Dẫn nhập
Lý do chọn đề tài
Động cơ 4 kỳ hoạt động qua bốn giai đoạn: nạp, nén, nổ và xả, trong đó kỳ nạp là bước đầu tiên, nơi môi chất mới được đưa vào động cơ, có thể là không khí hoặc hỗn hợp xăng và không khí Kỳ nén nén môi chất để đạt áp suất tự cháy, chuẩn bị cho kỳ nổ, giai đoạn tạo ra công chính Kỳ xả thải khí đã cháy ra ngoài, và mỗi kỳ đều ảnh hưởng đến công suất của động cơ Hiệu quả của kỳ nạp được đánh giá qua hiệu suất nạp và chất lượng môi chất, nhưng cũng bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác Các nhà sản xuất ô tô không ngừng nghiên cứu và phát triển các giải pháp mới để tối ưu hóa quá trình nạp, nhằm nâng cao công suất, momen xoắn, tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm Việc áp dụng công nghệ nạp hiện đại giúp động cơ có công suất tương đương với động cơ có dung tích xilanh lớn hơn, phản ánh xu hướng phát triển của ngành ô tô hiện nay Nhận thấy tầm quan trọng của quá trình nạp, tác giả đã chọn đề tài "CHUYÊN ĐỀ CẢI TIẾN HỆ THỐNG NẠP TRÊN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG".
Đối tượng nghiên cứu
Bài viết sẽ khám phá các hệ thống mới được áp dụng vào động cơ để nâng cao hiệu quả quá trình nạp Mỗi hệ thống sẽ được phân tích kỹ lưỡng về ưu nhược điểm, nguyên lý hoạt động và cấu tạo Đồng thời, bài viết cũng sẽ so sánh các hệ thống này với nhau để làm nổi bật sự khác biệt và tính hiệu quả của từng hệ thống.
Phương pháp nghiên cứu
Trong quá trình thực hiện đề tài, tác giả sử dụng một số phương pháp nghiên cứu:
Phương pháp sưu tầm, tìm kiếm tài liệu liên quan
Phương pháp tìm kiếm, biên dịch tài liệu
Phương pháp phân tích, tổng hợp, so sánh, đánh giá các tài liệu về các hệ thống mới
Giới hạn đề tài
Có nhiều công nghệ mới giúp nâng cao công suất động cơ, nhưng bài viết này chỉ tập trung vào các công nghệ liên quan đến hệ thống nạp Do giới hạn về kiến thức và thời gian, tác giả chỉ nghiên cứu kết cấu cơ khí và nguyên lý vận hành cơ bản của các công nghệ này mà chưa đi sâu vào tín hiệu điều khiển.
Nội dung đề tài
Đề tài được chia thành 5 chương:
Chương 1 Dẫn nhập: chương này nêu lý do chọn đề tài, phương pháp nghiên cứu của tác giả, giới hạn của đề tài và khái quát nội dung từng chương
Chương 2 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình nạp: chương này trình bày khái quát về quá trình nạp của động cơ đốt trong, liệt kê các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất nạp khi chưa có sự can thiệp của các công nghệ mới
Chương 3 Các phương pháp cải thiện hiệu suất nạp: ở chương này phân tích các công nghệ liên quan tới hệ thống nạp về các mặt: cấu tạo, nguyên lý hoạt động, ưu/nhược điểm
Chương 4 Những công nghệ đang được áp dụng: chương này liệt kê và phân tích sơ bộ những công nghệ hiện đang có mặt trên các mẫu xe quen thuộc
Chương 5 Kết luận và đề nghị: ở chương này, tác giả rút ra nhận xét từ những phân tích ở các chương trước và đưa ra những ý kiến mà tác giả cho là có thể nâng cao chất lượng đào tạo của Khoa Cơ Khí Động Lực, Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP
Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình nạp
Khái quát về quá trình nạp
2.1.1 Khái niệm quá trình nạp
Quá trình nạp trong động cơ diễn ra khi môi chất mới được đưa vào lòng xilanh Ở đầu kỳ nén, piston ở điểm chết trên và buồng đốt chứa đầy sản phẩm cháy với áp suất cao hơn áp suất khí trời, gọi là áp suất khí sót Khi trục khuỷu quay, piston di chuyển từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới, lúc này xupap nạp mở và xupap xả đóng Sự chuyển động xuống của piston tạo ra chân không trong xilanh, khiến áp suất trong xilanh thấp hơn áp suất trên đường ống nạp, từ đó môi chất được nạp vào xilanh.
Hiệu suất nạp là chỉ số quan trọng để đánh giá hiệu quả của động cơ bốn kỳ, liên quan đến chu trình nạp và xả khí Để tính toán hiệu suất nạp, người ta sử dụng công thức: a v a ,0 d.
Mật độ khí nạp a,0 được đo tại áp suất khí trời cho biết hệ số nạp tổng quát ηv của động cơ Khi a,0 được đo trong đường ống nạp, ηv sẽ phản ánh hiệu suất nạp của các thành phần như xilanh, cửa nạp và xupap.
Hiệu suất nạp bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như dòng chuyển động nhiên liệu, thiết kế động cơ, các chế độ vận hành của động cơ:
Loại nhiên liệu, tỷ số hòa khí, trọng lượng của phần nhiên liệu bay hơi, nhiệt độ nhiên liệu bốc hơi
Hòa khí bị ảnh hưởng bởi nhiệt
Tỷ số áp suất của xả ảnh hưởng đến nạp
Thiết kế cửa nạp và xả
Xupap nạp, xả: hình dạng, kích thước, độ nhấc, thời gian nhấc
Các yếu tố trong nhóm trên có tác động bán ổn định, ảnh hưởng của chúng có thể không phụ thuộc vào tốc độ động cơ, hoặc thể hiện qua tốc độ trung bình.
Bốn động cơ chính ảnh hưởng đến quá trình trao đổi khí bao gồm dòng chảy không ổn định, hiện tượng sóng áp suất, và sự thay đổi theo thời gian của các yếu tố liên quan.
Các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất nạp
2.2.1 Ảnh hưởng của sự chuyển động thuận nghịch dòng khí (quasi-static effects)
Hiệu suất nạp trong chu trình lý tưởng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm áp suất nạp của hòa khí (pi), nhiệt độ (Ti), tỷ số A/F, tỷ số nén (rc), áp suất khí xả (pe), trọng lượng phân tử (M) và hệ số γ của chu trình.
Ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu, giai đoạn, tỷ số A/F
Trong động cơ đốt trong, sự hiện diện của nhiên liệu dạng khí và hơi nước trong hệ thống nạp làm giảm áp suất riêng phần của khí, dẫn đến áp suất hòa khí thấp hơn Áp suất hòa khí được xác định bởi tổng các áp suất riêng phần, bao gồm áp suất không khí, áp suất hơi nhiên liệu và áp suất hơi nước Công thức tính toán áp suất hòa khí là: pa,i + pf,i + pw,i = p Đối với nhiên liệu lỏng như xăng, ảnh hưởng của hơi nhiên liệu là không đáng kể; tuy nhiên, đối với nhiên liệu dạng hơi như methanol, hiệu suất nạp sẽ bị giảm do sự hiện diện của hơi nhiên liệu trong hòa khí.
Ảnh hưởng của tỷ số áp suất nạp và xả, tỷ số nén
Khi tỷ số áp suất (pe/pi) và tỷ số nén thay đổi, một phần thể tích xilanh bị chiếm chỗ bởi khí dư, dẫn đến sự giảm hiệu suất nạp Sự ảnh hưởng của tỷ số áp suất được thể hiện rõ qua công thức tính hệ số nạp.
(2-3) Khi tỷ số áp suất nạp/áp suất xả bằng 1 thì công thức tính hiệu suất nạp trở thành:
2.2.2 Ảnh hưởng của động lực học
Khi dòng khí di chuyển ổn định qua các ống và buồng, ma sát, áp suất và quán tính đều tác động đến quá trình này Mối quan hệ giữa các lực này phụ thuộc vào tốc độ dòng khí, kích thước và hình dạng của ống cũng như các điểm nối Sự thay đổi tốc độ động cơ, thiết kế của đường ống nạp xả và các bộ phận như xupap và cửa nạp xả có ảnh hưởng lẫn nhau, từ đó một số thành phần riêng lẻ có thể xác định hiệu suất nạp.
Tổn hao do ma sát
Trong suốt kỳ nạp, áp suất trong xilanh thấp hơn áp suất khí trời do ma sát trong hệ thống nạp, với mức giảm phụ thuộc vào bình phương tốc độ Tổng áp suất giảm xuất phát từ áp suất mất trên các bộ phận như lọc gió, bộ chế hòa khí, bướm ga, đường nạp, cửa nạp và xupap nạp Áp suất mất ở từng phần chỉ khoảng vài phần trăm, nhưng áp suất mất qua cửa nạp và xupap nạp là lớn nhất Khi piston di chuyển với tốc độ cao, áp suất mất có thể lên đến 10-20%, dẫn đến áp suất trong xilanh thấp hơn áp suất khí trời.
Khi tốc độ động cơ tăng, chênh lệch áp suất △p = patm - pr cũng tăng lên, trong đó pr là áp suất tại các nhánh của hệ thống nạp Sự gia tăng của △p dẫn đến việc pr giảm, trong khi patm giữ nguyên, dẫn đến việc tăng độ chân không trong các nhánh Đồ thị cho thấy đường patm-pr có độ dốc lớn hơn so với đường patm-pp, cho thấy áp suất tại các nhánh pr giảm nhiều hơn so với áp suất trước khi vào nhánh pp.
Hình 2.1 Sự giảm áp suất trên đường ống nạp
Sự thay đổi vận tốc piston, khoảng mở xupap và hình dạng đường ống nạp ảnh hưởng đến áp suất trong đường ống nạp Để đánh giá hiệu suất nạp, ta có thể dựa vào áp suất tại cửa nạp ngay trước khi xupap nạp đóng Ở tốc độ động cơ cao, dòng khí có quán tính lớn, tạo áp suất tại cửa nạp, giúp dòng khí tiếp tục nạp vào xilanh mặc dù piston đã gần điểm chết dưới Hiệu ứng RAM cho thấy môi chất được nạp vào xilanh nhờ quán tính dòng khí thay vì lực hút của piston, và hiệu ứng này càng hiệu quả hơn ở tốc độ động cơ cao Để tối ưu hóa hiệu ứng này, xupap nạp được điều chỉnh đóng muộn từ 40 đến 60 độ sau điểm chết dưới.
Khí nạp đi ngược về đường nạp (backflow)
Việc xupap nạp đóng muộn mang lại lợi ích ở tốc độ cao, nhưng lại trở thành nhược điểm ở tốc độ thấp Khi xupap nạp đóng sau kỳ nén, một phần môi chất bị đẩy ra ngoài qua cửa nạp, và lượng môi chất đi ngược này tăng lên khi tốc độ động cơ giảm Đây là điều khó tránh khỏi nếu muốn tận dụng hiệu ứng RAM ở tốc độ cao.
Hiệu chỉnh đường nạp/xả (tunning)
Việc hút khí nạp vào xilanh liên quan đến sự lan truyền của sóng áp thấp và phản xạ của sóng áp cao Khi xupap nạp mở và piston di chuyển xuống BDC, sóng áp thấp được tạo ra tại cửa nạp và lan truyền đến cuối đường nạp, nơi có ống góp khí với áp suất gần bằng áp suất khí trời Tại đây, sóng áp thấp phản xạ thành sóng áp cao, tiếp tục di chuyển trong đường nạp và kéo khí nạp vào xilanh.
Hình 2.2 Sóng áp thấp lan truyền trong đường nạp
Hình 2.3 Sóng áp cao phản xạ về phía cửa nạp
Tại cửa xả, sóng áp cao được tạo ra, trong khi sóng phản xạ ở cuối đường xả lại là sóng áp thấp, giúp hút khí xả từ trong xilanh ra ngoài.
Khi sóng áp cao phản xạ tại cửa nạp hoặc sóng áp thấp phản xạ tại cửa xả đúng thời điểm, quá trình nạp/xả của động cơ sẽ diễn ra thuận lợi hơn, từ đó nâng cao hiệu suất nạp Việc điều chỉnh chiều dài đường nạp/xả để đảm bảo thời điểm phản xạ hợp lý được gọi là tunning, mang lại hai lợi ích quan trọng.
Cuối kỳ nạp, khi piston chạm BDC nhưng xupap nạp chưa đóng, sóng áp cao tiếp tục di chuyển đến cửa nạp, giúp tăng áp và nạp thêm môi chất vào xilanh.
Vào thứ hai, trong giai đoạn trùng điệp cuối của xả đầu nạp, sóng áp thấp di chuyển đến cửa xả, giúp loại bỏ hoàn toàn khí sót trong xilanh, ngay cả khi piston đã chạm tới điểm chết trên (TDC).
Sóng áp suất, giống như mọi sóng truyền trong không khí, có tốc độ lan truyền bằng tốc độ âm thanh, khoảng 340 m/s Khi chiều dài đường nạp L được giữ cố định, thời gian từ khi xupap nạp mở cho đến khi sóng áp suất phản xạ trở lại cửa nạp được tính bằng t = 2L.
Tương tự với đường xả có chiều dài L’ ta cũng có t ' 2L '
Khoảng thời gian t và t' cần phải ngắn hơn thời gian mở của xupap để ngăn chặn hiện tượng xupap đóng nhưng vẫn nhận sóng áp suất phản xạ Do C là hằng số, việc điều chỉnh t và t' sẽ phụ thuộc vào thiết kế của hệ thống nạp và xả.
Các phương pháp cải thiện hiệu suất nạp
Tăng áp
Công suất tối đa của động cơ phụ thuộc vào lượng nhiên liệu cháy hoàn toàn trong xylanh, nhưng lượng nhiên liệu này lại bị giới hạn bởi lượng khí nạp Khi khí nạp được nén đến mật độ cao hơn môi trường xung quanh trước khi vào xylanh, công suất tối đa của động cơ sẽ tăng lên Nhiệm vụ chính của việc tăng áp là làm tăng mật độ khí nạp thông qua việc tăng áp suất của dòng khí nạp Có ba phương pháp cơ bản để thực hiện việc tăng áp khí nạp.
- Cách thứ nhất: kiểu cơ khí, dùng bơm hay máy nén được dẫn động bằng công suất động cơ, để tạo nên khí nén
Turbocharger là một thiết bị sử dụng khí xả để tăng cường hiệu suất động cơ Khi khí xả quay cánh turbine, cánh nén trên cùng một trục cũng quay theo, giúp tăng mật độ khí nạp và hòa khí, từ đó cải thiện hiệu suất hoạt động của động cơ.
Cách thứ ba để tăng áp suất là sử dụng sóng áp suất, tạo ra sóng trong hệ thống nạp và xả nhằm nén môi chất nạp Bằng cách điều chỉnh đường ống nạp và xả, hiệu suất nạp được cải thiện, đồng thời cũng làm tăng mật độ khí.
So sánh hiệu quả của hút thông thường với tăng áp
Hình 3.1 So sánh tăng áp và lấy gió tự nhiên
Động cơ tăng áp có quá trình nạp với áp suất cao hơn so với động cơ không tăng áp, dẫn đến áp suất cao nhất trong chu trình của động cơ tăng áp nhỉnh hơn một chút so với động cơ hút tự nhiên Điều này được thể hiện qua khoảng cách theo trục đứng trên đồ thị, cho thấy đặc điểm nổi bật của đường nạp trong động cơ tăng áp.
Áp suất có ích của động cơ tăng áp cao hơn do 19 cong luôn cao hơn Ngoài ra, diện tích đồ thị của động cơ tăng áp lớn hơn, dẫn đến công suất động cơ cũng được cải thiện.
Áp suất khí trời được định nghĩa là áp suất đo ở mực nước biển, có giá trị khoảng 760 mmHg hay 1 bar Áp suất dư là phần áp suất vượt quá áp suất môi trường mà thiết bị đo áp suất ghi nhận Áp suất tuyệt đối được tính bằng tổng áp suất dư và áp suất khí trời Khi động cơ sử dụng hệ thống tăng áp, giá trị áp suất sẽ vượt qua áp suất khí trời, tạo ra áp suất dư, từ đó cho thấy tỷ số áp suất phản ánh mối quan hệ giữa tăng áp và áp suất khí trời.
Mà áp suất tuyệt đối bằng áp suất = áp suất khí trời + áp suất tăng áp (áp suất dư)
Tỷ số áp suất là một chỉ số quan trọng trong động cơ, được tính theo công thức: tỷ số áp suất = 1 + áp suất tăng áp / áp suất khí trời Đối với động cơ không tăng áp, tỷ số này thường nhỏ hơn hoặc bằng 1 Trong khi đó, động cơ tăng áp có tỷ số áp suất dao động từ 1 đến 1,5 khi mức độ nạp thấp, từ 1,5 đến 2 khi mức độ nạp cao, và có thể đạt ≥ 2 khi mức độ nạp rất cao.
Mối liên hệ giữa áp suất và nhiệt độ đến mật độ khí
Lượng môi chất nạp vào động cơ tăng thì công suất động cơ sẽ tăng Ta có công thức: m VP
Với: m là lượng môi chất nạp
P là áp suất tuyệt đối (bar)
T là nhiệt độ tuyệt đối (ºC)
R là hằng số khí chung
Do V/R là hằng số, lượng môi chất nạp vào động cơ phụ thuộc vào tỷ số P/T Khi áp suất tăng, lượng môi chất nạp cũng tăng, trong khi khi nhiệt độ tăng, lượng môi chất nạp sẽ giảm Vì vậy, áp suất càng lớn, thì lượng môi chất được nạp vào càng nhiều.
Ta có công thức khác liên quan đến lượng môi chất nạp:
Với: V là thể tích xilanh m 3 Ρ là mật độ (kg/m 3 )
Từ hai công thức trên suy ra:
Mật độ môi chất nạp cũng phụ thuộc tỷ số P/T
Máy nén tăng áp kiểu cơ khí được phân loại thành ba loại chính: máy nén cánh trượt, máy nén cánh quay và máy nén loại ly tâm Trong đó, máy nén cánh trượt và cánh quay thuộc kiểu chuyển vị, còn máy nén ly tâm là kiểu khí động học.
Hình 3.2 Các loại máy nén (a) Kiểu cánh trượt, (b) Kiểu cánh quay
Tốc độ dịch chuyển môi chất và áp suất tăng có thể bị giảm do rò rỉ và nhiệt sinh ra từ cánh trượt cùng bề mặt stator rotor, dẫn đến giảm hiệu suất nén Do đó, việc làm mát các bộ phận này là cần thiết để giảm ma sát Hiệu suất nạp có thể dao động từ 0.6 đến 0.9, tùy thuộc vào kích thước máy nén, tiêu chuẩn thiết kế và phương pháp bôi trơn làm mát.
Hình 3.3 Máy nén kiểu cánh trượt
Các cánh trượt được bố trí theo hướng tiếp tuyến với bán kính của rotor, giúp lực ly tâm truyền một phần qua thành bên ngoài, từ đó giảm tác động của lực ly tâm lên đỉnh cánh trượt và mặt trong của vỏ Đỉnh cánh trượt có hình dạng lưỡi cong, tạo ra khí nén bên dưới, tạo lực ngược với lực ly tâm, giúp giảm lực ly tâm tại tốc độ cao và giảm ma sát giữa cánh trượt và thành trong của vỏ Để ngăn áp suất tác động lên các rãnh và giảm chuyển động tự do của cánh trượt, hai rãnh được khoan kéo dài từ cạnh trong đến đầu dài 6mm.
Máy nén được dẫn động bởi động cơ, thông qua tỷ số dẫn động, ở tốc độ thấp từ 1,5 đến
1, khi ở tốc độ cao từ 0.8 đến 1
- Kỳ nạp: khi rotor quay, thể tích của khoang sẽ tăng từ V1 đến V2 khi cánh trượt B đi hết cửa nạp, áp suất lúc này là áp suất khí trời P1
Kỳ giãn nở là khoang được hình thành giữa cánh trượt A và B với thể tích VAB, tiếp tục tăng lên đến V3 Trong quá trình này, áp suất giảm xuống còn P2, thấp hơn áp suất khí trời.
Kỳ nén là quá trình diễn ra khi thể tích trong khoang đạt đến V3 và sau đó giảm xuống V2 Ngay khi thể tích đạt V2, quá trình nén bắt đầu, dẫn đến sự giảm thể tích xuống V4 và áp suất tăng lên P3.
Kỳ xả diễn ra khi áp suất đạt P3 và thể tích đạt V4, lúc này cánh A đã đến vị trí xả, cho phép khí nén được xả ra Quá trình xả sẽ tiếp tục cho đến khi cánh B hoàn toàn đi qua cửa xả, lúc này thể tích sẽ giảm xuống còn V1.
Supercharger có ưu điểm là được dẫn động trực tiếp bởi động cơ, giúp cải thiện khả năng tăng tốc khi tốc độ động cơ thay đổi Tuy nhiên, nhược điểm của nó là tiêu tốn công suất của động cơ ngay cả khi không cần tăng áp ở tốc độ thấp Để khắc phục nhược điểm này, việc sử dụng ly hợp điện từ cho phép máy nén được dẫn động hoặc không dẫn động, từ đó giảm sức tiêu hao nhiên liệu.
Công nghệ xupap biến thiên (Variable Valve Timing – VVT)
Trục cam thông thường trong hệ thống nạp của động cơ gặp nhược điểm do biên dạng cố định, không thể thay đổi, dẫn đến việc không tối ưu hóa được thời điểm đóng mở xupap ở các tốc độ khác nhau Ở tốc độ thấp, xe ô tô phổ thông thường không vượt quá 3000 rpm, do đó cần góc trùng điệp nhỏ để đạt được momen xoắn tốt Ngược lại, xe đua chạy ở tốc độ cao yêu cầu góc trùng điệp lớn để tối ưu hóa quá trình nạp Để khắc phục vấn đề này, cần có cơ cấu VVA (variable valve actuation) cho phép điều chỉnh độ nhấc, thời điểm và thời gian mở của xupap, giúp động cơ hoạt động hiệu quả ở cả tốc độ cao và thấp.
3.2.1 Các trạng thái điều chỉnh của xupap
Trên động cơ truyền thống có pha phân phối khí cố định, thời điểm đóng mở xupap được thiết đặt như sau:
Xupap nạp: Mở sớm 10 o trước TDC Đóng muộn 50 o sau BDC
Xupap xả: Mở sớm 60 o trước BDC Đóng muộn 10 o sau TDC
Hình 3.32 Đồ thị PV của động cơ 4 kỳ thông thường
Thời điểm phân phối khí cố định không tối ưu cho các chế độ hoạt động khác nhau của động cơ, vì vậy hầu hết các hệ thống phân phối khí hiện nay đều sử dụng công nghệ thời điểm xupap biến thiên (Variable Valve Timing - VVT) Công nghệ này cho phép điều chỉnh thời gian đóng/mở của xupap sớm hơn hoặc muộn hơn tùy thuộc vào chế độ làm việc của động cơ Dưới đây là 8 cách mà VVT điều chỉnh pha phân phối khí.
Xupap nạp đóng muộn (Late Intake Valve Closing – LIVC)
Xupap nạp mở ở kỳ nạp để cho môi chất vào xilanh và đóng ở kỳ nén để piston nén khí Khi xupap nạp đóng muộn, piston đã lên một đoạn nhỏ từ BDC, đẩy một phần khí nạp ngược về ống nạp, làm tăng áp suất đường nạp Điều này giúp piston tiết kiệm công sức khi hút khí nạp vào xilanh trong kỳ nạp tiếp theo, giảm tổn hao cơ giới (pumping loss) Trên đồ thị P-V, đường đồ thị kỳ nạp tiến gần đến đường áp suất khí trời, làm giảm diện tích vùng gạch chéo và tổn hao cơ giới.
Hình 3.33 Ảnh hưởng của LIVC lên đồ thị P-V
Tuttle thử nghiệm LIVC trên động cơ đánh lửa 1 xilanh và đưa ra kết quả:
Tổn hao cơ giới giảm 40% ở tải thấp
Momen xoắn cực đại chỉ giảm 1%
Hàm lượng NOx trong khí xả giảm 24%, hàm lượng HC không đổi ở tải trung bình
Xupap nạp đóng sớm (Early Intake Valve Closing – EIVC)
Xupap nạp đóng sớm xảy ra khi kỳ nạp chưa kết thúc, tức là piston vẫn chưa chạm BDC Việc này dẫn đến lượng môi chất nạp vào xilanh giảm, từ đó giảm tổn hao cơ giới trong quá trình nạp Mặc dù chế độ này giúp tiết kiệm nhiên liệu do xilanh không được nạp đầy, nhưng ở tốc độ cao, việc cắt giảm môi chất nạp có thể làm giảm công suất động cơ.
So với đồ thị Hình 3.32, vùng tổn hao cơ giới của kỳ nạp trời nhỏ hơn đáng kể ở chế độ EIVC
Hình 3.34 Ảnh hưởng của EIVC lên đồ thị P-V
Tuttle cũng làm thử nghiệm EIVC trên động cơ đánh lửa một xilanh và đưa ra nhận xét:
Tổn hao cơ giới giảm 40%
Ở tải trung bình, tiêu hao nhiên liệu giảm 7% và lượng NOx giảm 24%, trong khi lượng HC tăng Sự giảm NOx và tăng HC này xảy ra do nhiệt độ cháy thấp, nguyên nhân là do lượng môi chất nạp vào thấp.
Xupap nạp mở muộn (Late Intake Valve Open – LIVO)
Thông thường, xupap nạp mở sớm 10 độ trước TDC, nhưng đối với LIVO, xupap nạp mở sau TDC Trong giai đoạn đầu kỳ nạp, piston di chuyển từ TDC xuống để hút khí nạp, nhưng xupap nạp vẫn còn đóng do mở muộn, dẫn đến độ chân không lớn trong xilanh Điều này ngăn cản chuyển động đi xuống của piston và làm tăng tổn hao cơ giới Khi xupap nạp mở, chênh lệch áp suất lớn giữa áp suất thấp trong xilanh và áp suất khí nạp sẽ xảy ra.
Đường nạp 46 cho phép môi chất vào xilanh với tốc độ cao, tạo xoáy lốc giúp tối ưu hóa quá trình cháy Sự cháy sạch này giúp giảm lượng hydrocarbon (HC) dư thừa trong khí xả Hình 3.35 minh họa rằng LIVO làm tăng đáng kể vùng tổn hao cơ giới trong kỳ nạp so với động cơ thông thường, như thể hiện trong Hình 3.32.
Hình 3.35 Ảnh hưởng của LIVO lên đồ thị P-V
Xupap nạp mở sớm (EIVO) cho phép xupap nạp mở trước thời điểm 10 độ trước TDC, ngay khi kỳ xả gần kết thúc Khi xupap nạp mở sớm, áp suất cao trong xilanh khiến một phần sản phẩm cháy quay ngược vào ống nạp do chênh áp Quá trình này tiếp tục trong kỳ nạp tiếp theo, tạo ra lưu hồi khí xả EGR, giúp giảm nồng độ NOx.
EIVO giúp đẩy một phần sản vật cháy ra khỏi xilanh nhờ chênh áp mà không cần lực đẩy từ piston Phần sản vật cháy còn lại nhỏ hơn bình thường, do đó cần ít công hơn để đẩy ra khỏi xilanh, giúp giảm tổn hao cơ giới.
3.36, ta thấy vùng tổn hao cơ giới ở kỳ xả nhỏ hơn so với đồ thị Hình 3.32
Hình 3.36 Ảnh hưởng của EIVO lên đồ thị P-V
Mở sớm xupap nạp giúp tạo ra khoảng trùng điệp giữa cuối kỳ xả và đầu kỳ nạp, điều này rất có lợi ở tốc độ cao Khoảng trùng điệp này tận dụng quán tính của dòng khí xả, cho phép nạp đầy và xả sạch hiệu quả hơn.
Xupap xả đóng muộn (Late Exhaust Valve Closing – LEVC)
Việc xả xupap muộn tạo ra khoảng trùng điệp dài, có lợi cho động cơ ở tốc độ cao nhờ quán tính dòng khí xả lớn, giúp đẩy sản phẩm cháy ra ngoài và đưa không khí mới vào xilanh ngay cả khi kỳ nạp chưa bắt đầu Điều này giúp xilanh được xả sạch và nạp đầy, từ đó tăng công suất động cơ Tuy nhiên, ở tốc độ thấp, khoảng trùng điệp dài có thể khiến sản phẩm cháy quay ngược lại vào đường nạp, làm giảm chất lượng môi chất mới và hiệu suất nạp.
Trên đồ thị Hình 3.37, LEVC cho thấy vùng tổn hao cơ giới trong kỳ xả giảm, do một phần sản vật cháy đã được đưa ra khỏi xilanh trước khi kỳ xả bắt đầu Điều này có nghĩa là trong kỳ xả, piston thực hiện ít công hơn để đẩy khí xả ra ngoài.
Hình 3.37 Ảnh hưởng của LEVC lên đồ thị P-V
Xupap xả đóng sớm (Early Exhaust Valve Closing – EEVC)
Xupap xả đóng sớm giúp giảm hoặc loại bỏ khoảng trùng điệp, điều này mang lại lợi ích ở tốc độ thấp hoặc khi động cơ hoạt động ở chế độ cầm chừng Khi đó, quán tính dòng khí không lớn và hiệu ứng RAM không được phát huy Nếu khoảng trùng điệp quá lớn, khí xả có thể quay ngược vào đường nạp, làm ô nhiễm môi chất mới và gây ra tình trạng hoạt động không ổn định cho động cơ ở tốc độ thấp.
Hình 3.38 Xupap xả đóng sớm
Xupap xả mở sớm (Early Exhaust Valve Open – EEVO)
Khi kỳ nổ gần kết thúc, piston đi xuống BDC và xupap xả mở, tạo ra áp suất cao trong xilanh so với áp suất đường ống xả Sự chênh lệch áp suất này giúp đẩy một phần sản vật cháy ra ngoài trước khi kỳ xả bắt đầu, giảm tổn hao cơ giới vì piston chỉ cần đẩy một lượng nhỏ sản vật cháy Tuy nhiên, EEVO có thể ảnh hưởng tiêu cực đến sự giản nở trong kỳ nổ, làm giảm công có ích của kỳ này.
Hình 3.39 Ảnh hưởng của EEVO lên kỳ cháy giãn nở
Xupap xả mở muộn (Late Exhaust Valve Open – LEVO)
Việc mở xupap xả sớm giúp giảm tổn hao cơ giới, trong khi nếu xupap xả mở muộn, piston sẽ phải làm việc nhiều hơn để đẩy khí thải ra ngoài, dẫn đến tăng tổn hao cơ giới và giảm công suất động cơ.
Công nghệ đường ống nạp biến thiên T-VIS (Toyota Variable Induction System) và thay đổi chiều dài đường ống nạp ACIS (Acoustic Control Intake System)
3.4.1 Công nghệ đường ống nạp biến thiên T-VIS
Việc tăng kích thước cửa nạp chỉ cải thiện hiệu suất động cơ khi đi kèm với việc mở rộng đường nạp và ống góp, giúp cung cấp đủ lượng khí ở tốc độ cao Tuy nhiên, ở tốc độ thấp, đường nạp lớn lại làm giảm vận tốc dòng khí, dẫn đến hiệu suất nạp kém Để tối ưu hóa hiệu suất ở tốc độ thấp, đường nạp cần có kích thước nhỏ hơn Do đó, động cơ với đường nạp lớn sẽ cải thiện momen ở tốc độ cao nhưng không đạt hiệu quả tối ưu ở tốc độ thấp, điều này được minh họa rõ ràng qua đồ thị hình 3.74.
Hình 3.89 Đường momen theo tốc độ khi van điều tiết khí nạp mở và đóng
T-VIS là công nghệ biến thiên kích thước đường nạp tùy theo tốc độ động cơ do đó kết hợp được ưu điểm của cả đường nạp kích thước lớn (ở tốc độ cao) và đường nạp kích thước nhỏ (ở tốc độ thấp)
Cấu tạo của hệ thống nạp khí bao gồm hai nhánh: nhánh hút cố định (main runner) và nhánh hút biến thiên (variable induction runner) Hai nhánh này được thiết kế để đảm bảo lưu lượng khí nạp qua mỗi nhánh bằng một nửa lưu lượng cần thiết cho xilanh ở công suất cực đại Mỗi nhánh biến thiên đều có một van điều tiết khí nạp (intake air control valve) để điều chỉnh lưu lượng khí.
Hình 3.90 Cấu tạo đường nạp của hệ thống T-VIS
Các van điều tiết khí nạp hoạt động đồng thời nhờ được kết nối với nhau qua một trục đồng trục Trục này xoay nhờ sự kết nối với bộ chấp hành chân không thông qua một cơ cấu dẫn.
Hình 3.91 Bộ chấp hành chân không và van điều tiết khí nạp
Nguồn chân không đến bộ chấp hành lấy từ sau cánh bướm ga Lượng chân không này trữ trong một buồng chân không (vacuum tank)
Chân không được dẫn/ngắt tới bộ chấp hành là do một van chân không hoạt động nhờ tín hiệu từ ECU
Hình 3.92 Tổng thể hệ thống T-VIS
Khi động cơ hoạt động dưới 4000 hoặc 5000 vòng/phút, ECU điều khiển van chân không dẫn khí từ buồng chân không tới bộ chấp hành Sự có mặt của chân không giúp bộ chấp hành kéo các van điều tiết đóng lại, cho phép khí nạp chỉ đi vào xilanh qua nhánh cố định Điều này tạo ra tiết diện đường đi nhỏ, làm tăng vận tốc dòng khí, từ đó nâng cao hiệu suất nạp và momen động cơ ở tốc độ thấp.
Khi đạt đến tốc độ đa được lập trình, ECU sẽ điều khiển van chân không ngắt chân không tới bộ chấp hành Lúc này, bộ chấp hành sẽ mở các cánh điều tiết, cho phép khí nạp vào xilanh qua cả hai nhánh, tạo ra lưu lượng lớn, đảm bảo cung cấp đủ môi chất cho xilanh nhằm đạt công suất tối đa.
Hình 3.93 Cấu tạo van chân không
3.4.2 Công nghệ thay đổi chiều dài đường ống nạp ACIS (Acoustic Control Intake System)
ACIS tối ưu hóa momen xoắn của động cơ trong toàn bộ dải tốc độ, đặc biệt là ở tốc độ thấp, nhờ vào việc điều chỉnh chiều dài đường ống nạp qua ba giai đoạn khác nhau.
Hệ thống điều khiển chiều dài đường ống nạp điều chỉnh bằng cách mở và đóng hai van điều khiển không khí, phù hợp với tốc độ động cơ và góc mở bướm ga Nó thay đổi chiều dài đường ống nạp theo ba trạng thái hoạt động khác nhau.
Hình 3.94 Sơ đồ mạch điều khiển ACIS
Các thành phần của ACIS:
- Cơ cấu chấp hành: nhận tín hiệu từ VSV từ đó điều khiển đóng hoặc mở van điều khiển nạp
ECU động cơ nhận tín hiệu từ cảm biến tốc độ xe và cảm biến vị trí bướm ga, sau đó gửi tín hiệu điều khiển VSV để điều chỉnh phù hợp với các chế độ hoạt động của động cơ.
Hình 3.95 Sơ đồ ECU điều khiển ACIS
Buồng chân không (vacuum tank) hoạt động bằng cách lấy chân không từ bướm ga khi VSV được ECU động cơ mở Chân không từ buồng chân không sẽ hút màng da của cơ cấu chấp hành, từ đó điều khiển van điều khiển nạp Bên cạnh đó, buồng chân không còn có van một chiều để duy trì chân không trong buồng.
- Van điều khiển khí nạp: có nhiệm vụ cung cấp khí nạp đến các khoang, mở và đóng để thay đổi chiều dài đường nạp theo ba giai đoạn
Hình 3.96 Van điều khiển khí nạp
- Tải lớn trong phạm vi tốc độ thấp: chu kỳ dài nhất, Ecu điều khiển ON hai van
VSV để chân không tác động đến hai cơ cấu chấp hành Kết quả là hai van điều khiển đóng [10]
Hình 3.97 Hoạt động của VSV khi tải lớn trong phạm vi tốc độ thấp
Khi tải lớn trong phạm vi tốc độ trung bình, chu kỳ dài xảy ra, ECU sẽ điều khiển van VSV bên khoang nạp ở trạng thái ON và van VSV bên bướm ga ở trạng thái OFF Điều này dẫn đến việc độ chân không tác động lên bộ chấp hành phía nạp, trong khi áp suất khí trời tác động lên bộ chấp hành phía cánh bướm ga Kết quả là van điều khiển của buồng nạp sẽ đóng lại, trong khi van điều khiển downstream của cánh bướm ga sẽ mở.
Hình 3.98 Hoạt động của ACIS khi tải lớn tốc độ trung bình
Tốc độ cầm chừng và tải nhẹ được điều chỉnh bởi ECU thông qua việc kiểm soát hai van VSV, cho phép áp suất khí trời tác động lên các cơ cấu chấp hành Kết quả là, hai van điều khiển khí nạp mở ra, giúp buồng khí nạp hoạt động như một buồng nạp thông thường.
Hình 3.99 Hoạt động của ACIS khi tải nhẹ, cầm chừng, tốc độ cao