Nghiên cứu các phương pháp nâng cao hiệu suất động cơ xăng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC BỘ MÔN ĐỘNG CƠ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CÁC PHƢƠNG PHÁP NÂNG CAOHIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ XĂNG GVHD: TS LÝ VĨNH ĐẠT SVTH: ĐỖ ĐÌNH PHỤC 12145134 ĐỖ VĂN ĐÍNH TP HỒ CHÍ MINH, tháng 02 năm 2017 12145045 TRƢỜNG ĐH SƢ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP HỒ CHÍ MINH Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2017 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên Sinh viên: ĐỖ ĐÌNH PHỤC ĐỖ VĂN ĐÍNH Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ MSSV: 12145134 MSSV: 12145045 Mã ngành đào tạo:52510205 Hệ đào tạo: ĐẠI HỌC CHÍNH QUY Mã hệ đào tạo:D510205 Khóa: 2012 - 2016 Lớp: 121452 Tên đề tài CÁC PHƢƠNG PHÁP NÂNG CAO HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ XĂNG Nhiệm vụ đề tài - - Nắm đƣợc cấu tạo nguyên lý làm việc phƣơng pháp Cung cấp tài liệu tham khảo công tác giảng dạy, nghiên cứu ứng dụng thực tế cho ngành công nghiệp ô tô Sản phẩm đề tài - Tập tài liệu - Đĩa CD Ngày giao nhiệm vụ đề tài: 19/10/2016 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 09/01/2017 TRƢỞNG BỘ MÔN CÁN BỘ HƢỚNG DẪN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN Tên đề tài: CÁC PHƢƠNG PHÁP NÂNG CAO HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ XĂNG Họ và tên Sinh viên: ĐỖ ĐÌNH PHỤC ĐỖ VĂN ĐÍNH MSSV: 12145134 MSSV: 12145045 Ngành: Cơng Nghệ Kỹ Thuật Ơtơ I NHẬNXÉT Về hình thức trình bày & tính hợp lý cấu trúc đề tài: Về nội dung (đánh giá chất lượng đề tài, ưu/khuyết điểm giá trị thực tiễn) II NHỮNG NỘI DUNG CẦN ĐIỀU CHỈNH, BỔ SUNG III ĐỀ NGHỊ VÀ ĐÁNH GIÁ Đề nghị (cho phép bảo vệ hay không): Điểm đánh giá (theo thang điểm 10): Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2017 Giảng viên hƣớng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN Tên đề tài: CÁC PHƢƠNG PHÁP NÂNG CAO HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ XĂNG Họ và tên Sinh viên: ĐỖ ĐÌNH PHỤC ĐỖ VĂN ĐÍNH MSSV: 12145134 MSSV: 12145045 Ngành: Cơng Nghệ Kỹ Thuật Ơtơ I NHẬN XÉT Về hình thức trình bày & tính hợp lý cấu trúc đề tài: Về nội dung (đánh giá chất lượng đề tài, ưu/khuyết điểm giá trị thực tiễn) II NHỮNG NỘI DUNG CẦN ĐIỀU CHỈNH, BỔ SUNG III ĐỀ NGHỊ VÀ ĐÁNH GIÁ Đề nghị (Cho phép bảo vệ hay không): Điểm đánh giá (theo thang điểm 10): Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2017 Giảng viên phản biện (Ký & ghi rõ họ tên) TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC XÁC NHẬN HỒN THÀNH ĐỒ ÁN Tên đề tài: CÁC PHƢƠNG PHÁP NÂNG CAO HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ XĂNG Họ và tên Sinh viên: ĐỖ ĐÌNH PHỤC ĐỖ VĂN ĐÍNH MSSV: 12145134 MSSV: 12145045 Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô Sau tiếp thu điều chỉnh theo góp ý Giảng viên hƣớng dẫn, Giảng viên phản biện thành viên Hội đồng bảo vệ Đồ án tốt nghiệp đƣợc hoàn chỉnh theo yêu cầu nội dung hình thức Chủ tịch Hội đồng: Giảng viên hƣớng dẫn: Giảng viên phản biện: Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2017 LỜI NĨI ĐẦU Ơ tô trở thành phƣơng tiện quan trọng thiếu sống ngày nay, đóng vai trị quan trọng việc vận chuyển ngƣời hàng hóa Nhƣng ngồi cơng dụng tồn số nhƣợc điểm nhƣ tiêu hao nhiên liệu cao nguồn lƣợng hóa thạch dần cạn kiệt khí thải chiếm tỉ lệ cao nguyên nhân gây ô nhiễm môi trƣờng Để khắc phục nhƣợc điểm có nhiều cải tiến động đốt nhƣ hệ thống phun nhiên liệu đánh lửa điện tử, cải tiến hệ thống nạp thải động cơ… Chính lẽ đó, sinh viên ngành khí động lực đứng trƣớc phát triển không ngừng công nghiệp ô tôchúng em định chọn đề tài nhằm nghiên cứu sở lý thuyết hệ thống phân phối khí hệ thống cung cấp nhiên liệu để làm tăng công suất động cơ, tiết kiệm nhiên liệu, thân thiện với môi trƣờng giúp cho kỹ sƣ, kỹ thuật viên, thợ sủa chữa ô tô hiểu rõ để giúp ích cho q trình bảo dƣỡng, sửa chữa Ngồi đề tài cịn có ý nghĩa việc giảng dạy giúp sinh viên hiểu biết sâu hệ thống phân phối khí, hệ thống cung cấp nhiên liệu động đại ngày nay, qua chúng em hi vọng đƣợc góp sức vào công phát triển ngành công nghiệp ô tô nƣớc nhà Vì thời gian vốn kiến thức cịn giới hạn, nên trình thực đồ án khơng tránh khỏi sai sót, chúng em kính mong góp ý thầy bạn để đề tài chúng em đƣợc hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn Nhóm sinh viên thực Đỗ Đình Phục – Đỗ Văn Đính LỜI CẢM ƠN Nhóm thực xin chân thành cảm ơn Thầy Lý Vĩnh Đạt tận tình dạy chúng em suốt trình học tập nhƣ thời gian thực đề tài Trong suốt trình thực đề tài, chúng em gặp nhiều khó khăn, nhƣng đƣợc giúp đỡ động viên tận tình q thầy bè bạn, thầy khoa Cơ Khí Động Lực nên đề tài chúng em hoàn thành tốt đẹp theo đúngkế hoạch Chúng em xin chân thành cảm ơn: Tồn thể q thầy trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM nhiệt tình giảng dạy truyền đạt kiến thức quý báu cho chúng em suốt thời gian học trƣờng Quý thầy cô khoa Cơ khí Động Lực quan tâm dạy dỗ tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em suốt thời gian học tập, đặc biệt suốt thời gian thực đề tài Đặc biệt chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Thầy Lý Vĩnh Đạt, Thầy tạo điều kiện thuận lợi, hƣớng dẫn giúp đỡ chúng em suốt q trình thực đề tài để chúng em hoàn thành đề tài cách trọn vẹn thời gian quy định Mặc dù cố gắng nổ lực thực đề tài, nhƣng kiến thức thời gian có hạn nên chắn khơng tránh khỏi sai sót Vậy nên chúng em mong muốn có đƣợc ý kiến đóng góp giúp đỡ q thầy bạn Cuối chúng em xin kính chúc quý thầy cô Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, đặt biệt q thầy khoa Cơ Khí Động Lực lời chúc sức khỏe, thành công hạnh phúc Nhóm sinh viên thực Đỗ Đình Phục – Đỗ Văn Đính MỤC LỤC NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN DUYỆT .2 LỜI NÓI ĐẦU LỜI CẢM ƠN CÁC CHÚ THÍCH VÀ KÝ HIỆU 10 DANH MỤC CÁC HÌNH 12 Chƣơng 1: DẪN NHẬP 20 I Khái quát 20 1.1 Đặt vấn đề 20 1.2 Các phƣơng pháp cải thiện công suất hiệu suất động 24 II Giới hạn đề tài 25 III Mục tiêu đề tài 25 IV Phƣơng pháp nghiên cứu 25 V Nội dung đề tài 26 Chƣơng 2: CÔNG NGHỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN PHỐI KHÍ BIẾN THIÊN 27 I II Tổng quan hệ thống phân phối khíbiến thiên 27 1.1 Giới thiệu 27 1.2 Lịch sử phát triển 28 1.3 Ƣu điểm củahệ thống phân phối khí biến thiên 32 Các hệ thống điều khiển phân phối khí biến thiên 35 2.1 Hệ thống điều khiển phân phối khí thủy lực (camshaft phasing) 35 2.1.1 Hệ thống phân phối khí thơng minh Toyota 35 2.1.2.Hệ thống VTECcủa Honda (camprofile switching) 45 2.1.3 Hệ thống Vario Camplus Porsche 48 2.2 Hệ thống phân phối khí khơng trục cam (camless engine) 50 2.2.1 Điều khiển xupap điện từ Electromagnetic Valve train (EMV) 50 a Cơ cấu EMVA dùng chấp hành solenoid 51 b Cơ cấu EMVA dùng chấp hành nam châm 52 c So sánh hai hệ thống EMVA solenoid EMVA nam châm 55 2.2.2 Điều khiển xupap thủy lực điệnElectroHydraulic Camless Valve train (EHCV) 56 III Ảnh hƣởng việc thay đổi thời điểm phân phối khí đến hiệu suất động 58 3.1 Ảnh hƣởng việc thay đổi thời điểm mở xupap xả (Effects of Changes to Exhaust Valve Opening Timing – EVO) 59 3.2.Ảnh hƣởng việc thay đổi thời điểm đóng xupap xả (Effects of Changes to Exhaust Valve Closing Timing – EVC) 60 3.3 Ảnh hƣởng việc thay đổi thời điểm mở xupap nạp (Effect of changes to Intake Valve Opening Timing – IVO) 62 3.4 Ảnh hƣởng việc thay đổi thời điểm đóng xupap nạp (Effect of changes to Intake Valve Closing Timing – IVC) 63 3.5 Ảnh hƣởng việc thay đổi độ nâng xupap tới hiệu động (Công nghệ thay đổi độ nâng xupap VVA-Variable Valve Actuation) 65 Chƣơng 3: CÔNG NGHỆ ĐIỀU KHIỂN XYLANH BIẾN THIÊN 66 I Khái quát 66 1.1 Lịch sử phát triển 68 1.2 Ƣu điểm công nghệ điều khiển xylanh biến thiên 70 1.2.1 Cải thiện công suất động 71 1.2.2 Giảm tiêu hao nhiên liệu 72 1.2.3 Giảm ô nhiễm môi trƣờng 74 II Nguyên lý hoạt động 75 2.1 Điều khiển cắt giảm xylanh chủ động 75 2.1.1 Ngắt giảm xylanh động điều khiển xupap phân phối khí truyền thống 75 2.1.2 Ngắt giảm xylanh động không trục cam (camless) 77 III 2.2 Điều khiển cắt giảm xylanh bị động(ngắt kết nối trục khuỷu) 77 2.3 Ngắt xylanh cách ngắt chuyển động piston 79 Thời điểm ngắt xylanh 80 IV V Ƣu điểm nhƣợc điểm công nghệ điều khiển xylanh biến thiên 84 4.1 Ƣu điểm 84 4.2 Nhƣợc điểm 85 Tình hình ứng dụng 86 Chƣơng 4: PHƢƠNG PHÁP NẠP PHÂN TẦNG (GDI) 91 I Tổng quan phƣơng pháp nạp phân tầng GDI 91 1.1 Giới thiệu chung 91 1.1.1 Lịch sử phát triển 92 1.1.2 Sự hình thành hịa khí động GDI 95 1.1.3 Các phƣơng pháp tạo hỗn hợp phân tầng 97 a Quá trình cháy với định hƣớng thành buồng cháy (Wall Guided) 98 b Quá trình cháy với định hƣớng dịng khí nạp (Air Guided) 99 c Quá trình cháy với định hƣớng tia phun (Spray Guided) 101 1.2 Ƣu điểm công nghệ GDI 103 1.2.1 Tính kinh tế tính vận hành 103 1.2.2 Về ô nhiễm môi trƣờng 108 II Cấu tạo nguyên lý hoạt động động GDI 109 2.1 Cấu tạo 109 2.1.1 Cấu trúc buồng đốt 109 a Cấu trúc Pistons 109 b Cấu trúc Xupap 110 2.1.2 Hệ thống cung cấp nhiên liệu 116 a Yêu cầu hệ thống cung cấp nhiên liệu 116 b Hệ thống phân phối ổn định áp suất phun 117 c Bơm nhiên liệu áp suất thấp 120 d Bơm nhiên liệu áp suất cao 121 e Kim phun nhiên liệu 123 2.1.3 Hệ thống phân phối khí 125 Hình 6.15: Tiêu thụ nhiên liệu động skyactiv-G 2.0L loại động khác dung tích [49] - Giảm hàm lƣợng khí thải độc hại (đối với động diesel): Hình 6.16: So sánh lượng khí thải động skyactiv-G 2.0L với loại động khác dung tích [49] - Giảm ma sát động - Nhờ hƣớng độc lập với việc phát triển động đốt trong hãng xe khác phát triển động điện, xe Hybrid giúp động đốt không bị tụt lại với phát triển không ngừng hệ động khác Với tỉ số nén cao 14:1 (trên động xăng) tiếp tục tăng lên hệ động tiếp theo, Mazda mở kỷ nguyên cho động đốt tiết kiệm nhiên liệu giảm thiểu khí phát thải gây ô nhiễm môi trƣờng - Tỉ số nén cao tạo mô men xoắn lớn động mƣợt êm đƣờng thành thị - Với động Diesel, tỉ số nén giảm 14:1 mang lại ƣu điểm việc thiết kế chi tiết máy động khơng địi hỏi q xác nhƣ động Diesel trƣớc đây, 174 giảm trọng lƣợng ma sát chi tiết, giảm giá thành sản xuất, giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm tiếng ồn rung xe 2.2.2 Nhƣợc điểm - Đứng trƣớc tình trạng nhiên liệu hóa thạch cho động đốt ngày khan tiêu chuẩn khí thải ngày nghiêm ngặt, thử thách lớn cho Mazda tiếp tục phát triển động đốt thay phát triển xe điện, xe Hybrid - Khi tăng tỉ số nén động xăng, đòi hỏi yêu cầu chi tiết máy động phải tốt, độ xác độ bền cao Việc chế tạo chi tiết động phức tạp hơn, tăng giá thành sản xuất giá thành sữa chữa Tại Việt Nam với dịng xe Mazda có tƣợng xe báo lỗi động kim phun bị nghẹt, xe 1.5 L có dung tích xylanh nhỏ mà tỉ số nén lớn nên yêu cầu xác tỉ lệ hỗn hợp khơng khí nhiên liệu cao dễ dẫn đèn báo lỗi động sáng để cảnh báo tình trạng nhiên liệu lẫn tạp chất - Với tỉ số nén giảm động Diesel dễ dẫn đến áp suất nhiệt độ không đủ để hỗn hợp nhiên liệu tự bốc cháy làm động khó khởi động Với tỉ số nén cao 14:1 động xăng dẫn đến áp suất nhiệt độ cao dễ dẫn đến tƣợng kích nổ động 2.3 Công nghệ SkyActiv động xăng  Động SkyActiv có tỉ số nén vượt trội 14:1: Hình 6.17: tỉ lệ nén 14:1 động Skyactiv [49] Tỉ số nén động đốt kỳ tỉ lệ dung tích xylanh cuối kỳ nạp, piston điểm thấp điểm chết dƣới (ĐCD), so với dung tích buồng đốt cuối kỳ nén piston lên đến đỉnh điểm chết (ĐCT) Nói cách khác, tỉ lệ thể tích hịa khí đƣợc nạp thể tích sau nén Ở động cổ điển, tỉ lệ 8:1 (8 phần thể tích hịa khí, đƣợc nén cịn phần) Tỉ số nén cao, cơng suất động mạnh Trong nhiều thập kỷ qua, nhà sản xuất tơ tìm cách tăng tỉ số nén động để gia tăng hiệu suất tiết kiệm nhiên liệu 175 Động không tăng áp, tỉ số nén 8:1, 9:1, đƣợc cải tiến với công nghệ phun nhiên liệu trực tiếp, hệ số nén động đốt tăng lên 10:1, số động đạt đƣợc 12:1 Và ngƣỡng nhà sản xuất ô khác khơng vƣợt qua đƣợc tăng thêm xảy tƣợng động bị kích nổ nhiên liệu tự cháy lửa chƣa kịp lan truyền đến Khi xảy tƣợng kích nổ động cơ, công suất động bị giảm Mazda nhà sản xuất ô tô giới khắc phục đƣợc kích nổ động xăng tăng đƣợc tỉ số nén lên 14:1.Các nhà sản xuất ô tô phát đƣợc tƣợng hịa khí tự cháy phụ thuộc vào yếu tố: tỉ số nén, nhiệt độ hịa khí Do để tăng tỉ số nén cần phải giảm nhiệt độ hịa khí kỳ nén Ở kỳ nén, áp suất hịa khí tăng lên, nhiệt độ tăng theo Ví dụ nhiệt độ hịa khí cuối kỳ nạp 97.50 C Khi đƣợc nén 10:1, nhiệt độ tăng thêm 70oC Lúc piston ĐCT chuẩn bị giãn nở, nhiệt độ 167.5oC Ở kỳ nổ, nhiệt độ áp suất tăng vọt để đẩy piston xuống ĐCD Trong trình này, nhiệt độ giảm dần xuống 750o C Đây nhiệt độ khí xả Theo lý thuyết, động có tỉ số nén 10:1, cuối kỳ xả lại buồng đốt 10% lƣợng khí Ở kỳ nạp, 10% khí tồn dƣ nhiệt độ 750oC hịa với 90% khí trời có nhiệt độ trung bình 25oC, khiến cho nhiệt độ hịa khí đầu kỳ nén là: [750+ (9 x 25)] : 10 = 97.5 oC Khi piston di chuyển lên ĐCT, áp suất ngày tăng, hịa khí tăng thêm 70oC, nhiệt độ lúc 167.5oC Tuy nhiên thực tế, nhiệt độ lúc lên đến 200 độ C Khi Ở nhiệt độ này, hịa khí tự cháy nổ lúc mà không cần tia lửa điện, gây tƣợng cháy sớm mong đợi Giải thích khác biệt nhiệt độ lý thuyết thực tế kỹ sƣ Mazda xác định đƣợc nguyên nhân lƣợng khí thải tồn dƣ xylanh cuối kỳ khơng phải mà 1,5 cao hơn, làm tăng nhiệt độ : [ (750 x 1,5) + (9 x 25) ] : 10,5 = 128,57 độ C, cộng với nhiệt độ tăng thêm 70 độ C bị nén, khiến nhiệt độ lên đến 200 độ C Nguyên nhân khiến lƣợng khí xả lƣu lại buồng đốt nhiều lý thuyết khí piston trƣớc tác động lên cửa thoát piston làm nhiệm vụ xả khí Mazda giảm thiểu áp lực piston thoát trƣớc đến piston thoát sau hệ thống xả 4-2-1 (4-2-1 exhaust system)  Hệ thống xả 4-2-1 (4-2-1 exhaust system): Tên đầy đủ hệ thống xả 4-2-1-3 Đây xylanh đƣợc đánh số theo thứ tự kỳ xả 176 Bảng 6.2: Thứ tự công tác động xylanh Xylanh số Xylanh số Xylanh số Xylanh số Kỳ Nén Nổ Nạp Xả Kỳ Nổ Xả Nén Nạp Kỳ Xả Nạp Nổ Nén Kỳ Nạp Nén Xả Nổ Ở hệ thống khí xả cũ, đoạn nối ống xả xylanh đến điểm nối chung ống xả ngắn nhỏ Điều khiến cho áp suất xylanh xả chịu tác động áp lực khí xylanh trƣớc Hình 6.18: Cải tiến đường ống xả động Skyactiv [39] Thí dụ, hệ thống ống xả ngắn, kỳ 3, xylanh số trạng thái xả, áp suất ống xả tăng lên đột ngột giảm xuống từ từ theo tốc độ khí Đến kỳ 4, xylanh số chuyển sang trạng thái hút xylanh số trạng thái thoát Nhƣng lúc áp suất khí xả xylanh số tác động đến ống thoát xylanh số khiến phần khí xả đƣợc phải quay trở lại buồng đốt Để khắc phục, hệ thống xả 4-2-1 có ống xả lớn dài hơn, đƣợc bố trí cho đoạn kết nối ống xả 4-2, 2-1, 1-3, 3-4 dài (trên 60 cm) Đoạn ống xả nối xylanh số ngắn nhƣng xylanh xả khí liên tiếp (ảnh dƣới, phần bên trái) 177 Chú thích: Vùng màu xám: áp suất khí xả tồn dư Các đường chéo xanh cây, đen, tím: vịng tua máy 2.000, 4.000, 8.000 rpm Hình 6.19: Minh họa cơng nghệ chống tượng nổ sớm ngồi ý muốn Sự tác động lực thoát xylanh trƣớc đến xylanh sau tùy thuộc vào vòng quay động Điển hình tác động áp lực xả xylanh số đến xylanh số (xem ảnh) Ở hệ thống ống xả kiểu cũ áp lực tối đa khoảng vòng quay động từ 2.000 đến 8.000 vòng/phút (rpm) Đối với hệ thống ống xả 4-2-1, áp suất tối đa khí xả xylanh xả trƣớc tác động lên xylanh xả sau nằm khoảng tua máy từ đến 2.000 vòng/phút, vòng tua mà động vận hành Ở tua máy cao 2.000 vòng/phút, khoảng tua máy thƣờng xuyên hoạt động, áp lực giảm đến mức tối thiểu (xem ảnh trên) Nhƣ vậy, công nghệ ống xả 4-2-1 giúp cho khí nóng tối đa giảm đƣợc nhiệt độ hịa khí kỳ nạp Tóm lại, hệ thống ống xả 4-2-1 có tiết diện lớn để giảm áp suất, dài để áp lực khí xả tác động đến xylanh phải chậm lại, không rơi vào thời điểm van xả đƣợc mở Việc kéo dài ống xả giúp cho khí xả giảm đƣợc nhiệt độ trƣớc tiếp xúc với chất xúc tác bình lọc khí thải, giúp cho tuổi thọ chất xúc tác đƣợc kéo dài nâng cao hiệu việc loại bỏ chất khí độc hại  Phun nhiên liệu nhiều tia Khi xăng chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái khí hấp thu nhiệt làm giảm nhiệt độ môi trƣờng chung quanh Các nhà sản xuất ô tô hạ nhiệt độ buồng đốt công nghệ phun nhiên liệu trực tiếp vào xylanh Kết quả, với hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp, nhà sản xuất ô tô nâng đƣợc hệ số nén từ 8:1 lên 11:1 12:1 Trong nhà sản xuất ô tô khác sử dụng công nghệ nạp nhiên liệu phân tầng (Stratified charge), Skyactiv sử dụng công nghệ nạp nhiên liệu đồng (Homogeneous charge) Điểm khác biệt công nghệ là: Công nghệ phun nhiên 178 liệu phân tầng phun nhiên liệu kỳ nén vào xylanh, điểm gần với bugi Hịa khí phân thành hai lớp: khu vực gần bugi, nồng độ nhiên liệu cao; Ở xa bugi, hịa khí nghèo nhiên liệu Kết đánh lửa, hịa khí đƣợc cháy gần nhƣ trọn vẹn Ở công nghệ phun nhiên liệu đồng SkyActiv, xăng đƣợc phun vào nạp đầu phun nhiều tia (phun nhiên liệu đa điểm), hạt bụi xăng có kích thƣớc vài phần triệu milimet nhanh chóng bay hơi, hấp thu nhiệt lƣợng hịa khí trở thành đồng Công nghệ nạp nhiên liệu đồng với đầu phun nhiều tia giúp hạ nhiệt độ buồng đốt Nhƣng phun nhiên liệu đồng làm hòa khí cháy khơng hết vùng xa bugi, để khắc phục nhƣợc điểm kỹ sƣ thiết kế lại piston khắc phục nhƣợc điểm  Piston lõm Với cảm nhận giác quan, ta có cảm tƣởng phản ứng cháy nổ hỗn hợp nhiên liệu khơng khí xảy tức thì, bugi phát tia lửa điện Trên thực tế, phản ứng cháy lan truyền từ vị trí tia lửa điện đến khu vực xa buồng đốt Vận tốc cháy lan chí cịn chậm vận tốc di chuyển piston từ ĐCT xuống ĐCD Khi động vận hành vận tốc cao, nhiên liệu chƣa kịp cháy hết bị mơi trƣờng Để khắc phục nhƣợc điểm này, động hút khí tự nhiên điều chỉnh đánh lửa sớm trƣớc piston đạt đến ĐCT, giải pháp đem lại hiệu nhiên liệu, nhƣng chƣa cao Để tăng thêm lƣợng hịa khí đƣợc đốt cháy, nhiều nhà sản xuất ô tô bổ sung thêm giải pháp phun nhiên liệu phân tầng để tập trung xăng vào gần bugi Skyactiv không sử dụng phun nhiên liệu phân tầng, thay vào sử dụng piston có vùng lõm để ép hịa khí vào gần tia lửa điện bugi Kết giải pháp làm tăng 15% hiệu nhiên liệu  Hệ thống stop-start không dùng khởi động điện (i-stop) Trong hệ thống stop-start hãng ô tô khác dùng động điện để tái khởi động động đốt trong, hệ thống "i-stop" Mazda hồn tồn khác với cơng nghệ stop - start nhà sản xuất ô tô khác I-Stop Mazda sử dụng xylanh động xăng để khởi động xylanh cịn lại, khơng làm tiêu hao điện pin hay ắc quy Khi xe ngừng tắt máy, hệ thống điều khiển điện tử không đánh lửa xylanh kỳ nén piston lên đến ĐCT nhƣ thƣờng lệ Hệ thống điều khiển điện tử điều khiển động ngừng vào thời điểm xác piston vừa nhích khỏi ĐCT Nhờ vào cơng nghệ phun nhiên liệu đồng nhất, hịa khí xylanh sẵn sàng để đƣợc đốt cháy, cần có tia lửa điện xylanh tiếp tục kỳ nổ dãn toàn động đƣợc khởi động 179 Khởi động lại trực tiếp từ xylanh 0,35 giây, nửa thời gian khởi động động điện lại êm Chu trình Atkinson III 3.1 Giới thiệu Hình 6.20: Đồ thị Áp suất-Thể tích (P-V) mơ tả chu trình Atkinson lý thuyết [29] Chu trình đƣợc phát triển James Atkinson dựa nguyên lý chu trình Otto Ở động hoạt động theo chu trình Atkinson (gọi tắt động Atkinson), van nạp đóng trễ cuối kỳ nạp, đầu kỳ nén Điều khiến cho hịa khí bị đẩy nhẹ ngƣợc đƣờng ống nạp, làm giảm bớt lƣợng hịa khí vào xylanh, dẫn đến mức công suất sinh động giảm theo Mặc dù điều làm giảm tỉ số nén động nhƣng giữ nguyên đƣợc tỉ số giản nở Điều có nghĩa động tốn lƣợng cho q trình nén gia tăng cơng sinh từ q trình cháy-nổ 3.2 Chu trình Atkinson kiểu khí Honda phát triển động dựa theo chu trình Atkinson phát minh 130 năm trƣớc “tăng hành trình sinh cơng” 180 Hình 6.21: Tăng hành trình piston [26] Động EXlink mẫu động nhỏ mô kiểu dáng sản phẩm thƣơng mại có hành trình dịch chuyển piston kì cháy giãn nở dài so với động truyền thống Hình 6.22: Sơ đồ nguyên lý động Honda EXlink [26] Trên động truyền thống nhiệt đƣợc chuyển hóa thành thông qua cấu tay quay trƣợt (piston, truyền, trục khuỷu) Trong động kì (hút - nén - cháy giãn nở sinh công - xả) hành trình piston di chuyển nhƣ nhau, tỉ 181 số nén tỉ số cháy giãn nở Để động tăng hiệu suất cần tăng tỉ số giãn nở, nhƣng cách làm tăng tỉ số nén dễ gây tƣợng kích nổ Hình 6.23: hành trình kỳ hút EXlink ngắn động truyền thống, nhiên liệu hút [50] Trên động EXlink truyền không liên kết trực tiếp với trục khuỷu mà thông qua chi tiết tam giác liên kết (Trigonal link) Trục cam lệch tâm dẫn động nhờ truyền bánh từ trục khuỷu Một khác làm nhiệm vụ kết nối trục cam chi tiết tam giác Hình 6.24: kỳ cháy giãn nở hành trình piston EXlink dài [50] Khi động làm việc, nhờ vào hoạt động cam lệch tâm piston thực hành trình dài ngắn khác Hành trình ngắn áp dụng cho kì hút nén, hỗn hợp khơng khí nhiên liệu đƣợc hút vào buồng cháy Hành trình dài cho kì cháy giãn nở sinh cơng kì xả Tỉ số nén đạt đƣợc mức 12.2:1, tỉ số cháy giãn nở lên mức 17.6:1 Bởi vậy, hiệu suất động tăng lên Trong động truyền thống, 182 hỗn hợp khơng khí nhiên liệu cháy đẩy piston kì nén, lực bên tác động vào sƣờn xylanh tạo ma sát lớn Lực tác dụng bên phụ thuộc vào góc lệch truyền (tay biên) EXlink đƣợc thiết kế để truyền gần nhƣ song song với xylanh suốt kì cháy Kết lực ma sát giảm lực bên giảm nửa Ngay hành trình kì giãn nở đƣợc kéo dài, cơng sinh ma sát EXlink tƣơng đƣơng với động truyền thống Vì vậy, Honda thu đƣợc hiệu suất nhiên liệu cao từ chu kì Atkinson Hình 6.25: giải pháp hạn chế góc lệch truyền kỳ cháy giãn nở nhằm giảm ma sát [50] 3.3 Chu trình Atkinson thay đổi thời điểm đóng mở xupap a Chu trình Atkinson thay đổi thời điểm đóng xupap nạp Chu trình Atkinson hoạt động dựa chu trình Otto nhƣng thời gian xupap nạp mở lâu bình thƣờng nạp bị đẩy ngƣợc trở lại ống góp Thời điểm đóng xupap nạp định động hoạt động chu trình phù hợp Nếu động cần phát cơng suất lớn xupap nạp đóng sớm (nhƣ thời điểm đóng xupap nạp động cơ) Ngƣợc lại, động hoạt động chế độ tải nhỏ tiết kiệm nhiên liệu động hoạt động chu trình Atkinson Xupap nạp đóng trễ đến kì nén, lúc piston di chuyển lên phía đẩy khí nạp trở lại đƣờng ống nạp, điều giảm dung tích xylanh xe, nhiệt độ buồng đốt tăng lên áp suất cháy tăng lên, tạo nên lực cƣỡng đẩy piston xuống, thể tích khí giản nở lớn thể tích khí nén ban đầu Mục đích chu trình Atkinson cho phép áp suất buồng đốt cuối kì nén áp suất khí quyển, điều xảy tất nguồn lƣợng sẵn có đƣợc thu từ q trình cháy b Chu trình Atkinson thay đổi thời điểm mở xupap nạp Chu trình Atkinson thực kì nạp, nén, nổ, xả Bởi liên kết linh hoạt chi tiết động nên tỉ số giãn nở cao tỉ số nén, hiệu suất chu trình Atkinson cao chu trình Otto Chu trình giãn nở động bình thƣờng áp suất khí xylanh thời điểm xupap thải mở từ 3-5 atm, cao áp suất thải Khả làm việc kì nổ bị mát xupap thải đƣợc mở áp suất giảm xuống áp suất khí trời Tuy nhiên, xupap thải khơng mở áp suất khí 3-5 atm xylanh đƣợc phép giãn nở xuống áp suất khí trời Thêm vào áp suất giãn nở tăng 183 lên nhiều kì giãn nở, dẫn đến việc hiệu suất nhiệt động tăng lên Ý tƣởng đƣợc gọi chu trình Atkinson chu trình giãn nở hồn chỉnh bao gồm nén đẳng entropi, đẳng tích nhiệt, giãn nở đẳng áp, đẳng áp nhiệt 3.4 Ƣu điểm Giúp tăng hiệu sử dụng nhiên liệu động Gia tăng mức công suất sinh 1L dung tích động Toyota Prius đời 2015 đƣợc trang bị động hoạt động theo chu trình Atkinson (gọi tắt động Atkinson), dung tích 1.8L sản sinh công suất tối đa 98 mã lực, tƣơng đƣơng 54 mã lực lít dung tích động Chiếc Chevrolet Cruze đời 2015 sử dụng động 1.8L, hoạt động theo chu trình Otto, sản sinh công suất tối đa 138 mã lực, tƣơng đƣơng 76,67 mã lực lít dung tích động 3.5 Nhƣợc điểm Việc sản sinh mức công suất hơn, đặc biệt dải tốc độ vòng tua thấp, khiến cho việc phổ biến động Atkinson trở nên khó khăn Tuy nhiên, điều đặc biệt diễn mẫu Prius đời 1997 đƣợc giới thiệu hệ thống động lực Hybrid Synergy Nhờ có động điện hỗ trợ, hệ thống khắc phục đƣợc nhƣợc điểm động Atkinson dãy tốc độ thấp Kể từ lúc này, động hoạt động với chu trình Atkinson dần trở nên phổ biến xe Hybrid đời Ngồi chu trình atkinson đƣợc kết hợp với hệ thống VVT-I turbo tăng áp để nâng cao công suất khắc phục nhƣợc điểm tua máy thấp IV Chu trình Miller Về bản, động hoạt động theo chu trình Miller gần giống với động theo chu trình Atkinson, nhƣng có sử thêm siêu nạp supercharger để tăng lƣợng hịa khí vào xylanh để khắc phục nhƣợc điểm động Atkinson Đƣợc áp dụng số mẫu động cơ, nhƣ Mazda Millenia đƣợc trang bị động Miller V6, tạo công suất tối đa 91 mã lực 1L dung tích động Đây xem thành tựu năm 1990 Trên động ứng dụng chu trình miller, để giảm nén Miller chế tạo trục cam kéo dài thời gian mở xupap nạp kéo dài qua kỳ nén Trong động chu trình Miller, xupap nạp đóng lại sau piston khoảng cách định so với điểm chết trên: khoảng 20% đến 30% quãng đƣờng dịch chuyển piston Vì động chu trình Miller, piston thực nén hỗn hợp nhiên liệu khơng khí vào khoảng 70% đến 80% kỳ nén Trong phần đầu hành trình nén, piston đảy phần hỗn hợp nhiên liệu không khí trở lại qua đƣờng ống nạp Để tránh thất thoát nhiên liệu nhà sản xuất thiết kế hộp chứa khí ga phản hồi trang bị thêm hệ thống tăng áp để hạn chế lƣợng ga phản hồi Để khắc phục nhƣợc điểm chu trình này, đƣợc kết hợp với hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp, VVT 184 CHƢƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 7.1 Kết luận Nền kinh tế ngày phát triển địi hỏi phải đáp ứng nhu cầu lại nhƣ vận chuyển tơ trở thành phƣơng tiện quan trọng thiếu sống ngày Nhƣng ngồi cơng dụng nhƣ vận chuyển ngƣời hàng hóa tồn số nhƣợc điểm nhƣ tiêu hao nhiên liệu cao nguồn dầu mỏ cạn kiệt dần gây ô nhiễm môi trƣờng Với phát triển mạnh mẽ khoa học công nghệ nhƣ đặc biệt lĩnh vực điện tử ứng dụng ô tô tạo nhiều hệ thống giúp cải thiện đặc tính động cơ, tính kinh tế nhiên liệu bảo vệ mơi trƣờng Tất phƣơng pháp nêu đồ án cho thấy tiềm việc cải thiện công suất hiệu suất động Mỗi phƣơng pháp có ƣu nhƣợc điểm riêng lựa chọn kết hợp phƣơng pháp với nhƣ chiến lƣợc cho hãng xe, kết hợp phụ thuộc vào hiệu cải thiện mà cịn phụ thuộc vào chi phí sản suất, chiến lƣợc tiếp thị pháp luật Nội dung đồ án mang tính hệ thống, nhƣng đầy đủ, đáp ứng nhu cầu tham khảo tài liệu kiến thức tảng số công nghệ giúp cải thiện công suất hiệu suất động 7.2 Đề nghị Do thời gian nghiên cứu đề tài có giới hạn nên chúng em nghiên cứu sở lý thuyết thông qua nghiên cứu sở thực tiễn nhà khoa học Nếu có điều kiện thuận lợi, chúng em thực mong muốn trải nghiệm đề tài sở nghiên cứu thực hành để có thêm nhiều học quý báu từ sở thực tế 185 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1- Saunders, R.J and Abdual-Wahab, E.A.”Variable valveclosure timing for load control and the Otto Atkinson cycleengine” SAE Paper, No.890677,1989 2- Hermann Hiereth and Peter Prenninger, “Charging the Internal Combustion Engine” No.11686729, 2003 3- Mikio Fujiwara, Kazuhide Kumagai, Makoto Segawa,Ryuji Sato and Yuichi Tamura, Honda R&D Co., Ltd.”Development of a 6-Cylinder Gasoline Engine with New Variable Cylinder Management Technology” SAE TECHNICALPAPER SERIES 2008-01-0610, Advanced Concepts, 2008 (SP-2180) 4- T G Leone and M Pozar, Ford Motor Co “Fuel Economy Benefit of Cylinder Deactivation - Sensitivity to Vehicle Application and Operating Constraints” SAE TECHNICALPAPER SERIES2001-01-3591,SI and Diesel Engine Performance and Fuel Effects(SP–1645) 5- K J Douglas, N Milovanovic, J W G Turner and D Blundell, Lotus Engineering “Fuel Economy Improvement Using Combined CAI and Cylinder Deactivation (CDA) – An Initial Study” SAE TECHNICALPAPER SERIES2005-01-0110, Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) Combustion 2005(SP-1963) 6- R Fiorenza, M Pirelli and E Torella - ELASIS S.C.p.A, P.Pallotti - Fiat GM Powertrain, Paul E Kapus, G Kokalj and M Lebenbauer - AVL List GmbH “VVT+Port Deactivation Application on aSmall Displacement SI Cylinder 16V Engine:An Effective Way to Reduce VehicleFuel Consumption” SAE TECHNICAL PAPER SERIES 2003-01-0020, Variable Valve Actuation 2003 (SP-1752 / SP-1752CD 7- B Vinodh - College of Engineering, Guindy,Anna University “Technology for Cylinder Deactivation” SAE TECHNICAL PAPER SERIES2005-01-0077, Electronic Engine Controls 2005(SP-1975) 8- S.P VENDAN, T SATHISH, S SATHISHKUMAR, Department of Mechanical Engineering, PSG College of Technology, Coimbatore, INDIA “REDUCTION OF FUEL CONSUMPTION IN MULTICYLINDER ENGINE BY CYLINDER DEACTIVATION TECHNIQUE” ANNALS OF THE FACULTY OF ENGINEERING HUNEDOARA – JOURNAL OF ENGINEERING TOME VII (year 2009) 9- Tim Lancefield and Ian Methley - Mechadyne International Ltd, Dr Ulf Räse DaimlerChrysler Berlin, Thomas Kuhn - DaimlerChrysler, Stuttgart “The application of variable event valve timing to a modern diesel engine” SAE TECHNICAL PAPER SERIES 2000-01-1229, 1998 Society of Automotive Engineers, Inc 186 10- Gilbert Perter “Cylinder Deactivation on cylinder engine: A torsional vibration analysis” DCT 2007-11 11- Osman Akin Kutlar , Hikmet Arslan, Alper Tolga Calik - Automotive Division, Department of Mechanical Engineering, Istanbul Technical University, Gumussuyu,Beyoglu, 34437Istanbul, Turkey “Methods to improve efficiency of four stroke, spark ignition engines at part load” Energy Conversion and Management 46(2005) 3202–3220 12- Michael Bassett B.Eng Ph.D MSAE, Lotus Engineering “Investigation of Technologies to Improve Drive-cycle Fuel Economy” 13- Jeff Allen and Don Law, Lotus Engineering “Production Electro-Hydraulic Variable Valve-Train for a New Generation of I.C Engines” SAE TECHNICAL PAPER SERIES2002-01-1109, Variable Valve Actuation 2002(SP–1692) 14- O Lang, W Salber and J Hahn, S Pischinger, K Hortmann and C Bücker “Thermodynamical and Mechanical Approach Towards a Variable Valve Train for the Controlled Auto Ignition Combustion Process” SAE TECHNICALPAPER SERIES2005-01-0762 Variable Valve Actuation 2005(SP-1968) 15- Sasa Trajkovic, Doctoral Thesis - Lund University ”The Pneumatic Hybrid Vehicle A New Concept for Fuel Consumption Reduction” 16- Spectrum, 2002, “Technology Highlights and R & D Activities at FEV” 17- Petter Dahlander, Ronny Lindgren and Ingemar Denbratt - Chalmers University of Technology “Gasoline Direct Injection in SI engines” 18- DICK KRIEGER “GASOLINE DIRECT INJECTION Teaching GDI to your students” A ConsuLab presentation 19- Dr Frank Schmitt, Senior Manager Customer Application System Performance – Application Engineering Europe,BorgWarner “Powerful Turbocharging System for Passenger Car Diesel Engines” BorgWarner Knowledge Library 2014 20- ABB turbo system Ltd “Variable Turbine Geometry VTG – the Blades of Flexibility” 21- Dipl - Ing K-H Bauer; C Balis, M.S.E.G Donkin, C.Eng; P Davies, C.EngHoneywell Transportation Systems “The Next Generation of Gasoline Turbo Technology” Internationales Wiener Motorensymposium 2012 22- BYEONGIL AN, TAKASHI SHIRAISHI “Development of Variable Two-stage Turbocharger forPassenger Car Diesel Engines” Mitsubishi Heavy Industries Technical Review Vol 47 No (December 2010) 23- YASUAKI JINNAI, HIROYUKI ARIMIZU, NAOTO TASHIRO, MASAKI TOJO, TAKAO YOKOYAMA, NORIYUKI HAYASHI “A Variable Geometry (VG) Turbocharger for Passenger Cars to Meet European Union Emission Regulations”Mitsubishi Heavy Industries Technical Review Vol 49 No (June 2012) 187 24- Scalzo Automotive Research “The Piston Deactivation Engine”http://www.scalzoautomotiveresearch.com/technology 25- Shuhn-Shyurng Hou “Comparison of performances of air standard Atkinson and Otto cycles with heat transfer considerations” www.elsevier.com/locate/enconman 26- http://www.google.com 27- http://www.wikipedia.com 28- http://www.bookzz.org 29- http://oto-hui.com 30- http://forums.nasioc.com 31- https://xorl.wordpress.com/2011/03/27/valve-timing-and-variable-valve-timing 32- http://blog.caranddriver.com/timing-changes-how-hondas-vtec-variable-timingsystem-works 33- https://www.nap.edu/read/21744/chapter/4#96 34- http://wiringdiagram21.com 35- http://www.keyword-suggestions.com 36- http://bimmertips.com 37- http://library.beechmontdata.com 38- http://mechanics.stackexchange.com 39- http://www.autoblog.com 40- http://www.9tes.com 41- http://seminartopics.info 42- http://www.greencarcongress.com 43- http://www.chevrolet.com 44- http://www.motortrend.com 45- http://www.honda.com 46- http://www.audi.com 47- “GASOLINE ENGINE WITH DIRECT INJECTION”of Richard van Basshuysen, VIEWEGTEUBNER, BOSCH, MTZ 48- https://autovietnam.wordpress.com 49- http://www.cargroup.org 50- https://www.otosaigon.com 188 ... 1.2 Các phƣơng pháp cải thiện công suất hiệu suất động Hình 1.4 Các giải pháp cải thiện hiệu suất công suất động [11] Một số phƣơng pháp cải thiện công suất hiệu suất hiệu suất động chế độ tải... Tên đề tài CÁC PHƢƠNG PHÁP NÂNG CAO HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ XĂNG Nhiệm vụ đề tài - - Nắm đƣợc cấu tạo nguyên lý làm việc phƣơng pháp Cung cấp tài liệu tham khảo công tác giảng dạy, nghiên cứu ứng dụng... SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN Tên đề tài: CÁC PHƢƠNG PHÁP NÂNG CAO HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ XĂNG Họ và tên Sinh viên: ĐỖ ĐÌNH PHỤC ĐỖ