NGHIÊN CỨU ĐỘNG CƠ XĂNG TSI 1.4l CỦA VOLKSWAGEN

NGHIÊN CỨU ĐỘNG CƠ XĂNG TSI 1.4l CỦA VOLKSWAGEN Chuyên Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Ô Tô Volkswagen muốn làm cho động cơ xăng của mình sạch hơn và hiệu quả hơn, để khách hàng vui vẻ khi lái xe mà không lo lắng nhiều về tiêu hao nhiên liệu. Mục đích VOLKSWAGEN là tạo ra động cơ sử dụng ít nhiên liệu và giảm khí thải CO2 thấp hơn mà không bị giảm công suất.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC

BÀI BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ 1

NGHIÊN CỨU ĐỘNG CƠ XĂNG TSI 1.4l CỦA

VOLKSWAGEN

Chuyên Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Ô Tô

Sinh viên thực hiện:

Khóa: 44 Người hướng dẫn:

Vĩnh Long tháng … , năm 2022

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN

 Ý thức thực hiện:

 Nội dung thực hiện:

 Hình thức trình bày:

 Tổng kết kết quả:

( Người hướng dẫn xác định vào tương ứng)

Tổ chức báo cáo trưc hội đồng

Tổ chức chấm thuyết minh

Vĩnh Long, Ngày…… Tháng…… Năm 2022

Người hướng dẫn

i

Em xin chân thành cảm ơn!

ii

MỤC LỤC

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH SÁCH CÁC HÌNH iv

LỜI NÓI ĐẦU 1

Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ TSI 2

Chương 2: CÔNG NGHỆ TRÊN ĐỘNG CƠ TSI 4

2.1 Hệ thống tăng áp Supercharger 5

2.1.1 Siêu nạp dịch chuyển tích cực (PDS) 6

2.1.1.1 Hệ thống tăng áp Supercharger kiểu Root 6

2.1.1.2 Hệ thống tăng áp Supercharger kiểu Twin Srew 7

2.1.1.3 Hệ thống tăng áp Supercharger kiểu cánh quạt (vane) 8

2.1.2 Siêu nạp phụ thuộc động lực học (DS) 9

Kiểu ly tâm (Centrifugal Type) 9

2.1.3 Ưu điểm và nhược điểm của supercharger 10

2.2 Hệ thống tăng áp Turbochanger 11

2.2.1 Cấu tạo bộ tăng áp Turbochanger 11

2.2.2 Ưu nhược điểm của hệ thống tăng áp Turbochanger 12

2.3 Hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp GDI (Gasoline Direct Injection) 13

2.3.1 Những đặc tính kĩ thuật của động cơ GDI : 13

2.3.2 Nhược điểm của động cơ phun xăng trực tiếp GDI 14

2.3.3 Cấu tạo động cơ phun xăng trực tiếp GDI 15

2.4 Động cơ TSI Twincharger 16

2.4.1 Sự kết hợp supercharged hay Turbocharged 16

2.4.2 Nguyên lí hoạt động động cơ TSI 17

2.5 Công nghệ tăng áp điện 19

KẾT LUẬN 21

iii

DANH SÁCH CÁC HÌ

Hình 1.1 Động cơ TSI của Volkswagen 2

Hình 1.2 Mẫu xe Volkswagen Passat 3Y Hình 2.1 Hệ thống tăng áp Supercharger kiểu Root 7

Hình 2.2 Hệ thống tăng áp Supercharger kiểu Twin Srew 8

Hình 2.3 Hệ thống tăng áp Supercharger kiểu cánh quạt (vane) 9

Hình 2.4 Hệ thống tăng áp kiểu ly tâm (Centrifugal Type) 10

Hình 2.5 Hệ thống tăng áp Turbochanger 11

Hình 2.6 Mặt cắt của Turbocharger, màu đỏ: khí thải, màu xanh: khí nạp 12

Hình 2.7 Hệ thống đánh lửa GDI 13

Hình 2.8 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu của động cơ GDI 16

Hình 2.9 Xe Volkswagen Scirocco 16

Hình 2.10 Nguyên lí hoạt động động cơ TSI (chế độ không tải)……… 17

Hình 2.11 Nguyên lí hoạt động động cơ TSI (chế độ tải thấp)……….18

Hình 2.12 Nguyên lí hoạt động động cơ TSI (chế độ tải trung bình)……… 18

Hình 2.13 Nguyên lí hoạt động động cơ TSI (chế độ tải cao)……… 19

Hình 2.14 Hệ thống tang áp điện……….…….………20

iv

LỜI NÓI ĐẦU

Những năm gần đây nền kinh Việt Nam đang phát triển mạnh.Bên cạnh đó

kỹ thuật nước ta cũng từng bước tiến bộ Trong đó phải nói đến nghành động lực vàsản xuất ôtô, chúng ta đã liên doanh với khá nhiều hãng ôtô nổi tiếng trên thế giớinhư NISAN, VOLKSWAGEN ,HONDA, TOYOTA,…,cùng sản xuất và lắp rápôtô Để nâng cao trình độ và kỹ thuật,đội ngũ của ta đã tự nghiên cứu và chế tạo đó

là một yêu cầu cấp thiết

Nếu bạn thích cảm giác lái tuyệt vời và tiết kiệm nhiên liệu hiệu quả Khităng tốc ngay lập tức có một công nghệ giúp xe vận hành một cách trơn tru hầu nhưkhông có độ trễ, đó là công nghệ TSI trên xe của Volkswagen Tập đoàn

Volkswagen đã áp dụng công nghệ này ngày càng nhiều hơn trên những xe phổthông nhất

Volkswagen muốn làm cho động cơ xăng của mình sạch hơn và hiệu quảhơn, để khách hàng vui vẻ khi lái xe mà không lo lắng nhiều về tiêu hao nhiên liệu.Mục đích VOLKSWAGEN là tạo ra động cơ sử dụng ít nhiên liệu và giảm khí thảiCO2 thấp hơn mà không bị giảm công suất

Các giải pháp mà kỹ sư của VOLKSWAGEN đưa ra là: một động cơ kếthợp xăng phun trực tiếp và turbo tăng áp, và trong một số trường hợp sự kết hợpgiữa turbo điện cùng turbo tăng áp và một bộ siêu tăng áp làm việc cùng nhau.Động cơ TSI được sinh ra

Kết quả TSI là sự kết hợp giữa những lợi ích của cả hai loại động cơ xăng

và điện diesel: hoạt động mịn và yên tĩnh trên đường, đồng thời TSI cung cấp men xoắn cao – công suất lớn và độ trễ giảm đi đáng kể

mô-Hôm nay em sẽ giới thiệu về động cơ TSI của hãng Volkswagen

v

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ TSI

Trong ngành công nghiệp sản xuất ô tô thế giới, 3 tiêu chí luôn được đặt lênhàng đầu khi chế tạo một khối động cơ là công suất, thể tích và trọng lượng Vớilịch sử lâu đời cũng như thừa hưởng những công nghệ tiên tiến, các kỹ sư củaVolkswagen đã bắt tay vào nghiên cứu và cho ra đời động cơ xăng TSI lừng danh.TSI thỏa mãn cả 3 tiêu chí trên khi có trọng lượng nhẹ tối ưu, dung tích xy lanhđược giảm tối đa nhưng công suất và sức kéo được cải thiện nhiều lần so với mộtđộng cơ thông thường

TSI được viết tắt bởi: Turbocharger Stratified Injection, có nghĩa là động

cơ tăng áp kết hợp với công nghệ phun xăng trực tiếp Đây là công nghệ tiên phongcủa Volkswagen được áp dụng trên hầu hết các động cơ xăng Áp dụng công nghệphun xăng trực tiếp và turbo tăng áp Cùng với việc giảm kích cỡ (dung tích xi lanh)của động cơ giúp cho hiệu suất của nó cũng cao hơn nhờ giảm được tổn thất do masát Đối với môi trường, công nghệ TSI cũng được xem như một giải pháp xanh vìkhi giảm được mức tiêu hao nhiên liệu thì đồng thời cũng giảm lượng khí CO2 thải

phép động cơ cung cấp một mã lực và momen xoắn đáng kinh ngạc Với thiết kếnhỏ hơn và đốt cháy cực kỳ hiệu quả, động cơ TSI có thể cung cấp năng lượng tối

đa với mức tiêu thụ nhiên liệu tối thiểu

Hệ thống Supercharger sẽ hoạt động khi vòng tua thấp, khí xả ít Khi vòngtua động cơ cao hơn, hệ thống Turbocharger sẽ làm việc làm tăng hiệu suất nạp, xe

sẽ tăng tốc nhanh chóng mà không có độ trễ lớn

Nhờ công nghệ phun xăng trực tiếp kết hợp với turbo tăng áp giúp tăngcường hiệu suất cháy của động cơ Cơ chế hoạt động này mà động cơ TSI cho đầu

ra công suất cao hơn nhiều so với động cơ hút khí tự nhiên thông thường nhưnglượng nhiên liệu tiêu hao được giảm xuống

Với tiêu chuẩn khí thải ngày càng khắt khe nhằm bảo vệ môi trường,Volkswagen cũng phải có những bước tiến quan trọng trong việc thiết kế khối động

cơ xăng TSI nhằm đảm bảo phù hợp với yêu cầu của từng thị trường Tại Việt Nam,mẫu xe Volkswagen Passat sở hữu dung tích 1.8L, 4 xy lanh thẳng hàng, tuy nhiênđiểm đặc biệt là khối động cơ xăng TSI của Passat có đến 8 kim phun nhiên liệu Cụthể, 4 kim phun trực tiếp và 4 kim phun gián tiếp (phun trên đường ống nạp) nhằmnâng cao công suất tối ưu của xe trên đường trường mà vẫn đảm bảo tiết kiệm nhiênliệu khi xe di chuyển trong nội thành

vii

Hình 1.2 Mẫu xe Volkswagen Passat

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ TRÊN ĐỘNG CƠ TSI

Dung tích xy lanh động cơ ảnh hưởng trực tiếp vào mô-men xoắn đầu ra củađộng cơ cũng như kích thước của nó Những động cơ lớn thường cho mô-men xoắnđầu ra lớn vào lúc bắt đầu và vì thế xe thường có ưu thế tăng tốc tốt Tuy nhiên, tổnthất do ma sát nội bộ sinh ra cũng lớn hơn

Động cơ có sử dụng hệ thống tang áp giúp tăng lượng khí nạp vào buồng đốt

so với động cơ thông thường Bên cạnh đó, bộ điều khiển tính toán chính xác lượngnhiên liệu cần thiết để đốt cháy, nhờ đó những động cơ có dung tích nhỏ vẫn có thểsản sinh công suất và moment lớn Các tổn hao do ma sát được được giảm thiểutương ứng với kích thước động cơ nhỏ gọn Nhờ đó, hiệu suất của động cơ đượctăng lên

Ưu điểm nỗi trội của động cơ sử dụng công nghệ TSI:

+ Kích thước động cơ được thu nhỏ nên giảm trọng lượng của xe

+ Hệ thống tăng áp của động cơ TSI đạt công suất lớn với lượng nhiên liệuphun ra tối thiểu Giúp giảm tổn thất do ma sát sinh ra bên trong động cơ

+ Động cơ TSI được thiết kế với thông số kỹ thuật tối ưu moment xoắn cực đạingay tại vùng tốc độ vòng tua quay thấp, khoảng 1.500 hoặc 1.750 vòng/phút.Người lái có thể dùng moment xoắn tối đa trong một khoảng dãy dài của vòng tuamáy và động cơ TSI có thể kết hợp hoàn hảo với các cặp tỷ số truyền tương ứngphù hợp với tất cả các vị trí số Điều này ảnh hưởng tích cực đến cảm giác lái vàsuất tiêu hao nhiên liệu

+ Đối với những dòng xe theo phong cách thể thao đa dụng như Tiguan Khiđược trang bị động cơ công nghệ TSI nó sẽ cho ra công suất vớ thông số mạnh mẽ.Tương đương với các loại động cơ thông thường khác nhưng không cùng dung tíchxylanh

+ Trong các loại động cơ ôtô hiện đang có trên thị trường công nghệ TSI làmột giải pháp xanh TSI giúp giảm lượng khí CO2 thải ra môi trường do động cơsinh ra Đảm bảo theo tiêu chuẩn đánh giá khí thải EURO

viii

Tăng áp

Xe chạy trong thành phố, chở 1 người, vận tốc 50 km/h

là 15.000 vòng/phút đối với (kiểu Supercharger cánh quạt và chân vịt) và 40.000vòng/phút đối với (kiểu Supercharger ly tâm)

Một ví dụ của loại tăng áp supercharger

ix

Các loại Supercharger

Có 2 loại supercharger chính Loại đầu tiên được biết đến là PositiveDisplacement Supercharger – PDS (Siêu nạp dịch chuyển tích cực) và loại còn lại làDynamic Supercharger - DS (Siêu nạp phụ thuộc động lực học) Sự khác nhau cơbản giữa 2 loại này là PDS duy trì áp suất tại một mức không đổi ở mọi tốc độ động

cơ trong khi đó DS tạo ra áp suất lớn hơn khi vận tốc độ cơ cao hơn Đây là nềntảng để phân biệt 2 loại siêu nạp này Các bộ siêu nạp này được chia ra nhiều loạihơn nữa

2.1.1 Siêu nạp dịch chuyển tích cực (PDS)

Như đã nhắc đến ở phần trên, PDS không phụ thuộc vào tốc độ động cơ Có

3 loại chính của PDS đó là kiểu root và kiểu twin screw và kiểu vane

2.1.1.1 Hệ thống tăng áp Supercharger kiểu Root

Loại này có 2 cánh bơm được thiết kế đặc biệt quay ngược chiều nhau để nénkhông khí Dựa vào cách thiết kế cánh bơm, bộ tăng áp này lại được chia ra thànhnhiều loại: bánh bơm 2 bầu sóng, 3 bầu sóng, 4 bầu sóng,…Khi rotor quay, chúng

“giữ” không khí từ đầu vào giữa các bầu sóng, nén tạo áp suất và “đẩy” không khí

về hướng cổng ra của siêu nạp

Hình 2.1 Hệ thống tăng áp Supercharger kiểu Root

Ưu điểm

 Thiết kế đơn giản

 Phù hợp nhất với động cơ cao tốc

x

Như tên gọi, loại siêu nạp này có 2 trục vít xoay ngược chiều nhau Hoạtđộng của loại này tương tự như loại Root Nó cũng hút không khí từ đầu vào vàtruyền tới đầu ra Loại này cung cấp dòng không khí mượt mà hơn so với kiểu Root.

Hình 2.2 Hệ thống tăng áp Supercharger kiểu Twin Srew

 Gây ra tiếng ồn khi hoạt động

2.1.1.3 Hệ thống tăng áp Supercharger kiểu cánh quạt (vane)

Một số cánh quạt được gắn trên trống của bộ siêu nạp Những cánh quạt nàyđược đẩy ra ngoài bởi các lò xo được nén sẵn Cách bố trí này giúp cánh quạt tiếpxúc với bề mặt bên trong thân máy

Do vòng quay lệch tâm, không gian giữa hai cánh quạt nhiều hơn ở đầu vào

và ít hơn ở đầu ra Theo cách này, thể tích không khí từ đầu vào đến đầu ra sẽ giảmdần, giảm thể tích sẽ làm tăng áp suất không khí Do đó, hỗn hợp thu được ở đầu ra

sẽ cao hơn đầu vào

xii

2.1.2 Siêu nạp phụ thuộc động lực học (DS)

Áp suất dòng khí của loại này phụ thuộc vào tốc độ động cơ (khi tốc độ động

cơ cao hơn thì áp suất cung cấp cao hơn) Hiệu suất của loại này phụ thuộc vào tốc

độ động cơ

Kiểu ly tâm (Centrifugal Type)

Như tên gọi, kiểu này dùng lực ly tâm để nén không khí Thiết kế của siêunạp ly tâm giống với máy nén ly tâm Nó có bộ bánh bơm được kết nối với trụckhuỷu thông qua đai dẫn động Khi động cơ hoạt động, nó dẫn động bánh bơm hútkhông khí bên ngoài

Lực ly tâm tác động lên không khí làm tăng động năng của nó, đưa nó đếnmột bộ khuếch tán Không khí đưa vào bộ khuếch tán với vận tốc cao ở áp suấtthấp, bộ khuếch tán chuyển đổi không khí ở vận tốc cao áp suất thấp thành áp suấtcao tốc độ thấp, sau đó được đưa đến động cơ

xiii

Hình 2.3 Hệ thống tăng áp Supercharger kiểu cánh quạt (vane)

Hình 2.4 Hệ thống tăng áp kiểu ly tâm (Centrifugal Type)

2.1.3 Ưu điểm và nhược điểm của supercharger

Ưu điểm

+ Cho công suất cao

+ Tốt hơn cho việc làm tơi nhiên liệu

+ Hòa trộn hòa khí tốt hơn

+ Sản phẩm cháy sạch hơn

+ Đặc tính momen xoắn tốt hơn trên toàn phạm vi

+ Gia tốc phương tiện lớn hơn

+ Đốt cháy hoàn toàn và trơn tru

+ Thậm chí vẫn có thể dùng nhiên liệu với chất lượng đánh lửa kém

+ Cải thiện quá trình khởi động lạnh

+ Giảm lượng khí thải

+ Giảm tiêu thụ nhiên liệu cụ thể

+ Tăng hiệu quả cơ học

+ Hoạt động trơn tru và giảm xu hướng kích nổ ở động cơ diesel

Nhược điểm

xiv

+ Xu hướng kích nổ trong động cơ sử dụng hệ thống đánh lửa.

+ Tăng ứng suất nhiệt

+ Tăng nhiệt lượng mất do sự nhiễu loạn

+ Tăng tải khí

+ Yêu cầu tăng sự làm mát cho động cơ

2.2 Hệ thống tăng áp Turbochanger

2.2.1 Cấu tạo bộ tăng áp Turbochanger

Bộ tăng áp có hình dạng như 2 vỏ ốc sên được gắn chặt vào nhau, phía trongmỗi “vỏ ốc” có 1 cánh quạt được gọi là máy nén (Turbin) và một trục có tráchnhiệm nối “chết” 2 cánh quạt này với nhau Bộ tăng áp được lắp trực tiếp ở cửa xảđộng cơ để lợi dụng luồng khí xả làm quay Turbin trên cửa xả, do được lắp đồngtrục nên Turbin trên cửa nạp sẽ quay theo và nén không khí sạch đưa vào buồng đốt.Ngoài ra khi quay cánh turbin trên cửa nạp sẽ tạo ra luồng gió xoáy giúp trộn đềuhỗn hợp không khí với xăng, tạo điều kiện chu kỳ nổ diễn ra tốt hơn

Hình 2.5 Hệ thống tăng áp Turbochanger

Tốc độ quay của Turbin đến 30,000 vòng/phút khi không tải và có thể tănglên 80,000 – 100,000 vòng/phút lúc người lái nhấn ga, ngoài ra nó còn nhận trựctiếp khí xả nên nhiệt độ tỏa ra từ bộ tăng áp là cực kỳ nóng, nhiệt độ cao gây giãn

nỡ không khí trong khoang máy và làm giảm hiệu năng tăng áp (không khí lạnh sẽ

xv

chứa nhiều oxi hơn) Vì vậy các kỹ sư Volkswagen đã lắp thêm một lưới tản nhiệtlớn dành riêng cho bộ tăng áp để giảm nhiệt độ không khí trước khi đưa vào buồngđốt.

2.2.2 Ưu nhược điểm của hệ thống tăng áp Turbochanger

Ưu điểm của turbo tăng áp

Turbo tăng áp cho phép tăng lượng nhiên liệu nạp vào xi lanh, tăng áp suấtbên trong xi lanh, dẫn đến tăng hiệu suất đốt và tăng công suất lên tối đa 50% so vớiđộng cơ cùng dung tích xi lanh nhưng không có turbo

Nhược điểm của turbo tăng áp

Đối với các yếu tố kỹ thuật và chi phí, động cơ sử dụng turbo đòi hỏi phải sửdụng các piston khỏe hơn, các cần đẩy khỏe hơn và trục khủy cũng phải khỏe hơn

so với các động cơ không sử dụng turbo

Các Turbochager cũng tạo ra nhiệt bổ sung đáng kể, chính vì vậy mà động cơnóng hơn, vì vậy hệ thống làm mát bộ tản nhiệt lớn hơn và các valve chịu nhiệtđược sử dụng khá phổ biến

Các turbin có thể quay trên 100,000 vòng/phút (có thể lên đến 250,000 vòng/phút), chính vì vậy các động cơ được tăng áp đòi hỏi phải có nguồn cung cấp nhiênliệu dồi dào cùng với một bơm nhiên liệu dung tích cao hơn và có thể là cần thêmmột bộ làm mát nhiên liệu Nhiệt độ là kẻ thù lớn nhất của nhiên liệu, chính vì vậy

mà động cơ được tăng áp đòi hỏi phải có khoảng thời gian thay nhiên liệu ngắn hơnđộng cơ không được tăng áp

xvi

Hình 2.6 Mặt cắt của Turbocharger

2.3 Hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp GDI (Gasoline Direct Injection) 2.3.1 Những đặc tính kĩ thuật của động cơ GDI :

 Kết cấu đường ống nạp tạo được sự lưu thông của lượng gió tối ưu nhất

 Hình dạng piston lồi, lõm tạo thành buồng cháy tốt nhất, tạo được sự hòatrộn nhiên liệu- không khí tối ưu nhất

 Bơm xăng cao áp cung cấp xăng có áp suất cao đến kim phun và phun trựctiếp vào xi lanh động cơ

 Kim phun nhiên liệu có áp suất phun cao (50 ̣KG/cm2), chuyển động xoáylốc kết hợp với không khí tạo thành hòa khí tốt nhất

 Ở chế độ tải nhỏ, nhiên liệu được phun ở cuối quá trình nén Ở chế độ đầy tảinhiên liệu được phun trong quá trình nạp

 Tiêu hao nhiên liệu ít hơn

xvii