TIỂU LUẬN MÔN HỌC NGUYÊN LÝ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ĐỀ TÀI TÌM HIỀU VỀ CÔNG NGHỆ VARIABLE COMPRESSION RATIO (VCR)

Hình 1: Tỉ số nénNguồn ảnh: Trang chủ Revzone Yamaha Morto Như đã nói trên, tỷ số nén có sự ảnh hưởng quan trọng đến công suất của động cơđốt trong, tỉ số nén càng cao thì càng cho phép

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

TIỂU LUẬNMÔN HỌC: NGUYÊN LÝ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

ĐỀ TÀI: TÌM HIỀU VỀ CÔNG NGHỆ VARIABLE COMPRESSION RATIO (VCR)

GVHD: PGS TS Lý Vĩnh Đạt

SVTH: Nguyễn Lương Tuấn Kiệt

MSSV: 22145402 LỚP: ICEP330330_23_2_12

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 03 năm 2024

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 3

1.1 Khái niệm: 3

1.2 Lý do sử dụng công nghệ: 3

1.3 Lịch sử : 4

CHƯƠNG 2 CÁC HÃNG XE ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VARIABLE COMPRESSION RATIO 6

2.1 Nissan: 6

2.2 Kia: 6

2.3 Saab SVC 7

2.4 Công ty FEV 7

2.5 Peugeot MCE-5 8

CHƯƠNG 3: ĐỘNG CƠ VC-TURBO CỦA NISSAN (INFINITI): 10

3.1 Cấu tạo: 11

3.2 Nguyên lí hoạt động : 12

3.3 Ưu điểm: 14

3.4 Nhược điểm: 15

3.5 Lịch sử cải tiến của động cơ VC-Turbo 15

CHƯƠNG 4: ẢNH HƯỞNG CỦA CÔNG NGHỆ VARIABLE COMPRESSION RATIO (VCR) ĐỐI VỚI CÁC CÔNG NGHỆ, KỸ THUẬT KHÁC 17

CHƯƠNG 5: TÌNH HÌNH SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ VCR HIỆN TẠI VÀ TƯƠNG LAI Ở VIỆT NAM VÀ THẾ GIỚI, NHẬN XÉT VỀ CÔNG NGHỆ 18

5.1 Việt Nam: 18

5.2 Thế giới: 18

KẾT LUẬN 20

TÀI LIỆU THAM KHẢO 21

Hình 1: Tỉ số nén(Nguồn ảnh: Trang chủ Revzone Yamaha Morto)

Như đã nói trên, tỷ số nén có sự ảnh hưởng quan trọng đến công suất của động cơđốt trong, tỉ số nén càng cao thì càng cho phép động cơ khai thác được nhiều nănglượng cơ học hơn từ một khối lượng nhất định của hỗn hợp khí - nhiên liệu do hiệusuất nhiệt cao hơn vì động cơ đốt trong là động cơ nhiệt và tỷ số nén cao hơn cho phépđạt được cùng nhiệt độ tốt với ít nhiên liệu hơn, đồng thời tạo ra chu kỳ giãn nở hơn,tạo nhiều công suất cơ học hơn và giảm nhiệt độ khí thải

Dựa vào yêu cầu ngày càng đa dang của người dùng như:

Đối với động cơ xăng tuy có thể đạt được tốc độ cao nhưng công suất động cơ thấp

do tỉ số nén nhỏ dẫn đến hiệu suất kinh tế thấp hơn, vì thế cần tăng tỉ số nén lên đểcông suất đầu ra tăng lên tuy nhiên khả năng kích nổ sẽ cao hơn ,tỉ số nén thường gặp

ở động cơ xăng ở khoảng 8 đến 13

Đối với động cơ diesel tuy có hiệu quả kinh tế cao do tỉ số nén lớn nhưng khi tăngtốc phát ra tiếng ồn và khói đen, khả năng tăng tốc kém vì thế cần giảm tỉ số nénxuống để giúp động cơ hoạt động êm mượt hơn nhưng đánh đổi lại khả năng cháy sẽgiảm đi, khó cháy hơn do áp suất nhiệt độ thấp, tỷ số nén của động cơ diesel vàokhoảng 14 đến 25

Có thể thấy được khi có lợi về mặt này sẽ thiệt về mặt kia ,vì thế kỹ sư ô tô sẽ phảigiới hạn tỷ số nén của động cơ ở những khoảng nhất định Do đó đối với từng loạiđộng cơ, từng dòng xe khác nhau cần thay đổi tỉ số nén của động cơ để giúp tăng côngsuất của động cơ, giảm mức tiêu thụ nhiên liệu nhờ nâng cao hiệu suất chu trình cháy,giảm khí thải độc hại

Tuy nhiên, đa số các dòng xe hiện nay thường có động cơ mang một tỷ số nén cốđịnh để giải quyết vấn đề đó các kỹ sư ô tô phát triển công nghệ động cơ biến thiên tỉ

số nén - Variable Compression Ratio (VCR)

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Khái niệm:

Động cơ biến thiên tỉ số nén là một bước tiến độ phá trong công nghệ động cơ

đốt trong, là một công nghệ tiên tiến cho phép điều chỉnh tỉ số nén của động cơ đốttrong một phạm vi nhất định giúp tối ưu hoá hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu chonhiều điều kiện khác nhau

1.2 Lý do sử dụng công nghệ:

Trong thời buổi khoa học - công nghệ phát triển vượt bậc như hiện nay, có lẽ

điều mà cả thế giới lưu tâm đến có lẽ là vấn đề năng lượng và môi trường trong bôicảnh mà cả thế giới đề ra chủ trương bảo vệ môi trường, hiện tượng nóng lên toàn cầu

do hiệu ứng nhà kính Trong đó, các phương tiện giao thông đóng vai trò không nhỏ và

là nguyên nhân chủ yếu gây ra khí thải làm gia tăng hiệu ứng nhà kính thì một trongnhững nguyên nhân chính gây nên vấn đề đó chính là động cơ đốt trong

Ngày nay, cùng với sự tiến bộ vượt bậc của khoa học kỹ thuật ngành công nghệ

ô tô đã và đang phát triển một cách mạnh mẽ không chỉ trong hiện tại mà còn hứa hẹntrong tương lai, đa dạng và phức tạp Rất nhiều công nghệ được tạo ra, đã và đang ứngdụng trên ô tô để giải quyết cho hai vấn đề trên

Trong đó, phải nói đến là công nghệ biến thiên tỉ số nén (VCR) là một trongnhững giải pháp giúp tăng công suất động, tiết kiệm nhiên liệu và giảm lượng khí thải.Như đã phân tích ở trên, ngoài lí do dựa vào các mặt có lợi của tỉ số nén nhỏ và lớn thìcòn dựa vào nhiều yếu tố khác mà các kỹ sư ô tô nghiên cứu và phát triển công nghệVCR:

Thông thường thì ô tô sẽ phải vận hành trong nhiều điều kiện khác nhau như khikhởi động, động cơ cần nhiều năng lượng hơn để vượt qua lực ma sát tĩnh cao và làmquay các bộ phận trong động cơ tỉ số nén lớn sẽ giúp giải quyết các vấn đề đó nó giúptăng áp suất và nhiệt độ trong buồng đốt tạo điều kiện thuận lơi cho quá trình hoà khícháy nhiên liệu nhờ thế mà động cơ dễ khởi động hơn và hoạt động ổn định hơn khi đã

ổn định chỉ cần tiếp cho xe một động năng vừa phải để duy trì tốc độ lúc này việc giảm

tỷ số nén xuống sẽ giúp tiết kiệm nhiên liệu và giảm lượng khí thải độc hại

Khi di chuyển trông thành phố, ô tô thường duy trì với tốc độ thấp, tải trọng nhẹlàm giảm hiệu suất của quá trình cháy dẫn đến tăng mức tiêu thụ nhiên liệu Lúc này,chúng ta chỉ mong muốn động cơ có tỷ số nén cao để làm tăng hiệu suất của quá trìnhcháy Và ngược lại khi di chuyển trên cao tốc di chuyển với tốc độ cao, tải trọng nặng

sẽ dẫn đến hiện tượng của động cơ lúc này tỉ số nén thấp sẽ lại giải pháp hữu hiệu

Vì vậy, giải pháp về một động cơ có tỷ số nén biến thiên theo điều kiện làm việc(VCR Engine) là cực kì tối ưu đối với tình thế hiện tại khi mà giá xăng dầu có xuhướng tăng cao và kèm theo đó là các tiêu chuẩn khí thải ngày càng bị giới hạn.Động cơ biến thiên tỉ số nén (VCR) hứa hẹn sẽ là công nghệ của tương lai, sẽ đượcứng dụng phổ biến

1.3 Lịch sử :

Động cơ VCR (tỷ số nén biến thiên) đầu tiên được chế tạo và thử nghiệm bởi kỹ

sư Harry Ricardo vào những năm 1920 Chính công trình này đã dẫn đến việc ôngphát minh ra hệ thống đánh giá chỉ số octan cho xăng, hệ thống vẫn được sử dụng chođến ngày nay Do thiết kế đầu xi lanh tương đối đơn giản (không có van nạp), việc ápdụng công nghệ tỷ số nén biến thiên (VCR) trên động cơ hai kỳ trở nên dễ dàng hơn

Từ cuối những năm 90, các mẫu xe mở rộng dựa trên ý tưởng này đã xuất hiện, chẳnghạn như của Yamaha, với khả năng thay đổi kích thước buồng đốt động cơ một cáchlinh hoạt Trước Yamaha có động cơ Lohmann với dung tích khoảng 18cc trang bị cho

xe đạp như một bản nâng cấp, được đưa vào thương mại nhưng không đủ mạnh đểmang lại thành công

Năm 2000, Saab Automobile giới thiệu một phiên bản về động cơ thay đổi tỉ sốnén với tên gọi SCV hay sự nén thay đổi của Saab, ứng dụng công nghệ thay đổibuồng đốt (VC) Trong đó qua các phương tiện thay đổi tỉ số nén (CR) SaabAutomobile đã khơi lại sự quan tâm đến công nghệ tỷ số nén biến thiên (VCR) khigiới thiệu động cơ SVC tại triển lãm ô tô Geneva năm 2000 Hợp tác với "Văn phòng

Công nghệ Ô tô Tiên tiến", Saab đã phát triển động cơ xăng VCR hiện đại, cho hiệusuất sánh ngang với động cơ diesel Động cơ Saab SVC là một bước tiến đáng kể trongthế giới động cơ VCR, nhưng nó chưa bao giờ được sản xuất hàng loạt do công tySaab phá sản vào năm 2016, tuy vậy dự án SVC đã mang lại cho Saab được cả giảithưởng năm 2000 và 2001

Năm 2003, hãng mô tô Nissan đã giới thiệu với thế giới một hệ thống thay đổi hệ

số nén của hãng hay còn gọi là VCR nó sử dụng một liên kết gồm nhiều cơ cấu piston

và tay quay để thay đổi tỉ số nén Nhờ có những sáng kiến và sự tiên phong của cáchãng đi trước việc thực hiện hoá ý tưởng này một cách hoàn hảo là khả thi đươngnhiên điều này là không dễ dàng trên thực tế chỉ có một vài nhà sản xuất như Saab,FEV, Ford, Nissan đưa ra được những động cơ mẫu và thử nghiệm

Cho đến nay ,công nghệ này đã và đang được đưa vào áp dung trên nhiều hãng xevới nhiều tên gọi khác nhau như là: Mercedes-Benz là ACC (Active Cylinder Control),Saab là SVC (Saab Variable Compression) và Lotus là Omnivore, Nissan (Infiniti) làVC-Turbo (Variable Compression-Turbo) Mẫu xe Infiniti QX50 2019 là mẫu ô tôthương mại đầu tiên được trang bị phiên bản sản xuất của động cơ tăng áp, tỷ số nénbiến thiên

Hình 2: Các thông số của xe Infiniti QX50(Nguồn ảnh: Robert Gritzinger ( 2019), 2019 Winner: Infinity QX50 2.0L DOHC

VC-Turbo 4-Cyl)

CHƯƠNG 2 CÁC HÃNG XE ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VARIABLE

COMPRESSION RATIO

2.1 Nissan:

VC-Turbo (Variable Compression-Turbo) đã được Nissan phát triển và sử dụngtrên mẫu xe Infiniti QX50 Infiniti QX50 Động cơ có khối lượng ấn định 1,977cctương đương với động cơ xăng thông thường Động cơ có thể cung cấp công suất tối

đa 248 mã lực và momen xoắn tối đa 370 Nm Hệ thống VC-Turbo của Nissan là mộtcông nghệ động cơ mới, cho phép tỷ lệ nén thay đổi được trong quá trình hoạt độngcủa động cơ, giúp cân bằng giữa hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu Hệ thống này baogồm một bộ phận động cơ, được thiết kế để điều chỉnh tỷ lệ nén thông qua sự thay đổi

vị trí của piston Để làm điều này, hệ thống sử dụng một cơ chế dẫn động bằng dầuthủy lực, kết hợp với một bộ điều khiển điện tử để kiểm soát động cơ Khi động cơ cầnnhiều công suất, piston được đẩy lên để giảm tỷ lệ nén và tăng áp suất khí thải, tănghiệu suất của động cơ Khi động cơ cần tiết kiệm nhiên liệu, piston được đẩy xuống đểtăng tỷ lệ nén và giảm áp suất khí thải, giúp tiết kiệm nhiên liệu

2.2 Kia:

Sử dụng công nghệ VCR với tên gọi là Smartstream G1.6 T-Gdi

Hình 3: Smartstream G1.6 T-Gdi(Nguồn ảnh: Alex grant (2021), Tech deep dive: Huyndai Con tinuously Variable

Valve Duration)Động cơ này có dung tích xylanh 1,6 lít đồng thời sử dụng công nghệ Gdi(Gasoline Direct Injection) để phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt Ngoài ra, cònđược trang bị thêm hệ thống làm mát khí nạp, hệ thống van biến thiên, hệ thống khởiđộng tắt động cơ tự động (start-stop), và hệ thống tái sử dụng năng lượng khi phanh

2.3 Saab SVC

SAAB Automobile đã khơi dậy mối quan tâm đến khả năng nén biến thiên khi họgiới thiệu động cơ SVC của mình với thế giới tại triển lãm ô tô Geneva năm 2000.SAAB đã tham gia hợp tác với “Văn phòng Công nghệ Ô tô Tiên tiến” để sản xuấtđộng cơ VCR chạy xăng hiện đại cho thấy hiệu suất vượt trội Hiệu suất tương đươngvới động cơ Diesel SAAB SVC là một sự bổ sung tiên tiến và khả thi cho thế giớiđộng cơ VCR, nhưng nó chưa bao giờ được đưa vào sản xuất do công ty phá sản vàonăm 2016

2.4 Công ty FEV

Động cơ VCR Conrod được nghiên cứu và phát triển bởi công ty FEV ở Đức.Động cơ này có cấu tạo đơn giản hơn các động cơ VCR khác Động cơ VCR Conrodđược điều khiển bởi một bộ trục, cam được tích hợp trong động cơ Cơ chế hoạt độngcủa động cơ là điều chỉnh độ nén của hành trình piston bằng cách điều chỉnh chiều dàicủa thanh kết nối Khi thanh thanh kết nối được kéo dài thì hành trình piston sẽ giảm

từ đó sẽ giảm tỷ số nén và ngược lại khi thanh kết nối rút ngắn

Hình 4: Động cơ VCR Conrod

2.5 Peugeot MCE-5

CHƯƠNG 3: ĐỘNG CƠ VC-TURBO CỦA NISSAN (INFINITI):

Sau hơn 20 năm nghiên cứu và phát triển của công ty mẹ Nissan, động cơ xăngVC-T tăng áp bốn xi-lanh của Infiniti thể hiện một bước đột phá lớn trong công nghệ

hệ truyền động đốt trong Nissan là nhà sản xuất ô tô đầu tiên đưa động cơ tỷ số nénbiến thiên vào sản xuất Công nghệ VC-T (Variable Compression – Turbo) được ápdụng cho động cơ tăng áp 4 xi-lanh 2.0 lít và được tung ra thị trường vào năm 2018.Động cơ 2.0 Lít VC-Turbo mới (Variable Compression Turbo – Turbo nén biến thiên)cung cấp số liệu hiệu suất tương tự như động cơ V6 3.5 Lít 24 năm tuổi mà nó thaythế, đồng thời cung cấp khả năng tiết kiệm nhiên liệu của động cơ 4 xi-lanh Chiếc xeđầu tiên nhận được động cơ này là Infiniti QX50 SUV 2019 và Nissan Altima SR

2019

Công nghệ này đã có hơn 20 năm phát triển và là một bước đột phá trong thiết kếđộng cơ đốt trong khi nó liên tục điều chỉnh tỷ số nén để tối ưu hóa công suất và hiệuquả sử dụng nhiên liệu Nó được dự đoán sẽ cung cấp mức tăng tỷ lệ phần trăm haicon số trong tính kinh tế nhiên liệu Nissan còn cẩn thận hơn nữa khi chưa đưa trựctiếp các dòng xe Nissan phổ thông mà ra mắt trên dòng sản phẩm Infiniti Điều nàycho thầy nhà sản xuất thận trọng, để kiểm tra trải nghiệm thực tế trên một mẫu xe mớinhỏ hơn và cũng gợi ý rằng chi phí có thể được tối ưu một cách đáng kể hơn

Hình 6: Động cơ có tỉ số nén biến thiên - VC Turbo(Nguồn ảnh: Rashith M (2023), Variable compression ratio)

Sự khéo léo của công nghệ động cơ VC-T được thể hiện một cách vượt bậc nhờkhả năng điều chỉnh linh hoạt độ cao của piston Điều này dẫn đến sự thay đổi dung

tích của động cơ và tỉ số nén có thể dao động khoảng từ 8:1 (ứng với hiệu suất cao)đến 14:1 (ứng với hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu tối ưu) Bộ máy điều khiển động cơtiên tiến sẽ tự động cung cấp tỉ số nén lý tưởng dựa trên các yêu cầu của tình huống láixe.

3.1 Cấu tạo:

Phải nói rằng thiết kế của là một thiết kế sáng tạo, một thiết kế làm thay đổi cuộc

chơi về tỉ số nén Thiết kế VC-T của Infiniti thay thế bộ thanh truyền thông thươngbằng một hệ thống đa liên kết, được vân hành trơn tru bởi bộ truyền động “HarmonicDrive” - một bộ truyền động sóng hài Bộ truyền động này làm quay trục điều khiểnđặt ở chân đế động cơ Trục điều này sẽ thay đổi gọc của hệ thống đa liên kết từ điềuchỉnh khoảng cách hiệu dụng giữa trục khuỷu và piston Kết quả là dung tích va tỷ sốnén của động cơ thay đổi theo

a) Kiểm soát chính xác quá trình đốt cháy:

Động cơ VC-T sử dụng hệ thống điều khiển thời điểm đánh lửa riêng lẻ cho từngxi-lanh và điều khiển thời điểm đóng/mở van để kiểm soát chính xác các đặc tính củaquá trình đốt cháy Kiểm soát thời gian van điện tử (VVT) được sử dụng cho van nạp,giúp tăng tốc nhanh hơn và tiết kiệm nhiên liệu hơn trong điều kiện đốt cháy theo chutrình Atkinson (chu trình này ưu tiên hiệu suất hơn công suất) Van xả sử dụng hệthống kiểm soát thời gian van thủy lực thông thường

b) Chuyển đổi linh hoạt giữa các chu trình:

Động cơ VC-T có khả năng chuyển đổi liên tục giữa chu trình Atkinson và chutrình đốt cháy thông thường, đảm bảo hiệu suất đốt cháy cao và hiệu suất động cơ tối

ưu bất kể tỷ số nén thay đổi như thế nào

c) Hiệu suất tối ưu trong mọi điều kiện:

Động cơ VC-T sử dụng kết hợp hai hệ thống phun xăng: phun xăng đa điểm(MPI) và phun xăng trực tiếp (GDI) Điều này giúp cân bằng giữa hiệu suất nhiên liệu

và công suất động cơ trong mọi điều kiện lái xe GDI cải thiện hiệu suất và hiệu suấtđốt cháy, đồng thời cho phép động cơ tránh kích nổ ở tỷ số nén cao hơn MPI trộnnhiên liệu và không khí sớm hơn, cho phép đốt cháy hoàn toàn trong buồng để đạt hiệuquả cao hơn khi tải động cơ thấp, nó cũng giúp giảm cặn carbon trên van nạp vốn đãtrở thành vấn đề lớn với một số động cơ phun nhiên liệu trực tiếp.

.Hình 8:Động cơ thông thường và động cơ tỷ số nén

Động cơ thông thường sử dụng thanh truyền để kết nối trực tiếp giữa piston vàtrục khuỷu Cấu tạo này dẫn đến tỷ số nén cố định, không thể thay đổi theo điều kiệnvận hành.Tỷ số nén thấp (8:1): Tạo ra công suất lớn khi động cơ tải cao (tăng áp hoạtđộng), nhưng hiệu quả nhiên liệu thấp ở tải thấp.Tỷ số nén cao (14:1): Tiết kiệm nhiênliệu ở tải thấp (tăng áp chưa hoạt động), nhưng công suất thấp khi tải cao Động cơ VCTurbo sử dụng hệ thống “đa liên kết” thay cho thanh truyền truyền thống, để có thểxoay trục khuỷu bằng một mô tơ từ đó thay đổi hành trình piston và thay đổi tỷ sốnén Điều này cho phép thay đổi tỷ số nén liên tục khi cần trong phạm vi 8:1 đến14:1 Tỉ số nén tối ưu có thể được thiết lập liên tục để phù hợp diều khiển tải trọng và

vị trí bàn đạp ga do người lái điều khiển

b) Cách thức hoạt động:

(1) Khi cần thay đổi tỷ số nén, mô tơ sẽ di chuyển cánh tay chấp hành

(2) Cánh tay chấp hành quay trục điều khiển

(3) Vòng quay của trục điều khiển di chuyển làm thay đổi góc của L-link từ đóxoay trục khuỷu

(4) Hệ thống “đa liên kết” điều chỉnh vị trí thẳng đứng của hành trình piston trongxylanh từ đó thay đổi tỉ số nén