Báo cáo hệ thống tăng Áp Động cơ Đốt trong

Lý do sử dụng Turbocharger Hệ thống tăng áp turbocharger được sử dụng trên ô tô để tăng hiệu suất động cơ và tăng công suất của xe bằng cách đưa thêm lượng không khí vào hệ thống đốt nhi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

BÁO CÁO

HỆ THỐNG TĂNG ÁP ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Lý Vĩnh Đạt Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thế Vinh - 21145555

Vc

Mục lục

1 Khái niệm về hệ thống tăng áp động cơ (Turbocharger) 2

1.1 Khái niệm 2

1.2 Lý do sử dụng Turbocharger 3

2 Ưu và nhược điểm của Turbocharger 3

2.1 Ưu điểm 3

2.2 Nhược điểm 4

3 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và cải tiến của Turbocharger 5

3.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 5

3.2 Cải tiến hệ thống Turbocharger của Honda (VTEC TURBO) 6

4 Tổng quan về công nghệ VTEC của HONDA 10

4.1 Lịch sử phát triển của VTEC 10

4.2 Nguyên lý hoạt động của VTEC 12

4.3 Ưu và nhược điểm của hệ thống VTEC Turbocharger 14

4.4 So sánh giữa VTEC và VVT-i 15

TÀI LIỆU THAM KHẢO: 17

1 Khái niệm về hệ thống tăng áp động cơ (Turbocharger)

1.1 Khái niệm

Bộ tăng áp động cơ ô tô, hay còn gọi là Turbocharger (turbo) là một thiết bị cảm ứng cưỡng bức, giúp động cơ đốt trong tăng công suất bằng cách đưa thêm khí nén vào buồng đốt Điều này giúp động cơ có khả năng đưa vào nhiều khí hơn so với động cơ hút khí tự nhiên

Bộ tăng áp turbo được tạo từ hai thành phần chính là turbin và bộ nén khí Turbin sẽ quay khi khí xả của động cơ được dẫn tới, kích hoạt bộ nén khí để ép khí vào khoang nạp vào xy-lanh của động cơ Với lượng khí lớn hơn được ép vào trong xy-lanh, nhiên liệu cũng được đưa vào nhiều hơn, và điều đó có nghĩa là xe sẽ hoạt động với công suất lớn hơn

Hệ thống Turbo

1.2 Lý do sử dụng Turbocharger

Hệ thống tăng áp (turbocharger) được sử dụng trên ô tô để tăng hiệu suất động cơ

và tăng công suất của xe bằng cách đưa thêm lượng không khí vào hệ thống đốt nhiên liệu Khi động cơ hoạt động, lượng khí thải được tạo ra trong quá trình đốt nhiên liệu Hệ thống tăng áp sử dụng cánh quạt để đẩy khí oxy nạp thêm vào động cơ, giúp tăng áp suất khí quyển dẫn đến tăng khả năng nạp nhiên liệu, tốc độ tăng tốc và công suất động cơ Việc sử dụng hệ thống tăng áp giúp giảm lượng khí thải giúp bảo vệ môi trường hoặc đạt được các tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt và tiết kiệm nhiên liệu trong khi vẫn đảm bảo hiệu suất động cơ đáp ứng nhu cầu vận hành của người lái Nó cũng giúp tăng tốc độ và độ mượt mà của xe

2 Ưu và nhược điểm của Turbocharger

2.1 Ưu điểm

Động cơ đốt trong cần tăng dung tích xy-lanh để tăng công suất, điều này sẽ làm cho kích thước và trọng lượng động cơ tăng lên, yêu cầu xe phải có khung gầm cứng và

hệ thống phanh lớn để đáp ứng khối lượng động cơ Điều này gây ra sự chậm chạp và không linh hoạt của xe cộ, cũng như tăng giá thành đáng kể

Trái lại, động cơ tăng áp turbo được thiết kế để tăng công suất mà không cần tăng dung tích xy-lanh Điều này giúp cho việc tăng cường hiệu suất hoạt động của xe một cách hiệu quả hơn, mà không cần thay đổi kích thước và trọng lượng của động cơ Theo các chuyên gia, động cơ turbo có thể tăng công suất từ 30% đến 40% so với động cơ không sử dụng turbo Việc trang bị động cơ turbo còn giúp giảm thiểu khí thải và tiết kiệm nhiên liệu, giúp xe gắn bó lâu dài với chủ nhân của nó

Ngoài ra Turbocharger còn giúp tiết kiệm nhiên liệu Với bộ tăng áp, động cơ hoạt động trơn tru hơn và tiêu thụ nhiên liệu hiệu quả hơn, giúp tiết kiệm chi phí nhiên liệu cho người sử dụng

Công nghệ bộ tăng áp còn giúp tăng cường hiệu suất động cơ, giúp giảm thiểu lượng khí thải, bảo vệ môi trường và đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt

2.2 Nhược điểm

Động cơ sử dụng turbo có nhiều ưu điểm như đã đề cập trong khi cũng có một số nhược điểm Đầu tiên, để đáp ứng yêu cầu động cơ tăng cường công suất, các chi tiết như piston, cần đẩy và trục khuỷu cần phải được gia cố để đảm bảo tính chất kỹ thuật Bộ tăng áp sinh ra lượng nhiệt lớn, do đó xe cần phải trang bị hệ thống làm mát với bộ tản nhiệt lớn và các valve có khả năng chịu nhiệt tốt

Thứ hai, khi sử dụng turbo động cơ, các turbin có thể quay lên đến 100.000-250.000 vòng/phút, vì vậy, xe cần thay dầu và bảo dưỡng ngắn hơn động cơ thông thường Bơm dầu có dung tích cao hơn kèm theo bộ làm mát dầu cũng là trang bị cần thiết để đáp ứng nhu cầu cung cấp dầu trong động cơ turbo

Cuối cùng, động cơ turbo có chi phí đắt hơn so với động cơ thông thường, bao gồm

cả chi phí bảo dưỡng và sửa chữa Các vật liệu thay thế và chi phí sửa chữa cũng đắt hơn Ngoài ra còn một số nhược điểm có thể kể đến như sau: lợi ích cao đối với hiệu quả nhiên liệu chỉ đúng trong các điều kiện nhất định Trong một số tình huống, bộ tăng áp có thể gây hao hụt nhiên liệu đáng kể Ví dụ, khi sử dụng động cơ tăng áp với tốc độ thấp, hiệu quả nhiên liệu sẽ không cao như mong đợi

Yêu cầu bảo dưỡng và sửa chữa thường xuyên Vì bộ tăng áp có nhiều chi tiết, vì vậy nó cần được bảo trì và kiểm tra định kỳ, để đảm bảo hoạt động ổn định và tránh các

sự cố

Phản ứng chậm trong việc đáp ứng điều khiển hệ thống tăng áp: Đôi khi có thể xuất hiện sự chậm trễ trong việc đáp ứng điều khiển hệ thống tăng áp, khiến động cơ tăng áp hoạt động chậm chạp hơn, ảnh hưởng đến sự tăng tốc của xe

Mặc dù trước đây, động cơ turbo thường chỉ được trang bị trên các dòng xe sang hoặc xe thể thao, gần đây, các dòng xe phổ thông cũng đã bắt đầu trang bị động cơ này

Một số mẫu xe sử dụng động cơ turbo trên thị trường Việt Nam bao gồm Honda Civic, Hyundai Tucson và Hyundai Elantra

3 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và cải tiến của Turbocharger

3.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Bộ tăng áp đặt ngay sát động cơ và có cấu tạo như hình trên

Turbocharger hoạt động trên cơ sở sử dụng năng lượng của dòng khí xả của động cơ

để tạo ra áp suất khí nạp cao hơn, làm quay máy nén khí Khi động cơ hoạt động dòng khí

xả sẽ đi vào bánh tuốc bin, truyền cho bánh tuốc bin một động năng làm cho trục 2 quay Tốc độ quay của tuốc bin phụ thuộc vào lượng khí xả mà động cơ thải ra Sau khi trục 2 quay sẽ dẫn động cho bánh 3 quay Khi bánh nén khí nạp quay, không khí sẽ được nén với áp suất cao và đi vào đường ống nạp động cơ Áp suất tăng áp khí nạp phụ thuộc vào tốc độ động cơ quay Trên đường ống nạp có bố trí mạch giảm tải, mạch giảm tải này có tác dụng chính là ổn định tốc độ quay của bánh 1 trong khoảng hoạt động tối ưu theo số vòng quay động cơ, Van điều tiết 6 sẽ làm mạch giảm tải làm việc, thông qua đường khí phản hồi 7 và cụm xy lanh điều khiển 8 Khi động cơ làm việc cường độ cao, áp suất tăng

áp tăng, van 6 sẽ mở để một phần khí xả không qua bánh tuốc bin 1, thực hiện giảm tốc

độ cho bánh nén khí nạp, hạn chế sự gia tăng quá mức áp suất khí nạp

Hệ thống Turbocharger trên ô tô hoạt động theo nguyên lý của cánh tuabin quay khi khí xả từ động cơ được thải ra Khi khí xả va chạm vào cánh tuabin, nó sẽ giúp quay tuabin và cánh bơm kết nối với tuabin sẽ cùng quay với tốc độ nhanh nhất Cánh bơm có chức năng hút không khí sạch và đẩy khí nén vào động cơ, tăng công suất của động cơ Tuy nhiên, để tránh tình trạng lượng khí hút vào động cơ có áp suất và nhiệt độ quá cao, dễ gây tăng thể tích và mật độ oxy thấp, bộ làm mát phía trước xe được lắp thêm để giảm nhiệt độ của khí nén Ngoài ra, để đảm bảo an toàn hệ thống khi áp suất khí tăng cao, người ta cũng lắp thêm van an toàn trên hệ thống turbo để phòng tránh hiện tượng áp suất dội ngược vào buồng đốt

3.2 Cải tiến hệ thống Turbocharger của Honda (VTEC TURBO)

Việc bổ sung một lượng hòa khí lớn vào trong xilanh giúp gia tăng áp suất trung bình có ích của động cơ Sự gia tăng này giúp cho động cơ sản sinh ra nhiều năng lượng hơn Không chỉ có hệ thống tăng áp Turbocharger, động cơ VTEC TURBO 1.5L còn có

sự kết hợp với hệ thống phun trực tiếp GDI và cơ chế van biến thiên VTEC, nâng cao sức mạnh động cơ ngay từ vòng quay thấp

* Ba công nghệ quan trọng xuất hiện trong VTEC TURBO 1.5L:

Động cơ VTEC TURBO của Honda vừa cho ra công suất cao vừa có tính kinh tế nhiên liệu cao đáng kinh ngạc thông qua ba công nghệ quan trọng: Dual VTEC (Valve Timing Electronic Control) cho cửa nạp và xả, Hệ thống phun trực tiếp GDI, và Turbo tăng áp có độ nhạy cao với cổng xả bằng điện

+ Hệ thống phun trực tiếp

Một vấn đề của động cơ tăng áp là việc đưa không khí áp suất cao vào động cơ, dẫn đến tăng nhiệt độ và áp suất trong xilanh Điều này có thể gây ra hiện tượng kích nổ Tuy nhiên, VTEC TURBO sử dụng hệ thống phun xăng trực tiếp GDI để giảm nhiệt độ trong

xilanh bằng cách sử dụng nhiệt hóa hơi của xăng Các cổng nạp lớn giúp tăng cường luồng khí nạp và pít-tông duy trì dòng chảy, cho phép nhiên liệu được đốt cháy nhanh chóng và hiệu quả Nhờ hiệu quả làm mát của phun trực tiếp và đốt cháy nhanh bằng lưu lượng dòng chảy cao, vấn đề kích nổ được giải quyết một cách hiệu quả

+ Dual VTEC cho cổng nạp và xả

Với hệ thống điều khiển cam thông minh VTEC – Van Timing Electronic Control

có chức năng thay đổi thời gian hoạt động ở cả van nạp và van xả, kiểm soát thời gian cả hai loại van được mở/đóng đảm bảo cho động cơ luôn được cung cấp lượng không khí tối

ưu ở vòng tua cao

+ Bộ tăng áp với cổng xả điện tử

Thường thì động cơ turbo gặp vấn đề về Turbo Lag, tức là thời gian từ khi người lái đạp ga đến khi tốc độ tuabin tăng đủ khí nạp vào xi lanh có thể lâu Tuy nhiên, VTEC TURBO có thể giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng bộ tăng áp với cổng xả điện tử được trang bị tua-bin đường kính nhỏ và quay hiệu quả với lượng khí thải nhỏ Nhờ vậy, động cơ turbo đáp ứng nhanh hơn và phản ứng tốt hơn với sự thay đổi của bàn đạp ga

4 Tổng quan về công nghệ VTEC của HONDA

4.1 Lịch sử phát triển của VTEC

Phòng nghiên cứu và phát triển của Honda đã đạt được một cột mốc quan trọng đầu tiên vào những năm 1980 với cơ chế van REV (Revolution-modulated valve control) Cơ chế REV cho phép tạm ngưng hoạt động một van hút hoặc xả trên một xy-lanh động cơ cho đến khi hệ thống cần nhiều công suất hơn, tương ứng với lượng hỗn hợp khí nhiều hơn Điều này đã giúp tăng hiệu suất của động cơ trong vòng tua cao và tiết kiệm nhiên liệu ở vòng tua thấp Cải tiến mới này lần đầu tiên được giới thiệu trên chiếc xe máy Honda CBR400F vào năm 1983 Từ đó, Honda tiếp tục nghiên cứu để có thể áp dụng cơ chế này vào những chiếc xe 4 bánh trong tương lai

Honda CBR400F 1983

Từ cơ chế REV được áp dụng trên xe máy, Honda đã phát triển hệ thống VTEC DOHC (trục cam kép) dành cho xe ô tô DOHC VTEC ngay lập tức đã tăng hiệu suất của động cơ đốt trong bốn kỳ, dẫn đến khả năng hoạt động mạnh mẽ ở vòng tua cao và tiết kiệm nhiên liệu hơn ở vòng tua thấp Công nghệ này được giới thiệu vào năm 1989 và đã

thay đổi hoàn toàn cách nhìn của thế giới về động cơ Công nghệ VTEC đầu tiên được áp dụng tại Việt Nam trên mẫu xe Honda Civic vào năm 2006, đây cũng là lần ra mắt đầu tiên của mẫu xe sedan hạng C tại Việt Nam

Honda Civic được trang bị với các đặc trưng động cơ bao gồm: động cơ SOHC i-VTEC 1.8L (140 mã lực) và động cơ DOHC i-i-VTEC 2.0L (155 mã lực)

Honda Civic

Dựa trên những thông tin trên, chúng ta có thể thấy rằng việc điều khiển trục cam sẽ ảnh hưởng đến quá trình mở van đúng như mong muốn Đặc biệt, ở vòng tua thấp, van cần được mở trong một khoảng thời gian đủ để hỗn hợp khí nạp vào động cơ có thể hoạt động tốt hơn Tuy nhiên, ở vòng tua cao hơn, việc mở đóng van ngắn một cách nhanh chóng sẽ ảnh hưởng nặng nề tới sự phân phối nhiên liệu Vì vậy, việc tăng thời gian mở đóng cho các van là điều cần thiết để cung cấp đủ nhiên liệu cho động cơ Điều này đã dẫn đến sự ra đời và phát triển của công nghệ VTEC hoặc i-VTEC

4.2 Nguyên lý hoạt động của VTEC

VTEC (Variable Valve Timing & Lift Electronic Control) là hệ thống biến thiên pha phân phối khí và điều khiển độ nâng van bằng điện tử được phát triển bởi hãng xe ô

tô Honda Chức năng chính của VTEC là tối ưu hiệu suất động cơ và tăng cao khả năng tiết kiệm nhiên liệu

Hệ thống VTEC cho phép động cơ chuyển đổi giữa hai biên dạng cam khác nhau theo từng chế độ tốc độ động cơ Cụ thể, cấu tạo hệ thống VTEC về mặt cơ khí gồm trục cam có 3 vấu cam nạp trên 1 xi lanh động cơ

Trong đó, vấu cam ở giữa sẽ chịu trách nhiệm khi vòng tua máy cao, hai vấu cam còn lại làm việc khi vòng tua máy thấp Nhờ vậy mà ở vòng tua máy thấp, hành trình đóng mở xupáp sẽ được giảm đi Còn với vòng tua máy cao, hành trình đóng mở sẽ tăng lên

i-VTEC là hệ thống được phát triển dựa trện sự kết hợp hệ thống VTEC (Variable Valve Timing & Lift Electronic Control) và hệ thống VTC (Variable Overlap Timing Control)

Trong đó VTC là hệ thống điều khiển biến thiên van theo thời gian VTC giúp thay đổi góc lệch của cam nạp và cam xả trên cùng một xi lanh nhằm thay đổi góc trùng điệp của xupáp nạp và xupáp xả

Động cơ 1.5L SOHC i-VTEC trên Honda Civic E và G Với việc kết hợp VTEC và VTC, hệ thống i-VTEC có khả năng điều khiển liên tục thời điểm đóng/mở của cam nạp trên toàn dải tốc độ phù hợp với tình trạng vận hành của động cơ Từ đó giúp nâng cao hiệu suất động cơ

Hiện nay, những mẫu Honda nào có hệ thống VTEC cũng rất đa dạng gồm:

Sử dụng động cơ 1.5L DOHC VTEC TURBO, cho công suất cực đại 188 mã lực tại 5.500 vòng/phút và mô-men xoắn cực đại 260Nm tại 1.600 – 5.000 vòng/phút

Honda City: Sử dụng động cơ 1.5L DOHC i-VTEC, cho công suất tối đa 119 mã lực tại vòngHonda Accord: tua 6.600 vòng/phút, mô-men xoắn cực đại 145Nm tại vòng tua 4.300 vòng/phút

Honda Civic: Được trang bị khối động cơ 1.5L DOHC VTEC TURBO, cho công suất cực đại 176 mã lực tại 6.000 vòng/phút, mô-men xoắn cực đại 240Nm tại 1.700 – 4.500 vòng/phút

Honda CR-V với động cơ 1.5L DOHC VTEC TURBO, cho công suất tối đa 188 mã lực tại 5.600 vòng/phút, mô-men xoắn tối đa 240Nm tại 2.000 – 5.000 vòng/phút

Những mẫu xe kể trên đều có khả năng vận hành tối ưu và khả năng tiết kiệm nhiên liệu ấn tượng, đã được chứng minh sau quá trình lăn bánh tại Việt Nam

4.3 Ưu và nhược điểm của hệ thống VTEC Turbocharger

- Ưu điểm:

Tăng cường hiệu suất động cơ: Kết hợp giữa công nghệ VTEC và bộ tăng áp

(turbocharger), công nghệ VTEC Turbocharger giúp tăng cường sức mạnh và hiệu suất của động cơ, đặc biệt là ở vòng tua thấp

Tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu: Với công nghệ Eco Assist, VTEC Turbocharger

có khả năng tiết kiệm nhiên liệu rất tốt Điều này giúp xe sử dụng công nghệ này tiết kiệm được chi phí vận hành và thân thiện với môi trường hơn

Cải thiện trải nghiệm lái xe: Với vận tốc cao và thời gian tăng tốc nhanh chóng, công nghệ VTEC Turbocharger giúp nâng cao trải nghiệm lái xe của người dùng

- Nhược điểm:

Chi phí đắt đỏ: Công nghệ VTEC Turbocharger là công nghệ tiên tiến, yêu cầu những công nghệ và vật liệu đắt đỏ, do vậy giá thành của các mẫu xe sử dụng công nghệ này sẽ cao hơn so với các mẫu xe thông thường của Honda

Hiệu quả nhiên liệu chưa đạt tối đa: Mặc dù VTEC Turbocharger có khả năng tiết kiệm nhiên liệu tốt, nhưng hiệu quả này chưa đạt tối đa, đặc biệt là khi thực hiện các thao tác tăng tốc

Độ bền còn chưa được đánh giá rõ ràng: Với một công nghệ mới như VTEC

Turbocharger, độ bền và độ tin cậy của nó đang chờ đánh giá từ thực tiễn sử dụng hơn nữa

4.4 So sánh giữa VTEC và VVT-i

Hệ thống VTEC Turbo của Honda kết hợp giữa hệ thống van biến thiên thời gian VTEC và hệ thống động cơ tăng áp để cung cấp công suất và momen xoắn đỉnh cao hơn, giúp xe vận hành mượt mà và tiết kiệm nhiên liệu hơn Nó được sử dụng trên các mẫu xe Civic, Accord, CR-V và HR-V của Honda

VVT-i của Toyota là một hệ thống điều khiển van biến thiên thời gian tự động, cho phép động cơ tăng hoặc giảm lưu lượng khí vào khoang đốt tại các điều kiện khác nhau

để tăng hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu Nó được sử dụng trên các mẫu xe Corolla, Camry, RAV4, Vios của Toyota

Điểm khác gữa 2 công nghệ này là i-VTEC không chỉ thay đổi pha phối khí mà còn thay đổi cả hành trình của xupap, trong khi VVT-i chỉ thay đổi pha phối khí Công nghệ được

sử dụng bởi Toyota cũng có làm thay đổi hành trình của xupap là VVTL-i

- Ưu điểm của VTEC Turbo của Honda:

+ Cấu trúc động cơ nhỏ gọn và hiệu quả hơn so với động cơ truyền thống

+ Tăng áp turbo giúp tăng công suất và momen xoắn mạnh mẽ hơn

+ Hệ thống van biến thiên thời gian VTEC cho phép động cơ có thể hoạt động mạnh mẽ hơn ở tần số cao hơn

+ Tiết kiệm nhiên liệu đáng kể so với động cơ tương tự không sử dụng công nghệ VTEC Turbo

+ Tăng cường trải nghiệm lái với động cơ mạnh mẽ và đáp ứng thời gian nhanh hơn

- Nhược điểm của VTEC Turbo của Honda: