i
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG
NGUYỄN SỸ NGỌC
51 CKOT
PHÂN TÍCH ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU, NGUYÊN LÝ HOẠT
ĐỘNG VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ
HCCI LÀM NGUỒN ĐỘNG LỰC CHO Ô TÔ, MÁY KÉO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ÔTÔ

GVHD: ThS. MAI SƠN HẢI

NHA TRANG - 2013 i

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


ĐIỂM CHUNG
Bằng số Bằng chữ iii

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

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

vi

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

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

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

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

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

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

Xăng

Diesel

Xăng

Diesel

Xăng

Diesel

Euro I

3,16

1,13

-

-

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

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

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

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

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