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 CỦAVOLKSWAGEN

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

( 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

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện đề tài “Nghiên cứu động cơ TSI CỦA VOLKSWAGEN ”, Em đã nhận được sự giúp đỡ của thầy, giảng viên môn "Chuyên đề 1 Động cơ thế hệ mới" trong khoa cơ khí động lực Em xin bày tỏ lòng cảm ơn về sự giúp đỡ đó!.

Mặc dù đã có nhiều cố gắng trong suốt quá trình thực hiện đề tài, nhưng kiến thức còn hạn chế nên còn nhiều thiếu sót trong tìm hiểu, đánh giá và trình bày Em rất mong nhận được quan tâm, góp ý từ thầy để đề tài này được đầy đủ và hòan chỉnh hơn.

Em xin chân thành cảm ơn!

ii

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 2.10 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 và sản xuất ôtô, chúng ta đã liên doanh với khá nhiều hãng ôtô nổi tiếng trên thế giới như NISAN, VOLKSWAGEN ,HONDA, TOYOTA,…,cùng sản xuất và lắp ráp ôtô 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 Khi tăng tốc ngay lập tức có một công nghệ giúp xe vận hành một cách trơn tru hầu như không 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 phổ thông nhất.

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.

Các giải pháp mà kỹ sư của VOLKSWAGEN đưa ra là: một động cơ kết hợp xăng phun trực tiếp và turbo tăng áp, và trong một số trường hợp sự kết hợp giữa 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 mô-men xoắn cao – công suất lớn và độ trễ giảm đi đáng kể.

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 lên hàng đầu khi chế tạo một khối động cơ là công suất, thể tích và trọng lượng Với lịch sử lâu đời cũng như thừa hưởng những công nghệ tiên tiến, các kỹ sư của Volkswagen 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 lanh được giảm tối đa nhưng công suất và sức kéo được cải thiện nhiều lần so với một động 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 phong của Volkswagen được áp dụng trên hầu hết các động cơ xăng Áp dụng công nghệ phun 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 ma sát Đối với môi trường, công nghệ TSI cũng được xem như một giải pháp xanh vì khi giảm được mức tiêu hao nhiên liệu thì đồng thời cũng giảm lượng khí CO2 thải ra môi trường.

Với công nghệ này, những động cơ có thể được thiết kế nhỏ hơn, do đó đạt được mức tiết kiệm nhiên liệu cao, hệ thống tăng áp kết hợp phun xăng trực tiếp cho

Hình 1.1 Động cơ TSI của Volkswagen

phép động cơ cung cấp một mã lực và momen xoắn đáng kinh ngạc Với thiết kế nhỏ 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 vòng tua 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 tăng cường 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 nhưng lượng 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 nhiên điểm đặc biệt là khối động cơ xăng TSI của Passat có đến 8 kim phun nhiên liệu Cụ thể, 4 kim phun trực tiếp và 4 kim phun gián tiếp (phun trên đường ống nạp) nhằm nâng cao công suất tối ưu của xe trên đường trường mà vẫn đảm bảo tiết kiệm nhiên liệu khi xe di chuyển trong nội thành.

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 của động cơ cũng như kích thước của nó Những động cơ lớn thường cho mô-men xoắn đầu ra lớn vào lúc bắt đầu và vì thế xe thường có ưu thế tăng tốc tốt Tuy nhiên, tổn thất 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 lượng nhiên liệu cần thiết để đốt cháy, nhờ đó những động cơ có dung tích nhỏ vẫn có thể sản sinh công suất và moment lớn Các tổn hao do ma sát được được giảm thiểu tương ứng với kích thước động cơ nhỏ gọn Nhờ đó, hiệu suất của động cơ được tăng 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 liệu phun 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 đại ngay 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 tua máy và động cơ TSI có thể kết hợp hoàn hảo với các cặp tỷ số truyền tương ứng phù hợp với tất cả các vị trí số Điều này ảnh hưởng tích cực đến cảm giác lái và suất tiêu hao nhiên liệu.

+ Đối với những dòng xe theo phong cách thể thao đa dụng như Tiguan Khi được 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 tích xylanh.

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

viii

Supercharger được đặt trên động cơ được dẫn động bằng trục khuỷu thông qua một bộ truyền đai với puly Khí nạp qua Supercharger sẽ được nén lại bởi bánh công hoặc một cặp cánh quạt quay hoặc là Roto đối lập sau đó khí nạp sẽ được nạp vào buồng đốt Tốc độ động cơ càng cao thì sự cung cấp khí nạp của hệ thống Supercharger tăng lên Tốc độ tối thiểu để hệ thống Supercharger bắt đầu hoạt động là 15.000 vòng/phút đối với (kiểu Supercharger cánh quạt và chân vịt) và 40.000 vòng/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 Positive Displacement Supercharger – PDS (Siêu nạp dịch chuyển tích cực) và loại còn lại là Dynamic Supercharger - DS (Siêu nạp phụ thuộc động lực học) Sự khác nhau cơ bản 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 nền tảng để phân biệt 2 loại siêu nạp này Các bộ siêu nạp này được chia ra nhiều loại hơn 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 nén không khí Dựa vào cách thiết kế cánh bơm, bộ tăng áp này lại được chia ra thành nhiều 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 Hoạt động của loại này tương tự như loại Root Nó cũng hút không khí từ đầu vào và truyền 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 này được đẩy ra ngoài bởi các lò xo được nén sẵn Cách bố trí này giúp cánh quạt tiếp xúc 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 giảm dần, 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 siêu nạp ly tâm giống với máy nén ly tâm Nó có bộ bánh bơm được kết nối với trục khuỷu thông qua đai dẫn động Khi động cơ hoạt động, nó dẫn động bánh bơm hút không khí bên ngoài

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

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 trong mỗi “vỏ ốc” có 1 cánh quạt được gọi là máy nén (Turbin) và một trục có trách nhiệm nối “chết” 2 cánh quạt này với nhau Bộ tăng áp được lắp trực tiếp ở cửa xả động cơ để lợi dụng luồng khí xả làm quay Turbin trên cửa xả, do được lắp đồng trục 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 đều hỗn 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 tăng lên 80,000 – 100,000 vòng/phút lúc người lái nhấn ga, ngoài ra nó còn nhận trực tiếp 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 nhiệt lớn dành riêng cho bộ tăng áp để giảm nhiệt độ không khí trước khi đưa vào buồng đốt.

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 suất bên trong xi lanh, dẫn đến tăng hiệu suất đốt và tăng công suất lên tối đa 50% so với động 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 sử dụng 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 cơ nóng hơn, vì vậy hệ thống làm mát bộ tản nhiệt lớn hơn và các valve chịu nhiệt được 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 nhiên liệu dồi dào cùng với một bơm nhiên liệu dung tích cao hơn và có thể là cần thêm một 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 hơn động cơ không được tăng áp.

Hình 2.6 Mặt cắt của Turbocharger