Thiết kế hệ thống nạp thải

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 2 PHẦN 4 PHÂN TÍCH ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU HỆ THỐNG NẠP, THẢI CỦA ĐỘNG CƠ THAM KHẢO VÀ THIẾT KẾT HỆ THỐNG NẠP THẢI 3 I TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ THAM KHẢO 2AR FE 3 II TỔNG QUAN VỀ VỀ HỆ THỐNG NẠP THẢI CỦA ĐỘNG CƠ YÊU CẦU 3 1 Hệ thống nạp của động cơ 5 2 Hệ thống xả (thải) động cơ 6 III NGUYÊN LÍ VÀ CHI TIẾT HỆ THỐNG NẠP, THẢI 7 1 Chi tiết hệ thống nạp 7 1 1 Bộ lọc không khí 8 1 2 Cổ họng gió 8 1 3 Bộ góp nạp 12 1 4 Đặc điểm kết cấu và nguyên lý làm việc của các cảm biến trên đường nạp 14.

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

Ô tô ngày càng được sử dụng rộng rãi ở nước ta như một phương tiện đi lại cánhân cũng như vận chuyển hành khách, hàng hoá rất phổ biến Sự gia tăng nhanhchóng số lượng ô tô trong xã hội, đặc biệt là các loại ô tô đời mới đang kéo theonhu cầu đào tạo rất lớn về nguồn nhân lực phục vụ trong ngành công nghiệp ô tônhất là trong lĩnh vực thiết kế

Sau khi học xong giáo trình “ động cơ đốt trong “ chúng em được tổ bộ môn giaonhiệm vụ làm đồ án môn học Vì bước đầu làm quên với công việc tính toán, thiết

kế ô tô nên không tránh khỏi những bỡ ngỡ vướng mắc trong quá trình làm đồ án

Nhưng được sự quan tâm, nhiệt tình, động viên, hướng dẫn của Thầy DƯƠNG

ĐÌNH NGHĨA cùng với các thầy cô giáo bộ môn trong khoa nên chúng em đã cố

gắng hết sức để hoàn thành đồ án trong thời gian được giao

Qua đồ án này giúp sinh viên chúng em nắm được các lực tác dụng, công suất củađộng cơ… và điều kiện đảm bảo bền của vài nhóm chi tiết… ô tô, máy kéo Vì thế

nó rất thiết thực đối với sinh viên ngành công nghệ kĩ thuật ô tô

Tuy nhiên trong quá trình thực hiện dù đã cố gắng rất nhiều không tránh khỏinhững thiếu sót Vì vậy chúng em rất mong nhận được sự quan tâm đóng góp ýkiến của các thầy và các bạn để em có thể hoàn thiện đồ án của mình tốt hơn vàcũng qua đó rút ra được những kinh nghiệm quý giá cho bản thân nhằm phục vụtốt hơn nhằm phục vụ tốt cho quá trình học tập và làm việc sau này

Em xin chân thành cảm ơn !

Đà Nẵng, ngày … tháng … năm 2020

Sinh viên thực hiện

Võ Văn Thế

PHẦN 4 : PHÂN TÍCH ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU HỆ THỐNG NẠP, THẢI CỦA ĐỘNG CƠ THAM KHẢO VÀ THIẾT KẾT HỆ THỐNG NẠP THẢI

I. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ THAM KHẢO 2AR-FE

- Động cơ được trang bị một hệ thống ống nạp bằng nhựa dùng để giảm trọng lượng

- Động cơ được trang bị một ống xả bằng thép không gỉ được dung để giảm trọng lượng

- Động cơ được trang bị hệ thống ACIS ( hệ thống thay đổi chiều dài hiệu dụng của đường ống nạp ACIS ) được sử dụng để cải thiện hiệu suất động cơ ACIS được thực hiện bằng cách sử dụng một vách ngăn để chia đường ống nạp thành 2 giai đoạn, với một cửa nạp van điều khiển không khí trong vách ngăn được mở và đóng để thay đổi chiều dài hiệu quả của cửa nạp ống góp phù hợp với tốc độ động

cơ và góc mở van tiết lưu Điều này làm tăng sức mạnh đầu ra trong tất cả các phạm vi từ tốc độ thấp đến cao

- ETCS-i (Hệ thống điều khiển bướm ga điện tử-thông minh) được sử dụng để cung cấp khả năng kiểm soát bướm ga tuyệt vời

- Hệ thống điều khiển lật được sử dụng để cải thiện hiệu suất động cơ và giảm lượng khí thải

Hệ thống nạp thải có nhiệm vụ đưa hỗn hợp không khí-nhiên liệu vào buồng cháy

để thực hiện quá trình cháy của động cơ, đồng thời đưa sản phẩm cháy từ buồng cháy thoát ra ngoài

Hình 1-1 Sơ đồ hệ thống nạp - thải1-Bộ lọc không khí; 2-Cảm biến lưu lượng khí nạp; 3- Cảm biến nhiệt độ khí nạp;

4- Mô tơ bước; 5- Cảm biến vị trí bướm ga; 6-Bộ góp nạp;7- Cảm biến tiếng gõ;

8- Cảm biến nhiệt độ nước làm mát; 9- Cảm biến vị trí trục khuỷu; 10- Bộ giảm

âm chính; 11- Bộ giảm âm phụ; 12- Bộ xúc tác ba chức năng; 19- Cảm biến oxy; 20- Cảm biến vị trí trục cam

Nguyên lý:

Không khí ngoài trời được hút vào trong xylanh động cơ qua bộ lọc khôngkhí tại đây hầu hết bụi bẩn được giữ lại, sau đó đi qua các cảm biến lưu lượng vàcảm biến nhiệt độ khí nạp, thông tin nhiệt độ và lưu lượng khí nạp được truyền vềECU động cơ, tiếp đó dòng khí đến cổ họng gió qua bướm ga đến bộ góp nạp Khínạp từ bộ góp nạp sẽ phân phối đến các xylanh động cơ trong kỳ nạp Kết hợpthông tin từ cảm biến vị trí bướm ga ECU sẽ điều khiển lượng phun nhiên liệu tốiưu Sau khi hòa khí được đốt cháy, khí thải được dẫn vào đường ống thải tới bộ

góp thải đi vào bộ xúc tác ba chức năng tại đây khí thải độc hại được khử thànhcác chất vô hại rồi theo ống dẫn khí thải qua bộ giảm âm thoát ra ngoài môitrường Một phần khí thải được trích dẫn quay trở lại đường nạp qua van hồi lưukhí thải, để làm loãng hỗn hợp nhiên liệu - không khí nhằm hạn chế sự hình thànhcác chất gây ôi nhiễm trong quá trình cháy.

1. Hệ thống nạp của động cơ.

Đông cơ được sử dụng phun xăng điện tử Không khí từ khí trời được hút qua bầu lọc, tín hiệu lưu lượng nhiệt độ khí nạp được truyền về ECU thông qua cảm biến MAF, từ đó ECU sẽ tính toán và định lượng phun cho phù hợp, sau đó dòng khí đónạp tới cổ họng gió

Hình 1-1 Sơ đồ nạp động cơ phun xăng

1- Bộ lọc không khí; 2- Cảm biến khí nạp MAF; 3-Bướm ga; 4-Cổ họng gió;

5- Cảm biến bướm ga; 6- Đường ống nạp

Hình 1-2 Sơ đồ cổ họng gió

1- Bướm ga; 2- Cổ họng gió; 3- Cảm biến vị trí bướm ga;

4- Motor điều khiển bướm ga; 5-Cảm biến vị trí bàn đạp ga

Hình 2-1 Sơ đồ đường thải động cơ xăng1-Đường ống thải; 2- Cảm biến oxy chính; 3-Bộ xúc tác 3 chức năng

4-Cảm biến oxy phụ; 5-Bộ giảm âm

- Hệ thống trang bị bộ lọc khí thải 3 thành phần ( TWC ) và cảm biến

oxy

Hệ thống nạp thải có nhiệm vụ đưa hỗn hợp không khí- nhiên liệu vào buồng

cháy để thực hiện quá trình cháy của động cơ, đồng thời đưa sản phẩm cháy từbuồng cháy thoát ra ngoài Hệ thống nạp thải phải đảm bảo cung cấp đủ lượng hỗn

hợp có thành phần hoà khí thích hợp với mọi chế độ hoạt động của động cơ, thảisạch sản phẩm cháy ra ngoài trong quá trình thải, sao cho hiệu suất động cơ là lớnnhất và giảm ô nhiễm môi trường, giảm tiếng ồn

1. Chi tiết hệ thống nạp.

Đường ống nạp gồm các cụm chi tiết sau : Bộ lọc không khí, cổ họng gió, bộ góp nạp, và các cảm biến

1.1. Bộ lọc không khí.

Lọc không khí mục đích lọc sạch không khí trước khi không khí đi vào động cơ

Nó có vai trò rất quan trọng nhằm giảm sự mài mòn của động cơ Bộ lọc không khí dùng kiểu lọc thấm, lõi lọc bằng giấy và một lớp lọc than được lắp trong nắp

bộ lọc không khí để giảm lượng khí thải bay hơi Loại này có ưu điểm giá thành không cao, dễ chế tạo Tuy vậy nhược điểm là tuổi thọ thấp, chu kỳ thay thế ngắn

Hình 1-1 Bộ lọc không khí

Air cleaner cap : nắp bộ lọc

Charcoal filter : bộ lọc than

Air cleaner element : bộ lọc gió

1.2. Cổ họng gió.

Hình 1-2 Cổ họng gió

Các bộ phận tạo thành gồm: bướm ga, môtơ điều khiển bướm ga, cảm biến vị tríbướm ga và các bộ phận khác Bướm ga dùng để thay đổi lượng không khí dùngtrong quá trình hoạt động của động cơ, cảm biến vị trí bướm ga lắp trên trục củabướm ga nhằm nhận biết độ mở bướm ga, môtơ bướm ga để mở và đóng bướm ga,

và một lò xo hồi để trả bướm ga về một vị trí cố định Môtơ bướm ga ứng dụngmột môtơ điện một chiều có độ nhạy tốt và ít tiêu thụ năng lượng

Nguyên lý làm việc:

ECU động cơ điều khiển độ lớn và hướng của dòng điện chạy đến môtơ điều khiểnbướm ga, làm quay hay giữ môtơ, và mở hoặc đóng bướm ga qua một cụm bánhrăng giảm tốc Góc mở bướm ga thực tế được phát hiện bằng một cảm biến vị tríbướm ga, và thông số đó được phản hồi về ECU động cơ

Khi dòng điện không chạy qua môtơ, lò xo hồi sẽ mở bướm ga đến vị trí cố định(khoảng 70) Tuy nhiên, trong chế độ không tải bướm ga có thể được đóng lại nhỏhơn so với vị trí cố định.

Khi ECU động cơ phát hiện thấy có hư hỏng, nó bật đèn báo hư hỏng trên đồng hồtáp lô đồng thời cắt nguồn đến môtơ, nhưng do bướm ga được giữ ở góc mởkhoảng 70, xe vẫn có thể chạy đến nơi an toàn

Hình 1-3 Kết cấu cổ họng gió1-Các bánh răng giảm tốc; 2- Lò xo hồi bướm ga; 3- Cảm biến vị trí bướm ga;

4- Bướm ga; 5- Motor điều khiển bướm ga

Các chế độ điều khiển

a) Điều khiển ở chế độ bình thường, chế độ công suất cao và chế độ đường tuyết

Góc mở bướm ga

Góc nhấ n bàn đạ p ga

2

3 1

Hình 1- 4 Quan hệ tỷ lệ giữa góc nhấn băn đạp ga vă góc mở bướm ga1-Chế độ công suất cao;2- Chế độ bình thường; 3- Chế độ di chuyển đường tuyết+ Điều khiển chế độ thường : đđy lă chế độ cơ bản để duy trì sự cđn bằng giữa tính

dễ vận hănh vă chuyển động ím

+ Điều khiển chế độ đường tuyết : chế độ năy giữ cho góc mở bướm ga nhỏ hơnchế độ bình thường để trânh trượt khi lâi xe trín đường trơn trượt

+ Điều khiển chế độ công suất cao: ở chế độ năy bướm ga mở lớn hơn so với chế

độ bình thường Do đó chế độ năy mang lại cảm giâc động cơ đâp ứng ngay vớithao tâc băn đạp ga vă xe vận hănh mạnh mẽ hơn so với chế độ thường

b) Điều khiển momen truyền lực chủ động

có điề u khiể n không có điề u khiể n

Khi có hệ thống điều khiển momen truyền lực chủ động, bướm ga được mởdần ra sao cho gia tốc xe tăng dần trong một khoảng thời gian lđu hơn để đảm bảotăng tốc ím dịu

1.3. Bộ góp nạp.

Hình 1- 6 Bộ góp nạp xoắn ốc

Bộ góp nạp được chế tạo bằng nhựa nhằm mục đích giảm trọng lượng và sự truyềnnhiệt từ nắp máy Các nhánh ống nạp đã được thiết kế dài nhằm tối ưu hóa hình dáng đường nạp, dạng xoắn ốc của đường nạp đã tạo ra hiệu ứng lưu động dòng khí nạp, làm tăng lượng khí nạp ở mỗi chu trình, điều này giúp cải thiện momen

và công suất phát ra khi động cơ chạy ở tốc độ thấp và trung bình Đường kính ống góp nạp ( d=72 mm ) được thiết kế lớn để làm giảm hệ số cản cho đường nạp

Hình 1-7 Bộ góp nạp1-Ống ốp nạp; 2-Đường góp nạp; 3- Buồng tích áp.

1.4. Đặc điểm kết cấu và nguyên lý làm việc của các cảm biến trên đường nạp.

a) Cảm biến lưu lượng khí nạp

Hình 1-8 Cảm biến lưu lượng khí nạp kiểu dây sấy

1 – Nhiệt điện trở; 2 – Dây sấy platin

Nguyên lý hoạt động

Dòng điện chạy vào dây sấy làm cho nó nóng lên Khi không khí chạy qua, dâysấy được làm nguội tương ứng với khối lượng không khí nạp, bằng cách điềuchỉnh dòng điện chạy vào dây sấy này để giữ cho nhiệt độ dây sấy không đổi,

dòng điện đó sẽ tỉ lệ thuận với lượng không khí nạp bằng cách phát hiện dòng điện

đó ta xác định được lượng không khí nạp Trong trường hợp này, dòng điện có thểchuyển thành điện áp và gửi đến ECU động cơ

Mạch điện cảm biến đo lưu lượng khí

Hình 1-9 Sơ đồ mạch điện điều khiển của cảm biến đo lưu lượng không khí

1 – Bộ khuyếch đại ; 2 – Ra (nhiệt điện trở) ; 3 – Ra (bộ sấy)

Cảm biến lưu lượng khí nạp có một dây sấy được ghép vào mạch cầu Mạch cầunày có đặc tính là các điện thế tại điểm A và B bằng nhau khi tích của điện trở theođường chéo bằng nhau (Ra + R3)*R1=Rh*R2

Khi dây sấy (Rh) được làm mát bằng không khí nạp, điện trở tăng lên dẫn đến sựhình thành độ chênh giữa các điện thế của các điểm A và B Một bộ khuyếch đại

xử lý phát hiện chênh lệch này và làm tăng điện áp đặt vào mạch này (làm tăngdòng điện chạy qua dây sấy) Khi thực hiện việc này, nhiệt độ của dây sấy lại tănglên dẫn đến việc tăng tương ứng trong điện trở cho đến khi điện thế của các điểm

A và B trở nên bằng nhau (các điện áp của các điểm A và B trở nên cao hơn) Bằngcách sử dụng các đặc tính của loại mạch cầu này, cảm biến lưu lượng khí nạp cóthể đo được khối lượng khí nạp bằng cách phát hiện điện áp ở điểm B

Trong hệ thống này nhiệt độ của dây sấy (Rh) được duy trì liên tục ở nhiệt độkhông đổi cao hơn nhiệt độ của không khí nạp, bằng cách sử dụng nhiệt điện trở

(Ra) Do đó có thể đo được khối lượng khí nạp một cách chính xác mặc dù nhiệt

độ khí nạp thay đổi, ECU động cơ không cần phải hiệu chỉnh thời gian phun nhiênliệu đối với nhiệt độ không khí nạp

Ngoài ra khi nhiệt độ không khí giảm ở các độ cao lớn, khả năng làm ngưội củakhông khí giảm xuống so với cùng thể tích khí nạp ở mức nước biển Do đó mứclàm nguội cho dây sấy này giảm xuống Vì khối khí nạp được phát hiện cũng giảmxuống, nên không cần phải hiệu chỉnh mức bù cho độ cao lớn

Khi ECU phát hiện thấy cảm biến lưu lượng bị hỏng một mã nào đó, ECU sẽchuyển vào chế độ dự phòng Khi ở chế độ dự phòng, thời điểm đánh lửa đượctính toán bằng ECU, dựa vào tốc độ động cơ và vị trí của bướm ga Chế độ dựphòng tiếp tục cho đến khi hư hỏng được sửa chữa

b) Cảm biến nhiệt độ khí nạp

Cảm biến nhiệt độ khí nạp lắp bên trong cảm biến lưu lượng khí nạp vàtheo dõi nhiệt độ khí nạp Cảm biến nhiệt độ khí nạp sử dụng một nhiệt điện trở -điện trở của nó thay đổi theo nhiệt độ khí nạp, có đặc điểm là điện trở của nó giảmkhi nhiệt độ khí nạp tăng Sự thay đổi của điện trở được thông tin gửi đến ECUdưới sự thay đổi của điện áp

Hình 1-10 Cảm biến nhiệt độ khí nạp kiểu dây sấy

1-Nhiệt điện trở; 2-Vỏ cảm biếnMạch điện cảm biến đo nhiệt độ khí nạp

Hình 1-11 Sơ đồ mạch điện cảm biến nhiệt độ khí nạp1- Khối cảm biến; 2- Điện trở nhiệt; 3- ECU; 4- Điện trở giới hạn dòng.Cảm biến nhiệt độ khí nạp có một nhiệt điện trở được mắc nối tiếp với điệntrở được gắn trong ECU động cơ sao cho điện áp của tín hiệu được phát hiện bỡiECU động cơ sẽ thay đổi theo các thay đổi của nhiệt điện trở này, khi nhiệt độ củakhí nạp thấp, điện trở của nhiệt điện trở lớn tạo nên một tín hiệu điện áp cao trongtín hiệu THA

c) Cảm biến vị trí bướm ga

Cảm biến vị trí bướm ga sẽ chuyển sự thay đổi mật độ đường sức của từtrường thành tín hiệu điện

Hình 1-12 Cảm biến vị trí bướm ga.

1- Các IC Hall; 2- Các nam châm; 3- Bướm ga.

Cảm biến vị trí bướm ga được dùng là loại phần tử Hall gồm có các mạch

IC Hall làm bằng các phần tử Hall và các nam châm quay quanh chúng Các namchâm được lắp trên trục của bướm ga và quay cùng trục bướm ga

Khi bướm ga mở các nam châm quay cùng một lúc và các nam châm nàythay đổi vị trí của chúng Vào lúc đó IC Hall phát hiện thay đổi từ thông gây ra bỡi

sự thay đổi vị trí nam châm và tạo ra điện áp của hiệu ứng Hall từ các cực VTA vàVTA2 theo mức thay đổi này Tín hiệu này được truyền đến ECU động cơ như tínhiệu mở bướm ga

Mạch điện cảm biến vị trí bướm ga

Hình 3-11 Sơ đồ điện cảm biến vị trí bướm ga 1- Các IC Hall; 2- Các nam châm

Cảm biến vị trí bướm ga có 2 tín hiệu phát ra VTA và VTA2 VTA đượcdùng để phát hiện góc mở bướm ga và VTA2 được dùng để phát hiện hư hỏngtrong VTA Điện áp cấp vào VTA và VTA2 thay đổi từ 0-5V tỉ lệ thuận với góc

mở của bướm ga ECU thực hiện một vài phép kiểm tra để xác định đúng hoạtđộng của cảm biến vị trí bướm ga và VTA

ECU đánh giá góc mở bướm ga thực tế từ các tín hiệu này qua các cực VTA

và VTA2 từ đó ECU điều khiển môtơ bước đóng mở bướm ga đúng tương ứng với

vị trí bàn đạp ga

2. Chi tiết hệ thống Thải.

Đường ống thải gồm các cụm chi tiết chính sau : Bộ góp thải, Bộ xúc tác 3 chức năng, bộ giảm âm chính ;

2.1. Bộ góp thải

Hình 2-1 Bộ góp thải.

Đường ống thải có nhiệm vụ đưa khí thải ra khỏi buồng đốt động cơ Bộ

góp thải của động cơ XT4-021 được chế tạo bằng thép không rỉ để giảm trọng

lượng, ống thải và ống góp thải được nối với nhau bằng khớp cầu, đường kính ốnggóp thải là 66 mm Đoạn cuối đường ống thải gắn cảm biến oxy thu nhận tín hiệunồng độ oxy báo về ECU sử lý, xác định tỷ lệ hỗn hợp không khí - nhiên liệu cógiàu hay nghèo hơn tỷ lệ hỗn hợp lý tưởng từ đó ECU sẽ điều chỉnh lượng nhiênliệu phun cho phù hợp

2.2. Bộ xúc tác 3 chức năng kết hợp hệ thống điều khiển hồi tiếp nhiên liệu.

a. Bộ xúc tác 3 chức năng.

Hình 2-2 Vùng làm việc của bộ xúc tác 3 chức năngCông dụng của bộ xúc tác:

Khi tỷ lệ không khí - nhiên liệu nghèo, giàu hay lý tưởng thì đều có mộtlượng khí HC , CO và NOx sinh ra Để giảm đến mức thấp nhất hàm lượng các khínày thải ra môi trường, trên đường ống dẫn khí thải người ta có lắp thêm bộ xúctác ba chức năng (TWC) là bộ phận oxy hóa CO và HC trong khí thải và đồng thờikhử oxy của NOx để biến chúng thành CO2, H2O và N2 không có hại cho môitrường Vùng làm việc của bộ xúc tác là khi tỷ lệ không khí-nhiên liệu ở khoảng

14 ÷15 ( vạch đen)

- Cấu tạo bộ xúc tá 3 chức năng :

Bộ xúc tác 3 chức năng trên động cơ XT4-021 dùng chất xúc tác ( Platine+

Rhodium + Palladium ) loại nguyên khối có dạng như tổ ong, với bề mặt được phủcác thành phần xúc tác Các chất này được đỡ bởi một lưới thép không rỉ và đượcbao bọc cũng bằng vỏ thép không rỉ Tất cả nằm trong vỏ thép

Lớp than hoạt tính là nơi diễn ra các phản ứng xúc tác được chế tạo bằngnhững kim loại quý mạ thành một lớp rất mỏng trên vật liệu nền Vật liệu nền chủyếu là một lớp nhôm gamma, bề dày khoảng 20-50 micron được tráng trên bề mặtcủa thanh ghi