MỤC LỤC
PHẦN 1: TỔNG QUAN .................................................................................................. 1
1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................. 1
2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................ 2
3. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................... 2
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ............................................................................. 2
5. Nội dung nghiên cứu ........................................................................................... 2
PHẦN 2: NỘI DUNG ...................................................................................................... 3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ...................................... 3
1.1. Lịch sử hình thành và phát triển ....................................................................... 3
1.2. Phân loại ........................................................................................................... 7
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HCCI ...................................................................... 8
2.1. Khái niệm ......................................................................................................... 8
2.2. Lịch sử phát triển động cơ HCCI ..................................................................... 8
2.3. Đặc tính cháy của các loại động cơ ................................................................ 10
2.4. Hình thành hỗn hợp đồng nhất ....................................................................... 11
2.5. Cách bố trí kim phun ...................................................................................... 14
CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ HCCI TRÊN SKYACTIV-X CỦA MAZDA ............. 16
3.1. Công nghệ SPCCI........................................................................................... 16
3.2. Cấu tạo động cơ Skyactiv-x của Mazda ......................................................... 18
3.3. Ưu-nhược điểm của động cơ Skyactiv-x ........................................................ 33
CHƯƠNG 4: SO SÁNH ĐỘNG CƠ SKYACTIV-X VÀ SKYACTIV-G ............... 35
4.1. Tính kinh kế nhiên liệu ................................................................................... 35
4.2. Mức độ phát thải ............................................................................................. 35
4.3. So sánh mô-men xoắn .................................................................................... 36
PHẦN 3: KẾT LUẬN .................................................................................................... 38
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 39
PHẦN TRẢ LỜI CÂU HỎI .................................................................................. 40


DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1. Động cơ sử dụng hỗn hợp thuốc súng.............................................................. 3
Hình 1.2. Động cơ Lenoir chạy bằng khí đốt ................................................................... 5
Hình 1.3. Động cơ Otto .................................................................................................... 7
Hình 2.1. Động cơ Otto .................................................................................................... 9
Hình 2.2. Đặc tính cháy của động cơ xăng, diesel, HCCI ............................................. 10
Hình 2.3. Hình thành hỗn hợp bên ngồi ....................................................................... 11
Hình 2.4. Hình thành hỗn hợp bên trong ....................................................................... 13
Hình 2.5. So sánh tia phun nhiên liệu của động cơ diesel thường và động cơ HCCI .... 14
Hình 2.6. So sánh bố trí kim phun động cơ diesel thường và động cơ HCCI .............. 15
Hình 3.1. Cơng nghệ SPCCI .......................................................................................... 16
Hình 3.2. Phân phối hỗn hợp nhiên liệu và khơng khí ................................................... 17
Hình 3.3. Cấu tạo động cơ Skyactiv-x ........................................................................... 18
Hình 3.4. Đỉnh piston động cơ Skyactiv-x ..................................................................... 19
Hình 3.5. Các thành phần của hệ thống đánh lửa trực tiếp ............................................ 19
Hình 3.6. Hệ thống đánh lửa trực tiếp ............................................................................ 20
Hình 3.7. Nguyên lý hoạt động của hệ thống đánh lửa trực tiếp ................................... 21
Hình 3.8. Bản đồ ESA .................................................................................................... 21
Hình 3.9. Hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp GDI......................................................... 22
Hình 3.10. Nguyên lý hoạt động .................................................................................... 23
Hình 3.11. Mạch điều khiển hệ thống nhiên liệu ........................................................... 24
Hình 3.12. Supercharger ................................................................................................ 26
Hình 3.13. Cấu tạo bộ điều khiển trục cam .................................................................... 27
Hình 3.14. Cấu tạo van điều khiển phối khí dầu trục cam ............................................. 28
Hình 3.15. Làm sớm thời điểm phối khí ........................................................................ 28
Hình 3.16. Làm muộn thời điểm phối khí ...................................................................... 29
Hình 3. 17.Giữ ngun thời điểm phối khí .................................................................... 29
Hình 3.18. Hệ thống tuần hồn khí xả EGR .................................................................. 30
Hình 3.19. Hệ thống khí xả 4-2-1 .................................................................................. 31
Hình 3.20. Bốn kỳ hoạt động của bốn xy lanh ............................................................... 32



Hình 3.21. Tác động của áp khí thải xy lanh trước đến xy lanh sau .............................. 32
Hình 4.1. Biểu đồ so sánh kinh tế nhiên liệu ................................................................. 35
Hình 4.2. Xu hướng nhiệt độ đốt cháy và phát thải NOx theo hệ số dư lượng khí ....... 35
Hình 4.3. Mối quan hệ giữa tỷ lệ nhiên liệu khơng khí và lượng khí thải Nox ............. 36
Hình 4.4. Biểu đồ so sánh mô-men xoắn ....................................................................... 36


1
PHẦN 1: TỔNG QUAN
1. Lý do chọn đề tài
Do sự phát triển khơng ngừng của ơ tơ tính đến thời điểm hiện tại, trên xe đã được
trang bị rất nhiều tiện nghi và các tính năng mới giúp cho sự trải nghiệm của người lái
cũng như hành khách có được những sự thoải mái và an tâm trên các chặng đường.
Vì vậy hiện nay nghiên cứu cải thiện và nâng cao hiệu quả quá trình cháy vẫn là
một xu hướng để phát triển động cơ đốt trong. Một công nghệ đốt cháy mới gọi là nén
cháy hỗn hợp đồng nhất (HCCI) với hiệu suất nhiệt cao, hoạt động với lượng hỗn hợp
nhạt giúp tiết kiệm nhiên liệu, nhưng với mức phát thải NOx, PM thấp mà không cần
đến các hệ thống xử lý khí thải đắt tiền, phức tạp và không hiệu quả.
Kỹ thuật HCCI đã được nghiên cứu từ rất lâu, tuy nhiên, do chỉ áp dụng được
trong vùng tải nhỏ nên rất khó triển khai trên các động cơ thực tế chạy với các vùng tải
thay đổi khác nhau. Một số hãng ô tô như General Motors, Mercerdes-Benz, Huyndai
cũng đã cố gắng thương mại hóa kỹ thuật HCCI trên động cơ xe của mình nhưng đều
thất bại.
Mazda chính là hãng đầu tiên đưa ra được động cơ thương mại với kỹ thuật này
với tên gọi là Skyactiv. Mazda đã có 2 thế hệ động cơ trên nền tảng Skyactiv với tên gọi
Skyactiv-G (Gasoline) và Skyactiv-D (Diesel). Năm 2019 Hãng đã giới thiệu Skyactiv
X lắp trên Mazda 3.
Đây là động cơ lai giữa động cơ xăng và động cơ diesel. Được quảng bá là loại
động cơ mới có tính đột phá với hiệu suất nhiệt rất cao lên tới 56%, cao hơn 30% so với

thế hệ động cơ xăng hiện tại, Skyactiv-G (phun xăng trực tiếp). Có thể nói rằng tương
lai của động cơ lắp trên ô tô bên cạnh ô tô điện, ô tô lai hybrid, sẽ là động cơ HCCI.
Động cơ HCCI chưa được trang bị trong chương trình chính khóa của ngành Động lực.
Nhờ đó nhóm đã lựa chọn đề tài “ Nghiên cứu công nghệ đánh lửa nén nạp đồng
nhất HCCI trên động cơ skyactiv-x của mazda ” để có thể nắm bắt được các kiến thức
cũng như cách thức hoạt động, có được những phân tích và đánh giá chính xác hơn về
các về công nghệ HCCI của mẫu xe này để mang. Và thơng qua đó phổ cập cho nhóm
hiểu thêm về kiến thức chuyên sâu của công nghệ đánh lửa nén nạp đồng nhất HCCI.


2
2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu công nghệ đánh lửa nén nạp đồng nhất HCCI trên động cơ
skyactiv-x mazda là tổng quan về công nghệ HCCI và cách thức HCCI được ứng dụng
thực tế trên động xăng trên xe cũng như nắm rõ được cách thức kiểm soát, tìm hiểu
nguyên lý làm việc và các hệ thống làm việc cho động cơ skyactiv-x trên xe.
Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động, ứng dụng thực tế về công nghệ đánh lửa
nén nạp đồng nhất HCCI trên động cơ skyactiv-x
3. Phương pháp nghiên cứu
+ Nghiên cứu tài liệu.
+ Phương pháp phân tích suy luận.
+ Phương pháp thống kê mơ tả, tổng hợp các kết quả nghiên cứu.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Đề tài Nghiên cứu công nghệ đánh lửa nén nạp đồng nhất HCCI trên động cơ
skyactiv-x của mazda là rất cần thiết và hữu ích cho sinh viên trong lĩnh vực công nghệ
kỹ thuật ô tô vì nó tập trung vào phát triển và cải thiện hiệu suất động cơ đồng thời tiết
kiệm nhiên liệu, giảm hiệu quả khí thải độc hại vào mơi trường Nghiên cứu này giúp cho
sinh viên hiểu rõ hơn về các thành phần và công nghệ HCCI ứng dụng thực tế vào động
cơ xăng, từ đó giúp sinh viên có thể phát triển và cải thiện các công nghệ chưa thật sự
tối ưu cho các dòng xe hơi khác nhau. Điều này có ý nghĩa to lớn đối với sự phát triển

của ngành công nghiệp ô tô và hiệu ứng nhà kính, lượng khống sản dần cạn kiệt, giúp
giảm thiểu khí thải độc hại vào môi trường và tiết kiệm nhiên liệu nhưng vẫn mang lại
hiệu suất động cơ tối ưu.
5. Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu công nghệ đánh lửa nén nạp đồng nhất HCCI:
Chương 1. Tổng quan về động cơ đốt trong
Chương 2. Tổng quan về HCCI
Chương 3. Công nghệ HCCI trên skyactic-x của mazda


3
PHẦN 2: NỘI DUNG
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
1.1. Lịch sử hình thành và phát triển
Nhà vật lý người Pháp Jean de Hautefeuille đề xuất thiết kế một động cơ đốt trong
dùng để bơm nước vào năm 1678. Tuy nhiên, người được xem phát minh động cơ đốt
trong đầu tiên là Christiaan Huygens, nhà khoa học người Hà Lan.
Vào năm 1678 hoặc 1679 (có tài liệu cho rằng năm 1673), Huygens sử dụng một
ống hình trụ lớn với bề mặt nhẵn bóng bên trong làm xi lanh và có piston di chuyển dọc
trục xi lanh. Piston nối với một sợi dây và ròng rọc để nâng vật nặng. Bên dưới ống trụ
là buồng đốt dùng để đốt nổ thuốc súng. Khi thuốc súng nổ, khơng khí giãn nở thể tích
và đẩy piston.
Sau khi nổ xong, khơng khí nguội lại, giảm thể tích, tạo chân khơng bên trong
ống trụ, di chuyển piston về vị trí ban đầu, đồng thời kéo dây nâng vật nặng, thực hiện
quá trình sinh công. "Động cơ Huygens" (Huygens engine) được cho rằng, chỉ với
1 dram (tương đương 1/16 ounce hoặc 1,77 gram) thuốc súng, sử dụng trong ống trụ cao
7–8 feet (2,1–2,4 m), đường kính 15–16 in (khoảng 38–41 cm), có thể tạo ra công đủ
nâng khối lượng của 8 thiếu niên (tương đương 540 kg).

Hình 1.1. Động cơ sử dụng hỗn hợp thuốc súng



4
Đến năm 1791, nhà khoa học người Anh John Barber đăng ký bằng sáng chế
cho động cơ tuabin khí đầu tiên. Trong động cơ tuabin của Barber, nhiên liệu như than,
dầu đốt, hoặc gỗ được gia nhiệt, hòa trộn với khơng khí, nén và đốt cháy. Sản phẩm khí
cháy có áp suất cao sẽ làm quay cánh quạt của tuabin, làm sinh công.
Năm 1794, Thomas Mead và Robert Street, hai kỹ sư người Anh, cùng đồng thời
đăng ký bằng phát minh cho động cơ đốt trong sử dụng khí cháy. Thomas Mead sử dụng
hỗn hợp khí khi nổ trong buồng đốt sẽ đẩy piston lên; sau khi quá trình cháy kết thúc,
piston sẽ di chuyển xuống nhờ vào sức nặng của piston và áp suất chân khơng. Cịn
Robert Street sử dụng nhiên liệu lỏng (dầu hỏa hoặc nhựa thông) bay hơi để tạo hỗn hợp
khí cháy. Nhựa thơng hoặc dầu hỏa được phun lên đáy của xi lanh đang được đốt nóng,
khiến nhiên liệu ở thể lỏng hóa hơi thành hỗn hợp khí. Hỗn hợp này được kích nổ bằng
ngọn lửa. Q trình cháy–nổ của hỗn hợp khí làm giãn nở thể tích trong xi lanh và làm
piston chuyển động, thực hiện công.
Năm 1798, John Stevens, nhà phát minh người Mỹ, đã thiết kế động cơ đốt trong
sử dụng cồn (alcohol) làm nhiên liệu cháy. Năm 1801, Philippe Lebon, một kỹ sư người
Pháp, đã đăng ký phát minh cho động cơ khí (hỗn hợp khí ga được nén trong buồng đốt
và kích nổ).
Năm 1807, anh em kỹ sư người Pháp, Nicéphore Niépce (cũng là người phát minh
ra kỹ thuật nhiếp ảnh) và Claude Niépce, đã chạy thử mẫu động cơ đốt trong mang
tên Pyréolophore. Hai ông đã gắn động cơ Pyréolophore để điều khiển tàu thủy chạy trên
sông Saône, Pháp.
Cùng nm ú, k s ngi Thy S Franỗois Isaac de Rivaz phát minh động cơ
đốt trong dùng khí hydro làm nhiên liệu và kích nổ bằng tia lửa điện. Ý tưởng sử dụng
khí hydro làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong cũng được nghiên cứu độc lập bởi kỹ sư
người Anh William Cecil vào năm 1820.
Năm 1823, Samuel Brown đăng ký phát minh động cơ chân khơng đốt bằng
khí được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Động cơ của Brown được sử dụng trong

ô tô vào năm 1824, vận hành tàu chạy trên sông Thames vào năm 1827, và bơm nước ở
kênh đào Croydon, phía nam London.


5
Vào năm 1832. Động cơ đốt trong đầu tiên có kỳ nén diễn ra trước kỳ nổ được
phát triển lần đầu tiên bởi William Barnett, một kỹ sư người Anh, vào năm 1838. Năm
1854, hai nhà phát minh người Ý, Eugenio Barsanti và Felice Matteucci, phát minh động
cơ piston tự do.
Năm 1860, Jean Joseph Étienne Lenoir, một kỹ sư người Bỉ, đã phát minh động
cơ đốt trong hai kỳ chạy bằng khí đốt, cơng suất 6 HP, hiệu suất 5%. Đây được xem là
động cơ đốt trong có hiệu quả thực tế đầu tiên. Động cơ đốt trong của Lenoir là loại động
cơ hai kỳ, một xi lanh, tác động kép, khơng có kỳ nén (hỗn hợp khí khơng được nén
trước khi kích nổ), hỗn hợp khí được kích nổ ở khoảng 1/3 hành trình di chuyển của
piston. Ưu điểm của thiết kế này là tạo ra loại động cơ vận hành nhanh hơn, ít ồn hơn,
và hiệu quả kinh tế cao hơn động cơ hơi nước. Do vậy, động cơ Lenoir được ưa chuộng,
với khoảng 400 đến 500 bộ động cơ được bán ra thời điểm đó. Tuy nhiên, động cơ Lenoir
có hiệu suất khơng cao do khơng có kỳ nén nên chủ yếu chỉ được dùng cho những động
cơ tĩnh tại.

Hình 1.2. Động cơ Lenoir chạy bằng khí đốt
Năm 1872, George Brayton, một kỹ sư người Mỹ, đã phát minh động cơ đốt trong
sử dụng dầu hỏa làm nhiên liệu. Động cơ Brayton cấu tạo gồm hai xi lanh piston tịnh
tiến, một xi lanh thực hiện kỳ nén và xi lanh còn lại thực hiện kỳ giãn nở (sinh cơng).
Hỗn hợp khơng khí và khí đốt được kích nổ bằng ngọn lửa mồi, hỗn hợp cháy được bơm
từ xi lanh nén qua xi lanh nổ để thực hiện q trình sinh cơng ở điều kiện đẳng áp. Hiệu


6
suất hoạt động của động cơ Brayton không cao do phần lớn công sinh ra trong xi lanh

kỳ nổ được dùng để vận hành xi lanh kỳ nén.
Tuy vậy, phát minh của Brayton có ý nghĩa quan trọng vì, nhờ sử dụng nhiên liệu
lỏng (khác với nhiên liệu khí như động cơ Lenoir hoạt động tĩnh tại), động cơ đốt trong
của Brayton có thể được ứng dụng để vận hành trên xe ơ tơ. Chu trình Brayton ngày nay
được ứng dụng trong những tuabin khí.
Năm 1874, Siegfried Marcus, một nhà phát minh người Đức, được xem là người
thiết kế xe ô tô sử dụng động cơ bốn kỳ đầu tiên. Động cơ của Marcus sử dụng kích nổ
điện, phun hịa khí, và thiết bị tiết lưu ("bướm ga"). Động cơ Marcus, hiện đang được
trưng bày tại Bảo tàng Kỹ thuật Công nghiệp và Thương mại tại Vienna, được xem là
mẫu xe động cơ xăng cổ nhất còn tồn tại đến ngày nay.
Dựa trên mẫu thiết kế động cơ của Lenoir, Nikolaus Otto, một kỹ sư người Đức,
đã phát minh động cơ đốt trong bốn kỳ đầu tiên vào năm 1876 (Chu trình Otto). Động
cơ chạy bằng khí than của Otto khơng chỉ giảm tiếng ồn hơn, mà cịn hiệu quả cao hơn
gấp 3 lần so với động cơ của Lenoir. Năm 1879, Karl Benz chế tạo thành công động cơ
đốt trong hai kỳ chạy bằng xăng.
Năm 1882, James Atkinson phát minh ra động cơ đốt trong hoạt động theo chu
trình Atkinson. Năm 1885, Gottlieb Daimler, một kỹ sư người Đức, đăng ký bằng sáng
chế cho động cơ bốn kỳ chạy bằng xăng đầu tiên. Năm 1889, Daimler cùng một kỹ sư
người Đức khác là Wilhelm Maybach đã cho ra mắt động cơ chữ V hai xi lanh đầu tiên
tại Paris, Pháp.
Năm 1892, Rudolf Diesel phát triển thành công động cơ kích nổ nhờ q trình
nén hỗn hợp nhiên liệu (Động cơ Diesel). Động cơ Diesel vận hành ở tốc độ 170 RPM,
có cơng suất 18 HP và hiệu suất 27% – hiệu suất cao hơn những động cơ hơi nước và
động cơ kích nổ tia lửa điện cùng thời điểm đó. Năm 1926, Robert Goddard, một kỹ sư
người Mỹ, chế tạo tên lửa vận hành bằng nhiên liệu lỏng đầu tiên.


7

Hình 1.3. Động cơ Otto

1.2. Phân loại
- Phân loại theo nhiên liệu sử dụng thì:
+ Động cơ xăng.
+ Động cơ diesel.
+ Động cơ gas hay động cơ khí đốt.
+ Động cơ sử dụng loại nhiên liệu khác như cồn, khí hydro…
- Bao gồm 2 loại phổ biến nhất:
Động cơ xăng (Gasoline Engine): Động cơ xăng sử dụng xăng làm nhiên liệu
chính. Trong động cơ xăng, hỗn hợp nhiên liệu và khơng khí được hút vào buồng đốt
qua van hút và sau đó bị nén bởi piston (pơ) di chuyển lên trên. Khi hỗn hợp bị nén, bugi
tạo lửa để cháy hỗn hợp nhiên liệu và khơng khí. Q trình cháy này tạo ra áp suất và
nhiệt độ cao, đẩy piston xuống và tạo ra công suất. Động cơ xăng thường có hiệu suất
cao và thích hợp cho các ứng dụng cần tốc độ cao.
Động cơ diesel (Diesel Engine): Động cơ diesel sử dụng dầu diesel làm nhiên
liệu. Trong động cơ diesel, khơng khí được hút vào buồng đốt và bị nén bởi piston. Khác
với động cơ xăng, không cần bugi để tạo lửa. Thay vào đó, dầu diesel được phun trực
tiếp vào khơng khí nén cao. Do áp suất và nhiệt độ cao trong buồng đốt, dầu diesel tự
cháy. Quá trình cháy này tạo ra áp suất mạnh đẩy piston xuống và tạo ra cơng suất. Động
cơ diesel thường có khả năng tiết kiệm nhiên liệu và phù hợp cho các ứng dụng cần lực
kéo mạnh.


8
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HCCI
2.1. Khái niệm
HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) là một hình thức đốt cháy
bên trong trong đó nhiên liệu và khơng khí được nén đến điểm tự bốc cháy.
Đốt cháy cưỡng bức (SI) trong đó nhiên liệu và khơng khí hịa trộn với nhau thành
một hỗn hợp hịa khí đồng nhất và được đốt cháy cưỡng bức nhờ nguồn nhiệt bên ngoài
(tia lửa điện).

Nhiên liệu tự cháy (CI) trong đó nhiên liệu được phun vào trong buồng cháy và
tự bốc cháy nhờ nhiệt độ cao của mơi chất cuối q trình nén.
Mỗi phương pháp đốt nhiên liệu điều có những ưu điểm và nhược điểm của nó.
Trong đó động cơ đốt cháy cưỡng bức (SI) thì có ưu điểm là lượng phát thải dạng hạt
(PM) hầu như bằng không và nhược điểm là bị hạn chế bởi tỷ số nén do hiện tượng kích
nổ nên hiệu suất nhiệt nhỏ hơn động cơ CI. Đối với động cơ CI thì có ưu điểm là hiệu
suất nhiệt cao tuy nhiên lượng phát thải dạng hạt lớn.
HCCI kết hợp các tính năng tốt nhất của cả động cơ xăng đánh lửa (SI) và động
cơ nén cháy (CI). Giống như động cơ SI, nhiên liệu được trộn đều với không khí giúp
giảm thiểu phát thải hạt và giống như động cơ CI, nhiên liệu và khơng khí được nén đến
áp suất và nhiệt độ cao tự bốc cháy, dẫn đến hiệu quả cao.
2.2. Lịch sử phát triển động cơ HCCI
Trong các nghiên cứu được công bố vài thập trước đây người ta sử dụng thuật
ngữ HCCI cho động cơ nhiên liệu diesel và CAI (Control auto ignition - tự cháy có điều
khiển) cho động cơ nhiên liệu xăng , tuy nhiên về bản chất đều là hỗn hợp nhiên liệu
không khí được hịa trộn trước, đồng nhất và hỗn hợp nhiên liệu tự bốc cháy.
Ngày nay công nghệ HCCI/CAI thường được coi là một quá trình đốt cháy mới
trong động cơ đốt trong piston. Tuy nhiên nguyên lý cháy này đã được áp dụng cách đây
hơn 100 năm trên động cơ diesel bầu nhiệt hai kỳ hoặc bốn kỳ, Trong động cơ này dầu
hỏa, hoặc dầu thô được phun lên bề mặt của buồng được làm nóng (bầu nhiệt) từ rất sớm
trong hành trình nén, để có nhiều thời gian cho nhiên liệu bay hơi và trộn với khơng khí
tạo hỗn hợp đồng nhất. Trong quá trình khởi động, bầu nhiệt được đốt nóng ở bên ngồi


9
bằng đèn khò hoặc đầu đốt. Khi động cơ đã khởi động, bầu nhiệt được giữ nóng bởi khí
đốt bên trong. Bầu nhiệt nóng đến mức nhiên liệu được phun và bay hơi ngay lập tức khi
nó tiếp xúc với bề mặt. Thiết kế sau đó được đặt kim phun qua đường thông kết nối giữa
bầu nhiệt và buồng đốt chính để có thể tạo ra hỗn hợp đồng nhất hơn, dẫn đến quá trình
đốt cháy hỗn hợp đồng nhất tự động.


Hình 2.1. Động cơ Otto
1. Bầu nhiệt; 2. Kim phun; 3. Piston; 4. Thanh truyền;5. Trục khuỷu; 6. Các te; 7. Lọc
khí; 8. Giảm thanh.
Hỗn hợp đồng nhất tự động bốc cháy đã được quan sát và được tìm thấy mà nhiều
người lái xe đã gặp phải với động cơ xăng chế hịa khí của họ trong những năm sáu mươi
và bảy mươi, là động cơ tiếp tục hoạt động sau khi hệ thống đánh lửa đã tắt, loại đốt cháy
tương tự cũng được tìm thấy là nguyên nhân gây ra hiện tượng “dieseling” hoặc các sự
cố khởi động nóng gặp phải trong các động cơ xăng có tỷ số nén cao.
Nghiên cứu đầu tiên được ghi nhận về q trình đốt cháy có kiểm sốt được thực
hiện bởi Nikolai Semonov vào những năm 1930. Vào năm 1979 Onishi và Noguchi đã
nghiên cứu CAI một cách có hệ thống trên một động cơ xăng hai kỳ. Sau cơng trình tiên
phong của Onishi và Noguchi, nghiên cứu và phát triển động cơ xăng 2 kỳ đã đạt đến


10
đỉnh cao trong giới thiệu của Honda về động cơ CAI sản xuất đầu tiên cho ô tô, động cơ
xe máy ARC 250 2 kỳ. Năm 1983 Najt và Foster đã áp dụng thành cơng quy trình cháy
CAI cho động cơ 4 kỳ một xi lanh. Cơng việc sau đó đã được Thring mở rộng để kiểm
tra ảnh hưởng của EGR bên ngồi và tỷ lệ khơng khí / nhiên liệu đối với hiệu suất của
động cơ. Trong cơng trình này, Thring đã giới thiệu thuật ngữ nén cháy hỗn hợp đồng
nhất (HCCI) từ đó đã được nhiều người khác áp dụng để mơ tả loại q trình đốt cháy
này cả trong động cơ xăng và diesel. Năm 1992, Stockinger và cộng sự lần đầu tiên cho
thấy một động cơ xăng bốn xi-lanh có thể được vận hành nhờ khả năng tự cháy của nhiên
liệu trong phạm vi tốc độ và tải rất hạn chế bằng cách tăng tỷ số nén và sấy nóng trước
khí nạp. Những năm 1990, Olsson et al dã sử dụng kết hợp isooctan và heptan thơng qua
điều khiển vịng kín, tỷ số nén cao và sấy nóng khơng khí, q trình đốt cháy tự động đã
đạt được trong một phạm vi tốc độ và tải lớn trên động cơ diesel 6 xi-lanh 12 lít.
Đặc biệt vào những năm 2000 tại châu Âu các nhiên cứu thay đổi pha phân phối
khí đã được áp dụng vào động cơ HCCI/CAI. Nhờ khả năng giữ lại một phần khí thải

trong xi lanh có tác dụng gia nhiệt hoặc làm nhạt hỗn hợp nhiên liệu khơng khí để điều
khiển q trình cháy HCCI/ CAI.
2.3. Đặc tính cháy của các loại động cơ

Hình 2.2. Đặc tính cháy của động cơ xăng, diesel, HCCI
Động cơ HCCI tự đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và khơng khí đã hịa trộn, bằng
cách nén hỗn hợp đến nhiệt độ bốc cháy. Vì vậy, người ta có thể nói rằng HCCI là sự


11
pha trộn của cả động cơ SI và động cơ CI. Nhiên liệu và khơng khí được trộn sẵn giống
như động cơ SI, quá trình tự cháy do nén giống động cơ CI.
Động cơ HCCI có thể hoạt động với hỗn hợp hịa khí rất nhạt so với các loại động
cơ thơng thường. Tỷ lệ nhiên liệu và khơng khí trong động cơ HCCI rất nhạt, điều này
làm cho nhiệt độ đốt cháy thấp dẫn đến lượng khí thải NOx cực thấp. Hỗn hợp nhạt này
cũng dẫn đến mức tiêu thụ nhiên liệu thấp so với động cơ SI thông thường. Vì diện tích
bị cháy trong động cơ HCCI rất nhạt và được trộn sẵn, khơng có sự đốt cháy khuếch tán
nên sự hình thành dạng hạt khơng đáng kể.
Q trình đốt cháy mà ở đó tất cả các hỗn hợp nhiên liệu và khơng khí được đốt
cháy đồng thời mọi điểm trong khơng gian buồng đốt nên q trình đốt diễn ra rất nhanh
rút ngắn thời gian đốt, điều này làm cải thiện hiệu suất động cơ, vì vậy động cơ HCCI
có hiệu suất tương đương với động cơ CI.
2.4. Hình thành hỗn hợp đồng nhất
Trong động cơ HCCI việc chuẩn bị hỗn hợp đồng nhất là phần rất quan trọng, các
đặc tính hiệu suất cũng như phát thải dựa trên hỗn hợp đồng nhất đạt được. Một hỗn hợp
đồng nhất được chuẩn bị tốt sẽ giảm lượng phát thải hạt và giảm lượng khí thải NOx.
Chuẩn bị hỗn hợp đồng nhất là một nhiệm vụ rất khó khăn vì khơng đủ thời gian để hình
thành hỗn hợp đối với các loại nhiên liệu nặng khó bay hơi. Hiện nay có hai loại hình
thành hỗn hợp đồng nhất là hình thành hỗn hợp bên ngồi xi lanh và hình thành hỗn hợp
bên trong xi lanh.


Hình 2.3. Hình thành hỗn hợp bên ngoài


12
Đối với động cơ hình thành hịa khí bên ngồi: cách đơn giản để có hỗn hợp đồng
nhất trong xi lanh động cơ là hòa trộn nhiên liệu với dòng khí nạp trước khi nạp vào
trong xi lanh động cơ có thể dùng bộ chế hịa khí và phun nhiên liệu trực tiếp trên đường
nạp. Sự chuyển động và xoáy của dịng khí được quyết định bởi kết cấu đường nạp, khi
có xốy, q trình hồ trộn nhiên liệu và khơng khí trở nên đồng nhất hơn. Hiện nay
phương pháp phun nhiên liệu trên đường nạp được sử dụng chủ yếu vì nhiều ưu điểm,
có thể dễ dàng điều chỉnh tỉ lệ lượng nhiên liệu và khơng khí phù hợp với các chế độ
hoạt động của động cơ.
Hình thành hỗn hợp bên ngồi nên khi phun nhiên liệu khơng ảnh hưởng điến thời
điểm bắt đầu quá trình cháy. Đối với các loại nhiên liệu nặng như diesel, khả năng bay
hơi kém nên khi phun nhiên liệu trên đường nạp dẫn đến tăng lượng nhiên liệu bám vào
thành ống nạp và buồng cháy động cơ, tăng lượng phát thải CO và HC, tăng lượng nhiên
liệu chưa cháy ảnh hưởng đến chất lượng dầu bơi trơn. Phương pháp hình thành hỗn hợp
bên ngoài xi lanh phù hợp hơn với các loại nhiên liệu lỏng có khả năng bay hơi tốt như
xăng và nhiên liệu ở dạng khí.
Để giải quyết vấn đề chính liên quan đến sự bay hơi nhiên liệu. Nói chung sự bay
hơi hoàn toàn của nhiên liệu diesel chỉ xảy ra ở nhiệt độ cao hơn nhiều so với nhệt độ
thường thấy trong đường ống nạp. Nếu khơng có biện pháp nào để tăng cường sự bay
hơi nhiên liệu, một phần đáng kể của nhiên liệu sẽ bay hơi muộn trong hành trình nén
ngay cả sau khi bắt đầu đốt cháy. Điều này dẫn đến một hỗn hợp không đồng nhất làm
mất đi những lợi ích được tìm thấy trong quá trình đốt cháy HCCI. Hơn nữa, việc ngưng
tụ nhiên liệu trên thành động cơ có thể dẫn đến lượng hydrocarbon khơng cháy cao và
pha lỗng dầu. Các lượng mức này có thể cao đến mức chúng có ảnh hưởng đáng kể đến
hiệu quả đốt cháy (một phần của nhiên liệu khơng cháy). Vì vậy, một giải pháp phổ biến
là làm nóng khí nạp để tăng cường sự bay hơi nhiên liệu.

Nếu nhiên liệu diesel được bốc hơi đúng cách và đồng nhất hóa đầy đủ tại cửa
nạp, hỗn hợp này được làm nóng trong q trình nén đến nhiệt độ tự cháy. Tuy nhiên,
với các tỷ số nén diesel thông thường, nhiệt độ tự cháy này đạt được quá sớm trong hành
trình nén, trước điểm chết trên, dẫn đến các vấn đề về hiệu quả và tiếng ồn, và điều này


13
đặc biệt quan trọng nếu khí nạp được làm nóng để tăng cường bay hơi nhiên liệu, vì điều
này dẫn đến đến nhiệt độ cao hơn khi bắt đầu hành trình nén và do đó q trình đốt cháy
sẽ bắt đầu sớm hơn trong chu kỳ động cơ.
Để làm chậm thời điểm tự cháy một giải pháp đưa ra là giảm nồng độ ơ xy trong
khí nạp bằng cách ln hồi khí xả EGR, hơn nữa nhiệt trong khí xả cịn có tác dụng thúc
đẩy sự bay hơi của nhiên liệu. Tuy nhiên tỉ lệ cao EGR làm tăng phát thải CO và HC. Để
làm chậm thời điểm cháy người ta còn giảm tỷ số nén động cơ tuy nhiên khơng nên giảm
nhiều vì ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ.

Hình 2.4. Hình thành hỗn hợp bên trong
Đối với động cơ hình thành hịa khí bên trong: Nhiên liệu phun vào trong xi lanh
động cơ hịa trộn với khơng khí nạp, có hai phương pháp là phun sớm và phun muộn.
Phun sớm là nhiên liệu được phun trong hành trình nén trước điểm chết trên để nhiên
liệu có thời gian hịa trộn và hình thành hỗn hợp đồng nhất. Phun muộn là nhiên liệu
được phun vào xi lanh động cơ gần điểm chết trên kết hợp với lượng luân hồi khí xả để
hình thành hỗn hợp đồng nhất.
Phun sớm là một trong những giải pháp cho động cơ HCCI dùng nhiên liệu diesel
và có thời gian cháy trễ lớn để hỗn hợp đồng nhất hơn. Tuy nhiên phun nhiên liệu diesel
sớm, do khả năng bay hơi kém của nhiên liệu, nhiệt độ và mật độ khơng khí thấp trong
xi lanh dẫn đến một lượng lớn nhiên liệu bám vào thành xi lanh. Vì vậy cần địi hỏi hệ
thống phun nhiên liệu được thiết kế lại để thỏa mãn yêu cầu đặt ra. các nhà khoa học



14
nghiên cứu và phát triển vịi phun có tia phun có chiều dài ngắn (độ xuyên thấu ngắn).
Phun áp suất cao với vịi phun có kích thước lỗ phun nhỏ, nhiều lỗ phun để tăng độ tơi,
mật độ của nhiên liệu, giảm lượng nhiên liệu bám trên thành vách xylanh.
Một cách khác để đáp ứng được yêu cầu là sử dụng q trình phun tách thơng qua
điều khiển vịi phun qua nhiều xung điện áp với độ dài mỗi xung khác nhau. Thông qua
hệ thống phun nhiên liệu điện tử Common rail kim phun được điều khiển điện áp có khả
năng kiểm soát phun với áp lực phun sao cho thực hiện phun tách nhiều lần.
2.5. Cách bố trí kim phun
Để ngăn chặn lượng nhiên liệu bám vào thành xi lanh có thể thu hẹp góc phun
nhiên liệu và sử dụng piston có buồng cháy khoét sâu trên đỉnh để giữ cho nhiên liệu
trong buồng cháy tránh cho nhiên liệu tương tác với thành xi lanh trong thời gian phun.
Vì nhiệt độ tại đỉnh piston cao cộng với chuyển động xốy của dịng khí nên nhiên liệu
dễ dàng bốc hơi hịa trộn với khơng khí.

Hình 2.5. So sánh tia phun nhiên liệu của động cơ diesel thường và động cơ HCCI
a. Động cơ diesel thường; b. Động cơ HCCI
Một giải pháp khác là dùng nhiều hơn một kim phun cho mỗi xi lanh và đặc biệt
các vịi phun có nhiều lỗ phun nhỏ. Kết quả hỗn hợp hình thành tốt lượng khí thải Nox.


15

Hình 2.6. So sánh bố trí kim phun động cơ diesel thường và động cơ HCCI
Kim phun bên được sử dụng cho động cơ HCCI để hình thành hỗn hợp đồng nhất.
Các kim phun bên này làm tăng khoảng cách giữa kim phun và thành xi lanh so với kim
phun trung tâm, và do đó có thể làm giảm sự bám dính nhiên liệu vào thành xi lanh.
Phun muộn là nhiên liệu được phun trực tiếp vào buồng đốt gần điểm chết trên
cho đến các góc quay trục khuỷu sau đó nhiệt độ khí và mật độ giảm do sự giãn nở của
piston dẫn đến thời điểm bắt đầu cháy lâu hơn và sự hình thành hỗn hợp được cải thiện.

Các điều kiện trong xi lanh trở nên thuận lợi cho q trình đốt cháy HCCI. Ngồi ra, nếu
mức độ cao của EGR được sử dụng, sẽ dẫn đến sự hình thành NOx thấp hơn, thời điểm
cháy cũng được kéo dài, cho phép có đủ thời gian để trộn nhiên liệu khơng khí được cải
thiện, làm giảm lượng bồ hóng. Việc phun nhiên liệu muộn giúp tránh được hiện tượng
nhiên liệu bám vào thành xi lanh, và có thể điều khiển q trình cháy thơng qua thời
điểm phun.


16
CHƯƠNG 3: CƠNG NGHỆ HCCI TRÊN SKYACTIV-X CỦA MAZDA
3.1. Cơng nghệ SPCCI
Để tạo ra được một động cơ mang cả ưu điểm của động cơ xăng và động cơ diesel
việc sử dụng công nghệ HCCI trên động cơ được coi là phù hợp. Mazda đã xem xét
HCCI từ giai đoạn phát triển của SKYACTIV-G bằng cách tiếp cận từng bước gần hơn
với tỷ số nén cao như động cơ diesel vì thế khả năng thực hiện HCCI đã được nhìn thấy.
Nhưng kết quả là động cơ xăng đã không thể đạt được đánh lửa nén giống như động cơ
diesel.
Tuy nhiên trong khi thúc đẩy quá trình đánh lửa nén sử dụng đánh lửa tia lửa vấn
đề đã được giải quyết. Mazda gọi cơng nghệ đó là đánh lửa nén kiểm soát tia lửa SPCCI
(Spark Controlled Compression Ignition) và việc đánh lửa đã được Mazda tối ưu dưới
sự kiểm soát của một bộ xử lý điện tử phức tạp (ECU), tia lửa sẽ được đưa vào buồng
đốt hỗn hợp có kiểm sốt để ngăn chặn q trình kích nổ trong động cơ. Việc sử dụng
công nghệ SPCCI cho phép phạm vi mà vùng đánh lửa nén có thể diễn ra bao trùm tồn
bộ phạm vi đốt. Điều đó có nghĩa là ứng dụng tiềm năng của đánh lửa nén được mở rộng
đáng kể, cho phép công nghệ này được sử dụng trong hầu hết các điều kiện lái xe. Nói
cách khác, bởi vì một bugi được sử dụng mọi lúc, động cơ có thể chuyển đổi liền mạch
qua lại giữa hai chế độ đốt bằng cách sử dụng đánh lửa nén và đốt bằng cách sử dụng
đánh lửa bằng bugi.

Hình 3.1. Công nghệ SPCCI



17
Mặc dù SPCCI là một cơng nghệ hồn tồn mới, nhưng nó vẫn hoạt động dựa
trên hai cơ sở là nén và đánh lửa mà Mazda đã tinh chỉnh và kết hợp lại một cách chính
xác. Để làm được điều này, Mazda đã phát triển thêm một số công nghệ cơ bản. Thiết
kế piston có kết cấu mới và hệ thống phun nhiên liệu siêu cao áp để hỗ trợ đánh lửa nén,
trang bị bộ siêu nạp để cung cấp lượng khơng khí lớn hơn và kết hợp với cảm biến trong
xi lanh phục vụ cho việc điều khiển toàn bộ động cơ. So với các cấu trúc phức tạp trước
đây được yêu cầu để sử dụng khái niệm HCCI, phần cứng cho SPCCI rất đơn giản và
gọn gàng, không có sự phức tạp khơng cần thiết.
Cơ chế SPCCI có thể được gọi là một hệ thống trong đó hiệu ứng nén của quá
trình đốt cháy cục bộ do bugi đánh lửa được sử dụng để giúp cho hỗn hợp đồng nhất đạt
được áp suất và nhiệt độ cần thiết để mang lại sự đánh lửa nén. Thời gian và lượng áp
suất cần thiết trong tình trạng thay đổi liên tục tùy thuộc vào điều kiện lái xe. Hệ thống
SPCCI có thể kiểm sốt thời gian đánh lửa của bugi nên áp suất và nhiệt độ trong buồng
đốt được tối ưu hóa mọi lúc.

Hình 3.2. Phân phối hỗn hợp nhiên liệu và khơng khí
SKYACTIV-X kiểm sốt việc phân phối hỗn hợp nhiên liệu khơng khí để đốt
cháy hỗn hợp nhiên liệu khơng khí lỗng bằng cơ chế SPCCI. Đầu tiên, một hỗn hợp
nhiên liệu khơng khí lỗng được phun vào và phân phối khắp buồng đốt phục vụ cho quá


18
trình đánh lửa nén. Tiếp theo, nhiên liệu được phun chính xác và xốy để tạo ra một vùng
hỗn hợp nhiên liệu khơng khí đủ giàu để được đốt cháy bằng tia lửa và để giảm thiểu
lượng NOx được tạo ra. Bằng cách sử dụng các kỹ thuật này, SPCCI đảm bảo quá trình
đốt cháy được ổn định.
3.2. Cấu tạo động cơ Skyactiv-x của Mazda

Động cơ Skyactiv-x sử dụng hệ thống phun nhiên liệu cao áp tương tự như động
cơ diesel áp suất nhiên liệu hơn 100 Mpa.
Cảm biến áp suất trong xi lanh được sử dụng để theo dõi trạng thái đánh lửa nén.
Thông qua dữ liệu truyền về quá trình đốt cháy được điều chỉnh và duy trì ở trạng thái
lý tưởng.
Bộ siêu nạp được sử dụng để nạp lượng khơng khí vào xy lanh nhiều hơn.

Hình 3.3. Cấu tạo động cơ Skyactiv-x


19
3.2.1. Cấu tạo đỉnh piston

Hình 3.4. Đỉnh piston động cơ Skyactiv-x
Đỉnh piston của động cơ Skyactiv-x được thiết kế đặc biệt. Đỉnh piston với kết
cấu mới hình vịm có vai trị làm tăng tỷ số nén vì làm giảm thể tích buồng đốt. Kết cấu
khoang ở đỉnh của piston làm ổn định quá trình cháy.
3.2.2. Hệ thống đánh lửa
Động cơ Skyactiv-x sử dụng hệ thống đánh lửa trực tiếp, nó giúp cho động cơ
khởi động dễ dàng và việc điều khiển quá trình chuyển tiếp giữa các chế độ được thuận
tiện vì khơng phải lúc nào động cơ cũng hoạt động ở chế độ HCCI. Điểm khác biệt của
hệ thống đánh lửa của động cơ Skyactiv-x so với động cơ xăng thơng thường đó là bugi
chỉ hoạt động khi động cơ khởi động, chạy cầm chừng hoặc tải nặng.

Hình 3.5. Các thành phần của hệ thống đánh lửa trực tiếp


20
+ Cảm biến vị trí trục khuỷu (NE): Phát hiện góc quay trục khuỷu (tốc độ động
cơ).

+ Cảm biến vị trí của trục cam (G): Nhận biết xy lanh, kỳ và theo dõi định thời
của trục cam.
+ Cảm biến kích nổ (KNK): Phát hiện tiếng gõ của động cơ.
+ Cảm biến vị trí bướm ga (VTA): Phát hiện góc mở của bướm ga.
+ Cảm biến lưu lượng khí nạp (VG/PIM): Phát hiện lượng khơng khí nạp.
+ Cảm biến nhiệt độ nước (THW): Phát hiện nhiệt độ nước làm mát động cơ.
+ Bơ bin kết hợp IC đánh lửa: Đóng và ngắt dòng điện trong cuộn sơ cấp vào thời
điểm tối ưu. Gửi các tín hiệu IGF đến ECU động cơ.
+ECU động cơ: Phát ra các tín hiệu IGT dựa trên các tín hiệu từ các cảm biến
khác nhau, và gửi tín hiệu đến bơ bin có IC đánh lửa.
+ Bugi: Phát ra tia lửa điện để đốt cháy hỗn hợp hịa khí.
Bơ bin kết hợp IC đánh lửa: Thiết bị này bao gồm IC đánh lửa và bô bin kết hợp
thành một cụm. Trước đây, dòng điện cao áp được dẫn đến xy lanh bằng dây cao áp.
Nhưng nay, bô bin được nối trực tiếp đến bugi của từng xy lanh thông qua sử dụng bô
bin kết hợp với IC đánh lửa. Khoảng cách dẫn điện cao áp được rút ngắn nhờ có nối trực
tiếp bơ bin với bugi, làm giảm tổn thất điện áp và nhiễu điện từ. Nhờ thế độ tin cậy của
hệ thống đánh lửa được nâng cao.

Hình 3.6. Hệ thống đánh lửa trực tiếp


21
Nguyên lý hoạt động: Khi động cơ khởi động hay chuyển từ chế độ HCCI sang
chế độ đánh lửa cưỡng bức, ECU nhận các tín hiệu từ các cảm biến khác nhau truyền về,
tính tốn thời điểm đánh lửa, truyền tín hiệu đánh lửa đến IC đánh lửa. Thời điểm đánh
lửa được tính tốn liên tục theo điều kiện của động cơ, dựa trên giá trị thời điểm đánh
lửa tối ưu đã được lưu giữ trong máy tính, dưới dạng một bản đồ ESA. Thời điểm đánh
lửa tối ưu cơ bản được xác định bằng tốc độ của động cơ và lượng khơng khí nạp (áp
suất đường ống nạp).


Hình 3.7. Nguyên lý hoạt động của hệ thống đánh lửa trực tiếp

Hình 3.8. Bản đồ ESA


22
Ưu điểm của hệ thống đánh lửa trực tiếp:
- Độ tin cậy cao.
- Giúp tiết kiệm nhiên liệu và tăng công suất phát ra cho động cơ.
- Hệ thống này không cần sử dụng bộ chia điện hoặc dây cao áp nên nó có thể
giảm tổn thất năng lượng trong khu vực cao áp và tăng độ bền cho hệ thống.
- Điều khiển đánh lửa bằng ESA (đánh lửa sớm bằng điện từ) nên có độ chính xác
cao và khơng cần phải đặt lại thời điểm đánh lửa.
3.2.3. Hệ thống nhiên liệu
Động cơ Skyactiv-x sử dụng hệ thống nhiên liệu GDI. Hệ thống nhiên liệu phun
xăng trực tiếp GDI có kết cấu cũng tương như hệ thống nhiên liệu Common Rail nên
việc sử dụng và cái tiến sử dụng cho động cơ HCCI là phù hợp. Với những ưu điểm nổi
bật của GDI như: Áp suất phun lớn, chế độ phun phân lớp (FSI - Fuel Stratified
Injection), cho phép động cơ HCCI làm việc ở tỷ số nén lớn, hệ số nạp lớn hơn. Do tính
chất của xăng dễ bay hơi do đó dễ tạo thành hỗn hợp đồng nhất hơn là diesel nên thường
áp suất phun nhỏ hơn Common Rail, góc phun sớm của GDI cũng thường lớn hơn
Common Rail.

Hình 3.9. Hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp GDI