Nghiên cứu thiết kế chế tạo thử nghiệm hệ thống ngắt xi lanh trên động cơ xăng

Nghiên cứu thiết kế chế tạo thử nghiệm hệ thống ngắt xi lanh trên động cơ xăng Nghiên cứu thiết kế chế tạo thử nghiệm hệ thống ngắt xi lanh trên động cơ xăng Nghiên cứu thiết kế chế tạo thử nghiệm hệ thống ngắt xi lanh trên động cơ xăng Nghiên cứu thiết kế chế tạo thử nghiệm hệ thống ngắt xi lanh trên động cơ xăng Nghiên cứu thiết kế chế tạo thử nghiệm hệ thống ngắt xi lanh trên động cơ xăng

TÓM TẮT

Việc nghiên cứu phát triển và ứng dụng công nghệ mới đang là xu hướng chung của nhiều hãng sản xuất ô tô trên thế giới nhằm đảm bảo sử dụng tiết kiệm nhất nguồn nhiên liệu hóa thạch và giảm ô nhiễm môi trường Các trạng thái tối ưu nhất

là việc điều khiển mô men xoắn phù hợp với từng điều kiện hoạt động khác nhau nhằm cải thiện mức tiêu thụ nhiên liệu trong động cơ Điều này được thực hiện bằng phương pháp ngắt một số xi lanh, do đó mang lại nhiều ưu điểm trong việc cải thiện khí thải và suất tiêu hao nhiên liệu ở các dải tải trọng khác nhau trong động cơ xăng Nghiên cứu đề xuất thiết kế cơ cấu điều khiển xú páp được cải tiến từ hệ thống phân phối khí truyền thống trên động cơ xăng 4 xi lanh thẳng hàng nhằm điều khiển ngắt xi lanh trên động cơ Trên thiết kế đề xuất có thể ngắt 1 hoặc 2 xi lanh phụ thuộc vào các chế độ hoạt động của xe

Kết quả thực nghiệm cho thấy, ngoài việc có thể điều khiển một cách linh hoạt công suất động cơ phát ra theo từng chế độ hoạt động, phương pháp điều khiển ngắt

xi lanh còn có thể giảm được khoảng 13% đến 15% lượng nhiên liệu tiêu hao so với động cơ thông thường Đồng thời lượng khí phát thải CO cũng giảm được khoảng 15%, hàm lượng khí HC sinh ra cũng giảm được khoảng 8%

Từ khóa: Điều khiển xi lanh chủ động (CDA); tải động cơ; hệ thống điều khiển

xú pap; khí thải; tiêu thụ nhiên liệu

ABSTRACT

The research development and application of new technologies is a trend of many automobile manufacturers in the world To ensure the most economical use of fossil fuel resources and reduce environmental pollution The optimal strategies about driving torque at different operating conditions can improve the fuel consumption in engine This is performed by cylinder deactivation method that brings many advances in improving emissions and fuel consumption at various load ranges in SI engines The study proposes a design valve train, which is improved from the conventional valve train system in an inline SI engine with 4 cylinders, to control for deactivating cylinder The proposed design, which is improved on the conventional valve train in the engine, can deactivate one or two cylinder modes that depend on part or medium loads in vehicle

The results show that cylinder deactivation can reduce about 13% to 15% of fuel consumption compared with the conventional engine The concentration of CO reduces about 15%, whereas HC decreases about 8% when SI engine operates with different cylinder deactivation modes

Keywords: cylinder deactivation (CDA); engine load; valve train system;

emissions, fuel consumption

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN x

LỜI CẢM ƠN x

TÓM TẮT x

ABSTRACT x

MỤC LỤC x

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT xi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xiii

DANH MỤC HÌNH xiii

CHƯƠNG 1 1

TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Các nghiên cứu trong nước 2

1.3 Các nghiên cứu ngoài nước 2

1.4 Tổng quan hệ thống điều khiển ngắt xi lanh 6

1.5 Mục đích nghiên cứu 19

1.6 Đối tượng nghiên cứu 19

1.7 Phạm vi nghiên cứu và giới hạn của đề tài 19

1.8 Phương pháp nghiên cứu 20

1.9 Nội dung nghiên cứu 21

1.10Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 21

CHƯƠNG 2 22

2.1 Lịch sử phát triển 22

2.2 Điều khiển ngắt giảm xi lanh chủ động 26

2.3 Thời điểm ngắt giảm xi lanh 28

2.4 Phương pháp điều khiển ngắt xi lanh của một số nhà sản xuất ô tô 29

2.5 Đề xuất cơ cấu điều khiển ngắt xi lanh trên động cơ Hyundai G4EK 38

2.6 Tổng quan cơ cấu điều khiển ngắt xi lanh 39

2.7 Kết luận 43

CHƯƠNG 3 44

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG NGẮT XI LANH TRÊN ĐỘNG CƠ HYUNDAI G4EK 44

3.1 Khảo sát cơ cấu phân phối khí động cơ Hyundai G4EK 44

3.2 Hệ thống điều khiển động cơ Hyundai G4EK 45

3.3 Nghiên cứu thiết kế cơ cấu ngắt xi lanh trên động cơ 47

3.4 Chế tạo và lắp đặt lên động cơ hoàn chỉnh 58

CHƯƠNG 4 61

CHẾ TẠO BOARD MẠCH ĐIỀU KHIỂN NGẮT XI LANH ĐỘNG CƠ HYUNDAI G4EK 61

4.1 Thiết kế board mạch để điều khiển hệ thống 61

4.2 Lưu đồ thuật toán điều khiển cơ cấu ngắt xi lanh 74

4.3 Lắp đặt board mạch điều khiển ngắt xi lanh trên động cơ Hyundai G4EK 81

CHƯƠNG 5 83

THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 83

5.1 Thiết lập thử nghiệm 83

5.3 Kết luận 92

CHƯƠNG 6 93

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 93

6.1 Kết luận 93

6.2 Hướng phát triển của đề tài: 93

TÀI LIỆU THAM KHẢO 95

PHỤ LỤC 1 97

PHỤ LỤC 2 101

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

ANC Active Noise Control -Điều khiển tiếngồn chủ động AFM Active FuelManagement – Quản lý nhiên liệu chủ động ACC Active CylinderControl – Điều khiển xi lanh chủ động BMEP Brake Mean Effective Pressure - Áp suất hiệu dụng trung

bình cóích

CAI Controlled Auto Ignition – Điều khiển đánh lửa tự động

CDA Cylinder Deactivation- Công nghệ ngắt xi lanh chủđộng COD Cylinder On Demand- Hệ thống ngắt giảm xi lanh

DC Direct Current- Dòng điện mộtchiều

DSF Dynamic Skip Fire– Điều khiển ngắt đánh lửa

ECU Electronic Control Unit- Bộ điều khiển điệntử

ED Engine Displacement- Công nghệ thay đổi thể tích công

MPI MultiPoint Injection – Hệ thống phun xăng đa điểm

MD Modulated Displacement – Thay đổi thểtích

Mivec Mitsubishi Innovative Valve timing Electronic Control

system– Thời điểm đóng mở xú páp được điều khiển bằng điệntử

MDS Multi Displacement System – Hệ thống xi lanh đa dung

tích

NEDC New European Driving Cycle – Chu trình thử nghiệm

châuÂu

i-VTEC Intelligent - Variable Valve Timing Lift Electronic Control

– Thời điểm đóng mở xú páp biến thiên được điều khiển bằng điệntử

IMEP Indicated Mean Effective Pressure – Áp suất hiệu dụng

trung bình chỉthị

TFSI Turbo Fuel Stratified Injection

Tengine Mô men xoắn động cơ[Nm]

SFC Specific Fuel Consumption – Đặc tính tiêu thụ nhiênliệu SOHC Single Overhead Camshaft – Động cơ chỉ có một trục cam

ở phía trên

VCM Variable Cylinder Management – Hệ thống quản lý xi lanh

chủ động

Vactive Thể tích của các xi lanh hoạtđộng

VVT Variable Valve Timing – Hệ thống điều khiển thời điểm xú

páp biến thiên

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Đặc tính tiêu hao nhiên liệu SFC: Specific Fuel Consumption 16

Bảng 4.1: Bảng thông số kỹ thuật của Arduino Uno R3 66

Bảng 4.2: Thông số kỹ thuật của Rotary Volume Encoder 72

Bảng 5.1 Thông số kỹ thuật của động cơ Hyundai Accent G4EK 83

Hình Trang

Hình 1.1: Ngắt xi lanh trên động cơ thông thường 3

Hình 1.2: Ngắt xi lanh thông qua con đội thuỷ lực 4

Hình 1.3: Cơ cấu ngắt xi lanh của K J DOUGLAS 5

Hình 1.4: Điều khiển ngắt xi lanh trực tiếp bằng điện 6

Hình 1.5: Công nghệ ngắt xi lanh trên động cơ V6 7

Hình 1.6: Solenoid điều khiển các xú páp đóng hoàn toàn 8

Hình 1.7: (a) Không ngắt xi lanh, (b) ngắt xi lanh 9

Hình 1.8: Ngắt xi lanh bất kỳ trên động cơ V8 của hãng GM 10

Hình 1.9: Các chế độ hoạt động ngắt xi lanh động cơ 11

Hình 1.10: Sự tiết kiệm nhiên liệu khi ngắt xi lanh động cơ 12

Hình 1.11: So sánh hai chế độ làm việc của động cơ 13

Hình 1.12: So sánh tổn hao cơ giới trong 2 chế độ làm việc của động cơ 14

Hình 1.13: So sánh hiệu quả kinh tế nhiên liệu khi ngắt xi lanh 15

Hình 1.14: Biểu đồ đặc trưng cho hiệu suất của động cơ 17

Hình 1.15: Đồ thị công P-V của động cơ xăng 18

Hình 2.1: Động cơ bật – tắt (hit and miss engine) 22

Hình 2.2: Mẫu xe Cadillac Eldorado 1981 23

Hình 2.3: Mẫu xe Mitsubishi Lancer sử dụng công nghệ MD 24

Hình 2.4: Động cơ V6 3.5L của Honda Accord 25

Hình 2.5: Động cơ V6 của Honda Acura 25

Hình 2.6: Ngắt các xú páp bằng dầu thủy lực 26

Hình 2.7: Ngắt các xú páp bằng điện từ 27

Hình 2.8: Ngắt xi lanh bất kỳ trên động cơ V8 của hãng GM 27

Hình 2.9: Vị trí ngắt xi lanh trên đồ thị công 28

Hình 2.10: Đồ thị đặc tính công suất-mô men động cơ V6 3.5L của Honda 30

Hình 2.11: Các chế độ hoạt động của xe 30

Hình 2.12: Mạch dầu điều khiển ngắt xi lanh 31

Hình 2.13: Chế độ xi lanh hoạt động bình thường 31

Hình 2.14: Chế độ ngắt xi lanh 32

Hình 2.15: Điều khiển ngắt xi lanh bằng điện của Audi 33

Hình 2.16: Các chế độ ngắt xi lanh của Audi 34

Hình 2.17: Ngắt phun xăng và đánh lửa trên xi lanh ngừng hoạt động 34

Hình 2.18: Động cơ V8 5.7L HEMI với hệ thống MD 36

Hình 2.19: Cấu tạo con đội thủy lực 37

Hình 2.20: Sơ đồ khối điều khiển ngắt xi lanh 39

Hình 2.21: Cơ cấu điều khiển ngắt xi lanh 40

Hình 2.22: Thiết kế phần cơ khí cơ cấu điều khiển ngắt xi lanh 40

Hình 2.23: Thiết kế sơ bộ cơ cấu điều khiển ngắt xi lanh 41

Hình 2.24: Mô phỏng hệ thống điều khiển sau khi lắp ghép 42

Hình 3.1: Động cơ Hyundai G4EK 44

Hình 3.2: Cơ cấu phân phối khí trên động cơ Hyundai G4EK 45

Hình 3.3: Sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ 45

Hình 3.4: Cấu tạo bệ đỡ cơ cấu ngắt xi lanh 47

Hình 3.5: Gối đỡ trục cam, nắp đỡ trục cam 48

Hình 3.6: Nửa trục cam ngắt xi lanh số 1 49

Hình 3.7: Nửa trục cam ngắt xi lanh số 4 50

Hình 3.8: Cấu tạo các gối đỡ trục cò mổ 51

Hình 3.9: Cấu tạo cò mổ thứ cấp 51

Hình 3.10:Bánh vít và trục vít dẫn động trực tiếp trục cam 52

Hình 3.11:Gối đỡ trục vít dẫn động trực tiếp trục cam 52

Hình 3.12: Khoá bánh vít trên trục cam 53

Hình 3.13: Khớp trượt nối 2 bán trục cam 53

Hình 3.14: Càng chuyển hướng khớp trượt 54

Hình 3.15:Gối đỡ trục càng chuyển hướng 54

Hình 3.17: Bánh vít và trục vít của bộ giảm tốc từ mô tơ điều khiển 55

Hình 3.18: Trục của bánh vít 56

Hình 3.19: Gối đỡ trục vít bộ truyền 56

Hình 3.20: Gối đỡ trục bánh vít bộ truyền 56

Hình 3.21: Hộp bộ truyền bánh vít, trục vít từ mô tơ 57

Hình 3.22: Cấu tạo nắp máy trung gian 57

Hình 3.23: Cơ cấu sau khi đã gia công 58

Hình 3.24: Cơ cấu sau khi đã lắp ráp lại 58

Hình 3.25:Động cơ điện 12V DC dùng để điều khiển cơ cấu ngắt xy lanh 59

Hình 3.26: Cơ cấu ngắt xi lanh được lắp lên động cơ 59

Hình 4.1: Nguyên lý hoạt động mạch cầu H sử dụng để điều khiển mô tơ 61

Hình 4 2: Mạch cầu H điều khiển động cơ – giả lập trên Proteus 62

Hình 4.3: Mạch nguồn 5V cho vi xử lí và cảm biến 63

Hình 4 4: Mạch điều khiển ngắt kim phun 63

Hình 4 5: Vi xử lý Arduino UNO R3 64

Hình 4 6: Các chân Analog và Digital trên Arduino UNO R3 68

Hình 4 7: Lập trình Arduino và xuất giá trị trên Arduino IDE 70

Hình 4 8: Rờ le 5 chân điều khiển nhấn xú páp 70

Hình 4 9: Rờ le 5 chân điều khiển gài khớp 71

Hình 4.10: Encoder quay 71

Hình 4.11: Encoder gắn trên trục cam 73

Hình 4.12: Mô phỏng mạch điều khiển ngắt xi lanh trên Proteus 74

Hình 4.13: Lưu đồ thuật toán điều khiển bướm ga 74

Hình 4.14: Lưu đồ thuật toán điều khiển nhấn xú páp 76

Hình 4.15: Lưu đồ thuật toán đo tốc độ động cơ 77

Hình 4.16: Lưu đồ thuật toán đếm xung từ Encoder 78

Hình 4.17: Lưu đồ thuật toán điều khiển ngắt kim phun 79

Hình 4.19: Board mạch điều khiển gắn trên động cơ thực tế 82

Hình 5.1: Màn hình hiển thị và thiết bị đo khí thải Maha MGT5 84

Hình 5.2: Kết nối động cơ với thiết bị đo khí thải Maha MGT5 85

Hình 5.3: Kết nối thiết bị đo 85

Hình 5.4: Kết nối động cơ thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu LPS 2000 86

Hình 5.5: Quá trình thử nghiệm xác định suất tiêu hao nhiên liệu ge 86

Hình 5.6: Kết quả thử nghiệm suất tiêu hao nhiên liệu ge 87

Hình 5.7: Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu ge tương ứng với các chế độ hoạt động khác nhau 87

Hình 5.8: Quá trình thử nghiệm đo nồng độ khí thải CO 88

Hình 5.9: Kết quả thử nghiệm nồng độ khí thải CO 89

Hình 5.10: Diễn biến phát thải khí CO tương ứng với các điều kiện hoạt động khác nhau 89

Hình 5.11: Kết quả thử nghiệm nồng độ khí thải HC 90

Hình 5.12: Diễn biến phát thải khí HC tương ứng với các điều kiện hoạt động khác nhau 91

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề

Ngày nay do sự phát triển của các ngành công nghiệp, nông nghiệp và dịch vụ trong cơ cấu kinh tế, dẫn tới nhu cầu về việc vận chuyển hàng hóa và con người ngày càng lớn Điều này buộc các ngành liên quan đến ngành giao thông vận tải phải phát triển để đáp ứng nhu cầu của xã hội Ngành công nghiệp

ô tô cũng là một trong những ngành như vậy

Những năm trở lại đây vấn đề ô nhiễm môi trường đang là một vấn đề nhức nhối và là mối quan tâm của toàn thế giới Khí thải các phương tiện giao thông với mật độ ngày càng lớn cũng là một trong những tác nhân chính ảnh hưởng đến sức khỏe con người và môi trường xung quanh Vấn đề hiện nay là làm thế nào để giảm lượng khí thải độc hại như: CO, CxHy,SOx, CO2, NOx, ,…thải ra môi trường Có rất nhiều nghiên cứu được các nhà khoa học thực hiện, một trong số đó là cơ cấu điều khiển xi lanh biến thiên trên động cơ Nghiên cứu này có ưu điểm giảm được công hao phí của động cơ, làm giảm lượng nhiên liệu tiêu hao và làm giảm lượng khí thải độc hại thải ra một trường, góp một phần nhỏ vào việc bảo vệ môi trường đang ngày càng trở nên cấp bách

Các công nghệ hiện đại đang khắc phục được nhiều nhược điểm của động cơ đốt trong như: Công nghệ Hybrid, công nghệ xi lanh biến thiên,….Vấn đề trước tiên nhất là giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm lượng khí xả độc hại gây ra ô nhiễm môi trường, đảm bảocác chế độ tải khác nhau của động cơ

Vì vậy, nếu chúng ta có thể thiết kế được một hệ thống cơ điện tử sao cho có thể gắn vào động cơ, nhằm mục đích can thiệp vào quá trình vận hành của các xi lanh, nhằm ngắt tạm thời các xi lanh đang công tác, đây là một cách làm hiệu quả, đáp ứng được mục tiêu sao cho vừa tiết kiệm được nhiên liệu, vừa đáp ứng được mô

men vận hành của ô tô ở những chế độ tải hoạt động khác nhau, và đây cũng là mục tiêu được tập trung nghiên cứu trong đề tài này

1.2 Các nghiên cứu trong nước

Hiện nay thì tình hình nghiên cứu thiết kế và thử nghiệm hệ thống điều khiển ngắt xi lanh trên động cơ ô tô ở trong nước là một hướng nghiên cứu còn khá mới

mẻ Tuy nhiên trước thực trạng ô nhiễm môi trường ngày càng trở nên trầm trọng cũng như nguồn nhiên liệu đang dần cạn kiệt thì đây là một đề tài cần thiết được nghiên cứu và thử nghiệm

Tình hình nghiên cứu trong nước tác giả Lê Nam Anh với công trình nghiên cứu “Thiết kế cơ cấu điều khiển ngắt xi lanh chủ động trên động cơ xăng” đã tạo tiền đề cho các công trình nghiên cứu tiếp theo nhằm nâng cao tính kinh tế nhiên liệu và hạn chế ô nhiễm môi trường Do đó để góp phần giảm bớt lượng khí thải độc hại ra môi trường cũng như giảm lượng nhiên liệu tiêu hao nên việc nghiên cứu thử nghiệm hệ thống ngắt xi lanh trên động cơ là rất cần thiết Đây cũng chính là lý do chủ nhiệm đề tài lựa chọn nghiên cứu này

1.3 Các nghiên cứu ngoài nước

Đối với các nhà sản xuất ô tô trên thế giới việc chế tạo ra một chiếc xe ô tô tiết kiệm nhiên liệu và ít gây ô nhiễm môi trường là mục tiêu cần đạt đến Vì vậy đã có khá nhiều các công trình nghiên cứu như sau:

Tác giả Gilbert Peters[2]với công nghệ “ CYLINDER DEACTIVATION ” ra

đời vào năm 2005, đã thực hiện ngắt các xú páp thông qua việc điều khiển dòng dầu thủy lực.Ở trạng thái hoạt động bình thường (deactivation off) dòng dầu thủy lực được cấp cho con đội để điều khiển các xú páp đóng mở theo góc phối khí Ở trạng thái vô hiệu hóa xi lanh (deactivation on) dòng dầu trong con đội được xả để các xú páp đóng hoàn toàn Cơ cấu điều khiển được mô tả như trên hình 1.1

Hình 1.1: Ngắt xi lanh trên động cơ thông thường

 Kết quả đạt được sau quá trình thử nghiệm như sau:

- Trên động cơ 4 xi lanh thẳng hàng (I4) ở chế độ không tải kết quả thử nghiệm cho thấy khi ngắt hai xi lanh có thể giảm từ 20% đến 30% lượng nhiên liệu tiêu hao

- Trên động cơ 6 xi lanh thẳng hàng khi thử nghiệm ở chế độ không tải theo chu trình thử nghiệm Châu Âu (NEDC: New European Driving Cycle) kết quả thử nghiệm cho thấy có thể giảm khoảng 25,4% lượng nhiên liệu tiêu hao ở chế độ không tải

- Trên động cơ V8 - 5.0L của Mercedes Benz khi thử nghiệm theo chu trình thử nghiệm Châu Âu (NEDC) kết quả thử nghiệm cho thấy ở chế

độ ngắt 4 xi lanh có thể giảm 6,5% lượng nhiên liệu tiêu hao và khi thử nghiệm theo chu trình Mỹ (American FTP: Federal Test Procedure) có thể giảm 10,3% lượng nhiên liệu tiêu hao

Tác giả Martni Rebbert, Gerhard Kreusenvà Sven Lauer[3] với công nghệ “ A

New Cylinder Deactivation ” ra đời vào năm 2008 Việc điều khiển các xú páp đóng

mở thông qua dòng dầu thủy lực, với cơ cấu điều khiển được thể hiện như trên hình 1.2

Hình 1.2: Ngắt xi lanh thông qua con đội thuỷ lực

 Kết quả thử nghiệm đạt đƣợc nhƣ sau:

- Trên động cơ V8 của hãng Daimler Chrysler’s ở chế độ tải thấp (2000rpm) kết quả thử nghiệm đạt được mức tiêu hao nhiên liệu là 325g/kwh và áp suất hiệu dụng trung bình có ích (BMEP: Brake Mean Effective Pressure) là 2 bar

- Khi thử nghiệm theo chu trình thử nghiệm Châu Âu (NEDC) kết quả thử nghiệm ở chế độ không tải lượng tiêu hao nhiên liệu giảm được khoảng 7%

- Ngoài việc giảm được lượng nhiên liệu tiêu hao công nghệ này còn giảm được đáng kể lượng CO2 ra môi trường

Các tác giả K J Douglas, N Milovanovic, J W G Turnervà D Blundell[4]với

công nghệ “Controlled Auto Ignition”điều khiển đánh lửa tự động kết hợp với (CAI:

Controlled Auto Ignition) điều khiển ngắt xi lanh chủ động (CDA: Cylinder Deactivation) ra đời vào năm 2008 Việc điều khiển các xú páp đóng mở thông qua dòng dầu thủy lực, với cơ cấu điều khiển được thể hiện như trên hình 1.3

Hình 1.3: Cơ cấu ngắt xi lanh của K J DOUGLAS

 Kết quả thử nghiệm đạt đƣợc nhƣ sau:

- Khi thử nghiệm theo chu trình thử nghiệm Châu Âu (NEDC) kết quả thử nghiệm cho thấy lượng tiêu hao nhiên liệu giảm được khoảng 10%

- Lượng khí thải CO2 sinh ra giảm cũng giảm được khoảng 10% và lượng khí thải NOXgiảm được khoảng 28%

Các tác giả Peter Kreuter, PeterHeuser, Joachim Reinicke[5]với công nghệ

“An Electro-Mechanical Cylinder and Valve Deactivation “ việc ngắt các xi lanh

được thực hiện thông qua các van điện từ (solenoid) điều khiển đóng hoặc mở các

xú páp Cơ cấu điều khiển được thể hiện như trên hình 1.4

Hình 1.4: Điều khiển ngắt xi lanh trực tiếp bằng điện

 Kết quả thử nghiệm đạt đƣợc nhƣ sau:

- Khi thử nghiệm theo chu trình thử nghiệm Châu Âu (NEDC) động cơ 4

xi lanh được điều khiển ngắt 2 xi lanh kết quả thử nghiệm cho thấy ở chế

độ tải thấp có thể giảm được từ 10% đến 40% lượng khí thải ra môi trường

- Khi thử nghiệm theo chu trình thử nghiệm Châu Âu (NEDC) động cơ V8 khi hoạt động ở tốc độ 60km/h có thể giảm được 18% lượng nhiên liệu tiêu hao, ở tốc độ 90km/h giảm được 15% lượng nhiên liệu tiêu hao và ở tốc độ 120km/h có thể giảm được 12,5% lượng nhiên liệu tiêu hao

1.4 Tổng quan về hệ thống điều khiển ngắt xi lanh

Thể tích công tác biến thiên (Variable Displacement) trên động cơ là công nghệ thay đổi thể tích công tác động cơ (Engine Displacement) bằng cách ngắt một

số xi lanh khi làm việc ở chế độ tải nhỏ hay còn gọi là Cylinder Deactvation (CDA) Ngoài ra hệ thống ngắt xi lanh còn có một số tên gọi khác nhau như: hệ thống quản

lý xi lanh chủ động thay đổi VCM (Variable Cylinder Management) trên Honda, hệ thống Active Fuel Management (AFM) trên GM, Active Cylinder Control (ACC) trên Mercedes hay Multi- displacement System (MDS) trên Chrysler, hệ thống quản

lý xi lanh chủ động (ACM) Active Cylinder Management trên Wolkswagen và Audi

với công nghệ Cylinder on Demand [6]

Hình 1.5: Công nghệ ngắt xi lanh trên động cơ V6

Công nghệ ngắt xi lanh trên động cơ được thực hiện bằng cách giữ cho các

xú páp nạp và xả ở vị trí đóng đối với các chu kỳ làm việc của động cơ Đồng thời, ngắt hệ thống đánh lửa và nhiên liệu đến các xi lanh bị ngắt để tiết kiệm năng lượng, nhiên liệu và giảm khí xả gây ô nhiễm môi trường Bằng cách đóng các xú páp khi cần ngắt xi lanh, vì vậy xi lanh ngắt được xem như một lò xo không khí "air spring" Lò xo không khí này thực hiện quá trình nén và giãn nở có chu kỳ, điều này loại bỏ các công tổn thất và giúp cho động cơ được cân bằng tốt hơn

Công nghệ ngắt xi lanh chủ động trên động cơ ô tô (CDA), thường là từ động

cơ V6 trở lên, động cơ có thể chỉ làm việc với 4 hoặc 3 xi lanh để giảm 8 – 25% lượng nhiên liệu tiêu thụ Ở mức tải bằng 30% công suất tối đa, trên các động cơ cở lớn bướm ga gần như đóng hoàn toàn Điều này đã cản trở quá trình cấp khí cho các

xi lanh, thiếu không khí, áp suất và nhiệt độ nén giảm khiến quá trình cháy kém hiệu quả, hiệu suất nhiệt thấp khi tải động cơ nhỏ

Thay vì để các máy tranh giành lượng khí ít ỏi, công nghệ điều khiển xi lanh biến thiên sẽ cho một số máy ngừng làm việc, để nhường khí nạp cho các xi lanh còn lại Một số buồng đốt nhận khí nhiều hơn làm tăng áp suất nén, vì thế hiệu suất nhiệt được cải thiện Theo tính toán, lượng nhiên liệu tiêu thụ có thể giảm 8-25% khi xe chạy trên đường cao tốc [6]

Hình 1.6: Solenoid điều khiển các xú páp đóng hoàn toàn

Trên các xi lanh tạm dừng làm việc, các xú páp xả và nạp đóng kín, hỗn hợp không khí trong buồng đốt bị cô lập với bên ngoài Lúc này, chúng có vai trò như một chiếc lò xo Nó sẽ bị nén khi pít tông 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 nở của khối khí cô lập tạo sự cân bằng tổng thể, đồng thời không gây ra phụ tải cho động cơ Ví dụ điển hình nhất cho công nghệ này là loại động cơ 4 xi lanh của Wolkswagen chỉ có 2 xi lanh làm việc khi tải trọng thấp [8]

Hình 1.7: (a) Không ngắt xi lanh (b) Ngắt xi lanh

Quá trình chuyển đổi trạng thái được thực hiện bằng cách thay đổi đồng bộ

hệ thống đánh lửa, hệ thống phân phối khí, và vị trí bướm ga

Hiện nay có nhiều phương pháp để cải tiến hiệu suất động cơ, giảm suất tiêu hao nhiên liệu cũng như khí xả độc hại phát ra trên động cơ như: thay đổi thời điểm đóng mở xú páp (VVT), sử dụng công nghệ điều khiển xú páp bằng điện từ (EMV),

tỉ số nén thay đổi (VCR), phun xăng trực tiếp (GDI), tăng áp động cơ Hiệu quả sẽ cao hơn khi kết hợp các phương pháp khác nhau Ví dụ: sự kết hợp giữa VVT và CDA sẽ mang lại hiệu quả cao nhất, sự kết hợp này sẽ tiết kiệm nhiên liệu lên tới 14 – 16% Việc sử dụng công nghệ điều khiển xú páp bằng điện từ (EMV) cho phép điều khiển thời điểm đánh lửa, các sự kiện diễn ra trong quá trình hoạt động xú páp

và độ nâng xú páp được thực hiện một cách linh hoạt, hoàn toàn Hơn nữa, việc sử dụng EMV cho phép CDA thực hiện dễ dàng do đã loại bỏ xú páp trong động cơ Ngoài ra, VVT kết hợp với các công nghệ khác như tăng áp, công nghệ ngắt xi lanh (CDA), công nghệ thay đổi tỉ số nén (VCR)… sẽ cải thiện đáng kể suất tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm khí xả

Gần đây GM đã ứng dụng công nghệ ngắt xi lanh không cố định (các xi lanh được ngắt luân phiên nhau) với tên gọi Dynamic Skip Fire (DSF) trên xe GMC với

Hình 1.8: Ngắt xi lanh bất kỳ trên động cơ V8 của hãng GM

Với công nghệ này các xi lanh được điều khiển ngắt biến thiên bất kỳ tuỳ theo điều kiện hoạt động trên đường không tuân theo thứ tự chẵn- lẻ, giúp động cơ

hoạt động êm ít rung động và nhiệt độ động cơ được phân tán đồng đều

1.4.1 Ƣu và nhƣợc điểm của hệ thống ngắt xi lanh trên động cơ

 Ƣu điểm

Phương pháp ngắt giảm xi lanh khi động cơ làm việc theo cơ chế như sau:

- Ở chế độ tải động cơ nhỏ và tốc độ xe ở mức trung bình thì động cơ chỉ hoạt động với 3 xi lanh giúp giảm đáng kể lượng nhiên liệu tiêu hao cũng như lượng khí thải ra môi trường

- Hệ thống sẽ tự động điều khiển sang chế độ hoạt động 4 xi lanh khi có tín hiệu tăng ga (tín hiệu từ cảm biến vị trí bàn đạp ga) hoặc xe đang hoạt trong dãy tốc độ cao

- Ở chế độ khởi động hoặc xe đang lưu thông trên điều kiện mặt đường hỗn hợp, leo dốc động cơ sẽ làm việc với tất cả 6 xi lanh nhằm khắc phục lực cản

từ mặt đường giúp xe có thể chuyển động ổn định

Hình 1.9: Các chế độ hoạt động ngắt xi lanh động cơ

Phương pháp ngắt giảm xi lanh giúp động cơ làm việc một cách tiết kiệm nhiên liệu nhất đồng thời giảm được lượng khí thải mà hiệu suất đạt được lại cao như kết quả đạt được trên động cơ V6 3.5L của Honda Accord, Honda Acura Hiệu quả của phương pháp này được thể hiện khi so sánh trong trường hợp ngắt 2 xi lanh lượng nhiên liệu tiêu thụ có thể giảm được khoảng 5 – 10% và khi ngắt 3 xi lanh lượng nhiên liệu tiêu thụ có thể giảm được khoảng 10 – 15 % Trong thời gian các

xi lanh bị ngắt tất cả các xú páp đều đóng kín đồng thời quá trình phun nhiên liệu và đánh lửa cũng bị ngắt trên các xi lanh đó giúp giảm đáng kể lượng nhiên liệu tiêu hao và khí thải ra môi trường, các xi lanh còn lại không bị cạnh tranh lượng khí nạp nên nạp được nhiều hơn giúp động cơ tăng được công suất [9]

Hình 1.10: Sự tiết kiệm nhiên liệu khi thực hiện ngắt xi lanh ở các chế độ tải

khác nhau

Phương pháp ngắt giảm xi lanh khi động cơ làm việc ở chế độ tải nhỏ hoặc không tải nhằm giúp động cơ làm việc một cách tiết kiệm nhiên liệu nhất mà hiệu suất đạt được lại cao như kết luận của Osman Akin Kutlar Hiệu quả của phương pháp này được thể hiện ở hình 1.11 [9]

1Hình 1.11: So sánh hai chế độ làm việc của động cơ

Như trên hình cho thấy khi ở chế độ tải nhỏ hoặc không tải, nếu hai xi lanh làm việc thì phần công suất sinh ra ở mỗi xi lanh bằng 1/2 công suất yêu cầu của động cơ (IMEPgross_ phần công +) Nhưng đồng thời khi đó phần tổn thất công suất dành cho việc hút khí nạp và thải khí sẽ tăng lên (IMEPpumping_ phần công -) Như chúng ta đã biết, khi động cơ hoạt động ở chế độ tải nhỏ thì bướm ga đóng một phần, lượng khí được hút vào xi lanh trên đường ống nạp sẽ bị cản trở bởi cánh bướm ga, do đó cần tốn một công lớn dùng để hút không khí vào buồng đốt trong kì nạp Chính phần công này làm cho hiệu suất của động cơ giảm đi hay nói cách khác làm tổn thất công suất có ích của động cơ Để khắc phục sự tổn thất công khi ở tải thấp việc ngắt giảm bớt một xi lanh sẽ giúp cho động cơ làm việc với hiệu suất cao hơn nhưng lại tiết kiệm được nhiên liệu hơn Như được chỉ ra ở Hình 1.12, khi động

cơ làm việc với một xi lanh ở tải nhỏ, thể tích công tác giảm chỉ còn một nửa nhưng yêu cầu về công suất vẫn không đổi do đó bướm ga sẽ mở tối đa, điều này giúp cho

bướm ga trên đường nạp Do đó phần công tiêu hao cho việc hút không khí nạp được giảm đi (IMEPpumping_ phần công -), mà phần công suất được sinh ra ở một

xi lanh lại cao hơn (IMEPgross_ phần công +), đồng nghĩa với việc làm tăng hiệu suất cho động cơ Ngoài ra dựa theo bảng so sánh ở hình 1.12 cũng cho thấy, cùng một chỉ số áp suất hiệu dụng chính ( IMEPnet) thì sự tiêu hao nhiên liệu khi hoạt động ở một xi lanh sẽ giảm xuống Một ví dụ trên động cơ V-6 3.5lít i-VTEC VCM mới của Honda dưới đây [6]

Hình 1.12: So sánh tổn hao cơ giới trong 2 chế độ làm việc của động cơ

Như trên hình 1.12 cho thấy, khi động cơ hoạt động ở điều kiện tải nhỏ với nhu cầu công suất đầu ra không lớn, thay vì cho tất cả 6 xi lanh cùng hoạt động thì mỗi xi lanh sẽ làm việc với công suất thấp và cánh bướm ga gần như đóng hoàn toàn Điều này dẫn tới sự tổn thất công suất cho động cơ rất lớn như được thể hiện trên hình 1.12, phần diện tích tổn hao công suất (pumping loss) của mỗi xi lanh khi

6 xi lanh cùng hoạt động là rất lớn Để tránh sự tổn thất công suất có ích của động

cơ trong trường hợp này số xi lanh được ngắt giảm phân nữa còn lại 3 xi lanh làm việc với công suất riêng lớn và bướm ga mở gần như tối đa nhằm đảm bảo công suất đầu ra đúng như yêu cầu khi cả 6 xi lanh làm việc Hình 1.12 cho thấy phần

công tổn thất của mỗi xi lanh khi chỉ có 3 xi lanh làm việc là rất thấp đồng thời ở 3

xi lanh được ngắt giảm thì công tổn thất được giảm hoàn toàn [6]

Do đó việc ngắt giảm số xi lanh làm việc đem lại kết quả tốt hơn khi động cơ làm việc ở chế độ tải nhỏ Đặc biệt về mặt tiết kiệm nhiên nhiệu như được chỉ ra Hình 1.13, sự tiết kiệm nhiên liệu rất cao khi chỉ hoạt động 3 xi lanh ở chế độ tải nhỏ và 4 xi lanh ở tải trung bình thay vì hoạt động cả 6 xi lanh ở cùng điều kiện tải

Hình 1.13: So sánh hiệu quả kinh tế nhiên liệu khi ngắt xi lanh

Theo các số liệu thống kê của Gilbert Peters cho thấy khi động cơ hoạt động

ở tải thấp với hai xi lanh được ngắt giảm thì hiệu suất làm việc động cơ cải thiện được 20% Khi ở chế độ không tải, áp suất hiệu dụng đầu ra BMEP 2 bar, ở số vòng quay động cơ 2000 vòng/phút thì cải thiện hiệu suất động cơ là 16% Khi thử ở điều kiện BMEP thấp, phương pháp ngắt giảm xi lanh giúp làm giảm khí xả HC 10 - 40% do nhiệt độ trong xi lanh làm việc thường xuyên cao Nhưng khi BMEP cao thì

sự tiêu hao nhiên liệu và lượng khí xả HC đều tăng do làm giảm hiệu suất nạp [3]

 Nhƣợc điểm

Động cơ làm việc ồn hơn bình thường do các xi lanh còn lại làm việc với công suất cao

Sự rung giật sẽ diễn ra khi động cơ 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 xú páp và liên quan đến xú páp trên động cơ điều khiển không trục cam (camless)

1.4.2 Các lợi ích của hệ thống điều khiển xi lanh biến thiên (ngắt xi lanh)

 Giảm tiêu hao nhiên liệu

Khi ngắt giảm xi lanh thì trục cam không phải đội các xú páp của các xi lanh

đó dẫn đến giảm hao phí công suất và lực ma sát Ví dụ khảo sát trên xe được trang

bị động cơ 4 xi lanh dung tích 2.0 lít Giả sử động cơ hoạt động ở công suất không đổi là 6(Kw), tốc độ động cơ là 2300(vòng/phút), xe chạy ổn định ở tốc độ 80 Km/h

và moment xoắn sinh ra là 25 Nm Gọi W là đặc trưng cho tải động cơ [J/dm3

],

Tengine là moment xoắn động cơ [Nm] và Vactive là thể tích của các xi lanh hoạt động [dm3] Thì W được tính theo công thức sau [9]

2πT W=

V

engine active

Bảng 1.1: Đặc tính tiêu hao nhiên liệu SFC: Specific Fuel Consumption

Bảng 1.1 cho thấy sự cải thiện hiệu suất và giảm tiêu hao nhiên liệu phụ thuộc vào số xi lanh hoạt động Các cuộc thử nghiệm cụ thể sẽ cho ta thấy rõ hơn lợi ích về tiêu hao nhiên liệu của việc ngắt giảm xi lanh Làm thử nghiệm sử dụng động cơ 4 xi lanh mà có 2 xi lanh bị ngắt giảm cho thấy khi chạy trên đường thì nó

có thể giảm suất tiêu hao nhiên liệu từ 20 – 30% Còn với một động cơ 6 xi lanh thẳng hàng được thử nghiệm theo chu trình NEDC (New European Driving Cycle)

nó có thể cải thiện được 25,4% suất tiêu hao nhiên liệu khi ngắt giảm 3 xi lanh, một trường hợp khác là động cơ V8 dung tích 5 lít của Mercedes-Benz nó giảm 6,5% khi thử nghiệm theo chu trình NEDC và 10,3% khi thử nghiệm theo chu trình American FTP (Federal Test Procedure) với 4 xylanh bị ngắt giảm [9]

Hình 1.14: (a) biểu đồ đặc trƣng cho hiệu suất của động cơ khi hoạt động ở các

chế độ 1,2,3 và 4 xi lanh

(b) sự thay đổi của đặc tính tiêu hao nhiên liệu theo tải động cơ

Biểu đồ hình 1.14 cho thấy mặc dù các điểm hoạt động không nằm trong vùng làm việc tối ưu nhưng sự thay đổi thể tích xi lanh làm các điểm hoạt động dịch chuyển dần về vùng làm việc tối ưu, nhờ đó cải thiện được mức tiêu hao nhiên liệu Bên cạnh đó, biểu đồ còn cho thấy với cùng dung tích động cơ, nếu sử dụng nhiều

xi lanh có thề tích nhỏ hơn (ví dụ như động cơ 5 hay 6 xi lanh) thì có khả năng cải thiện đặc tính tiêu hao nhiên liệu tốt hơn và đưa mức tải động cơ mong muốn đến gần mức tải lý tưởng của động cơ [9]

 Giảm ô nhiễm môi trường

Nhờ việc ngắt bớt các xi lanh không cần thiết, nên lượng khí thải phát thải ra môi trường cũng giảm theo, góp phần giảm ô nhiễm môi trường Theo số liệu thống

kê cho thấy công nghệ điều khiển xi lanh biến thiên có thể giảm lượng khí CO2 từ 2.1% - 8.0% [3]

 Nâng cao công suất động cơ nhờ vào việc giảm công hao phí (pumping loss)

Khi động cơ hoạt động ở chế độ tải nhỏ hoặc trung bình thì cánh bướm ga

mở nhỏ, làm tăng độ chân không phía sau cánh bướm ga, dẫn đến sự chênh lệch áp suất giữa đường ống nạp và buồng đốt là tương đối nhỏ Do đó, pít tông phải tiêu hao một phần năng lượng để hút hòa khí vào buồng đốt Bên cạnh đó, ở kỳ thải thì pít tông cũng tốn một phần năng lượng để đẩy khí cháy ra ngoài do sự cản trở của đường ống thải (tổn thất này là không đổi) Tổng năng lượng tiêu hao cho hai quá trình này được gọi là tổn thất bơm (hình 1.15) Tổn thất này nhỏ khi xe hoạt động ở tải lớn (cánh bướm ga mở lớn) và tăng dần khi xe hoạt động ở tải trung bình và thấp (cánh bướm ga mở nhỏ) do sức cản của cánh bướm ga Như vậy, khi ngắt giảm xi lanh thì những xi lanh còn lại phải hoạt động ở mức tải cao hơn (cánh bướm ga mở lớn hơn) để đảm bảo đủ công suất Mục đích là làm giảm tổn thất bơm, nâng cao công suất động cơ [2]

Hình 1.15: Đồ thị công P-V của động cơ xăng

1.5 Mục đích nghiên cứu

Chúng ta thấy rằng từ khi ra đời đến nay công nghệ xi lanh biến thiên đã thể hiện rõ nhiều ưu điểm Như đã trình bày trong phần tổng quan, ta đã thấy rõ ưu nhược điểm của từng loại hệ thống dùng để ngắt xi lanh Các công trình nghiên cứu

từ trước đến nay đã cố gắng giải quyết các nhược điểm của từng loại hệ thống ngắt

xi lanh theo những cách khác nhau, nhưng hầu hết là cải tiến thiết kế chế tạo những động cơ mới, do đó cấu trúc phức tạp và giá thành lại rất đắt Trong nội dung nghiên cứu của đề tài này chỉ giới hạn trong việc nghiên cứu thiết kế chế tạo và thử nghiệm trên động cơ đã có sẵn nên giảm được chi phí khi thực hiện đề tài

- Từ mô hình động cơ Hyundai G4EK thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển ngắt xi lanh

- Tiến hành thử nghiệm thu thập các thông số về suất tiêu hao nhiên liệu

và nồng độ khí thải

- Từ kết quả thu thập được sau khi thử nghiệm đưa ra so sánh, phân tích, đánh giá ưu điểm, nhược điểm trong các chế độ ngắt 1 xi xanh, ngắt 2 xi lanh và không ngắt xi lanh

- Đề xuất phương án cải tiến tối ưu hơn có thể

1.6 Đối tƣợng nghiên cứu

- Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu chế tạo và thử nghiệm hệ thống điều khiển ngắt xi lanh trên động cơ Hyundai G4EK

- Tập trung nghiên cứu thu thập các tín hiệu đầu vào để điều khiển hệ thống ngắt 1 hoặc 2 xi lanh

- Thử nghiệm

1.7 Phạm vi nghiên cứu và giới hạn của đề tài

- Nghiên cứu thiết kế chế tạo và thử nghiệm hệ thống điều khiển ngắt xi lanh trên động cơ Hyundai G4EK

- Sử dụng phần mềm vi điều khiển Arduino kết hợp với tín hiệu cảm biến

vị trí bàn đạp ga để điều khiển ngắt xi lanh theo từng chế độ hoạt động khác nhau

- Thực nghiệm đo đạc đánh giá lượng nhiên liệu tiêu hao và nồng độ khí thải trong từng chế độ ngắt xi lanh

- Chưa tối ưu hóa được tính năng cân bằng động cơ

- Chưa đánh giá được công suất động cơ phát ra trên băng thử công suất

1.8 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài đã kết hợp 2 phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Ngoài việc sử dụng cơ sở lý thuyết về động cơ đốt trong đề tài còn kết hợp lý thuyết về điều khiển ngắt xi lanh (Cylinder Deactivation) trên cơ sở các bài báo nước ngoài

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Dựa trên mô hình sau khi đã chế tạo tiến hành thử nghiệm, thu thập số liệu phân tích đánh giá

1.9 Nội dung nghiên cứu

Nội dung chủ yếu của đề tài này chính là nghiên cứu thiết kế chế tạo và thử nghiệm hệ thống điều khiển ngắt xi lanh, trong quá trình thực hiện đề tài có thể chia làm các nội dung cụ thể như sau:

- Dựa vào cách bố trí cơ cấu phân phối khí trên động cơ Hyundai G4EK tiến hành thiết kế chế tạo các bộ phận cơ khí để điều khiển các xú páp mở hoàn toàn khi ngắt xi lanh

- Dựa vào tín hiệu cảm biến vị trí bàn đạp ga, thu thập tín hiệu này làm tín hiệu đầu vào để điều khiển ngắt 1 hoặc 2 xi lanh

- Sử dụng phần mềm vi điều khiển Arduino lập trình để điều khiển 2 mô tơ của cơ cấu chấp hành

- Thử nghiệm đánh giá các chỉ số về suất tiêu hao nhiên liệu, nồng độ khí thải trong từng trường hợp ngắt 1 xi lanh, ngắt 2 xi lanh và khi không ngắt xi lanh

1.10 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

 Ý nghĩa khoa học:

Về mặt khoa học thì đề tài này đã ứng dụng thành công cơ sở lý thuyết về điều khiển ngắt xi lanh trên động cơ từ các nguồn tài liệu và các bài báo, tạp chí nước ngoài Thành công của đề tài sẽ là nền tản để thực hiện các bước nghiên cứu tiếp theo, đồng thời cũng là cơ sở cho nhà trường và các trung tâm nghiên cứu thiết kế chế tạo ô tô trong nước từng bước xây dựng phòng thí nghiệm, thiết kế, tính toán,

mô phỏng, thử nghiệm nhằm giảm lượng nhiên liệu tiêu hao cũng như hạn chế gây

ô nhiễm môi trường

Qua đó, đề xuất với cơ quan có thẩm quyền, các nhà sản xuất ô tô trong nước thực hiện các tính toán thiết kế theo tiêu chuẩn quốc tế đề ra Đây cũng chính là tính cấp thiết có ý nghĩa quan trọng cho ngành kỹ thuật ô tô trong nước nhanh chóng thực hiện cải tiến tính toán thiết kế tăng tính cạnh tranh nội địa hóa sản phẩm để hòa nhập với ngành kỹ thuật ô tô tiên tiến trên thế giới

 Ý nghĩa thực tiễn:

Hiện nay ở nước ta ô tô là phương tiện giao thông quan trọng nó góp phần giải quyết nhu cầu đi lại của con người và hầu hết các lĩnh vực khác góp phần thúc đẩy nền kinh tế phát triển Nhưng do ngành kỹ thuật ô tô nước ta còn hạn chế về kỹ thuật và công nghệ nên đa số các phương tiện giao thông như ( ô tô con, xe khách,

xe buýt,…) chủ yếu là nhập khẩu hoặc nhập các linh kiện từ các hãng sản xuất ô tô nước ngoài về lắp ráp

Tuy nhiên, trước vấn đề ô nhiễm môi trường do khí thải ô tô ngày càng trở nên trầm trọng, nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày một cạn kiệt thì đây là một đề tài mang tính cấp thiết cần được thực hiện

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lịch sử phát triển

Phát minh tiền thân cho công nghệ điều khiển xi lanh biến thiên là loại động

cơ bật – tắt (hit and miss engine) ở thế kỉ 19 Thay vì sử dụng bướm ga để thay đổi tốc độ quay trục khuỷu, thì động cơ này giảm tốc độ bằng cách ngừng làm việc, và khi muốn tăng duy trì tốc độ, động cơ sẽ làm việc trở lại [8]

Hình 2.1: Động cơ bật – tắt (hit and miss engine)

Cuộc thử nghiệm động cơ điều khiển xi lanh biến thiên đầu tiên được Cadillac thực hiện trên động cơ V8 vào năm 1981 và trở thành tiêu chuẩn cho các mẫu xe Cadillac trừ dòng xe Seville Việc hợp tác với Eaton Corporation đã giúp Cadillac phát triển hệ thống điều khiển động cơ V-8-6-4 sử dụng ECU đầu tiên cho phép chuyển đổi động cơ từ trạng thái 8 về 6 rồi về 4 xi lanh tùy thuộc vào công suất sử dụng Hệ thống này điều khiển tắt 2 xi lanh nằm đối diện, do đó động cơ có thể làm việc ở 3 chế độ khác nhau (8, 6 hoặc 4 xi lanh) Nhưng có một số vấn đề rắc rối xảy ra và những hỏng hóc không thể lường trước đã kìm hãm sự phát triển của công nghệ này [8]

Hình 2.2: Mẫu xe Cadillac Eldorado 1981

Một năm sau đó, Mitsubishi phát triển hệ thống tương tự có tên MD (Modulated Displacement) trên động cơ 1.4L 4 xi lanh thẳng hàng Bởi vì hệ thống của Cadillac gặp trục trặc và không được sử dụng trên động cơ 4 xi lanh nên Mitsubishi tự hào là hãng đầu tiên trên thế giới áp dụng công nghệ này Hãng xe Nhật tiếp tục ứng dụng công nghệ MD lên động cơ V6 Năm 1993, một năm sau khi Mitsubishi phát triển công nghệ trục cam biến thiên, Mivec-MD được giới thiệu đã làm sống lại công nghệ MD lần 2 với bộ điều khiển điện tử cho phép chuyển đổi động cơ từ 4 xi lanh về 2 xi lanh một cách trơn tru Mivec-MD làm giảm mức tiêu thụ nhiên liệu từ 10-20%, dù bước phát triển này là do công nghệ điều khiển trục cam chứ không phải hệ thống điều khiển xi lanh biến thiên Vì thế, năm 1996, Modulated Displacement bị loại bỏ [8]

Hình 2.3: Mẫu xe Mitsubishi Lancer sử dụng công nghệ MD

Cuối thập kỷ 90, Mercedes thử nghiệm công nghệ điều khiển xi lanh biến thiên lên động cơ V12, tiếp sau đó DaimlerChrysler, GM và Honda cũng giới thiệu những công nghệ tương tự Năm 1998, DaimlerChrysler đã giới thiệu lại công nghệ ngắt giảm xi lanh trên động cơ 5.0L V8 và 6.0L V12, được Mercedes- Benz sử dụng Hệ thống này có thể ngắt giảm 4 đến 6 xi lanh Hãng Honda cũng áp dụng công nghệ này nhưng với tên gọi là Variable Cylinder Management (VCM) vào năm 2005 trên động cơ xăng 3.5L V6, nhưng chỉ có thể ngắt được 1 trong 3 xi lanh nằm thẳng hàng Và đến năm 2008 công nghệ này một lần nữa được cải tiến và sử dụng trên dòng xe Honda Accord có thể ngắt xen kẻ 3 hoặc 4 xi lanh tương ứng với

Hình 2.4: Động cơ V6 3.5L của Honda Accord

Năm 2014 công nghệ quản lý xi lanh biến thiên phiên bảng hai (Variable Cylinder Management II) ra đời và được Honda ứng dụng trên dòng xe sang Honda Acura, cho phép xi lanh được tắt ở tốc độ trung bình đồng thời độ ma sát giữa bạc piston và xi lanh được cải thiện rất nhiều nhờ được bôi trơn tốt hơn từ đó giúp tăng hiệu quả kinh tế nhiên liệu khi trên đường cao tốc [8]

Hình 2.5: Động cơ V6 của Honda Acura [8]

Trong những năm gần đây tình trạng ô nhiễm môi trường do khí thải ô tô, giá nhiên liệu liên tục tăng cao và nhằm giảm bớt sự lệ thuộc vào nguồn nhiên liệu hoá thạch, các nhà sản xuất ô tô cũng như người tiêu dùng đang tìm kiếm những loại động cơ tiết kiệm nhiên liệu đồng thời đảm bảo công suất hoạt động điển hình như: Ford Ecoboost I-3, Volvo Drive 3 xi lanh, Hyundai Kappa, các dòng xe 3 xi lanh

của Audi, GM với công nghệ “bỏ lửa”…Điều này sẽ là một cơ hội để công nghệ điều khiển xi lanh biến thiên tiếp tục phát triển trong tương lai

2.2 Điều khiển ngắt giảm xi lanh chủ động (đóng các xú páp nạp và xả)

Việc ngắt giảm xi lanh làm cho các xú páp nạp và thải đóng lại ở tất cả các chu

kỳ của hoạt động của động cơ, hỗn hợp không khí trong buồng đốt bị cô lập với bên ngoài Lúc này, chúng có vai trò như một chiếc lò xo Nó sẽ bị nén khi pít tông đi từ ĐCD lên ĐCT và giãn nở trong hành trình ngược lại từ ĐCT xuống ĐCD Quá trình giãn nở của khối khí cô lập tạo sự cân bằng tổng thể, đồng thời không gây ra phụ tải cho động cơ Việc điều khiển ngắt xi lanh được thực hiện bởi một trong hai phương pháp phổ biến sau

2.2.1 Điều khiển ngắt xi lanh trên động cơ truyền thống

Hình 2.6: Vô hiệu hoá các xú páp bằng dầu thuỷ lực

Việc ngắt giảm xi lanh bằng cách sử dụng các van điện từ để thay đổi áp suất dầu làm vô hiệu hóa tác động của con đội đến xú páp Lúc này trục cam vẫn tác động lên con đội nhưng con đội không tác dụng lên xú páp, dẫn đến xú páp được giữ đóng kín Đồng thời lúc đó hệ thống điều khiển động cơ sẽ ngưng điều khiển phun xăng và đánh lửa đến các xi lanh này, khi đó pít tông chạy trơn và nén khí nên chúng không thể hoạt động [2]

2.2.2 Điều khiển ngắt xi lanh trên động cơ không trục cam (camless)

Đối với động cơ không trục cam thì rất đơn giản, chỉ cần ECU không điều khiển cho các xú páp mở ra và đồng thời ngắt nhiên liệu và không điều khiển đánh lửa thì việc ngắt giảm xi lanh được thực hiện [2]

Hình 2.7: Vô hiệu hoá các xú páp bằng điện từ 2.2.3 Điều khiển ngắt xi lanh biến thiên vô định trên động cơ

Hình 2.8: Điều khiển ngắt xi lanh biến thiên bất kỳ

Với công nghệ này các xi lanh được điều khiển ngắt biến thiên bất kỳ tuỳ theo điều kiện hoạt động trên đường không tuân theo thứ tự chẵn- lẻ, giúp động cơ hoạt động êm ít rung động và nhiệt độ động cơ được phân tán đồng đều [8]

2.3 Thời điểm ngắt xi lanh

Theo nghiên cứu thì có 3 thời điểm được chọn để bắt đầu thực hiện việc ngắt làm việc của xi lanh :

- Trước kỳ xả

- Sau kỳ nạp

- Sau kỳ xả và trước kỳ nạp

Hình 2.9: Vị trí ngắt xi lanh trên đồ thị công

Việc chọn mỗi vị trí xi lanh đều có hiệu quả riêng cho quá trình làm việc của động cơ Khi chọn ngắt xi lanh tại vị trí 1 (trước kỳ xả) như trên hình 2.20, lúc này các xú páp đều được đóng lại trước kỳ xả vì thế toàn bộ lượng khí cháy bị giữ lại trong xi lanh, điều này sẽ tạo ra một lò xo khí với lực cản lớn hơn do khí thải có nhiệt độ cao và làm áp lực đầu kỳ nén cao hơn hai trường hợp còn lại

Xong ở trường hợp này lại đem đến hiệu quả cho hiệu suất của động cơ, do

xi lanh luôn được hâm nóng vì lượng khí xả với nhiệt độ cao bị giữ lại trong xi lanh.Trong trường hợp chọn thời điểm ngắt xi lanh ở vị trí 2 (sau kỳ nạp) như trên