nhận t đ ng đắn để m hoàn thành được đề
tài tốt nghiệp kịp th i và hoàn thiện nhất có thể.
Sau cùng, tuy có nhiều nỗ lực, nhưng o th i gian thực hiện đề tài không nhiều
và kiến thức, kinh nghiệm còn hạn chế n n đồ án tốt nghiệp còn nhiều thiếu s t. Do đ ,
m ính mong u th c , ạn
th ng c m và rất mong nhận được
iến từ mọi
ngư i để hoàn thiện đề tài tốt hơn.
m in chân thành c m ơn

Tp.Hồ Chí Minh, ngà 25 tháng 01 năm 2018
Nh m sinh vi n thực hiện:
Nguyễn Minh Thành
Phạm Hồng Đắc Thịnh

VII

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 ại, vận chuyển ngà càng tăng của
con ngư i trên tồn thế giới. Ơ tơ g n như à phương tiện chủ lực đáp ứng mọi nhu c u
đ . C ng nghệ ô tô là một ngành khoa học kỹ thuật phát triển rất nhanh trên phạm vi
toàn thế giới, để đáp ứng nhu c u tr n đã àm cho tốc độ gia tăng số ượng ô tô trên thế
giới rất nhanh. Do đ , t nh h nh giao th ng ngà càng phức tạp và n y sinh ra các vấn
đề cấp bách c n ph i gi i quyết như tai nạn giao thông, ô nhiễm m i trư ng, khủng
ho ng nhiên liệu… Để gi i quyết các vấn đề đ , đòi hỏi ngành công nghệ ô tô ph i 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 đ i nh ng chiếc xe ngày càng hoàn h o với tính năng vận
hành, tính an tồn vượt trội và thân thiện với m i trư ng, đồng th i có hiệu suất cao.
Một trong nh ng động cơ đang được các nhà s n xuất nghiên cứu và đã được áp dụng
tr n
đ à động cơ tự cháy do nén hỗn hợp đồng nhất HCCI (Homogeneous charge
compression ignition). Động cơ HCCI à một sự kết hợp gi a động cơ ăng th ng
thư ng, động cơ i s và à một trong nh ng động cơ được khách hàng quan tâm hiện
nay khi mua xe ơ tơ vì nh ng lợi ích mà nó mang lại khi s dụng như: tiết kiệm nhiên
liệu, gi m ô nhiễm m i trư ng, đạt được hiệu qu cao hơn 30% so với động cơ ăng
th ng thư ng, có thể hoạt động tr n ăng, i s và h u hết các nhiên liệu thay thế. Và
trong quá trình học tập, m đã được tiếp xúc, tìm hiểu trên các bài báo và nhận thấy
đâ à đề tài i n uan đến chu n nghành cơ hí động lực của mình. Chính vì vậy
ch ng m đã chọn đề tài tốt nghiệp: “ Nghiên cứu động cơ tự cháy do nén hỗn hợp
đồng nhất HCCI ”.
Đề tài ” nghi n cứu động cơ tự cháy do nén hỗn hợp đồng nhất HCCI ” c ng gi p
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 t m hiểu được các nội dung sau:
 Khái quát tình hình phát triển của động cơ HCCI.
 Lý thuyết về q trình cháy và các thơng số nh hưởng tr n động cơ HCCI.
 Bước phát triển của HCCI à động cơ GDCI.

VIII


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP..............................................................................III
PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ................ Error! Bookmark not defined.
PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ................ Error! Bookmark not defined.
XÁC NHẬN HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN ......................... Error! Bookmark not defined.
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. VII
TÓM TẮT ...................................................................... Error! Bookmark not defined.
MỤC LỤC .................................................................................................................... IX
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .......................................................................... XII
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ................................................................ XV
DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................................... XVIII
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ...........................................................................................1
1.1 L

o chọn đề tài. ....................................................................................................1

1.2 Mục ti u nghi n cứu................................................................................................2
1.3 Phạm vi nghi n cứu. ................................................................................................2
1.4 Phương pháp nghi n cứu.........................................................................................2
1.5 Nội ung nghi n cứu. ..............................................................................................2
CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ HCCI.......................................................4
2.1 Lịch s h nh thành động cơ HCCI ...........................................................................4
2.2 Ngu n

hoạt động của động cơ HCCI. ...............................................................6

2.3 Ưu và nhược điểm của động cơ HCCI ....................................................................6
2.3.1 Ưu điểm của động cơ HCCI ...........................................................................6
2.3.2 Nhược điểm động cơ HCCI..........................................................................10
2.4 Thách thức và tiềm năng .......................................................................................12
2.4.1 Thách thức ....................................................................................................12
a. Kiểm soát th i điểm đánh

a tr n một

i tốc độ và t i trọng ................13

. Mở rộng phạm vi hoạt động sang chế độ t i cao......................................13
c. Kh năng ắt đ u ạnh ..............................................................................14
IX


. Phát th i H rocac on và Car on Monoxide ..........................................14
2.4.2 TIỀM NĂNG ................................................................................................14
a.Kiểm soát th i điểm đánh

a ....................................................................14

.Kiểm soát tốc độ cháy cho vận hành cao ..................................................15
c.Khởi động ạnh ..........................................................................................16
. Kiểm sốt hí th i.....................................................................................16
. Hoạt động tạm th i ...................................................................................17
f. Hệ thống điều hiển ..................................................................................18
g. Phát triển hệ thống nhi n iệu ...................................................................18
h. Hiệu ứng nhiều xylanh .............................................................................19
i. Mơ hình cháy .............................................................................................19

2.5 Nh ng phát triển g n đâ của động cơ HCCI .......................................................20
2.5.1 Hiểu iết cơ

n............................................................................................22

2.5.2 Nh ng tiến ộ trong điều hiển tốc độ và t i ..............................................23
2.5.3 Kết u s

ụng nhi n iệu hác nhau .........................................................24

2.5.4 Ứng ụng đ u ti n của c ng nghệ HCCI.....................................................25
CHƯƠNG III: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP
VÀ CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ ...................................................................................28
3.1 Các phương pháp h nh thành hỗn hợp tr n động cơ HCCI. .................................28
3.1.1 H nh thành hỗn hợp

n ngoài (PFI) ............................................................28

3.1.2 H nh thành hỗn hợp bên trong xylanh. .........................................................29
a. Phun sớm nhi n iệu vào đ u hành tr nh n n...........................................29
b. Phun muộn ...............................................................................................32
3.2 Quá tr nh chá của động cơ. .................................................................................34
3.2.1 Tính chất tỏa nhiệt ........................................................................................34
3.2.2 Điều hiển uá tr nh chá trong động cơ HCCI. .......................................35
3.3 Các th ng số đặc trưng của uá tr nh chá . ..........................................................36
3.3.1 Tốc độ tỏa nhiệt trong

anh động cơ.........................................................36

3.3.2 Xác định th i điểm ắt đ u chá . ................................................................39

X


3.3.3 Các th ng số chỉ thị của động cơ..................................................................40
a. Áp suất chỉ thị trung

nh pi .....................................................................40

. Hiệu suất chỉ thị của động cơ ηi ...............................................................41
3.3.4 Giới hạn hoạt động và hí th i .....................................................................42
CHƯƠNG IV: MỘT SỐ BƯỚC PHÁT TRIỂN MỚI TRÊN ĐỘNG CƠ HCCI .........46
4.1 Quá tr nh phát triển của GDCI. .............................................................................46
4.2 Các phương pháp h nh thành hỗn hợp tr n GDCI ...............................................51
4.2.1 H nh thành hỗn hợp

n ngoài .....................................................................51

4.2.2 H nh thành hỗn hợp bên trong ......................................................................56
4.3 Quá tr nh phun và các nh hưởng tr n GDCI… ......................................................61
4.3.1 Quá trình phun.............................................................................................61
4.3.2 Ảnh hưởng của uá tr nh phun n sự chá và phát th i ............................64
a. Động cơ đốt trong ổn định ưới chế độ t i thấp......................................64
b. Ảnh hưởng của cấu h nh phun tr n sự chá th ng thư ng và PPCI ưới
một tốc độ động cơ của 1200r / min và phun ượng 20mg / stro .............69
CHƯƠNG V: NHỮNG THÀNH CÔNG MỚI NHẤT CỦA ĐỘNG CƠ HCCI..........73
5.1 T nh h nh c ng nghệ động cơ HCCI.....................................................................73
5.2 Động cơ S activ-X của Maz a...........................................................................77
5.2.1 Giới thiệu.....................................................................................................77
5.2.2 Thành c ng trong phát triển động cơ...........................................................79
a. Ưu điểm của việc chá hỗn hợp ngh o....................................................79

b. Kiểm soát n n đánh

a ằng u gi.........................................................79

5.2.3 Nh ng giá trị của S activ - X mang ại.....................................................83
CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN..........................................................................................86
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................87

XI


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
A/F

(Air to Fuel ratio): tỷ ệ h ng hí nhi n iệu

AR

(Active Radical): hoạt động triệt để

ARC

(Active Radical Combustion): hoạt động chá triệt để

ATAC

(Activ Th rmo Atmosph ric Com ustion): hoạt động gia nhiệt cho
uồng cháy

ATDC

(After Top Dead Center): sau điểm chết tr n

BDC

(Bottom Dead Center): điểm chết ưới

BMEP

(Brake Mean Effective Pressure): áp suất hiệu ụng trung

nh c ích

BSFC

(Brake Specific Fuel Consumption): ti u hao nhi n iệu có ích

CAI

(Controlled Autoignition): điều hiển tự chá

CCS

(Combat Combustion System): hệ thống iểm soát uá tr nh chá

CFD

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

CI

(Compression Ignition): n n đánh

a

CIDI

(Compression-Ignition Direct-Injection): n n chá phun trực tiếp

CIHC

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

COV

(Coefficient Of Variation): hệ số iến thi n

CR

(Compression Ratio): tỷ số n n

CVI

(Close Valve Injection): đ ng van phun

ĐCĐT

Động cơ đốt trong

EGR

(Exhaust Gas Recirculation): luân hồi khí th i

EMS

(Electronically-Modulated Suspension): hệ thống tr o điều iến điện t

EOC

(Engine Oil Cooler): àm mát

EOI

(End Of Injection): ết th c phun

u

i trơn

XII


GDCI

(Gasonline Direct Compression Igition): Động cơ phun ăng trực tiếp
tự chá

GDI

(Gason in Dir ct Inj ction): phun ăng trực tiếp

GM

(General Motors): Hãng ôtô GM

HCCI

(Homog nous Charg Compr ssion Ignition): chá
đồng nhất

HCLI

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

HFS

(H av Fu Stratification): phân t ng nhi n iệu nặng

HLSI

(Homogenous Lean Charge Spark Ignition): chá hỗn hợp ngh o đồng
nhất

HPLI

(High
cao

IMEP

(In icat

ISFC

(Indicated Specific Fuel Consumption): Suất ti u hao nhi n iệu chỉ thị

IVO

(In t Va v Op ning):

MCCT
MK
MULDIC

Pr mi

o n n hỗn hợp

Lat Inj ction): phun muộn hỗn hợp được hòa trộn

M an ff ctiv Pr ssur ): áp suất chỉ thị trung

nh

upap nạp mở

M i Chất C ng Tác
(Mo u at

Kin tics): điều biến động lực học

(Multiple Stage Diesel Combustion): chá n n hỗn hợp được h nh
thành nhiều giai đoạn

NADI

(Narrow Ang Dir ct Inj ction): thu hẹp g c phun nhi n iệu

ODT

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

OKP

(Optimised Kinetic Process): uá tr nh ph n ứng tối ưu

OVI

(Op n Va v Inj ction): mở van phun

PCCI

(Premixed Charge Compression Ignition): chá
thành từ trước

o n n hỗn hợp h nh

PFI

(Port Fuel Injection): phun nhi n iệu tr n cổ nạp

PFS

(Partial Fuel Stratification): phân t ng nhi n iệu một ph n
XIII


PNGV

PPCI
PREDIC

(Partn rship for a N w G n ration of V hic s): hợp tác cho một thế
hệ mới
(Partially Premixed Charge Compression Ignition): trộn một ph n hỗn
hợp n n đánh a
(Premixed Lean Diesel Combustion): chá
thành từ trước

o n n hỗn hợp ngh o h nh

R&D

(R s arch an D v opm nt): nghi n cứu và phát triển

SACI

(Spark-Assist

spark

SCCI

(Stratified Charge Compression Ignition): phân t ng hỗn hợp n n đánh
l a

SI

Compr ssion Ignition): n n đánh

(Spark Ignition): đánh

a cưỡng ức

SMD

(Saut r M an Diam t r): đư ng ính trung

SOI

(Start Of Inj ction): ắt đ u phun

SPCCI

(Spark- Contro
cháy

a được hỗ trợ ằng

nh Saut r

Compr ssion Ignition): iểm soát đánh

TDC

(Top Dead Centre): điểm chết tr n

TDI

(Turbo-Di s Dir ct Inj ction): phun trực tiếp tur o-diesel

UNIBUS

an n

(Uniform Bulky Combustion S st m): hệ thống chá đồng nhất vùng
ớn

VCR

(Variable Compression Ratio): tỷ ệ n n iến thi n

VVA

(Variable Valve Actuation): ộ điều hiển u pap iến thi n

VVC

(Variable Valve Control): điều hiển upap iến thi n

VVT

(Variable Valve Timing): phân phối hí iến thi n

XIV


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 2.1: Động cơ diesel bầu nhiệt (2 kỳ) ..................................................................4
Hình 2.2: So sánh q trình cháy thơng thường và q trình cháy HCCI ................6
Hình 2.3: So sánh áp suất trong xylanh của HCCI và động cơ xăng .........................7
Hình 2.4: Vùng làm việc chính của động cơ HCCI ....................................................8
Hình 2.5: Cơ chế hình thành NOx và bồ hóng của các loại động cơ .........................8
Hình 2.6: So sánh phát thải NOx của các loại động cơ ..............................................9
Hình 2.7: Mơ hình động cơ HCCI đa nhiên liệu của Zhen Huang ..........................10
Hình 2.8: Tỷ lệ phát thải NOx, HC, CO theo λ .........................................................11
Hình 2.9: Đồ thị cơng suất động cơ HCCI với nhiên liệu LPG ................................12
Hình 2.10: Quan sát mặt bên và mặt trước của động cơ 2,5 lít của Nissan MK ......26
Hình 2.11: Mặt cắt về hoạt động tải của Honda.......................................................26
Hình 3.1: Các phương pháp phun nhiên liệu của động cơ HCCI ............................28
Hình 3.2: So sánh chất lượng và hình dạng phun FREDIC và diesel truyền thống .30
Hình 3.3: So sánh hình dạng phun diezen truyền thống và PREDIC........................30
Hình 3.4: Quy luật cấp nhiên liệu hệ thống MULDIC..............................................30
Hình 3.5: Bảng đồ vùng làm việc động cơ UNIBUS.................................................31
Hình 3.6: Kết cấu buồng cháy của hệ thống NADI .................................................31
Hình 3.7: Ảnh hưởng của phun muộn đến tốc độ tỏa nhiệt.......................................32
Hình 3.8: Vùng hoạt động của động cơ ....................................................................33
Hình 3.9: Đặc tính tỏa nhiệt của các loại động cơ ...................................................34
Hình 3.10: Sơ đồ điều khiển thời điểm cháy động cơ HCCI theo vịng kín ..............35

Hình 3.11: Minh họa nhiệt tích lũy xác định thời điểm cháy ....................................36
Hình 3.12: Tốc độ tỏa nhiệt trong xylanh theo góc quay trục khuỷu .......................39
Hình 3.13: Đạo hàm tốc độ tỏa nhiệt trong xylanh theo góc quay trục khuỷu .........39
Hình 3.14: Phương pháp cơ lập các điểm cực đại của đạo hàm tốc độ tỏa nhiệt
trong xylanh theo góc quay trục khuỷu .....................................................................40
Hình 4.1: Bảng lịch trình của Delphi để sản xuất động cơ GDCI nhiều xylanh vào
năm 2012 ...................................................................................................................47
Hình 4.2: Thử nghiệm động cơ xylanh đơn GDCI (Hydra) ......................................48
XV


Hình 4.3: Giai đoạn đầu tiên được Delphi hồn thành vào năm 2013 ....................49
Hình 4.4: Động cơ nhiều xylanh GDCI được Delphi thực hiện năm 2013 ..............50
Hình 4.5: Khái niệm động cơ GDCI .........................................................................51
Hình 4.6: Các sơ đồ chuẩn bị hỗn hợp bên ngoài khác nhau trong động cơ đốt
trong HCCI hỗn hợp .................................................................................................52
Hình 4.7: Số lượng dầu bám dính tối đa trên cổng nạp và trong xylanh đồng nhất
hỗn hợp cho các kết thúc khác nhau của thời gian phun PFI ...................................54
Hình 4.8: Phần nhỏ của nhiên liệu bốc hơi như là một chức năng của nhiệt lượng
tổng thể cho nhiệt độ bề mặt liên tục ........................................................................55
Hình 4.9: Mức độ không đồng nhất của (a) phần khối lượng nhiên liệu và (b)
trường nhiệt độ trong một động cơ PFI ....................................................................56
Hình 4.10: chiến lược phun nhiên liệu khác nhau và chất lượng phí dựa trên sự
phân tầng ở nhiệt độ thấp cháy bằng xăng ...............................................................57
Hình 4.11: Sự phát triển thời gian của chiều dài chất lỏng cho phun xăng và dầu
diesel tại cùng thời điểm phun nhiên liệu .................................................................58
Hình 4.12: Chiều dài chất lỏng của phun dầu diesel và xăng cho thời gian phun
nhiên liệu khác nhau .................................................................................................59
Hình 4.13: Tỷ lệ phân bố nhiên liệu-khơng khí sau khi kết thúc hút nhiên liệu vào
động cơ PPC .............................................................................................................60

Hình 4.14: (a) Tỷ lệ nhiên liệu trong lần phun đầu tiên (thí điểm) và (b) giai đoạn
trộn theo chức năng của IMEP trong quá trình cháy PPC………………...…………61
Hình 4.15: Quá trình phun GDCI được mô tả trên sơ đồ  -T với nồng độ CO ......62
Hình 4.16 a: Biểu đồ  -T ở -50 CAD ATDC (trong lần phun đầu tiên) ..................62
Hình 4.16 b: Biểu đồ  -T ở -34 CAD ATDC (phun lần thứ 2) ................................63
Hình 4.16 c: Biểu đồ  -T ở -10 CAD ATDC (trước khi bắt đầu quá trình cháy)....63
Hình 4.16 d: Biểu đồ  -T ở -0 CAD ATDC (gần bắt đầu quá trình cháy) .............63
Hình 4.16 e: Biểu đồ  -T ở 21 CAD ATDC (gần cuối quá trình cháy) ...................64
Hình 4.17: Trình báy các đặt tính cháy với kim phun. (a) IMEP: Indicated Mean
Effective Pressure.(Áp suất chỉ thị trung bình), (b) cháy hiệu quả và (c) COVIMEP
lúc áp suất lượng khác nhau và áp suất phun (dưới: động cơ tốc độ = 800r/min, số
lượng phun = 10mg/stroke; top: động cơ tốc độ = 1200r/phút, phun số lượng = 20
mg/stroke). .................................................................................................................65
Hình 4.18: COVIMEP và cháy hiệu quả theo áp suất lượng và áp suất phun (động
cơ tốc độ = 800r / min, số lượng phun = 10 mg/stroke). Một số điểm cho mỗi biểu
tượng chỉ ra những điểm mà hiệu suất cao (COVIMEP, hiệu quả cháy) đã đạt được
XVI


điều kiện cụ thể. .........................................................................................................66
Hình 4.19: Cháy đặc trưng: (a) IMEP, (b) COVIMEP và (c) cháy hiệu quả với các
kim phun áp suất lượng khác nhau và áp suất phun (động cơ tốc độ = 800r/min, số
lượng phun = 10mg/stroke). .....................................................................................67
Hình 4.20: Đặc điểm khí thải: (a) HC, (b) CO và (c) NOx với kim phun khác nhau ở
áp suất hút và áp suất phun (động cơ tốc độ = 800r / min, phun lượng = 10mg /
stroke xăng) khác nhau. ............................................................................................68
Hình 4.21: Xu hướng IMEP theo thời gian phun với kim phun khác nhau cho (a)
xăng và (b) cơ diesel (tốc độ động cơ = 1200r / min; áp suất phun = 40MPa; phun
lượng = 20mg / stroke xăng, 20.2mg / stroke diesel; lượng áp = 0.14MPa). ..........69
Hình 4.22: Sơ đồ của nhiên liệu phun từ vòi phun với phun góc độ 146 (trái) và 70

(bên phải) vào buồng cháy khi động cơ piston được đặt tại 240 CAD ATDC: After
Top Dead Center( Sau điểm chết trên). ....................................................................70
Hình 4.23: Nhiên liệu năng lượng mất mát ở thời điểm phun sớm và phun muộn
(động cơ tốc độ = 1200r/phút, số lượng phun = 20mg/stroke, phun = 8H 70)........71
Hình 4.24: HC, CO và lượng khí thải NOx theo thời gian phun của kim phun cơ sở
(8 H 146) và 8 H 70 (a) xăng và (b) động cơ diesel (động cơ tốc độ = 1200r/min; số
lượng phun = 20 mg/stroke xăng, 20,2 mg/stroke động cơ diesel)...........................71
Hình 4.25: ISNOx và ISFC cho các đầu phun khác nhau (tốc độ động cơ = 1200 r /
phút, áp suất phun = 40 MPa, lượng phun = 20 mg / giây cho xăng) .....................72
Hình 5.1: General Motors đã đưa nguồn R & D đáng kể vào nghiên cứu cơng nghệ
HCCI .........................................................................................................................73
Hình 5.2: Động cơ Skyactiv-X ..................................................................................78
Hình 5.3: Bản đồ để đi đến động cơ đốt trong lý tưởng............................................79
Hình 5.4: SPCCI ......................................................................................................80
Hình 5.5: Skyactiv-X: cấu trúc cơ bản của hệ thống................................................81
Hình 5.6: Phân bố hỗn hợp nhiên liệu khơng khí trong SPCCI................................82
Hình 5.7: Phạm vi mở rộng của SPCCI (cháy).........................................................83
Hình 5.8: Mục tiêu hiệu suất đầu ra của Skyactiv-X.................................................84
Hình 5.9: Những con số mục tiêu cho hiệu suất sử dụng nhiên liệu của SkyactivX.................................................................................................................................85

XVII


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: B ng t m tắt về nh ng phát triển g n đâ về c ng nghệ HCCI
…………………………………………………………………..…………………20,21

XVIII

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 ngà na chủ ếu tập trung vào các mục ti u
chính à nâng cao hiệu u và đặc tính ỹ thuật của động cơ, nâng cao tính inh tế nhi n
iệu và gi m các thành ph n phát th i độc hại. Các gi i pháp để đạt được các mục ti u
tr n ao gồm nghi n cứu c i thiện và nâng cao hiệu u uá tr nh chá , nghi n cứu các
phương án h nh thành hỗn hợp và hệ thống đánh a mới, nghi n cứu các gi i pháp gi m
phát th i và
hí th i…
Sự ra đ i của động cơ đốt trong (ĐCĐT) là một ước tiến vĩ đại của nền hoa học
thế giới, ĐCĐT được s ụng như là nguồn động ực phổ iến trong các ĩnh vực c ng
nghiệp, n ng nghiệp, âm nghiệp, ngư nghiệp, uân sự, an ninh, uốc phòng, giao th ng
vận t i…Nga từ hi ra đ i động cơ đốt trong được chia àm hai oại chính: động cơ
đánh a cưỡng ức (động cơ ăng) và động cơ n n chá (động cơ diesel).
Ngà na , ph n ớn các động cơ đánh a hoạt động với hỗn hợp tưởng để đạt
được hiệu u cao nhất cho uá tr nh
hí th i. Vì hệ số ư ượng h ng hí g n như
h ng đổi, n n muốn tha đổi t i trọng của động cơ, c n điều chỉnh ượng hí nạp mới đi
vào trong
anh động cơ, th ng ua ướm ga ắp tr n đư ng nạp. Do c ướm ga, tổn
thất trong uá tr nh nạp tăng, tổn hao công hút ớn, gi m hiệu suất động cơ. Trong hi tỷ
số n n của động cơ h ng thể tăng n uá cao o ị giới hạn ởi hiện tượng ích nổ,
thơng thư ng tỷ số n n của động cơ đánh a nằm trong ho ng từ 6 đến 12. V vậ động
cơ đánh a c hiệu suất thấp và phát th i hí th i ớn.
Ngoài ra ĐCĐT s ụng nhi n iệu là u mỏ gâ ra cạn iệt tài nguyên thiên
nhi n mặt hác ại nhiễm m i trư ng nghi m trọng. Th o các nhà nghi n cứu thuộc đại

học Ca ifornia: thế giới sẽ cạn iệt u mỏ ho ng 100 năm trước hi c đủ các nguồn
năng ượng tha thế nếu việc s ụng u mỏ và phát triển các nhi n iệu mới tiếp tục với
tốc độ như hiện na . D u mỏ sẽ cạn iệt vào năm 2041 hoặc lâu hơn là vào năm 2054.
Chính v vậ việc u c u s ụng nhi n iệu sao cho hợp là một vấn đề đặt ra đối với
động cơ đốt trong trong giai đoạn hiện nay.
Với ngu cơ nhiễm m i trư ng và hiệu ứng nhà ính các uốc gia đã iểm sốt
thành ph n hí th i động cơ một cách chặt chẽ ằng cách đưa ra các ti u chuẩn về khí
th i ngà càng hết sức hắt he.
Với nh ng u đinh nghi m ngặt về ti u chuẩn hí th i ngà càng cao. Ti u chuẩn
hí th i của các uốc gia hu vực và uốc gia u định các ti u chí hí th i phổ iến như:
uro, Nhật, Mỹ ( SP)… Tất c các ti u chuẩn hí th i định mức về nồng độ của các oại
hí sinh ra trong uá tr nh
hoạt động như nitrog n o i (NOx), hydrocarbons (HC),
carbon monoxide (CO) và các hạt vật chất (PM), h i đ n… đối với các oại động cơ
hác nhau với các ung tích
anh hác nhau. Mục ti u của các ti u chuẩn nà à để ọai
trừ nh ng chiếc tạo ra uá nhiều nhiễm ( o hỏng h c ha c ...) và c ng v mục đích
ĐỐT CHÁY DO NÉN HỖN HỢP ĐỒNG NHẤT HCCI

TRANG 1


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

o vệ m i trư ng. Các nhà s n uất
c ng v thế mà c động ực và c áp suất nhằm
tạo ra nh ng chiếc
anh hơn, sạch hơn, phù hợp với nh ng ti u chuẩn uro cao hơn.

Và một gi i pháp tha thế đ hứa hẹn à động cơ tự chá o n n hỗn hợp đồng
nhất (HCCI). M h nh chá HCCI với các ưu điểm về hiệu suất nhiệt cao và phát th i
NOx và PM rất nhỏ à một trong nh ng hướng nghi n cứu phát triển động cơ trong tương
lai, n cạnh đ động cơ nà rất thích hợp s ụng các oại nhi n iệu tha thế c nguồn
gốc sinh học. Đ à
o m chọn đề tài: “Nghiên cứu động cơ tự cháy do nén hỗn hợp
đồng nhất (HCCI)”.
1.2 Mục tiêu nghiên cứu
Đồ án c mục đích tổng thể à nghi n cứu về uá tr nh h nh thành hỗn hợp và chá
trên động cơ (HCCI).
Mục ti u cụ thể của đồ án à:
- Nghi n cứu phương pháp h nh thành hỗn hợp tr n động cơ HCCI
- Đánh giá tính tỏa nhiệt, ác định th i điểm ắt đ u chá và điều hiển uá tr nh
chá của động cơ HCCI.
- Xác định được các ngu n tắc đốt của động cơ HCCI.
- Đ m đến cho ngư i đọc cái nh n mới hơn và cung cấp th m th ng tin tham h o
cho sinh vi n trong và ngoài trư ng nghi n cứu về động cơ tự chá o n n đồng nhất
(HCCI).
1.3 Phạm vi nghiên cứu.
- Đề tài của nh m chủ ếu nghi n cứu
đồng nhất (HCCI)

thu ết về động cơ tự chá

o n n hỗn hợp

- Phạm vi của đề tài chủ ếu tập trung nghi n cứu về uá tr nh h nh thành hỗn hợp
và uá tr nh chá c ng như chế độ chá trên động cơ HCCI.
1.4 Phương pháp nghiên cứu.
Trong quá trình thực hiện nghi n cứu đề tài nh m m đã s

nghi n cứu sau:
- Nghi n cứu

ụng các phương pháp

thu ết ết hợp với tài iệu sách nước ngoài về HCCI.

- Phương pháp tra cứu và tổng hợp tài iệu tham h o i n uan.
1.5 Nội dung nghiên cứu.
- Chương 1: Tổng quan, chương nà n u í o chọn đề tài, các phương pháp mà tác
gi s ụng để thực hiện đề tài.

ĐỐT CHÁY DO NÉN HỖN HỢP ĐỒNG NHẤT HCCI

TRANG 2


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

- Chương 2: Giới thiệu tổng quan về động cơ HCCI, chương nà tr nh à tổng
uan về ịch s phát triển, ngu n hoạt động, ưu và nhược điểm c ng như à nh ng
phát triển g n đâ tr n động cơ.
- Chương 3: Cơ sở lý thuyết về quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trong động
cơ, chương nà tập trung nghi n cứu về uá tr nh h nh thành hỗn hợp, uá tr nh chá và
các th ng số đặc trưng của uá tr nh nà .
- Chương 4: Một số bước phát triển mới trên động cơ HCCI, chương nà sẽ tr nh
à về uá tr nh h nh thành hỗn hợp, uá tr nh phun và các nh hưởng của uá tr nh nà .
- Chương 5: Những thành tựu mới nhất của động cơ HCCI, chương nà sẽ tr nh à

nh ng điểm nổi ật của động cơ Skyactiv-X của Maz a sẽ được án vào năm 2018.

ĐỐT CHÁY DO NÉN HỖN HỢP ĐỒNG NHẤT HCCI

TRANG 3


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 ni n đ u thế ỷ XXI một ượng các c ng tr nh hoa học đã được uất
n i n uan đến m h nh chá HCCI cho động cơ i s và CAI cho động cơ ăng tr n
động cơ đốt trong [1].
 Động cơ diesel HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition: tự cháy do
n n hỗn hợp đồng nhất).
Nguồn gốc ngu n
chá nà đã được ứng ụng tr n động cơ c t n Hot u
ngin (động cơ i s
u nhiệt) của H r rt A ro Stuart vào cuối thế ỷ XIX [2].
Tr n động cơ nà , u ho hoặc u th được phun vào trong u nhiệt nga từ đ u uá
tr nh n n, hoàn toàn đủ th i gian để nhi n iệu a hơi và hoà trộn với h ng hí. Trong
uá tr nh hởi động, u nhiệt được sấ n ng trước ằng cách ùng ngọn a cháy từ n
ngoài. Sau hi hởi động, u nhiệt v n gi được nhiệt nh uá tr nh chá nhi n iệu n
trong u. Nhiệt độ u ớn đến nỗi nhi n iệu a hơi g n như nga ập tức hi tiếp c
với ề mặt của u. Do hỗn hợp được hoà trộn từ rất sớm, n n c thể tạo được hỗn hợp
đồng nhất, ết u
n đến hỗn hợp tự chá hi piston tiến g n đến TDC.

Từ nghi n cứu của H r rt A ro Stuart ngu n
chá o n n hỗn hợp đồng
nhất đã ắt đ u được phát triển: động cơ má a 2 ỳ o một c ng t nhỏ ở Anh s n
uất c t n à Progr ss A ro Wor s (PAW) từ nh ng năm 1940. Tu nhi n, đến gi a
thập ni n 90, nh ng nghi n cứu đã ắt đ u c hệ thống hơn và tập trung vào h năng
ứng ụng m h nh chá HCCI cho động cơ i s tr n t , ết u nghi n cứu c tính
h uan nhất đ à phương pháp cung cấp nhi n iệu i s cho động cơ HCCI s ụng
hệ thống nhi n iệu Common Rail phun nhi n iệu hi piston ở trong ỳ n n, được phát
triển ởi c ng t Nissan, Nhật B n [3] từ đ nhiều c ng tr nh nghi n cứu đã đạt được
nh ng thành c ng trong việc iểm soát uá tr nh chá , gi m ti u hao nhi n iệu, gi m
NOx và PM.

ĐỐT CHÁY DO NÉN HỖN HỢP ĐỒNG NHẤT HCCI

TRANG 4


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 2.1: Động cơ diesel bầu nhiệt (2 kỳ)
1: B u nhiệt 2:

anh 3: piston 4: cáct - trục huỷu

 Động cơ xăng CAI (Controlled Auto Ignition: Điều hiển tự chá ).
Nh ng nghi n cứu đ u ti n của động cơ ăng chá th o ngu n
HCCI/CAI là
của Onishi [4] và Noguchi cùng cộng sự của m nh trong năm 1979. Tu nhi n cơ sở lý

thu ết ựa th o nghi n cứu của nhà hoa học ngư i Nga Ni o ai S m nov cùng đồng
nghiệp trong nh ng năm 1930, đã th c đẩ các nhà hoa học sau nà tiếp tục nghi n cứu
nhằm điều hiển uá tr nh chá , gi p cho uá tr nh chá ngh o trở n n ổn định hơn.
Sau c ng tr nh đ u ti n của Onishi và Noguchi, đã ùng nổ một u hướng nghi n
cứu và phát triển động cơ ăng 2 ỳ s ụng m h nh chá nà , điển h nh à của hãng
Hon a với động cơ CAI đ u ti n được s n uất và ắp tr n t , động cơ
má ARC 2
ỳ với ung tích 250cc [5]. Các động cơ nà s ụng năng ượng nhiệt của hí s t để đẩ
mạnh uá tr nh tự chá CAI, Hon a ác nhận gi m ti u hao nhi n iệu n tới 29% đồng
th i thành ph n HC chưa chá c ng gi m.Từ đ mở rộng nghi n cứu động cơ CAI phát
triển tr n động cơ đốt trong 4 ỳ như: nghi n cứu của Najt và Fost r tr n động cơ 4 ỳ 1
anh vào năm 1983. Năm 1992, Stoc ing r cùng cộng sự đã tr nh à nghi n cứu đ u
ti n về động cơ ăng 4
anh hoạt động nh h năng tự chá của nhi n iệu trong i
tốc độ và t i trọng giới hạn th ng ua việc nâng tỷ số n n và sấ n ng hí nạp. Đặc iệt
à các c ng tr nh nghi n cứu tha đổi pha phối hí tại hãng t Lotus (VQ.Anh), Vo vo
(Thụ Điển), đại học Brun (VQ. Anh), viện h a u pháp (IFP) đã cho thấ h năng
ứng ụng động cơ CAI à rất ớn.
Trong nh ng năm g n đâ , h năng gi ại một ph n hí s t và tu n hồn hí th i
để ích thích và điều hiển uá tr nh tự chá CAI đã được chứng minh ởi một số ượng
ớn các nhà nghi n cứu, v vậ nh ng động cơ thương mại c thể hoạt động ưới m
h nh chá CAI mà h ng c n thiết ph i tha đổi ết cấu an đ u (tiết iệm chi phí) của
động cơ và phương tiện.
Trong vòng hai thập ni n trở ại đâ , một số ượng ớn thuật ng đã được gán cho
các mô h nh chá mới này của động cơ đốt trong, ao gồm ATAC (Activ Th rmo
Atmospheric Combustion), TS (Toyota Soken), ARC (Active Radical Combustion) trên
động cơ 2 ỳ, CIHC (Compr ssion Ignit Homog nous Charg ), Homog nous Charg
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

Proc ss), ... Tất c các thuật ng tr n đều mô t 2 ngu n của mô h nh chá mới: hỗn
hợp nhi n iệu và h ng hí được h nh thành đồng nhất từ trước và hỗn hợp tự chá [6].
Để thống nhất hái niệm động cơ mới nà th g n đâ các nhà hoa học đã c ng nhận
hái ni m HCCI cho ngu n chá mới và HCCI là thuật ng u nhất để thể hiện uá
tr nh chá mới tr n động cơ i s hoặc động cơ đốt trong hác như ăng, gas, nhi n iệu
ĐỐT CHÁY DO NÉN HỖN HỢP ĐỒNG NHẤT HCCI

TRANG 5