Một số động cơ ứng dụng công nghệ vcr

Trong số đó phải nói đến là công nghệ thay đổi tỉ số nén trên động cơ có thể nâng cao hiệu suất của quá trình cháy đồng thời giảm thiểu được lượng khí độc hại thải ra môi trường.Động cơ

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

VCR Variable Compression Ratio VC-T Variable Compression – Turbo

VC Variable Compression

SVC SAAB Variable Compression AAA American Automobile Association VVT Variable valve timing

1 Lý do sử dụng công nghệ

Trong thời buổi khoa học – công nghệ phát triển vượt bậc như hiện nay, có lẽ điều mà các quốc gia trên thế giới đang quan tâm đến là hai vấn đề về năng lượng và môi trường Trong đó, các phương tiện giao thông đóng một vai trò không nhỏ và nguyên nhân chính gây nên hai vấn đề trên chính là động cơ đốt trong.

Ngày nay, ngành công nghệ ô tô đã và đang phát triển một cách mạnh mẽ, đa dạng và phức tạp hơn nhờ vào sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật trên thế giới Rất nhiều công nghệ được tạo ra và đã ứng dụng trên ô tô nhằm cải thiện hai vấn đề trên Trong số đó phải nói đến là công nghệ thay đổi tỉ số nén trên động cơ có thể nâng cao hiệu suất của quá trình cháy đồng thời giảm thiểu được lượng khí độc hại thải ra môi trường.

Động cơ có thể thay đổi tỷ số nén linh hoạt - Variable compression ratio (VCR) là một trong những giải pháp giúp tăng công suất động cơ từ đó giảm mức tiêu thụ nhiên liệu Với kết quả khả quan thu được là nhờ khả năng chuyển đổi tỷ số nén động cơ linh hoạt và bản chất chính là thay đổi thể tích buồng cháy của động cơ theo điều kiện vận hành của xe.

2 Giới thiệu

Tỉ số nén động cơ là đại lượng biểu thị sức mạnh công suất của động cơ xe Từ đó có sự lựa chọn dòng xe phù hợp, cũng như cách thức sử dụng hợp lí, tránh làm ảnh hưởng đến tuổi thọ của động cơ.

Tỉ số nén là tỉ lệ giữa tổng thể tích buồng cháy xi lanh giữa hai thời điểm Cụ thể là khi piston đi xuống điểm chết dưới – lúc thể tích buồng cháy đạt cực đại và thời điểm piston đi lên điểm chết trên – lúc thể tích buồng cháy đạt cực tiểu.

Với yêu cầu ngày càng đa dạng, cần thiết kế ra những loại động cơ đáp ứng nhu cầu, mục đích của người dùng:

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 để giúp công suất đầu ra tăng lên tuy nhiên khả năng xảy ra kích nổ sẽ cao.

Đối với động cơ diesel tuy có hiệu quả kinh tế cao do tỉ số nén lớn nhưng khi

tăng tốc phát ra tiếng ồn và khói đen, khả năng tăng tốc kém; vì thế cần giảm tỉ số nén xuống để giúp động cơ hoạt động êm và mượt hơn, đổi lại khả năng tự cháy giảm đi, khó cháy hơn do áp suất nhiệt độ thấp.

Có thể thấy được khi lợi về mặt này sẽ thiệt về mặt kia, vì vậy đòi hỏi kỹ sư ô tô cần giới hạn tỷ số nến của động cơ ở những khoảng nhất định Kỹ sư ô tô thường sẽ giới hạn như sau:

Tỉ số nén của động cơ xăng thường ở khoảng 9 đến 13.Tỉ số nén của động cơ diesel vào khoảng 15 đến 25.

Do đó với từng loại động cơ, từng dòng xe và loại nhiên liệu khác nhau cần thay đổi tỉ số nén để giúp tăng công suất động cơ, giảm mức tiêu thụ nhiên liệu nhờ nâng cao hiệu suất quá trình cháy, giảm mức khí thải độc hại.

3 Lịch sử cải tiến

Năm 1920, Harry Ricardo đã chế tạo và thử nghiệm động cơ VCR Đến năm 2000, Saab Automobile giới thiệu một phiên bản về động cơ thay đổi tỉ số nén gọi là SCV, hoặc sự nén thay đổi của Saab, ứng dụng công nghệ thay đổi thể tích của buồng đốt (Vc) Trong đó, qua các phương diện trên thay đổi tỉ số nén (CR) Dự án này cuối cùng không có lối thoát Và đến năm 2003, thì Nissan đã giới thiệu một hệ thống thay đổi tỉ 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 Giống như Saab SCV, nó cũng dựa trên một khái niệm động cơ tăng áp Tỉ số nén khác nhau từ 8:1-14:1, thì hiệu suất của quá trình cháy bên trong động cơ có thể tăng từ 50% lên đến 65% (mức tăng 15%) Về mặt lý thuyết động cơ VCR là một thiết kế rất đáng để các nhà sản xuất quan tâm và thử nghiệm Nhưng để hiện thực hóa ý tưởng này là điều không dễ dàng, trên thực tế mới chỉ có một vài nhà sản xuất như FEV, Ford, Sabb, Nissan đưa ra được những động cơ mẫu và thử nghiệm.

Và đến cho đến ngày nay công nghệ này đã được đưa và rất nhiều hãng xe với những cái tên khác nhau Ví dụ, như trên xe của hãng GM được gọi là AFM (Active Fuel Management), Chrysler là MDS (Multi-Displacement System), Mercedes-Benz là ACC (Active Cylinder Control) còn trên các xe của Honda được gọi là VCM (Variable Cylinder Management).

4 Một số động cơ ứng dụng công nghệ VCR4.1 Động cơ SVC của SAAB

Động cơ SVC năm 2000 của SAAB có đầu xi lanh với các xi lanh tích hợp ('monohead') và phần dưới bao gồm khối động cơ, trục khuỷu và piston.

Dựa cách điều chỉnh độ dốc của monohead liên quan đến khối động cơ và các bộ phận chuyển động qua lại bên trong mà tỉ số nén được thay đổi bằng Điều này đã làm thay đổi thể tích buồng cháy với piston ở điểm chết trên và thay đổi tỷ số nén.

Đầu monohead quay ở cacte lên đến bốn độ, sử dụng bộ truyền động thủy lực Đầu monohead được bịt kín ở cacte bằng ống thổi cao su.

Đơn xin cấp bằng sáng chế đầu tiên của SAAB được nộp vào năm 1990 Động cơ thử nghiệm có thể sử dụng đầu tiên có dung tích hai lít và mang lại mô-men xoắn và công suất đầu ra cao hơn mức cần thiết.

Thử nghiệm thực tế bắt đầu với động cơ 6 xi lanh thẳng hàng 1,4 lít vào giữa những năm 1990 Thật thú vị, SAAB đã hợp tác với FEV Motorentechnik ở Aachen, người đã xác nhận rằng động cơ đã đáp ứng các mục tiêu mong muốn và nó cũng có thể đạt được những tiến bộ hơn nữa bằng cách tiếp tục phát triển.

Năm 2000, SAAB đã trưng bày động cơ SVC nguyên mẫu 5 xi lanh, 1,6 lít.

Đó là những gì đã xảy ra với SAAB, nhưng FEV đã làm việc trên các động cơ VCR kể từ đó.

4.2 FEV Motorentechnik

Trong hơn hai thập kỷ, FEV đã tham gia thiết kế, phát triển và thử nghiệm các khái niệm VCR nguyên mẫu khác nhau: là kết quả của việc đánh giá và nghiên cứu liên tục về các khái niệm VCR, các giải pháp VCR của FEV đang ở giai đoạn nâng cao.

Công ty đã thử nghiệm các giải pháp đánh lửa bằng tia lửa điện động cơ VCR và động cơ diesel với một số nhà sản xuất xe.

FEV đã theo đuổi một thanh kết nối có chiều dài thay đổi để đạt được tỷ số nén thay đổi Trong hệ thống FEV, việc điều chỉnh tỷ số nén được thực hiện bằng cách lắp ổ trục chốt piston trong một trục quay lệch tâm.

Vòng quay đạt được bằng thủy lực và cơ học với các piston và thanh nhỏ được tích hợp trong thiết kế thanh kết nối.

Cơ chế hoạt động bằng cách sử dụng các lực và mô-men liên quan đến chuyển động của piston để truyền động và không cần năng lượng bên ngoài.

Tuy nhiên, không giống như hệ thống Infiniti VCR, thiết kế FEV có hai cài đặt: độ nén cao và thấp, không có sự phân chia ở giữa FEV cho biết hệ thống đạt được quá trình chuyển đổi VCR trong vòng 0,2 đến 0,6 giây.

Đó là một hệ thống đơn giản, yêu cầu thủy lực và van hai chiều để khóa thanh vào một trong hai vị trí Thanh truyền FEV kết hợp hai piston thủy lực nhỏ, mỗi piston nằm trong một buồng chuyên dụng Một khoang thoát nước và khoang kia chứa đầy dầu áp suất thấp đi qua trục khuỷu và thanh truyền vào khoang đó.

Ưu điểm là thiết kế kiểu mô-đun và nhỏ gọn, do đó thanh điều khiển FEV VCR phù hợp với xu hướng hiện tại đối với các nền tảng động cơ đa năng Các thanh kết nối VCR có thể được sử dụng trên tất cả các nền tảng động cơ, bao gồm xăng, dầu diesel và nhiên liệu linh hoạt và trong các cấu hình bao gồm thẳng hàng và 'boxer', với lỗ khoan xuống tới 70 mm.

Trong nhiều năm, FEV đã vận hành xe trình diễn Lotus Elise MK1 Mẫu trình diễn có động cơ TC PFI 1,8 lít được giảm kích thước xuống còn 1,65 lít, hộp số sàn 6 cấp và thanh truyền VCR tạo ra tỷ số nén 8,8:1 và 12,0:1.

Ngoài trình diễn nội bộ này, công nghệ hai giai đoạn của FEV hiện cũng đang được vận hành trên nhiều phương tiện trình diễn khác nhau tại các địa điểm OEM hàng đầu.

FEV đã trưng bày một bản cắt ngang đang hoạt động tại Hội nghị SAE 2016 ở Hoa Kỳ và Dean Tomazic, phó chủ tịch điều hành của FEV Bắc Mỹ, cho biết rằng thử nghiệm OEM của Châu Âu đã rất thành công cho đến nay FEV có 50 động cơ đang hoạt động trong các đội thử nghiệm của các nhà sản xuất châu Âu.

Thanh điều khiển tinh vi của FEV đắt hơn nhiều so với thanh thép thông thường, nhưng giải pháp thay thế đánh đổi khí thải và nhiên liệu mà các nhà sản xuất động cơ phải đối mặt là một hệ truyền động điện hybrid được trang bị cho động cơ không phải VCR hiện có Con-que FEV có thể chứng minh là phương pháp rẻ hơn.

Một điện từ cho phép các thanh điều khiển áp suất dầu nhỏ và một bộ điều chỉnh lệch tâm nâng hoặc hạ ổ đỡ đỡ piston.

Hilite International chế tạo các bộ phận được sử dụng trong bộ điều

khiển thời gian van biến thiên (VVT) hoạt động đáng tin cậy bất chấp sự phức tạp của chúng.

4.4 Phát triển MCE-5 SA

Thiết kế Peugeot hoạt động bằng cách thay đổi chiều dài hiệu quả của các thanh truyền nối piston với trục khuỷu Khi thanh truyền ngắn, tỷ lệ nén thấp hơn và ngược lại Ở phía bên trái là piston thông thường của động cơ đốt trong Bên phải là xi lanh thủy lực với piston tác động kép Cơ cấu này hoạt động thông qua một hệ thống trục khuỷu với một bánh răng, có chuyển động điều chỉnh chiều dài của thanh côn hiệu quả và do đó điều chỉnh tỷ số nén trong xi lanh bên trái.

Động cơ MCE VCRi đã hoạt động trên chiếc Peugeot 407 Động cơ 1,5 lít tạo ra công suất 165kW và mô-men xoắn 420 Nm, với mức tiêu thụ nhiên liệu thử nghiệm là 6,7L/100km.

Điều đó so sánh với mô-men xoắn 155kW và 290 Nm, và 14,7L/100km đối với động cơ xăng V-6 3.0 của Peugeot 407 Một động cơ diesel 2,7 lít cũng được cung cấp trong xe sản xuất, cung cấp mô-men xoắn 150kW và 440Nm và 11,8L/100 km.

4.5 Gomecsys

Gomecsys là một công ty kỹ thuật của Hà Lan đã phát triển công nghệ tỷ lệ nén thay đổi của riêng mình Hiện tại, công ty có động cơ VCR thế hệ thứ tư đang chạy.

Hệ thống VCR hoàn chỉnh được tích hợp trên trục khuỷu và hầu như bất kỳ động cơ bốn thì nào cũng có thể được nâng cấp bằng cách thay thế trục khuỷu bình thường bằng trục khuỷu Gomecsys VCR.

Một trục có khớp nối trung tâm chạy qua trục khuỷu và ăn khớp với các bánh răng được ăn khớp với các đầu lớn của thanh côn lên hoặc xuống, do đó thay đổi hành trình và tỷ số nén của động cơ.

Giống như động cơ Infiniti VCR, động cơ Gomecsys có tỷ số nén vô hạn, giữa giới hạn trên và dưới.

Các công nghệ tiết kiệm nhiên liệu bổ sung được tích hợp trong hệ thống giúp tăng mức giảm CO2 tổng thể lên mức 18% được tuyên bố mà không thu hẹp quy mô.

4.6 Nissan VC-Turbo

Công nghệ VC-T được cho là mang lại nhiều lợi ích cho khách hàng, bao gồm giảm đáng kể mức tiêu thụ nhiên liệu và khí thải, đồng thời giảm mức độ tiếng ồn và độ rung Nó cũng nhẹ hơn và nhỏ gọn hơn so với các động cơ thông thường có công suất tương đương.

Infiniti đã cấp bằng sáng chế cho hơn 300 công nghệ mới trong động cơ VC-T.

5 Động cơ VC-TURBO của NISSAN

Sau hơn 20 năm nghiên cứu và phát triển bởi công ty mẹ Nissan, động cơ xăng tăng áp 4 xi lanh VC-T mới của Infiniti đại diện cho một bước đột phá lớn trong công nghệ hệ thống truyền động đốt trong.

Điều thú vị là công nghệ mới này lần đầu tiên được ra mắt trong dòng sản phẩm của Infiniti chứ không phải các loại xe Nissan chính thống Điều đó cho thấy một bản phát hành thận trọng, để kiểm tra trải nghiệm trong thế giới thực trên một mẫu xe nhỏ hơn và cũng gợi ý rằng chi phí có thể đáng kể và được hấp thụ tốt hơn bởi một thương hiệu có lợi nhuận cao hơn.

Phương pháp Infiniti VCR là một trong những phương pháp phức tạp nhất mà chúng ta từng thấy, nhưng nó cung cấp các thay đổi tỷ lệ nén biến thiên 'vô hạn', giữa 14:1 và 8:1 Một số cách tiếp cận khác cung cấp lựa chọn hoặc là 8:1 hoặc là 14:1.

Sự khéo léo của công nghệ động cơ VC-T nằm ở khả năng nâng hoặc hạ độ cao mà piston đạt được Kết quả là, dung tích của động cơ thay đổi và tỷ số nén có thể thay đổi trong khoảng từ 8:1 đến 14:1 Logic điều khiển động cơ tinh vi sẽ tự động cung cấp tỷ lệ tối ưu, tùy thuộc vào tình huống lái xe yêu cầu.

5.1 Cấu tạo

Thiết kế Infiniti VCR thay thế một thanh kết nối thông thường bằng một hệ thống đa liên kết, được vận hành bởi bộ truyền động 'Harmonic Drive' làm quay trục điều khiển ở đế động cơ Trục đó làm thay đổi góc của thanh đa liên kết và làm thay đổi khoảng cách hiệu dụng giữa trục khuỷu và piston, do đó làm thay đổi tỷ số dịch chuyển và tỷ số nén.

Động cơ VC-T sử dụng điều khiển thời điểm đánh lửa từng xi lanh và thời điểm van để kiểm soát các đặc tính đốt cháy với độ chính xác cao Điều khiển định thời van điện tử được sử dụng cho các van nạp, góp phần tăng tốc nhạy hơn và cho phép tiết kiệm nhiên liệu nhiều hơn trong điều kiện đốt cháy chu trình Atkinson Các van xả có điều khiển thời gian van thủy lực thông thường.

Động cơ VC-T có thể chuyển đổi giữa Atkinson và các chu trình đốt cháy thông thường mà không bị gián đoạn Mỗi chu kỳ cho phép hiệu quả đốt cháy cao hơn và hiệu suất động cơ tối ưu khi tỷ số nén thay đổi.

Động cơ VC-T có phun xăng đa điểm (MPI) và phun xăng trực tiếp (GDI), cân bằng giữa hiệu quả và công suất trong mọi điều kiện lái.

Vì lực ngang của piston tác dụng lên thành xi lanh là tối thiểu nên động cơ bốn xi lanh thẳng hàng VC-T không cần trục cân bằng để giảm rung động.

5.2 Nguyên lí hoạt động

 Thay đổi tỉ số nén

Động cơ VC-Turbo sử dụng hệ thống “đa liên kết” thay cho thanh truyền truyền thống, để có thể xoay trục khuỷu bằng một mô tơ từ đó thay đổi hành trình piston và thay đổi tỷ số nén Điều này cho phép thay đổi tỷ số nén liên tục khi cần trong phạm vi 8:1 đến 14:1 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.

 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 đó xoay trục khuỷu.

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

Tối ưu hóa bố cục liên kết

Vì sự thay đổi góc của U- Link, hành trình của piston nhỏ, U- Link vẫn thẳng đứng khi di chuyển xuống Điều này làm giảm ma sát với thành xi lanh, giảm công suất tiêu tốn do ma sát từ đó góp phần cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu Chuyển động tịnh tiến của piston giữa điểm chết trên và điểm chết dưới trở nên đối xứng từ đó giúp giảm rung.

5.3 Ưu điểm

Động cơ VC-Turbo có khả năng làm xê dịch khoảng cách piston di chuyển trong xi lanh lên tới 6 mm, và điều khiển tỉ số nén biến thiên từ 8:1 đến 14:1.

Theo Infiniti, động cơ xăng VC-Turbo dung tích 2.0L 4 xi lanh thẳng hàng cung cấp công suất 268 HP tại vòng tua 5.600 v/p và mô-men xoắn cực đại 380Nm tại vòng tua máy 4.400 v/p

Với công suất 268HP và sức kéo 380Nm này thì động cơ VC-Turbo hiệu quả hơn động cơ xăng tăng áp thông thường cùng dung tích cơ, thậm chí có thể cạnh tranh với động cơ xăng V6 (dung tích lớn hơn), đồng thời mạnh hơn 100HP so với CX-5 2.0L sử dụng động cơ SkyActiv – X của Mazda cũng mang lại tỉ số nén tương tự14:1 nhưng công suất chỉ 162HP

Động cơ VC-TURBO hoạt động hiệu quả với mức tiêu thụ nhiên liệu lần lượt cho 2 loại hệ dẫn động là cầu trước và 4 bánh lần lượt là 8,7 và 9,04L/100 km Với con số này, QX50 2018 tiết kiệm nhiên liệu 35% so với động cơ xăng V6 của QX50 thế hệ trước với hệ dẫn động cầu trước và 30% so với phiên bản dẫn động 4 bánh Bên cạnh đó, so với động cơ “đàn anh” VQ V6 3,5L của Infiniti, động cơ 2.0L VC-Turbo nhẹ hơn 18kg và đòi hỏi ít khoảng trống trong khoang động cơ hơn, nhưng sức mạnh và hiệu suất không hề giảm

Trong VC-Turbo, tiếng ồn do rung động của động cơ đã giảm từ mức trung bình chuẩn khoảng 30 dB xuống chỉ còn 10 dB Mức độ rung động thấp như vậy khiến động cơ bốn xi lanh VC-Turbo hoạt động trơn tru và tinh tế như động cơ V6 Động cơ V6 tiêu chuẩn của Infiniti cho các giai đoạn sau của quá trình phát triển VC-Turbo – động cơ VQ 3,5 lít của nhà sản xuất – tạo ra tiếng ồn rung 3 dB, chỉ thấp hơn một chút so với động cơ mới.

Tiết kiệm nhiên liệu lên đến 27%, giảm độ ồn 20dB so với những động cơ đốt trong thông thường khác.

Một ưu điểm khác của động cơ VC-Turbo là moment và hiệu quả tiêu thụ nhiên liệu như một động cơ diesel 4 xi lanh tăng áp cao cấp mà lượng khí thải vẫn đảm bảo.

Giúp động cơ hoạt động êm dịu hơn nhờ mối liên kết giữa trục khủy và thanh truyền “mềm” hơn.

Nhờ sự thay đổi góc của U- Link, hành trình của piston nhỏ, U- Link vẫn thẳng đứng khi di chuyển xuống làm giảm ma sát với thành xi lanh, giảm công suất tiêu tốn do ma sát từ đó góp phần cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu và tăng tuổi thọ các chi tiết

Cải thiện đáng kể hiệu suất của quá trình cháy từ đó giảm được đáng kể kích thước động cơ, giảm lượng khí thải độc hại ra môi trường