Nghiên cứu động cơ thay đổi tỉ số nén VCR

Động cơ có thể thay đổi tỷ số nén linh hoạt - Variable compression ratio (VCR) là một trong những giải pháp giúp tăng công suất động cơ, giảm mức tiêu thụ nhiên liệu nhờ nâng cao hiệu suất quá trình cháy, giảm mức khí thải độc hại. Bài viết Nghiên cứu động cơ thay đổi tỉ số nén VCR giới thiệu động cơ VCR; Kết cấu và nguyên lý hoạt động của động cơ VCRi.

NGHIÊN CỨU ĐỘNG CƠ THAY ĐỔI TỈ SỐ NÉN VCR

Nguyễn Mạnh Khang, Phan Đức Huy, Ngô Thành Huy*

*Viện Kỹ thuật HUTECH, Trường Đại học Công nghệ TP Hồ Chí Minh (HUTECH)

GVHD: ThS Đỗ Nhật Trường

TÓM TẮT

Động cơ có thể thay đổi tỷ số nén linh hoạt - Variable compression ratio (VCR) là một trong những giải pháp giúp tăng công suất động cơ, giảm mức tiêu thụ nhiên liệu nhờ nâng cao hiệu suất quá trình cháy, giảm mức khí thải độc hại Những điều này đạt được là nhờ khả năng thay đổi một cách linh hoạt tỷ số nén

để thay đổi thể tích buồng đốt của động cơ theo điều kiện vận hành của xe Để hiểu rõ hơn về loại động cơ này nhóm đã nghiên cứu về chuyên đề: Thay Đổi Tỉ Số Nén Trên Động Cơ

Từ khóa: VCR, động cơ, tiêu thụ nhiên liệu, khí thải, tỉ số nén.

1 GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ VCR

Hình 1: Tổng quan động cơ VCR

Tỷ số nén là tỷ lệ thể tích của xi-lanh và buồng đốt ở hai thời điểm khi piston đi xuống điểm chết dưới và

đi lên điểm chết trên Có thể cải thiện hiệu quả và khả năng tiết kiệm nhiên liệu bằng cách thiết kế động cơ với tỷ số nén cao Tỷ số nén càng cao, càng có nhiều khí được nén trong xi-lanh Khi không khí được nén lại, sẽ có sự kích nổ mạnh mẽ từ hỗn hợp khí-xăng và tiêu hao nhiều nhiên liệu Nhờ sự cháy trong không gian nhỏ hơn, lực tạo ra sẽ không tiêu tan nhanh chóng và được khai thác hiệu quả Tăng tỷ số nén từ 8:1 lên 9:1, thì tiết kiệm được 5-6% nhiên liệu

Những thông số trên là tỷ số nén tĩnh được đo khi van hút khí đóng lại Tuy nhiên, trong hoạt động thực tế, việc này hầu như không bao giờ xảy ra Động cơ vận hành rất nhanh, van hút khí có thể cần mở trước khi pit-tông hoàn tất chu trình đóng mở Khi đó, áp suất bên trong xi-lanh bị tiêu hao, làm giảm hiệu quả Về bản chất, đó là khi có nhiều không gian hơn cho không khí, khiến động cơ bị mất năng lượng từ quá trình

đốt cháy khí-xăng

Hình 2:Cơ cấu thay đổi tỉ số nén của động cơ

Chúng ta đều biết hiệu suất của quá trình cháy phụ thuộc rất lớn vào tỷ số nén, tỷ số nén càng cao thì quá trình cháy càng diễn ra triệt để Tuy nhiên, đối với các động cơ xăng thì không thể tăng mãi tỷ số nén bởi nếu tỷ số này lớn thì hỗn hợp xăng và nhiên liệu khi đi vào bên trong buồng đốt có thể sẽ tự bốc cháy mà không cần bu-gi đánh lửa và gây ra hiện tượng cháy kích nổ của động cơ dẫn đến làm giảm công suất của động cơ và có thể làm hư hỏng động cơ Biểu đồ đặc tính làm việc của động cơ ở các tỷ số nén khác nhau

Hình 3: Biểu đồ đặc tính làm việc của động cơ ở các tỷ số nén khác nhau

Thông thường thì ôtô sẽ phải vận hành trong nhiều điều kiện khác nhau: chế độ stop and go , đi với tốc độ thấp khi di chuyển trong đô thị hay luôn duy trì tốc độ cao khi đi trên đường cao tốc…Tuy nhiên khi đi trong thành phố thường duy trì với tốc độ thấp, tải trọng thấp nên làm giảm giảm hiệu suất của quá trình cháy dẫn đến tăng mức tiêu thụ nhiên liệu Lúc này, chúng ta chỉ mong muốn động cơ có tỷ số nén cao để phát huy được hiệu suất của quá trình cháy

Ngược lại, khi di chuyển với tốc độ cao, tải trọng lớn sẽ dễ dẫn đến hiện tượng kích nổ của động cơ lúc này

tỷ số nén thấp mới là lựa chọn tối ưu Tỷ số nén cao hay thấp cũng đều mang đến lợi thế cũng như kèm theo đó là những bất lợi trong các điều kiện khác nhau vì vậy giải pháp về một động cơ có tỷ số nén có thể thay đổi theo điều kiện làm việc sẽ giúp giải quyết những vấn đề trên

Về mặt lý thuyết động cơ VCR là một thiết kế rất đáng để các nhà sản xuất quan tâm và thử nghiệm Tuy nhiên để có thể hiện thực hóa ý tưởng này là điều không dễ dàng, trên thực tế mới chỉ có một vài nhà sản xuất như FEV, Ford, Sabb, Nissan đưa ra được những động cơ mẫu và thử nghiệm

* Ưu điểm của công nghệ VCRi :

- Với công nghệ VCR giúp động cơ có thể thay đổi tỉ số truyền để đạt được hiệu quả tối ưu theo các điều kiện vận hành

- Động cơ có thể đạt được công suất lớn như động cơ có sử dụng máy nén khí nhưng với mức tiêu thụ nhiên liệu như của động cơ bình thường

- Giữa piston và thanh truyền, liên kết nhiều điểm giúp giảm rung động khi động cơ làm việc

2 CÁCH THAY ĐỔI TỈ SỐ NÉN CỦA ĐỘNG CƠ

2.1 Kết cấu và nguyên lý hoạt động của động cơ VCRi:

Động cơ thay đổi tỉ số nén sử dụng hệ thống đa điểm của Nissan:

+Nguyên lý làm việc:

Sự khác biệt của công nghệ VCR là sự thay đổi tỷ số nén của động cơ theo các điều kiện vận hành, điều này có được là nhờ cơ cấu liên kết tại nhiều điểm (multi-link mechanism) giữa trục khuỷu và pit-tông nhờ vậy khi mà tạo ra khoảng cách khá lớn của đỉnh piston khi ở chế độ tỷ số nén cao (high C.R) và chế độ tỷ

số nén thấp (low C.R) Và tạo ra các tỷ số nén khác nhau theo các điều kiện vận hành của động cơ Trong một động cơ đốt trong truyền thống, mỗi pittong được nối với trục khuỷu thông qua thanh truyền Còn trong MCE-5,thì được thêm một bộ phận trung gian của hệ thống đó là một bánh răng đặc biệt Bánh răng này đóng vai trò như một bộ phận cân bằng và dẫn hướng của pittong, nó được kích bằng thủy lực đặc biệt nằm trong thân máy,bánh răng này có tác dụng thay đổi chiều dài của pittong,do đó làm thay đổi thể tích buồng đốt dẫn đến thay đổi tỉ lệ nén MCE-5 nói rằng hệ thống này có thể thay đổi tỉ số nén từ 7:1 đến 18:1 khác với những động cơ thông thường khác và hệ thống này có thể thay đổi tỉ số nén từ thấp nhất lên đến cao nhất là 100 phần nghìn giây Hệ thống này cho phép động cơ xăng chạy giống như động cơ diesel trong một số trường hợp Sử dụng các chu trình Atkinson hiệu quả hơn và chạy nhiên liệu khác như nhiên liệu sinh học và khí nén Hệ thống này thậm chí có thể điều khiển mỗi xi lanh riêng biệt, cho phép tất cả bốn xi-lanh hoạt động ở các tỷ số nén khác nhau, tối ưu cho mỗi xi lanh riêng biệt

2.2 Công nghệ hỗ trợ

- Tỉ số nén liên tục thay đổi

- Bảo vệ các xi lanh

- Tương thích với bất kỳ loại buồng đốt nào

- Động cơ nhỏ gọn

- Khả năng tăng tốc nhanh

- Đảm bảo các tiêu chí của một động cơ đốt trong truyền thống (bền bỉ, tin cậy, mạnh mẽ)

- Hiệu suất cao

3 KẾT LUẬN

Trên thực tế thì công nghệ VCR không phải là mới mà đã được thử nghiệm hàng thập kỷ nay, thậm chí Sabb đã mang công nghệ này tới triển lãm Geneva Motoshow 2000 Tuy nhiên cho tới tận thời điểm này thì công nghệ này vẫn chỉ dừng lại ở mức thử nghiệm và vẫn chưa thể đưa lên các xe thương mại

Trở ngại đầu tiên phải nói tới là kết cấu động cơ: những động cơ VCR có kết cấu phức tạp, nhiều chi tiết nên trước tiên sẽ gây ra khó khăn khi bố trí thiết kế, làm tăng trọng lượng của toàn bộ động cơ Trong một vài mô hình thì loại động cơ này gây ra rung động lớn và có thể phải thay đổi hoàn toàn thiết kế so với động

cơ hiện nay, điều này sẽ gây ra khó khăn đối với các nhà máy đang sản xuất động cơ thông thường

Ngoài trở ngại về kết cấu thì với một số mô hình động cơ có tỷ số nén thay đổi có thể gây cản trở khí thải thoát ra bên ngoài làm cản trở quá trình cháy dẫn đến tăng lượng khí thải hydrocacbon

Tuy có thể gặp một vài khó khăn và trở ngại nhưng không thể phủ nhận những ưu điểm nổi bật của động

cơ VCR như: Cải thiện đáng kể hiệu suất của quá trình cháy từ đó giảm được đáng kể kích thước động cơ,

sử dụng nhiên liệu linh hoạt cũng như giảm lượng khí thải độc hại ra môi trường Với những ưu điểm này,

có lẽ trong khoảng thời gian không xa nữa động cơ này sẽ được sử dụng rộng rãi

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Swapnil Gurav, Chetan Bagul, Rahul Ramole, Pukhraj Patil, 5 Prof Sneha Bire , “ Review on design and fabrication of pneumatic gripper for material handling”, Feb 2008

2 Milind R Shinde, V N Bhaiswar, B G Achmare ,“Designing a suitable robotic arm for loading and unloading of material on lathe machine using workspace simulation software” ,Jan-2016

3 S Premkumar,a, K.Surya Varman,b, R.Balamurugan, “Design and Implementation of multi handling Pick and Place Robotic Arm”, March 2016

4 Rakesh.N, Pradeep Kumar.A, Ajay.S, Design and Manufacturing of Low Cost Pneumatic Pick And Place Robot, International Journal of Scientific & Technology Research Volume 2, Issue 8, August 2013