Động cơ HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) mang tính chất của động cơ cháy cưỡng bức và động cơ cháy nén. HCCI tận dụng được ưu điểm của cả 2 dạng động cơ cháy cưỡng bức và cháy nén. Ngoài xăng và diesel thì HCCI còn có thể sử dụng nhiều loại nhiên liệu thay thế khác, loại nhiên liệu được cho là phù hợp nhất với động cơ HCCI có chỉ số cetane cao hơn xăng nhưng thấp hơn diesel.
(Minh họa các loại động cơ đốt trong)
Nhiên liệu và không khí được hòa trộn trước với nhau sa đó nạp vào buồng đốt sau đó hỗn hợp sẽ tự bốc cháy đồng thời do áp suất và nhiệt độ cao trong buồng đốt ở kì nén. Với tỉ số nén cao hơn so với động cơ xăng thông thường nhưng không quá cao như ở động cơ diesel, nhiệt độ và áp suất cực đại của quá trình đốt cháy nhiên liệu giảm, động cơ sản sinh mômen tốt hơn đồng thời hiệu suất của động cơ HCCI đạt cao hơn động cơ xăng và có thể gần bằng với động cơ diesel. Hỗn hợp nạp vào buồng đốt được hòa trộn trước nên hỗn hợp gần như đồng nhất, điều này giúp giảm phát thải bồ hóng, trên thực tế mức phát thải bồ hóng của động cơ HCCI gần như bằng với động cơ xăng cháy đồng nhất. Bên cạnh đó bởi nhiệt độ và áp suất trong buồng đốt không quá cao nên phát thải NOx giảm đáng kể. Tuy nhiên do nhiệt độ cháy thấp và quá trình cháy diễn ra nhanh làm nhiên liệu không kịp ô xy hóa hết dẫn đến phát thải CO và HC tăng. Do quá trình cháy diễn ra nhanh nên tốc độ tỏa nhiệt cũng như áp suất trong buồng đốt tăng nhanh làm tăng sự mài mòn các chi tiết (giống với động cơ diesel), ảnh hưởng đến độ bền của động cơ.
(Mazda thành công rực rỡ với công nghệ HCCI – Skyactiv trên các dòng xe của hãng)
Bên cạnh đó HCCI chỉ hoạt động hiệu quả trong một vùng tải nhất định, rất hạn chế ở vùng tải thấp và tải cao. Thời điểm bắt đầu cháy của động cơ xăng được điều khiển thông qua tia lửa điện phát ra ở bugi tương ứng ở động cơ diesel là thời điểm phun nhiên liệu nhưng ở HCCI thì không có một tác nhân trực tiếp nào điều khiển thời điểm bắt đầu cháy của hỗn hợp nhiên liệu, đối với HCCI thời điểm đó phụ thuộc vào nhiệt độ, thành phần của hỗn hợp và tỉ số nén của động cơ nên việc điều khiển thời điểm bắt đầu cháy là một trở ngại rất lớn cho việc áp dụng động cơ HCCI vào thực tế.
Các tác nhân như nhiệt độ không khí nạp, áp suất khí nạp … phải được kiểm soát rất chặt chẽ bởi nếu đột nhiên áp suất khí nạp tăng hay nhiệt độ tăng thì quá trình cháy có thể diễn ra sớm hơn bình thường, áp suất cháy đạt cực đại trước khi pittông lên điểm chết trên gây hư hỏng máy nếu hoạt động trong thời gian dài. Điều này cho thấy việc áp dụng tăng áp đường nạp là rất hạn chế đối với động cơ HCCI. Nhiều nghiên cứu sử dụng loại nhiên liệu có mức độ phản ứng thấp (như xăng) để gia tăng thời gian hòa trộn trước khi quá trình cháy bắt đầu, cho phép hỗn hợp đồng nhất hơn làm giảm phát thải ô nhiễm.
Trong thực tế, nếu chỉ cố định một loại nhiên liệu cho động cơ HCCI thì vùng tải của động cơ không thể nào mở rộng ra được, ở chế độ tải cao thì loại nhiên liệu phù hợp có chỉ số cetane thấp (như xăng) trong khi đó ở chế độ tải thấp thì cần loại nhiên liệu có chỉ số cetane cao (như diesel). Với các ưu điểm như hiệu suất cao, phát thải ô nhiễm bồ hóng và NOx có thể đạt ngay trong buồng đốt mà không cần các thiết bị xử lý mắc tiền tuy nhiên với các điều kiện hoạt động quá khắc khe hầu như chỉ có thể đảm bảo ở điều kiện phòng thí nghiệm nên động cơ HCCI vẫn chưa được áp dụng nhiều vào thực tiễn.
Động cơ PCCI (Premixed Charge Compression Igniton) là một dạng biến thể của động cơ HCCI nhằm nâng cao khả năng kiểm soát thời điểm bắt đầu cháy của nhiên liệu nhưng vẫn đảm bảo phát thải ô nhiễm ở mức thấp. Thời điểm phun của nhiên liệu được điều khiển (phun nhiều lần với lượng phun mỗi lần khác nhau) sao cho quá trình bắt đầu cháy của hỗn hợp xảy ra ở nhiều vùng trong buồng đốt với thời gian bắt đầu cháy khác nhau (không như HCCI hỗn hợp gần như đồng nhất nên hỗn hợp cháy gần như đồng thời) nhờ đó quá trình cháy được kéo dài hơn so với động cơ HCCI làm giảm tốc độ tỏa nhiệt và sự tăng nhanh áp suất trong buồng đốt.
Ngoài ra việc sử dụng tuần hoàn khí thải EGR làm giảm nhiệt độ buồng đốt và làm loãng hỗn hợp cháy cũng với việc sử dụng nhiên liệu có chỉ số cetane thấp hơn (khả năng tự cháy do áp suất và nhiệt độ cao kém hơn diesel) giúp tăng thời gian hòa trộn của nhiên liệu với không khí trước thời điểm bắt đầu cháy của hỗn hợp, làm giảm đi những điểm quá giàu nhiên liệu từ đó giảm phát thải bồ hóng cũng như NOx. Tuy nhiên động cơ PCCI vẫn chưa thể tối ưu giữa các vùng tải hoạt động bởi chỉ sử dụng một loại hỗn hợp nhiên liệu được hòa trộn trước
Hocdienoto.com
