Đang tải... (xem toàn văn)
Động cơ tỉ số nén biến thiên (VCR) đầu tiên được chế tạo và thử nghiệm là của Harry Ricardo vào những năm 1920. Trong nhiều thập kỉ sau đó, do sự phức tạp trong việc chế tạo, động cơ VCR chỉ có mặt trong các phòng thí nghiệm cho mục đích nghiên cứu quá trình đốt cháy. Những thiết kế này thường có một piston điều chỉnh thứ hai được đặt trong đầu đối diện với piston làm việc. Với động cơ 2 thì, từ cuối những năm 90 trở đi, các mô hình mở rộng về ý tưởng này đã có sẵn, chẳng hạn như từ Yamaha, thay đổi linh hoạt kích thước của buồng đốt . Vào cuối những năm 2000, công nghệ này đã nhận thấy một số lợi ích mới, do nó có thể đốt cháy nhiều loại nhiên liệu (ví dụ như rượu) như Lotus Omnivore. Về mặt lý thuyết, động cơ VCR là một thiết kế rất đáng để các nhà sản xuất quan tâm và thử nghiệm. Tuy nhiên để có thể hiện thực hóa ý tưởng này là điều không dễ dàng, trên thực tế mới chỉ có một vài nhà sản xuất như FEV, Ford, Sabb, Nissan đưa ra được những động cơ mẫu và thử nghiệm
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT TPHCM KHOA CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT Ô TÔ TIỂU LUẬN ĐỀ TÀI: ĐỘNG CƠ TỈ SỐ NÉN BIẾN THIÊN Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS Lý Vĩnh Đạt Sinh viên thực : Nguyễn Hoàng Minh Đức Lớp : 18845SP2 MSSV : 18845085 TPHCM, THÁNG 9/2019 ĐỘNG CƠ TỈ SỐ NÉN BIẾN THIÊN ĐỘNG CƠ TỈ SỐ NÉN BIẾN THIÊN I GIỚI THIỆU Lý sử dụng công nghệ Một thông số thiết kế quan trọng động đốt tỉ số nén Đó tỉ số thể tích tồn phần xylanh thời điểm piston điểm chết (BDC) thể tích buồng đốt piston điểm chết (TDC) Với động thông thường, thông số thiết lập không thay đổi Tuy nhiên, tỉ số nén sử dụng tốt cho điều kiện riêng biệt Chẳng hạn, tỉ số nén cao giúp động chạy tiết kiệm hiệu quả, không cho hiệu suất cao Ngược lại, để tăng hiệu suất cho khối động cơ, nhà sản xuất thường trang bị hệ thống siêu nạp (supercharger) hay tăng áp (turbocharger) Nhưng hệ thống này, động khơng thể có tỉ số nén cao dễ xảy kích nổ làm hư hỏng động giảm tuổi thọ chi tiết Còn với tỉ số nén thấp, động siêu nạp hay tăng áp hoạt động ì tốc độ vòng tua thấp Nhìn chung, ơtơ phải vận hành nhiều điều kiện khác nhau: dừng đỗ đèn xanh đèn đỏ, với tốc độ thấp di chuyển thị hay ln trì tốc độ cao đường cao tốc…Tuy nhiên thành phố thường trì với tốc độ thấp, tải trọng nhẹ nên làm giảm giảm hiệu suất trình cháy dẫn đến tăng mức tiêu thụ nhiên liệu Lúc mong muốn động có tỷ số nén cao để phát huy hiệu suất trình cháy Ngược lai, di chuyển với tốc độ cao, tải trọng lớn dễ dẫn đến tượng kích nổ động lúc tỷ số nén thấp lựa chọn tối ưu Tỷ số nén cao hay thấp mang đến lợi theo bất lợi điều kiện khác Biểu đồ đặc tính làm việc động tỷ số nén khác Vì vậy, giải pháp động có tỷ số nén biến thiên theo điều kiện làm việc (VCR Engine) bước ngoặt cho động đốt giá xăng dầu có xu hướng tăng cao, tiêu chuẩn khí thải ngày bị giới hạn Lịch sử công nghệ Động tỉ số nén biến thiên (VCR) chế tạo thử nghiệm Harry Ricardo vào năm 1920 Trong nhiều thập kỉ sau đó, phức tạp việc chế tạo, động VCR có mặt phòng thí nghiệm cho mục đích nghiên cứu q trình đốt cháy Những thiết kế thường có piston điều chỉnh thứ hai đặt đầu đối diện với piston làm việc Với động thì, từ cuối năm 90 trở đi, mơ hình mở rộng ý tưởng có sẵn, chẳng hạn từ Yamaha, thay đổi linh hoạt kích thước buồng đốt Vào cuối năm 2000, công nghệ nhận thấy số lợi ích mới, đốt cháy nhiều loại nhiên liệu (ví dụ rượu) Lotus Omnivore Về mặt lý thuyết, động VCR thiết kế đáng để nhà sản xuất quan tâm thử nghiệm Tuy nhiên để thực hóa ý tưởng điều khơng dễ dàng, thực tế có vài nhà sản xuất FEV, Ford, Sabb, Nissan đưa động mẫu thử nghiệm Cụ thể giới thiệu phần Các mơ hình động VCR a Peugeot MCE-5 Thiết kế Peugeot hoạt động cách thay đổi chiều dài hiệu truyền nối piston với trục khuỷu Khi truyền ngắn, tỷ lệ nén thấp ngược lại Ở phía bên trái piston thơng thường động đốt Bên phải xi lanh thủy lực với piston tác động kép Cơ cấu hoạt động thông qua hệ thống trục khuỷu với bánh răng, có chuyển động điều chỉnh chiều dài hiệu điều chỉnh tỷ số nén xi lanh bên trái b Saab SVC Tại triễn lãm Geneva Motoshow 2000, Sabb giới thiệu công nghệ tới công chúng tham dự Ở công nghệ này, Sabb thay đổi tỷ số truyền động cách di chuyển nắp xi lanh để tạo không gian thay đổi piston nắp xilanh để thay đổi tỷ số nén Để thực điều này, thiết kế, nắp xilanh phải làm nguyên khối toàn thân máy chia làm phần, nửa bao gồm: xilanh, piston, trục cam chi tiết nằm nắp xilanh Nửa gồm chi tiết lại động cơ, hai nửa nối với thông qua chốt xoay Trong q trình làm việc, muốn thay đổi tỷ số truyền tồn phần nửa nghiêng 40 nhờ cấu thủy lực Lúc khoảng khoảng cách đường tâm trục khủy nắp xilanh thay đổi dẫn đến thay đổi thể tích buồng đốt tức thay đổi tỷ số nén động Trong mô hình chiều dài truyền khơng thay đổi c Công nghệ VCR Gomecsys Gomecsys công ty Kỹ thuật Hà Lan phát triển công nghệ tỷ số nén biến thiên riêng Những cải tiến mạnh mẽ thực nhiều năm cơng ty có động VCR hệ thứ chạy dyno Một lợi lớn hệ thống đơn giản Hệ thống VCR hồn chỉnh tích hợp trục khuỷu động nâng cấp cách thay trục khuỷu thông thường trục khuỷu GomRsys VCR Các công nghệ tiết kiệm nhiên liệu bổ sung tích hợp hệ thống giúp tăng mức giảm CO2 tổng thể lên 18% điều khơng giảm d Infiniti VC-Turbo Suốt kỉ nay, kĩ sư sản xuất xe ô tô không ngừng nghiên cứu cách thức chế tạo động với tỉ số nén phù hợp Và nay, Infiniti hãng xe tìm lời giải cho tốn khó với khối động VC-Turbo Infiniti VC-Turbo cho mắt lần triễn lãm Paris Motor Show 2016 Sau đó, hãng lắp đặt động Infiniti QX50 2018, động thương mại giới thay đổi tỉ số nén linh hoạt nhờ cấu trục khuỷu thông minh Với 300 sáng chế không ngừng phát triển, 20 năm việc chế tạo, động VC-Turbo phát triển cảm hứng dung hòa khía cạnh Nó kết hợp hiệu suất mạnh mẽ động 2.0 lít với mơ men xoắn hiệu hệ thống truyền động diesel tiên tiến Có thể nói động VC-Turbo đến từ INFINITI động đốt vượt bậc Sự xuất vô số động nén thiết lập tiêu chuẩn - cho hiệu suất, hiệu thiết bị thải khí - hệ thống truyền động tương lai định lượng Bởi tính đột phá nó, tiếp đây, luận sâu vào cấu tạo, nguyên lý hoạt động đồng thời phân tích ưu điểm, nhược điểm động INFINITI VCTURBO II CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG ĐỘNG CƠ INFINITI VCTURBO Cấu tạo Về mặt cấu tạo, động không khác so với động đốt truyền thống ngoại trừ cụm piston – truyền – trục khuỷu kỹ sư Infiniti thiết kế lại Ngoài trục khuỷu truyền, hãng nghiên cứu chế tạo thêm hệ thống liên kết đa điểm để nối trục khủyu, truyền, thông qua cấu bánh lệch tâm mà nhà sản xuất gọi Harmonic Drive Cơ cấu Harmonic Drive nối với động điện thông qua cánh tay điều khiển Nguyên lý hoạt động a Thay đổi tỉ số nén Hiệu suất trình cháy phụ thuộc lớn vào tỉ số nén, tỷ số nén cao trình cháy diễn triệt để, nhiên động xăng hoạt động mức tỷ số nén cao liên tục dẫn đến tượng kích nổ gây hư hỏng động lúc hỗn hợp hòa khí cháy trước bugi đánh lửa Với động thông thường, piston trục khuỷu kết nối trực tiếp truyền nên tỉ số nén cố định Tỉ số nén thấp 8:1 phù hợp cho nhu cầu tạo công suất lớn điều kiện động tải cao (lúc tăng áp hoạt động), tỉ số nén cao 14:1 lý tưởng cho việc sử dụng hiệu nhiên liệu điều kiện động tải thấp (lúc tăng áp chưa hoạt động) Động VC-Turbo sử dụng hệ thống “đa liên kết” thay cho truyền truyền thống, để xoay trục khuỷu mơ tơ từ thay đổi hành trình piston thay đổi tỷ số nén Điều cho phép thay đổi tỷ số nén liên tục cần phạm vi 8:1 đến 14:1 Tỉ số nén tối ưu thiết lập liên tục để phù hợp diều khiển tải trọng vị trí bàn đạp ga người lái điều khiển b Cách thức hoạt động (1) Khi cần thay đổi tỷ số nén, mô tơ di chuyển cánh tay chấp hành 10 (2) Cánh tay chấp hành quay trục điều khiển (3) Vòng quay trục điều khiển di chuyển làm thay đổi góc L-link từ xoay trục khuỷu (4) Hệ thống “đa liên kết” điều chỉnh vị trí thẳng đứng hành trình piston xylanh từ thay đổi tỉ số nén c Tối ưu hóa bố cục liên kết Vì thay đổi góc U- Link, hành trình piston nhỏ, U- Link thẳng đứng di chuyển xuống Điều làm giảm ma sát với thành xylanh, giảm công suất tiêu tốn ma sát từ góp phần cải thiện khả tiết kiệm nhiên liệu Chuyển động tịnh tiến piston điểm chết điểm chết trở nên đối xứng từ giúp giảm rung Cơ chế hệ thống Động VC-Turbo sử dụng hệ thống hiệu suất cao với tăng áp cổng xả điện Điều cho phép kiểm sốt xác áp suất độ trễ turbo để tạo công suất theo yêu cầu Khi tải thấp, hệ thống VTC (Valve Timing Control) liên tục điều chỉnh thời gian van để giảm tổn thất bơm nhiên liệu chu trình đốt Atkinson từ tạo hiệu nhiên liệu cao với tỉ số nén cao 11 Nghiên cứu VC-Turbo bắt đầu vào năm 1998 Một số phương pháp sử dụng để thực hóa VC-Turbo Phát triển động với tỉ số nén biến đổi chế liên kết, tối ưu hóa bố cục liên kết, sử dụng phân tích nâng cao để tạo hình dạng xác tạo xử lý nhiệt có độ xác cao vài trở ngại công nghệ III ƯU ĐIỂM, NHƯỢC ĐIỂM VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ INFINITI VC-TURBO Ưu điểm Động VC-TURBO có khả làm xê dịch khoảng cách pít tơng di chuyển xilanh lên tới mm, điều khiển tỉ số nén biến thiên từ 8:1 đến 14:1 Theo Infiniti, động xăng VC-Turbo dung tích 2.0 lít xi-lanh thẳng hàng cung cấp cơng suất 268 mã lực vòng tua 5.600 vòng/phút mơ-men xoắn cực đại 380Nm vòng tua máy 4.400 vòng/phút Với công suất 268 mã lực sức kéo 380Nm động VC-Turbo hiệu động xăng tăng áp thơng thường dung tích cơ, chí cạnh tranh với động xăng V6 (dung tích lớn hơn), đồng thời mạnh 100 mã lực so với CX-5 2.0L sử dụng động SkyActiv – X Mazda mang lại tỉ số nén tương tự 14:1 công suất 162 mã lực Động VC-TURBO hoạt động hiệu với mức tiêu thụ nhiên liệu cho loại hệ dẫn động cầu trước bánh 8,7 9,04 lít/100 km Với số này, QX50 2018 tiết kiệm nhiên liệu 35% so với động xăng V6 QX50 hệ trước với hệ dẫn động cầu trước 30% so với phiên dẫn động bánh Bên cạnh đó, so với động “đàn anh” VQ V6 3,5 lít Infiniti, động 2.0 lít VC-Turbo nhẹ 18kg đòi hỏi khoảng trống khoang động hơn, sức mạnh hiệu suất không thua Tiết kiệm nhiên liệu lên đến 27%, giảm độ ồn 20db so với động thông thường khác Một ưu điểm khác động VC-Turbo moment hiệu tiêu thụ nhiên liệu động diesel xi-lanh tăng áp cao cấp mà lượng khí thải đảm bảo Giúp động hoạt động êm dịu nhờ mối liên kết trục khủy truyền “mềm” Vì thay đổi góc U- Link, hành trình piston nhỏ, U- Link thẳng đứng di chuyển xuống Điều làm giảm ma sát với thành xylanh, giảm công suất tiêu tốn ma sát từ góp phần cải thiện khả tiết kiệm nhiên liệu tăng tuổi thọ chi tiết Chuyển động tịnh tiến piston điểm chết điểm chết trở nên đối xứng từ giúp giảm rung Cải thiện đáng kể hiệu suất trình cháy từ giảm đáng kể kích thước động cơ, giảm lượng khí thải độc hại mơi trường 12 Nhược điểm Động có kết cấu phức tạp, nhiều chi tiết nên gây khó khăn bố trí thiết kế, chế tạo Chi phí sản xuất đắt động thơng thường Động đòi hỏi phải sử dụng loại xăng cao cấp, với giá trung bình 70.000 VND / thùng Theo AAA, mức giá đắt khoảng 12.000/ thùng so với thường lệ Khả ứng dụng Động VC-TURBO Infiniti mang tính đột phá bước ngoặt cho cơng nghệ tỷ số nén biến thiên, cụ thể sản phẩm Infiniti QX50 2019 thành cơng hãng Tơi dự đốn tương lai, nhiều hãng xe khác ý nghiên cứu phát triển công nghệ VCR Theo tơi, động VC-TURBO Infiniti có khả ứng dụng Châu Âu Châu Mỹ nhiều Châu Á động có khả đáp ứng tiêu chuẩn ngày nghiêm ngặt khí thải châu lục Khơng nghi ngờ, động VC-Turbo Infiniti đời kéo dài tuổi thọ động đốt với xu hướng mà giới dần quan tâm tới động điện nhiều Ở Việt Nam, tiêu chuẩn q nghiêm ngặt khí thải, đồng thời giá thành sản xuất yếu tố định nên động VC-TURBO khơng có khả ứng dụng nhiều IV TÀI LIỆU THAM KHẢO https://en.wikipedia.org/wiki/Variable_compression_ratio https://www.nissanglobal.com/EN/TECHNOLOGY/OVERVIEW/vc_turbo_engine.html https://infinitinews.com/en-US/infiniti/usa/releases/vc-turbo-the-world-s-firstproduction-ready-variable-compression-ratio-engine https://news.oto-hui.com/dong-co-co-ti-so-nen-bien-thien-vc-turbo/ https://www.youtube.com/watch?v=A6H66xfEZC4 https://news.otofun.net/chi-tiet-ve-dong-co-ti-so-nen-bien-thien-vc-turbo-cua-infiniti17704.html 13