Trong nhiệm vụ ngày càng nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm lượng khí thải, một ý tưởng cũ và rất hứa hẹn đã tìm thấy sức sống mới. Công nghệ HCCI (Đánh lửa nén nạp đồng nhất) đã có từ lâu nhưng gần đây mới nhận được sự quan tâm và nhiệt tình mới. Trong khi những năm đầu chứng kiến nhiều trở ngại không thể vượt qua (vào thời điểm đó) mà câu trả lời sẽ chỉ đến khi các thiết bị điện tử điều khiển bằng máy tính tinh vi được phát triển và trưởng thành thành các công nghệ đáng tin cậy, thì tiến độ vẫn bị đình trệ. Thời gian, lẽ thông thường đã phát huy tác dụng kỳ diệu của nó và gần như mọi vấn đề đã được giải quyết. HCCI là một ý tưởng mà thời gian của nó đã đến với gần như tất cả các bộ phận và công nghệ cũng như bí quyết để biến nó thành hiện thực.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu cơ bản về động cơ HCCI, cách thức hoạt động cũng như ưu nhược điểm của nó.
HCCI là gì?
Đánh lửa nén nạp đồng nhất (HCCI) là một hình thức đốt trong, trong đó nhiên liệu được trộn đều và chất oxy hóa (thường là không khí) được nén đến mức tự động bốc cháy. Cũng như các dạng đốt cháy khác, phản ứng tỏa nhiệt này giải phóng năng lượng có thể chuyển hóa trong động cơ thành công và nhiệt.
HCCI kết hợp các đặc điểm của động cơ xăng và động cơ diesel thông thường. Động cơ xăng kết hợp nạp đồng nhất (HC) với đánh lửa bằng tia lửa điện (SI), viết tắt là HCSI. Động cơ diesel phun trực tiếp hiện đại kết hợp nạp phân tầng (SC) với đánh lửa nén (CI), viết tắt là SCCI.
Như trong HCSI, HCCI phun nhiên liệu trong hành trình nạp. Tuy nhiên, thay vì sử dụng phóng điện (tia lửa) để đốt cháy một phần hỗn hợp, HCCI tăng mật độ và nhiệt độ bằng cách nén cho đến khi toàn bộ hỗn hợp phản ứng tự phát.
Động cơ HCCI là sự kết hợp của cả công nghệ đánh lửa bằng tia lửa điện thông thường và công nghệ đánh lửa nén từ động cơ diesel. Sự kết hợp giữa hai thiết kế này mang lại hiệu suất cao giống như động cơ diesel mà không gây khó khăn – và tốn kém – để đối phó với khí thải NOx và vật chất dạng hạt (muội than). Ở dạng cơ bản nhất, nó đơn giản có nghĩa là nhiên liệu (xăng hoặc E85) được trộn đồng nhất (triệt để và hoàn toàn) với không khí trong buồng đốt (rất giống với động cơ xăng đánh lửa thông thường), nhưng với tỷ lệ rất cao không khí thành nhiên liệu (hỗn hợp nghèo). Khi piston của động cơ đạt đến điểm chết trên trong hành trình nén, hỗn hợp không khí/nhiên liệu sẽ tự động bốc cháy (cháy tự nhiên và hoàn toàn mà không có sự trợ giúp của bugi) từ nhiệt nén, giống như động cơ diesel. Kết quả là tốt nhất: sử dụng ít nhiên liệu và lượng khí thải thấp.
Điều khiển HCCI yêu cầu điều khiển vi xử lý và hiểu biết vật lý về quá trình đánh lửa. Các thiết kế của HCCI đạt được lượng khí thải giống như động cơ xăng với hiệu suất như động cơ diesel.
HCCI hoạt động như thế nào?
Trong động cơ HCCI (dựa trên chu trình Otto bốn kỳ), kiểm soát phân phối nhiên liệu là điều tối quan trọng trong việc kiểm soát quá trình đốt cháy. Trên hành trình nạp, nhiên liệu được phun vào buồng đốt của mỗi xi lanh thông qua các kim phun nhiên liệu gắn trực tiếp trong đầu xi lanh. Điều này đạt được độc lập với cảm ứng không khí diễn ra thông qua bộ góp nạp. Vào cuối hành trình nạp, nhiên liệu và không khí đã được đưa vào đầy đủ và trộn lẫn trong buồng đốt của xi lanh.
Khi piston bắt đầu di chuyển ngược lên trong quá trình nén, nhiệt bắt đầu tạo ra trong buồng đốt. Khi piston đi đến cuối hành trình này, nhiệt lượng đã tích tụ đủ để làm cho hỗn hợp nhiên liệu/không khí tự bốc cháy (không cần tia lửa điện) và ép piston xuống để thực hiện hành trình công suất. Không giống như động cơ tia lửa điện thông thường (và thậm chí cả động cơ diesel), quá trình đốt cháy là một quá trình giải phóng năng lượng nhẹ, nhiệt độ thấp và không ngọn lửa trên toàn bộ buồng đốt. Toàn bộ hỗn hợp nhiên liệu được đốt cháy đồng thời tạo ra công suất tương đương, nhưng sử dụng ít nhiên liệu hơn nhiều và thải ra ít khí thải hơn trong quá trình này.
Khi kết thúc hành trình công suất, pít-tông đảo ngược hướng một lần nữa và bắt đầu hành trình xả, nhưng trước khi tất cả khí thải có thể được đẩy ra hết, các van xả đóng sớm, giữ lại một phần nhiệt đốt cháy tiềm ẩn. Nhiệt lượng này được bảo toàn và một lượng nhỏ nhiên liệu được bơm vào buồng đốt để sạc trước (giúp kiểm soát nhiệt độ đốt cháy và lượng khí thải) trước khi bắt đầu hành trình nạp tiếp theo.
Những thách thức đối với HCCI
Một vấn đề đang phát triển với động cơ HCCI là kiểm soát quá trình đốt cháy. Trong các động cơ đánh lửa truyền thống, thời gian đốt cháy được điều chỉnh dễ dàng bởi mô-đun điều khiển quản lý động cơ thay đổi sự kiện tia lửa và có lẽ là phân phối nhiên liệu. Nó gần như không dễ dàng như vậy với quá trình đốt cháy không ngọn lửa của HCCI. Nhiệt độ buồng đốt và thành phần hỗn hợp phải được kiểm soát chặt chẽ trong các ngưỡng thay đổi nhanh chóng và rất hẹp bao gồm các thông số như áp suất xi lanh, tải động cơ và RPM và vị trí van tiết lưu, nhiệt độ không khí xung quanh khắc nghiệt và thay đổi áp suất khí quyển. Hầu hết các điều kiện này được bù đắp bằng cảm biến và điều chỉnh tự động đối với các hành động thường cố định khác. Bao gồm các cảm biến áp suất xi lanh riêng lẻ, bộ nâng van thủy lực biến thiên và bộ pha cơ điện để định thời gian trục cam. Và vấn đề phát sinh ở đây là làm sao để các thành phần hoạt động cùng nhau tối ưu, tuổi bền và giá cả phải chăng.
Ưu điểm của HCCI
- Quá trình đốt cháy nghèo (hỗn hợp nghèo) mang lại hiệu suất nhiên liệu tăng 15% so với động cơ đánh lửa bằng tia lửa điện thông thường.
- Đốt cháy sạch hơn và lượng khí thải thấp hơn (đặc biệt là NOx) so với động cơ đánh lửa thông thường.
- Tương thích với xăng cũng như nhiên liệu E85 (ethanol).
- Nhiên liệu được đốt cháy nhanh hơn và ở nhiệt độ thấp hơn, giảm thất thoát nhiệt năng so với động cơ sử dụng tia lửa điện thông thường.
- Hệ thống cảm ứng không cần van tiết lưu (bướm ga) loại bỏ tổn thất bơm ma sát phát sinh trong động cơ tia lửa truyền thống (thân bướm ga).
Nhược điểm của HCCI
- Áp suất xi lanh cao đòi hỏi cấu tạo động cơ mạnh hơn (và đắt hơn).
- Phạm vi công suất hạn chế hơn so với động cơ đánh lửa thông thường.
- Các đặc điểm của quá trình cháy rất khó kiểm soát (và tốn kém hơn).
Như vậy, ta thấy rằng công nghệ HCCI mang lại hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu và kiểm soát khí thải vượt trội so với động cơ xăng đánh lửa bằng tia lửa điện đã được thử nghiệm thông thường. Điều chưa chắc chắn là khả năng của những động cơ này mang lại những đặc điểm này một cách không tốn kém, và có lẽ quan trọng hơn là đáng tin cậy trong suốt vòng đời của chiếc xe. Những tiến bộ liên tục trong điều khiển điện tử đã đưa HCCI đến đỉnh điểm của thực tế khả thi và sẽ cần phải cải tiến thêm để đưa nó vượt trội vào các phương tiện sản xuất hàng ngày.
