Một số phương pháp cải tiến hiệu suất trên động cơ xăng (0942909480)

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH Công nghệ Kỹ Thuật ô tô I TÊN ĐỀ TÀI Một số phương pháp cải tiến hiệu suất trên động cơ xăng Sinh viên thực hiện 1 2 1 Phạm Cao Cường MSSV 14145370 Lớp 14145CLC 2 Đỗ Nguyễn Đức Thịnh MSSV 14145380 Lớp 14145CLC II NỘI DUNG Trình bày các nguyên nhân gây ra hiệu suất thấp trên động cơ xăng Nghiên cứu một số phương pháp nâng cao hiệu suất trên động cơ của một số hãng hiện nay như Ecoboost, SkyActiv, H.

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

- Một số phương pháp cải tiến hiệu suất trên động cơ xăng.

Sinh viên thực hiện:

1 Phạm Cao Cường MSSV: 14145370 Lớp: 14145CLC

2 Đỗ Nguyễn Đức Thịnh MSSV: 14145380 Lớp: 14145CLC

II. NỘI DUNG:

- Trình bày các nguyên nhân gây ra hiệu suất thấp trên động cơ xăng.

- Nghiên cứu một số phương pháp nâng cao hiệu suất trên động cơ của một số hãng hiện nay như: Ecoboost, SkyActiv, Honda CRV…

III. TÀI LIỆU THAM KHẢO:

- Tài liệu từ các website.

- Tài liệu từ các hãng: Honda, Mazda, Ford…

IV. TRÌNH BÀY:

- 01 quyển thuyết minh đồ án.

- File mềm toàn độ thuyết minh đồ án (word, powerpoint…)

V. THỜI GIAN THỰC HIỆN:

a Ngày bắt đầu: 05/03/2018

b Ngày nộp: 25/06/2018

TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

i

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

********

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Họ và tên Sinh viên: Đỗ Nguyễn Đức Thịnh MSSV: 14145380

Phạm Cao Cường MSSV: 14145370

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô

Tên đề tài: Một số phương pháp cải tiến hiệu suất trên động cơ xăng.

Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: PGS TS Lý Vĩnh Đạt

NHẬN XÉT

1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

………

………

………

………

2 Ưu điểm: ………

………

………

3 Khuyết điểm: ………

………

………

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không? ………

5 Đánh giá loại: ………

6 Điểm:……… (Bằng chữ:……… )

………

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2018

Giáo viên hướng dẫn

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

********

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Họ và tên Sinh viên: Đỗ Nguyễn Đức Thịnh MSSV: 14145380

Phạm Cao Cường MSSV: 14145370

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô

Tên đề tài: Một số phương pháp cải tiến hiệu suất trên động cơ xăng.

………

NHẬN XÉT 1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: ………

………

………

………

2 Ưu điểm: ………

………

………

3 Khuyết điểm: ………

………

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không? ………

5 Đánh giá loại: ………

6 Điểm:……… (Bằng chữ:……… )

………

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2018

iii

Giáo viên phản biện

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian học tại trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ ChíMinh, chúng em đã được học hỏi và lĩnh hội nhiều kiến thức quý báu từ quýthầy cô, để làm nền tảng cho việc nghiên cứu và tiếp cận thêm nhiều tài liệumới một cách có hiệu quả

Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, nhóm chúng em xin gởi lời cảm

ơn sâu sắc đến tất cả quý thầy cô khoa Chất lượng cao và Cơ Khí Động Lựctrường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy vàtruyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong hơn bốn năm học vừaqua

Đặc biệt xin cảm ơn giáo viên hướng dẫn – PGS TS Lý Vĩnh Đạt đãtận tình giúp đỡ nhóm trong suốt quá trình thực hiện đồ án

Nhóm xin cảm ơn sâu sắc đến gia đình, người thân và bạn bè đã độngviên nhóm đã hoàn thành nhiệm vụ đồ án được giao

Cuối cùng, trong quá trình thực hiện đồ án, do trình độ và kiến thứccòn hạn chế nên khó có thể tránh khỏi sai sót, rất mong quý Thầy Cô bỏ qua.Qua đó, chúng em cũng rất mong nhận được ý kiến đóng góp của quý Thầy

Cô để chúng em có thể hoàn thiện tốt đồ án tốt nghiệp này

Nhóm sinh viên thực hiện

Đỗ Nguyễn Đức ThịnhPhạm Cao Cường

v

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, động cơ đốt trong được sử dụng phổ biến trên các phương tiệnvận tải Tuy nhiên, động cơ đốt trong hiện nay có khí phát thải gây ô nhiễm môitrường, sự phụ thuộc vào nhiên liệu hoá thạch ngày càng cạn kiệt và hiệu suấtvẫn còn thấp đặc biệt ở chế độ tải thấp Đề tài tập trung nghiên cứu cải thiệnhiệu suất động cơ đốt trong ở các chế độ hoạt động, đặc biệt là ở tải nhỏ

Đề tài dựa trên lý thuyết bộ môn động cơ đốt trong, hiểu rõ chu trìnhđộng cơ và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy của động cơ đốt trong như

áp suất khí nạp, tỉ số nén, thời điểm đánh lửa,… Từ đó phân tích được cácnguyên nhân và tìm ra biện pháp cải thiện động cơ

Do giới hạn đề tài nên trong bài này chỉ tập trung nghiên cứu 3 phươngpháp chính: tăng áp cho động cơ, thay đổi thời điểm xupap, phun xăng trực tiếp.Mỗi phương pháp sẽ có ưu nhược điểm khác nhau, kết hợp các phương pháp lạivới nhau ta sẽ được một động cơ có hiệu suất cao hơn đồng thời tiết kiệm nhiênliệu, thân thiện với môi trường

Kết quả cuối cùng của đồ án đạt được sẽ là một bài phân tích về cácphương pháp cũng như công nghệ cải tiến trên các động cơ hiện nay Giúp mọingười có cái nhìn tổng quát về động cơ đốt trong, hiểu rõ các vấn đề về hiệusuất và cũng là nền tảng cho các nghiên cứu cải tiến sau này

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iii

LỜI CẢM ƠN iv

LỜI MỞ ĐẦU v

MỤC LỤC vi

DANH MỤC HÌNH x

DANH MỤC BẢNG xvi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU xvii

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1

1 Lý do chọn đề tài: 1

2 Mục tiêu đề tài: 1

3 Đối tượng nghiên cứu và giới hạn đề tài: 1

4 Phương pháp nghiên cứu: 2

5 Nội dung nghiên cứu: 2

CHƯƠNG II: KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 3

1 Giới thiệu tổng quát: 3

2 Nguyên nhân gây tổn thất: 6

2.1 Tổn thất quá trình nạp thải: 7

2.2 Khí sót: 8

2.3 Sự chuyển đổi nhiệt: 8

2.4 Hiện tượng lọt khí: 8

2.5 Chất lượng hòa khí: 8

2.6 Tốc độ cháy nhiên liệu: 9

2.7 Tỉ số nén của động cơ: 9

2.8 Hệ thống đánh lửa: 10

2.9 Tổn thất cơ giới: 10

3 Các phương pháp: 10

3.1 Thời điểm xupap biến thiên (VVT – Variable Valve Timing): 11

3.2 Tỉ số nén biến thiên (VCR – Variable Compression Ratio): 13

3.3 Tăng áp cho động cơ: 15

vii

3.4 Nạp phân tầng trên động cơ GDI (Stratified Charge Lean Burn

Engine): 17

3.5 Xylanh biến thiên (Cylinder Deactivation or Cut Off): 20

CHƯƠNG III: MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TĂNG HIỆU SUẤT TRÊN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 23

1 Hệ thống tăng áp: 23

1.1 Turbocharger: 23

1.1.1 Giới thiệu: 23

1.1.2 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động: 24

1.1.3 Ưu nhược điểm của turbocharger: 28

1.2 Supercharger: 30

1.2.1 Giới thiệu: 30

1.2.1 Phân loại Supercharger: 31

1.3 Turbo kép (Twin Turbo): 35

1.3.1 Turbo kép loại song song (Parallel Twin Turbo): 35

1.3.2 Turbo kép loại nối tiếp (Sequential twin turbos): 37

1.3.3 Tăng áp kép nối tiếp thế hệ mới trên động cơ Audi: 37

1.3.4 Turbo kép loại xoắn ốc (Twin Scroll Turbo): 38

1.3.5 Turbo tăng áp biến thiên 2 giai đoạn (2 Stage Variable Twin Turbo): 39

1.3.6 Kết hợp giữa turbo và supercharger (Volkswagen Twincharger):.42 1.3.7 Máy nén chạy bằng điện (Electric Supercharger – Audi e-booster): 43 1.4 Turbo tăng áp có biên dạng thay đổi VGT (Variable-Geometry Turbocharger): 44

1.4.1 Sơ lược về hệ thống: 44

1.4.2 Nguyên lý hoạt động: 45

1.4.3 Cấu tạo: 46

2 Hệ thống xupap biến thiên (VVT - Variable valve timing): 50

2.1 Sơ lược về xupap biến thiên VVT: 50

2.2 Phân loại điều khiển xupap biến thiên VVT: 52

2.2.1 Điều khiển VVT bằng cách dùng thủy lực (như Cam phasing BMW Vanos, Toyota VVT-i…): 52

a Hệ thống cam phasing Vanos của BMW: 53

b Cam phasing sử dụng trên hệ thống VVT-i của Toyota: 55

2.2.2 Dùng các mấu cam có biên dạng khác nhau để điều khiển xupap (Như VTEC, VTEC 3 giai đoạn và Valvelif Audi): 64

a Dùng chốt cơ khí được điều bằng áp suất thủy lực (Cam switching của VTEC): 64

b Sử dụng các van điện từ solenoid để thay đổi biên dạng cam (Cam changing của Valvelif Audi): 67

2.2.3 Điều khiển kết hợp dùng các mấu cam có biên dạng khác nhau và thủy lực (Sự kết hợp giữa cam switching và cam phasing trên công nghệ VVTL-i Toyota): 68

2.2.4 Điều khiển VVT bằng motor điện Valvetronic BMW: 73

2.2.5 Hệ thống phân phối khí không trục cam (Camless): 76

a Điều khiển bằng cơ cấu điện từ (EMV - Electromagnetic valve): 77

b Dùng bộ chấp hành điện -thủy lực: 82

c Dùng bộ chấp hành điện- khí nén: 83

3 Hệ thống phun xăng trực tiếp (GDI): 84

3.1 Giới thiệu sơ lược về phun xăng trực tiếp: 84

3.2 Cấu tạo của hệ thống phun xăng trực tiếp GDI: 86

3.2.1 Kết cấu cơ bản của hệ thống phun xăng trực tiếp GDI: 86

3.2.2 Vị trí đặt kim phun: 87

3.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống phun xăng trực tiếp GDI: 90

3.3.1 Cách hình thành hòa khí ở động cơ phun xăng trực tiếp: 90

3.3.2 Nguyên lý hoạt động theo các chế độ làm việc: 91

3.4 Ưu điểm của phương pháp phun xăng trực tiếp GDI: 94

3.4.1 Về mặt công suất và nhiên liệu: 94

3.4.2 Về mặt khí thải: 96

3.5 Kết luận: 97

CHƯƠNG IV: ỨNG DỤNG CÁC CÔNG NGHỆ TRÊN HÃNG XE HIỆN NAY 100

1 Động cơ Ford Eco Boost: 100

1.1 Giới thiệu: 100

1.2 Các công nghệ ứng dụng động cơ EcoBoost: 101

1.2.1 Hệ thống tăng áp: 101

1.2.2 Hệ thống phun xăng trực tiếp: 101

ix

1.2.3 Hệ thống xupap biến thiên Ti-VCT (Variable Cam Timing): 103

1.2.4 Cấu trúc động cơ đặc biệt: 104

1.2.5 Các mẫu động cơ EcoBoost hiện nay: 106

2 Động cơ Mazda SkyActiv: 108

2.1 Giới thiệu: 108

2.2 Các công nghệ dùng trên động cơ: 110

2.2.1 Tỷ số nén cao nhất (14:1): 110

2.2.2 Hệ thống xả 4-2-1: 111

2.3.3 Hệ thống tăng áp mới (Dynamic Pressure Turbo): 113

2.2.4 Piston lõm: 114

2.2.5 Phun nhiên liệu nhiều dòng: 114

2.2.6 Công tổn hao ở mức thấp nhất: 115

2.2.7 Giảm khối lượng và ma sát trong động cơ: 116

2.2.8 Động cơ thế hệ mới, đánh lửa không cần bugi SkyActiv-X: 116

3 Các công nghệ ứng dụng trên các động cơ khác: 117

3.1 EarthDream (Honda): 117

3.2 TwinPower Turbo (BMW): 121

CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 124

1 Kết luận: 124

2 Đề nghị: 124

TÀI LIỆU THAM KHẢO 125

DANH MỤC HÌ

Hình 2 1: Các ứng dụng của động cơ đốt trong 3

Hình 2 2: So sánh giữa áp suất sinh ra, áp suất tiêu thụ, tổng áp suất ở chế độ đầy tải và chế độ tải nhỏ 4

Hình 2 3: Thành phần CO2 gây ô nhiễm ở California 5

Hình 2 4: Dự báo nguồn nhiên liệu trong tương lai 6

Hình 2 5: So sánh giữa các chu trình khí lý tưởng, chu trình hỗn hợp khí lý tưởng và chu trình thực tế 7

Hình 2 6: Các phương pháp thay đổi tỷ số nén động cơ 11

Hình 2 7: Tỷ số nén động cơ 13

Hình 2 8: Phương pháp thay đổi độ nghiêng đầu xy lanh 13

Hình 2 9: Phương pháp thay thế thể tích buồng đốt 14

Hình 2 10: Phương pháp thay đổi chiều cao piston 14

Hình 2 11: Phương pháp di chuyển đầu trục khuỷu 15

Hình 2 12: Phương pháp điều khiển liên kết trục khuỷu và thanh truyền 15

Hình 2 13: Hệ thống turbocharger 16

Hình 2 14: Hệ thống supercharger 16

Hình 2 15: Hệ thống VGT trên xe Volvo 17

Hình 2 16: Piston đỉnh lõm 17

Hình 2 17: Mô tả nguyên lý hoạt động của động cơ nạp phân tầng 18

Hình 2 18: Quá trình nạp không khí vào xylanh 19

Hình 2 19: Quá trình phun nhiên liệu và nạp phân tầng 19

Hình 2 20: Quá trình nạp hòa khí đồng nhất 20

Hình 2 21: Điều khiển xupap bằng thủy lực 21

Hình 2 22: Hệ thống ngắt xylanh dùng van điện từ 21

Hình 2 23: Hệ thống ngắt xylanh bằng cách làm biến đổi trục khủy 22Y Hình 3 1: Hệ thống turbocharger trên ô tô 24

Hình 3 2: Cấu tạo và guyên lý hoạt động hệ thống turbocharger 25

Hình 3 3: Cấu tạo hệ thống bôi trơn và làm mát trục turbin 25

Hình 3 4: Cấu tạo bộ điều khiển khí xả 26

Hình 3 5: Hệ thống làm mát bằng không khí 26

xi

Hình 3 6: Hệ thống làm mát bằng chất lỏng 27

Hình 3 7: Động cơ Ecoboost 1.3L 28

Hình 3 8: Xe đua Formula Ford dùng động cơ Ecoboost 1.3L 28

Hình 3 9: Hệ thống Supercharger dùng trên ô tô 30

Hình 3 10: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Roots Supercharger 31

Hình 3 11: Roots Supercharger lắp trên dòng pickup của Ford những năm 1940 32

Hình 3 12: Hệ thống tăng áp 2 trục vít 32

Hình 3 13: Supercharger dạng ly tâm 33

Hình 3 14: Mô tả nguyên lý hoạt động chung của supercharger 34

Hình 3 15: Đồ thị tương quan tốc độ động cơ và áp suất tăng áp 35

Hình 3 16: Ví dụ về Parallel Twin Turbo được gắn trên động cơ 35

Hình 3 17: Turbo kép loại song song (Biturbo) của hãng Maserati 36

Hình 3 18: Hệ thống twin turbo trên động cơ BMW N54 36

Hình 3 19: Sơ đồ hệ thống turbo kép nối tiếp 37

Hình 3 20: Hệ thống tăng áp trên Audi SQ7 38

Hình 3 21: Turbo kép xoắn ốc dùng trên động cơ xe BMW 39

Hình 3 22: Động cơ trên BMW 535d sử dụng tăng áp biến thiên 2 giai đoạn 40

Hình 3 23: Chế độ hoạt động ở tốc độ dưới 1800 vòng/phút 40

Hình 3 24: Chế độ hoạt động ở tốc độ 1800-3000 vòng/phút 41

Hình 3 25: Chế độ hoạt động ở tốc độ trên 3000 vòng/phút 41

Hình 3 26: Kết hợp giữa supercharger và turbocharger trên một động cơ 42

Hình 3 27: Sơ đồ hoạt động của twincharger 42

Hình 3 28: Cấu tạo máy tăng áp chạy bằng điện 43

Hình 3 29: Sơ đồ hoạt động của e-booster 44

Hình 3 30: Đường đặc tính lý tưởng của hệ thống VGT 45

Hình 3 31: Hệ thống VGT hoạt động ở tốc độ thấp và tốc độ cao 46

Hình 3 32: Đĩa turbin nén khi thiết kế (a) và sau khi chế tạo (b) 47

Hình 3 33: Các cánh gió và góc mở 48

Hình 3 34: Van điều khiển khí nén 48

Hình 3 35: Van điều khiển dạng thủy lực 49

Hình 3 36: Điều khiển bằng động cơ điện 49

Hình 3 37: Lợi ích nhiên liệu của các hệ thống xupap 51

Hình 3 38: Xu hướng phát triển hệ thống VVT 52

Hình 3 39: Góc pha của VVT-i ở tốc độ cao 53

Hình 3 40: Hệ thống BMW Vanos 54

Hình 3 41: Góc pha của Vanos 54

Hình 3 42: Hệ thống điều khiển thủy lực của VVT-i 55

Hình 3 43: Cấu tạo bộ điều khiển VVT-i 56

Hình 3 44: Điều khiển thời điểm sớm (sớm pha) 57

Hình 3 45: Điều khiển thời điểm trễ (trễ pha) 57

Hình 3 46: Điều khiển thời điểm không đổi (Chế độ giữ) 58

Hình 3 47: Động cơ Dual VVT-i Toyota 58

Hình 3 48: So sánh độ mở hai xupap của VVT-iWW + VVT-i và Dual VVT-i 59

Hình 3 49: Thời điểm mở xupap của 3 trường hợp trên 60

Hình 3 50: Cơ cấu của hệ thống VVT-iW 60

Hình 3 51: Van solenoid 61

Hình 3 52: Chốt hãm 61

Hình 3 53: Vị trí lắp xupap solenoid 61

Hình 3 54: VVT điều khiển mở sớm (sớm pha) 62

Hình 3 55: VVT điều khiển mở trễ (Trễ pha) 62

Hình 3 56: Thời điểm xupap động cơ 6AR-FSE 63

Hình 3 57: Thời điểm xupap động cơ 8AR-FTS 63

Hình 3 58: Thời điểm xupap động cơ 8NR-FTS 63

Hình 3 59: Thời điểm xupap động cơ 2GR-FKS 64

Hình 3 60: Cấu tạo của VTEC 65

Hình 3 61: Nguyên lý làm việc của VTEC 65

Hình 3 62: VTEC 3 giai đoạn 66

Hình 3 63: Chuyển đổi giữa hai mấu cam Valvelif Audi 68

Hình 3 64: Sơ lược về hệ thống VVTL-i 69

Hình 3 65: Thay đổi độ nâng trong VVTL-i 70

Hình 3 66: Cấu tạo của hệ thống VVTL-i 71

Hình 3 67: VVTL-i hoạt động ở tốc độ rpm thấp 72

xiii

Hình 3 68: VVTL-i hoạt động ở tốc độ rpm cao 73

Hình 3 69: Cơ cấu Vavletronic BMW 74

Hình 3 70: Cấu tạo của hệ thống Valvetronic 74

Hình 3 71: Các chế độ hoạt động của Valvetronic 75

Hình 3 72: Xe Koenigsegg CCX 76

Hình 3 73: Qoros 3 hatchback 77

Hình 3 74: Cấu tạo của cơ cấu điện từ 78

Hình 3 75: Nguyên lý hoạt động EMV 78

Hình 3 76: Các chế độ hoạt động của xupap điện từ 79

Hình 3 77: Cơ cấu xupap điện từ kết hợp nam châm vĩnh cửu 80

Hình 3 78: Nguyên lý hoạt động xupap điện từ kết hợp nam châm vĩnh cửu 81

Hình 3 79: Điều khiển thủy lực cho một xupap 82

Hình 3 80: Cơ cấu điện - khí nén 83

Hình 3 81: Động cơ máy bay cánh quạt 84

Hình 3 82: Mercedes-Benz 300SL 85

Hình 3 83: Mitsubishi Galant 85

Hình 3 84: Quá trình phát triển của hệ thống cung cấp nhiên liệu theo năm 86

Hình 3 85: Kết cấu động cơ GDI 87

Hình 3 86: Cấu tạo tối ưu của piston 87

Hình 3 87: Các dạng buồng đốt 88

Hình 3 88: Ví dụ vị trí đặt kim phun Spray guided 88

Hình 3 89: Đặt kim phun Wall guided 89

Hình 3 90: Đặt kim phun Air guided 90

Hình 3 91: Các cách hình thành hòa khí 90

Hình 3 92: Chế độ phun phân tầng và đồng nhất 91

Hình 3 93: Sơ đồ phun nhiên liệu của các chế độ theo tốc độ động cơ và áp suất hiệu dụng trung bình có ích (BMEP) 92

Hình 3 94: Nguyên lý cơ bản của nạp phân tầng 93

Hình 3 95: So sánh nhiên liệu tiêu thụ động cơ Mitsubishi 94

Hình 3 96: Tăng tỉ số nén, tăng công suất của động cơ GDI so với động cơ thường 95

Hình 3 97: Tăng hiệu suất nạp cho động cơ Mitsubishi 95

Hình 3 99: Khí thải NOx khi có bộ lọc xúc tác 97

Hình 3 100: Động cơ EcoBoost 98

Hình 3 101: Động cơ Earth Dreams 99

Hình 3 102: Động cơ SkyActiv 9 Hình 4 1: Động cơ EcoBoost 1.0L 101

Hình 4 2: Hệ thống turbocharger trên động cơ Eco Boost 101

Hình 4 3: Công nghệ phun xăng trực tiếp trên động cơ EcoBoost 102

Hình 4 4: Kim phun nhiên liệu EcoBoost 102

Hình 4 5: Trục cam kép DOHC 103

Hình 4 6: Cơ cấu hoạt động của hệ thống van biến thiên kép 104

Hình 4 7: Piston và xecmang được làm bằng vật liệu đặc biệt 105

Hình 4 8: Dây đai được nằm hoàn toàn trong dầu trên động cơ EcoBoost 105

Hình 4 9: Động cơ EcoBoost 3.5L V6 106

Hình 4 10: Động cơ EcoBoost 2.0L I4 107

Hình 4 11: Động cơ EcoBoost 1.6L I4 107

Hình 4 12: Động cơ EcoBoost 1.0L I3 108

Hình 4 13: Công nghệ Skyactive của Mazda 109

Hình 4 14: Động cơ Skyactiv-G 110

Hình 4 15: Hệ thống xả 4-2-1 giúp cải thiện áp suất khí sót 112

Hình 4 16: Dynamic Pressure Turbo 113

Hình 4 17: Hệ thống tuần hoàn khí xả EGR trên Skyactiv 114

Hình 4 18: Piston lõm dùng trên động cơ SkyActiv 114

Hình 4 19: Phun nhiên liệu trên động cơ SkyActiv 115

Hình 4 20: Nguyên lý hoạt động của Sequential Valve Timing 116

Hình 4 21: Công nghệ HCCI là sự kết hợp giữa động cơ xăng và diesel 117

Hình 4 22: Công nghệ phun xăng trực tiếp trên EarthDream 118

Hình 4 23: Động cơ Honda EarthDream 600cc 119

Hình 4 24: Động cơ Honda EarthDream 1.5L 119

Hình 4 25: Động cơ Honda EarthDream 2.0L 120

Hình 4 26: Động cơ Honda EarthDream 2.4L 120

xv

Hình 4 27: Động cơ Honda EarthDream V6 3.5L 121

Hình 4 28: Twin turbo 122

Hình 4 29: BMW 216d Active Tourer 122

Hình 4 30: BMW 116d 123

Hình 4 31: BMW X5 40e 123

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2 1: Tỷ lệ hòa khí ở các chế độ hoạt động khác nhau

Bảng 3 1: Bảng so sánh TSI có GDI và PFI 96YBảng 4 1: Thứ tự hoạt động của xylanh trên động cơ SkyActiv 112

xvii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

EEVC: Early Exhaust Valve Close

EEVO: Early Exhaust Valve Open

EIVC: Early Intake Valve Close

EIVO: Early Intake Valve Open

LEVC: Late Exhaust Valve Close

LEVO: Late Exhaust Valve Open

LIVC: Late Intake Valve Close

LIVO: Late Intake Valve Open

VCR: Variable Compression Ratio

VVT: Variable Valve Timing

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

1 Lý do chọn đề tài:

Hiện nay, ô tô là một trong những phương tiện đóng vai trò quan trọng tronggiao thông vận tải Các nhà sản xuất luôn muốn cho ra đời những động cơ mang tínhnăng ưu việt để đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng Khoa học kỹ thuật càng pháttriển, các tiêu chí đánh giá chất lượng của một động cơ càng ngày khắt khe Vì vậyhướng phát triển của động cơ là làm sao chế tạo một động cơ mang lại hiệu suất caonhất mà chi phí thiết kế giá thành lại phù hợp túi tiền người tiêu dùng, đem lại hiệuquả kinh tế nhiên liệu và thân thiện với môi trường

Việc nghiên cứu đề tài này rất cần thiết về việc cung cấp kiến thức về côngnghệ trên ô tô, cũng như cho thấy những đóng góp lớn của các công nghệ được nghiêncứu trong đề tài cho việc giảm phát thải và cải thiện hiệu suất động cơ Ngoài ra, đề tàicòn tổng hợp một số động cơ của các hãng hiện nay áp dụng những công nghệ này đểcho ra những thế hệ xe thân thiện với môi trường nhưng công suất không giảm vànhiều ưu điểm hơn so với các động cơ thông thường

Với những lý do hữu ích phía trên và được sự phân công của Khoa Chất LượngCao, cùng sự giúp đỡ của thầy PGS TS Lý Vĩnh Đạt hướng dẫn đồ án Sự yêu thích

và mong muốn tìm hiểu về công nghệ cải thiện hiệu suất trên động cơ

Chúng em chọn đề tài “Một số phương pháp cải thiện hiệu suất trên động cơ xăng hiện nay” làm đồ án tốt nghiệp của mình.

2 Mục tiêu đề tài:

Nghiên cứu đề tài này gồm các mục tiêu sau:

- Tổng hợp và chi tiết các phương pháp cải thiện hiệu suất động cơ

- Giúp cho sinh viên chuyên ngành kỹ thuật ô tô hiểu hơn về các phương phápcải thiện hiệu suất trên động cơ xăng

- Cung cấp tài liệu tham khảo cho việc giảng dạy, nghiên cứu, áp dụng trong thực

tế về chuyên ngành ô tô

- Làm cơ sở lý thuyết cho các cá nhân, tổ chức tiếp tục nghiên cứu và cải thiệnnhững phương pháp này để cho ra những sản phẩm tốt hơn nhằm đáp ứng nhucầu của người sử dụng

3 Đối tượng nghiên cứu và giới hạn đề tài:

Việc nghiên cứu các phương pháp cải thiện hiệu suất trên động cơ được giớihạn trên động cơ xăng Để cải thiện hiệu suất, nhiên liệu và khí xả trên động cơ nóichung có rất nhiều phương pháp Đề tài này dừng lại ở động cơ xăng với những

1

phương pháp phổ biến chủ yếu như: Turbo tăng áp, xupap biến thiên VVT, phun xăngtrực tiếp, nghiên cứu chi tiết các công nghệ cùng với ưu điểm và nhược điểm của nó.Mục đích giúp người đọc tìm hiểu dễ dàng và có cái nhìn cụ thể về các phương pháp

để áp dụng hiệu quả hơn Ngoài ra còn cung cấp thông tin kỹ thuật và công nghệ củamột số hãng xe như EcoBoost của Ford, SkyActiv của Mazda, EarthDream của Honda

4 Phương pháp nghiên cứu:

Các phương pháp đã dùng để nghiên cứu đề tài:

- Phương pháp tra cứu, tìm kiếm tài liệu: dựa trên các tài liệu của hãng, báo chí

đã tìm kiếm được trên internet

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu trên cơ sở lý thuyết của của một

số bài báo khoa học chuyên ngành

- Phương pháp biên dịch, phân tích, tổng hợp: tìm kiếm, dịch hiểu, phân tích,tổng hợp và hệ thống hóa các kiến thức đã tìm được

5 Nội dung nghiên cứu:

- Chương III: Giới thiệu lịch sử và nghiên cứu chi tiết các phương pháp cải tiếnhiệu suất trên động cơ xăng được áp dụng phổ biến cùng với ưu điểm, nhượcđiểm

- Chương IV: Tổng hợp các động cơ trên thị trường hiện nay sử dụng nhữngcông nghệ cải tiến hiệu suất

- Chương V: Kết luận và đề nghi

CHƯƠNG II: KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

1 Giới thiệu tổng quát:

Ngày nay động cơ đốt trong có thể đạt hiệu suất cao lên đến 40 – 52% trong khi

đó máy hơi nước cổ điển kiểu piston chỉ đạt khoảng 16%, tuabin hơi nước từ 22 đến28%, còn tuabin khí cũng chỉ tới 30% Qua nhiều năm nghiên cứu và phát triển, động

cơ đốt trong được trang bị thêm nhiều công nghệ mới vận hành an toàn và tiết kiệmnhiên liệu Khối lượng động cơ được chế tạo nhẹ đi để phù hợp với các phương tiệnkhác nhau nhưng vẫn đáp ứng đủ về mặt công suất và tính năng của nó

Hình 2 1: Các ứng dụng của động cơ đốt trong

Mặc dù là động cơ có hiệu suất rất cao nhưng ở một số chế độ hoạt động kháclại chưa được hiệu quả, đặc biệt là ở chế độ tải nhỏ Hình 2.2 so sánh áp suất sinh ra,

áp suất tiêu hao và tổng áp suất của các quá trình trên động cơ đốt trong ở chế độ làmviệc đầy tải và tải nhỏ

3

Hình 2 2: So sánh giữa áp suất có ích, áp suất tiêu hao, tổng áp suất ở chế độ đầy

- High load: chế độ đầy tải

- Low load: chế độ tải nhỏ

- m fuel : khối lượng nhiên liệu cho một chu kỳ làm việc

- ɳ i : Indicated effective là hiệu suất chỉ thị của động cơ

Dựa vào hình 2.2 cho thấy phần công có ích (phần +) lớn ở chế độ đầy tải là dobướm ga mở hoàn toàn, lượng không khí hút vào xylanh nhiều nên công sinh ra ở kỳgiãn nở lớn trong khi công tiêu hao hút nhỏ do lực cản dòng khí của bướm ga nhỏ nênhiệu suất làm việc sẽ cao Ngược lại, ở chế độ tải nhỏ phần công có ích (phần +) nhỏ,

do điều kiện tải nhỏ, bướm ga được điều khiển mở nhỏ nên lượng không khí hút vàoxylanh rất ít, công sinh ra ở kỳ giãn nở nhỏ trong khi đó công tiêu hao hút lại lớn dosức cản dòng khí của bướm ga lớn vì vậy hiệu suất làm việc thấp hơn ở chế độ tải lớn

Vấn đề khí thải và ô nhiễm môi trường hiện nay đang là một vấn đề được cácchuyên gia đặt lên hàng đầu Trong đó CO2 là một trong những thành phần chính trongkhí thải của động cơ Mặc dù CO2 không gây hại trực tiếp đến sức khỏe con ngườinhưng nó có ảnh hưởng đến hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu trên toàn cầu Theomột thống kê ở bang California của Mỹ cho thấy, lượng CO2 từ các phương tiện giaothông chiếm lên đến 58% các nguyên nhân gây ô nhiễm không khí, đặc biệt là ở khu

đô thị và khu đông dân cư Quá trình đốt nhiên liệu động cơ còn tạo ra các chất khí độchại làm ảnh hưởng đến không khí như CO, SO2, NOx, Pb, CH4…, các chất này tácđộng trực tiếp đến phổi con người Chẳn hạn như NOx, có độc tính cao nhất là NO2

khi chỉ tiếp xúc vài phút với nồng độ 5 PPM trong không khí đã có thể gây ảnh hưởngxấu đến phổi, nồng độ khoảng 15-20 PPM gây nguy hiểm cho tim gan và phổi, tiếpxúc với nồng độ NO2 trong không khí 1% có thể gây tử vong trong vài phút

Hình 2 3: Thành phần CO2 gây ô nhiễm ở California

Vì vậy hiện nay các nhà sản xuất đã tìm ra một số nguồn năng lượng mới tốthơn để quyết các vấn đề về khí thải nhưng xăng dầu vẫn là nguồn nhiên liệu chính do

có sẵn và dễ khai thác Việc này dẫn đến nguy cơ cạn kiệt nguồn nhiên và đang ở mứcbáo động Đây là hậu quả tất yếu của việc khai thác quá mức các nguồn năng lượnghóa thạch mà quên đầu tư vào các nguồn năng lượng tái tạo Đồ thị dưới đây thể hiện

rõ vấn đề nhiên liệu thời điểm hiện tại và trong tương lai Đỉnh của đồ thị là thời điểm

mà con người khai thác nhiên liệu tối đa trên toàn cầu, sau đó tốc độ sản xuất sẽ giảmdần và cho đến khi cạn kiệt vào năm 2100

5

Hình 2 4: Dự báo nguồn nhiên liệu trong tương lai

Tuy nhiên, với những quan điểm nổi bật như trên, động cơ đốt trong hiện nayvẫn là máy động lực chủ yếu, đóng vai trò vô cùng quan trọng trong các lĩnh vực củađời sống con người như giao thông vận tải, xây dựng, khai thác mỏ, nông nghiệp, ngưnghiệp Theo các nhà khoa học, trong vòng nửa thế kỷ tới vẫn chưa có động cơ nào cóthể thay thế được động cơ đốt trong

2 Nguyên nhân gây tổn thất:

Hiệu suất nhiệt động học của động cơ xăng được tính toán với tỉ số nén ε=9-10đối với một chu trình lý tưởng đạt xấp sỉ 60% Hiệu suất động học là hàm phụ thuộcvào tỉ số nén và tỉ số nhiệt dung riêng Do đó đặc tính hoạt động của các lưu chất rấtcao và các giả định trong các chu trình tương đối đơn giản, lý tưởng nên hiệu suấtđộng cơ của chu trình khí lý tưởng cao hơn hiệu suất thực tế Chu trình khí lý tưởngkết hợp với các mô hình thực tế của đặc tính hoạt động của các lưu chất và phần nhiệtcộng thêm, với phản ứng phụ của lưu chất ở thể tích không đổi thì được gọi là chutrình hỗn hợp khí lý tưởng (không khí và nhiên liệu), hiệu suất nhiệt tính toán của chutrình hỗn hợp này với tỉ số nạp lý tưởng đạt xấp sỉ 40-50% Hiệu suất này phụ thuộcvào tỉ số nén và tỉ số không khí trên nhiên liệu Dựa vào đồ thị P-V (hình 2.5) so sánhchu trình làm việc của chu trình thực tế với chu trình hỗn hợp khí lý tưởng của động cơtương đương, chu trình làm việc của chu trình thực tế chỉ chiếm khoảng 20% nhỏ hơn

so với chu trình của động cơ hỗn hợp khí lý tưởng Nguyên nhân của sự sai lệch này là

do các tổn thất nhiệt, thời gian yêu cầu cho quá trình cháy, sự quét khí xả, các rò rỉgiữa các chi tiết và quá trình cháy không hoàn toàn trong động cơ thực tế Vì vậy hiệusuất nhiệt động học chỉ thị trong một động cơ thực tế chỉ khoảng 35-40%

Hình 2 5: So sánh giữa các chu trình khí lý tưởng, chu trình hỗn hợp khí lý tưởng

và chu trình thực tế

2.1 Tổn thất quá trình nạp thải:

Trong suốt quá trình nạp, piston dịch chuyển từ ĐCT xuống ĐCD tạo nên lựchút không khí vào bên trong buồng đốt Để thực hiện được điều này, piston phải tiêutốn một lượng công nhất định gọi là công tổn hao quá trình hút (pumping loss) Nếu ởchế độ tải lớn, bướm ga mở hoàn toàn cho nên không khí từ bên ngoài được hút vàobên trong dễ dàng nhưng vẫn bị cản trở bởi xupap nạp, công tiêu hao để hút rất ít.Ngược lại ở chế độ tải nhỏ, bướm ga chỉ được mở một phần Piston thực hiện quá trìnhhút phải chịu một lực khá lớn do cản trở của bướm ga tạo ra, lực này tác dụng lên đỉnhpiston làm công quá trình hút tăng lên rất nhiều Ngoài ra, lượng khí nạp vào còn bịgiới hạn bởi thể tích và áp suất của buồng cháy Mà hiệu suất động cơ lại phụ thuộcvào lượng khí nạp vào trong xylanh, vì vậy tăng lượng khí nạp sẽ bù đắp lại được thấtthoát do công tổn hao

Quá trình thải là quá trình mà piston phải thực hiện đẩy môi chất cháy rangoài Đầu quá trình thải, xupap thải mở sớm, khi đó quá trình cháy giãn nở vẫn chưa

7

hoàn tất Một phần công của quá trình cháy bị tiêu tốn dùng để đẩy khí thải ra bênngoài.

2.2 Khí sót:

Yêu cầu chính của quá trình thải là phải đẩy được toàn bộ sản phẩm cháy rangoài buồng đốt, nhưng đều này là hoàn toàn không thể Chất cháy còn sót lại đượcgọi là khí sót, lượng chất này có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình nạp và cháy ở chutrình tiếp theo

Khí sót ở kỳ nạp sẽ chiếm một phần thể tích của xylanh khiến cho lượng khíđược hút vào giảm đi đáng kể Đến kỳ cháy giãn nở, nhiên liệu bị lẫn tạp chất dẫn đến

tỉ lệ hòa khí bị sai lệch, chất lượng quá trình cháy sẽ giảm đi đáng kể

2.3 Sự chuyển đổi nhiệt:

Trong suốt quá trình nén, piston thực hiện nén môi mất, thể tích thay đổi nênmột phần công nén bị chuyển đổi thành nhiệt Nhiệt sau khi được chuyển thành sẽ thấtthoát ra ngoài qua vách xylanh do bộ làm mát của động cơ, tức một phần cơ năng đượcchuyển thành cũng bị mất đi, công sinh ra ở quá trình này không được trọn vẹn

2.4 Hiện tượng lọt khí:

Piston dịch chuyển trong xylanh được bao bọc xung quanh bởi xecmang vàdầu bôi trơn Xecmang có nhiệm vụ bao kín buồng cháy không cho khí cháy lọt xuốngđáy dầu và không cho dầu lọt vào buồng cháy Nhưng trên thực tế khi động cơ hoạtđộng, luôn có một lượng môi chất trong lòng xylanh bị rò rỉ ra ngoài qua xecmang, đặcbiệt là ở quá trình nén Đây được gọi là hiện tượng lọt khí Hiện tượng này làm giảm

áp suất quá trình nén cũng như môi chất nén, khiến công suất động cơ ở quá trình nén

bị giảm đi

2.5 Chất lượng hòa khí:

Hiệu suất của động cơ phụ thuộc vào chất lượng của quá trình cháy là chủ yếu

do đây là quá trình sinh công có ích duy nhất của động cơ Tính chất cháy được quyếtđịnh bởi thành phần hòa khí, hình thành hòa khí có ảnh hưởng quyết định đến quátrình cháy, qua đó đến tính kinh tế, tính hiệu quả, độ êm dịu và chất lượng khí thải củađộng cơ

Trong quá trình làm việc động cơ đòi hỏi thành phần hoà khí ở mỗi chế độ làmviệc khác nhau Tỉ lệ không khí trên nhiên liệu được viết tắt là A/FR

Bảng 2 1: Tỷ lệ hòa khí ở các chế độ hoạt động khác nhau

2.6 Tốc độ cháy nhiên liệu:

Trong chu trình lý tưởng của động cơ đốt trong, thời gian đốt cháy bằng 0 vàtốc độ cháy là cực kỳ nhanh Nhưng trong thực tế, quá trình đốt cháy đòi hỏi phải cóthời gian nhất định Từ lúc bugi bắt đầu đánh lửa, nhiên liệu bắt đầu cháy và cho đếnkhi cháy hoàn toàn Tốc độ cháy của nhiên liệu phản ánh hiệu suất làm việc của động

cơ Nếu tốc độ cháy quá chậm, quá trình cháy của sẽ kéo dài đến kỳ sau của động cơ,làm công suất động cơ giảm đi

Trong thực tế, tốc độ cháy của nhiên liệu phải phù hợp với tốc độ quay và tảicủa động cơ Mà tốc độ quay và tải động cơ luôn thay đổi, vì vậy để thay đổi tốc độcháy người ta phải thay đổi thời điểm đánh lửa hay nói cách khác là góc đánh lửa sớmnếu động cơ ở tốc độ cao Nếu góc đánh lửa sớm quá lớn sẽ dẫn đến hiện tượng vừacháy vừa nén làm tốn công nén và máy nóng Ngược lại góc đánh lửa sớm nhỏ quálàm cho quá trình cháy kéo dài trên đường giãn nở, nhiệt độ khí thải cao, máy nóng vàhiệu quả sinh công kém Việc lựa chọn được góc đánh lửa tối ưu sẽ cho tính kinh tế vàtính hiệu quả cao nhất

2.7 Tỉ số nén của động cơ:

Tỷ số nén là một thông số ảnh hưởng trực tiếp đến tính năng làm việc củađộng cơ Khi tăng tỷ số nén thì hiệu suất của động cơ tăng Tuy nhiên tỷ số nén càngcao thì khả năng xảy ra cháy kích nổ càng lớn Ngoài ra động cơ có tỷ số nén cao hơn

sẽ làm việc phát ra công suất lớn hơn vì áp suất và nhiệt độ quá trình nén cao hơn làmcho tốc độ cháy và tốc độ tăng áp suất lớn hơn Mặt khác khi nâng cao tỷ số nén có thể

mở rộng phạm vi sử dụng thành phần của hòa khí và đặc biệt có lợi khi sử dụng hòakhí nhạt

2.8 Hệ thống đánh lửa:

9

Bugi cần phát ra tia lửa điện đúng vào thời điểm cuối của quá trình nén Nếubugi đánh lửa quá sớm hoặc quá trễ thì động cơ sẽ tiêu tốn nhiên liệu đồng thời côngsuất động cơ tăng và hiệu suất động cơ giảm.

Vị trí đặt bugi ảnh hưởng rất nhiều đến hiệu suất làm việc của động cơ Cụ thể

vị trí đặt bugi trong buồng cháy gây ảnh hưởng lớn đến khuynh hướng kích nổ.Khoảng cách từ bugi đến vị trí đánh lửa tới khu vực xa nhất của buồng cháy càng dài(tức hành trình màng lửa càng dài) thì khuynh hướng gây kích nổ càng lớn Nếu đặtbugi gần sát xupap nạp và xupap xả sẽ làm tăng khả năng tăng cao nhiệt độ của khốihòa khí ở cuối hành trình màng lửa, do nhiệt độ lớn của xupap xả gây ra, vì vậy làmtăng khuynh hướng kích nổ Do đó cần phải đặt bugi sát với khu vực giữa của buồngcháy và gần bộ phận nóng nhất buồng cháy, qua đó một mặt rút ngắn hành trình mànglửa, mặt khác còn giảm bớt nhiệt độ của khối hòa khí ở khu vực cuối hành trình mànglửa làm giảm khuynh hướng kích nổ

Năng lượng tia lửa phải đủ sức đốt cháy hỗn hợp bên trong xylanh động cơ

2.9 Tổn thất cơ giới:

Tổn thất cơ giới bao gồm các thành phần sau:

- Công tổn hao ma sát: Công trên 1 chu trình cần thiết để thắng các ma sát

do các chi tiết trong động cơ có chuyển động tương đối với nhau Công tổn hao nàygồm các thành phần tổn hao giữa xécmăng, thân piston và thành xylanh, tổn hao ở cáckhớp, đầu to thanh truyền, trục khuỷu và ổ trục cam, tổn hao ở cơ cấu xupáp, ở cácbánh răng, bánh đai và đai dẫn động trục cam

- Công dẫn động các cơ cấu phụ: Công trên 1 chu trình cần để dẫn độngcác cơ cấu phụ như các bơm, quạt, máy phát điện…Thông thường chỉ bao gồm những

cơ cấu phụ cần thiết cho hoạt động của động cơ

3 Các phương pháp:

Hiệu suất của động cơ xăng ở chế độ tải nhỏ thấp hơn so với chế độ đầy tải, vìvậy các nhà sản xuất và chuyên gia nghiên cứu đã tìm cách cải tiến hiệu suất ở chế độtải nhỏ Một số phương pháp cải thiện hiệu suất động cơ ở chế độ tải nhỏ đã được đềxuất ở hình 2.6 bao gồm phương pháp phun xăng trực tiếp kết hợp với hệ thống thayđổi sự chuyển động của dòng khí nạp, phương pháp ngắt xylanh, phương pháp thayđổi tỷ số nén, phương pháp thay đổi thời điểm xupap, phương pháp thay đổi tỷ số nạp,phương pháp thay đổi hệ thống nhiên liệu, hệ thống tăng áp…

Hình 2 6: Các phương pháp thay đổi tỷ số nén động cơ 3.1 Thời điểm xupap biến thiên (VVT – Variable Valve Timing):

Thay đổi thời điểm và độ mở xupap theo chế độ làm việc cải thiện rất nhiều vềhiêu suất đông cơ Phương pháp này giúp cải thiện hiệu suất động cơ bằng cách điềuchỉnh thời điểm và độ nâng các xupap qua nhiều phương pháp khác nhau (các phươngpháp sẽ đề cập ở Chương 3) bao gồm: điều chỉnh bằng cơ khí, thủy lực, điều khiển kếthợp (valvetronic) và các phương pháp không trục cam (thủy lực; điện từ…)

Từ việc điều chỉnh độ nâng và thời điểm đóng mở xupap, chúng ta có thể điềuchỉnh lưu lượng khí nạp, tỉ lệ hòa khí và lượng khí thải Cụ thể các ưu điểm khi sửdụng phương pháp này qua việc điều khiển các thời điêm xupap:

- Đóng xupap nạp trễ (LIVC): Sự thay đổi đầu tiên của hệ thống VVT

liên quan đến việc giữ xupap nạp hơi lâu một chút so với động cơ truyền thống.Trường hợp này làm cho không khí được đẩy ra khỏi xylanh và quay lại ống nạp khithực hiện quá trình nén Không khí bị đẩy ngược vào ống nạp có áp suất cao hơn, vàonhững lần nạp tiếp theo, không khí được nạp vào ở áp suất cao hơn nhờ áp suất củakhông khí được nén ngược lại trước đó Đóng xupap nạp muộn đã cho thấy giảm tổnthất bơm tới 40% trong điều kiện tải nhỏ, và giảm lượng khí thải NOx xuống 24% Mô-men xoắn động cơ chỉ giảm 1% và lượng khí thải HC không đổi

- Đóng xupap nạp sớm (EIVC): Một cách khác để giảm tổn thất bơm khi

tốc độ động cơ thấp, điều kiện chân không cao vì đóng xupap nạp sớm hơn bìnhthường Xupap nạp được đóng ngang giữa kỳ nạp Nhu cầu về hỗn hợp hòa khí đượccắt giảm, việc đóng xupap nạp sớm giúp cho tăng áp suất khí nạp nhờ vào quán tínhdòng khí nạp mới bị chặn lại, nên lần nạp tiếp theo áp suất nạp tăng lên do quán tínhcủa dòng khí nạp trước đó bị chặn lại Các nghiên cứu đã chỉ ra đóng xupap nạp sớm

11

làm giảm tổn thất bơm tới 40%, và làm tăng tiết kiệm nhiên liệu lên 7% Nó cũng làmgiảm lượng khí thải NOx 24% ở điều kiện tải một phần Một nhược điểm có thể xảy rakhi đóng xupap sớm là nó làm giảm đáng kể nhiệt độ của buồng đốt, có thể làm tănglượng khí thải hydrocacbon

- Mở xupap nạp sớm (EIVO): Mở xupap nạp sớm là một trường hợp

khác có tiềm năng đáng kể để giảm phát thải Trong một động cơ truyền thống, mộtquá trình gọi là trùng điệp được sử dụng để hỗ trợ trong việc kiểm soát nhiệt độ buồngđốt Bằng cách mở xupap nạp sớm, một số khí thải sẽ đẩy ngược ra khỏi xylanh, thôngqua xupap nạp, ở ống nạp khí thải sẽ được tiếp xúc lâu hơn với khí nạp mới do đó khí

xả được nạp lại có nhiệt độ thấp hơn nên giảm được NOx Cải thiện hiệu suất nhờ việckhí xả ở ống thải ít hơn nên giảm công thải xuống

- Mở xupap nạp muộn (LIVO): Mở xupap nạp muộn xảy ra khi không

có sự chênh lệch áp suất giữa xylanh và đường ống nạp Vì mở xupap nạp muộn, côngbơm sẽ tăng ở đầu kì nạp nhưng không đáng kể Việc mở xupap nạp muộn sẽ giúp khínạp được hút vào xylanh với sự chênh lệch áp suất cao, dẫn đến khí nạp sẽ xoáy lốc vàhòa khí được tạo ra tốt hơn, giúp quá trình cháy tốt hơn và giảm khí thải hydrocacbon(HC) Theo nghiên cứu thì việc mở xupap nạp muộn sẽ giúp giảm 6-20% nhiên liệu và40% lượng HC

- Đóng xupap xả sớm (EEVC): Xupap xả được đóng sớm sẽ cho một

lượng khí thải đi ngược vào lại đường ống nạp Giống như hệ thống luân hồi khí xả(EGR), lượng khí thải này sẽ giúp giảm lượng NOx trong quá trình cháy tiếp theo.Theo một nguyên cứu của Law và cộng sự cho thấy lượng khí NOx giảm 90% Tuy cótốn công nén lượng khí thải này nhưng không đáng kể

- Đóng xupap xả muộn (LEVC): Xupap xả đóng trể giúp cho việc thải

khí sạch hơn, sẵn sàng nạp nhiều khí hơn cho lần nạp tiếp theo Trường hợp này giúpđộng cơ được nạp lại một phần khí xả của quá trình thải, giảm lượng HC Việc đóngxupap xả muộn làm tăng góc trùng điệp, tăng lượng khí xả đi ngược vào trong đườngống nạp, làm tăng áp suất nạp do đó giảm tổn thất công hút LEVC có lợi ở tốc độđộng cơ cao, vì xả nhanh và sạch, còn ở chế độ cầm chừng quá nhiều khí cháy vào ốngnạp làm giảm hiệu suất nạp

- Mở xupap xả sớm (EEVO): Xupap xả được mở trước khi kỳ cháy kết

thúc Mở xupap xả sớm giúp việc thải sạch hơn, nhưng làm giảm công có ích Nhưngtrường hợp này làm giảm tổn hao công suất do quá trình thải vì lượng khí thải ở quátrình xả ít đi, tốn ít công thải Lượng NOx trường hợp này cũng giảm vì nhiệt độ buồngđốt không cao

- Mở xupap xả muộn (LEVO): Xupap xả mở muộn làm cho tổn hao

công suất tăng lên do sự tiêu hao công thải dùng để đẩy khí thải ra ngoài do xupap xả

mở muộn và làm cho quá trình thải ngắn lại Tuy nhiên, trường hợp này làm giảm NOx

nhờ việc đốt lại khí thải còn dư trong buồng đốt do quá trình thải ngắn

3.2 Tỉ số nén biến thiên (VCR – Variable Compression Ratio):

Thách thức hiện tại trong công nghệ động cơ ô tô là cải thiện hiệu suất nhiệt Tỷ

số nén là các đặc điểm chính ảnh hưởng đến hiệu suất nhiệt của động cơ

Hình 2 7: Tỷ số nén động cơ

Tỉ số nén biến thiên nghĩa là tỉ số nén của động cơ được kiểm soát qua mỗi chế

độ hoạt động của động cơ Khi động cơ hoạt động với chế độ đầy tải, tỉ số nén sẽ giảm

để tránh hiện tượng kích nổ Còn khi động cơ hoạt động ở tải thấp, tỷ số nén của động

cơ sẽ cao để tăng hiệu suất Gồm những cách thay đổi tỷ số nén như:

- Thay đổi độ nghiêng đầu xylanh: Là di chuyển độ nghiêng xylanh, đầu

xylanh quay nghiêng so với các phần còn lại của động cơ

Hình 2 8: Phương pháp thay đổi độ nghiêng đầu xy lanh

Từ việc thay đổi độ nghiêng đầu xylanh, thể tích buồng đốt hay tỉ số nén sẽ bịthay đổi theo Tỉ số nén thay đổi nếu dùng theo phương pháp này là 8 đến 14

- Thay đổi thể tích buồng đốt: Việc thay đổi thể tích nhờ liên kết một

xupap hoặc một piston thứ 2 với buồng đốt Piston có thể dịch chuyển vị trí ở một mức

13

tương đối, việc thay đổi vị trí piston thứ hai này làm cho thể tích buồng cháy thay đổi,

từ đó thay đổi tỷ số nén

Hình 2 9: Phương pháp thay thế thể tích buồng đốt

- Thay đổi chiều cao piston: Việc thay đổi chiều cao piston thường được

áp dụng nhiều nhất, vì nó không đòi hỏi sự thay đổi lớn về kết cấu piston và xylanh.Nhược điểm là thay đổi chiều cao piston làm khối lượng piston tăng lên và dao độngcủa piston lớn khi hoạt động ở tốc độ cao, khối lượng tăng do lượng dầu được bơmvào

Hình 2 10: Phương pháp thay đổi chiều cao piston

- Dịch chuyển đầu trục khuỷu: Việc thay đổi tỉ số nén là sự dịch chuyển

lệch tâm của vòng răng kết nối thanh truyền và trục khuỷu Vòng răng quay về phíatrái hoặc phải thì piston được nâng lên hoặc hạ xuống, từ đó thay đổi được tỉ số nén

Hình 2 11: Phương pháp di chuyển đầu trục khuỷu

- Thay đổi tỉ số nén bằng cách điều khiển liên kết trục khuỷu và thanh truyền: Sử dụng thêm một hệ thống các liên kết đa điểm để nối giữa trục khủy và

thanh truyền và cơ cấu này được nối vào một trục điều khiển – sử dụng bánh lệch tâm.Trong quá trình làm việc, tùy thuộc vào điều kiện vận hành của xe mà bánh lệch tâmnày sẽ điều chỉnh để tạo ra các tỷ số truyền khác nhau nhờ tác động vào khoảng dichuyển tối đa của piston

Hình 2 12: Phương pháp điều khiển liên kết trục khuỷu và thanh truyền 3.3 Tăng áp cho động cơ:

Tăng áp cho động cơ để tăng mật độ không khí trong buồng đốt, nhằm bù đắpthất thoát do công bơm Qua đó làm tăng khối lượng không khí nạp đi vào xylanhtrong mỗi chu trình, vì vậy mà làm tăng công suất động cơ

15

Nói một cách khác, hệ thống tăng áp giúp công suất động cơ tăng lên mà khôngcần thay đổi kết cấu động cơ Từ đó giúp động cơ được thiết kế nhỏ gọn hơn, dung tíchnhỏ hơn mà vẫn giữ được công suất ban đầu so với động cơ không tăng áp.

Các phương pháp tăng áp được dùng nhiều cho động cơ:

+ Tăng áp dẫn động bằng tuabin khí (turbocharger): máy nén được dẫn

động bởi trục của tua bin khí, hoạt động nhờ năng lượng khí thải của động cơ Khí thảicủa động cơ đi vào tuabin khí và làm quay máy nén, sau đó được thải ra môi trường.Đồng thời máy nén hút không khí trời đưa vào động cơ, lượng không khí được nén vào

có thể tự biến đổi theo công suất của động cơ Công suất động cơ càng lớn, dòng khíthải càng lớn, máy nén làm việc nhiều hơn dẫn đến lượng không khí cung cấp vào chođộng cơ càng lớn

Hình 2 13: Hệ thống turbocharger

+ Tăng áp dẫn động bằng cơ khí (supercharger): máy nén trong thiết bị

tăng áp được dẫn động từ trục khuỷu động cơ thông qua các bánh răng, xích hoặc cơcấu truyền động khác Khi trục khuỷu động cơ quay, công suất truyền từ trục khuỷu sẽdẫn động cho máy nén làm việc Máy nén hút không khí ngoài trời và đưa vào đườngống nạp

Hình 2 14: Hệ thống supercharger

+ Turbo tăng áp cánh biến thiên (VGT): đây là một trong những cải tiến

của turbocharger Do được dẫn động bằng khí thải, khi động cơ ở tốc độ cao, luồng khíthải đi vào tuabin khí tạo ra một sức cản ngược lại trong quá trình thải của động cơ,khiến cho động cơ bị ì Hệ thống VGT được tạo ra để khắc phục hiện tượng này Đượctrang bị các cánh gió có thể điều khiển bằng motor điện, từ đó điều khiển luồng khíthải qua tubin được điều chỉnh theo chế độ động cơ làm việc

17

Hình 2 16: Piston đỉnh lõm

Với thiết kế như vậy, việc nạp và làm xoáy lốc không khí nạp với phần lõm nhỏhơn cũng như nhiên liệu được phun vào bên lõm sâu hơn sẽ tạo ra một hỗn hợp cháytriệt để hơn do tốc độ do tốc độ chuyển động của dòng khí và xoáy lốc, hướng chuyểnđộng của hòa khí sẽ tạo ra một hỗn hợp đậm đặc xung quanh bugi vì thế quá trình cháybắt đầu nhanh chóng và cháy sạch nhiên liệu hơn

Hình 2 17: Mô tả nguyên lý hoạt động của động cơ nạp phân tầng

Trên động cơ GDI, ECU động cơ liên tục điều khiển cánh bướm ga để luôn đápứng phù hợp với nhu cầu làm việc với động cơ cho ra công suất khác nhau ứng với cácquá trình cháy sinh công khác nhau Trên động cơ GDI, ECU thường điều khiển cánhbướm ga để tạo ra các trạng thái cháy khác nhau đó là cháy với hỗn hợp nghèo (ultralean burn), cháy với hỗn hợp lí tưởng (stoichiometric) và cháy với hỗn hợp giàu (fullpower output) tương ứng với các chế độ hoạt động khác nhau của động cơ

Cháy với hỗn hợp nghèo là một trạng thái cháy sinh công trong điều kiện tảinhẹ với tốc độ giữ đều hay giảm xuống Khi bắt đầu hoạt động ở điều kiện cháy phântầng, cánh bướm ga sẽ mở với góc độ nhỏ để tạo sự xoáy lốc không khí nạp khi vàotrong lòng xylanh Đối với các hệ thống trên đường ống nạp có cửa nạp xoáy lốc thìbướm ga vẫn mở tối đa nhưng cửa nạp xoáy lốc sẽ đóng lại một phần trên đường nạpsau cánh bướm ga Điều này giúp giảm đi sự cản trở dòng khí nạp của bướm ga nhưngvẫn tạo ra được sự xoáy lốc không khí khi vào trong lòng xylanh nhờ vào phần diệntích lõm trên bề mặt piston.

Hình 2 18: Quá trình nạp không khí vào xylanh

Trong trạng thái làm việc này nhiên liệu không được phun trực tiếp vào ở kỳnạp mà phun vào gần cuối kỳ nén khi lượng khí nạp đã xoáy lốc với tốc độ và áp suấtcao trong buồng đốt Với thời điểm phun như vậy lượng nhiên liệu được phun vào íthơn so với quá trình cháy lí tưởng Nhưng với sự xoáy lốc nhiên liệu được tạo ra nhờvào bề mặt lõm của piston mà một hỗn hợp giàu hình thành quanh bugi giúp cho quátrình cháy nhanh hơn và cháy sạch hơn với phần lớn nhiệt năng được chuyển thành cơnăng do sự mất nhiệt ra hệ thống làm mát ngoài xylanh giảm xuống Điều đó xảy rađược là do hỗn hợp cháy với phần lớn nhiên liệu được phun vào theo hướng xoáy lốctập trung tại trung tâm buồng đốt bao quanh bugi còn xung quanh trung tâm buồng đốt

là không khí nạp do đó quá trình cháy nhiên liệu được cháy sạch hơn và cháy từ trong

ra ngoài Cũng chính lý do này làm cho sự mất nhiệt ra hệ thống làm mát giảm xuống

19

Hình 2 19: Quá trình phun nhiên liệu và nạp phân tầng

Với sự cháy triệt để nhiên liệu nạp vào, tuy với khối lượng nhiên liệu ít nhưngđộng cơ vẫn đảm bảo công suất đầu ra khi ở điều kiện tải nhỏ Khi hoạt động dướiđiều kiện cháy phân tầng, giá trị tính được của chỉ số λ thường dao động từ 1.6 đến 4.Với chỉ số này việc thực hiện đánh lửa sẽ không diễn ra khi được đặt dưới điều kiệnnạp đồng nhất

Trong trường hợp động cơ chuyển sang hoạt động với điều kiện tải lớn hay đòihỏi việc nạp phải đồng nhất thì lúc này cửa nạp xoáy lốc sẽ mở hoàn toàn giúp choviệc nạp không khí đầy hơn Đồng thời lúc này nhiên liệu sẽ được phun vào kỳ nạpgiúp cho hỗn hợp hòa trộn sớm hơn và phân bố đều khắp buồng đốt với một tỉ lệ khígiàu

Hình 2 20: Quá trình nạp hòa khí đồng nhất

Nhiên liệu được phun vào trễ hơn ở gần cuối kỳ nén, do đó nhiên liệu đượcphun vào ít hơn do thời gian nạp bị rút ngắn Nhưng với hình dạng của pistong giúpcho thành phần nhiên liệu tập trung nhiều (hỗn hợp hòa khí đậm đặt) ở trung tâm cháynên dẫn đến quá trình cháy triệt để, sạch hơn với hiệu suất nhiệt cao hơn Với việcnhiên liệu sử dụng ít nhưng vẫn đảm bảo công suất đầu ra ở chế độ tải nhỏ sẽ làm chohiệu suất làm việc của động cơ tăng lên

3.5 Xylanh biến thiên (Cylinder Deactivation or Cut Off):

Ở chế độ tải nhỏ, trên các động cơ cỡ lớn bướm ga gần như đóng hoàn toàn.Điều này đã cản trở quá trình cấp khí cho các xylanh Thiếu không khí, áp suất vànhiệt độ nén giảm khiến quá trình cháy kém hiệu quả, hiệu suất nhiệt thấp

Thay vì để các máy tranh giành lượng khí ít ỏi, công nghệ điều khiển xylanhbiến thiên sẽ cho một số máy ngừng làm việc, để nhường khí nạp cho các xylanh cònlại Một số buồng đốt nhận khí nhiều hơn làm tăng áp suất nén, vì thế hiệu suất nhiệtđược cải thiện Theo tính toán, lượng nhiên liệu tiêu thụ có thể giảm 8-25% khi xechạy trên đường cao tốc.

Trên các xylanh tạm dừng làm việc, các xupap xả và nạp đóng kín, hỗn hợpkhông khí trong buồng đốt bị cô lập với bên ngoài Lúc này, chúng có vai trò như mộtchiếc lò xo Nó sẽ bị nén khi khi piston đi từ điểm chết dưới (ĐCD) lên điểm chết trên(ĐCT), và giãn nở trong hành trình ngược lại từ ĐCT xuống ĐCD Quá trình giãn nởcủa khối khí cô lập tạo sự cân bằng tổng thể, đồng thời không gây ra phụ tải cho độngcơ

 Nhược điểm của phương pháp:

- Động cơ sẽ làm việc ồn hơn bình thường do các xylanh còn lại làm việc

công suất cao

- Sự rung giật sẽ xảy ra khi hoạt động.

- Đòi hỏi độ bền chi tiết động cơ cao vì dễ bị mòn do va đập giữa các chi

tiết nhất là với các chi tiết xupap và liên quan đến xupap trên động cơ điều khiểnkhông trục cam

Một số công nghệ cắt giảm xylanh:

- Hệ thống điều khiển ngắt giảm xylanh dùng thủy lực được hãng

General Motors sử dụng Bằng việc điều khiển áp lực dầu, việc ngắt giảm xylanh đượcthực hiện thông qua việc ngắt liên kết giữa thanh đẩy với cam làm cho cò mổ khôngđội được xupap Việc điều khiển áp suất dầu được thực hiện bởi các xupap điện doECU cấp điện điều khiển dựa trên các tín hiệu từ các cảm biến nhiệt độ nước, cảm biếnnhiệt độ dầu, cảm biến trục khuỷu, trục cam, vị trí bướm ga… gửi về ECU động cơ

21

Hình 2 21: Điều khiển xupap bằng thủy lực

- Hệ thống điều khiển ngắt giảm xylanh dùng xupap điện từ, đây là

công nghệ mới ra đời khi kỹ thuật về điện tử được phát triển mạnh trên ô tô, với lựchút điện từ việc điều khiển ngắt giảm xylanh được thực hiện bằng cách điều khiểndòng điện cho việc cấp điều khiển các xupap Phương thức này còn có ưu điểm là nóđều khiển xupap độc lập nên công nghệ này được sử dụng trên các động cơ camless

Hình 2 22: Hệ thống ngắt xylanh dùng van điện từ

- Hệ thống điều khiển ngắt giảm xylanh bằng cách làm biến đổi trục khuỷu, phương pháp này đòi hỏi trục khuỷu có kết cấu phức tạp và tính cân bằng động

rất cao Nhược điểm của phương pháp này là việc ngắt giảm xylanh chỉ được thực hiệnkhi động cơ chưa làm việc, điều đó được thực hiện bởi người lái khi họ muốn chọnchạy ở chế độ toàn tải hay giảm tải bằng cách chọn công tắc điều khiển như ở hình2.23