Nghiên cứu về hệ thống điều khiển động cơ xăng

Kỳ 1 quá trình nạp Là quá trình pít tông di chuyển từ điểm chết trên TDC xuống dưới làm tăng thể tích buồng đốt 7 từ đó hút không khí hệ thống phun xăng trực tiếp hoặc hỗn hợp khí hệ th

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

SKC 0 0 6 7 9 6

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

ĐỘNG CƠ XĂNG

MÃ SỐ:SV2019-99

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ XĂNG

SV2019-99

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ XĂNG

SV2019-99

Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật

Dân tộc: Kinh

Lớp, khoa: 15145CL1 – Khoa Đào tạo Chất lượng cao

Năm thứ: 4 / Số năm đào tạo: 8

Người hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Long Giang

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH i

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT iii

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: LỊCH SỬ Ô TÔ 2

1.1 Lịch sử phát triển 2

CHƯƠNG 2: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐỘNG CƠ XĂNG 6

2.1 Phương thức hoạt động 6

2.1.1 Nguyên lý làm việc động cơ bốn kỳ 7

2.1.2 Thời điểm đóng mở xupap 8

2.1.3 Quá trình nén nhiên liệu 8

2.1.4 Tỷ lệ hòa khí 9

2.1.5 Phân phối hỗn hợp khí nạp trong buồng đốt 10

2.1.6 Đánh lửa và truyền lửa 11

2.2 Quá trình nạp cho xy lanh 11

2.2.1 Các bộ phận của hệ thống nạp 12

2.2.2 Trao đổi khí 13

2.2.3 Hệ thống nạp tăng áp 15

2.3 Mô-men và công suất động cơ 16

2.3.1 Mô men tại hệ thống truyền động 16

2.3.2 Sự hình thành mô men xoắn 17

2.3.3 Mối quan hệ giữa mô men xoắn động cơ và công suất 19

2.4 Hiệu năng động cơ 19

2.4.1 Hiệu suất nhiệt 19

2.4.2 Tổn thất nhiệt 21

2.4.3 Tổn thất ở λ = 1 21

2.4.5 Tổn thất do ma sát 22

2.5 Mức tiêu hao nhiên liệu 22

2.5.1 Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí 22

2.5.2 Ảnh hưởng của thời điểm đánh lửa 23

2.5.3 Đạt được mức tiêu thụ nhiên liệu tối thiểu 23

2.5.4 Biểu đồ tiêu thụ nhiên liệu 24

2.6 Hiện tượng kích nổ 24

2.6.1 Nguồn gốc của hiện tượng kích nổ 25

2.6.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng kích nổ 26

2.6.3 Kích nổ ở động cơ phun xăng trực tiếp 26

2.6.4 Ngăn ngừa kích nổ liên tục 27

2.6.5 Ưu điểm của kiểm soát kích nổ 27

CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ 28

3.1 Điều khiển vòng kín điện tử 28

3.1.1 Thu thập dữ liệu vận hành 28

3.1.2 Xử lý dữ liệu vận hành 29

3.1.3 Cấu trúc mô men xoắn 30

3.1.4 Hệ thống tự chuẩn đoán trong ECU 32

3.1.5 ECU điều khiển ô tô 32

3.1.6 Chuẩn đoán điện tử 32

3.2 Các phiên bản Motronic 33

3.2.1 M-Motronic 33

3.2.2 ME-Motronic 33

3.2.3 DI-Motronic 34

3.3 Cấu tạo của hệ thống 35

3.4 Các hệ thống nhỏ hơn và chức năng chính 37

3.4.1 Tài liệu hệ thống - System Documentation (SD) 37

3.4.3 Điều phối động cơ - Coordination Engine (CE) 37

3.4.4 Nhu cầu momen - Torque Demand (TD) 38

3.4.5 Torque Structure (TS) 38

3.4.6 Hệ thống khí - Air System (AS) 39

3.4.7 Hệ thống nhiên liệu - Fuel System (FS) 40

3.4.8 Hệ thống đánh lửa - Ignition System (IS) 41

3.4.9 Hệ thống xả - Exhaust System (ES) 42

3.4.10 Dữ liệu vận hành - Operating Data (OD) 43

3.4.11 Giao tiếp - Communication (CO) 44

3.4.12 Hệ thống chuẩn đoán - Diagnostic System (DS) 44

CHƯƠNG 4: CẢM BIẾN 46

4.1 Ứng dụng trên ô tô 46

4.2 Cảm biến nhiệt độ 46

4.2.1 Các ứng dụng trên ô tô 46

4.3 Thiết kế và phương thức hoạt động 47

4.4 Cảm biến tốc độ động cơ 47

4.4.1 Ứng dụng 47

4.4.2 Cảm biến tốc độ loại điện từ 48

4.4.3 Cảm biến tốc độ xe 49

4.5 Cảm biến Hall 51

4.5.1 Ứng dụng 51

4.5.2 Thiết kế và phương thức hoạt động 52

4.6 Cảm biến lưu lượng khí nạp loại dây nhiệt 52

4.6.1 Ứng dụng 52

4.6.2 Cảm biến HFM5 53

4.6.3 Cảm biến HFM6 55

4.7 Cảm biến kích nổ áp điện 57

4.7.2 Thiết kế và phương pháp vận hành 58

4.7.3 Lắp đặt 59

4.8 Cảm biến áp suất vi cơ 59

4.8.1 Ứng dụng 59

4.8.2 Loại có bộ phận chân không tham chiếu 60

4.8.3 Loại có buồng chân không tham chiếu đặc biệt 62

4.9 Cảm biến áp suất cao 64

4.9.1 Ứng dụng 64

4.9.2 Thiết kế và nguyên lý hoạt động 64

4.10 Cảm biến oxy hai giai đoạn 65

4.10.1 Ứng dụng 65

4.10.2 Phương thức vận hành 66

CHƯƠNG 5: BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ (ECU) 67

5.1 Điều kiện hoạt động 67

5.2 Thiết kế 67

5.3 Xử lý dữ liệu 68

5.3.1 Tín hiệu đầu vào 68

5.3.2 Quá trình xử lý dữ liệu 69

5.3.3 Tín hiệu đầu ra 71

5.3.4 Truyền thông trong ECU 72

5.3.5 Lập trình EoL 73

CHƯƠNG 6: KHÍ THẢI 74

6.1 Thành phần chính của khí thải 74

6.1.1 Nước (H 2 O) 74

6.1.2 Carbon dioxide (CO 2 ) 74

6.2 Chất gây ô nhiễm 75

6.2.1 Carbon monoxide (CO) 75

6.2.3 Nitrous oxides (NO X ) 76

6.2.4 Sulfur dioxide (SO 2 ) 76

6.3 Bộ chuyển đổi xúc tác ba chiều 76

6.3.1 Phương thức vận hành 76

6.3.2 Thiết kế 77

6.3.3 Điều hiện hoạt động 78

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

PHỤ LỤC 81

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Daimler Motorized Carriage, 1894 2

Hình 1.2: Mercedes-Benz 500 K Convertible C, 1934 4

Hình 2.1: Chu trình làm việc của động cơ 4 kỳ (SI) 6

Hình 2.2: Sơ đồ đóng mở xupap 8

Hình 2.3: Ảnh hưởng của hệ số không khí dư thừa đến công suất P và mức tiêu thụ nhiên liệu cụ thể trong các điều kiện phân phối hỗn hợp không khí / nhiên liệu đồng nhất 9

Hình 2.4: Ảnh hưởng của yếu tố không khí thừa đến thành phần gây ô nhiễm của khí thải không được xử lý trong các điều kiện phân phối hỗn hợp không khí / nhiên liệu đồng nhất 9

Hình 2.5: Phân phối hòa khí trong buồng đốt 10

Hình 2.6: Quá trình nạp cho xy-lanh 11

Hình 2.7: Sơ đồ phân phối mô-men xoắn tại hệ thống truyền lực 16

Hình 2.8: Sự thay đổi chiều dài của cánh tay đòn 17

Hình 2.9: Đường mô – men và công suất của động cơ phun trên đường ống nạp 18

Hình 2.10: Chuỗi hiệu suất của động cơ SI ở λ=1 19

Hình 2.11: Đồ thị thể tích – áp suất 20

Hình 2.12: Ảnh hưởng của hệ số không khí thừa và thời gian đánh lửa αz đến mức tiêu thụ nhiên liệu trong quá trình vận hành 22

Hình 2.13: Bản đồ tiêu thụ nhiên liệu cho động cơ xăng với hỗn hợp cảm ứng đồng nhất 24

Hình 2.14: Các nguồn gây ra kích 25

Hình 3.2: Cấu trúc hệ thống mô men xoắn 31

Hình 3.3: Sơ đồ giao tiếp dữ liệu trên xe 32

Hình 3.4: Sơ đồ hệ thống điều khiển điện tử vòng mở và vòng kín ME-Motronic 34

Hình 3.5: Sơ đồ hệ thống điều khiển điện tử vòng mở và vòng kín DI-Motronic 35

Hình 3.6: Cấu trúc hệ thống Motronic 36

Hình 4.2: Đường đặc tính cảm biến nhiệt độ khí nạp NTC 47

Hình 4.3: Cảm biến từ 48

Hình 4.4: Tín hiệu từ cảm biến từ 49

Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lý Hall 49

Hình 4.6: Nguyên tắc hoạt động của cảm biến Hall 50

Hình 4.7: Nguyên lý cảm biến tốc độ AMR 51

Hình 4.8: Thiết kế cảm biến Hall 52

Hình 4.9: Sơ đồ cảm biến lưu lượng khí nạp dây nhiệt HFM5 53

Hình 4.10: Đường đặc tính cảm biến lưu lượng khí nạp dạng dây nhiệt 55

Hình 4.11: Nguyên lý cảm hoạt động cảm biến lưu lượng khí nạp 56

Hình 4.12: Sự cải thiện chống ô nhiễm ở cảm biến HFM6 57

Hình 4.13: Tín hiệu cảm biến kích nổ 58

Hình 4.14: Thiết kế và lắp đặt cảm biến kích nổ 59

Hình 4.15:Bộ phận đo của cảm biến áp suất có bộ phận chân không tham chiếu 60

Hình 4.16: Thiết kế bộ phận đo của cảm biến áp suất có bộ phận chân không tham chiếu 61

Hình 4.17: Thiết kế cảm biến áp suất vi cơ có bộ phận chân không tham chiếu 62

Hình 4.18: Thiết kế cảm biến áp suất vi cơ có buồng chân không đặc biệt 62

Hình 4.19: Thiết kế bộ phận đo áp suất với buồng chân không đặc biệt 63

Hình 4.20: Cảm biến áp suất cao 64

Hình 4.21: Đồ thị điện áp của của cảm biến oxy lambda hai giai đoạn với các nhiệt độ vận hành khác nhau 65

Hình 5.1: Cấu tạo ECU, sử dụng Motronic làm ví dụ 68

Hình 5.2: Sơ đồ xử lý dữ liệu trong ECU 69

Hình 5.3: Tín hiệu PWM 72

Hình 6.1: Thành phần của khí thải ở khoảng λ = 1 74

Hình 6.2: Bộ chuyển đổi xúc tác ba chiều với cảm biến lambda 77

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

A/C Air Conditioning

ACC Adaptive Cruise Control

ECU: Electronic Control Unit

M: Mô men xoắn đo ở ly hợp

Mmax: Mô men xoắn cực đại

nrat: Tốc độ định mức

P: Công suất có ích

pme Áp suất có ích

Prat: Công suất định mức

α z: Góc đánh lửa

ε: Tỷ số nén

λ: Hệ số dư lượng không khí

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ XĂNG

- Năm thứ: 4 Số năm đào tạo: 8

- Người hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Long Giang

2 Mục tiêu đề tài:

- Hệ thống hóa lý thuyết về điều khiển động cơ xăng

- Đưa ra những nghiên cứu về các bộ phận và vận hành của hệ thống điều khiển điện

tử ở động cơ xăng trên ô tô hiện nay

4 Kết quả nghiên cứu:

Thông qua việc dịch tài liệu, nhóm nghiên cứu đã cơ bản hoàn thành mục tiêu đưa ra Nhưng trong quá trình nghiên cứu, có một số nội dung của sách nói về lý

thuyết chuyên sâu

Trong phạm vi thời gian cho phép của đề tài, chưa thể giải quyết được Nhóm hy vọng, trong các các nghiên cứu sau này có thể giải quyết những vấn đề chuyên sâu này

5 Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng và khả năng áp dụng của đề tài:

Tài liệu mà nhóm dịch được từ tài liệu nước ngoài sẽ được sử dụng làm tài liệu tham khảo để các sinh viên thế hệ sau tiếp tục nghiên cứu về hệ thống điều khiển động

cơ

6 Công bố khoa học của SV từ kết quả nghiên cứu của đề tài (ghi rõ tên tạp chí

nếu có) hoặc nhận xét, đánh giá của cơ sở đã áp dụng các kết quả nghiên cứu (nếu có):

Ngày tháng năm

thực hiện đề tài

(kí, họ và tên)

Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện

đề tài (phần này do người hướng dẫn ghi):

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, vấn đề năng lượng, ô nhiễm môi trường luôn là những chủ đề “nóng” của thế giới Ngành công nghiệp ô tô nói chung và động cơ đốt trong nói riêng có ảnh hưởng lớn trong vấn đề này Yêu cầu về động cơ tiết kiệm nhiên liệu, có công suất cao hơn, giảm khí thải ô nhiễm môi trường là rất quan trọng Điều khiển động

cơ là một yếu tố then chốt để giải quyết yêu cầu này Việc bắt kịp các tiến bộ tiến bộ kỹ thuật công nghệ trong lĩnh vực điều khiển động cơ là vô cùng cấp thiết Chính vì thế nhóm quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu về hệ thống điều khiển động cơ”

I Mục tiêu đề tài

Đề tài nhằm hệ thống hóa lý thuyết điều khiển động cơ trên ô tô hiện nay Đồng thời đưa ra những nghiên cứu về các thành phần và nguyên lý vận hành của hệ thống điều khiển điện tử

II Phương pháp nghiên cứu

Nhóm nghiên cứu dựa trên phương pháp dịch tài liệu ““Gasoline Engine Management: Systems and Components (Bosch Professional Automotive Information) 2015th Edition” do Konrad Reif biên tập Kết hợp với tham khảo từ các tài liệu, giáo trình kỹ thuật tiếng Việt, tìm kiếm kiến thức trên mạng internet và tham khảo ý kiến GVHD

III Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng mà nhóm tiến hành nghiên cứu là động cơ xăng trên ô tô hiện nay Nghiên cứu về những yếu tố của hệ thống phun nhiên liệu, hệ thống đánh lửa ảnh hưởng tới công suất động cơ, tiêu hao nhiên liệu và phát thải ô nhiễm Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của ECU trong việc điều khiển động cơ, các cảm biến và cơ cấu chấp hành liên quan tới quá trình này

CHƯƠNG 1: LỊCH SỬ Ô TÔ

1.1 Lịch sử phát triển

Di chuyển luôn đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của con người Trong hầu hết mọi thời đại, loài người đã cố gắng để phát minh ra những phương tiện giúp họ di chuyển trong những khoảng cách xa hơn ở tốc độ cao nhất có thể Động cơ đốt trong với việc sử dụng nhiên liệu lỏng đã phát triển một cách nhanh chóng để mở ra một kỷ nguyên của những “chiếc hộp di chuyển” Cụm từ “automobile” có thể được hiểu là: auto = tự động, mobile = di chuyển, automobile = di chuyển tự động

Thật khó để tưởng tượng cuộc sống ngày nay sẽ như thế nào khi không có sự tồn tại của ô tô Sự xuất hiện của nó đòi hỏi sự tồn tại của nhiều yếu tố Một số mốc phát triển đáng lưu ý có đóng góp thiết yếu cho sự phát triển của ô tô:

Hình 1.1: Daimler Motorized Carriage, 1894

Năm 1885, Carl Benz đã ghi tên mình vào lịch sử với việc phát minh ra chiếc ô tô đầu tiên trên thế giới Bằng sáng chế được cấp cho Benz vào ngày 29 tháng 1 năm 1886

khơng dựa trên một cỗ xe được chuyển đổi Thay vào đĩ, nĩ là một cơng trình hồn tồn mới, độc lập Bằng sáng chế của ơng đã khởi đầu cho sự phát triển nhanh chĩng của ơ

tơ chạy bằng động cơ đốt trong Trong khi những người ủng hộ ca ngợi ơ tơ là hình ảnh thu nhỏ của sự tiến bộ, thì phần lớn dân số phản đối vì sự khĩ chịu ngày càng tăng của bụi, tiếng ồn, nguy cơ tai nạn và những người lái xe khơng chú ý Bất chấp tất cả những điều này, sự tiến bộ của ơ tơ là khơng thể ngăn cản

Khi ơ tơ mới ra đời, việc sở hữu một chiếc ơ tơ là một thử thách khá lớn Đường

xá chưa được xây dựng phù hợp, khơng cĩ các cửa hàng sửa chữa, nhiên liệu được mua

ở nhà thuốc và phụ tùng được sản xuất theo đơn đặt hàng của thợ rèn địa phương Tuyến hành trình đường dài đầu tiên được thực hiện bởi Bertha Benz vào năm 1888 là một thành tựu đáng kinh ngạc Cơ được cho là người phụ nữ đầu tiên ngồi sau tay lái của một chiếc xe Cơ cũng đã chứng minh độ tin cậy của ơ tơ với cuộc hành trình khổng lồ hơn 100km sau đĩ từ Mannheim đến Pforzheim ở vùng tây nam nước Đức

Tuy nhiên, những ngày đầu rất ít doanh nhân – ngoại trừ Benz – đã xét tới tầm quan trọng của phương tiện chạy bằng động cơ đốt trong trên quy mơ tồn cầu Chính người Pháp đã giúp chiếc ơ tơ trở nên vĩ đại Panhard & Levassor đã sử dụng giấy phép cho động cơ Daimler để chế tạo ơ tơ riêng Các tính năng xây dựng tiên phong của Panhard như vơ lăng, cột lái nghiêng, bàn đạp ly hợp, lốp khí nén và tản nhiệt kiểu ống Trong những năm sau đĩ, ngành cơng nghiệp ơ tơ mọc lên như nấm với sự tham gia của các tên tuổi như: Peugeot, Citroën, Renault, Fiat, Ford, Rolls-Royce, Austin và các cơng ty khác Thêm vào đĩ, việc Gottlieb Daimler bán động cơ của mình ra khắp thế giới đã tác động đáng kể đến sự phát triển của ơ tơ

Ý tưởng thiết kế ban đầu của họ được lấy từ những chiếc xe ngựa, những chiếc xe

cơ giới thời bấy giờ được cải tiến khơng ngừng và trở thành những chiếc ơ tơ như chúng

ta biết ngày nay Tuy nhiên, cần lưu ý rằng mỗi chiếc ơ tơ thời bấy giờ đều được sản xuất thủ cơng Henry Ford đã thay đổi điều này với việc giới thiệu dây chuyền lắp ráp của ơng vào năm 1913 Với Model T, ơng đã cách mạng hĩa ngành cơng nghiệp ơ tơ tại Hoa Kỳ Chính xác là tại thời điểm này, ơ tơ đã khơng cịn là một thứ xa xỉ Bằng cách sản xuất số lượng lớn ơ tơ, giá ơ tơ giảm xuống mức cĩ thể tiếp cận được với cơng chúng Mặc dù Citroën và Opel là một trong những người đầu tiên đưa dây chuyền lắp ráp đến châu Âu, nhưng nĩ sẽ chỉ được chấp nhận vào giữa những năm 1920

Các nhà sản xuất ơ tơ đã nhanh chĩng nhận ra rằng, để thành cơng trên thị trường,

họ phải đáp ứng mong muốn của khách hàng Chiến thắng các giải đua là một cách để quảng cáo thương hiệu Với những kỷ lục tốc độ ngày càng tiến bộ, những tay đua chuyên nghiệp đã để lại những ấn tượng khơng thể phai mờ về bản thân và tên thương hiệu ơ tơ của họ trong tâm trí khán giả

Ngồi ra, những nỗ lực đã được thực hiện để mở rộng dịng sản phẩm Kết quả là, những thập kỷ sau đĩ đã tạo ra một loạt các thiết kế ơ tơ dựa trên những xu hướng đang thịnh hành, cũng như những ảnh hưởng kinh tế và chính trị Ví dụ: những chiếc xe với việc sắp xếp trang thiết bị hợp lý thì khơng được ưa chuộng trước Thế chiến II vì nhu cầu về những chiếc ơ tơ với kích thước lớn hơn và mang nét riêng biệt Các nhà sản xuất thời đĩ đã thiết kế và chế tạo những chiếc ơ tơ độc nhất, chẳng hạn như Mercedes Benz

500 K, Rolls-Royce Phantom III, Horch 855 hay Bugatti Royale

Hình 1.2: Mercedes-Benz 500 K Convertible C, 1934

WWII cĩ ảnh hưởng đáng kể đến sự phát triển của những chiếc xe nhỏ hơn Mẫu

xe được biết đến với tên gọi “Beetle” được thiết kế bởi Ferdinand Porsche và được sản xuất tại Wolfsburg Vào cuối cuộc chiến, nhu cầu về những chiếc xe nhỏ và giá cả phải chăng là phổ biến Đáp ứng nhu cầu này, các nhà sản xuất đã sản xuất những chiếc ơ tơ như Goliath GP 700, Lloyd 300, Citroën 2CV, Trabant, Isetta và Fiat 500 C (tên tiếng Ý: Topolino = chuột nhỏ) Việc sản xuất ơ tơ bắt đầu phát triển các tiêu chuẩn mới; cĩ

sự nhấn mạnh hơn vào cơng nghệ và các phụ kiện tích hợp, với tỷ lệ giá / hiệu suất hợp

lý là một sự cân nhắc chính

Ngày nay, vấn đề an tồn của người sử dụng được chú trọng; lưu lượng giao thơng ngày càng nhiều và tốc độ ngày càng cao hơn khiến cho túi khí, ABS, TCS, ESP và cảm

biến thông minh hầu như không thể thiếu Sự phát triển không ngừng của ô tô là nhờ sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô và sự gia tăng không ngừng của nhu cầu thị trường Tuy nhiên, vẫn còn những thách thức đối với sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô

Ví dụ là việc giảm lượng khí thải gây tác động xấu đến môi trường thông qua việc sử dụng các nguồn năng lượng thay thế (ví dụ: pin nhiên liệu) Tuy nhiên, một điều được

dự kiến sẽ không thay đổi trong tương lai gần - đó là một khái niệm đã gắn liền với ô tô trong hơn một thế kỷ, và đã truyền cảm hứng cho những người sáng tạo - đó là lý tưởng tạo ra một phương tiện di chuyển cá nhân

CHƯƠNG 2: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐỘNG CƠ XĂNG

Động cơ đốt trong chạy bằng xăng hay động cơ đánh lửa (SI) hoạt động theo chu

bugi, từ đó chuyển hoá năng thành động năng cho xe di chuyển

Hình 2.1: Chu trình làm việc của động cơ 4 kỳ (SI)

Trong nhiều năm, bộ chế hòa khí đã đảm nhận việc cung cấp hỗn hợp không khí/nhiên liệu vào đường ống nạp sau đó được hút vào xylanh khi pít tông đi xuống Phun nhiên liệu đã có sự đột phá lớn với việc ra đời của hệ thống phun trên đường ống nạp Điều này giúp đo và sử dụng nhiên liệu cực kì chính xác qua quy luật điều chỉnh giới hạn khí thải

Sau đó, hệ thống phun xăng trực tiếp ra đời mang lại nhiều ưu điểm hơn nữa khi

có sự can thiệp trực tiếp vào vấn đề tiết kiệm nhiên liệu và tăng công suất đầu ra của động cơ bằng cách bơm trực tiếp nhiên liệu vào buồng đốt ở đúng thời điểm đánh lửa

(11) Trục khuỷu kéo bánh đà ở cuối trục khuỷu quay theo, quán tính quay của bánh đà giúp đẩy pít tông đi lên từ đó tiếp tục chu trình làm việc Tộc độ trục khuỷu được gọi là tốc độ động cơ hay vòng tua động cơ

2.1.1 Nguyên lý làm việc động cơ bốn kỳ

Ngày nay, hầu hết các động cơ đốt trong sử dụng trên ô tô đều thuộc loại động cơ bốn kỳ Động cơ này sử dụng các xupap (5) và (6) để kiểm soát chu trình nạp và thải nhiên liệu Các xupap này đóng và mở các đường ống nạp, thải của xylanh sao cho sản vật cháy thải sạch ra khỏi xy lanh động cơ trước khi hỗn hợp nhiên liệu được nạp vào

Kỳ 1 (quá trình nạp)

Là quá trình pít tông di chuyển từ điểm chết trên (TDC) xuống dưới làm tăng thể tích buồng đốt (7) từ đó hút không khí (hệ thống phun xăng trực tiếp) hoặc hỗn hợp khí (hệ thống phun trên đường ống nạp) được nạp vào buồng đốt qua xupap (5) Buồng đốt

Kỳ 2 (quá trình nén)

Các xupap đóng lại, pít tông di chuyển lên điểm chết trên làm giảm thể tích buồng đốt và nén hỗn hợp nhiên liệu được nạp vào trong quá trình nạp Với hệ thống phun trên đường ống nạp, hỗn hợp nhiên liệu được thổi vào buồng đốt ở cuối kỳ nạp Mặt khác, với hệ thống phun trực tiếp, nhiên liệu được phun vào cuối hành trình nén, khi pít tông

Kỳ 3 (quá trình cháy giãn nở)

Trước khi pít tông lên tới điểm chết trên, bugi (2) sẽ bắt đầu đánh lửa đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu tại một thời điểm nhất định (góc đánh lửa) Hình thức đánh lửa này gọi

là đánh lửa từ bên ngoài Pít tông đã đi qua điểm chết trên trước khi hỗn hợp được đốt cháy hoàn toàn Các xupap lúc này vẫn đóng và nhiệt sinh ra trong quá trình đốt cháy làm tăng áp suất trong xy lanh, tạo ra áp lực khiến pít tông bị ép xuống

Kỳ 4 (quá trình thải)

Xupap xả (6) mở ngay trước khi pít tông xuống điểm chết dưới Sản vật cháy ra khỏi xy lanh động cơ qua xupap xả Phần còn lại bị đẩy ra ngoài khi pít tông di chuyển ngược lên trên Kỳ 4 kết thúc khi động cơ đã thực hiện hết một chu trình công tác (trục khuỷu quay 2 vòng), tiếp theo nhờ quán tính quay của bánh đà giúp động cơ thực hiện chu trình công tác tiếp theo Chính vì thế động cơ có thể làm việc liên tục

2.1.2 Thời điểm đóng mở xupap

Các xupap được điều khiển dựa vào chuyển động quay của trục cam nạp (3) và trục cam thải (1) Trên các động cơ chỉ có một trục cam, trục cam sẽ nằm giữa, các cò

mổ được bố trí để tác động vào cả xupap nạp và thải

Từ thời điểm đóng mở xupap có thể xác định được vị trí góc quay trục khuỷu Để đảm bảo quá trình nạp nạp được nhiều hòa khí và quá trình thải thải sạch người ta thiết

kế thời gian mở và đóng của xupap nạp và xupap thải chồng chéo nhau ở một phạm vi

vị trí trục khuỷu nhất định

Trục cam được dẫn động từ trục khuỷu qua đai răng (hoặc xích hoặc cặp bánh răng) Trên động cơ 4 kỳ, một chu trình làm việc hoàn chỉnh sau hai vòng quay trục khuỷu., tỷ lệ chuyển động giữa trục khuỷu và trục cam là 2:1 nên trục cam chỉ quay với tốc độ một nửa trục khuỷu

2.1.3 Quá trình nén nhiên liệu

Tỷ số nén động cơ là một yếu tố quan trọng để xác định các thông số:

Tỷ số nén của động cơ xăng có thể thay đổi tùy theo yêu cầu thiết kế và hình thức phun nhiên liệu (phun trên đường ống nạp hoặc phun trực tiếp ε = 7 ÷ 13) Tỷ số nén của động cơ Diesel được thiết kế lớn hơn (ε = 14 ÷ 24) thì không phù hợp để áp dụng trên động cơ xăng, do khả năng chống kích nổ của nhiên liệu động cơ xăng hạn chế, tỷ

số nén cao dẫn đến áp suất nén cao và nhiệt độ buồng đốt cao, từ đó gây ra hiện tượng kích nổ có thể làm động cơ bị hư hại

2.1.4 Tỷ lệ hòa khí

Việc đốt cháy hoàn toàn hòa khí phụ thuộc vào tỷ lệ không khí/nhiên liệu của hỗn

hợp cháy Tỷ lệ này được xác đinh 14,7 kg không khí cho 1 kg nhiên liệu

Hệ số λ chỉ ra tỷ lệ không khí / nhiên liệu ở thời điểm tức thời trên thực tế lệch khỏi tỷ lệ không khí / nhiên liệu trên lý thuyết:

𝒌𝒉ố𝒊 𝒍ượ𝒏𝒈 𝒌𝒉ô𝒏𝒈 𝒌𝒉í 𝒕𝒓ê𝒏 𝒍ý 𝒕𝒉𝒖𝒚ế𝒕

Hình 2.4: Ảnh hưởng của yếu tố

không khí thừa đến thành phần gây ô nhiễm của khí thải không được xử lý trong các điều kiện phân phối hỗn hợp không khí / nhiên liệu đồng nhất

Hình 2.3: Ảnh hưởng của hệ số

không khí dư thừa đến công suất P và

mức tiêu thụ nhiên liệu cụ thể trong các

điều kiện phân phối hỗn hợp không khí

/ nhiên liệu đồng nhất

Khi hệ số λ ≥ 1 hỗn hợp thừa không khí (hòa khí nghèo) để đốt cháy 1kg nhiên liệu so với lý thuyết Khi tăng lượng nhiên liệu phun hỗn hợp trở nên giàu với λ < 1 Khi

λ > 1 vượt quá một giá trị nhất định, khả năng bắt lửa của hỗn hợp không còn nữa Tỷ

lệ λ không tốt có thể gây hao tổn nhiên liệu (Hình 2.3) hoặc tạo ra các chất thải tác động xấu đến môi trường và sức khỏe con người (Hình 2.4)

2.1.5 Phân phối hỗn hợp khí nạp trong buồng đốt

Hình 2.5: Phân phối hòa khí trong buồng đốt

Phân phối đồng nhất:

Hệ thống nạp không khí trên động cơ sử dụng phun nhiên liệu trên đường ống nạp, phân phối hòa khí một cách đồng nhất trong toàn bộ buồng đốt Toàn bộ lượng hỗn hợp

có cùng hệ số λ Động cơ hoạt động với hỗn hợp cháy nghèo dựa trên tỷ lệ không khí

dư thừa trong các điều kiện vận hành cụ thể cũng dựa vào sự phân phối hỗn hợp đồng nhất (Hình 2.5a)

Phân phối không đồng nhất:

Một đám mây hòa khí dễ cháy với λ ≈ 1 bao quanh đầu bugi khi đánh lửa Vào lúc này, phần còn lại của buồng đốt gồm hỗn hợp khó cháy với rất ít nhiên liệu hoặc hỗn hợp cực kì nghèo (Hình 2.5b) Với sự phân phối không đồng nhất, tỷ lệ hỗn hợp trung bình trong buồng đốt cực kì ít nhiên liệu (λ ≈ 10) giúp cho việc tiết kiệm nhiên liệu ở mức rất cao

Việc thực hiện hiệu quả phân phối không đồng nhất chỉ thực hiện được với hệ thống phun trực tiếp vì toàn bộ hoạt động của quá trình phụ thuộc vào khả năng phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt ngay khi đánh lửa

2.1.6 Đánh lửa và truyền lửa

Bugi đốt cháy hòa khí bằng cách phóng tia lửa qua khe hở bugi Mức độ đánh lửa dẫn đến sự lan truyền tia lửa tốt hay không phụ thuộc phần lớn vào hệ số λ của hòa khí,

λ chỉ nên nằm trong khoảng từ 0,75 đến 1,3 Vùng nhiên liệu gần sát với điện cực bugi

có thể được đánh lửa với hệ số λ ≤ 1,7

Tiếp theo sự đánh lửa là quá trình hình thành màng lửa Tốc độ lan truyền của tia lửa tăng nhanh nhờ áp suất đốt trước khi giảm xuống vào cuối quá trình cháy Tốc độ lan truyền của tia lửa vào khoảng 15 - 25 m/s

Sự lan truyền của màng lửa là sự kết hợp giữa tốc độ vận chuyển và đốt cháy hỗn hợp, một trong những hệ số để xác định tốc độ này là hệ số tỷ lệ λ Tốc độ đốt cháy đạt cực đại với các hỗn hợp có hệ số λ = 0,8 - 0,9 Trong phạm vi này, các điều kiện vận hành trùng khớp với quy trình đốt cháy thể tích lý tưởng không đổi (tham khảo ở phần

“Hiệu suất hoạt động của động cơ”) Tốc độ đốt cháy nhanh giúp cung cấp hiệu suất

tốt cho động cơ hoạt động ở chế độ đầy tải tại vòng tua máy cao

Hiệu quả của nhiệt động lực học tốt nhờ vào nhiệt độ ở quá trình cháy cao đạt được với hỗn hợp không khí / nhiên liệu với λ từ 1,05 – 1,1 Tuy nhiên, nhiệt độ cháy cao và

tiêu chuẩn khí thải

2.2 Quá trình nạp cho xy lanh

Hình 2.6: Quá trình nạp cho xy-lanh

Hòa khí rất quan trọng trong quá trình đốt cháy trong xy lanh Động cơ hút không khí và đo lượng không khí hút vào trên các đường ống nạp (Hình 2.6 – vị trí 14) và bướm ga (13) Nhiên liệu được phun và đo thông qua kim phun nhiên liệu Hơn nữa, thông thường một phần của hỗn hợp cháy (khí thải) từ lần đốt trước được giữ lại dưới dạng khí dư (9) trong xy lanh hoặc khí thải được trả lại để tăng hàm lượng khí dư trong

xy lanh (4)

2.2.1 Các bộ phận của hệ thống nạp

Hỗn hợp khí trong buồng đốt khi xupap nạp đóng là lượng khí được nạp vào xy

lanh, bao gồm cả khí nạp mới và khí cháy dư Thuật ngữ “lượng khí nạp tương đối

(rac)” để chỉ một lượng khí không phụ thuộc vào sự di chuyển của động cơ Nó mô tả

hàm lượng không khí trong xy lanh và được định nghĩa là tỷ lệ của lượng không khí hiện tại còn lại trong xy lanh và lượng không khí sẽ có trong khi quá trình nạp xảy ra ở

Đối với phân phối đồng nhất tại λ ≤ 1, lượng khí ở trong đường ống nạp sau khi xupap đóng lại quyết định cho sự làm việc của pít tông trong suốt quá trinh cháy và quyết định mô men đầu ra của động cơ Trong trường hợp này, lượng khí nạp tương ứng với mô men xoắn và tải của động cơ Khi cần tăng mô men xoắn hoặc tăng tải, bướm ga

sẽ mở ra để khối lượng khí lớn hơn tràn vào trong xy lanh thông qua xupap nạp Mặt khác, nhiên liệu được bơm phù hợp với quá trình cháy và được đo chính xác lượng nhiên liệu đến mỗi xy lanh Do đó, lượng nhiên liệu được bơm phụ thuộc vào lượng không khí hiện tại và động cơ xăng hoạt động ở chế độ phân phối đồng nhất tại λ ≤ 1

Tuy nhiên, trong quá trình cháy nạc ở phân phối nhiên liệu không đồng nhất, mô men xoắn và tải động cơ chịu ảnh hưởng từ lượng nhiên liệu được phun trực tiếp vào buồng đốt Vì thế, trong cùng một chế độ tải có thể có lượng không khí nạp khác nhau Hầu như mọi biện pháp làm tăng mô men xoắc cực đại và công suất đầu ra cực đại của động cơ đòi hỏi phải tăng lượng không khí nạp nhiều nhất có thể Điều này có thể đạt được không chỉ bằng cách tăng dung tích động cơ mà còn bằng cách tăng áp suất đường ống nạp

Khí dư trong buồng đốt

Lượng khí dư trong xy lanh về nguyên tắc được chia thành khí dư bên trong và khí

dư bên ngoài Khí dư bên trong là lượng khí thải còn sót lại trong xy lanh sau khi quá trình thải kết thúc hoặc trong khi van nạp và van xả đồng thời mở (quá trình trùng điệp

- xem phần “Trao đổi khí”) được rút ra từ đường ống xả trở lại đường ống nạp (tuần

hoàn khí thải bên trong) Khí dư bên ngoài là khí thải được đưa vào qua van tuần hoàn khí thải (Hình 2.6 – vị trí 4, 5) vào đường ống nạp (tuần hoàn khí thải bên ngoài) Khí dư được hình thành từ khí trơ và trong trường hợp không khí dư thừa tức là trong quá trình cháy của hỗn hợp nhiên liệu nghèo Lượng khí trơ trong khí dư đặc biệt quan trọng vì nó không còn chứa ô xy do đó không tham gia quá trình cháy trong chu

kỳ tiếp theo Tuy nhiên nó làm chậm quá trình đánh lửa và trì hoãn sự đốt cháy dẫn đến hiệu suất thấp hơn và kéo theo cả áp suất và nhiệt độ cực đại thấp hơn Theo cách này,

Đây là lợi ích của khí trơ trong quá trình cháy nạc mà bộ chuyển đổi xúc tác ba chiều

Trong chế độ phân phối đồng nhất, lượng khí nạp được thay thể bởi khí dư (chỉ trong

trường hợp khí trơ) sẽ được bù bằng cách mở bướm ga lớn hơn Với một lượng khí nạp mới không đổi điều này làm tăng áp suất đường ống nạp do đó làm giảm tổn thất nạp

(xem phần “Trao đổi khí”) và giúp tiết kiệm nhiên liệu

2.2.2 Trao đổi khí

Quá trình thay thế nhiên liệu tiêu thụ trong xy lanh được gọi là quá trình trao đổi khí hay quá trình nạp Nó được điều khiển bằng sự đóng mở của xapap nạp và xupap thải kết hợp với hành trình di chuyển của pít tông Hành trình của trục cam xác định sự thay đổi của xupap, do đó gây ảnh hưởng đến việc nạp nhiên liệu cho xy lanh

Thời gian mở và đóng xupap được gọi là thời điểm đóng mở xupap, khoảng cách

di chuyển tối đa của xupap trong một quá trình nạp hay thải được gọi là hành trình xupap Những sự thay đổi đặc trưng là mở thải (EO), đóng thải (EC), mở nạp (IO), đóng nạp (IC) và khoảng đội xupap Có một số động cơ cố đinh, một số thì thay đổi thời điểm

và khoảng đội xupap (Xem phần “Hệ thống điều khiển nạp xy lanh”)

Lượng khí dư cho chu trình sinh công tiếp theo có thể bị ảnh hưởng đáng kể bởi

sự trùng điệp xupap Ở quá trình trùng điệp, van nạp và van xả mở đồng thời trong một khoảng thời gian nhất định, nghĩa là van nạp mở trước khi van xả đóng lại, dẫn đến áp suất đường ống nạp thấp hơn đường ống xả nên khí dư sẽ chạy ngược vào đường ống nạp

Trong trường hợp nạp tăng áp, áp suất trên đường ống nạp tăng lên khi xảy ra trùng điệp Khí đó khí dư sẽ được thải sạch khỏi xy lanh qua đường ống xả, khí nạp có thể nạp được nhiều hơn vào xy lanh Do đó, hiện tượng “xả sạch” được sử dụng để tăng mô men xoắn trong giải tốc độ thấp (khoảng dưới 2000 vòng/phút), kết hợp với tăng áp động trong động cơ hút khí tự nhiên hoặc động cơ tăng áp khí xả

Hiệu suất nạp và sự tiêu thụ không khí

Hiệu quả của quá trình trao đổi khí được đo bằng hiệu suất thay đổi thể tích, mức tiêu thụ không khí và hệ số dư lượng không khí trong xy lanh Hiệu suất thể tích là tỷ lệ giữa lượng khí nạp thực còn lại trong xy lanh với lượng khí nạp tối đa trên lý thuyết Điều này khác với lượng khí nạp tương đối ở chỗ hiệu suất thể tích được tính toán ở điều kiện thường

Sự tiêu thụ không khí mô tả thông lượng không khí được sử dụng trong quá trình trao đổi khí, còn được gọi là lượng khí nạp tối đa trên lý thuyết Sự tiêu thụ khí cũng có thể bao gồm khối lượng khí bị đẩy trực tiếp vào ống xả trong quá trình trùng điệp Hệ

số dư lượng không khí, tỷ lệ hiệu suất thể tích so với mức tiêu thụ không khí chỉ ra tỷ lệ của thông lượng không khí còn lại trong xy lanh cuối quá trình trao đổi khí

Hiệu suất thể tích tối đa trên động cơ không tăng áp vào khoảng 0,6 – 0,9 Nó phụ thuộc vào hình dạng buồng đốt, độ mở của các xupap và thời điểm đóng mở xupap

Sự tổn thất khi nạp

Quá trình sinh công bị hao phí dưới hình thức tổn thất khi bơm hoặc tổn thất trong quá trình trao đổi khí Những tổn thất này do một phần cơ năng sinh ra, chính vì thế làm giảm công suất của động cơ Trong kỳ nạp, khi pít tông đi xuống, áp suất trong đường ống nạp khi bướm ga mở nhỏ thì nhỏ hơn áp suất ở xung quanh và đặc biệt là áp suất ở

buồng hồi pít tông Pít tông phải làm việc chống lại sự chênh lệch áp suất này (tổn thất tiết lưu)

Áp lực động xảy ra trong buồng đốt trong hành trình đi lên của pít tông khi nhiên liệu bốc cháy, đặc biệt ở tốc độ và tải động cơ cao Pít tông phải tiêu tốn năng lượng để vượt qua áp lực này (tổn thấy đẩy ra)

Trên động cơ phân phối không đồng nhất phun xăng trực tiếp bướm ga được điều khiển mở hoàn toàn hay hệ thống tuần hoàn khí thải được sử dụng trên hệ thống phân phối không đồng nhất (λ ≤ 1) làm giảm áp suất trên đường ống nạp và giảm sự chênh lệch áp suất trên pít tông, từ đó các tổn thất điều tiết của động cơ có thể được giảm bớt, động cơ hoạt động hiệu quả hơn

2.2.3 Hệ thống nạp tăng áp

Mô men xoắn của động cơ ở quá trình phân phối đồng nhất với λ ≤ 1 tỷ lệ thuân với lượng khí nạp Điều này có nghĩa là mô men xoắc cực đại có thể tăng lên bằng cách nén không khí trước khi đưa nó vào xy lanh (tăng áp) Điều này làm tăng hiệu suất thể tích tới các giá trị trên 1

Tăng áp động

Việc nạp tăng áp có thể đạt được bằng cách tận dụng các hiệu ứng động học bên trong đường ống nạp Mức tăng áp phụ thuộc vào thiết kế đường ống nạp và điểm hoạt động của động cơ (phần lớn không chỉ phụ thuộc vào tốc độ động cơ mà còn phụ thuộc vào khả năng nạp xy lanh) Sự thay đổi kích thước đường ống khi nạp trong khi động

cơ đang hoạt động Có nghĩa là tăng áp động có thể được áp dụng trên phạm vi hoạt động rộng để tăng khả năng nạp tối đa

Tăng áp cơ

Mật độ khí nạp có thể được tăng lên bằng máy nén cơ học được điều khiển cơ học

từ trục khuỷu động cơ Khí nén được đẩy qua ống nạp vào xy lanh động cơ

bướm ga, lượng khí nạp chỉ thay đổi dần trong khi lượng nhiên liệu thay đổi qua mỗi lần phun xăng

Chính vì thế, việc nạp không khí phải được xác định cho mỗi lần đốt trong hệ thống quản lý động cơ Về cơ bản, có ba hệ thống được sử dụng để quản lý khí nạp:

thông số từ: tốc độ động cơ (n), áp suất đường ống nạp (p) (nghĩa là trước xupap nạp), nhiệt độ trên đường ống nạp, và một số thông tin khác (Ví dụ: tín hiệu trục cam, sự điểu chỉnh độ dôi xupap, thay thay đổi lưu lượng nhiên liệu trên đường ống nạp, hệ thống SCV (van điều khiển xoáy)) Việc sử dụng các mô-đun hiện đại thì phụ thuộc vào độ phức tạp của động cơ, đặc biệt liên quan đến sự thay đổi của cơ cấu các van

Do chỉ có thể xác định lượng không khí đi vào đường ống nạp qua bộ đo lưu lượng khí nạp và kiểu van bướm ga, cả hai hệ thống này chỉ cung cấp giá trị nạp cho xylanh khi động cơ có áp suất đường ống nạp không đổi; bởi vì sau đó lưu lượng khí đi vào đường ống nạp và tắt động cơ giống nhau

2.3 Mô-men và công suất động cơ

2.3.1 Mô men tại hệ thống truyền động

1 - Thiết bị phụ trợ 2 - Động cơ 3- Ly hợp 4 - Hộp số

Hình 2.7: Sơ đồ phân phối mô-men xoắn tại hệ thống truyền lực

Công suất có ích (P) của động cơ xăng được xác định bởi Mô men đo ở ly hợp (M)

và tốc độ động cơ (n) Mô men xoắn ly hợp là mô men được sinh ra từ quá trình cháy trừ đi tổn thất từ mô men ma sát (tổn thất từ ma sát trong động cơ), tổn thất bơm và mô men cần thiết để điều hành các thiết bị phụ trợ (Hình 2.7)

Mô men dẫn động lái được lấy từ mô men ly hợp trừ đi tổn thất từ ly hợp và bộ truyền động

Mô men sinh ra bởi quá trình cháy được tạo ra trong quá trình sinh công và được xác định trên động cơ phun trên đường ống nạp theo các biến sau:

khí / nhiên liệu

Động cơ phun xăng trực tiếp hoạt động tại một số điểm vận hành nhất định với lượng không khí dư thừa (hoạt động đốt cháy nạc) Do đó, không khí trong xy lanh không gây ảnh hưởng đến mô men xoắn được tạo ra Lượng nhiên liệu được phun mới

là nguyên nhân chính ảnh hưởng tới đầu ra của mô men

Mô men xoắn M là tích của lực F và cánh tay đòn s:

M = F × s

2.3.2 Sự hình thành mô men xoắn

a) Tăng chiều dài b) Giảm chiều dài

Hình 2.8: Sự thay đổi chiều dài của cánh tay đòn

Thanh truyền chuyển chuyển động quay của trục khuỷu thành chuyển động tịnh tiến của pít tông Áp lực do quán trình cháy giãn nở sinh ra đẩy pít tông đi xuống thông qua cánh tay đòn tạo ra mô men xoắn làm quay trục khuỷu

Cánh tay đòn l để tạo ra mô men xoắn là khoảng cách từ đầu nhỏ thành truyền đi qua tâm trục khuỷu chiếu vuông góc tới mặt phẳng thẳng đứng như Hình 2.8 Lực tác dụng đi qua tâm trục khuỷu (cánh tay đòn l = 0 khi pít tông tại TDC Khi đó dẫn tới mô

men xoắn bằng không Vì vậy, góc đánh lửa phải được chọn sao cho ở thời điểm đốt cháy hỗn hợp trục khuỷu đang ở vị trí 0° - 90° để tăng lực đẩy cho phép động cơ có thể tạo ra mô men xoắn tối đa có thể Các thông số thiết kế của động cơ như: độ dịch chuyển của pít tông, hình dạng buồng đốt, hiệu suất thể tích, lượng nhiên liệu nạp xác định mô men xoắn M tối đa mà động cơ tạo ra Về cơ bản, mô men xoắn có thể thay đổi tùy theo điều kiện vận hành của xe bằng cách điều chỉnh chất lượng và khối lượng của hỗn hợp không khí và nhiên liệu và góc đánh lửa

Hình 2.9: Đường mô – men và công suất của động cơ phun trên đường ống nạp

Hình 2.9 cho thấy đường đặc tính môn men và công suất của xe theo tốc độ động

cơ của động cơ phun xăng trên đường ống nạp Khi tốc độ động cơ tăng, mô men xoắn

xuống vì thời gian mở của xupap nạp giảm làm giới hạn việc nạp khí cho xy lanh Các nhà phát triển nỗ lực cải tiến động cơ để có thể sinh ra mô men xoắn cực đại

ở tốc độ động cơ thấp khoảng 2000 vòng/phút vì ở dải tốc độ này tính kinh tế nhiên liệu đạt tối ưu

2.3.3 Mối quan hệ giữa mô men xoắn động cơ và công suất

Công suất đầu ra động cơ (P) tỷ lệ thuận với mô men xoắn (M) và tốc độ động cơ (n) theo công thức sau:

P = 2 × π × M × n

Công suất động cơ sẽ tiếp tục tăng cho đến khi đạt tới giá trị cực đại tại tốc độ định

một lần nữa khi tốc độ động cơ cực cao Một hộp số với nhiều tay truyền tỷ lệ khác nhau

là cần thiết để điều chỉnh mô men xoắn và đường cong công suất của động cơ xăng để đáp ứng các nhu cầu vận hành của xe

2.4 Hiệu năng động cơ

2.4.1 Hiệu suất nhiệt

Hình 2.10: Chuỗi hiệu suất của động cơ SI ở λ=1

Động cơ đốt trong không chuyển đổi tất cả hóa năng của nhiên liệu thành cơ năng, một phần năng lượng bị mất đi theo nhiều cách Điều này có nghĩa là hiệu suất của động

cơ không phải là con số hoàn hảo 100% (Hình 2.10)

Hiệu suất nhiệt là một trong những liên kết quan trọng trong chuỗi hiệu suất của động cơ

Đồ thị thể tích – áp suất (Đồ thị P-V)

Đồ thị P-V được sử dụng để hiển thị các điều kiện áp suất và thể tích trong một

chu kỳ làm việc hoàn chỉnh của động cơ đốt trong 4 kỳ

Chu trình lý tưởng

Hình 2.11 (đường cong A) cho thấy quá trình nén và sinh công của một chu trình

lý tưởng theo định nghĩa của định luật Boyle/Mariotte và Gay-Lussac Pít-tông di chuyển từ BDC đến TDC (điểm 1 đến điểm 2) và hòa khí được nén đẳng nhiệt (Boyle/Mariotte) Sau đó, hòa khí cháy kèm theo sự tăng áp suất (điểm 2 đến điểm 3) trong khi thể tích không đổi (Gay-Lussac) Từ TDC (điểm 3), pít-tông di chuyển về phía BDC (điểm 4), và thể tích tăng lên Áp suất của khí đốt giảm đẳng nhiệt (Boyle/Mariotte) Cuối cùng, hỗn hợp bị cháy lại nguội đi với thể tích không đổi (Gay-Lussac) cho đến khi đạt được trạng thái ban đầu (điểm 1) Vùng bên trong các điểm 1 -

2 - 3 - 4 cho thấy động cơ đã hoàn thành một chu trình làm việc hoàn chỉnh Van xả mở tại điểm 4 và khí dưới áp lực của áp suất, thoát ra khỏi xi lanh Nếu khí có thể giãn nở hoàn toàn đạt được vào thời điểm 5, thì khu vực tạo bởi các điểm 1 - 4 - 5 sẽ đại diện cho năng lượng có ích Trên động cơ tăng áp, phần trên đường khí quyển (1 bar) có thể được sử dụng ở mức độ nào đó (1 - 4 - 5’)

Chu trình thực tế

Vì trên thực tế động cơ không hoạt động ở các điều kiện như ở chu trình lý tưởng, nên đồ thị P-V thực tế (Hình 2.11, đường cong B) khác với đồ thị P-V ở chu trình lý tưởng

A – Đồ thị lý tưởng B – Đồ thị thực tế

a – Nạp b – Nén c – Nổ d - Xả

Hình 2.11: Đồ thị thể tích – áp suất

Các biện pháp làm tăng hiệu suất nhiệt

Hiệu suất nhiệt tăng lên giúp tăng áp suất nén hỗn hợp không khí / nhiên liệu Độ nén càng cao, áp suất trong xylanh ở cuối kỳ nén càng cao và diện tích bao quanh của

đồ thị P-V càng lớn Diện tích bao quanh thể hiện cho năng lượng được tạo ra trong quá trình cháy Khi chọn hệ số nén, phải tính đến khả năng chống kích nổ của nhiên liệu Ổ động cơ phun trên đường ống nạp, nhiên liệu được phun để hình thành hòa khí ngay trước van nạp, nơi nó được lưu trữ cho đến khi được hút vào xi lanh Trong quá trình hình thành hòa khí, nhiên liệu hóa hơi nhờ hấp thụ nhiệt từ khí nạp vào và từ thành đường ống nạp Trên các động cơ phun trực tiếp, nhiên liệu phun vào buồng đốt và năng lượng cần thiết cho quá trình hóa hơi nhiên liệu được lấy từ không khí xót lại trong xi-lanh và làm nguội phần không khí đó Điều này có nghĩa là hòa khí được nén ở nhiệt độ thấp hơn so với trường hợp phun trên đường ống nạp, do đó có thể hệ số nén cao hơn

2.4.2 Tổn thất nhiệt

Nhiệt sinh ra trong quá trình đốt nóng làm nóng các thành xi lanh Một phần năng lượng nhiệt này bị bức xạ và mất đi Trong trường hợp nhiên liệu được phun trực tiếp, đám mây hòa khí phân phối phân tầng được bao quanh bởi một lớp khí không tham gia vào quá trình cháy Lớp khí này cản trở việc truyền nhiệt vào thành xi lanh và do đó làm giảm tổn thất nhiệt Tổn thất còn xuất phát từ sự cháy không hoàn toàn của nhiên liệu ngưng tụ trên thành xi lanh Nhờ các tác dụng ngăn cách của lớp khí, những tổn thất này được giảm trong quá trình nạp không đồng nhất Tổn thất nhiệt còn được gây ra bởi nhiệt dư của khí thải

2.4.3 Tổn thất ở λ = 1

Hiệu suất của quá trình đẳng tích tăng lên cùng với việc tăng hệ số dư lượng không

khí (λ) Hỗn hợp hòa khí càng nghèo thì tốc độ lan truyền ngọn lửa càng giảm, ở mức λ

> 1,1 tốc độ cháy ngày càng chậm, thực tế có ảnh hưởng tiêu cực đến đường cong hiệu suất của động cơ SI Hiệu suất là cao nhất trong phạm vi λ = 1.1 - 1.3 Do đó hiệu suất

của hỗn hợp hòa khí đồng nhất (λ = 1) thấp hơn so với hỗn hợp hòa khí nghèo (λ > 1)

Khi bộ chuyển đổi xúc tác 3 chiều được sử dụng, hỗn hợp hòa khí có λ = 1 là hoàn toàn bắt buộc để vận hành hiệu quả

2.4.4 Tổn thất trong quá trình nạp và thải

Trong kỳ nạp, động cơ liên tục hút không khí từ ngoài vào Lượng khí mong muốn được điều khiển bằng cách mở bướm ga Một khoảng chân không được tạo ra trong đường ống nạp khi bướm ga đóng lại chống lại hoạt động của động cơ (tổn thất nạp)

Với động cơ phun xăng trực tiếp, bướm ga được mở khi không tải và tải một phần, và lượng nhiên liệu phun phù hợp với tải của xe, tổn thất trong quá trình nạp thấp hơn Trong kỳ xả, điều tương tự cũng xảy ra khi khí được đẩy ra khỏi xy lanh

2.4.5 Tổn thất do ma sát

Tổn thất ma sát là tổng tổn thất của tất cả các ma sát giữa các bộ phận chuyển động trong chính động cơ và trong các thiết bị phụ trợ của nó Ví dụ, tổn thất do ma sát giữa xéc măng và thành xy lanh, ma sát ở các ổ bi và ma sát của máy phát điện

2.5 Mức tiêu hao nhiên liệu

Mức tiêu thụ nhiên liệu được định nghĩa là khối lượng của nhiên liệu (tính bằng gam) mà động cơ đốt trong cần có để thực hiện một lượng công việc nhất định (kWh, kilowatt giờ) Thông số này là một thước đo chính xác hơn về nă ng lượng tạo từ mỗi đơn vị nhiên liệu so với những đơn vị như lít mỗi giờ, lít trên 100km hoặc dặm mỗi gallon

2.5.1 Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí

Phân phối hòa khí đồng nhất

Hình 2.12: Ảnh hưởng của hệ số không khí thừa và thời gian đánh lửa αz đến mức tiêu

thụ nhiên liệu trong quá trình vận hành

Khi động cơ nạp hòa khí đồng nhất, ban đầu mức tiêu thụ nhiên liệu giảm để đáp

ứng phù hợp với sự gia tăng hệ số không khí dư thừa λ (Hình 2.12) Việc mức tiêu thụ

nhiên liệu riêng giảm đến khi λ = 1.0 là do không đủ không khí để đốt cháy hết nhiên liệu dẫn tới việc cháy không hoàn

Cánh bướm ga phải được mở rộng hơn để có được mô-men xoắn nhất định trong quá trình vận hành trong dải hòa khí nghèo (λ> 1) Việc giảm tổn thất nạp kết hợp với hiệu quả nhiệt động lực học được nâng cao nhờ đó có thể giảm tỷ lệ tiêu thụ nhiên liệu riêng

Khi hệ số dư lượng không khí tăng lên, kết quả là tốc độ lan truyền của ngọn lửa giảm xuống, hỗn hợp hòa khí ngày càng nghèo hơn

Thời điểm đánh lửa phải sớm hơn nữa để bù cho độ cháy trễ trong quá trình đánh lửa của hỗn hợp hòa khí

Khi hệ số dư lượng không khí tiếp tục tăng, động cơ đạt đến giới hạn cháy nghèo, xảy ra quá trình đốt cháy không hoàn toàn (quá trình cháy) Điều này dẫn đến sự gia tăng mức tiêu thụ nhiên liệu

Hệ số dư lượng không khí trùng với giới hạn cháy nghèo thay đổi tùy theo thiết kế động cơ

2.5.2 Ảnh hưởng của thời điểm đánh lửa

Phân phối hỗn hợp đồng nhất

Mỗi điểm trong chu trình tương ứng với một giai đoạn tối ưu thời điểm đánh lửa xác định (Hình 2.13) Mọi sai lệch so với thời điểm đánh lửa này sẽ có tác động tiêu cực đến mức tiêu hao nhiên liệu

Phân phối hỗn hợp không đồng nhất

Khả năng thay đổi góc đánh lửa ở động cơ xăng phun trực tiếp hoạt động ở chế độ nạp không đồng nhất bị giới hạn Do tia lửa đánh lửa phải được kích hoạt ngay khi đám mây hòa khí chạm tới bugi, điểm đánh lửa lý tưởng chủ yếu được xác định bởi thời gian phun

2.5.3 Đạt được mức tiêu thụ nhiên liệu tối thiểu

Nếu hòa khí được phân phối đồng nhất, động cơ xăng phải hoạt động theo tỷ lệ hòa khí sao cho λ = 1 để tạo môi trường vận hành tối ưu cho bộ chuyển đổi xúc tác 3 chiều Trong các điều kiện này, sử dụng hệ số dư lượng không khí để thay đổi mức tiêu thụ nhiên liệu không phải là một lựa chọn Thay vào đó, cách duy nhất có sẵn là thay đổi thời điểm đánh lửa Xác định thời điểm đánh lửa luôn tương đương với việc tìm ra

sự cân bằng nhất giữa tiết kiệm nhiên liệu tối đa và mức phát thải khí thải tối thiểu Bởi

vì bộ chuyển đổi xúc tác xử lý khí thải độc hại rất hiệu quả khi nhiệt độ cao, mục tiêu tiết kiệm nhiên liệu được ưu tiên hơn khi động cơ nóng hơn nhiệt độ hoạt động bình

thường

2.5.4 Biểu đồ tiêu thụ nhiên liệu

Thử nghiệm trên một động lực kế động cơ có thể được sử dụng để xác định mức tiêu thụ nhiên liệu cụ thể liên quan đến phanh có nghĩa là áp suất hiệu quả và tốc độ

động cơ Dữ liệu được theo dõi sau đó được nhập vào bản đồ tiêu thụ nhiên liệu (Hình

2.13) Các điểm thể hiện mức độ tiêu thụ nhiên liệu cụ thể được nối để tạo thành các

đường cong Bởi vì mô tả đồ họa kết quả giống như một vỏ sò biển, các đường còn được gọi là đường cong vỏ hoặc conchoid

Hình 2.13: Bản đồ tiêu thụ nhiên liệu cho động cơ xăng với hỗn hợp cảm ứng đồng

nhất

Như sơ đồ chỉ ra, điểm tiêu thụ nhiên liệu cụ thể tối thiểu đồng nghĩa với mức

Bởi vì áp suất hiệu quả trung bình của phanh cũng đóng vai trò là một chỉ số của thế hệ mô-men xoắn M, các đường cong biểu thị công suất P cũng có thể được nhập vào biểu đồ Mỗi đường cong giả định hình thức của một hyperbola Mặc dù biểu đồ biểu thị công suất giống hệt nhau ở các tốc độ và mô-men xoắn khác nhau (điểm vận hành A

và B), tốc độ tiêu thụ nhiên liệu cụ thể tại các điểm vận hành này không giống nhau Tại điểm B, tốc độ động cơ thấp hơn và mô-men xoắn cao hơn tại Điểm A Hoạt động của động cơ có thể được chuyển sang Điểm A bằng cách sử dụng hộp số để chọn một bánh răng có tỷ số chuyển đổi cao hơn

2.6 Hiện tượng kích nổ

Một trong các yếu tố mà cần giới hạn để gia tăng hiệu quả nhiệt động học và công suất động cơ là đánh lửa trước và tự kích nổ Hiện tượng không mong muốn này thường