nghiên cứu, thiết kế hệ thống tiết kiệm nhiên liệu theo tải trên động cơ xăng

Nghiên cứu đề xuất một cách điều khiển xú pápmà cĩ thể cải tiến được từ một hệ thống phân phối khí thơng thường trên một động cơ xăng thẳng hàng với 4 xy lanh, để điều khiển ngắt xy lanh

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LÊ NAM ANH

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG TIẾT KIỆM NHIÊN LIỆU THEO TẢI TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 60520116

S K C0 0 4 5 7 5

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG TIẾT KIỆM NHIÊN LIỆU

THEO TẢI TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I.LÝ LỊCH KHOA HỌC

Họ và tên : Lê Nam Anh Giới tính: Nam

Ngày, tháng,năm sinh: 22-02-1983 Nơi sinh: Phú Khánh

Quê quán: Hải Thọ, Hải Lăng, Quảng trị Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 25A, Đường 236, Phường Tăng Nhơn Phú A,Quận 9, Tp

Hồ Chí Minh

Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: 0988026211

Fax: E-mail: anhnamle007@gmail.com

II.QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1.Trung học chuyên nghiệp:

Hệ đào tạo: Chính quyThời gian đào tạo: Từ 9/2000 đến 9/2003

Nơi học ( trường, thành phố): Trường Cao Đẳng Công Nghiệp Huế

Ngành học: Cơ khí động lực

2 Đại Học:

Hệ đào tạo: Chính quyThời gian đào tạo từ 9/2007 đến 6/2011

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh

bơm bê tông)

Kỹ thuật viên bảo trì

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đuợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

TP Hồ Chí Minh, ngày……….tháng…………năm………

Học viên thực hiện

LeâNam Anh

LỜI CẢM ƠN

Em có thể hoàn thành đề tài và có được những kiến thức kinh nghiệm như ngày hôm nay Trước hết em xin chân thành cảm ơn các quý thầy cô của trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM đã tận tình chỉ dạy cho em trong suốt quá trình học tập tại trường.Đặc biệt cho em gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đối với thầy Lý Vĩnh Đạt giảng viên khoa cơ khí động lực trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM, đã hướng dẫnmột cách nhiệt tình cho em trong thời gian qua Và em cũng xin chân thành cảm ơn các quý thầy cô khoa cơ khí động lực trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM đã tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành nghiên cứu này, đồng gửi lời cảm ơn đến những người bạn cùng khoá.Cảm ơn các bạn đã cùng chia sẽ vượt qua được những khó khăn trong quá trình học tập và nghiên cứu

Cuối cùng em xin chúc quý thầy cô sức khoẻ dồi dào, chúc thầy cô luôn có những học trò ngoan giỏi, luôn có được những thành tích tốt trong quá trình giảng dạy và đào tạo, góp sức tạo điều kiện, xây dựng thương hiệu, đặt mục tiêu chất lượng đào tạo là hàng đầu,

để xây dựng một trườngĐH Sư Phạm Kỹ Thuật ngày càng có quy mô rộng lớn hơn

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn!

Lê Nam Anh

TĨM TẮT

Ngắt xy lanh là một phương pháp cải tiến hữuích và giảm lượng tiêu hao nhiên liệu trên động cơ xăng Là một phương pháp tốt nhất để điều khiển cơng suất sinh ra phù hợp ở những điều kiện vận hành khác nhau và cĩ thể cải tiến lượng tiêu hao nhiên liệu Nhiều nghiên cứu gần đây đã chứng minh rằng, phương pháp ngắt xy lanh cĩ thể ứng dụng thành cơng trong thực tiễn, trong cải tiến động cơ ở những chế độ tải khác nhau của động cơ Các trạng thái điều khiển ngắt xy lanh khác nhau có thể ứng dụng cho các chế độ tải khác nhau trên động cơ Tuy nhiên, để ngắt được xy lanh trên động cơ địi hỏi hệ thống phân phối khí cĩ cấu trúc phức tạp Nghiên cứu đề xuất một cách điều khiển xú pápmà cĩ thể cải tiến được từ một hệ thống phân phối khí thơng thường trên một động cơ xăng thẳng hàng với 4 xy lanh, để điều khiển ngắt xy lanh Kết quả nghiên cứu là một ý tưởng thiết kế mới,

đã tạo ra sự khác biệt so với những thiết kếđiều khiển xú páp hiện tại, cĩ thể ngắt từ một hoặc hai xy lanh, phụ thuộc vào điều kiện tải nhỏ hay tải trung bình ở trên xe Thêm vào đĩ, thiết kế kiểu mới nàyvới cấu trúc đơn giản và dễ dàng điều khiển, hồn tồn cĩ thể đáp ứng việc ngắt xy lanh trên động cơ xăng

ABSTRACT

Cylinder deactivation is a potential method in improving efficiency and fuel consumption in SI engines The optimal strategies about driving torque at different operating conditions can improve the fuel consumption in engine Many recent researches have demonstrated that the cylinder deactivation modes can be successfully applied in improving engine efficiency at different engine loads Different cylinder deactivation strategies have been applied for full range

of engine load However, deactivating cylinder in engine requires complex structure of valve train system The study proposes a design valve train, which is improved from the conventional valve train system in an inline SI engine with 4 cylinders, to control for deactivating cylinder The study results show that the proposed design, which differs to the existing valve train design, can deactivate one or two cylinders modes that depend on part load or medium load in vehicle

In addition, the novel design with simple structure and easy control can fully satisfy the controlling of cylinder deactivation strategies in SI engines

MỤC LỤC

Lý lịch khoa học i

Lời cảm ơn iii

Tĩm tắt iv

Mục lục vi

Danh mụchình x

Danh mục bảng xiii

Danh mục từ viết tắt xiv

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1

1.1Lý do thực hiện và tầm quan trọng của đề tài 1

1.2 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu 1

1.3 Nội dung nghiên cứu 2

1.4 Lý do chọn đề tài 2

1.5 Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước 2

1.5.1 Thiết bị ngắt xy lanh của động cơ 3

1.5.2Hệ thống xy lanh đa dung tích cho một động cơ 5

1.5.3 Hệ thống điều khiển áp suất dầu và phương pháp ngắt xy lanh trên động cơ bằng thuỷ lực 7

1.5.4Dùng cị mổ cĩ chốt cơ điện để ngắt hoạt động của các xú páp 9

1.6 Hướng nghiên cứu 12

1.7 Mục tiêu nghiên cứu 12

1.7.1Mục tiêu cụ thể 12

1.7.2 Đối tượng nghiên cứu 12

1.7.3 Phạm vi giới hạn nghiên cứu 12

1.8 Phương pháp nghiên cứu 12

1.9 Nội dung nghiên cứu 13

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 14

2.1 Tổng quan về hệ thống ngắt xy lanh trên động cơ 14

2.1.1 Khái quát về các hệ thống ngắt xy lanh 14

2.1.2 Lịch sử phát triển 16

2.1.3 Ưu và nhược điểm của hệ thống ngắt xy lanh 17

2.2 Các lợi ích của hệ thống điều khiển xy lanh biến thiên 20

2.2.1 Nâng cao công suất động cơ nhờ vào việc giảm công hao phí(pumping loss) 20

2.2.2 Giảm tiêu hao nhiên liệu 21

2.2.3 Giảm ô nhiểm môi trường 22

2.3 Nguyên lý hoạt động 22

2.3.1 Điều khiển ngắt xy lanh chủ động(đóng xúpáp nạp và thải) 22

2.3.2 Ngắt giảm xy lanh trên động cơ thông thường 23

2.3.3 Ngắt giảm xy lanh trên động cơ không trục cam 23

2.3.4 Điều khiển ngắt kết nối xy lanh bị động(ngắt kết nối trục khuỷu) 24

2.4 Thời điểm ngắt xy lanh 24

2.5 Một số hệ thống điều khiển ngắt xy lanh trên các hãng xe 25

2.5.1 Hệ thống VCM – Variable Cylinder Management của Honda 25

2.5.2 Hệ thống COD- Cylinder On Demand của Audi 28

2.5.3 Hệ thống MDS- Multi Displacement System của Daimler Chrysler 31

2.6 Kết luận 34

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG NGẮT XY LANH TRÊN ĐỘNG CƠ 35

3.1 Khảo sát cơ cấu phân phối khí của động cơ Hyundai G4EK 35

3.2 Thiết kế hệ thống ngắt xy lanh trên động cơ Hyundai G4EK 37

3.2.1Hệ thống cơ khí điều khiển ngắt xy lanh 37

3.2.2Nghiên cứu thiết kế cơ cấu ngắt xy lanh trên động cơ 40

CHƯƠNG 4:THIẾT KẾ BOARD MẠCH VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG 54

4.1 Thiết kế board mạch dự định để điều khiển hệ thống 54

4.1.1 Mạch cầu H 54

4.1.2 Hai mạch cầu H dùng để điều khiển hai động cơ điện 55

4.1.3 Mạch điều khiển ngắt phun xăng 56

4.1.5 Mạch auto reset cho vi điều khiển trung tâm 57

4.1.6 Vi xử lý trung tâm và mạch cấp xung clock cho vi xử lý trung tâm 58

4.1.7 Lưu đồ thuật tốn điều khiển ngắt xy lanh 59

4.2 Thuật tốn điều khiển hệ thống 60

4.2.1 Nguyên lý hoạt động 61

CHƯƠNG 5: MƠ PHỎNG HỆ THỐNG NGẮT XY LANH 62

5.1 Ảnh hưởng của ngắt xy lanh đến xuất tiêu hao nhiên liệu trên động cơ 62

5.2 Chế độ tải thấp 62

5.3 Chế độ tải trung bình 64

5.4 Tồn bộ dải tải động cơ 65

5.5 Kết luận 66

-KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 68

-TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

- PHỤ LỤC: BẢN VẼ THIẾT KẾ 71

- Bản vẽ thiết kế giá đỡ của cơ cấu LXXII

-Bản vẽ thiết kế gối đỡ trục cam LXXIII

- Bản vẽ thiết kế nắp gối đỡ trục cam LXXIV

- Bản vẽ thiết kế nửa trục cam ngắt xy lanh số 1 LXXV

- Bản vẽ thiết kế nửa trục cam ngắt xy lanh số 4 LXXVI

- Bản vẽ thiết kế gối đỡ trục cị mổ I LXXVII

- Bản vẽ thiết kế gối đỡ trục cịmổ II LXXVIII

- Bản vẽ thiết kế cị mổ thứ cấp của cơ cấu ngắt xy lanh LXXIX

- Bản vẽ thiết kế bánh vít vàtrục vít dẩn động trực tiếp trục cam LXXX

- Bản vẽ thiết kế gối đỡ trục vít dẩn động trục cam LXXXI

- Bản vẽ thiết kế khố bánh vít trên trục cam LXXXII

- Bản vẽ thiết kế khớp trượt nối hai bántrục cam LXXXIII

- Bản vẽ thiết kế càngchuyển hướng khớp trượt LXXXIV

- Bản vẽ thiết kế gối đỡ trục càngchuyển hướng LXXXV

- Bản vẽ thiết kế đĩa lịxo hồi vị trục cam LXXXVI

- Bản vẽ thiết kế bánh vít và trục vít của bộ giảm tốc từ mơtơ điều khiển LXXXVII

- Bản vẽ thiết kế trục của bánhvít LXXXVIII

- Bản vẽ thiết kế gối đỡ trục vít bộ truyền LXXXIX

- Bản vẽ thiết kế gối đỡ trụcbánh vít bộ truyền XC

- Bản vẽ thiết kế hộp bộ truyền bánh vít, trục vít từmô tơ XCI

- Bản vẽ thiết kếmô phỏng hệ thống điều khiển sau khi lắp ghép cácchi tiết XCII

DANH MỤC HÌNH

Hình1.1: Mô tả mạch dầu và vị trí của các van 3

Hình 1.2: Mô tả con đội thuỷ lực điều chỉnh được 4

Hình 1.3: Con lăn của con đội thuỷ lực và cơ cấu cơ khí ngắt xy lanh 4

Hình 1.4: Thân của một động cơ V8 có mạch dầu chính và điều khiển 5

Hình 1.5: Minh hoạ hệ thống treo xú páp 6

Hình 1.6: Minh hoạ khối xy lanh có mạch dầu chính và mạch dầu điều khiển các con đội thuỷ lực 6

Hình 1.7: Mô tả bề mặt cắt của con đội thuỷ lực gồm có một van điều khiển để đóng ngắt xy lanh 7

Hình 1.8: Hình cắt một góc của động cơ V8 kết hợp với một hệ thống điều khiển áp suất dầu 8

Hình 1.9: Minh hoạ đường dầu trong một hệ thống 8

Hình 1.10: Minh hoạ vị trí của van giảm áp được nối trực tiếp với đường dầu chính 9

Hình 1.11: Minh hoạ cách đặt van gồm có một cặp vấu dùng để ngắt và để kích hoạt cả 2 van 10

Hình 1.12: Minh hoạ chốt giữ thông qua cò mổ để ngắt xy lanh 10

Hình 1.13: Hình cắt minh hoạ sự lắp ghép của cò mổ 11

Hình 1.14: Minh hoạ không gian liên hệ nhiều chi tiết khác nhau của cụm lắp ghép van 11

Hình 2.1: Hệ thống điều khiển xy lanh biến thiên 14

Hình 2.2:Công nghệ ngắt xy lanh ở động cơ 6 xy lanh 15

Hình 2.3: Động cơ bật tắt (Hit and miss engine) 16

Hình 2.4: Xe Mitsubishi Lanser sử dụng công nghệ MD 16

Hình 2.5: So sánh 2 chế độ làm việc của động cơ 18

Hình 2.6: Động cơ V-6 3.5L của Honda và sự ngắt giảm xy lanh 19

Hình 2.7: Sự tiết kiệm nhiên liệu ở các chế độ tải khi thực hiện ngắt xy lanh 19

Hình 2.8: Đồ thị công P-V của động cơ xăng 20

Hình 2.9: Biểu đồ đặc trưng cho hiệu suất của động cơ khi hoạt động ở các chế độ 1,2,3 và 4 xy lanh 22

Hình 2.10: Cắt giảm xy lanh trên động cơ thông thường 23

Hình 2.11: Cắt giảm xy lanh trên động cơ không trục cam 23

Hình 2.12: Kết cấu trục khuỷu có thể ngắt kết nối với cổ khuỷu 24

Hình 2.13: Vị trí ngắt xy lanh trên đồ thị công 25

Hình 2.14: Các chế độ hoạt động của xe 26

Hình 2.15: Mạch dầu điều khiển cắt xy lanh 27

Hình 2.16: Xy lanh hoạt động bình thường 27

Hình 2.17: Xy lanh không hoạt động 28

Hình 2.18: Cấu trúc hệ thống COD 29

Hình 2.19: Các chế độ ngắt xy lanh của Audi 29

Hình 2.20: Chế độ hoạt động cắt giảm xy lanh 30

Hình 2.21: Động cơ V8 - 5.7L HEMI với hệ thống MDS 31

Hình 2.22: Cấu tạo con đội đặc biệt ( Deactivating Lifter) 32

Hình 2.23: Hoạt động của con đội 33

Hình 2.24: Bố trí hệ thống MDS trên động cơ 34

Hình 3.1: Động cơ Hyundai G4EK 35

Hình 3.2: Hệ thống phân phối khí của động cơ hyundai G4EK 35

Hình 3.3: Sơ đồ khối điều khiển ngắt xy lanh 36

Hình 3.4: Cơ cấu điều khiển xú páp trong hệ thống ngắt xy lanh 37

Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý ngắt xy lanh trên động cơ 38

Hình 3.6: Khớp trượt và càng chuyển hướng 39

Hình 3.7: Thiết kế sơ bộ cơ cấu điều khiển ngắt xy lanh trên động cơ 39

Hình 3.8: Cấu tạo giá đỡ của cơ cấu 40

Hình 3.9: Gối đỡ và nắp gối đỡ trục cam 41

Hình 3.10: Cấu tạo bán trục cam ngắt máy số 1 42

Hình 3.11: Cấu tạo bán trục cam ngắt máy số 4 42

Hình 3.12: Cấu tạo các gối đỡ trục cò mổ 43

Hình 3.13: Cấu tạo cò mổ thứ cấp của cơ cấu ngắt xy lanh 44

Hình 3.14: Bánh vít và trục vít dẫn động trực tiếp trục cam 44

Hình 3.15: Gối đỡ trục vít dẫn động trực tiếp trục cam 45

Hình 3.16: Khoá bánh vít trên trục cam 45

Hình 3.17: Khớp trượt nối hai bán trục cam 46

Hình 3.19: Gối đỡ trục càng chuyển hướng 46

Hình 3.20: Đĩa lị xo hồi vị trục cam 47

Hình 3.21: Bánh vít và trục vít của bộ giảm tốc từ mơ tơ điều khiển 47

Hình 3.22: Trục của bánh vít 48

Hình 3.23: Gối đỡ trục vít bộ truyền 48

Hình 3.24: Gối đỡ trục bánh vít bộ truyền 48

Hình 3.25: Hộp bộ truyền bánh vít trục vít từ mơ tơ 49

Hình 3.26: Cấu tạo nắp máy trung gian 49

Hình 3.27: Mơ phỏng hệ thống điều khiển sau khi lắp ghép lại 50

Hình 3.28: Cơ cấu sau khi đã gia cơng 50

Hình 3.29: Cơ cấu sau đã khi lắp ráp 51

Hình 3.30: Động cơ điện 12V- DC dùng để điều khiển cơ cấu ngắt xy lanh 51

Hình 3.31: Cơ cấu ngắt xy lanh được gắn lên động cơ Hyundai G4EK 52

Hình 3.32: Cơ cấu ngắt xy lanh trên động cơ Hyundai G4EK sau khi đả gắn nắp trung gian 52

Hình 3.33: Động cơ nhìn từ phía trên sau khi đãgắn thêm cơ cấu cơ khí 53

Hình 3.34: Hình động cơ Hyundai G4EK nhìn từ phía trước 53

Hình 4.1: Nguyên lý hoạt động của mạch cầu H 54

Hình 4.2: Mạch cầu H điều khiển hai động cơ 55

Hình 4.3: Mạch điều khiển ngắt phun xăng 56

Hình 4.4: Mạch tạo nguồn 5V 57

Hình 4.5: Mạch auto reset 57

Hình 4.6: Vi xử lý trung tâm PIC 16F887 58

Hình 4.7: Sơ đồ khối chương trình điều khiển 59

Hình 4.8:Thuật tốn điều khiển hệ thống 60

Hình 5.1: Ảnh hưởng của các chế độ ngắt xy lanh đến suất tiêu hao nhiên liệu 63

Hình 5.2:Ảnh hưởng của các chế độ ngắt xy lanh trên dải tải thấp của động cơ ở 2000V/P 63

Hình 5.3: Ảnh hưởng của các chế độ ngắt xy lanh đến suất tiêu hao nhiên liệu ở tải trung bình (BMEP ở 8.6 bar) 64

Hình5.4: Ảnh hưởng của ngắt xy lanh ở dải tải động cơ khác nhau ở 2000 V/P 65

Hình5.5: Các ảnh hưởng của ngắt xy lanh trên tồn bộ dải tải hoạt động 66

Hình 5.6: Suất tiêu hao nhiên liệu trên động cơ ứng với các trạng thái tối ưu về ngắt xy lanh trên tồn bộ tải hoạt động 66

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 So sánh mức tiêu thụ nhiên liệu khi động cơ hoạt độngở các chế độ 1,2,3 và 4 xy lanh 21

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

ACC : Active Cylinder Control

AFM : Active Fuel Management

ANC : Active Noise Control- Điều khiển để triệt tiêu tiếng ồn

BMEP : Brake Mean Effective Pressure- Ap suất hiệu dụng trung bình có ích

CDA : Cylinder Deactivation- Công nghệ ngắt xy lanh chủ động

COD : Cylinder On Demand- Hệ thống ngắt giảm xy lanh

DC : Direct Current- Dòng điện một chiều

ĐCD : Điểm chết dưới

ĐCT : Điểm chết trên

ECU : Electronic Control Unit- Bộ điều khiển điện tử

ED : Engine Displacement- Công nghệ thay đổi thể tích công tác

EMV : Electro Magnetic Valve Actuation- Điều khiển xú páp điện từ

ETC : Electronics Throttle Control- Hệ thống điều khiển bướm ga điện tử

FTP : Federal Test Procedure- Thử nghiệm theo chu trình American

GDI : Gasoline direct injector – Phun xăng trực tiếp

IMEP : Indicated Mean Effective Pressure – Áp suất hiệu dụng trung bình chỉ thị IMEPgross : Phần công dương (+) hay phần công suất được sinh ra ở một xy lanh lại cao

hơn

IMEPnet : Chỉ số áp suất hiệu dụng chính

IMEPpumping : Phần công âm (-) hay phần công tiêu hao cho việc hút không khí nạp được

giảm đi

i-VTEC : Intelligent- Variable Valve Timing Lift Electronic Control – Thời điểm đóng

mở van biến thiên được kiểm soát bằng điện tử

MD : Modulated Displacement – Thay đổi thể tích

MDS : Multi Displacement System – Hệ thống xy lanh đa dung tích

MPI : MultiPoint Injection – Hệ thống phun xăng đa điểm

NEDC : New European Driving Cycle – Chu trình thử nghiệm châu Âu

SFC : Specific Consumption – Đặc tính tiêu thụ nhiên liệu

SOHC : Single Overhead Camshaft – Động cơ chỉ có một trục cam ở phía trên Tengine : Mô men xoắn động cơ [Nm]

Vactive : Thể tích của các xy lanh hoạt động

VCM : Variable Cylinder Management – Hệ thống quản lý xy lanh chủ động

VVT : Variable Valve Timing – Thay đổi thời điểm đóng mở xú páp

CHƯƠNG I TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

I.1 LÝ DO THỰC HIỆN VÀ TẦM QUAN TRỌNG CỦA ĐỀ TÀI:

Sự phát triển to lớn của tất cả các ngành kinh tế quốc dân đòi hỏi cần chuyên chở khối lượng lớn hàng hóa và hành khách, tính cơ động cao, tính việt dãvà khả năng hoạt động trong những điều kiện khác nhau tạo cho ô tô trở thành một trong những phương tiện chủ yếu để chuyên chở hàng hóa và hành khách

Nước ta đang trong thời kì thực hiện công nghiệp hóa, hiện đại hóa và chắc chắn trong thời gian không lâu nửa từ tình trạng lắp ráp xe như hiện nay, chúng ta sẽ tiến đến tự chế tạo

ô tô và yêu cầu cải thiện cơ cấu đối với toàn bộ ô tô, vận tải, đồng thời sản xuất loại ô tô trọng tải bé và ô tô vận tải chuyên dụng Dự kiến nâng cao tính kinh tế và độ bền của ô tô Việc phát triển ngành vận tải ô tô chở hành khách và cải tiến việc phục vụ nhân dân có ý nghĩa kinh tế xã hội to lớn Ngoài việc hao phí thời gian, việc chuyên chở kéo dài sẽ làm tiêu tốn một lượng nhiên liệu rất lớn.Bởi vậy, việc đào tạo đội ngủ cử nhân, kỹ sư có trình

độ đáp ứng được những đòi hỏi của ngành công nghệ và sửa chữa ô tô là một nhiệm vụ rất quan trọng và cấp bách Đề tài của em là “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống tiết kiệm nhiên liệu theo tải trên động cơ xăng” Đề tàibao gồm các vấn đề về cải tiến thiết kế, cơcấu phân phốikhí truyền thống, nhằm mục đích ngắt được xy lanh của động cơ nguyên thuỷ đem lại hiệu quả trong việc giảm lượng tiêu hao nhiên liệu và đánh giá tính kinh tế tiêu hao nhiên liệu của ô tô Đề tài mang tính thiết thực là cơ sở cho việc đánh giá chất lượng khai thác của ôtô

I.2 TỔNG QUAN CHUNG VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU

Như chúng ta đã biết động cơ đốt trong dùng để gắn trên ô tô sẽ phải hoạt động trong những miền làm việc có tính chất rất khác nhau Bởi vì ô tô luôn phải vận hành trên nhiều địa hình khác nhau, trong những điều kiện tải trọng khác nhau Người tiêu dùng luôn luôn mong muốn ô tô của mình phải đáp ứng được những điều kiện địa hình phức tạp như đường gồ ghề, độ dốc cao, hay những lúc phải chở nhiều hàng hoá Vậy để đáp ứng những điều kiện trên thì đồng nghĩa với việc cần sử dụng một động cơ lớn với nhiều xy lanh công tác để lắp đặttrên xe Nhưng vấn đề này luôn mâu thuẫn Do lượng tiêu hao nhiên liệu của động cơ quá cao khi ô tô ở các chế độ không tải, tải nhỏ hoặc tải trung bình.Tuy nhiên, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ các vấn đề trên được giải quyết làm cho động cơ đốt trong ngày càng phổ biến và hửu dụng hơn

Các công nghệ hiện đại đang khắc phục được nhiều nhược điểm của động cơ đốt trong như: Công nghệ Hybrid, công nghệ xy lanh biến thiên…Vấn đề trước tiên nhất là giảm tiêu hao

nhiên liệu, giảm lượng khí xả độc hạigây ra ô nhiễm môi trường, đảm bảo các chế độ tải trọng của động cơ

Vì vậy, nếu chúng ta có thể thiết kế được một hệ thống cơ điện tử sao cho có thể gắn vào động

cơ, nhằm mục đích can thiệp vào quá trình vận hành của các xy lanh, nhằm ngắt tạm thời các xy lanh đang công tác, đây là một cách làm hiệu quả, đáp ứng được mục tiêu sao cho vừa tiết kiệm được nhiên liệu, vừa đáp ứng được mô men vận hành của ô tô ở những chế độ tải trọng khác nhau, và đây cũng là hướng đi được tập trung nghiên cứu trong đề tài này

I.3.NỘI DUNG NGHIÊN CỨU.

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống tiết kiệm nhiên liệu theo tải trên động cơ xăng Nghiên cứu này được thực hiện trên động cơ Hyundai G4EK Ta phải thiết kế và chế tạo một hệ thống cơ khí để can thiệp vào quá trình vận hành của các xy lanh, để ngắtxú páp của các xy lanh bị ngắttạm thời, đồng thời ngắt xăng và ngắt lửa của những xy lanh này

I.4 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Như đã nói ở trên, nghiên cứu nhằm đáp ứng mục tiêu nâng cao tính ưu việt của động cơ để giảm lượng tiêu hao nhiên liệu, khí thải độc hại ra môi trường và đáp ứng được mô men vận hành của ô tô ở những chế độ tải trọng khác nhau

I.5 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

Hiện nay có rất nhiều công trình nghiên cứu đến hệ thống ngắt xy lanh chủ động, nhưng đa

số các nghiên cứu đều ở ngoài nước và số lượng còn hạn chế

Năm 2001, P Kreuter và các cộng sự nghiên cứu một động cơ xăng 4 xy lanh thẳng hàng

mà có thể ngắt bớt 2 xy lanh khi làm việc ở chế tải thấp Kết quả nghiên cứu chứng minh có thể cải tiến 20% hiệu suất động cơ và giảm từ 10 ÷ 40% khí xả độc hại trên động cơ ở chế tải thấp

Một nghiên cứu khác, tác giả R T Nate và các cộng sự sử dụng hệ thống phân phối khí điện từ để có thể ngắt từ 2 đến 4 xú páp tuỳ thuộc vào chế độ hoạt động Kết quả nghiên cứu chỉ ra có thể cải tiến đến 11.5% suất tiêu hao nhiên liệu ở chế độ tải thấp khi ngắt bớt 2 xy lanh trên động cơ không trục cam thẳng hàng 4 xy lanh với dung tích xy lanh là 2.0 lít Tương tự, một động cơ xăng 6 xy lanh với kỹ thuật quản lý xy lanh chủ động được nghiên cứu bởi tác giả Fujiwara và các cộng sự Số xy lanh chủ động được quyết định bởi điều kiện tải trên xe, nghiên cứu này chỉ ra rằng: chế độ 3 xy lanh chủ động được sử dụng ở

xe chạy chế độ tự động (Cruise Control) với tải thấp, chế độ 4 xy lanh chủ động được hoạt động ở chế độ tải cao hơn và chế độ tất cả các xy lanh chủ động hoạt động là tối ưu ở chế độ toàn tải Tất cả các nghiên cứu này chỉ mô phỏng lý thuyết hay thực nghiệm trên động cơ

sử dụng các hệ thống phân phối khí điện từ hay hệ thống phân phối khí cải tiến phức tạp, đòi hỏi chi phí sản xuất và thực nghiệm rất cao

Ở Việt Nam, hệ thống quản lý xy lanh chủ động là hướng nghiên cứu mới Hiện nay, có rất ít nhà khoa học chuyên ngành về ô tô nghieân cứu, vì vậy hầu như khôngcó công trình nghiên cứu về hệ thống này trong nước

1.5.1 Thiết bị ngắt xy lanh của động cơ

Thông tin về bài báo:

CYLINDER DEACTIVATION APPARATUS

Tác giả: William Conrad Albertson, Frederick J Rozario

USA Patent No: US 6557518 B1 phát hành ngày 18/01/2002

Tóm tắt nội dung chính:

Thiết bị ngắt xy lanh gồm có một mạch dầu thuỷ lực đơn giản.Nó cung cấp dầu đến con đội thuỷ lực để điều chỉnh và đến các xy lanh bị ngắt để điều khiển thông qua một khe hẹp được chế tạo trên con đội điều chỉnh Gồm có một van điều khiển, khi nó mở, áp suất dầu sẽ được phân phối đến toàn bộ các con đội Khi dầu đi qua khe hẹp cho phép dòng dầu được lọc sạch không khí Nhưng áp suất dầu thuỷ lực được điều khiển giới hạn làm cho các van hoạt động bình thường Khi van điều khiển đóng, áp suất dầu điều khiển trong khe hẹp tăng lên rất nhanh, làm treo xú páp của các xy lanh bị ngắt Dòng dầu thuỷ lực được điều khiển

đi qua khe hẹp khi van đang mở thì đủ để lọc sạch hơi nước cũng như không khí từ dòng dầu điều khiển và duy trì hệ thống trong điều kiện đảm bảo cho việc ngắt tức thời của các xy lanh khi xú páp đóng

Hình 1.1: Mô tả mạch dầu và vị trí của các xú páp

Hinh 1.2: Mô tả con đội thuỷ lực có thể điều chỉnh được cùng với đường dầu cung cấp đi qua khe hẹp được chế tạo trên thân của con đội ở hình (a) còn ở hình (b) là hình phóng đại của con đội

(b)

(a)

Hình 1.3: Tương tự như ở hình (1.2) cho thấy con lăn của con đội thuỷ lực và cơ cấu cơ khí ngắt xy lanh, cung cấp một lượng dầu đi qua khe hẹp ở trên thân của con đội

Kết quả: Nghiên cứu này đã tận dụng được dòng dầu trực tiếp từ bơm dầu của động cơ, sau

đó dòng dầu này được điều khiển cho đi qua khe hẹp được thiết kế trên con đội, điều này đã loại bỏ lượng không khí bị lẩn trong dầu đồng thời làm tăng áp lực dầu để kích hoạt con đội Làm cho con đội hoạt động nhẹ nhàng và tức thời trong việc điều khiển đóng ngắt các xú páp

1.5.2 Hệ thống xy lanh đa dung tích cho một động cơ

Thông tin về bài báo:

MULTIPLE DISPLACEMENT SYSTEM FOR AN ENGINE

Tác giả: Alan G.Falkowski, Mark R Mc Elwee, Joel A Baker, G len D Hendershoot, Constantin Hagiu, Mark Koeroghlian

USA Patent No: 7040265 B2 Phát hành ngày 02/07/2004

Tóm tắt nội dung chính:

Sự xắp xếp một xy lanh bị ngắt của một động cơ thì cần phải có những điều kiện nhất định Sự bố trí trong một động cơ với mạch dầu thuỷ lực chính và mạch dầu thuỷ lực dẩn đến điều khiển con đội được bố trí bên trong khối xy lanh của động cơ Mạch dầu dùng để điều khiển con đội thuỷ lực được cung cấp bởi một đường dẩn dầu ở bên trong khối xy lanh,

từ mạch dầu chính đến con đội của những xy lanh bị ngắt Con đội cũng được đặt bên trong khối xy lanh và được bố trí thông liên tục với mạch dầu điều khiển con đội Một van điều

khiển đƣợc đặt bên trong khối xy lanh và phân bố dòng dầu liên tục với mạch dầu chính và mạch dầu điều khiển con đội Van điều khiển phân phối dòng dầu thuỷ lực từ mạch dầu chính đến mạch dầu điều khiển con đội, để điều khiển hoạt động của con đội

Hình 1.4: Thân của một động cơ V8, có mạch dầu chính và mạch dầu

điều khiển và con đội thuỷ lực

Hình 1.5: Minh hoạ hệ thống phân phối khí

Hình 1.6: Minh hoạ khối xy lanh có mạch dầu chính và mạch dầu điều khiển con đội thuỷ lực phân bố đến các xy lanh để ngắt xy lanh

Hình 1.7: Mô tả bề mặt cắt của con đội thuỷ lực gồm có một van điều khiển và một con đội để ngắt xy lanh

Kết quả: Nghiên cứu này cho ta thấy việc thiết kế cấu trúc một đường ống dẩn dầu được

đúc sẵn trong thân động cơ là rất phức tạp Nhiệm vụ là để dẩn dòng dầu từ đường dầu chính đến các con đội thuỷ lực để đóng mở xú páp

1.5.3 Hệ thống điều khiển áp suất dầu và phương pháp ngắt xy lanh trên động cơ bằng thuỷ lực

Thông tin về bài báo:

OIL PRESSURE CONTROL SYSTEM AND METHOD FOR ENGINES WITH HYDRAULIC CYLINDER DEACTIVATION

Tác giả: Frederick J Rozario, William C Albertson, James B Hicks

USA Patent No: 7082918 B2 Phát hành ngày 01/08/2006

Tóm tắt nội dung chính:

Một hệ thống điều khiển dầu thuỷ lực, dùng cho một động cơ có xy lanh bịngắt, bởi sự chuyển đổi do hoạt động nâng lên của con đội tại thời điểm áp suất dầu trong hệ thống cao, thì được cung cấp bởi một van giảm áp phụ, chúng chỉ mở ra để điều chỉnh áp suất dầu tối

đa trong hệ thống Bất cứ khi nào tốc độ động cơ và điều kiện nhiệt độ nằm trong khả năng của bơm thuỷ lực thì áp suất dầu luôn được điều khiển nằm trong giới hạn lớn nhất, kết hợp với van giảm áp suất phụ cho phép kéo dài sự nâng lên của các con đội, chúng được giới hạn bởi cấu tạo của chúng, để khi hoạt động cho phép truyền được một áp suất giới hạn trong trường hợp được ưu tiên Van giảm áp phụ thì điều chỉnh đường dầu ở trong các te của động cơ, được tiếp nối liên tục với đường dầu chính, để làm cho lượng dầu cung cấp được tăng lên và thúc đẩy hoạt động của van giảm áp phụ làm giảm đi một lượng nhỏ dầu trong đường dầu đã được thiết kế sẵn trong động cơ

Hình 1.8: Hình cắt một góc của động cơ V8 kết hợp với một hệ thống

điều khiển áp suất dầu

Hình 1.9:(a):Hình diễn tả đường dầu ở trong một hệ thống

(b): Hình diễn tả một khối động cơ tương tự như hình 1.8 Với một lỗ điều chỉnh dòng dầu dùng cho van giảm áp phụ

Hình 1.10: Hình minh hoạ vị trí của van giảm áp được nối trực tiếp

với đường dầu chính

1.5.4 Dùng cò mổ có chốt cơ điện để ngắt hoạt động của xú páp

Thông tin về bài báo

ELECTROMECANICAL LATCHING ROCKER ARM VALVE DEACTIVATOR

b

a

Tác giả: David M Preston, Kynan L Church, William C Dumphi

USA Patent No: 6092497 A Phát hành ngày: 25/ 07/ 2000

Tóm tắt bài báo:

Xú pápbị ngắt là một bộ phận được lắp trong động cơ đốt trong Bộ phận bao gồm một cò

mổ dẩn hướng tiếp nhận chuyển động tuần hoàn từ một đũa đẩy của động cơ, và một đầu cò

mổ tác động lên đầu của xú páp Còmổ được hồi vị bởi lò xo đặt ở giữa cò mổ và hốc chốt, Các chốt có thể dịch chuyển được ra khỏi vị trí và được hẵm với một lò xo theo hướng lắp chốt Một nam châm điện kích hoạt được gắn cạnh cò mổ và sinh ra lực cảm ứng khi có tín hiệu vào, sinh ra lực làm quay trục và chốt, làm dịch chuyển chốt trượt ra khỏi vị trí không khoá chốt Sáng kiến này đã cung cấp một hiệu quả hửu ích, cụm van bị vô hiệu hoá chúng

có thể thay đổi trạng thái nhanh giữa hai điều kiện, khoá chốt hay không khoá chốt

Hình 1.11: Minh hoạ cách đặt một cơ cấuđể ngắtxy lanh, gồm có một cặp vấu dùng

để ngắt và để kích hoạt cả 2 xú páp, xú páphút và xú páp xả

Hình 1.12: Hình cắt với nhiều chi tiết khác nhau của động cơ, minh hoạ chốt giữ thông qua cò mổ để ngắt xy lanh [69].

Hình 1.13:Hình cắt theo phương ngang thể hiện mặt trên của (hình 1.11) nhưng được phóng lớn hơn nhằm minh hoạ sự lắp ghép của cò mổ

Hình 1.14: Hình(a) là mặt cắt dọc của chi tiết kích hoạt gồm nhiều bộ phận, hình (b) là một hình vẽ mô tả tương tự như ở hình (1.12), cho thấy không gian liên hệ của nhiều chi tiết khác nhau, của cụm lắp ghép van dùng ngắt xy lanh

a

b

I.6 HƯỚNG NGHIÊN CỨU

Như đã trình bày trên phần tổng quan, ta đã thấy rỏ ưu nhược điểm của từng loại hệ thống dùng để ngắt xy lanh.Các công trình nghiên cứu từ trước đến nay đã cố gắng giải quyết các nhược điểm của từng loại hệ thống ngắt xy lanh theo những cách khác nhau, nhưng hầu hết là cải tiến thiết kế trên những động cơ mới, do đó cấu trúc phức tạp và giá thành lại rất đắt

I.7 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu thiết kế cơ cấu ngắt xy lanh ứng dụng trên mô hình động cơ thực tế

1.7.2 Đối tượng nghiên cứu.

- Đối tượng nghiên cứu là hệ thống phân phối khí truyền thống trên động cơ Hyundai Accent, mô hình hoá, mô phỏng số hiệu quả về chế độ ngắt xy lanh trên động cơ ở các chế

độ tải khác nhau, khảo sát các phương pháp thiết kế tối ưu cho việc ngắt xú páp trên động

cơ

- Do thời gian, kinh phí và trình độ có hạn nên đề tài chỉ nghiên cứu, thiết kế chế tạo cơ cấu ngắt xy lanh trên hệ thống phân phối khí truyền thống của động cơ Hyundai Accent Đồng thời, mô hình hoá và mô phỏng số hệ thống ngắt xy lanh bằng phần mềm Matlab tính hiệu quả về hiệu suất và suất tiêu hao nhiên liệu tương ứng với các chế độ ngắt xy lanh trên động

cơ

-Các hệ thống liên quan như: hệ thống điều khiển đánh lửa và phun xăng trên động cơ xăng,

cụ thể ở đây là động cơ Hyundai G4EK

1.7.3 Phạm vi giới hạn nghiên cứu

Với yêu cầu về nội dung,các mục tiêu vàthời gian có hạn nên đề tài chỉ tập trung nghiên cứu:

-Thiết kế và chế tạo hệ thống tiết kiệm nhiên liệu theo tải trên động cơ

-Quan sát thực nghiệm động cơ, khảo sát các tính năng của động cơ, sau đó lấy số liệu thực tiển để làm tín hiệu phản hồi nhằm điều khiển động cơ hoạt động tối ưu hơn

I.8 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Trên cơ sở thu thập và tham khảo tài liệu về hệ thống điều khiển ngắt xy lanh trên động cơ

- Phương pháp thiết kế hệ thống: Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết đề xuất các phương án thiết kế tối ưu về cơ cấu ngắt xy lanh

- Phương pháp chế tạo cơ cấu

- Phương pháp mô phỏng, thực nghiệm: Mô hình hoá hệ thống và mô phỏng số

hệ thống

- Phương pháp thực nghiệm:Xây dựng mô hình thí nghiệm, đo đạc các thông số kỹ thuật, kiểm chứng, phân tích và đánh giá các kết quả

I.9 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết hệ thống ngắt xy lanh trên động cơ

- Mô hình hoá và mô phỏng số hệ thống ngắt xy lanh trên động cơ

- Nghiên cứu các phương án ngắt xú páp đối với cơ cấu phân phối khí trên động cơ Hyundai Accent

- Thiết kế, chế tạo cơ cấu ngắt xy lanh

- Lắp đặt cơ cấu trên động cơ Hyundai

- Thực nghiệm cơ cấu điều khiển trên động cơ

-Đánh giá mức độ tác động của hệ thống tiết kiệm nhiên liệu theo tải đã thiết kế đến hoạt động của động cơ

-Kết luận

CHƯƠNG II

CƠ SƠ LÝ THUYẾT

2.1Tổng quan về hệ thống ngắt xy lanh trên động cơ

2.1.1Khái quát về hệ thống ngắt xy lanh

Thể tích công tác biến thiên (Variable Displacement) trên động cơ là công nghệ thay đổi thể tích công tác động cơ (Engine Displacement) bằng cách ngắt một số xy lanh khi làm việc ở chế độ tải nhỏ hay còn gọi là Cylinder Deactvation (CDA) trên Toyota Ngoài ra hệ thống ngắt xy lanh còn có một số tên gọi khác nhau như: hệ thống quản lý xy lanh chủ động thayđổiVCM (Variable Cylinder Management)trên Honda, hệ thống Active Fuel Management (AFM) trên GM, Active Cylinder Control (ACC) trên Mercedes hay Multi-displacement System (MDS) trên Chrysler [1]

Hình 2.1: Hệ thống điều khiển xy lanh biến thiên

Công nghệ ngắt xy lanh trên động cơ được thực hiện bằng cách giữ cho các xú páp nạp

và xả ở vị trí đóng đối với các chu kỳ làm việc của động cơ Đồng thời, ngắt hệ thống đánh lửa và nhiên liệu đến các xy lanh bị ngắt để tiết kiệm năng lượng, nhiên liệu và giảm khí xả gây ô nhiễm môi trường Bằng cách đóng các xú páp khi cần ngắt xy lanh, vì vậy xy lanh ngắt được xem như một lò xo không khí "air spring" Lò xo không khí này thực hiện quá trình nén và giãn nở có chu kỳ, điều này loại bỏ các công tổn thất

Công nghệ ngắt xy lanh chủ động trên động cơ ô tô (CDA), thường là từ động cơ V6 trở lên, động cơ có thể chỉ làm việc với 4 hoặc 3 xy lanh để giảm 8 – 25% lượng nhiên liệu tiêu thụ.Ở mức tải bằng 30% công suất tối đa, trên các động cơ cở lớn bướm ga gần như đóng hoàn toàn.Điều này đã cản trở quá trình cấp khí cho các xy lanh, thiếu không khí,áp suất và nhiệt độ nén giảm khiến quá trình cháy kém hiệu quả, hiệu suất nhiệt thấp khi tải động cơ nhỏ

Thay vì để các máy tranh giành lượng khí ít ỏi, công nghệ điều khiển xy lanh biến thiên

sẽ cho một số máy ngừng làm việc, để nhường khí nạp cho các xy lanh còn lại Một số buồng đốt nhận khí nhiều hơn làm tăng áp suất nén, vì thế hiệu suất nhiệt được cải thiện Theo tính toán, lượng nhiên liệu tiêu thụ có thể giảm 8-25% khi xe chạy trên đường cao tốc [2]

Hình 2.2: Công nghệ ngắt xy lanh ở động cơ 6 xy lanh

Trên các xy lanh tạm dừng làm việc, các xú páp xả và nạp đóng kín, hỗn hợp không khí trong buồng đốt bị cô lập với bên ngoài Lúc này, chúng có vai trò như một chiếc lò xo Nó

sẽ bị nén khi pít tông đi từ điểm chết dưới (ĐCD) lên điểm chết trên (ĐCT), và giãn nở trong hành trình ngược lại từ ĐCT xuống ĐCD Quá trình giãn nở của khối khí cô lập tạo

sự cân bằng tổng thể, đồng thời không gây ra phụ tải cho động cơ Ví dụđiển hình nhất cho công nghệ này là loại động cơ lớn V12 chỉ có 6 xy-lanh làm việc khi tải trọng thấp

Quá trình chuyển đổi trạng thái được thực hiện bằng cách thay đổi đồng bộ hệ thống đánh lửa, hệ thống phân phối khí, và vị trí bướm ga

Hiện nay có nhiều phương pháp để cải tiến hiệu suất động cơ, giảm suất tiêu hao nhiên liệu cũng như khí xả độc hại phát ra trên động cơ như: thay đổi thời điểm đóng mở xú páp (VVT), sử dụng công nghệ điều khiển xú páp bằng điện từ (EMV), tỉ số nén thay đổi (VCR), phun xăng trực tiếp (GDI), tăng áp động cơ Hiệu quả sẽ cao hơn khi kết hợp các phương pháp khác nhau Ví dụ: sự kết hợp giữa VVT và CDA sẽ mang lại hiệu quả cao nhất, sự kết hợp này sẽ tiết kiệm nhiên liệu lên tới 14 – 16% Việc sử dụng công nghệ điều khiển xú páp bằngđiện từ (EMV) cho phép điều khiển thời điểm đánh lửa, các sự kiện diễn

ra trong quá trình hoạt động xú páp và độ nâng xú páp được thực hiện một cách linh hoạt, hoàn toàn Hơn nữa, việc sử dụng EMV cho phép CDA thực hiện dễ dàng do đã loại bỏ xú páp trong động cơ Ngoải ra, VVT kết hợp với các công nghệ khác như tăng áp, công nghệ ngắt xy lanh (CDA), công nghệ thay đổi tỉ số nén (VCR)… sẽ cải thiện đáng kể suất tiêu

2.1.2Lịch sử phát triển

Phát minh tiền thân cho công nghệ điều khiển xy lanh biến thiên là loại động cơ bật – tắt (hit and miss engine) ở thế kỉ 19 Thay vì sử dụng bướm ga để thay đổi tốc độ quay trục khuỷu, thì động cơ này giảm tốc độ bằng cách ngừng làm việc, và khi muốn tăng duy trì tốc

độ, động cơ sẽ làm việc trở lại

Hình 2.3: Động cơ bật tắt - hit and miss engine

Cuộc thử nghiệm động cơ điều khiển xy lanh biến thiên đầu tiên được Cadillac thực hiện trên động cơ V8 vào năm 1981 và trở thành tiêu chuẩn cho các mẫu xe Cadillac trừ dòng xe Seville Việc hợp tác với Eaton Corporation đã giúp Cadillac phát triển hệ thống điều khiển động cơ V-8-6-4 sử dụng ECU đầu tiên cho phép chuyển đổi động cơ từ trạng thái 8 về 6 rồi

về 4 xy lanh tùy thuộc vào công suất sử dụng Hệ thống này điều khiển tắt 2 xy lanh nằm đối diện, do đó động cơ có thể làm việc ở 3 chế độ khác nhau (8, 6 hoặc 4 xy lanh) Nhưng

có một số vấn đề rắc rối xảy ra và những hỏng hóc không thể lường trước đã kìm hãm sự phát triển của công nghệ này

Hình 2.4: Mitsubishi Lancer sử dụng công nghệ MD

Một năm sau đó, Mitsubishi phát triển hệ thống tương tự có tên MD (Modulated Displacement) trên động cơ 1.4L 4 xy lanh thẳng hàng Bởi vì hệ thống của Cadillac gặp trục trặc và không được sử dụng trên động cơ 4 xy lanh nên Mitsubishi tự hào là hãng đầu tiên trên thế giới áp dụng công nghệ này Hãng xe Nhật tiếp tục ứng dụng công nghệ MD lên động cơ V6, nhưng chỉ được một thời gian ngắn bởi thiếu vắng những phản ứng từ phía người mua Năm 1993, một năm sau khi Mitsubishi phát triển công nghệ trục cam biến thiên, Mivec-MD được giới thiệu đã làm sống lại công nghệ MD lần 2 với bộ điều khiển điện tử cho phép chuyển đổi động cơ từ 4 xy lanh về 2 xy lanh một cách trơn tru Mivec-

MD làm giảm mức tiêu thụ nhiên liệu từ 10-20%, dù bước phát triển này là do công nghệ điều khiển trục cam chứ không phải hệ thống điều khiển xy lanh biến thiên Vì thế, năm

1996, Modulated Displacement bị loại bỏ

Cuối thập kỷ 90, Mercedes thử nghiệm công nghệ điều khiển xy lanh biến thiên lên động

cơ V12, tiếp sau đó DaimlerChrysler, GM và Honda cũng giới thiệu những công nghệ tương

tự Năm 1998, DaimlerChrysler đã giới thiệu lại công nghệ ngắt giảm xy lanh trên động cơ 5.0L V8 và 6.0L V12, được Mercedes- Benz sử dụng Hệ thống này có thể ngắt giảm 4 đến

6 xy lanh Hãng Honda cũng áp dụng công nghệ này nhưng với tên gọi là Variable Cylinder Management (VCM) vào năm 2005 trên động cơ xăng 3.5L V6, nhưng chỉ có thể ngắt được

1 trong 3 xy lanh nằm thẳng hàng

Sau năm 2008 giá nhiên liệu liên tục tăng cao, người tiêu dùng đang tìm kiếm những loại động cơ tiết kiệm nhiên liệu đồng thời đảm bảo công suất hoạt động, điều này sẽ là một cơ hội để công nghệ điều khiển xy lanh biến thiên tiếp tục phát triển trong tương lai

2.1.3Ưu và nhược điểm của hệ thống ngắt xy lanh

a Ưu điểm

Phương pháp ngắt giảm xy lanh khi động cơ làm việc ở chế độ tải nhỏ hoặc không tải nhằm giúp động cơ làm việc một cách tiết kiệm nhiên liệu nhất mà hiệu suất đạt được lại

cao như kết luận của Osman Akin Kutlar [3] Hiệu quả của phương pháp này được thể

hiện ở hình sau đây:

Hình 2.5:So sánh 2 chế độ làm việc của động cơ

Hình 2.5 cho thấy khi ở chế độ tải nhỏ hoặc không tải, nếu hai xy lanh làm việc thì phần công suất sinh ra ở mỗi xy lanh bằng 1/2 công suất yêu cầu của động cơ (IMEPgross_ phần công +) Nhưng đồng thời khi đó phần tổn thất công suất dành cho việc hút khí nạp và thải khí sẽ tăng lên (IMEPpumping_ phần công -) Như chúng ta đã biết, khi động cơ hoạt động ở chế độ tải nhỏ thì bướm ga đóng một phần, lượng khí được hút vào xy lanh trên đường ống nạp sẽ bị cản trở bởi cánh bướm ga, do đó cần tốn một công lớn dùng để hút không khí vào buồng đốt trong kì nạp Chính phần công này làm cho hiệu suất của động cơ giảm đi hay nói cách khác làm tổn thất công suất có ích của động cơ Để khắc phục sự tổn thất công khi ở tải thấp việc ngắt giảm bớt một xy lanh sẽ giúp cho động cơ làm việc với hiệu suất cao hơn nhưng lại tiết kiệm được nhiên liệu hơn Như được chỉ ra ở Hình 2.5, khi động cơ làm việc với một xy lanh ở tải nhỏ, thể tích công tác giảm chỉ còn một nửa nhưng yêu cầu về công suất vẫn không đổi do đó bướm ga sẽ mở tối đa, điều này giúp cho việc nạp không khí vào buồng đốt dễ dàng hơn do không có sự cản trở của cánh bướm ga trên đường nạp Do đó phần công tiêu hao cho việc hút không khí nạp được giảm đi (IMEPpumping_ phần công -), mà phần công suất được sinh ra ở một xy lanh lại cao hơn (IMEPgross_ phần công +), đồng nghĩa với việc làm tăng hiệu suất cho động cơ Ngoài ra dựa theo bảng so sánh ở hình 2.5 cũng cho thấy, cùng một chỉ số áp suất hiệu dụng chính ( IMEPnet) thì sự tiêu hao nhiên liệu khi hoạt động ở một xy lanh sẽ giảm xuống Một ví dụ trên động cơ V-6 3.5-liter i-VTEC VCM mới của Honda dưới đây:

Hình 2.6:Động cơ V-6, 3.5-lít của Hondavà sự ngắtgiảm xylanh

Như trên hình 2.6 cho thấy, khi động cơ hoạt động ở điều kiện tải nhỏ với nhu cầu công suất đầu ra không lớn, thay vì cho tất cả 6 xy lanh cùng hoạt động thì mỗi xy lanh sẽ làm việc với công suất thấp và cánh bướm ga gần như đóng hoàn toàn Điều này dẫn tới sự tổn thất công suất cho động cơ rất lớn như được thể hiện trên hình 2.6, phần diện tích tổn hao công suất (pumping loss) của mỗi xy lanh khi 6 xylanh cùng hoạt động là rất lớn Để tránh

sự tổn thất công suất có ích của động cơ trong trường hợp này số xy lanh được ngắt giảm phân nữa còn lại 3 xy lanh làm việc với công suất riêng lớn và bướm ga mở gần như tối đa nhằm đảm bảo công suất đầu ra đúng như yêu cầu khi cả 6 xy lanh làm việc Hình 2.6 cho thấy phần pumping loss của mỗi xy lanh khi chỉ có 3 xy lanh làm việc là rất thấp đồng thời

ở 3 xy lanh được ngắt giảm thì công tổn thất được giảm hoàn toàn

Do đó việc ngắt giảm số xy lanh làm việc đem lại kết quả tốt hơn khi động cơ làm việc ở chế độ tải nhỏ Đặc biệt về mặt tiết kiệm nhiên nhiệu như được chỉ ra Hình 2.7, sự tiếtkiệm nhiên liệu rất cao khi chỉ hoạt động 3 xy lanh ở chế độ tải nhỏ và 4 xy lanh ở tải trung bình thay vì hoạt động cả 6 xy lanh ở cùng điều kiện tải

Theo các số liệu thống kê của Gilbert Peters [4]cho thấy khi động cơ hoạt động ở tải

thấp với hai xy lanh được ngắt giảm thì hiệu suất làm việc động cơ cải thiện được 20% Khi

ở chế độ khơng tải, áp suất hiệu dụng đầu ra BMEP 2bar, ở số vịng quay động cơ 2000 vịng/phút thì cải thiện hiệu suất động cơ là 16% Khi thử ở điều kiện BMEP thấp, phương pháp ngắt giảm xy lanh giúp làm giảm khí xả HC 10 - 40% do nhiệt độ trong xy lanh làm việc thường xuyên cao Nhưng khi BMEP cao thì sự tiêu hao nhiên liệu và lượng khí xả HC

đều tăng do làm giảm hiệu suất nạp Cũng theo nghiên cứu của Gilbert Peters đối với xe

taxi, sự tiêu hao nhiên liệu giảm 20-30% đối với động cơ 4 xy lanh thẳng hàng được ngắt giảm 2 xy lanh khi ở chế độ khơng tải Cịn với động cơ 6 xy lanh thẳng hàng được ngắt giảm 3 xy lanh khi động cơ cầm chừng thì cải thiện được 45% hiệu suất nhiên liệu

b Nhược điểm

-Động cơ làm việc ồn hơn bình thường do các xy lanh cịn lại làm việc với cơng suất cao -Sự rung giật sẽ diễn ra khi động cơ hoạt động

-Địi hỏi độ bền chi tiết động cơ cao vì dễ bị mịn do va đập giữa các chi tiết nhất là với các

chi tiết xúpáp và liên quan đến xúpáp trên động cơ điều khiển khơng trục cam (camless)

2.2 Các lợi ích của hệ thống điều khiển xy lanh biến thiên (ngắt xy lanh)

2.2.1 Nâng cao cơng suất động cơ nhờ vào việc giảm cơng hao phí (pumping loss):

Khi động cơ hoạt động ở chế độ tải nhỏ hoặc trung bình thì cánh bướm ga mở nhỏ, làm tăng độ chân khơng phía sau cánh bướm ga, dẫn đến sự chênh lệch áp suất giữa đường ống nạp và buồng đốt là tương đối nhỏ Do đĩ, piston phải tiêu hao một phần năng lượng để hút hịa khí vào buồng đốt Bên cạnh đĩ, ở kỳ thải thì piston cũng tốn một phần năng lượng để đẩy khí cháy ra ngồi do sự cản trở của đường ống thải (tổn thất này là khơng đổi) Tổng năng lượng tiêu hao cho hai quá trình này được gọi là tổn thất bơm (hình 2.8) Tổn thất này nhỏ khi xe hoạt động ở tải lớn (cánh bướm ga mở lớn) và tăng dần khi xe hoạt động ở tải trung bình và thấp (cánh bướm ga mở nhỏ) do sức cản của cánh bướm ga Như vậy, khi ngắt giảm xy lanh thì những xy lanh cịn lại phải hoạt động ở mức tải cao hơn (cánh bướm ga mở lớn hơn) để đảm bảo đủ cơng suất Mục đích là làm giảm tổn thất bơm, nâng cao cơng suất động cơ

Hình 2.8Đồthị cơng P-V của động cơ xăng.

Chu kỳ sinh cơng

Tổn thất bơm

2.2.2 Giảm tiêu hao nhiên liệu:

Khi ngắt giảm xy lanh thì trục cam không phải đội các xúpáp của các xy lanh đó dẫn đến giảm hao phí công suất và lực ma sát Ví dụ khảo sát trên xe được trang bị động cơ 4 xy lanh dung tích 2.0 lít Giả sử động cơ hoạt động ở công suất không đổi là 6(Kw), tốc độ động cơ là 2300(vòng/phút), xe chạy ổn định ở tốc độ 80 Km/h và moment xoắn sinh ra là

25 Nm Gọi W là đặc trưng cho tải động cơ [J/dm3], Tenginelà moment xoắn động cơ [Nm]

và Vactive là thể tích của các xy lanh hoạt động [dm3] Thì W được tính theo công thức sau:

Đặc tính tiêu thụ nhiên liệu.-Fuel SFC: Specific Consumption

Bảng 2.1 cho thấy sự cải thiện hiệu suất và giảm tiêu hao nhiên liệu phụ thuộc vào số xy lanh hoạt động Các cuộc thử nghiệm cụ thể sẽ cho ta thấy rõ hơn lợi ích về tiêu hao nhiên liệu của việc ngắt giảm xy lanh: Làm thử nghiệm với xe taxi sử dụng động cơ 4 xy lanh mà

có 2 xy lanh bị ngắt giảm cho thấy khi chạy trên đường thì nó có thể giảm mức tiêu hao nhiên liệu từ 20 – 30% [5] Còn với một động cơ 6 xy lanh thẳng hàng được thử nghiệm theo chu trình NEDC (New European Driving Cycle) nó có thể cải thiện được 25,4 % suất tiêu hao nhiên liệu khi ngắt giảm 3 xy lanh, một trường hợp khác là động cơ V8 dung tích 5 lít của Mercedes-Benz nó giảm 6,5% khi thử nghiệm theo chu trình NEDC và 10,3% khi thử nghiệm theo chu trình American FTP (Federal Test Procedure) với 4 xy lanh bị ngắt giảm

Hình 2.9: (a) biểu đồ đặc trưng cho hiệu suất của động cơ khi hoạt động ở các chế độ 1,2,3 và 4 xy lanh (b) sự thay đổi của đặc tính tiêu hao nhiên liệu theo tải động cơ

Biểu đồ hình 2.9 cho thấy mặc dù các điểm hoạt động không nằm trong vùng làm việc tối ưu nhưng sự thay đổi thể tích xy lanh làm các điểm hoạt động dịchchuyểndần về vùng làm việc tối ưu, nhờ đó cải thiện được mức tiêu hao nhiên liệu Bên cạnh đó, biểu đồ còn cho thấy với cùng dung tích động cơ, nếu sử dụng nhiều xy lanh có thề tích nhỏ hơn (ví dụ như động cơ 5 hay 6 xy lanh) thì có khả năng cải thiện đặc tính tiêu hao nhiên liệu tốt hơn

và đưa mức tải động cơ mong muốn đến gần mức tải lý tưởng của động cơ

2.2.3 Giảm ô nhiễm môi trường:

Nhờ việc tắt bớt các xy lanh không cần thiết, nên lượng khí thải phát thải ra môi trường cũng giảm theo, góp phầngiảm ô nhiễm môi trường Theo số liệu thống kê cho thấy công nghệ điều khiển xy lanh biến thiên có thể giảm lượng khí CO2 từ 2.1% - 8.0% [6]

2.3 Nguyên lý hoạt động:

Việc ngắt giảm xy lanh làm cho các xúpáp nạp và thải đóng lại ở tất cả các chu kỳ của các xy lanh đặc biệt trong động cơ, hỗn hợp không khí trong buồng đốt bị cô lập với bên ngoài Lúc này, chúng có vai trò như một chiếc lò xo Nó sẽ bị nén khi piston đi từ ĐCD lên ĐCT và giãn nở trong hành trình ngược lại từ ĐCT xuống ĐCD Quá trình giãn nở của khối khí cô lập tạo sự cân bằng tổng thể, đồng thời không gây ra phụ tải cho động cơ Việc điều khiển ngắt xy lanh được thực hiện bởi một trong hai phương pháp phổ biến sau:

2.3.1 Điều khiển ngắt giảm xy lanh chủ động (đóng xú páp nạp và thải):

Trong phương pháp này có hai cách thực hiện khác nhau tương ứng với hai kiểu động cơ khác nhau là: động cơ thông thường và động cơ không trục cam