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
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT TPHCM
KHOA CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT Ô TÔ
ĐỀ TÀI: ĐỘNG CƠ TỈ SỐ NÉN BIẾN THIÊN
Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS Lý Vĩnh Đạt
Sinh viên thực hiện : Nguyễn Hoàng Minh Đức
Lớp : 18845SP2
MSSV : 18845085
TPHCM, THÁNG 9/2019 TIỂU LUẬN
Trang 2ĐỘNG CƠ TỈ SỐ NÉN BIẾN THIÊN
I GIỚI THIỆU 2
1 Lý do sử dụng công nghệ 2
2 Lịch sử công nghệ 3
3 Các mô hình động cơ VCR 4
a Peugeot MCE-5 4
b Saab SVC 4
c Công nghệ VCR của Gomecsys 5
d Infiniti VC-Turbo 6
II CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG ĐỘNG CƠ INFINITI VC-TURBO 7
1 Cấu tạo 7
2 Nguyên lý hoạt động 8
a Thay đổi tỉ số nén 8
b Cách thức hoạt động 9
c Tối ưu hóa bố cục liên kết 10
3 Cơ chế hệ thống 10
III ƯU ĐIỂM, NHƯỢC ĐIỂM VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ INFINITI VC-TURBO 11
1 Ưu điểm 11
2 Nhược điểm 12
3 Khả năng ứng dụng 12
IV TÀI LIỆU THAM KHẢO 12
Trang 3ĐỘNG CƠ TỈ SỐ NÉN BIẾN THIÊN
I GIỚI THIỆU.
1 Lý do sử dụng công nghệ.
Một trong những thông số thiết kế quan trọng của động cơ đốt trong là tỉ số nén Đó là
tỉ số giữa thể tích toàn phần của xylanh ở thời điểm piston ở điểm chết dưới (BDC) và thể tích buồng đốt khi piston ở điểm chết trên (TDC) Với những động cơ thông thường, thông số này được thiết lập không thay đổi
Tuy nhiên, một tỉ số nén chỉ sử dụng tốt nhất cho mỗi một điều kiện riêng biệt Chẳng hạn, tỉ số nén cao giúp động cơ chạy tiết kiệm và hiệu quả, nhưng không cho hiệu suất cao Ngược lại, để tăng hiệu suất cho một khối động cơ, các nhà sản xuất thường trang
bị các hệ thống như siêu nạp (supercharger) hay tăng áp (turbocharger) Nhưng vì các
hệ thống này, động cơ không thể có tỉ số nén cao do dễ xảy ra kích nổ làm hư hỏng động cơ và giảm tuổi thọ các chi tiết Còn với tỉ số nén thấp, động cơ siêu nạp hay tăng
áp sẽ hoạt động rất ì tại tốc độ và vòng tua thấp
Nhìn chung,ôtô sẽ phải vận hành trong nhiều điều kiện khác nhau: dừng đỗ đèn xanh đèn đỏ, đi với tốc độ thấp khi di chuyển trong đô thị hay luôn duy trì tốc độ cao khi đi trên đường cao tốc…Tuy nhiên khi đi trong thành phố thường duy trì với tốc độ thấp, tải trọng nhẹ nên làm giảm giảm hiệu suất của quá trình cháy dẫn đến tăng mức tiêu thụ nhiên liệu Lúc này chúng ta chỉ mong muốn động cơ có tỷ số nén cao để phát huy được hiệu suất của quá trình cháy
Ngược lai, khi di chuyển với tốc độ cao, tải trọng lớn sẽ dễ dẫn đến hiện tượng kích nổ của động cơ lúc này tỷ số nén thấp mới là lựa chọn tối ưu Tỷ số nén cao hay thấp
Trang 4cũng đều mang đến lợi thế cũng như kém theo đó là những bất lợi trong các điều kiện khác nhau
Biểu đồ đặc tính làm việc của động cơ ở các tỷ số nén khác nhau
Vì vậy, giải pháp về một động cơ có tỷ số nén biến thiên theo điều kiện làm việc (VCR Engine) sẽ là bước ngoặt cho động cơ đốt trong khi giá xăng dầu có xu hướng tăng cao, và các tiêu chuẩn khí thải ngày càng bị giới hạn.
2 Lịch sử công nghệ.
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 Cụ thể được giới thiệu ở phần dưới đây
Trang 53 Các mô hình động cơ VCR.
a Peugeot MCE-5.
Thiết kế Peugeot hoạt động bằng cách thay đổi chiều dài hiệu quả của các thanh truyền nối piston với trục khuỷu Khi thanh truyền ngắn, tỷ lệ nén thấp hơn và ngược lại Ở phía bên trái là piston thông thường của động cơ đốt trong Bên phải là xi lanh thủy lực với piston tác động kép Cơ cấu này hoạt động thông qua một hệ thống trục khuỷu với một bánh răng, có chuyển động điều chỉnh chiều dài của thanh côn hiệu quả và do đó điều chỉnh tỷ số nén trong xi lanh bên trái
b Saab SVC.
Trang 6Tại triễn lãm Geneva Motoshow 2000, Sabb đã giới thiệu công nghệ này tới công chúng tham dự Ở công nghệ này, Sabb sẽ thay đổi tỷ số truyền của động cơ bằng cách
di chuyển nắp xi lanh để tạo ra không gian thay đổi giữa piston và nắp xilanh để thay đổi tỷ số nén Để thực hiện được điều này, trong thiết kế, nắp xilanh phải được làm bằng nguyên khối và toàn bộ thân máy được chia làm 2 phần, nửa trên bao gồm: xilanh, piston, trục cam và các chi tiết nằm trên nắp xilanh Nửa dưới gồm các chi tiết còn lại của động cơ, hai nửa này được nối với nhau thông qua một chốt có thể xoay Trong quá trình làm việc, khi muốn thay đổi tỷ số truyền thì toàn bộ phần nửa trên có thể nghiêng 40 nhờ một cơ cấu thủy lực Lúc này khoảng khoảng cách giữa đường tâm trục khủy và nắp xilanh thay đổi sẽ dẫn đến thay đổi thể tích buồng đốt tức là thay đổi tỷ số nén của động cơ Trong mô hình này chiều dài của thanh truyền là không thay đổi
c Công nghệ VCR của Gomecsys.
Gomecsys là một công ty Kỹ thuật Hà Lan đã phát triển công nghệ tỷ số nén biến thiên của riêng mình Những cải tiến mạnh mẽ đã được thực hiện trong nhiều năm và hiện tại công ty có động cơ VCR thế hệ thứ 4 chạy trên dyno Một trong những lợi thế lớn của hệ thống là sự đơn giản Hệ thống VCR hoàn chỉnh được tích hợp trên trục khuỷu
và mỗi động cơ 4 thì có thể được nâng cấp bằng cách thay thế trục khuỷu thông thường bằng trục khuỷu GomRsys VCR Các công nghệ tiết kiệm nhiên liệu bổ sung được tích hợp trong hệ thống giúp tăng mức giảm CO2 tổng thể lên 18% và điều đó không giảm
Trang 7d Infiniti VC-Turbo.
Suốt hơn một thế kỉ nay, các kĩ sư sản xuất xe ô tô đã không ngừng nghiên cứu cách thức chế tạo động cơ với tỉ số nén phù hợp nhất Và nay, Infiniti sẽ là hãng xe đầu tiên tìm được lời giải cho bài toán khó này với khối động cơ VC-Turbo
Infiniti VC-Turbo được cho ra mắt lần đầu tiên tại triễn lãm Paris Motor Show 2016 Sau đó, hãng đã lắp đặt động cơ này trên Infiniti QX50 2018, là động cơ thương mại đầu tiên trên thế giới có thể thay đổi tỉ số nén linh hoạt nhờ cơ cấu trục khuỷu thông minh
Với 300 bằng sáng chế và không ngừng phát triển, 20 năm trong việc chế tạo, động cơ VC-Turbo là sự phát triển bởi cảm hứng dung hòa của 2 khía cạnh Nó là sự kết hợp giữa hiệu suất mạnh mẽ động cơ 2.0 lít với mô men xoắn và hiệu quả của hệ thống truyền động diesel tiên tiến Có thể nói động cơ VC-Turbo mới đến từ INFINITI là 1 trong những động cơ đốt trong vượt bậc nhất Sự xuất hiện của vô số động cơ nén sẽ thiết lập 1 tiêu chuẩn mới - cho hiệu suất, hiệu quả và thiết bị thải khí - hệ thống truyền động trong tương lai sẽ được định lượng
Bởi tính đột phá của nó, tiếp dưới đây, bài luận này sẽ đi sâu vào cấu tạo, nguyên lý hoạt động đồng thời phân tích ưu điểm, nhược điểm của động cơ INFINITI VC-TURBO.
Trang 8II CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG ĐỘNG CƠ INFINITI VC-TURBO
1 Cấu tạo.
Trang 9Về mặt cấu tạo, động cơ này cũng không khác mấy so với các động cơ đốt trong truyền thống ngoại trừ cụm piston – thanh truyền – trục khuỷu đã được các kỹ sư của Infiniti thiết kế lại
Ngoài trục khuỷu và thanh truyền, hãng đã nghiên cứu chế tạo thêm một hệ thống các liên kết đa điểm để nối giữa trục khủyu, thanh truyền, thông qua cơ cấu bánh lệch tâm
mà nhà sản xuất gọi là Harmonic Drive
Cơ cấu Harmonic Drive được nối với một động cơ điện thông qua một cánh tay điều khiển
2 Nguyên lý hoạt động.
a Thay đổi tỉ số nén.
Hiệu suất của quá trình cháy phụ thuộc rất lớn vào tỉ số nén, tỷ số nén càng cao thì quá trình cháy càng diễn ra triệt để, tuy nhiên ở động cơ xăng nếu hoạt động ở một mức tỷ
số nén cao liên tục sẽ dẫn đến hiện tượng kích nổ gây hư hỏng động cơ vì lúc này hỗn hợp hòa khí sẽ cháy trước khi bugi đánh lửa
Với một động cơ thông thường, bởi vì piston và trục khuỷu được kết nối trực tiếp bằng thanh truyền nên tỉ số nén được cố định Tỉ số nén thấp 8:1 sẽ phù hợp cho nhu cầu tạo
ra công suất lớn ở điều kiện động cơ tải cao (lúc tăng áp hoạt động), còn tỉ số nén cao 14:1 sẽ lý tưởng cho việc sử dụng hiệu quả nhiên liệu ở điều kiện động cơ tải thấp (lúc tăng áp chưa hoạt động)
Trang 10Động cơ VC-Turbo sử dụng hệ thống “đa liên kết” thay cho thanh truyền truyền thống,
để có thể xoay trục khuỷu bằng một mô tơ từ đó thay đổi hành trình piston và thay đổi
tỷ số nén Điều này cho phép thay đổi tỷ số nén liên tục khi cần trong phạm vi 8:1 đến 14:1 Tỉ số nén tối ưu có thể được thiết lập liên tục để phù hợp diều khiển tải trọng và
vị trí bàn đạp ga do người lái điều khiển
b Cách thức hoạt động.
(1) Khi cần thay đổi tỷ số nén, mô tơ sẽ di chuyển cánh tay chấp hành
Trang 11(2) Cánh tay chấp hành quay trục điều khiển.
(3) Vòng quay của trục điều khiển di chuyển làm thay đổi góc của L-link từ đó xoay trục khuỷu
(4) Hệ thống “đa liên kết” điều chỉnh vị trí thẳng đứng của hành trình piston trong xylanh từ đó thay đổi tỉ số nén
c Tối ưu hóa bố cục liên kết.
Vì sự thay đổi góc của U- Link, hành trình của piston nhỏ, U- Link vẫn thẳng đứng khi
di chuyển xuống Điều này làm giảm ma sát với thành xylanh, giảm công suất tiêu tốn
do ma sát từ đó góp phần cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu Chuyển động tịnh tiến của piston giữa điểm chết trên và điểm chết dưới trở nên đối xứng từ đó giúp giảm rung
3 Cơ chế hệ thống.
Động cơ VC-Turbo sử dụng một hệ thống hiệu suất cao với một bộ tăng áp và cổng xả điện Điều này cho phép kiểm soát chính xác áp suất và độ trễ turbo để tạo ra công suất theo yêu cầu Khi tải thấp, hệ thống VTC (Valve Timing Control) liên tục điều chỉnh thời gian của van để giảm tổn thất do bơm nhiên liệu bằng chu trình đốt Atkinson từ
đó tạo ra hiệu quả nhiên liệu cao cùng với tỉ số nén cao hơn
Trang 12Nghiên cứu về VC-Turbo đã được bắt đầu vào năm 1998 Một số phương pháp đã được sử dụng để hiện thực hóa VC-Turbo Phát triển một động cơ với tỉ số nén biến đổi bằng cơ chế liên kết, tối ưu hóa bố cục liên kết, sử dụng phân tích nâng cao để tạo
ra các hình dạng chính xác và tạo ra một bộ xử lý nhiệt có độ chính xác cao là một vài trở ngại công nghệ
III ƯU ĐIỂM, NHƯỢC ĐIỂM VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG ĐỘNG
CƠ INFINITI VC-TURBO.
1 Ưu điểm.
Động cơ VC-TURBO có khả năng làm xê dịch khoảng cách pít tông di chuyển trong xilanh lên tới 6 mm, và điều khiển tỉ số nén biến thiên từ 8:1 đến 14:1
Theo Infiniti, động cơ xăng VC-Turbo dung tích 2.0 lít 4 xi-lanh thẳng hàng cung cấp công suất 268 mã lực tại vòng tua 5.600 vòng/phút và mô-men xoắn cực đại 380Nm tại vòng tua máy 4.400 vòng/phút
Với công suất 268 mã lực và sức kéo 380Nm này thì động cơ VC-Turbo hiệu quả hơn động cơ xăng tăng áp thông thường cùng dung tích cơ, thậm chí có thể cạnh tranh với động cơ xăng V6 (dung tích lớn hơn), đồng thời mạnh hơn 100 mã lực so với CX-5 2.0L sử dụng động cơ SkyActiv – X của Mazda cũng mang lại tỉ số nén tương tự 14:1 nhưng công suất chỉ 162 mã lực
Động cơ VC-TURBO hoạt động hiệu quả với mức tiêu thụ nhiên liệu lần lượt cho 2 loại hệ dẫn động là cầu trước và 4 bánh lần lượt là 8,7 và 9,04 lít/100 km Với con số này, QX50 2018 tiết kiệm nhiên liệu 35% so với động cơ xăng V6 của QX50 thế hệ trước với hệ dẫn động cầu trước và 30% so với phiên bản dẫn động 4 bánh Bên cạnh
đó, so với động cơ “đàn anh” VQ V6 3,5 lít của Infiniti, động cơ 2.0 lít VC-Turbo nhẹ hơn 18kg và đòi hỏi ít khoảng trống trong khoang động cơ hơn, nhưng sức mạnh và hiệu suất không hề thua kém
Tiết kiệm nhiên liệu lên đến 27%, giảm độ ồn 20db so với những động cơ thông thường khác
Một ưu điểm khác của động cơ VC-Turbo là moment và hiệu quả tiêu thụ nhiên liệu như một động cơ diesel 4 xi-lanh tăng áp cao cấp mà lượng khí thải vẫn đảm bảo Giúp động cơ hoạt động êm dịu hơn nhờ mối liên kết giữa trục khủy và thanh truyền
“mềm” hơn
Vì sự thay đổi góc của U- Link, hành trình của piston nhỏ, U- Link vẫn thẳng đứng khi
di chuyển xuống Điều này làm giảm ma sát với thành xylanh, giảm công suất tiêu tốn
do ma sát từ đó góp phần cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu và tăng tuổi thọ các chi tiết Chuyển động tịnh tiến của piston giữa điểm chết trên và điểm chết dưới trở nên đối xứng từ đó giúp giảm rung
Cải thiện đáng kể hiệu suất của quá trình cháy từ đó giảm được đáng kể kích thước động cơ, giảm lượng khí thải độc hại ra môi trường
Trang 132 Nhược điểm.
Động cơ có kết cấu phức tạp, nhiều chi tiết nên gây khó khăn khi bố trí thiết kế, chế tạo
Chi phí sản xuất đắt hơn động cơ thông thường
Động cơ đòi hỏi phải sử dụng loại xăng cao cấp, với giá trung bình 70.000 VND / thùng Theo như AAA, mức giá này đắt hơn khoảng 12.000/ thùng so với thường lệ
3 Khả năng ứng dụng.
Động cơ VC-TURBO của Infiniti mang tính đột phá bước ngoặt cho công nghệ tỷ số nén biến thiên, cụ thể là sản phẩm Infiniti QX50 2019 rất thành công của hãng Tôi dự đoán trong tương lai, nhiều hãng xe khác cũng sẽ chú ý nghiên cứu và phát triển công nghệ VCR này
Theo tôi, động cơ VC-TURBO của Infiniti có khả năng ứng dụng ở Châu Âu và Châu
Mỹ nhiều hơn ở Châu Á do động cơ trên có khả năng đáp ứng được các tiêu chuẩn càng ngày càng nghiêm ngặt về khí thải ở 2 châu lục này
Không hề nghi ngờ, động cơ VC-Turbo của Infiniti ra đời sẽ kéo dài tuổi thọ của động
cơ đốt trong với xu hướng mà thế giới dần quan tâm tới động cơ điện nhiều hơn
Ở Việt Nam, do không có các tiêu chuẩn quá nghiêm ngặt về khí thải, đồng thời giá thành sản xuất là yếu tố quyết định nên động cơ VC-TURBO không có khả năng ứng dụng quá nhiều
IV TÀI LIỆU THAM KHẢO.
https://en.wikipedia.org/wiki/Variable_compression_ratio
https://www.nissan-global.com/EN/TECHNOLOGY/OVERVIEW/
vc_turbo_engine.html
https://infinitinews.com/en-US/infiniti/usa/releases/vc-turbo-the-world-s-first-production-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-infiniti-17704.html