Giới thiệu: Trong chương này sẽ cung cấp cho nguời hoc những kiến thức về nhiệm vụ, yêu cầu, công dụng, nguyên lý làm việc của hệ thống phun xăng trực tiếp GDI, cũng như thể hiện khả nă
Vị trí, tính chất của học phần
Vị trí
Là môn học thuộc học phần chuyên ngành, được phân bổ ở học kỳ 5 trong chương trình đào tạo.
Tính chất
Môn học này sẽ cũng cấp cho sinh viên các kiến thức về nguyên lý hoạt động, sơ đồ mạch điện những hệ thống mới trên động cơ ô tô.
Mục tiêu của học phần
Về kiến thức
Khi kết thúc học phần, học sinh sinh viên có thể:
- Trình bày được cấu tạo, nguyên lí hoạt động các hệ thống phun xăng trực tiếp GDI; hệ thống xử lý khí thải, hệ thống cam thông minh
- Trình bày được nguyên lý hoạt động sơ đồ mạch điện những hệ thống mới;
- Trình bày được cấu tạo, nguyên lý hoạt động các hệ thống mới hiện đại trên động cơ ô tô.
Về Kỹ năng
Học phần sẽ cung cấp cho học sinh sinh viên những kỹ năng sau đây:
- Tìm kiếm sơ đồ mạch điện những hệ thống mới
- Vận dụng cấu tạo, nguyên lý hoạt động các hệ thống mới trên động cơ ô tô vào sửa chữa thực tế.
Năng lực tự chủ và trách nhiệm
- Tuân thủ các yêu các yêu cầu bảo đảm an toàn lao động, an toàn phòng chống cháy nổ và vệ sinh công nghiệp
- Rèn luyện thêm đức tính: cẩn thận, chịu khó, tỉ mỉ, chính xác, khoa học
- Có tinh thần tự giác, say mê học tập.
HỆ THỐNG PHUN XĂNG TRỰC TIẾP GDI
Cấu tạo hệ thống phun xăng trực tiếp GDI
GDI là từ viết tắt của cụm từ Gasonline direct injection Về cấu tạo của hệ thống nhiên liệu GDI khá phức tạp, nhưng nguyên tắc cơ bản vẫn sử dụng các tín hiệu từ động cơ
(qua các cảm biến) rồi xử lý tại bộ xử lý trung tâm ECU để điều chỉnh vòi phun (thời điểm, lưu lương, áp suất) Dưới đây là một số cảm biến quan trọng:
- Cảm biến lượng khí nạp: đo lượng không khí xy lanh hút vào
- Cảm biến oxy: đo lượng ôxy trong khí thải nhằm xác định nhiên liệu hòa trộn thừa hay thiếu xăng để ECU hiệu chỉnh khi cần thiết
- Cảm biến vị trí xupap: giúp ECU điều chỉnh lượng xăng phun vào phù hợp khi đạp ga
- Cảm biến nhiệt độ nước làm mát: đo nhiệt độ làm việc của động cơ
- Cảm biến hiệu điện thế để ECU bù ga khi mở các thiết bị điện trong xe
- Cảm biến áp suất ống tiết liệu: nhằm giúp ECU đo công suất động cơ
- Cảm biến tốc độ động cơ: dùng để tính toán xung độ động cơ
Hệ thống nhiên liệu GDI có nhiều ưu điểm hơn hệ thống EFI, nhưng để có thể trang bị hệ thống GDI, vật liệu sử dụng làm piston và xilanh phải có độ bền cao, do nhiệt sinh ra trong quá trình cháy cao hơn rất nhiều, ngoài ra việc chế tạo vòi phun cũng phức tạp hơn
Do vậy chi phí cho hệ thống nhiên liệu GDI cao hơn nhiều so với EFI Có lẽ đây là một lý do quan trọng khiến hệ thống GDI không phổ biến như EFI
Hệ thống nhiên liệu của động cơ GDI về cơ bản bao gồm: bơm tạo áp suất phun, hệ thống phân phối và ổn định áp suất (common rail), kim phun, hệ thống điều khiển phun, và các thiết bị phụ khác như: thùng nhiên liệu, lọc, bơm chuyển tiếp, van an toàn, …
Hình 1.1: Cấu tạo cơ bản của hệ thống phun trực tiếp GDI Ở động cơ GDI, nhiên liệu được đưa trực tiếp vào buồng đốt ở kỳ nạp hoặc kỳ nén Để đưa được nhiên liệu vào buồng đốt động cơ trong kỳ nén, hệ thống nhiên liệu phải đáp ứng được yêu cầu áp suất phun nhiên liệu của kim phun phải lớn hơn áp suất trong buồng đốt ở kỳ nén, đồng thời để nhiên liệu được phun tơi hòa trộn tốt với không khí trong buồng đốt thì áp suất phun đòi hỏi phải lớn hơn áp suất không khí trong buồng đốt ở kỳ nén rất nhiều
Hình 1.2: Ống phân phối và các kim phun
Việc tạo hỗn hợp trong buồng đốt động cơ GDI liên quan trực tiếp đến quá trình cung cấp nhiên liệu Nếu việc cung cấp nhiên liệu không đạt yêu cầu sẽ dẫn tới quá trình tạo hỗn hợp không tốt và quá trình cháy sẽ không phát huy hết công suất của động cơ, nhiên liệu không được đốt cháy hoàn toàn sẽ gây ra tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm môi trường
1.1.1 Yêu cầu của hệ thống nhiên liệu:
- Yêu cầu của hệ thống nhiên liệu là phải cung cấp nhiên liệu với lượng chính xác, khi nhiên liệu phun vào buồng đốt phải được bốc hơi nhanh chống, và hoà trộn đều khắp buồng đốt Hệ thống buồng đốt của động cơ GDI được thiết kế có các vách dẫn hướng để nhiên liệu khi phun vào sẽ được dẫn hướng va chạm vào lớp không khí và được bốc ra từng lớp tạo điều kiện thuận lợi cho việc bốc hơi và hoà trộn tạo hỗn hợp đồng nhất
- Hệ thống nhiên liệu còn phải đáp ứng được điều kiện tạo hỗn hợp phân lớp khi động cơ hoạt động chế độ tải nhỏ
1.1.2 Yêu cầu của áp suất phun: Để kim phun có thể phun vào buồng đốt vào kỳ nén thì áp suất nhiên liệu phải từ 4.0
MPa – 13.0 MPa (tuỳ từng loại động cơ) Các kim phun được bố trí chung hệ thống common rail, hệ thống này phải đảm bảo được việc tạo áp suất như yêu cầu vừa nêu và ổn định trong lúc kim hoạt động (vì trong quá trình phun có thể làm sụt áp suất trên đường ống sẽ ảnh hưởng đến chất lượng quá trình phun nhiên liệu) Đối với dòng nhiên liệu được phun vào buồng đốt nếu áp suất thấp nhiên liệu sẽ bốc hơi và hoà trộn không tốt, tuy nhiên nếu phun với áp suất quá cao dòng nhiên nhiêu sẽ xuyên qua khối khí có thể va chạm vào thành của buồng đốt cũng không tốt cho việc bốc hơi
1.1.3 Yêu cầu của kim phun:
Kim phun nhiên liệu của động cơ GDI được bố trí trực tiếp trong buồng đốt Kim phun là một nhân tố cấu thành buồng đốt của động cơ GDI : một mặt, nó quyết định khoảng không gian thời gian và vị trí của dòng nhiên liệu cung cấp cho buồng đốt Mặt khác, nó quyết định lượng nhiên liệu cấp vào buồng đốt để tạo ra tỷ lệ hỗn hợp chính xác và tạo ra vùng hỗn hợp đậm dễ cháy xung quanh bugi tại thời điểm đánh lửa So với kim phun nhiên liệu ở động cơ PFI, thì yêu cầu đối với kim phun động cơ GDI đòi hỏi cao hơn nhiều Trong thời gian ngắn từ 0.9 đến 6.0 ms phải đưa được lượng nhiên liệu từ 5 đến 60 mg vào buồng đốt và phải đạt được những yêu cầu trên Mặt khác, vì kim phun được bố trí trực tiếp trong buồng đốt nên nó phải đáp ứng được các yêu cầu tương tự như kim phun của động cơ Diesel
(loại buồng đốt thống nhất)
Các nhà chế tạo ô tô đã chế tạo ra những kim phun xăng có áp suất rất cao 50
KG/cm 2 , đây là loại kim phun lý tưởng Ở cùng một thời điểm nó tạo được dòng xoáy lốc lớn nên phun ra những tia nhiên liệu rất mịn: đây cũng chính là đặc điểm về kim phun của
GDI Sự phun xăng trực tiếp khác với hệ thống phun xăng trên đường nạp ở sự điều khiển của kim phun Nó cần một áp suất lớn do áp suất phun lớn để thắng được áp suất trong lòng xi lanh động cơ (trong buồng cháy) ở cuối kỳ nén
Kim phun phải hoạt động nhanh nhạy hơn từ 4 đến 5 lần so với các kim phun cổ điển do thời gian phun ngắn nhất ở chế độ cháy tầng Vì vậy một điện áp cao khoảng 90-100V cung cấp cho hệ thống nhiên liệu để giới hạn cường độ dòng điện cao có thể đạt đến 20A trong mạch điện (vì dòng điện quá lớn sẽ làm tăng kích thước các thiết bị điện và linh kiện điện tử) Hiệu điện thế cao này chỉ được sử dụng trong thời gian ngắn để nhấc ty kim của kim phun, còn việc giữ ty kim mở thì được thực hiện ở hiệu điện thế 12V
Trong những loại động cơ trước đây, hỗn hợp: Nhiên liệu + không khí phân tán không hoàn hảo nên sự phóng tia lửa điện ở các bugi là rất khó Tuy nhiên, điều này được động cơ GDI khắc phục Hơn nữa sự tiết kiệm nhiên liệu còn được thực hiện bởi sự sắp xếp theo lớp của hỗn hợp khi nhiên liệu được phun ra ở cuối kỳ nén, lúc này hỗn hợp nhiên liệu ở mức cực loãng Ở mẫu động cơ này, hỗn hợp nhiên liệu có độ đậm đặc tốt nhất khi nó xếp thành từng lớp ngay ở điện cực của bougie Sự cháy cực kỳ ổn định của hỗn hợp nhiên liệu cực loãng với tỉ lệ (không khí/xăng) = 1/40:
Với hỗn hợp được tạo thành từng lớp của động cơ GDI, đảm bảo cháy được hỗn hợp không khí + xăng cực loãng (sự đốt cháy nhanh chóng và ổn định : không làm giãm hiệu quả đốt cháy động cơ).Tỉ lệ của hỗn hợp cực loãng (không khí/xăng) = 40/1 (55/1)
Nguyên lý hoạt động hệ thống phun xăng trực tiếp GDI
1.2.1 Sơ đồ cấu tạo hệ thống phun xăng trực tiếp GDI
Hình 1.14: Sơ đồ cấu tạo hệ thống phun xăng trực tiếp GDI
1.2.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống phun xăng trực tiếp GDI
Nguyên lý hoạt động Hệ thống phun xăng trực tiếp (GDI) hoạt động dựa trên một nguyên lý cơ bản: phun xăng trực tiếp vào buồng đốt của động cơ
Hình 1.15: Kim phun nhiên liệu vào buồng đốt
Trong hệ thống GDI, bơm xăng thấp áp sẽ bơm nhiên liệu từ bình nhiên liệu và gửi nó qua bộ lọc nhiên liệu để loại bỏ các tạp chất Sau đó, van điều áp sẽ điều chỉnh áp suất nhiên liệu để phù hợp với yêu cầu của bơm cao áp Bơm cao áp sau đó sẽ nén nhiên liệu từ áp suất thấp thành áp suất cao Nhiên liệu áp suất cao này sau đó được chứa trong ống dẫn
Khi động cơ cần nhiên liệu để đốt, ECU sẽ ra lệnh cho kim phun nhiên liệu phun nhiên liệu từ ống dẫn vào buồng đốt
Lượng nhiên liệu được phun và thời điểm phun nhiên liệu được điều chỉnh chính xác để đảm bảo hiệu suất đốt tối ưu và tiết kiệm nhiên liệu.Cảm biến áp suất ống dẫn sẽ liên tục cung cấp thông tin về áp suất nhiên liệu trong ống dẫn cho ECU, giúp ECU điều chỉnh lượng nhiên liệu được phun một cách chính xác.Như vậy, hệ thống GDI cho phép việc phân phối nhiên liệu được kiểm soát chính xác, giúp tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu của động cơ
GDI trong quá trình khởi động động cơ: Khi khởi động động cơ, GDI hoạt động theo chế độ phun xăng đồng nhất Trong chế độ này, xăng được phun vào buồng đốt khi van nạp đang mở, tạo ra hỗn hợp khí-xăng đồng nhất Khi bugi phát tia lửa, hỗn hợp khí-xăng cháy, tạo ra năng lượng để đẩy piston
Khi GDI khi động cơ hoạt động ổn định : Khi động cơ hoạt động ổn định, GDI chuyển sang chế độ phun xăng phân tầng Trong chế độ này, xăng được phun vào buồng đốt khi van nạp đang đóng, tạo ra hỗn hợp khí-xăng phân tầng Hỗn hợp này có tỷ lệ khí-xăng lý tưởng ở gần bugi và loãng hơn ở xa bugi Khi bugi phát tia lửa, chỉ có hỗn hợp khí-xăng gần bugi mới cháy, giúp tiết kiệm nhiên liệu
Các chế độ phun nhiên liệu của phun xăng trực tiếp Ở hệ thống phun xăng GDI này sẽ có các chế độ phun xăng khác nhau đang được áp dụng Tùy vào nhà sản xuất và công nghệ động cơ mà các chế độ khác nhau Hiện tại chế độ phun hướng tia đang được áp dụng nhiều hơn cả
Chế độ phun dẫn hướng tường Ở động cơ có kiểu phun dẫn hướng tường thì sẽ có khoảng cách giữa bugi và vòi phun lớn Muốn đưa nhiên liệu đến gần bugi, nó được phun vào một hốc xoáy ở đỉnh piston, dẫn nhiên liệu về phía bugi được hỗ trợ bằng cổng hút gió xoáy Nhược điểm của hệ thống này là phát thải hydrocacbon cao nên hiện tại không được áp dụng nhiều
Chế độ phun dẫn dòng khí
Giống như ở động cơ phun dẫn hướng tường, chế độ hướng dẫn dòng khí của phun xăng trực tiếp cũng có khoảng cách giữa bugi và vòi phun xa Nhưng ở chế độ này nhiên liệu không tiếp xúc (tương đối) với các bộ phận động cơ nguội như thành xylanh và piston
Thay vào đó là phun có điều khiển bằng không khí, nhiên liệu chỉ được dẫn tới bugi
Nhưng chế độ phun này lại giảm hiệu suất nạp của động cơ và do đó ảnh hưởng công suất nên cũng không được sử dụng rộng rãi
Chế độ phun dẫn tia
Trong các động cơ có hệ thống phun xăng dẫn hướng tia phun, khoảng cách giữa bugi và vòi phun là rất nhỏ Khi đó nhiên liệu được phun vào trong giai đoạn sau của hành trình nén tạo ra hỗn hợp rất nhanh giúp quá trình đánh lửa diễn ra gần như ngay lập tức giúp tăng hiệu suất động cơ Đó là lý do chế độ phun dẫn tia này đang được sử dụng phổ biến và rộng rãi nhất Chế độ phun trực tiếp dẫn tia đang được áp dụng phổ biến.
Sự khác nhau giữa hệ thống phun xăng trực tiếp GDI và hệ thống phun xăng hiện hành MPI
hành MPI Đối với hệ thống nhiên liệu, động cơ sử dụng bộ chế hoà khí được thay thế bằng hệ thống phun nhiên liệu, phun đa điểm MIP Đối với loại này nhiên liệu được phun vào từng lổ nạp của từng xylanh, hiện nay hệ thống này được sử dụng rộng rãi nhất Tuy nhiên, động cơ MPI cũng có một số giới hạn về sự đáp ứng cung cấp nhiên liệu điều khiển sự cháy Bởi vì hỗn hợp nhiên liệu và không khí được nạp và trước trong xy lanh Mitsubishi đã đẩy lùi giới hạn đó bằng việc phát triển động cơ phun xăng trực tiếp vào xylanh động cơ tương tự như động cơ diesel Và hơn thế nữa, ở đầu thời điểm phun được điều khiển chính xác theo điều kiện tải
1.3.1 Những đặc tính kỹ thuật của động cơ GDI
- Đường ống nạp thẳng góc với piston, tạo được sự lưu thông của lưu lượng gió tối ưu nhất
- Hình dạng đỉnh piston lồi, lõm như hình vẽ tạo thành buồng cháy tốt nhất, tạo được sự hòa trộn nhiên liệu + không khí tối ưu nhất (hơn cả loại phun xăng MPI)
- Bơm xăng cao áp cung cấp xăng có áp suất cao đến kim phun và phun trực tiếp vào xi lanh động cơ
- Kim phun nhiên liệu có áp suất phun cao (50KG/cm2), chuyển động xoáy lốc kết hợp với không khí tạo thành hỗn hợp hòa khí (xăng + gió) tốt nhất
- Ở chế độ tải nhỏ nhiên liệu được phun ở cuối quá trình nén Ở chế độ đầy tải nhiên liệu được phun ở quá trình nạp
- Tiêu hao nhiên liệu ít hơn 35% so với động cơ phun xăng “MPI”
1.3.2 Một số ưu điểm của GDI so với các động cơ MPI
- Điều khiển được lượng xăng cung cấp rất chính xác, hệ số nạp cao như động cơ diesel và thậm chí hơn hẳn động cơ diesel
- Động cơ có khả năng làm việc được với hỗn hợp cực loãng (Air/Fuel) = (35-55)
(khi xe đạt được vận tốc trên 120 Km/h)
- Hệ số nạp rất cao, tỉ số nén cao () Động cơ GDI vừa có khả năng tải rất cao, sự vận hành hoàn hảo, vừa có các chỉ tiêu khác hơn hẳn động cơ MPI.
HỆ THỐNG XỬ LÝ KHÍ THẢI TRÊN Ô TÔ
Các phương pháp xử lý khí thải trên ô tô
2.1.1 Công nghệ hồi lưu khí thải EGR (Exhaust Gas Recirculation)
Xử lý NOx theo công nghệ EGR: Là phương pháp giảm nồng độ NOx bằng cách đưa một phần khí thải tuần hoàn trở lại hệ thống nạp động cơ và làm giảm nhiệt độ cháy giai đoạn nhiệt hay làm giảm nồng độ oxy trong động cơ Diesel Ngoài ra, khí thải tuần hoàn còn làm tăng nhiệt dung riêng của hòa khí nên nhiệt độ cháy giảm xuống Mục tiêu của việc hạ những thông số trên là để ngăn cản quá trình sinh NOx , giảm nồng độ chất này trong khí thải Bộ EGR có ưu điểm là hạn chế phản ứng tạo ra chất NOx, có khả năng kiểm soát tốt quá trình cháy và giảm nhiệt lượng khi cần thiết nên giúp giảm được lượng khí nạp, tiết kiệm nhiên liệu Tuy nhiên, do lượng khí được hồi lưu có tính trơ, không cháy nên sẽ làm giảm nồng độ oxy trong hỗn hợp, khiến hỗn hợp bị cháy nghèo Sau một thời gian sử dụng, van EGR hay bị nghẹt muội than, do vậy cần bố trí thêm một bộ lọc muội than PDF Nhưng nhìn chung, hệ thống EGR vẫn là một lựa chọn tối ưu, nhất là cho dòng xe tải nhẹ khi được bố trí thêm một bộ lọc muội than đi kèm, giúp hiệu quả xử lý khí thải tốt hơn rất nhiều
2.1.2 Công nghệ xúc tác khử NOx chọn lọc SCR (Selective Catalytic Reduction)
Xử lý NOx theo công nghệ SCR: Là hệ thống xúc tác khử NOx chọn lọc, được tích hợp hệ thống phun dung dịch DEF (Diesel Exhaust Fluid) DEF có thành phần chính là
32,5% Ure ((NH2)2CO) với độ tinh khiết cao, 67,1% là nước tinh khiết và 0,4% là các chất phụ gia khác được phun trực tiếp vào dòng khí thải nóng, nhờ nhiệt độ cao làm hơi nước bốc hơi khiến ure trong dung dịch phân hủy thành amoniac và axit isoxianic, qua phản ứng hóa học sinh ra N2 và H2O thoát ra môi trường
Công nghệ SCR cho phép các phản ứng giảm NOx diễn ra trong quá trình đốt cháy nhiên liệu, được gọi là công nghệ “chọn lọc” vì nó làm giảm các mức NOx bằng cách sử dụng amoniac như một chất khử trong một hệ thống chất xúc tác Phản ứng hóa học được gọi là “giảm”, trong đó DEF là chất khử có phản ứng với NOx để chuyển các chất ô nhiễm thành khí N2, nước và một lượng nhỏ CO2 DEF có thể bị phá vỡ nhanh để tạo ra ammonia oxy hóa trong dòng thải Công nghệ SCR có thể đạt được mức giảm NOx lên tới 90%, đồng thời giảm lượng phát thải HC và CO từ 50- 90% và phát thải PM từ 30-50% Các hệ thống
SCR được kết hợp với bộ lọc muội than DPF để giảm lượng phát thải cho PM
Hệ thống SCR cần phải bổ sung chất DEF theo định kỳ dựa trên hoạt động của xe Đối với xe tải nhẹ, DEF nạp theo chu kỳ thay dầu động cơ, còn với xe tải nặng sẽ phụ thuộc vào điều kiện hoạt động, số giờ sử dụng, quãng đường đi, tải trọng và các yếu tố khác Bộ
SCR có ưu điểm là tối ưu hóa quá trình cháy, nên khả năng tiết kiệm nhiên liệu/năng lượng tốt hơn, không ảnh hưởng đến độ bền động cơ; đặc biệt, ure không phải là loại hóa chất gây nguy hiểm cho sức khoẻ con người Tuy nhiên, hệ thống động cơ sử dụng công nghệ SCR nặng hơn vì bộ SCR có kích thước và trọng lượng khá lớn; tốn chi phí cho việc mua ure; hiệu quả của bộ SCR cao nhất ở tốc độ không đổi và tải cao, tuy nhiên kém hiệu quả ở chế độ không tải, dừng và khởi động; ure là một chất gây ô nhiễm môi trường nước và có hại cho cá Hệ thống SCR là một lựa chọn tốt cho các xe tải trung và tải nặng, thường bố trí thêm một bộ lọc muội than DPF đi kèm
Như vậy các dòng xe cùng tiêu chuẩn khi thải EURO nhưng có xe sử dụng dung dịch
(hay ở ngoài gọi là sử lý bằng nước) có xe không sử dụng là do nhà sản xuất ô tô sử dụng công nghệ xử lý khác
Thường thì xe tải nhẹ sử dụng công nghệ hồi lưu khí thải EGR còn xe tải trung và tải nặng sử dụng công nghệ công nghệ xúc tác khử NOx chọn lọc SCR.
Cấu tạo hệ thống xử lý khí thải trên ô tô
Hệ thống khí thải ô tô có nhiệm vụ dẫn và xử lý khí thải, loại bỏ chất độc hại trước khi thải ra môi trường và hạn chế tiếng ồn do ô tô gây ra trong quá trình vận hành Nhờ hệ thống khí thải, động cơ có thể hoạt động một cách hiệu quả và duy trì được độ bền trong phần lớn vòng đời của xe
Hệ thống khí thải ô tô thường được sản xuất với dạng ống tròn và gồm nhiều đoạn nối với nhau Hệ thống khí thải nằm ở gầm xe, kéo dài từ động cơ đến đuôi xe Vai trò của hệ thống khí thải là dẫn đường cho khí thải động cơ và kiểm soát áp suất thải của động cơ
Là bộ phận thuộc hệ thống phân phối khí, đầu xylanh được bố trí van xả của động cơ, chịu trách nhiệm điều khiển quá trình nạp/xả của trục cam Đây cũng là nơi để cổ góp kết nối và tạo nên kết cấu cố định Đầu xi lanh là vị trí kết nối cứng duy nhất trên toàn bộ ống xả, còn lại các vị trí khác được treo trên các gối cao su tổng hợp
Trong hệ thống khí thải ô tô, đối với động cơ có nhiều xylanh thì cổ góp là bộ phận dẫn và gom khí thải để đưa toàn bộ khí thải về một đường ống duy nhất Cổ góp có thể gồm nhiều ống dẫn riêng biệt hoặc có ống thông với nhau Mục đích là đảm bảo các đường ống khác nhau có áp suất gần bằng nhau
2.2.3 Turbocharger (chỉ có với xe sử dụng tăng áp)
Turbocharger sử dụng động năng của khí xả để làm quay cánh quạt, tăng áp suất khí sạch nạp vào động cơ Tùy theo thiết kế của toàn bộ động cơ turbocharger có thể được sử dụng hoặc không Khí thải sẽ giảm đi sau khi đi qua bộ phận này nên bộ giảm âm được giảm tải áp lực
2.2.4 Bộ xử lý khí thải (Catalytic converter)
Trên các xe đời mới, bộ xử lý khí thải là bộ phận chủ đạo trong cấu trúc của hệ thống khí thải Bộ xử lý khí thải chứa các chất xúc tác để các thành phần độc hại trong khí thải tác dụng với vật liệu bên trong thành các chất an toàn với môi trường
Bộ giảm âm hoạt động theo nguyên tắc khí thải có vận tốc càng thấp thì càng ít tạo ra tiếng ồn Bộ phận giảm âm cấu tạo từ các ngăn hình chữ Z để khí thải đi qua quãng đường dài hơn, tiêu tốn nhiều động năng hơn Với cơ chế này, khí thải sẽ gần như không gây ra âm thanh lớn sau khi thoát ra khỏi hệ thống xả.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống khí thải trên ô tô
2.3.1 Sơ đồ cấu tạo hệ thống khí thải trên ô tô
Hình 2.1: Sơ đồ cấu tạo hệ thống khí thải trên ô tô
2.3.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống khí thải trên ô tô
Sau khi ra khỏi động cơ, khí thải sẽ đi qua đầu xi lanh với chức năng là van xả của động cơ Tiếp đó, khí thải sẽ đến cổ góp và được gom về một đường ống duy nhất Sau đó, khí thải được dẫn vào turbocharger có tác dụng giảm động năng Bộ phận tiếp theo khí thải đi qua là bộ xử lý khí thải Tại đây, các thành phần độc hại trong khí thải như NOx, CO, PM, HC… sẽ được chuyển hóa thành các chất an toàn hơn như nước, CO2… Cuối cùng, khí thải sẽ qua bộ giảm âm trước khi thoát ra ngoài và kết thúc hành trình luân chuyển trong hệ thống khí thải ô tô
Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động của hệ thống khí thải ô tô
Các tiêu chuẩn khí thải trên ô tô
2.4.1 Tiêu chuẩn khí thải trên thế giới, tiêu chuẩn Châu Âu
Khí thải là một trong những nguyên nhân trực tiếp gây ra ô nhiễm môi trường như hiện nay, đặc biệt là ô nhiễm môi trường không khí Nó đã ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường, đời sống cũng như sức khỏe của con người Và các chuyên gia về môi trường đang nỗ lực tìm kiếm giải pháp an toàn và hiệu quả để hạn chế tình trạng này và đã cho ra “Tiêu chuẩn khí thải”- một chiến lược nhằm bảo vệ môi trường, đời sống người dân Tuy nhiên, quy định về tiêu chuẩn khí thải ở mỗi khu vực đều khác nhau và có đặc trưng riêng
Có 3 loại phổ biến và thải ra môi trường nhiều nhất là khí thải CO2, CFCs, NOx
- Khí thải CO2: là khí Cacbon điôxít (hay còn gọi là khí cacbonic) là một hợp chất ở điều kiện bình thường sẽ có dạng khí
- Khí thải CFCs: Chlorofluorocarbon (viết tắt là CFC) là một nhóm hợp chất hữu cơ halogen hóa đầy đủ, chỉ chứa clo, cacbon và flo Đặc tính của khí thải CFCs là có tính ăn mòn cao, được chia thành nhiều nhóm CFC khác nhau, điển hình như CFCl3, CFC11 hay
CFCl2 Tất cả các loại này đều có chung đặc điểm nổi bật là có thể làm suy yếu tầng ozone, gây hại cho môi trường
- Khí thải NOx: tên gọi chung của tập hợp nhóm các khí thải nito oxit- một trong các nhóm khí thải cực độc, gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người Là một trong những nguyên nhân gây ra hiệu ứng nhà kính và mưa axit, gây nguy hiểm cho con người
Nếu vô tình hít phải khí NOx với nồng độ cho dù rất thấp cũng sẽ gây ảnh hưởng xấu đến phổi, thậm chí trong không khí chỉ cần có 1% NOx sẽ đủ để gây chết người trong vài phút
Tiêu chuẩn Châu Âu: Là định mức về nồng độ các loại khí phát sinh từ quá trình hoạt động của các phương tiện giao thông Gồm carbon monoxide (CO), nitrogen oxide (NOx), hydrocarbon (HC) và particulate matter (PM) Tiêu chuẩn khí thải EURO hay còn được gọi là tiêu chuẩn khí thải châu Âu và được sử dụng phổ biến trên thế giới
Khởi xướng lần đầu tiên vào năm 1993 Từ 1/2005, tiêu chuẩn EU4 chính thức có hiệu lực cho động cơ Diesel và động cơ xăng tại các nước thuộc liên minh Châu Âu Cho phép tối đa 25 mg/km đối với khí thải dạng hạt và 250 mg/km đối với oxit nitơ (NOx) Và tiêu chuẩn này được áp dụng tới 8/2009 Trong 12/2006, Nghị viện Châu Âu đã quyết định áp dụng tiêu chuẩn Euro5 trên toàn Châu Âu từ ngày 1/9/2009 cho các xe ô tô tư nhân và áp dụng từ ngày 1/9/2015 cho các loại xe thương mại hạng nhẹ Điều này góp phần làm giảm lượng khí thải dạng hạt từ các loại xe sử dụng nhiên liệu Diesel đến 80% so với Euro4
(khoảng 5mg/km) Lượng khí thải NOx được giảm xuống còn 180 mg/km đối với xe sử dụng nhiên liệu Diesel và 60 mg/km đối với xe sử dụng nhiên liệu xăng Vào ngày 10/11/22, Ủy ban châu Âu (EC), cơ quan hành pháp cao nhất của Liên minh châu Âu (EU) đã thông qua việc áp dụng tiêu chuẩn khí thải Euro 7, nhằm thắt chặt giới hạn phát thải đối với các chất ô nhiễm chưa được kiểm soát trước đây như khí nitơ dioxide (NO2) từ các phương tiện vận tải hạng nặng, cũng như các chất dạng hạt mịn Tiêu chuẩn Euro 7 sẽ được áp dụng cho xe du lịch và xe tải nhỏ từ ngày 1/7/2025, cho xe buýt và xe tải từ ngày 1/7/2027
2.4.2 Tiêu chuẩn khí thải tại Việt Nam
Theo Quyết định số 49/2011/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ, các loại xe ô tô sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới phải áp dụng tiêu chuẩn khí thải mức 5 - Euro5 từ ngày
Những lưu ý khi áp dụng tiêu chuẩn khí thải mức 5
Xăng mức 5 có yêu cầu kỹ thuật cao hơn hẳn xăng mức thấp hơn Việc xe trang bị
Euro5 nhưng sử dụng nhiên liệu không đáp ứng được tiêu chuẩn có thể xảy ra báo lỗi hoặc hư hỏng một số chi tiết như kim phun nhiên liệu, hệ thống DPF (bộ lọc hạt của động cơ điêzen), cảm biến A/F (cảm biến oxy dải rộng), cảm biến oxy… làm giảm tuổi thọ động cơ do hàm lượng lưu huỳnh cao trong nhiên liệu; hình thành axit H2SO4 gây ăn mòn các chi tiết truyền động trong động cơ… Khi hệ thống xử lý khí thải báo lỗi, công suất động cơ sẽ bị giới hạn, gây ra tình trạng yếu máy và tăng tiêu hao nhiên liệu Đại diện VAMA khuyến cáo khách hàng cần sử dụng nhiên liệu có mức tiêu chuẩn tương đương hoặc cao hơn tiêu chuẩn khí thải của xe Nếu xe bị báo lỗi hoặc hư hỏng chi tiết do nhiên liệu không đáp ứng Euro5, tùy thuộc vào chính sách của mỗi hãng mà khách hàng sẽ được hỗ trợ xử lý và bảo hành
Như vậy, các động cơ đạt tiêu chuẩn Euro5 sử dụng nhiên liệu mức 5 là hợp lý nhất, tránh hoặc giảm thiểu việc sử dụng lẫn các loại xăng dầu có mức chất lượng khác
Tiêu chuẩn khí thải mức 5
Tiêu chuẩn khí thải mức 5 là tiêu chuẩn về phép thử và giới hạn chất gây ô nhiễm có trong khí thải tương ứng với mức Euro5 được quy định trong quy định kỹ thuật về khí thải xe cơ giới của Ủy ban kinh tế châu Âu của Liên Hợp quốc hoặc trong chỉ thị của Liên minh châu Âu áp dụng đối với xe cơ giới sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới
Từ ngày 01 tháng 01 năm 2022, các loại xe ô tô sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới phải áp dụng tiêu chuẩn khí thải mức5 theo Quyết định số 49/2011/QĐ-TTg của Thủ tướng
Chính phủ Cả 2 tiêu chuẩn mức 4 (đang được áp dụng) và mức 5 đều nhằm tạo ra những sản phẩm sạch hơn, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường Tuy nhiên, tiêu chuẩn khí thải mức
5 có những yêu cầu cao hơn, chặt chẽ hơn cũng như công nghệ mới hơn
Những điều cần biết về công nghệ khí thải Euro 5
Công nghệ Euro5 là một trong những tiêu chuẩn khí thải được áp dụng tại nhiều quốc gia để giảm thiểu lượng khí thải độc hại từ các phương tiện giao thông
* Giới hạn khí thải của công nghệ tiêu chuẩn Euro
Euro 5 đặt giới hạn cho các khí thải bao gồm khí carbon monoxide (CO), hydrocarbon (HC), oxit nitơ (NOx) và hạt bụi, giúp giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người
- Khí oxit nitơ (NOx): Giới hạn phát thải của động cơ Diesel đạt tiêu chuẩn Euro5 là
HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA TIA LASER
Cấu tạo hệ thống đánh lửa tia laser
Hệ thống đánh lửa Lazer được đưa vào thảo luận và là một lựa chọn đầy hứa hẹn cho việc áp dụng vào hệ thống đánh lửa động cơ từ giữa những năm 70 của thế kỷ trước Bộ đánh lửa bằng tia laser ít gây ô nhiễm hơn và có hiệu suất nhiên liệu hiệu quả hơn Tuy nhiên để sản xuất hệ thống đánh lửa bằng tia laser với kích thước nhỏ, mạnh mẽ đang gặp rất nhiều khó khăn Để nhiên liệu bắt lửa, tia laser phải tập trung ánh sáng tới xấp xỉ 100 gigawat trên 1cm 2 với xung ngắn hơn 10 millijoules (đơn vị đo Newton) mỗi bước sóng
Hình 3.1: Cấu tạo của hệ thống đánh lửa laser
Tại hội thảo về tia Laser và điện quang (CLEO:2011), được tổ chức tại Baltimore từ ngày 1/5 đến 6/5, các nhà nghiên cứu từ Nhật Bản đã mô tả một hệ thống tia laser đa chùm
Mở rộng chùm tia quang học
Tinh thể Laser + bộ ghép đầu vào
Sợi ánh sáng với kích thước đủ nhỏ để lắp vào vào đầu xilanh của động cơ Hệ thống laser mới này được làm từ gốm, và có thể được sản xuất đại trà với chi phí rẻ
Cấu tạo của hệ thống đánh lửa tia Laser gồm có các bộ phận chính sau:
- Sơi quang học để truyền tia Laser
- Buồng cộng hưởng tia Laser
- Bộ gương cầu tập trung chùm tia Laser
Nguyên lý hoạt động của hệ thống đánh lửa tia laser
Ánh sáng kích thích từ bộ phân phối tới bộ phát laser sẽ đi qua buồng cộng hưởng, buồng cộng hưởng khuyếch đại ánh sáng tới thành chùm tia laser Chùm tia laser đầu tiên sẽ đi qua bộ tạo sung Q-switch, sau đó đi qua hai gương cầu để tạo thành tia laser tập trung có đủ năng lượng cho đánh lửa
Các ưu điểm của hệ thống đánh lửa laser
Ngoài việc có khả năng làm việc lâu dài với động cơ có tỷ số nén cao, đánh lửa bằng tia laser còn có nhiều ưu điểm so với đánh lửa bằng tia lửa điện
Hình 3.2: Đánh lửa tia laser trên động cơ
Xupap hút Ống hút Ống thoát Vói phun nhiên liệu
+ Giúp khí thải sạch hơn
+Thời gian phát tia laser tính bằng nano giây (tia lửa điện là micro giây)
+ Có thể thay đổi độ sâu đánh lửa
- Tia laser có thể thực hiện đánh lửa đa điểm tối đa là 3 điểm
Hình 3.3: Các vị trí đánh lửa
Hệ thống đánh lửa tia laser trên các hãng xe ô tô
Audi là hãng xe tiên phong nghiên cứu và sử dụng công nghệ đánh lửa laser trên ô tô
Họ đã trình diễn công nghệ này trên mẫu xe concept Audi R18 e-tron quattro tham gia giải đua xe Le Mans vào năm 2014 và sau đó là sự theo sau nghiên cứu của một số hãng khác
Công nghệ đánh lửa laser đã được áp dụng trên một số mẫu xe hiệu suất cao như các loại xe thi đấu để cải thiện hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
Hệ thống biến thiên cam thông minh
Ở các động cơ cũ, góc mở sớm và đóng trễ của các xú pap nạp và thải được thiết kế cố định, hay nói cách khác góc phân phân phối khí chỉ thích hợp ở số vòng quay thiết kế của động cơ Do vậy, ở các chế độ hoạt động khác thời điểm đóng mở của các xú pap là không phù hợp nên khả năng nạp đầy hỗn hợp không khí và nhiên liệu vào các xy lanh cũng như thải khí cháy từ trong xy lanh ra ngoài là không đạt yêu cầu Nguyên nhân này làm cho hiệu suất và công suất của động cơ không đạt ở các chế độ hoạt động khác của động cơ
Hình 4.1: Hệ thống biến thiên cam thông minh Động cơ sử dụng hệ thống thời điểm mở xú pap thay đổi (Variable Valve Timing
System) có ưu điểm là tăng được mô men ở tốc độ thấp và tốc độ trung bình, tốc độ cầm chừng ổn định, tiết kiệm nhiên liệu, ô nhiểm thấp và công suất động cơ đạt tối ưu Hệ thống điều khiển thời điểm mở và đóng của xú pap thay đổi liên tục căn cứ vào tải và tốc độ của động cơ Để điều khiển thởi điểm đóng mở của xú pap bằng cách ECU điều khiển van dầu để xoay trục cam sớm hoặc trễ Hệ thống này được gọi là hệ thống điều khiển thời điểm xú pap thông minh (VVT-i)
Thời điểm đóng mở của các xú pap nạp được thiết kế thay đổi theo số vòng quay trục khuỷu, lưu lượng không khí nạp, chế độ tải, nhiệt độ nước làm mát… ECU sử dụng các tín hiệu từ các cảm biến và so sánh với góc phân phối khí thực tế đang hoạt động để điều chỉnh lại thời điểm đóng mở của các xú pap sao cho mô men và công suất của động cơ đạt tối ưu nhất
Hình 4.2: Sơ đồ các bộ phận của hệ thống biến thiên cam thông minh
4.1.1 Cấu tạo của hệ thống biến thiên cam thông minh
Hệ thống VVT-i bao gồm bộ điều khiển VVT-i để xoay trục cam nạp, mạch dầu và áp suất dầu dùng để xoay bộ điều khiển VVT-i và van điều khiển đường đi của dầu
Hình 4.3: Trục cam có bộ điều khiển VVT-i
Van điều khiển dầu (OCV)
Van điều khiển dầu OCV (Oil Control Valve) hay còn gọi là van điều khiển thời điểm của trục cam được điều khiển bởi ECU, Van dầu dùng để phân phối dầu đến bộ điều khiển VVT-i
Hình 4.4: Van điều khiển dầu (OCV)
Cấu trúc của van bao gồm một cuộn dây được điều khiển từ ECU, một van dùng để phân phối dầu đến bộ điều khiển VVT-i ECU sẽ thay đổi bề rộng xung đến cuộn dây để thay đổi vị trí của piston để phân phối dầu phù hợp với chế độ tải và tốc độ của động cơ Vị trí của van được xác định bởi lực từ và lực đàn hồi của lò xo
Khi ECU gia tăng bề rộng xung, lực từ làm van di chuyển thắng lực căng lò xo để mở dầu cung cấp đến bề mặt làm sớm Để làm trễ thời điểm, ECU giảm bề rộng xung, lực đẩy của lò xo làm van di chuyển về vị trí trễ
Khi trục cam ở vị trí mong muốn, ECU sẽ điều khiển van ở vị trí giữ
Hình 4.5: Bộ điều khiển VVT-i
Bộ điều khiển thời điểm mở của cam bao gồm một vỏ được dẫn động bởi trục cam thải (hoặc điều khiển từ trục khuỷu động cơ qua sên cam) và một van lắp cố định với trục cam nạp Áp suất dầu từ phía làm trục cam xoay sớm hay trễ sẽ làm xoay van của bộ điều khiển VVT-i để thay đổi thời điểm mở sớm và đóng trễ của các xú pap nạp
Khi động cơ dừng, trục cam được xoay về phía thời điểm mở trễ nhất để đảm bảo khả năng khởi động lại Khi khởi động áp suất dầu không được cung cấp đến bộ điều khiển
VVT-i, chốt hãm sẽ khoá các cơ cấu hoạt động của bộ điều khiển để tránh va đập
4.1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống biến thiên cam thông minh Điều khiển sớm
ECU tính toán thời điểm mở sớm của trục cam căn cứ vào các tín hiệu nhiệt độ nước làm mát, lưu lượng không khí nạp, vị trí bướm ga và tốc độ của động cơ
Khi ECU điều khiển mở sớm thì van dầu ở vị trí như hình bên Ap suất dầu được cung cấp từ van dầu đến bộ điều khiển VVT-i, đến khoang cánh gạt về phía sớm để xoay trục cam về phía điều khiển xú pap mở sớm
Hình 4.6: Điều khiển sớm Điều khiển trễ
Khi ECU điều khiển van ở vị trí mở trễ, vị trí van như sơ đồ bên Trường hợp này mạch dầu di chuyển ngược lại, dầu từ van được cung cấp đến khoang cánh gạt về phía trễ làm cho trục cam xoay theo để điều khiển thời điểm mở trễ của các xú pap nạp
Hình 4.7: Điều khiển trễ
Khi ECU xác định được thời điểm mở sớm của cam nạp là tối ưu nhất ứng với một chế độ hoạt động nào đó, nó sẽ điều khiển van dầu khóa dầu cung cấp đến bộ điều khiển
VVT-i để giữ nguyên góc phân phối khí hiện tại
Hình 4.8: Giữ cố định
Hệ thống ngắt xy lanh tự động
4.2.1 Sự Ra Đời Của Hệ Thống Ngắt Xi Lanh Tự Động
- Các nhà sản xuất ô tô không ngừng phấn đấu để tạo ra những công nghệ giúp tiết kiệm nhiên liệu và cải thiện hiệu suất cho xe của họ Công nghệ vô hiệu hóa xi lanh là một ví dụ như vậy
- Chiếc xe ngừng hoạt động xi-lanh được biết đến sớm nhất là chiếc Sturtevant 1905 do Boston chế tạo Bằng cách tắt một trong các nam châm và hạ van xả của chúng xuống, người lái xe có thể vô hiệu hóa ba trong số sáu xi-lanh của Sturtevant
- Skoda và Volkswagen đã đề cập khá rõ ràng rằng động cơ mới này có khả năng tiết kiệm nhiên liệu cao nhờ công nghệ ngừng kích hoạt xi-lanh
- Hiện nay, trong hầu hết các tình huống thông thường, ô tô không phải lúc nào cũng yêu cầu công suất đầu ra cao nhất Trên thực tế, ngoài các tình huống vượt tốc độ cao hoặc thỉnh thoảng chạy tốc độ cao trên đường cao tốc, không có trường hợp nào mà chúng ta phải sử dụng 100% công suất động cơ Trong phạm vi RPM ở mức trung bình thấp, chúng ta vận hành bằng ga một phần Nếu giữ xe ở dải vòng tua thấp và không nhấn hết chân ga, chúng ta có thể tiết kiệm được rất nhiều nhiên liệu Kết quả là, trong hầu hết các trường hợp, không phải tất cả các xi lanh đều hoạt động hết công suất
4.2.2 Đôi Nét Về Hệ Thống Ngắt Xi Lanh Tự Động
Hình 4.9: Hệ thống ngắt xi lanh tự động
- Cylinder Deactivation, hay còn gọi là Active Fuel Management (AFM) hoặc
Variable Cylinder Management (VCM) trong một số hãng xe khác nhau, là một công nghệ được sử dụng để tối ưu hóa hiệu suất nhiên liệu của động cơ ô tô bằng cách tạm thời ngắt hoạt động của một hoặc nhiều xy-lanh trong động cơ đa xy-lanh Công nghệ này thường được áp dụng trong các động cơ có nhiều xy-lanh, như V8, V6, hoặc thậm chí cả động cơ 4 xy-lanh lớn
4.2.3 Công dụng của hệ thống:
- Công nghệ vô hiệu hóa xi lanh cho phép tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu mà không ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất của động cơ Nhiều người tiêu dùng lựa chọn xe được trang bị động cơ V-8 hoặc V-6 vì họ muốn tăng công suất, hiệu suất và khả năng kéo
Tuy nhiên, trên thực tế, động cơ này hiếm khi hoạt động hết công suất Khi lái xe quanh thị trấn, động cơ V-6 và V-8 ngốn xăng vô cớ vì mỗi xi-lanh của chúng vẫn đốt không khí và nhiên liệu
- Việc ngừng kích hoạt xi lanh giúp tăng cường hiệu quả sử dụng nhiên liệu của xe
- Việc ngừng kích hoạt xi lanh hoạt động theo nguyên tắc là khi động cơ không cần đến tất cả các xi lanh thì một số xi lanh có thể được tắt để tiết kiệm nhiên liệu Điều này có thể xảy ra trong điều kiện lái xe nhẹ nhàng, khi xe không tăng tốc và không cần thêm năng lượng
- Vô hiệu hóa xi lanh là một trong những cách mà các nhà sản xuất ô tô áp dụng để giảm thiểu ô nhiễm của động cơ khi hoạt động hạn chế một phần nào các tác động xấu đối với môi trường
4.2.4 Vai Trò Của Hệ Thống:
Công nghệ ngắt xy-lanh tự động (Cylinder Deactivation) đóng một vai trò quan trọng trong ngành ô tô với những tầm quan trọng sau:
- “Tiết kiệm nhiên liệu”: Một trong những tầm quan trọng quan trọng nhất của công nghệ ngắt xy-lanh tự động là giúp tiết kiệm nhiên liệu Khi động cơ chỉ sử dụng một phần các xy-lanh hoặc tắt một số xy-lanh khi không cần thiết, tiêu thụ nhiên liệu giảm đáng kể, đặc biệt là trong các tình huống lái xe ở tốc độ thấp hoặc dưới tải công suất nhẹ
- “Giảm khí thải”: Công nghệ ngắt xy-lanh cũng giúp giảm phát thải khí như CO2 và các chất độc hại khác ra môi trường Điều này hỗ trợ các nỗ lực để làm cho ngành ô tô trở nên thân thiện hơn với môi trường và tuân thủ các tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt
- “Hiệu suất động cơ”: Ngắt xy-lanh tự động không chỉ dùng để tiết kiệm nhiên liệu mà còn giúp cải thiện hiệu suất động cơ trong các tình huống cần công suất cao Khi tất cả các xy-lanh hoạt động, động cơ có khả năng cung cấp công suất lớn hơn để đáp ứng nhu cầu lái xe
- “Trải nghiệm lái xe”: Các hệ thống ngắt xy-lanh tự động thường được thiết kế để hoạt động mượt mà và không làm ảnh hưởng đến trải nghiệm lái xe Người lái thường không cảm nhận được sự thay đổi khi các xy-lanh được tắt hoặc kích hoạt lại
- “Tuân thủ tiêu chuẩn khí thải”: Đối với các thị trường có tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt, như tiêu chuẩn khí thải Euro và EPA ở Hoa Kỳ, công nghệ ngắt xy-lanh tự động giúp các hãng xe đáp ứng các yêu cầu khí thải một cách hiệu quả hơn
=>Tóm lại, công nghệ ngắt xy-lanh tự động đã đóng một vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất nhiên liệu, giảm khí thải và tối ưu hóa hiệu suất động cơ trong ngành ô tô Đây là một phần của sự chuyển đổi toàn cầu đối với các nguồn năng lượng sạch và hiệu quả hơn
4.2.5 Yêu cầu của hệ thống
- Mức độ ảnh hưởng của khả năng tiết kiệm nhiên liệu của hệ thống ngắt xi lanh tự động còn phụ thuộc vào phong cách lái xe
Hệ thống SkyActive
Mazda đã công bố một bước đột phá trong công nghệ giảm thiểu khí thải CO2 và tiết kiệm nhiên liệu hơn áp dụng trên động cơ Skyactiv-X, động cơ xăng đầu tiên trên thế giới được thương mại hoá với hệ thống đánh lửa không cần bugi
Hình 4.12 : Động cơ Skyactiv-X hoàn toàn mới của Mazda
Công nghệ SkyActiv-X sử dụng công nghệ đánh lửa kết hợp cả trên động cơ xăng
(với bugi và tỉ số nén cao) và động cơ diesel (chu kỳ tự phát nổ với độ nén hỗn hợp nhiên liệu cao) Mazda gọi công nghệ này là SPCCI - Spark Controlled Compression Ignition, và cho biết thế hệ động cơ này có hiệu suất tốt hơn và giảm khí thải CO2 tới 30% so với các động cơ công nghệ hiện tại
4.3.2 Công dụng của động cơ skyactiv-x
Theo đó, mẫu xe Mazda3 trang bị động cơ Skyactiv-X 4 xy lanh 2.0L công suất 177 mã lực và mô men xoắn 224 Nm đã giảm bớt lượng khí CO2 thải ra ngoài chỉ con khoảng
96gr/100 km tuỳ thuộc vào điều kiện vận hành theo các thử nghiệm WLTP mới nhất
Với công nghệ đánh lửa không cần bugi, Mazda tuyên bố rằng công nghệ truyền động mới sẽ giúp cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu cũng như giảm lượng khí thải CO2 tới 30%, nhờ công nghệ đốt siêu tối ưu Chưa kể, Mazda3 Skyactiv X sắp ra mắt cũng trang bị hệ thống hybrid điện 24V giúp cho mức tiêu thụ nhiên liệu và khí thải ở mức tối thiểu
4.3.3 Yêu cầu của động cơ skyactiv-x
Như chúng ta đã biết, kích nổ là hiện tượng làm tỷ số nén của động cơ xăng bị giới hạn Trong khi theo “cách cháy” của động cơ diesel lại hoàn toàn có thể áp dụng tỷ số nén cao Với tỷ số nén cao thì sức mạnh động cơ càng lớn, quá trình cháy tốt hơn Động cơ Skyactiv- X là sự kết hợp của những ưu điểm tốt nhất của động cơ xăng và động cơ dầu diesel Bắt nguồn từ ý tưởng động cơ HCCI (Homogeneous Charge
Compression Ignition) một loại động cơ xăng nhưng không cần bugi Thay vào đó hỗn hợp môi chất sẽ tự cháy nhờ áp suất và nhiệt độ cao giống nguyên lý động cơ dầu diesel
Skyactiv-X đạt được tỷ số nén lên đến 16:1 thay vì 14:1 Nhờ đó mà Skyactiv-X có thể hoạt động như hình mẫu động cơ tăng áp, dung tích nhỏ nhưng công suất lớn Trong
Skyactiv-X, nhiên liệu được đốt cháy một cách triệt để giúp giảm mức tiêu hao nhiên liệu và khí thải ra môi trường
4.3.4 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ skyactiv-x
Mặc dù đây là một kiểu động cơ hoàn toàn mới nhưng nó cũng vẫn hoạt động dựa trên 2 cơ sở đó là: Nén và Đánh lửa Tuy nhiên, hãng xe Nhật đã chỉnh sửa và kết hợp lại 2 yếu tố trên một cách chính xác Để làm được điều này, Mazda thiết kế:
- Đỉnh piston được thiết kế đặc biệt: Tỉ số nén tăng là do cấu tạo đỉnh piston thiết kế đặc biệt nhô lên làm thể tích buồng đốt nhỏ hơn Có thể đạt tỷ số nén lên tới 16:1 hoặc 18:1 trong khi động cơ xăng bình thường chỉ 10:1
- Hệ thống phun nhiên liệu áp suất cao: Kim phun đa điểm, tính chính xác rất cao
- Hệ thống cung cấp khí nạp với lượng khí rất lớn: Sử dụng siêu nạp Superchager Lý thuyết là 14.7:1 nhưng Mazda luôn cho thừa không khí, thậm chí tận 29.4:1 Từ đó xăng được đốt cháy hết 100% Lượng không khí thừa sẽ giản nở vì nhiệt và góp phần sinh công đẩy piston đi xuống, đồng nghĩa sẽ hấp thụ nhiệt bớt nóng động cơ
- Đánh lửa có kiểm soát: Mazda gọi đây là động cơ SCCI – Spark Controlled
Compression Ignition (Bugi vẫn được sử dụng để làm khởi đầu cho quá trình cháy) Việc đánh lửa của bugi dưới sự kiểm soát của một bộ xử lý điện tử phức tạp (ECU)
Hình 4.13: Đỉnh piston Mazda3
- Kết hợp với cảm biến bên trong xilanh: để có thể điều khiển toàn bộ động cơ
Với động cơ xăng hỗn hợp xăng và không khí sẽ được kích nổ bằng bugi và quá trình đốt cháy sẽ được lan dần ra từ ngọn lửa ban đầu Nó được gọi là phương pháp đánh lửa bằng bugi
Hình 4.14: Phương pháp đánh lửa bằng bugi
Với động cơ diesel không khí sẽ được nén tới áp suất và nhiệt độ rất cao sau đó dầu được phun vào buồng đốt và tự bốc cháy Nó được gọi là phương pháp đánh lửa nén
Hình 4.15: Phương pháp đánh lửa nén
Xăng là nhiên liệu dễ bốc cháy do đó việc kiểm soát nhiệt độ và áp xuất đến ngưỡng tự bốc cháy là công việc cực kì khó khăn, Mazda đã giới thiệu công nghệ SPCCI (Spark controlled compression ignition) nghĩa là đánh lửa nén được kiểm soát bằng bugi
Giống với động cơ Diesel, động cơ Skyactiv-X có tỉ số nén lên tới 16:1, không khí và xăng sẽ được nén tới ngưỡng tự bốc cháy Hệ thống phun cao áp làm cho xăng bị hóa hơi, đồng thời nó cùng với piston được thiết kế đặt biệt sẽ tạo ra những luồng khí xoáy nhằm hòa trộn nhiên liệu tốt hơn Skyactiv-X vẫn có bugi nhưng nó không dùng để kích nổ trực tiếp hỗn hợp xăng là không khí mà nó sẽ tạo ra 1 quả cầu lửa cục bộ làm tăng nhiệt độ và áp suất trong buồng đốt khiến hỗn hợp xăng và không khí tự bốc cháy Quá trình đốt cháy sẽ diễn ra đồng thời ở mọi điểm và nhanh hơn động cơ xăng Quá trình đốt cháy của động cơ xăng diễn ra chậm và chỉ hoàn thành khi piston gần đi đến điểm chết dưới Trong khí đó động cơ
Skyactiv-X hoàn thành từ rất sớm giúp đẩy piston đi xuống mạnh hơn
4.3.5 Ưu nhược điểm của động cơ skyactiv-x Ưu điểm của động cơ Skyactiv-X
- Cho công suất lớn hơn
- Chi phí bảo trì thấp
- Trải nghiệm cảm giác lái mạnh như đang chạy động cơ dầu diesel
- Giảm phát thải gây ô nhiễm môi trường
Nhược điểm của động cơ Skyactiv-X
- Tổng trọng lượng của phương tiện động cơ
- Gía thành chế tạo và sửa chữa cao hơn do tỷ số nén cao hơn, đòi hỏi các chi tiết máy của động cơ phải bền hơn
- Việc sửa chữa động cơ yêu cầu phải có máy chuyên dụng, công cụ đắt tiền và thợ kỹ thuật phải có tay nghề cao
Hệ thống EcoBoost
4.4.1 Giới thiệu về động cơ Ecoboost:
- Năm 2009: Ford ra mắt động cơ EcoBoost 3.5L V6 đầu tiên tại thị trường Bắc Mỹ và bắt đầu trang bị động cơ này trên những mẫu xe cỡ lớn
- Năm 2010: Các động cơ EcoBoost 4 xylanh có dung tích 2.0L và 1.6L cũng lần lượt ra đời bắt đầu được trang bị trên những mẫu xe cỡ nhỏ, cụ thể là dòng xe Ford Focus
- Năm 2012: Hãng xe Mỹ phát triển thành công động cơ EcoBoost 3 xylanh với dung tích 1.0L tại trung tâm kỹ thuật Dunton của Ford ở Anh quốc Động cơ tí hon này được ứng dụng đầu tiên vào mẫu xe Ford Focus phiên bản facelift đời 2012 và gần đây nhất là trên chiếc Fiesta phiên bản 2013 dành cho thị trường châu Âu
EcoBoost là thế hệ động cơ mới nhất với công nghệ phun xăng trực tiếp và tăng áp tích hợp do Ford sản xuất Thế hệ động cơ này vốn là thành quả hợp tác giữa hãng xe Mỹ và
FEV Engineering - một tập đoàn chuyên nghiên cứu, phát triển và chế tạo động cơ đốt trong Động cơ EcoBoost được tích hợp khá nhiều công nghệ tiên tiến so với các mô hình thiết kế động cơ truyền thống nhằm cải thiện hiệu suất vận hành và cả lượng nhiên liệu tiêu thụ Cụ thể, mục tiêu mà Ford hướng tới chính là tạo ra một thế hệ động cơ mới (trước mắt là động cơ xăng) có khả năng cung cấp một lượng công suất và mô-men xoắn ngang bằng với những loại động cơ hút khí tự nhiên có kích thước và dung tích lớn hơn, đồng thời đem lại mức tiêu hao nhiên liệu hiệu quả hơn Với mục tiêu đó, Ford hy vọng động cơ EcoBoost sẽ cắt giảm được khoảng 15% lượng khí thải gây nên hiệu ứng nhà kính so với các mẫu động cơ truyền thống có dung tích lớn hơn với công suất vận hành tương đương
Hình 4.16: Động cơ EcoBoost 1.0L
4.4.2 Các công nghệ ứng dụng động cơ EcoBoost:
Hình 4.17: Hệ thống turbocharger trên động cơ Eco Boost Động cơ EcoBoost sử dụng turbo tăng áp thay vì supercharger, turbo tăng áp giúp tăng lượng khí nạp vào buồng đốt bằng cách tận dụng áp lực từ dòng khí cháy để làm quay cánh tuabin của Turbo, ở một vòng tua máy lớn như vậy cánh turbin quay 250.000 vòng/phút tương đương 4.600 vòng/giây đòi hỏi vật liệu chế tạo phải thật tốt để đáp ứng yêu cầu làm việc Đặc biệt hệ thống tăng áp cần phải được làm mát liên tục Như các hệ thống tăng áp khác, khí nạp trước khi đi vào sẽ đi qua một bộ làm mát (intercooler) có thể là khí hoặc nước sau đó mới được đưa vào buồng đốt
Hệ thống phun xăng trực tiếp
Hệ động cơ EcoBoost mới được trang bị công nghệ phun xăng trực tiếp đặc biệt với kim phun được đặt trực tiếp vào chính giữa phần đầu của xylanh, làm tăng khả năng hòa trộn giữa không khí và xăng, giúp quá trình đốt cháy nhiên liệu diễn ra hiệu quả hơn
Hình 4.18: Công nghệ phun xăng trực tiếp trên động cơ EcoBoost
Nhiên liệu được cháy triệt để bởi một công nghệ phun xăng trực tiếp GDI (Gasoline
Direct Injection), công nghệ phun xăng tiên tiến nhất hiện nay Công nghệ GDI đòi hỏi một công nghệ thiết kế cực kì tinh tế, bền hơn, kim phun phải được chế tạo theo những quy trình khắc khe nhất Giúp cho lượng hòa trộn được tối ưu trong buồng đốt xoáy lốc
Hình 4.19: Kim phun nhiên liệu EcoBoost
Kim phun được gắn trực tiếp vào đầu xylanh với đầu phun nhô ra trong buồng đốt
Lượng nhiên liệu phun vào được tính toán một cách chính xác và trực tiếp trong xylanh nên sẽ không có sự lãng phí nhiên liệu so với hệ thống phun thông thường Phun nhiên liệu trực tiếp vào trong buồng đốt cho phép tăng tỷ số nén cao hơn, kim phun làm việc ở áp suất lên đến vài nghìn PSI, tạo ra hỗn hợp sương nhiên liệu tối ưu để trộn lẫn với không khí nạp
Hiệu suất nhiên liệu được tăng lên đáng kể (%)
Hệ thống xupap biến thiên Ti-VCT (Variable Cam Timing):
Tất cả các động cơ EcoBoost thế hệ mới đều được trang bị hệ thống xupap biến thiên theo thời gian Ti-VCT với hai trạng thái độc lập Hệ thống này sử dụng trục cam kép DOHC
(Double Overhead Camshaft) với một trục dẫn động các xupap nạp và trục còn lại dẫn động các xupap xả Trong quá trình vận hành, bộ điều khiển trung tâm (ECU) sẽ điều khiển hệ thống xupap dựa trên tác động vào dòng dầu áp suất cao nhằm làm xoay trục cam một góc nhỏ hơn so với vị trí ban đầu, từ đó thay đổi thời điểm đóng/mở của các xupap nạp/xupap xả Hai trục cam này được điều khiển một cách độc lập với nhau giúp tối ưu hóa thời điểm đóng/mở của các xupap xả cũng như xupap nạp Điều này sẽ giúp động cơ giảm thiểu lượng tiêu thụ nhiên liệu và khí thải độc hại mà vẫn không ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ
Hình 4.20: Trục cam kép DOHC
Hệ thống sử dụng van điều khiển dầu được điều khiển bằng ECU trên mỗi trục cam
Thông qua một piston, van này điều khiển áp lực dầu theo thời gian trên mỗi trục Dầu được chảy vào một buồng điều khiển được gắn ở đầu trục cam Áp suất dầu tác động lên làm quay mấu cam như hình trên Khi các mấu cam thay đổi, nó có thể xoay từ 45 đến 50 độ theo góc trục khủy
Hình 4.21: Cơ cấu hoạt động của hệ thống van biến thiên kép
Modun điều khiển hệ thống truyền động giám sát toàn bộ quá trình Cảm biến trục cam và trục khủy truyền dữ liệu về PCM (Powertrain Control Module) và thời gian thực hiện từ lúc bắt đầu thay đổi đến lúc hoàn toàn thay đổi của mấu cam chỉ mất khoảng 0.2s
Cấu trúc động cơ EcoBoost đặc biệt Động cơ Eco Boost được tinh giảm khoảng 25% số lượng các chi tiết và linh kiện, động cơ EcoBoost là một trong những động cơ nhỏ nhất và nhẹ nhất so với các động cơ khác cùng dung tích ở thời điểm hiện tại Đây là một đặc điểm giúp Ford giảm thiểu chi phí và thời gian sản xuất đồng thời cũng làm giảm mức tiêu hao nhiên liệu do khối lượng của động cơ đã giảm xuống một cách đáng kể
Thân máy được làm hoàn toàn bằng hợp kim và được đúc ở áp suất cực thấp Điều này không chỉ giúp các chi tiết trong động cơ có độ chính xác cao hơn mà còn khiến quá trình làm nóng diễn ra nhanh hơn, giúp giảm hao phí nhiên liệu so với thân động cơ bằng nhôm truyền thống
Ma sát bên trong động cơ được triệt tiêu một cách tối đa nhờ các cấu tạo đặc biệt bên trong xylanh như vỏ piston được tráng một lớp vật liệu đặc biệt có độ ma sát cực thấp tạo ra ít tiếng ồn hơn cũng như hạn chế tối đa rung lắc trong động cơ Xécmăng được lắp lỏng trong rãnh nên có thể tự xoay để giảm thiểu lực ma sát bên trong xylanh một cách tối đa
Hình 4.22: Piston và xéc măng được làm bằng vật liệu đặc biệt
Hệ thống Bi Turbo
Bi-turbo và Twin-turbo về bản chất đều gọi là hệ thống tăng áp kép Tức là có 2 bộ tăng áp trong một động cơ Tuy nhiên, thiết kế và nguyên lý hoạt động của Bi-turbo lại không giống Twin-turbo
Theo định nghĩa cũ thì động cơ tăng áp Bi-turbo có 2 bộ tăng áp, trong đó có một cái lớn và một cái nhỏ Còn Twin-turbo thì cả 2 bộ tăng áp có kích cỡ bằng nhau Đó là sự khác nhau cơ bản về thiết kế của Bi-turbo và Twin-turbo
Hình 4.24: Sơ đồ hoạt động của một hệ thống Bi-turbo
Thế nên các hãng xe hiện nay đã bắt đầu gọi chung các động cơ tăng áp kép là Twin- turbo Trong đó, Twin turbo sẽ được chia ra là 2 loại là Parallel (song song) và Sequential
(tuần tự) Parallel chính là Twin-turbo của định nghĩa trước đây vì xài 2 bộ tăng áp kích cỡ như nhau Còn Sequential thì chính là Bi-turbo trong định nghĩa trước đây, 1 bộ tăng áp nhỏ cho vòng tua thấp để giảm độ trễ và nếu vòng tua cao thì xài cả hai bộ
Hình 4.25: Động cơ Twin-turbo do Daimler sản xuất
Hãng xe vẫn còn xài thuật ngữ "Bi-turbo" gần đây nhất đó chính là Ford với chiếc Everest 2018 bản cao nhất được trang bị động cơ diesel EcoBlue 2.0L Bi-turbo I4
Mặc dù chỉ có dung tích 2,0 lít, nhưng hiệu năng động cơ dầu tăng áp kép này mạnh hơn nhiều so với động cơ 3.2L Duratorq 5 xy-lanh trên Everest cũ Cụ thể, công suất cực đại 210 mã lực ở 3.750 vòng/phút và mô-men xoắn tối đa 500Nm ở dài vòng tua rất thấp 1.750 –
Hình 4.26: Động cơ diesel EcoBlue 2.0L Bi-turbo I4 của Ford Everest 2018
Hệ thống nạp Bi-turbo mới của Ford nguyên lý hoạt động cũng như loại Sequential
Nó vẫn có hai bộ tăng áp (turbocharger), 1 nhỏ và 1 lớn Nhưng có sự khác biệt ở đây là hệ thống Bi-turbo của Everest 2018 có 3 pha hoạt động thay vì 2 pha thường thấy của loại tăng áp Sequential Ở pha đầu tiên - dải vòng tua thấp khoảng dưới 1.500 vòng/phút, thì chỉ có bộ tăng áp nhỏ hoạt động nhằm giảm cảm giác trễ tăng áp Cả hai bộ tăng áp nhỏ và lớn cùng hoạt động khi vòng tua của động cơ từ 1.500 vòng/phút đến 2.500 vòng/phút để cho mức mô men xoắn tốt nhất Còn ở dải vòng tua cao trên 3.000 vòng/phút, cụm tăng áp nhỏ sẽ được ngắt và chỉ còn cụm tăng áp lớn hơn hoạt động
- Động cơ turbo tăng áp kép giúp tăng sức mạnh cho động cơ
- Thiết kế không làm ảnh hưởng đến động cơ, thiết bị này giúp xe giữ được công suất trong khi xe ngày càng nhỏ gọn hơn
- Trải nghiệm lái xe bốc hơn, tăng tốc nhanh hơn,…
- Động cơ được trang bị turbo tăng áp có piston, trục khuỷu khỏe hơn so với động cơ không trang bị turbo Vì thế đòi hỏi kỹ thuật và chi phí cao hơn
- Động cơ sinh nhiệt cao vì vậy hệ thống làm mát cần lớn hơn
- Nguồn cung cấp dầu dồi dào, cùng đó là bơm dầu dung tích lớn hơn để bôi trơn và làm mát turbo.
Công nghệ phun nước vào buồng đốt
Công nghệ phun nước vào động cơ WaterBoost này đến từ hãng Bosch được thiết kế cho các động cơ 4 xylanh đang được sử dụng rộng rãi hiện nay Công nghệ này không chỉ nâng cao mức kinh tế nhiên liệu mà còn góp phần cải thiện công suất động cơ
Ban đầu, hệ thống phun nước (water injection) có nhiệm vụ ngăn ngừa sự kích nổ Vì thế, nó còn có tên gọi khác là ADI (anti-detonant injection) Khi có nước phun vào, các thành phần bên trong động cơ có thể được làm mát, đồng thời hạ thấp nhiệt độ của hỗn hợp nhiên liệu-không khí Hơn nữa, dòng nước được bơm vào sẽ hóa hơi do nhiệt độ cao, làm kìm nén sự kích nổ và gia tăng đáng kể tỷ số nén – biến nhiệt năng thành sức nén Nói nôm na thì chuỗi hiệu ứng trên giúp cải thiện sức mạnh cũng như hiệu quả hoạt động của động cơ, nhất là khi đi kèm các hệ thống nạp khí cưỡng bức
Cơ sở của công nghệ đầy tính sáng tạo này bắt nguồn từ một thực tế đơn giản: một động cơ để có thể hoạt động tốt thì không được phép quá nóng Để ngăn chặn điều này thì một lượng nhiên nhiệu được phun vào để làm mát khối động cơ Đây chính là nguyên nhân chính gây tổn thất nhiên liệu Ngày nay, hệ thống hồi tiếp khí thải ERG cũng góp phần hạn chế nhiệt độ động cơ Với hệ thống WaterBoost, các kỹ sư của Bosch cũng áp dụng nguyên lí này nhưng với nước Trước khi nhiên liệu bốc cháy, một làn nước mịn được phun vào ống dẫn khí Nhiệt độ sẽ được giảm khi gặp hơi nước
Bên cạnh đó, khi phun nước vào trong động cơ, nước gặp nhiệt độ cao sẽ lập tức bốc hơi từ đó tăng tỉ số nén trong lòng xylanh
Với chức năng làm mát và giảm tiêu hao nhiên liệu nhưng chỉ cần một lượng nước rất ít: cứ 100 km chỉ cần vài trăm ml nước Do đó, chỉ cần một bình chứa nước nhỏ gọn để cung cấp cho hệ thống phun nước và chỉ cần đổ đầy sau mỗi vài nghìn km Trong trường hợp bình nước đã sử dụng hết, không có gì phải lo lắng: động cơ vẫn sẽ chạy trơn tru như một động cơ bình thường
Bosch cho biết việc sử dụng nước sẽ không gây rỉ sét Nước sẽ bay hơi trước khi quá trình cháy xảy ra trong động cơ Tất cả nước được thải ra môi trường, cùng với khí thải
Hình 4.27: Công nghệ phun nước vào động cơ WaterBoost
Công nghệ này đã được sử dụng trong BMW M4 GTS có động cơ 6 xi-lanh tăng áp Hệ thống này sử dụng kim phun vì nó có lợi thế kỹ thuật rõ ràng và chi phí ít hơn Điều này làm cho phun nước phù hợp cho sản xuất quy mô lớn, cũng như cho nhiều phân khúc xe và có thể công nghệ này sẽ được sử dụng rất nhiều trong tương lai
BMW M4 GTS là mẫu xe thể thao 2 cửa đã lần đầu tiên ra mắt trong triển lãm Tokyo
2015 Trên thực tế, đây là phiên bản đặc biệt của dòng BMW M4 Coupe BMW M4 GTS có khối động cơ 6 xi-lanh TwinPower Turbo, dung tích 3.0 lít, sản sinh công suất tối đa 500 mã lực và mô-men xoắn cực đại 600 Nm Sức mạnh được truyền tới bánh xe thông qua hộp số ly hợp kép 7 cấp M DCT, cho phép BMW M4 GTS tăng tốc từ 0-100 km/h trong 3,8 giây và đạt vận tốc tối đa 305 km/h
Các kỹ sư của bộ phận BMW M đã chọn cách bố trí theo đó ba kim phun nước trong buồng nạp đầy đủ, mỗi kim phun nước cung cấp nước cho hai trong số các xi-lanh của động cơ thẳng hàng Giải pháp này giúp phân phối nước đồng đều và thiết kế hệ thống nhỏ gọn
Dưới sàn trong cốp xe chứa bình nước 5 lít, máy bơm nước, cảm biến và van Máy bơm và tất cả các cảm biến và bộ truyền động được điều khiển bởi hệ thống quản lý động cơ mở rộng Máy bơm cung cấp nước cho kim phun ở áp suất khoảng 10 bar Lượng phun có thể thay đổi tùy theo tải trọng, tốc độ động cơ và nhiệt độ, giúp duy trì mức tiêu thụ nước ở mức tối thiểu
Hình 4.28: Cấu tạo BMW M4 GTS
Hệ thống phun nước (WI) sẽ bao gồm: 1 bơm nước, ống dẫn, kim phun được thiết kế để điều chỉnh mức phun phù hợp cho tua máy và buồng đốt Theo đánh giá Châu Âu
(NEDC), hệ thống WI có thể nâng hiệu quả nhiên liệu lên 4%, do buồng đốt giảm nhiệt độ nên tỷ lệ nén được tăng lên và lượng nhiên liệu được giảm xuống
Bơm nước là một bộ phận quan trọng trong hệ thống làm mát của ô tô Nó chịu trách nhiệm chuyển nước từ bộ tản nhiệt qua động cơ và quay trở lại Máy bơm giúp đảm bảo rằng động cơ duy trì ở nhiệt độ ổn định
Hình 4.29: Bơm nước Ống dẫn nước Ống dẫn nước là một thành phần rất quan trọng của hệ thống, chúng có chức năng dẫn nước từ bình chứa đến kim phun Hiện nay có 2 loại ống dẫn nước được sử dụng phổ biến cho hệ thống là: Ống dẫn nước PE 16mm và Ống dẫn nước PE 4mm
Két nước có tác dụng để chứa nước và truyền nhiệt từ nước ra không khí để hạ nhiệt độ của nước thông qua dàn trao đổi nhiệt và cung cấp nước mát cho động cơ khi làm việc Để đảm bảo yêu cầu làm mát tốt nhất, két nước được cấu tạo từ những đường ống, xen lẫn là những lá nhôm mỏng nhằm tăng hiệu quả tản nhiệt
Nước được phun vào các khoang chứa của ống nạp dưới dạng tia phun mịn Khi nước bay hơi, không khí nạp nguội đi đáng kể Kết quả là, nhiệt độ nén cuối cùng trong buồng đốt
Động cơ sử dụng nhiên liệu Hydro
4.7.1 Giới thiệu Động cơ Hydro có 4 thì: Nạp – Nén – Nổ – Xả Động cơ Hydro vẫn có 2 loại, một loại sử dụng nhiên liệu phun trực tiếp vào buồng đốt, loại thứ 2 là nhiên liệu được trộn trong đường ống nạp rồi mới vào buồng đốt Động cơ Hydro sử dụng pin nhiên liệu trên Toyota
Mirai Động cơ Hydro được cải tiến của Honda
Hình 4.31: Động cơ Hydro sử dụng pin nhiên liệu trên Toyota Mirai
4.7.2 Cấu tạo của pin nhiên liệu hydro:
Hình 4.32: Cấu tạo Pin nhiên liệu
Pin nhiên liệu có lõi làm bằng một màng nhựa dẫn proton (PEM = Proton Exchange
Membrane = màng trao đổi proton) Trên cả hai mặt này được tráng một chất xúc tác bạch kim và điện cực bằng giấy than chì (tấm lưỡng cực)
Việc tạo ra năng lượng điện được thực hiện trong pin nhiên liệu nhờ khí hydro Năng lượng điện lưu trữ trong ắc quy hoặc cung cấp cho động cơ điện Các kênh dẫn khí nhỏ được phay trong các tấm lưỡng cực, thông qua các kênh này khí hydro được đưa vào ở một mặt và mặt còn lại là không khí hoặc oxy
4.7.3 Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu hydro:
Hình 4.33: Cấu tạo xe chạy pin nhiên liệu hydro Ở một bên của pin nhiên liệu ( cực âm ) khí hydro (H2) được tách thành proton và electron bởi chất xúc tác Chỉ có proton có thể vượt qua màng nhựa (PEM) để sang phía bên kia của pin (cực dương).Các electron (điện tử) không thể vượt qua màng nhựa được
Khi nối cực âm và cực dương, các electron mang điện tích âm di chuyển về phía tích điện dương và hình thành một dòng điện Dòng điện này có thể vận hành một thiết bị tiêu thụ điện, thí dụ một động cơ điện Ở cực dương các proton, electron và oxy kết hợp để tạo ra nước
4.7.4 Ưu – Nhược điểm của động cơ chạy bằng pin nhiên liệu hydro: Ưu điểm
- Không gây ô nhiễm, vì chúng chỉ thải nước H2O ra môi trường
- Phạm vi hoạt động lớn, khoảng 500km
- Hiệu suất cao dễ sử dụng
- Không cần bộ truyền lực phức tạp vì sử dụng động cơ điện
- Bơm nhiên liệu khí hydro nhanh, chỉ cần từ 3-5 phút
Vấn đề với xe chạy pin nhiên liệu hydro là nguồn cung cấp nhiên liệu hydro:
- Loại năng lượng được sử dụng để cung cấp khí hydro (dầu mỏ, uranium)
- Lưu trữ nhiên liệu hydro rất khó khăn (áp suất cao hoặc nhiệt độ thấp)
- Cơ sở hạ tầng phân phối nhiên liệu hạn chế
- Rác thải từ pin độc hại
- Chi phí thay thế cao
Công nghệ Flex Fuel
Xe sử dụng nhiên liệu linh hoạt (FFV) được thiết kế để chạy bằng xăng hoặc hỗn hợp xăng-etanol có nồng độ lên tới 85% etanol (E85) Ngoại trừ một số sửa đổi về động cơ và hệ thống nhiên liệu, chúng giống hệt với các mẫu xe chỉ chạy bằng xăng FFV không bị giảm hiệu suất khi vận hành bằng E85 và một số tạo ra nhiều mô-men xoắn và mã lực hơn so với khi vận hành bằng xăng Tuy nhiên, vì ethanol chứa ít năng lượng trên mỗi thể tích hơn xăng nên xe FFV thường đi được ít hơn khoảng 15%–27% số dặm trên mỗi gallon khi sử dụng nhiên liệu E85
Nhiên liệu linh hoạt (flex-fuel) là khi xăng thông thường kết hợp với methanol hoặc ethanol, được lưu trữ trong cùng một thùng với nhiên liệu, cung cấp cho động cơ Sự pha trộn giữa ethanol-xăng có thể điều chỉnh, nhưng tỷ lệ phổ biến thường là 85% ethanol và
Flex-Fuel được thiết kế đặc biệt để có thể hoạt động với bất kì hỗn hợp xăng/cồn
Những cảm biến và chương trình đặc biệt trong máy tính của động cơ sẽ kiểm soát lượng cồn trong nhiên liệu và điều chỉnh tỉ lệ phun nhiên liệu sao cho phù hợp Động cơ Flex Fuel (còn được gọi là E85) trên ô tô là một loại động cơ có khả năng hoạt động trên nhiều loại nhiên liệu, bao gồm cả ethanol và xăng thông thường Dưới đây là một số công dụng của động cơ Flex Fuel trên ô tô:
1 Đa nhiên liệu: Động cơ Flex Fuel có khả năng chạy trên nhiều loại nhiên liệu, bao gồm xăng và ethanol Điều này mang lại sự linh hoạt cho người sử dụng để chọn loại nhiên liệu phù hợp và thay đổi giữa các loại nhiên liệu tùy theo sự có sẵn và giá cả
2 Sử dụng nhiên liệu tái tạo: Ethanol được sản xuất từ các nguồn tài nguyên tái tạo như cỏ mía, rơm, ngô và nông sản khác Sử dụng động cơ Flex Fuel giúp hạn chế sự phụ thuộc vào dầu mỏ và đóng góp vào tiết kiệm tài nguyên và giảm khí thải carbon
Hình 4.34: Các thiết bị gắn trên động cơ Flex Fuel
3 Hiệu suất động cơ: Một số động cơ Flex Fuel được thiết kế và điều chỉnh riêng biệt để tận dụng các tính chất của ethanol Ethanol có khả năng tăng công suất, cho phép đạt hiệu suất tốt hơn so với động cơ sử dụng xăng thông thường
4 Giảm khí thải: Sử dụng ethanol có thể giảm khí thải carbon dioxide (CO2) và khí thải gây ô nhiễm môi trường so với xăng thông thường
5 Khuyến khích sử dụng năng lượng tái tạo: Sử dụng động cơ Flex Fuel khuyến khích các nguồn năng lượng tái tạo và hỗ trợ phát triển công nghệ và cơ sở hạ tầng liên quan đến ethanol Điều này cũng có thể đóng góp vào việc giảm nguyên liệu từ hóa thạch và đảm bảo an ninh năng lượng Lưu ý rằng công dụng và ưu điểm của động cơ Flex Fuel cũng có thể thay đổi tùy thuộc vào những yếu tố kỹ thuật cụ thể của từng loại động cơ và hiệu suất sử dụng nhiên liệu trong môi trường vận hành thực tế
Flex fuel (hay còn gọi là E85) là một công nghệ cấu tạo cho phép xe chạy bằng một hoặc nhiều loại nhiên liệu như xăng, ethanol và/hoặc methanol Để triển khai công nghệ này, hệ thống nhiên liệu của xe cần được thiết kế để có thể xử lý và đáp ứng với tính chất khác nhau của các nhiên liệu khác nhau Cụ thể, hệ thống nhiên liệu của xe flex fuel bao gồm các bộ phận khác nhau như bình chứa nhiên liệu, bơm nhiên liệu, bộ điều khiển động cơ và bộ cảm biến Bộ điều khiển động cơ của xe được lập trình để nhận biết và điều chỉnh hiệu suất đốt cháy theo từng loại nhiên liệu khác nhau, để đảm bảo hoạt động tối ưu của động cơ
Công nghệ Flex Fuel thì chiếc xe có thể lựa chọn sử dụng nhiên liệu xăng hoặc hỗn hợp ethanol Nhiên liệu hỗn hợp ethanol được ký hiệu bằng chữ E đứng trước và nó chứa
85% ethanol và 15% xăng Ethanol có chỉ số octan cao hơn nhưng chạy được quãng đường ngắn hơn Tuy nhiên nó có tính tích cực là được sản xuất từ nguồn sinh học
4.8.4 Ưu điểm và nhược điểm Ưu điểm
Lợi ích lớn nhất là việc sử dụng etanol xăng pha trộn giảm lượng khí thải độc hại như carbon monoxide, hydro carbon và oxit nitor Lượng khí thải hydrocarbon giảm 20% khi sử dụng hỗn hợp ethanol với xăng chỉ khi phương tiện sử dụng nhiên liệu E20 lượng khí thải carbonmonoxide giảm thấp hơn 50% ở xe hai bánh và thấp hơn 30% ở xe bốn bánh Một lợi ích khác là việc pha trộn sẽ giúp làm giảm bớt việc nhập khẩu xăng dầu
- Ethanol cháy sạch hơn và không gây độc hại, có công thức là C2H5OH
- E85 làm giảm lượng CO2, giảm sản lượng khí nhà kính - nguyên nhân chính gây ra hiện tượng nóng lên của trái đất
- Ethanol có thể tái tạo toàn bộ Sản xuất ethanol từ phế liệu sẽ giúp làm sạch môi trường, - Giá thành rẻ Do giá dầu ngày càng tăng và sự mất ổn định chính trị thế giới nên loại nhiên liệu có thể thay thế được là một lựa chọn hợp lí cho tương lai Nhiên liệu thay thế được có rất nhiều loại như biodiesel, ethanol, methanol
Hiệu quả sử dụng nhiên liệu sẽ mất nhiều thời gian ảnh hưởng nhỏ khi sử dụng nhiên liệu E20 hiệu quả sử dụng nhiên liệu bị giảm từ 6 tới 7% đối với xe bốn bánh được thiết kế cho E0 và được điều chỉnh theo E10 tổn thất khoảng 1 tới 2% đối với xe bốn bánh được thiết kế cho E10 và được hiệu chuẩn đối với E20, tổn thất là 3 đến 4% đối với xe hai bánh được thiết kế cho E0 và hiệu chỉnh cho E10
Động cơ không dùng trục cam
4.9.1 Giới thiệu về động cơ không trục cam Động cơ không trục cam sử dụng các công nghệ hiện đại như điều khiển van điện tử và máy tính để tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu
Hình 4.35: Động cơ không trục cam
4.9.2 Công dụng của động cơ không trục cam
Hệ thống động cơ không sử dụng trục cam đóng vai trò quan trọng trong các ngành công nghiệp như ô tô, hàng không và tàu thủy Nó cho phép tăng cường hiệu suất, giảm tiêu thụ nhiên liệu và giảm phát thải khí thải Đây là một công nghệ tiên tiến và hiệu quả
4.9.3 Các loại động cơ không trục cam Động cơ một van (SOHC) Động cơ này có 1 van đối với mỗi xi-lanh, giúp cho việc kiểm soát van điều khiển dễ dàng hơn Động cơ hai van (DOHC) Động cơ này có 2 van đối với mỗi xi-lanh, tăng khả năng kiểm soát van điều khiển hơn và tăng hiệu suất động cơ
Cấu tạo của động cơ không trục cam Động cơ không sử dụng trục cam tạo ra hoạt động mượt mà thông qua việc sử dụng các cơ cấu khác nhau
- Piston di chuyển động cơ tạo ra áp suất để đẩy bơm nhiên liệu và khí hỗn hợp ra khỏi xi lanh
- Hệ thống thủy lực: Hệ thống thủy lực kiểm soát mở/đóng van một cách chính xác và linh hoạt
- Đơn vị điều khiển điện tử: Đơn vị điều khiển điện tử ứng dụng công nghệ để điều khiển hệ thống động cơ một cách chính xác và hiệu quả
4.9.4 Nguyên lý hoạt động của động cơ không trục cam Động cơ không trục cam hoạt động theo nguyên lý khác biệt so với động cơ truyền thống Thay vì sử dụng trục cam để kiểm soát van nạp và xả khí, động cơ không trục cam sử dụng van điều khiển điện tử để kiểm soát quá trình đốt nhiên liệu
Thanh ray phía trên chứa dầu và không khí Khí nén sẽ đẩy van xuống, dầu dùng để giữ và ổn định chuyển động Lò xo giúp van đẩy trở lại, vị trí của van được theo dõi liên tục bởi các cảm biến ECU sử dụng ứng dụng trí tuệ nhân tạo AI trong điều khiển sự làm việc của xupap Đây là công nghệ điều khiển mở từng van độc lập mà không phụ thuộc vào bất kì yếu tố nào Là công nghệ duy nhất cho phép kiểm soát thời điểm, chiều dài, thời gian đóng mở của van
Bước 1: Nạp và xả khí Động cơ không sử dụng trục cam tận dụng mô-men xoắn để nạp và xả khí một cách chính xác và linh hoạt
Van trong động cơ không sử dụng trục cam được điều khiển bởi hệ thống thủy lực và đơn vị điều khiển điện tử
Bước 3: Điều chỉnh thời gian và pha Động cơ không sử dụng trục cam có khả năng điều chỉnh thời gian và pha để đáp ứng các yêu cầu vận hành khác nhau
4.9.5 Ưu điểm và hạn chế của động cơ không trục cam Ưu điểm
- Động cơ không trục cam có kích thước nhỏ gọn, hiệu suất cao và tiết kiệm nhiên liệu
- Kiểm soát được van nạp và xả giúp động cơ hoạt động êm ái hơn, giảm tiếng ồn và độ rung
- Động cơ không sử dụng trục cam có thể giảm khí thải và tuân thủ tiêu chuẩn môi trường gắt gao hơn
- Động cơ không trục cam có chi phí sản xuất cao và yêu cầu bảo trì định kỳ
- Phức tạp hơn để sản xuất và sử dụng động cơ này
- Những hư hỏng thường gặp của động cơ không trục cam
- Vấn đề với hệ thống van như van bị kẹt, van không đóng hoặc mở hoàn toàn có thể xảy ra
- Hỏng cảm biến: thiết bị phát hiện vị trí và thông số của van có thể gặp phải sự cố hoặc hỏng hóc
- Lỗi hệ thống điều khiển: nếu hệ thống điều khiển không hoạt động đúng cách, động cơ không trục cam có thể không hoạt động chính xác.
Động cơ xe Hybrid
4.10.1 Động cơ hybrid là gì
Xe hybrid (còn gọi là xe lai điện hay xe lai) là loại xe ô tô sử dụng song song hai nguồn động cơ là động cơ đốt trong và động cơ điện, tức là xe vừa chạy xăng, vừa chạy điện
Xe hybrid là loại xe ô tô sử dụng song song hai nguồn động cơ là động cơ đốt trong và động cơ điện
Chiếc xe hybrid đầu tiên ra mắt vào năm 1899, được chế tạo bởi Pieper, Liège của Bỉ và công ty truyền tải điện Vendovelli và Priestly của Pháp Trải qua quá trình dài nghiên cứu và phát triển, đến thập niên 90, khái niệm xe lai điện mới thật sự trở nên hấp dẫn
Các nhà sản xuất ô tô Nhật Bản có công rất lớn trong việc thương mại hoá dòng xe này Năm 1997, hãng Toyota ra mắt mẫu xe sedan hybrid Toyota Prius Cùng thời gian, hãng Honda cũng trình làng mẫu xe Honda Civic và Honda Civic hybrid Đây được xem là những chiếc ô tô đầu tiên đánh dấu việc dòng xe hybrid chính thức được thương mại hoá trong kỷ nguyên hiện đại
4.10.2 Cấu tạo động cơ xe hybrid
Cấu tạo xe hybrid tương tự như xe sử dụng động cơ đốt trong thông thường Động cơ kết nối với hệ thống truyền động để dẫn động các bánh xe Tuy nhiên xe hybrid có thêm một động cơ điện chia sẻ nhiệm vụ dẫn động hoặc hỗ trợ động cơ đốt trong Để cơ cấu này phối hợp nhuần nhuyễn và vận hành trơn tru cần có thêm một số bộ phận hỗ trợ khác như pin và bộ chuyển đổi công suất Pin (hay ắc quy điện áp cao) là thiết bị giúp tích trữ và cung cấp năng lượng cho động cơ điện Bộ chuyển đổi công suất giúp chuyển đổi nguồn động lực của động cơ thành nhiều phần phục vụ các mục đích sử dụng khác nhau như dẫn động xe và nạp điện cho pin
Hình 4.36: Cấu tạo xe hybrid gồm động cơ đốt trong và động cơ điện
Hiện nay, dòng xe full-hybrid được ứng dụng nhiều hơn cả bởi những ưu việt mà dòng xe mang lại Nguyên lý hoạt động của xe full hybrid khá đơn giản Trong từng giai đoạn xe lăn bánh, động cơ xăng và động cơ điện đều có vai trò & nhiệm vụ khác nhau
Giai đoạn 1: Khởi động Ở giai đoạn này, thông thường chỉ có động cơ điện hoạt động, máy xăng chưa khởi động Vì vậy, tài xế sẽ không thấy tiếng nổ của động cơ xăng khi đề máy
Giai đoạn 2: Nhấn ga di chuyển tốc độ thấp
Nếu tài xế chỉ nhấn nhẹ nhàng chân ga thì vẫn chỉ có mô tơ điện làm việc, cung cấp lực kéo cho trục dẫn động, đẩy xe về phía trước một cách nhẹ nhàng
Khi tài xế đạp sâu chân ga, ngay lập tức động cơ xăng được kích hoạt để hỗ trợ động cơ điện Bất cứ khi nào tài xế đạp thốc ga, dù ở vị trí đứng yên hay đang chạy đều ở dải tốc độ thấp, xe đều lấy thêm điện từ ắc quy để bổ sung cho động cơ điện, đồng thời động cơ xăng hoạt động hỗ trợ
Giai đoạn 4: Ổn định tốc độ
Khi xe đã đạt đến tốc độ ổn định, duy trì ổn định ở tốc độ trong khoảng 60 km/h cũng sẽ chỉ có động cơ điện hoạt động nếu pin còn đủ năng lượng Đặc biệt, động cơ xăng vẫn luôn sẵn sàng can thiệp bởi ở dải tốc độ này, xe luôn cần lực kéo nhiều hơn Chỉ cần tài xế nhích thêm ga, động cơ xăng khởi động, đồng thời chạy máy phát điện để cung cấp năng lượng cho mô tơ điện
Khi tài xế buông chân ga hoặc phanh để giảm tốc, động cơ lại đóng vai trò máy phát, sử dụng động năng lãng phí của xe khi phanh để nạp lại điện cho hệ thống pin hybrid
Khi xe dừng lại hẳn trong trường hợp chờ đèn đỏ, đỗ tạm thời, thì cả động cơ xăng và mô tơ điện sẽ tự ngắt để bảo toàn nguồn năng lượng.