1NZ-FXE là một trong hai nguồn công suất của xe Prius. 1NZ-FXE là một động cơ thẳng hàng 4 xy lanh 1.5l với hệ thống VVT-I (hệ thống điều khiển thời điểm nạp thông minh) và hệ thống ETCS-I (hệ thống điều khiển bướm ga điện tử thông minh). 1NZ-FXE bao gồm một số sự điều chỉnh giúp đặc tính cân đối, tính kinh tế về nhiên liệu và khí thải được sạch hơn đối với xe hybrid.
Một điểm mới của động cơ 1NZ-FXE đó là thời điểm phối khí chu trình Atkinson cho phép động cơ giảm khí thải nhờ vào sự thay đổi mối tương quan giữa thì nén và thì giãn nỡ. Một đặc trưng khác được đưa vào trên các xe hybdrid thế hệ ’04 về sau là hệ thống tích nhiệt cho nước làm mát. Nó thu hồi nước nóng từ động cơ và chứa chúng trong một thùng cách nhiệt và giữ nhiệt nóng lên đến ba ngày. Về sau, một bơm điện luân chuyển nước nóng xuyên qua động cơ để giảm khí thải HC tại thời điểm động cơ còn lạnh (lúc khởi động).
Hình 2.9 Động cơ xăng 1NZ-FXE
Kiểu ’04 Prius ’03 Prius
Loại động cơ 1NZ-FXE 1NZ-FXE
Số lượng xi lanh và cách
bố trí 4-xi lanh, thẳng hàng
4-xi lanh, thẳng hàng
Cơ cấu van 16 van DOHC, xích dẫn động (với VVT-i)
16 van DOHC, xích dẫn động (với VVT- i)
Buồng đốt Kiểu vát nghiêng Kiểu vát nghiêng
Đường ống nạp Dòng chéo Dòng chéo
Hệ thống nhiên liệu SFI SFI
Thể tích công tác cm3(cu.in) Đường kính x hành trình mm (in) 1497(91.3) 1497(91.3) 75.0 x 84.7 (2.95 x 3.33) 75.0 x 84.7 (2.95 x 3.33) Tỉ số nén 13. 0: 1 13. 0: 1
Công suất cực đại (SEA-NET)
57kW tại 5000 v/p (76 HP tại 5000 v/p)
52kW tại 4500 v/p (70 HP tại 4500 v/p) Mômen cực đại (SEA-
NET) 111 N.m tại 4200 v/p (82 ft.1bf tại 4200 v/p) 111 N.m tại 4200 v/p (82 ft.1bf tại 4200 v/p) Thời điểm đóng mở van Van nạp Mở 18o -15o BTDC 18o -25o BTDC đóng 72o --- 105o ABDC 72o --- 115o ABDC Van xả Mở 34o BBDC 34o BBDC đóng 2o ATDC 2o ATDC
Thứ tự đánh lửa 1-3-4-2 1-3-4-2 Trị số ốc tan xác định
theo phương pháp nghiên cứu RON
91 hoặc cao hơn 91 hoặc cao hơn
Trị số ốc tan 87 hoặc cao hơn 87 hoặc cao hơn
Cấp dầu API SJ, SL, EC hoặc
ILSAC
API SH, SJ, EC hoặc ILSAC
Tuần hoàn khí thải ống pô SULEV SULEV
Tuần hoàn khí thải bay hơi AT-PZEV, ORVR LEV-II, ORVR
Bảng 2.1 Đặc điểm thông số của động cơ 1NZ-FXE
*VVT-I và chu trình Atkinson:
+ VVT-I cho phép hệ thống điều chỉnh thời điểm van nạp. 1NZ-FXE sử dụng khả năng này để thay đổi giữa thời điểm mở van của van truyền thống với van chu trình Atkinson, biến đổi dung tích có ích của động cơ. Trong một động cơ chu trình Atkinson, van nạp được mở hợp lý tại thì nén. Trong khi mở van, một vài xy lanh thể tích bị đẩy trở lại trong đường ống nạp. Điều này làm giảm dung tích động cơ. Nhờ sử dụng hệ thống VVT-I để điều chỉnh liên tục thời điểm van nạp mở giữa van chu trình Atkinson và van truyền thống, động cơ có thể đạt hiệu suất nhiên liệu lớn nhất mỗi khi có thể trong khi vẫn cung cấp công suất lớn nhất khi được yêu cầu.
+Tính năng cao:
VVT-i được dùng để điều chỉnh một cách chính xác thời điểm van nạp tương ứng với những điều kiện hoạt động, luôn luôn đạt được hiệu suất cao nhất. Việc sử dụng buồng đốt vát nghiêng đảm bảo sự lan truyền ngọn lửa nhanh chóng trong toàn bộ buồng đốt. Hiệu suất nhiệt cao, làm giảm cả kích thước và trọng lượng của
thân động cơ thông qua việc sử dụng khối xi lanh bằng hợp kim nhôm, và một đường ống nạp tích hợp,... giúp cải thiện hiệu quả nhiên liệu.
Hình 2.10 Đồ thị biểu diễn thời điểm van VVT-I và đặc tuyến năng suất
+ Thời điểm đóng trễ lớn nhất của van nạp nhờ sử dụng hệ thống VVT-I giảm từ 1150 (sau điểm chết trên) ở xe Prius thế hệ ’01-’03 xuống còn 1050 (sau điểm chết dưới) ở xe Prius thế hệ ’04 về sau, thời điểm chu trình Atkinson giữ cho van nạp mở lớn nhất trong thì nén. Điều này tác động làm giảm dung tích động cơ, làm tiêu thụ nhiên liệu ít nhất.
+Chu trình tỉ số giản nỡ cao:
Một động cơ 1.5 lít được sử dụng đạt hiệu suất cao bằng việc sử dụng chu trình Atkinson, một trong những chu trình có tỉ số giản nỡ cao và đạt hiệu suất nhiệt cao nhất. Bởi vì tỉ số giản nỡ (thể tích kì giản nỡ + thể tích buồng cháy)/ (thể tích buồng cháy) được tăng lên bằng việc giảm thể tích buồng đốt.
+Trong những động cơ truyền thống, bởi vì thể tích kì nén và thể tích kì giản nở thì gần bằng nhau, tỉ số nén và tỉ số giản nỡ cũng gần như nhau. Do vậy,
thử tăng tỉ số giản nỡ cũng tăng tỉ số nén, kết quả là không tránh được sự kích nổ và thiết lập một giới hạn trong tỉ số giản nỡ. Để giải quyết vấn đề này thời điểm đóng van nạp được kéo dài, và trong giai đoạn đầu của kì nén, một phần hòa khí mà đã vào trong xi lanh thì được đẩy ngược lại đường ống nạp. Theo cách này, tỉ số giản nỡ thì được tăng mà không tăng tỉ số nén thực tế. Khi giải pháp này có thể tăng góc mở bướm ga, nó có thể làm giảm áp suất có hại đường ống nạp trong suốt thời gian tải cục bộ, cộng thêm giảm tổn thất nạp.
* Hệ thống nạp và ETCS-i:
+Hệ thống nạp: có một bộ điều áp lớn dùng điều chỉnh dòng không khí được đẩy ngược trở lại trong ống nạp trong suốt thì nén của động cơ chu trình Atkinson. Chiều dài của ống nạp được rút ngắn lại để cải thiện hiệu suất dòng khí nạp và ống nạp được tích hợp để giảm khối lượng. Thân bướm ga được lắp đặt phía dưới dòng khí trung tâm của bộ điều áp để đạt được sự phân phối dòng khí nạp đều đặn hơn. +ETCS-I: với hệ thống ECTS-I trên xe Prius, ở đó không có bất cứ sợi dây cáp bàn đạp ga nào gắn nối với bướm ga. Thay vì đó, ECM nhận các tín hiệu đầu ra của cảm biến vị trí bàn đạp ga, và rồi tính toán phương án tối ưu để bướm ga mở cho phù hợp, nó sử dụng mô tơ điều khiển góc mở cánh bướm ga.
*Các cảm biến của hệ thống điều khiển động cơ:
+Cảm biến đo lưu lượng khí nạp: đo lưu lượng khí nạp quyết định lưu lượng khí nạp trong hệ thống nạp. Để đo dòng khí, một sợi dây platinum được nung nóng được lắp đặt trong đường đi của khí nạp trên thân bướm ga. Nhiệt độ của sợi dây nóng được duy trì tại một giá trị nhất định nhờ vào sự điều khiển của dòng khí hiện hành xuyên qua cuộn dây nóng. Dòng khí nạp vào dần dần làm mát cuộn dây nóng. Cường độ của dòng được đo và ghi lại đưa đến ECM cũng giống như điện áp đầu ra của cảm biến đo lưu lượng khí.
+Cảm biến nhiệt độ khí nạp: được bố trí bên trong cảm biến đo lưu lượng khí nạp và sử dụng một điện trở nhiệt có hệ số nhiệt âm để đo nhiệt độ khí nạp.
khi nhiệt độ khí nạp tăng, giá trị điện trở của điện trở nhiệt và tín hiệu điện áp đến ECM giảm.
+Cảm biến nhiệt độ nước làm mát động cơ: được lắp đặt trong thân máy và sử dụng một điện trở nhiệt có hệ số nhiệt âm để đo nhiệt độ nước làm mát động cơ. Khi nhiệt độ nước làm mát tăng, điện trở của điện trở nhiệt và tín hiệu điện áp đến ECM giảm.
+Cảm biến vị trí bàn đạp ga: được bố trí trên cụm bàn đạp ga. Hai Ics Hall được sử dụng để dò tìm vị trí bàn đạp ga. Đặc điểm của loại này là những tín hiệu khác nhau được cung cấp phụ thuộc vào bàn đạp ga nhấn hay thả. ECU điều khiển xe hybrid nhận tín hiệu và so sánh chúng để đảm bảo chắc rằng không có bất cứ trục trặc hay hư hỏng.
+Cảm biến vị trí bướm ga: được lắp đặt trên thân bướm ga và chuyển đổi góc mở bướm ga thành hai tín hiệu điện áp (VTA và VTA2). ECM so sánh hai tín hiệu điện áp để đảm bảo không có bất cứ sự sai hỏng. ECM sử dụng tín hiệu này để tính toán độ mở của bướm ga, sau đó bộ chấp hành bướm ga điều khiển mô tơ để điều chỉnh vị trí bướm ga tương xứng.
+Điều khiển tốc độ cầm chừng: ETCS-I điều khiển góc bướm ga để điều chỉnh tốc độ cầm chừng. Không có bất kỳ hệ thống điều khiển tốc độ cầm chừng riêng biệt nào được yêu cầu. Hệ thống bao gồm điều khiển cầm chừng trong suốt quá trình động cơ vận hành còn lạnh, điều khiển lượng khí nạp để cải thiện khả năng khởi động của động cơ và bù tải cho những sự thay đổi chẳng hạn khi công tắc máy lạnh A/C bật on/off.
+Cảm biến kích nổ: được lắp đặt trên thân máy và phát hiện sự kích nổ trên động cơ. Cảm biến bao gồm một phần tử áp điện mà sinh ra một điện áp khi thân máy dao động đến hiện tượng nổ máy biến dạng cảm biến. Nếu động cơ kích nổ, thời điểm đánh lửa được điều chỉnh trễ để hiện tượng kích nổ xóa bỏ.
+Cảm biến vị trí trục khuỷu: (tín hiệu NE) bao gồm một đĩa tín hiệu có răng cưa được lắp đặt trên trục khuỷu và một cuộn dây nhận cảm ứng. Đĩa tín hiệu có 34 răng với một khe hở được tạo ra nhờ sự đứt quãng giữa các răng. Vì vậy cảm biến sinh ra 34 dạng sóng xung cho mỗi vòng quay trục khuỷu. vì vậy nó còn được gọi là cảm biến cảm ứng, cả hai tần suất và biên độ của tín hiệu được tạo ra tăng theo số vòng quay của động cơ. ECM sử dụng tín hiệu NE để quyết định tốc độ động cơ và phát hiện sự đánh lửa sai.
+Cảm biến vị trí trục cam: tín hiệu G2 bao gồm một đĩa tín hiệu với một răng đơn được lắp đặt trên trục cam xả và một cuộn nhận. cảm biến tạo ra một xung tương ứng với mỗi vòng quay trục cam xả. cả biên độ và tần suất của tín hiệu được tạo ra tăng khi tốc độ động cơ tăng. ECM sử dụng tín hiệu G2 để quyết định vị trí của Piston số 1 cho thứ tự đánh lửa.
+Cảm biến nồng độ O2:
Trên chiếc xe Prius thế hệ ’01-’03, cảm biến bao gồm: -nhóm 1: cảm biến 1
-nhóm 2: cảm biến 2
Cảm biến 1: liên quan đến phần đầu của bộ chuyển đổi xúc tác, cảm biến này đo lượng O2 của khí thải động cơ. ECM sử dụng đầu vào này để điều chỉnh tiêu thụ nhiên liệu hợp lý.
Cảm biến 2: liên quan đến phần sau của bộ chuyển đổi xúc tác. Cảm biến này dùng để đo hiệu suất bộ xúc tác. Điều khiển nồng độ O2 duy trì nhiệt độ của cảm biến để tăng độ chính xác sự phát hiện nồng độ O2 trong khí thải.
+Cảm biến tỷ lệ không khí/xăng: trên chiếc xe Prius thế hệ ’04 về sau. Nhóm 1 cảm biến 1: Cảm biến O2 được thay thế bởi cảm biến A/F. Cảm biến A/F phát hiện tỷ lệ A/F vượt qua giới hạn cho phép, cho phép ECM giảm thiểu được khí thải.
Chiếc Prius sử dụng một cảm biến A/F phẳng. Cảm biến và bộ nung nhiệt nằm trên một cảm biến phẳng hẹp hơn nhiều so với trên cảm biến nắp côn loại cũ. Điều này cho phép bộ nung nhiệt nung nóng nhôm và zirconia nhanh hơn, tương xứng sự hoạt động của cảm biến bàn đạp ga.
2.3.2 MG1 và MG2 :
Hình 2.11 Vị trí MG1 và MG2
Cả MG1 và MG2 có trọng lượng nhẹ, đạt hiệu quả cao của loại mô tơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cữu xoay chiều 3 pha.
Chức năng của MG1 và MG2 kết hợp hiệu quả cao cả máy phát đồng bộ xoay chiều và mô tơ điện. MG1 và MG2 hoạt động như nguồn cung cấp hỗ trợ lực kéo giúp động cơ xăng khi cần thiết.
MG1: nạp lại cho ắc qui HV và cung cấp điện năng dẫn động MG2. Ngoài
ra bằng việc điều chỉnh lượng điện năng phát ra. MG1 cũng làm việc như một máy khởi động.
MG2: MG2 và động cơ xăng làm việc lẫn nhau để dẫn động bánh xe, ngoài
Trong thời gian phanh tái sinh, MG2 biến đổi động năng thành năng lượng điện lưu trữ trong ắc qui HV. MG2 hoạt động như một máy phát.
----Những thay đổi chính trên Prius thế hệ 04 trở về sau----
Tốc độ quay của MG1 được nâng cao có thể đạt từ 6,500v/p (THS) đến 10,000v/p(THS-II). Giúp nâng cao khả năng nạp.
Cấu trúc của mỗi nam châm vĩnh cữu gắn liền bên trong rôto của MG2 được tối ưu hóa bằng thiết kế cấu trúc dạng chữ V giúp nâng cao công suất và mô men. Hệ thống điều khiển quá điều biến giúp điều khiển MG2 tại phạm vi tốc độ trung bình.
Hình 2. 12 Sơ đồ nguyên lý và đồ thị dòng điện khi motor hoạt động [4]
* Nguyên lý hoạt động của motor:
+ Dòng điện đi từ pin điện áp cao tới bộ khuếch đại điện áp lên cao mức 600v. Tiếp sau đó dòng điện được đưa tới bộ chuyển đổi. Tại đây, dòng điện đi
vào các IGBT, tuy nhiên theo các chế độ khác nhau thì các IGBT dc bật lần lượt theo chu kì của đồ thị dòng điện xoay chiều 3 pha. Ví dụ, bắt đầu motor hoạt động IGBT 3 và 5 được bật dòng điện đi vào cuộn dây stator ở pha V và W sẽ sinh ra cảm ứng điện từ với roto làm quay motor. Tương tự như vậy ở các pha tiếp theo của cuộn dây stato ta có được động cơ điện xoay chiều ba pha.
-Thông số kỹ thuật của MG1:
Prius thế hệ 04 Prius thế hệ 01-03 Loại động cơ Động cơ nam châm vĩnh
cữu
Động cơ nam châm vĩnh cữu
Chức năng Máy phát; máy khởi động Máy phát; máy khởi động Điện áp cực đại
(V) AC 500 AC 273.6
Hệ thống làm mát Làm mát bằng nước Làm mát bằng nước
Bảng 2.2 Thông số kĩ thuật MG1
-Thông số kỹ thuật của MG2:
Prius thế hệ 04 Prius thế hệ 01-03 Loại động cơ Động cơ nam châm vĩnh cữu Động cơ nam châm
vĩnh cữu
Chức năng Máy phát; dẫn động bánh xe Máy phát; dẫn động bánh xe Điện áp cực đại (v) AC 500 AC 273.6 Công suất cực đại(kW)(PS)/(v /p) 50(68)/1200-1540 33(45)/1040-5600
Mômen cực đại N.m(Kgf.m)/(v /p) 400(40.8)/0-1200 350(35.7)/0-400 Hệ thống làm mát Làm mát bằng nước Làm mát bằng nước Bảng 2.3 Thông số kĩ thuật MG2 *Sơ đồ hệ thống:
Hình 2.13 Sơ đồ hệ thống điều khiển MG1, MG2
Hình 2.14 Động cơ nam châm vĩnh cửu
Khi dòng điện xoay chiều 3 pha chạy qua cuộn dây stato thì từ trường quay được tạo ra trong mô tơ điện. Bằng việc điều khiển từ trường quay này cho phù hợp với vị trí và tốc độ quay của rô to. Nam châm vĩnh cữu trong rô to bị hút bởi từ trường quay. do vậy sẽ tạo ra một mô men. Mômen được tạo ra tỉ lệ với lượng dòng điện chạy qua cuộn stato và tốc độ quay được điều khiển bởi tần số dòng 3 pha. Một mức cao của mômen có thể được tạo ra có hiệu quả tại tất cả tốc độ bằng việc điều khiển hợp lí từ trường quay và góc quay của nam châm. Prius thế hệ 04 trở về sau thì bên trong nam châm vĩnh cửu đã có sự thay đổi cấu trúc dạng chữ V để cải thiện cả công suất đầu ra lẫn mômen. So với Prius 03 thì nó cải thiện nhiều hơn 50% công suất.
Hình 2.15 Cấu trúc Môtơ
Hệ thống điều khiển quá điều biến giúp điều khiển MG2 tai phạm vi tốc độ