Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm hệ thống quản lý xy lanh trên động cơ

Mục tiêu: Chế tạo hệ thống quản lý xy lanh bằng cách điều khiển ngắt xú páp một số xy lanh trên động cơ phù hợp với chế độ hoạt động của động cơ nhằm nâng cao hiệu suất và tính kinh tế

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG QUẢN LÝ XY LANH TRÊN ĐỘNG CƠ

SKC 0 0 6 0 2 4

MÃ SỐ: T2017- 29TĐ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

Chủ nhiệm đề tài: TS Lý Vĩnh Đạt

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG

QUẢN LÝ XY LANH TRÊN ĐỘNG CƠ

Mã số: T2017- 29TĐ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

N NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG QUẢN LÝ XY LANH TRÊN ĐỘNG CƠ

Mã số: T2017- 29TĐ

Chủ nhiệm đề tài: TS Lý Vĩnh Đạt

TP HCM, Tháng 03 Năm 2018

CÁC THÀNH VIÊN THAM GIA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP THỰC HIỆN

Chủ nhiệm đề tài: TS Lý Vĩnh Đạt

Đơn vị phối hợp thực hiện: Bộ môn Động cơ, khoa Cơ khí Động lực, trường Đại

học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM

MỤC LỤC

Trang

Danh sách thành viên tham gia và đơn vị phối hợp thực hiện i

Mục lục ii

Danh sách các bảng iv

Danh sách các hình v

Danh mục các chữ viết tắt ix

Thông tin kết quả nghiên cứu xi

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN Error! Bookmark not defined 1.1 Đặt vấn đề Error! Bookmark not defined 1.2 Các nghiên cứu trong nước Error! Bookmark not defined 1.3 Các nghiên cứu ngoài nước Error! Bookmark not defined 1.4 Mục đích nghiên cứu 5

1.5 Đối tượng nghiên cứu 6

1.6 Phạm vi nghiên cứu và giới hạn của đề tài 6

1.7 Phương pháp nghiên cứu 6

1.8 Nội dung nghiên cứu 7

1.9 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 7

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8

2.1 Khái quát về hệ thống điều khiển ngắt xi lanh 8

2.2 Điều khiển ngắt giảm xi lanh chủ động 19

2.3 Thời điểm ngắt giảm xi lanh 20

2.4 Phương pháp điều khiển ngắt xi lanh của một số nhà sản xuất ô tô 21

2.5 Đề xuất cơ cấu điều khiển ngắt xi lanh trên động cơ Hyundai G4EK 30

2.6 Tổng quan cơ cấu điều khiển ngắt xi lanh 31

2.7 Kết luận 31

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG NGẮT XI LANH TRÊN ĐỘNG CƠ HYUNDAI G4EK Error! Bookmark not defined 3.1 Khảo sát cơ cấu phân phối khí động cơ Hyundai G4EK 35

3.2 Hệ thống điều khiển động cơ Hyundai G4EK 36

3.3 Nghiên cứu thiết kế cơ cấu ngắt xi lanh trên động cơ 37

3.4 Chế tạo và lắp đặt lên động cơ hoàn chỉnh 47

CHƯƠNG 4 CHẾ TẠO BOARD MẠCH ĐIỀU KHIỂN NGẮT XI LANH ĐỘNG CƠ HYUNDAI G4EK 50

4.1 Thiết kế board mạch để điều khiển hệ thống Error! Bookmark not defined 4.2 Lưu đồ thuật toán điều khiển cơ cấu ngắt xi lanh 61

4.3 Lắp đặt board mạch điều khiển ngắt xi lanh trên động cơ Hyundai G4EKError! Bookmark not defined CHƯƠNG 5 THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 70

5.1 Thiết lập thử nghiệm 70

5.2 Đánh giá kết quả thử nghiệm 72

5.3 Kết luận 77

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 79

6.1 Kết luận 79

6.2 Hướng phát triển của đề tài: 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Trang

Bảng 2.1: Đặc tính tiêu hao nhiên liệu SFC: Specific Fuel Consumption 17

Bảng 4.1: Bảng thông số kỹ thuật của Arduino Uno R3 54

Bảng 4.2: Thông số kỹ thuật của Rotary Volume Encoder 59

Bảng 5.1 Thông số kỹ thuật của động cơ Hyundai Accent G4EK 70

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Trang

Hình 1.1: Ngắt xi lanh trên động cơ thông thường 2

Hình 1.2: Ngắt xi lanh thông qua con đội thuỷ lực 3

Hình 1.3: Cơ cấu ngắt xi lanh của K J DOUGLAS 4

Hình 1.4: Điều khiển ngắt xi lanh trực tiếp bằng điện 5

Hình 2.1: Công nghệ ngắt xi lanh trên động cơ V6 8

Hình 2.2: Solenoid điều khiển các xú páp đóng hoàn toàn 9

Hình 2.3: (a) Không ngắt xi lanh, (b) ngắt xi lanh 10

Hình 2.4: Ngắt xi lanh bất kỳ trên động cơ V8 của hãng GM 11

Hình 2.5: Các chế độ hoạt động ngắt xi lanh động cơ 12

Hình 2.6: Sự tiết kiệm nhiên liệu khi ngắt xi lanh động cơ 13

Hình 2.7: So sánh hai chế độ làm việc của động cơ 14

Hình 2.8: So sánh tổn hao cơ giới trong 2 chế độ làm việc của động cơ 15

Hình 2.9: So sánh hiệu quả kinh tế nhiên liệu khi ngắt xi lanh 16

Hình 2.10: Biểu đồ đặc trưng cho hiệu suất của động cơ 17

Hình 2.11: Đồ thị công P-V của động cơ xăng 18

Hình 2.12: Ngắt các xú páp bằng dầu thủy lực 19

Hình 2.13: Ngắt các xú páp bằng điện từ 20

Hình 2.14: Ngắt xi lanh bất kỳ trên động cơ V8 của hãng GM 20

Hình 2.15: Vị trí ngắt xi lanh trên đồ thị công 21

Hình 2.16: Đồ thị đặc tính công suất-mô men động cơ V6 3.5L của Honda 22

Hình 2.17: Các chế độ hoạt động của xe 23

Hình 2.18: Mạch dầu điều khiển ngắt xi lanh 23

Hình 2.19: Chế độ xi lanh hoạt động bình thường 24

Hình 2.23: Ngắt phun xăng và đánh lửa trên xi lanh ngừng hoạt động 27

Hình 2.24: Động cơ V8 5.7L HEMI với hệ thống MD 28

Hình 2.25: Cấu tạo con đội thủy lực 29

Hình 2.26: Sơ đồ khối điều khiển ngắt xi lanh 30

Hình 2.27: Cơ cấu điều khiển ngắt xi lanh 31

Hình 2.28: Thiết kế phần cơ khí cơ cấu điều khiển ngắt xi lanh 32

Hình 2.29: Thiết kế sơ bộ cơ cấu điều khiển ngắt xi lanh 32

Hình 2.30: Mô phỏng hệ thống điều khiển sau khi lắp ghép 33

Hình 3.1: Động cơ Hyundai G4EK 35

Hình 3.2: Cơ cấu phân phối khí trên động cơ Hyundai G4EK 36

Hình 3.3: Sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ 36

Hình 3.4: Cấu tạo bệ đỡ cơ cấu ngắt xi lanh 38

Hình 3.5: Gối đỡ trục cam, nắp đỡ trục cam 39

Hình 3.6: Nửa trục cam ngắt xi lanh số 1 40

Hình 3.7: Nửa trục cam ngắt xi lanh số 4 40

Hình 3.8: Cấu tạo các gối đỡ trục cò mổ 41

Hình 3.9: Cấu tạo cò mổ thứ cấp 42

Hình 3.10:Bánh vít và trục vít dẫn động trực tiếp trục cam 42

Hình 3.11:Gối đỡ trục vít dẫn động trực tiếp trục cam 43

Hình 3.12: Khoá bánh vít trên trục cam 43

Hình 3.13: Khớp trượt nối 2 bán trục cam 43

Hình 3.14: Càng chuyển hướng khớp trượt 44

Hình 3.15:Gối đỡ trục càng chuyển hướng 44

Hình3.16: Đĩa lò xo hồi vị trục cam 45

Hình 3.17: Bánh vít và trục vít của bộ giảm tốc từ mô tơ điều khiển 45

Hình 3.18: Trục của bánh vít 45

Hình 3.19: Gối đỡ trục vít bộ truyền 46

Hình 3.20: Gối đỡ trục bánh vít bộ truyền 46

Hình 3.21: Hộp bộ truyền bánh vít, trục vít từ mô tơ 46

Hình 3.22: Cấu tạo nắp máy trung gian 47

Hình 3.23: Cơ cấu sau khi đã gia công 47

Hình 3.24: Cơ cấu sau khi đã lắp ráp lại 48

Hình 3.25:Động cơ điện 12V DC dùng để điều khiển cơ cấu ngắt xy lanh 48

Hình 3.26: Cơ cấu ngắt xi lanh được lắp lên động cơ 49

Hình 4.1: Nguyên lý hoạt động mạch cầu H sử dụng để điều khiển mô tơ 50

Hình 4 2: Mạch cầu H điều khiển động cơ – giả lập trên Proteus 51

Hình 4.3: Mạch nguồn 5V cho vi xử lí và cảm biến 52

Hình 4 4: Mạch điều khiển ngắt kim phun 52

Hình 4 5: Vi xử lý Arduino UNO R3 53

Hình 4 6: Các chân Analog và Digital trên Arduino UNO R3 56

Hình 4 7: Lập trình Arduino và xuất giá trị trên Arduino IDE 58

Hình 4 8: Rờ le 5 chân điều khiển nhấn xú páp 58

Hình 4 9: Rờ le 5 chân điều khiển gài khớp 59

Hình 4.10: Encoder quay 59

Hình 4.11: Encoder gắn trên trục cam 59

Hình 4.12: Mô phỏng mạch điều khiển ngắt xi lanh trên Proteus 61

Hình 4.13: Lưu đồ thuật toán điều khiển bướm ga 61

Hình 4.14: Lưu đồ thuật toán điều khiển nhấn xú páp 63

Hình 4.15: Lưu đồ thuật toán đo tốc độ động cơ 64

Hình 4.16: Lưu đồ thuật toán đếm xung từ Encoder 65

Hình 4.17: Lưu đồ thuật toán điều khiển ngắt kim phun 66

Hình 4.18: Lưu đồ thuật toán chính 67

Hình 4.19: Board mạch điều khiển gắn trên động cơ thực tế 68

Hình 5.1: Màn hình hiển thị và thiết bị đo khí thải Maha MGT5 71

Hình 5.2: Kết nối động cơ với thiết bị đo khí thải Maha MGT5 71

Hình 5.3: Kết nối thiết bị đo 72

Hình 5.6: Kết quả thử nghiệm suất tiêu hao nhiên liệu ge 73 Hình 5.7: Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu ge tương ứng với các chế độ hoạt động khác nhau 74 Hình 5.8: Quá trình thử nghiệm đo nồng độ khí thải CO 75 Hình 5.9: Kết quả thử nghiệm nồng độ khí thải CO 75 Hình 5.10: Diễn biến phát thải khí CO tương ứng với các điều kiện hoạt động khác nhau 76 Hình 5.11: Kết quả thử nghiệm nồng độ khí thải HC 76 Hình 5.12: Diễn biến phát thải khí HC tương ứng với các điều kiện hoạt động khác nhau 77

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

ANC Active Noise Control -Điều khiển tiếngồn chủ động

AFM Active Fuel Management – Quản lý nhiên liệu chủ động

ACC Active Cylinder Control – 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

ĐCT Điểm chết trên

ĐCD Điểm chết dưới

ECU Electronic Control Unit- Bộ điều khiển điệntử

ED Engine Displacement- Công nghệ thay đổi thể tích công

GM General Motor - Hãng ô tô GM của Mỹ

GDI Gasoline direct injector – Phun xăng trựctiếp

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

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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: “Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm hệ thống quản lý xy lanh trên động cơ”

- Mã số: T2017-29TĐ

- Chủ nhiệm: TS LÝ VĨNH ĐẠT

- Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh

- Thời gian thực hiện: 12 tháng

2 Mục tiêu:

Chế tạo hệ thống quản lý xy lanh bằng cách điều khiển ngắt xú páp một số xy lanh trên động cơ phù hợp với chế độ hoạt động của động cơ nhằm nâng cao hiệu suất và tính kinh tế nhiên liệu ở chế độ tải nhỏ Đề tài cũng thực nghiệm nhằm đánh giá hiệu quả của hệ thống ngắt xi lanh

3 Tính mới và sáng tạo:

Động cơ xăng có hiệu suất nhỏ đặc biệt khi xe hoạt động ở chế độ tải nhỏ do sức cản của bướm ga làm tăng công tổn hao (pumping loses) Vì vậy cải tiến hiệu suất ở chế độ tải nhỏ là một trong những mục tiêu quan trọng trên động cơ xăng góp phần nâng cao tính kinh tế nhiêu liệu trên động cơ Việc sử dụng hệ thống quản lý xy lanh bằng cách ngắt một

số xy lanh phù hợp với hoạt động của xe trên đường giảm các công tiêu hao trong quá hút, qua đó nâng cao hiệu suất hoạt động của các xy lanh chủ động góp phần cải tiến hiệu suất trên động cơ

Đề tài đã thực hiện cải tiến hệ thống phân phối khí truyền thống trên động cơ 4 xi lanh thẳng hàng thành hệ thống điều khiển ngắt xi lanh ở các chế độ hoạt động phù hợp nhằm tiết kiệm nhiên liệu, đặc biệt ở chế độ tải nhỏ Cơ cấu ngắt xi lanh cải tiến với cơ cấu điều khiển đơn giản có thề đáp ứng điều khiển trong quá trình ngắt xi lanh với độ chính xác và tin cậy cao

4 Kết quả nghiên cứu:

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

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%

5 Sản phẩm:

- 01 mô hình động cơ xăng với cơ cấu điều khiển ngắt xi lanh ở các chế độ hoạt

động khác nhau

- 01 bài báo khoa học thuộc tạp chí khoa học giáo dục và kỹ thuật được công (có

điểm từ 0 đến 0.5 điểm trong hội đồng xét chức danh PGS), số 44B, trang 29-36

năm 2017

- 01 bài báo đăng trong kỷ yếu hội thảo quốc tế có xuất bản, International

Multi-conference on Engineering and Technology Innovation 2016, Taichung, Taiwan

28/10-01/11/2016

- 01 bài báo đăng trên tạp chí quốc tếcó chỉ số SCIE, Transactions of the Canadian

Society for Mechanical Engineering, ISSN: 0315-8977, Vol 41, 2018

6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:

Kết quả của đề tài góp giảm thiểu tiêu hao nhiên liệu, giảm ô nhiểm môi trường bằng

cách sử dụng các chế độ ngắt xi lanh tương ứng Nghiên cứu điều khiển ngắt xi lanh trên

động cơ góp phần ứng dụng điều khiển momen xoắn phù hợp với điều kiện hoạt động thực

tế trên xe, góp phần cải tiến đáng kể suất tiêu hao nhiên liệu, khí xả trên xe

Trưởng Đơn vị

(ký, họ và tên)

Chủ nhiệm đề tài

(ký, họ và tên)

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1 General information:

Project title: “Study, manufacture and experiment of cylinder deactivation valvetrain in

SI engines"

Code number: T2017-29TĐ

Coordinator: PhD LY VINH DAT

Implementing institution: Ho Chi Minh City University of Technology and Education Duration: 12 months

2 Objective(s):

The purpose of research study, manufacture a cylinder deactivation valve train that is improved in conventional valve train system in SI engine with 4 cylinder inline The proposed valve train can control the different cylinder deactivation modes such as 1- cylinder deactivation mode or 2- cylinder deactivation mode These modes meet the engine torque in vehicle at various engine operating conditions, hence engine can reduce considerably fuel consumption, especially at part loads

3 Creativeness and innovativeness:

SI engines has low engine efficiency at part loads due to the pumping loses Therefore, there are many recently methods overcome engine efficiency at part loads that is the importance target to improve the fuel consumption and emissions n ICEs Cylinder deactivation method manages the engine displacement which meet various operating condition in engine, consequently reduce fuel consumption and emissions in engine

The work has proposed a the novel valve train that improves in the conventional valve train in 4 cylinder inline engine The valve train can deactivate some cylinders such 1 cylinder deactivation or 2 cylinder deactivation The cylinder deactivation valve train can meet time response in control with accurately and operating

4 Research results:

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

5 Products:

- 01 experimental model for cylinder deactivation valve train in SI engines

- 01 published paper in Journal of Techical Education Science, HCMUTE, No 44B, pp

6 Effects, transfer alternatives of research results and applicability:

The study takes part in improving fuel consumption in engine at part loads by deactivating some cylinders corresponding to the required torque in vehicle

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Song song với sự phát triển ngày một lớn mạnh của tất cả các ngành kinh tế quốc dân và nhu cầu của người sử dụng ngày càng tăng lên đòi hỏi cần chuyên chở khối lượng lớn hàng hóa và hành khách, tính cơ động cao, tính việt dã và khả năng hoạt động trong những điều kiện khác nhau tạo cho ô tô trở thành một trong những phương tiện chủ yếu để chuyên chở hàng hóa và hành khách

Đất nước ta đang trong thời kỳ thực hiện công nghiệp hóa, hiện đại hóa và chắc chắn rằng trong thời gian không xa nữa từ thực trạng lắp ráp xe như hiện nay, chúng ta sẽ tiến đến tự chế tạo ô tô và yêu cầu cải thiện cơ cấu đối với toàn bộ ô tô, vận tải, đồng thời sản xuất loại ô tô trọng tải bé và ô tô vận tải chuyên dụng Dự kiến nâng cao tính kinh tế và độ bền của ô tô Việc phát triển ngành vận tải ô tô chở hành khách và cải tiến việc phục vụ nhân dân có ý nghĩa kinh tế xã hội to lớn Ngoài việc hao phí thời gian, việc chuyên chở kéo dài sẽ làm tiêu tốn một lượng nhiên liệu rất lớn Bởi vậy, việc đào tạo đội ngũ kỹ thuật viên, kỹ sư có trình độ đáp ứng được những đòi hỏi của ngành công nghệ và sửa chữa ô tô là một nhiệm vụ rất quan trọng và cấp bách Đề tài của nhóm nghiên cứu là “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo thử nghiệm hệ thống điều khiển ngắt xy lanh trên động cơ HUYNDAI ACCENT” Đề tài bao gồm các vấn đề chế tạo được phần cứng và thu thập tín hiệu

từ cảm biến vị trí bàn đạp ga để điều khiền ngắt được xy lanh của động cơ tương ứng với các chế độ làm việc của động cơ đem lại hiệu quả trong việc giảm lượng tiêu hao nhiên liệu và đánh giá tính kinh tế tiêu hao nhiên liệu của ô tô Đề tài mang tính thiết thực là cơ sở cho việc đánh giá chất lượng khai thác của ôtô

Các công nghệ hiện đại đang khắc phục được nhiều nhược điểm của động cơ đốt trong như: Công nghệ Hybrid, công nghệ xy 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 bảo các chế độ tải trọng 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 xy

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.2.1 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 [1] 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

1.2.2 Nghiên cứu nước ngoài

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 đƣợc sau quá trình thử nghiệm nhƣ 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:

- 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

1.3 Mục tiêu đề tài

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

- 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

1.4 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

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

- Chưa xét đến tính năng cân bằng động cơ

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

1.5 Đối tượng 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

1.6 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

1.7 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

1.8 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

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Khái quát 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 2.1: 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 2.2: 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 2.3: (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 động cơ V8 giúp tiết kiệm nhiên liệu 10 – 15% so với động cơ thông thường [8]

Hình 2.4: 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

a 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 2.5: 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 2.6: 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 2.7 [9]

Hình 2.7: 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 2.8, 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 việc nạp không khí vào buồng đốt dễ dàng hơn do không có sự cản trở của cánh 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 2.8 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 2.8: So sánh tổn hao cơ giới trong 2 chế độ làm việc của động cơ

Như trên hình 2.8 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 2.8, 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 2.8 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

Hình 2.9: 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)

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

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]

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 2.11: Đồ thị công P-V của động cơ xăng

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]

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 2.12: 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]

Hình 2.13: 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 2.14: 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 2.15: 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 hình 2.20, cũng sẽ làm lực nén của lò xo khí cao, lực cản này còn phụ thuộc vào quá trình nạp như thế nào Sẽ có sự khác biệt khi hệ thống nạp có tăng áp hay bộ siêu nạp so với hệ thống nạp thường, lực cản của lò xo khí trong xi lanh sẽ lớn hơn khi

có tăng áp hay bộ siêu nạp Trong trường hợp còn lại thời điểm ngắt xi lanh được bắt đầu ở sau kỳ thải và trước kỳ nạp (vị trí 3 trên hình 2.20), lượng khí được giữ lại trong lòng xi lanh rất ít do lúc này là đang ở giai đoạn trùng điệp, lượng khí thải đã được đẩy ra ngoài gần hết và lượng khí nạp mới vào chưa nhiều Do đó khi bắt đầu ngắt xi lanh lượng khí bị giữ lại rất ít, điều này làm giảm lực cản của lò xo khí khi

xi lanh ngừng hoạt động

Ngoài việc chọn thời điểm ngắt xi lanh, thì chúng ta cũng cần phải quan tâm

Hệ thống điều khiển xi lanh biến thiên (Variable Cylinder Management – VCM) được Honda giới thiệu vào năm 2004 trên mẫu xe Hybrid Accord, đây là hãng đầu tiên sử dụng công nghệ này trên động cơ 6 xi lanh và được xem là bước đột phá của Honda trong việc nâng công suất cũng như tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu, bảo vệ môi trường Những năm 2007, 2008, Honda tiếp tục ứng dụng công nghệ VCM lên các mẫu xe Honda Accord và Honda Acura sử dụng động cơ truyền thống Công nghệ này cho phép ngắt, không bơm nhiên liệu vào xi lanh theo điều khiển của máy tính tùy theo từng điều kiện vận hành (có thể ngắt nhiên liệu vào 2 hoặc 3 xi lanh cùng lúc) mà vẫn đảm bảo xe vận hành tốt đồng thời công suất

và mô men xoắn cũng tăng lên đáng kể [7]

Hình 2.16: Đồ thị đặc tính công suất-mô men động cơ V6-3.5L của Honda

Honda áp dụng công nghệ i-VTEC để đóng các xú páp nạp và thải tại các xi lanh không hoạt động Cấu tạo gồm hai cò mổ: cò mổ số 1 không tác động đến xú páp, cò mổ số 2 tác động đến xú páp và một cái chốt để kết nối hoặc không kết nối giữa hai cò mổ Ngoài ra trục cam còn có thêm đường dầu để điều khiển hoạt động của cái chốt

Hình 2.17: Các chế độ hoạt động của xe

ECU dựa vào tín hiệu của các cảm biến trên hệ thống i-VTEC để xác định chế độ hoạt động của xe, từ đó điều khiển động cơ hoạt động ở các chế độ 3 hoặc 4 hoặc 6 xi lanh Khi hoạt động, vấu cam chỉ tác động vào cò mổ số 1, cò mổ số 2 được dẫn động thông qua chốt kết nối để điều khiển xú páp ECU điều khiển dầu thủy lực đẩy chốt sang trái hoặc phải để điều khiển hoạt động của xi lanh

Hình 2.18: Mạch dầu điều khiển ngắt xi lanh

Ở chế độ không ngắt xi lanh ECU điều khiển dầu thủy lực đóng chốt kết nối giữa hai cò mổ nên xú páp được điều khiển hoạt động bình thường