Nghiên cứu thiết kế hệ thống tăng áp trên động cơ xăng

Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Lý Vĩnh Đạt

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, nguồn động lực chính để lắp đặt lên các phƣơng tiện giao thông cá nhân
(xe mô tô, xe gắn máy) là những động cơ xăng có dung tích xy lanh nhỏ, với rất nhiều
những ƣu việt nhƣ sự nhỏ gọn, cơ động, dễ sửa chữa, giá thành rẻ …. Tuy nhiên, dòng
động cơ này có các nhƣợc điểm đó là sự hạn chế các tính năng làm việc, tiêu hao nhiên
liệu và sự phát thải ô nhiễm ra môi trƣờng.
Nhƣng cho tới nay, việc ứng dụng những tiến bộ của khoa học cơng nghiệp để cải
tiến và nâng cao tính năng làm việc của động cơ là rất hạn chế. Hiện trạng về đặc tính
phát thải, tiêu hao nhiên liệu của loại động cơ này vẫn chƣa đƣợc khảo sát.
Mặt khác, tại nƣớc ta ở thời điểm hiện nay với gần 60 triệu phƣơng tiện giao thông
cá nhân, chủ yếu là xe mơ tơ 2 bánh thì vấn đề nhiên liệu và xả thải đang rất đƣợc quan
tâm, từ những vấn đề cấp thiết đó cần phải có những động cơ xe máy tốt hơn, tiết kiệm
nhiên liệu, giảm lƣợng khí xả ra môi trƣờng. Đây cũng là hƣớng nghiên cứu của các nhà
khoa học và hãng sản xuất xe máy. Nhận thấy đƣợc tầm quan trọng của vấn đề này và
dƣới sự hƣớng dẫn của PGS. TS. Lý Vĩnh Đạt, học viên đã chọn đề tài “Nghiên cứu,
thiết kế hệ thống tăng áp trên động cơ xăng.’’
1.2.Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc.
1.2.1 Nghiên cứu trong nƣớc.

Với sự nghiên cứu theo hƣớng mơ phỏng sẽ tiết kiệm chi phí cũng nhƣ cho ra kết
quả chuẩn xác về đối tƣợng nghiên cứu, phù hợp với điều kiện cơ sở vật chất cũng nhƣ
thiết bị nghiên cứu mơ phỏng động cơ cịn nhiều thiếu thốn. Do đó, thực hiện nghiên cứu
trên động cơ thực tế rất cần các nghiên cứu ứng dụng trong nƣớc để làm cơ sở lý thuyết
cho việc nghiên cứu, thiết kế. Có thể kể đến một số cơng trình làm cơ sở cho đề tài.
❖Luận văn, “THIẾT KẾ CẢI TIẾN ĐƢỜNG NẠP ĐỘNG CƠ DIESEL MỘT XY
LANH, PHUN TRỰC TIẾP 16,5 MÃ LỰC”.[1]
Tác giả: Lƣơng Huỳnh Giang
Nguồn: Luận văn thạc sĩ trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp.HCM.
Tóm tắt:
HVTH: Nguyễn Quốc Tồn

14


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Lý Vĩnh Đạt

Luận văn này trình bày nghiên cứu cải tiến đặc tính động cơ diesel 1 xy lanh phun
trực tiếp 16.5 HP thông qua sự thiết kế lại kết cấu hình học của họng nạp. Với sự trợ giúp
của phần mềm chuyên dụng AVL BOOST và ANSYS FLUENT, các phƣơng án cải tiến
kết cấu họng nạp đã đƣợc kiểm tra bằng phƣơng pháp mô phỏng để nhận dạng các ƣu
khuyết điểm của từng phƣơng án. Từ các kết quả mô phỏng, hai phƣơng án tốt nhất có
khả năng ứng dụng thực tế đã đƣợc chế tạo đánh giá thực nghiệm và so sánh với họng
nạp hiện hữu.
Qua thực nghiệm, các thơng số đặc tính quan trọng của động cơ nhƣ: hiệu suất
nạp, công suất có ích, mơ men xoắn, tiêu hao nhiên liệu, khí thải NOx, SOx, CO đã đƣợc
kiểm tra đối sánh với nhau để tìm phƣơng án tốt nhất. Ngồi ra, đặc tính dịng khí nạp
cũng đã đƣợc kiểm tra bƣớc đầu cho 3 họng nạp dùng xy lanh trong suốt nhằm làm cơ sở

cho các nghiên cứu chuyên sâu trong tƣơng lai.
Kết quả:
Các họng nạp với biên dạng hình học khác nhau có ảnh hƣởng đáng kể đến đặc
tính làm việc (công suất, mô men xoắn, suất tiêu hao nhiêu liệu) và khí thải động cơ
Diesel 1 xy-lanh, phun trực tiếp.
Kết quả thí nghiệm và thực nghiệm cho thấy phƣơng án cải tiến 02 cho các giá trị
về: hiệu suất nạp, công suất, mô men xoắn, suất tiêu hao nhiên liệu tại các thời điểm đƣợc
nâng cao hơn đáng kể so với phƣơng án hiện hữu. Hiệu suất nạp tăng trung bình tăng
5,42% ở tất cả các điểm đo thực nghiệm so với phƣơng án hiện hữu theo động cơ thì
cơng suất tối đa tăng 3,27%, mô men xoắn lớn nhất sinh ra tăng 2,32% và suất tiêu hao
nhiên liệu ở cơng suất định mức giảm 5,48%. Về khí thải: nổng độ NOx giảm trung bình
5,16% tại các điểm đo, PM khơng giảm nhiều tại các điểm đo đƣờng đăc tính ngồi,
nhƣng giảm gần 9% tại điểm đo cơng suất định mức.
❖Luận văn, “MƠ PHỎNG TỐI ƢU HĨA HỆ THỐNGNẠP KHÍ TRÊN ĐỘNG CƠ
HONDA FUTURE 125 cc’’.[2]
Tác giả: Lê Thanh Quang
Nguồn: Luận văn thạc sĩ trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp.HCM.
Tóm tắt:

HVTH: Nguyễn Quốc Tồn

15


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Lý Vĩnh Đạt

Nghiên cứu chỉ ra một trong những cách thức dùng để cải thiện hiệu suất của động cơ là
điều chỉnh độ xoáy của động cơ dựa trên sự thay đổi hình dạng của cổ nạp khí. Dƣới sự

hỗ trợ của các phần mềm thiết kế Catia và phần mềm mô phỏng động lực học lƣu chất
Ansys Fluent kết hợp Matlab, nghiên cứu có thể dự đốn hiệu suất của động cơ một cách
chính xác và tiết kiệm nguồn kinh phí đáng kể, nghiên cứu này sử dụng phần mềm Catia
để tạo mơ hình 3D cho hệ thống nạp và động cơ đốt trong 125 cc. Bài báo cũng sử dụng
phần mềm Ansys để mô phỏng vận tốc lƣu chất qua hệ thống nạp đến xy lanh. Từ đó cải
thiện hình dạng cổ nạp khí cho động cơ. Phần mềm Matlab đƣợc sử dụng để tính tốn
thơng số động cơ nhƣ cơng, cơng suất và hiệu suất chỉ thị, từ đó rút ra đƣợc mơ hình tối
ƣu của cổ nạp khí.
Kết quả:
Từ những kết quả mô phỏng động cơ đốt trong ở trên, nghiên cứu cho thấy rằng
góc nghiêng của cổ góp nạp có ảnh hƣởng đáng kể đến độ xoáy lốc của động cơ nói
riêng, cũng nhƣ ảnh hƣởng đến hiệu suất của động cơ nói chung. Điều này đƣợc thể hiện
qua đồ thị tỷ lệ xoáy lốc ngang và đặc biệt là tỷ lệ xoáy lốc dọc của động cơ đốt trong.
Nhƣ vậy, động cơ đốt trong xe Honda Future có góc nghiêng cổ nạp 300 có thể đạt hiệu
suất cao nhất
1.2.2 Nghiên cứu ngoài nƣớc.
❖Bài báo: “Modeling and Control of the Air Path System inTurbocharged Gasoline
Engine”.[3]
Tác giả: Xin Zhou cùng cộng sự
Nguồn: Control and Decision Conference (CCDC), 2015 27th Chinese
Tóm tắt:
Các xu hƣớng mới nhất của kiểm soát động cơ là giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và
duy trì hiệu suất động cơ tốt. Công nghệ tăng áp là một cách hiệu quả để đáp ứng các yêu
cầu này. Bộ tăng áp động cơ đầu tiên đã ra mắt kể từ đầu thế kỷ trƣớc. Với sự phát triển
của công nghệ, các bộ tăng áp đã đƣợc cải thiện và sử dụng rộng rãi hơn. Ngày nay, động
cơ xăng đã đƣợc giảm bớt khoảng 30% kích thƣớc bởi tăng áp bằng turbo và nó khơng
chỉ có thể cải thiện nền kinh tế nhiên liệu đến 8-10% mà cịn cải thiện mơ men xoắn, tăng
tốc và hiệu suất.
HVTH: Nguyễn Quốc Toàn

16


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Lý Vĩnh Đạt

Có rất nhiều loại tăng áp khác nhau, chẳng hạn nhƣ tăng áp bằng máy nén, bộ tăng
áp cơ học và bộ tăng áp khí thải, trong khi bộ tăng áp khí thải có nhiều ƣu điểm độc đáo
hơn các loại khác. Trƣớc hết, nguồn năng lƣợng của nó là khí thải động cơ, và do đó nó
có thể giảm tiêu thụ năng lƣợng. Thứ hai, nó giúp loại bỏ sự cần thiết cho cấu trúc cơ khí
phức tạp, do đó, nó đã đƣợc sử dụng rộng rãi trong xe. Mơ hình động cơ bắt đầu vào
những năm 1960, và sau 50 năm phát triển, nó đã tƣơng đối trƣởng thành.
Đối với động cơ tăng áp truyền thống, có tồn tại hai thiết bị truyền động, ga và
tuabin khí thải. Do đó, việc kiểm soát chặt chẽ các bộ truyền động của hệ thống là rất
quan trọng để đạt đƣợc đầy đủ lợi ích của công nghệ này
Kết quả:
Nội dung chính của bài báo này là: đầu tiên, một hệ thống đƣờng ống dẫn động cơ
xăng tăng áp bốn xy lanh đƣợc chia thành các thành phần để mơ hình hóa, và mơ hình
đƣợc chứng minh là khơng hiệu quả. Sau đó, một hệ thống điều khiển với mô-men xoắn
dựa trên điều khiển bƣớm ga và kiểm soát áp suất nạp đƣợc thiết kế. Hệ thống điều khiển
có thể đáp ứng nhu cầu mô men xoắn và hạn chế áp suất nạp. Cuối cùng, một phƣơng
pháp kiểm sốt đƣợc đề xuất có thể sử dụng đầy đủ turbo tăng áp.
❖Bài báo:

“Air-to-Fuel Ratio Switching Frequency Control forGasoline

Engines”.[4]
Tác giả: Jason Meyer cùng cộng sự
Nguồn: IEEE

Tóm tắt:
Các động cơ xăng ngày nay sử dụng các kỹ thuật khác nhau để tăng hiệu quả
quá trình nạp. Các công nghệ này bao gồm các hệ thống điều khiển thời điểm và độ nhấc
su páp biến thiên, điều này gây khó khăn trong việc tính tốn khối lƣợng khí nạp vào xy
lanh trong quá trình hút do các kỹ thuật này khơng chỉ ảnh hƣởng đến khí sót cịn lại
trong xy lanh mà còn ảnh hƣởng của động lực học của dịng sóng khí nạp của hệ thống.
Việc sử dụng nhiều bộ chấp hành trong việc điều khiển su páp sẽ khiến cho khó khăn hơn
trong việc tính tốn dịng khí nạp, vì vậy ngày nay việc điều khiển để tăng sự hồ trộn
hỗn hợp hồ khí đƣợc chú trọng phát triển. Bài báo này thể hiện thuật toán điều khiển tỷ
lệ hồ khí dựa trên sự đóng mở theo nguyên lý hoạt động tần số, điều này làm tăng đặc
HVTH: Nguyễn Quốc Toàn

17


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Lý Vĩnh Đạt

tính ổn định thể hiện qua sự sai lệch giữa các tín hiệu đầu vào và mơ hình điều khiển.
Thay vì sử dụng các mơ hình đơn giản mơ phỏng các đƣờng đi dịng khí thì việc tính tốn
dịng khí dựa vào điều khiển các tín hiệu đầu vào đƣợc xem xét trong nghiên cứu này.
Bằng cách sử dụng điều khiển bằng công tắc tần số nhƣ tỷ lệ hỗn hợp từ loãng sang đậm
đặc, từ đậm đặc sang loãng cho việc xử lý khí thải thì cảm biến oxy là tín hiệu phản hồi
chính trong q trình điều khiển. Quy luật điều khiển độc lập hồn tồn với các thơng số
của mơ hình đƣợc thiết lập. Hiệu quả của việc điều khiển này đƣợc chứng minh trên cả
hai việc phân tích tăng sự ổn định và đƣợc kiểm chứng bởi thực nghiệm trên xe ơ tơ.
Kết quả: Bài báo này phân tích tính ổn định trong việc kiểm sốt tần số AFR,
cũng nhƣ cung cấp các hƣớng dẫn để lựa chọn biên độ và khoảng thời gian của tín hiệu
và sự kiểm soát chuyển mạch sớm và trễ.

❖Bài báo:

“Experimental Study on the Energy Flow of Gasoline Engine

Turbocharging System”.[5]
Tác giả: Fu Jianqin cùng cộng sự
Nguồn: IEEE
Tóm tắt:
Giới hạn bởi các thơng số thiết kế và phạm vi tốc độ của động cơ, khí đốt trong xy
lanh khơng thể thải hồn tồn. Kết quả là, một phần của năng lƣợng nhiên liệu bị mất đi
trong khí thải. Rõ ràng, thu hồi phần năng lƣợng này là một trong những phƣơng pháp
quan trọng để cải thiện hiệu suất nhiên liệu của động cơ. Vì lý do này, các nhà khoa học
và kỹ sƣ đã khám phá trong một thời gian dài về thu hồi năng lƣợng xả động cơ. Nó cũng
đƣợc biết rằng tăng áp là trƣờng hợp đầu tiên cho việc sử dụng năng lƣợng xả động cơ.
Từ đó trở đi, nghiên cứu về thu hồi năng lƣợng khí thải đã đƣợc tiến hành ở cả học viện
và kỹ thuật, và rất nhiều phƣơng pháp thu hồi năng lƣợng đã đƣợc đƣa ra, chẳng hạn nhƣ
chu trình hỗn hợp, chu trình Rankine, phân ly nhiên liệu …vv… Tuy nhiên, hiện nay, các
phƣơng pháp thu hồi năng lƣợng xả khác nhau đã không đƣợc áp dụng trong động cơ ô tô
ngoại trừ tăng áp.
Trong bài báo này, các đặc tính dịng chảy năng lƣợng của hệ thống tăng áp đã
đƣợc nghiên cứu trên động cơ phun xăng trực tiếp. Dựa trên các thử nghiệm trên động cơ,
các loại thông số nạp và xả khác nhau đƣợc đo theo các đặc tính ánh xạ, và sau đó các
HVTH: Nguyễn Quốc Tồn

18


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Lý Vĩnh Đạt

bản đồ của dòng năng lƣợng hệ thống tăng áp đƣợc vẽ lại bằng cách kết hợp các phƣơng
trình cân bằng năng lƣợng. Trên cơ sở đó, hiệu suất thu hồi năng lƣợng xả và đặc tính
dịng chảy năng lƣợng của hệ thống tăng áp đƣợc phân tích.
Kết luận:
Hiệu suất thu hồi năng lƣợng xả của hệ thống tăng áp chủ yếu phụ thuộc vào tỷ lệ
áp suất của khí hút, trong tồn bộ khu vực điều kiện vận hành động cơ xăng, hiệu suất thu
hồi năng lƣợng xả của bộ tăng áp là từ 2,5% đến 7,5% và giá trị lớn hơn xuất hiện trong
động cơ xăng ở điều kiện hoạt động tải lớn.
Nhƣ vậy ở chế độ tải nhỏ và động cơ có dung tích xy lanh nhỏ thì việc thu hồi
năng lƣợng xả là rất thấp
❖Bài báo: “Effect of turbocharging system on the performance of a Gasoline
Engine”.[6]
Tác giả: WANG Shuqing cùng cộng sự
Nguồn: IEEE
Tóm tắt:
Một mơ hình mơ phỏng hiệu suất động cơ đƣợc thiết lập trong phần mềm mô phỏng động
cơ GT-Power, đƣợc hiệu chuẩn dựa trên dữ liệu thử nghiệm và đƣợc sử dụng để tối ƣu
hóa các thông số thiết kế hƣớng tới mục tiêu hiệu suất của động cơ xăng tăng áp. Tác
động đến các thông số hoạt động của động cơ đƣợc phân tích. Cũng nhƣ tỷsố nén phù
hợp đƣợc phân tích, có tính đến xu hƣớng kích nổ của động cơ.
Kết quả:
Mơ phỏng cho thấy rằng tăng áp động cơ có thể tăng đáng kể công suất động cơ và
đầu ra mô men xoắn, và tất cả các thông số hiệu suất động cơ khác có thể đáp ứng các
mục tiêu thiết kế, tỉ số nén phù hợp tránh hiện tƣợng kích nổ khi áp suất nén tăng cao.
Tuy nhiên trong nghiên cứu chƣa đề cập đến độ trễ tăng áp khi sử dụng tăng áp bằng
khí thải.
❖Bài báo: “The research on Euro turbocharged technology for gasoline engine”.[7]
Tác giả: Wu Na cùng cộng sự
Nguồn: IEEE

Tóm tắt:
HVTH: Nguyễn Quốc Tồn

19


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Lý Vĩnh Đạt

Tăng hiệu suất sản lƣợng điện, giảm lƣợng tiêu thụ nhiên liệu và giảm ô nhiễm phát
thải đã trở thành hƣớng và đối tƣợng của sự phát triển động cơ hiện nay. Để đạt đƣợc các
yêu cầu trên, các kỹ sƣ đã thực hiện các biện pháp khác nhau. Trong số đó, cơng nghệ
tăng áp là phƣơng pháp cải tiến tốt hơn. Hiện tại, một số hệ thống tăng áp mới đƣợc sử
dụng trong động cơ xăng-VTG trong xe Porsche, TSI trong xe VW, Twinturbo trong xe
BMW và nhƣ vậy, bài báo đã phân tích những cơng nghệ tiên tiến, hiệu quả và các điểm
sáng tạo của công nghệ tăng áp mới.
Kết quả:
Bài báo chỉ ra rằng, công nghệ tăng áp là phƣơng pháp cải tiến tốt hơn để cải tiến hiệu
suất của động cơ. Tuy nhiên bài báo chƣa đề cập đến việc ảnh hƣởng của dung tích xy
lanh nhỏ đến việc tăng áp sử dụng khí thải.
❖Bài báo:

“Electrification of Turbocharger and Supercharger for Downsized

Internal Combustion Engines and Hybrid Electric Vehicles – Benefits and
Challenges”.[8]
Tác giả: Woongkul Lee cùng cộng sự
Nguồn: IEEE
Tóm tắt:

Việc tăng áp cƣỡng bức bằng cách sử dụng năng lƣợng của khí xả để cải thiện hiệu
suất nạp của động cơ cho phép hiệu suất nhiệt động lực học cao hơn. Khi nền kinh tế
nhiên liệu và các khí thải gây hiệu ứng nhà kính đƣợc dự báo nghiêm ngặt hơn trên toàn
cầu, việc sử dụng động cơ tăng áp cƣỡng bức trong xe chở khách và xe tải hạng nhẹ đã
trở thành một xu hƣớng mới trong ngành công nghiệp ơ tơ.
Dịng năng lƣợng của khí xả tác động vào hệ thống tăng áp vị chậm trễ tại dải tốc
độ thấp khi xu hƣớng giảm kích thƣớc của động cơ tăng lên.
Điện hóa việc tăng áp đã nổi lên nhƣ một giải pháp khả thi, và nó cũng có nhiều lợi
ích tùy thuộc vào cấu trúc liên kết của nó. Bài viết này cung cấp một nghiên cứu tồn
diện về tăng áp bằng điện, cách nghiên cứu, lợi thế và bất lợi của cấu trúc liên kết hệ
thống, hiệu năng, các loại động cơ điện tốc độ cao, thiết bị điện tử công suất và kỹ thuật
điều khiển.
Kết quả:
HVTH: Nguyễn Quốc Toàn

20


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Lý Vĩnh Đạt

Việc thiết kế và chế tạo động cơ điện tốc độ cao là một thách thức và có một số hạn
chế cần đƣợc xem xét cẩn thận, việc sử dụng bộ tăng áp bằng điện giúp giảm hiện tƣợng
trễ tăng áp, công suất đầu ra của động cơ đƣợc cải thiện.
❖Bài báo: “With the electrical properties of a new turbocharger”.[9]
Tác giả: Yanxu Zhang cùng cộng sự
Nguồn: IEEE
Tóm tắt:
Bài báo chỉ ra rằng turbo tăng áp đƣợc áp dụng rộng rãi trong các động cơ tăng áp.

Nó có khả năng tăng cơng suất đầu ra và tiêu thụ lƣợng nhiên liệu thấp hơn nhƣng cũng
chỉ ra rằng bất lợi của nó là độ trễ tăng áp.
Nghiên cứu cải thiện nó trên cơ sở của bộ tăng áp truyền thống và làm cho nó
thành một thiết bị có thêm phần truyền động bằng điện, Các "vòng bi điện", mà chủ yếu
bao gồm máy phát điện đồng bộ, pin, động cơ DC tốc độ cao, thay thế bộ tăng áp vịng bi
cơ khí truyền thống.
Kết quả là, tuabin đầu tiên có thể sử dụng năng lƣợng cơ học của khí thải và sau
đó sử dụng năng lƣợng điện mà nó mang lại để làm cho cánh quạt hoạt động.
Trên cơ sở hoàn thành nhiệm vụ của bộ tăng áp truyền thống, chúng tôi làm nổi bật
giá trị của nó và đƣa ra một số lời khuyên để cải thiện những thiếu sót của nó, đó là nhằm
mục đích bảo vệ mơi trƣờng và làm cho việc lái xe thuận tiện hơn.
Kết quả:
Trong bài báo, họ trình bày một thiết kế bộ tăng áp mới, chuyển đổi các thiết bị cơ
khí truyền thống thành một thiết bị điện. Đầu tiên họ biến năng lƣợng cơ học thành năng
lƣợng điện và sử dụng năng lƣợng điện. Mặc dù q trình này phức tạp hơn thiết kế
truyền thống, nó có hai ƣu điểm nổi bật: Thứ nhất, đƣa ra ý tƣởng sử dụng khí thải để tạo
ra điện, làm cho việc sử dụng năng lƣợng có thể đạt đƣợc. Năng lƣợng có thể đƣợc sử
dụng để quay cánh quạt máy nén bằng cách sử dụng động cơ đốt trong. Chúng tơi cũng
có thể lắp đặt phần điện của bộ tăng áp trong các xe khơng có bộ tăng áp, sử dụng năng
lƣợng điện mà nó tạo ra để sạc pin. Phƣơng pháp này tiết kiệm tiêu thụ nhiên liệu, phù
hợp với chủ đề bảo vệ môi trƣờng hiện nay. Thứ hai, sự ra đời của bộ tăng áp điện có thể
loại bỏ độ trễ.
HVTH: Nguyễn Quốc Tồn

21


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Lý Vĩnh Đạt

❖Bài báo: “Improvements in Knock Control ”.[10]
Tác giả: U. Lezius cùng cộng sự
Nguồn: IEEE
Tóm tắt:
Mục đích của nghiên cứu này là phát triển , cải tiến một phƣơng pháp mới để
kiểm sốt kích nổ (tiếng gõ) trong động cơ xăng. Điều này sẽ cho phép sản sinh công suất
cao hơn so với các phƣơng pháp kiểm sốt kích nổ hiện có mà khơng làm tăng mức độ
xác suất kích nổ
Một phân tích về bộ điều khiển kích nổ đã biết cho thấy, thơng tin về khoảng
cách đến giới hạn gõ không đƣợc sử dụng trong điều khiển gõ. Dựa trên phân tích này
một thiết kế của một bộ điều khiển kích nổ mới đƣợc phát triển.
Bộ điều khiển này sử dụng tín hiệu áp suất xi lanh để ƣớc tính khoảng cách đến
giới hạn kích nổ và để kiểm sốt góc đánh lửa. Một sự cải thiện công suất đầu ra đƣợc
chứng minh bằng các thử nghiệm trên động cơ.
Kết quả:
Mục tiêu của nghiên cứu đƣợc trình bày là phát triển một bộ điều khiển kích nổ
(tiếng gõ). Điều này sẽ làm tăng công suất mô-men xoắn của động cơ mà không làm tăng
cƣờng độ gõ hoặc tiêu thụ nhiên liệu.
Bộ điều khiển kích nổ (tiếng gõ) cơ bản phản ứng với đốt cháy bằng cách giữ
lại góc đánh lửa. Việc khơng có tín hiệu khoảng cách hoặc lỗi có thể đƣợc coi là nhƣợc
điểm lớn của các thuật toán này. Đây là lý do tại sao một cách tính tín hiệu khoảng cách
nhƣ vậy bằng cách phân tích tín hiệu áp suất xi lanh đƣợc phát triển.
Bộ điều khiển gõ dựa trên khoảng cách mới sử dụng tín hiệu này để điều khiển
góc đánh lửa mà khơng cần các bƣớc khử lớn. Điều này cho phép điều chỉnh góc đánh
lửa trung bình tiên tiến hơn và tạo ra công suất mô-men xoắn cao hơn của động cơ
❖Bài báo: “TORQUE TRACKING CONTROL OF TURBOCHARGED GASOLINE
ENGINE USING NONLINEAR MPC”.[11]
Tác giả: Xin Zhou , You Li , Yunfeng Hu , Hong Chen
Nguồn: IEEE

Tóm tắt:
HVTH: Nguyễn Quốc Toàn

22


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Lý Vĩnh Đạt

Công nghệ tăng áp khí xả đƣợc sử dụng rộng rãi trong ơ tô hiện đại để tăng mômen xoắn đầu ra của động cơ và giảm mức tiêu thụ nhiên liệu. Trong bài báo này, một hệ
thống kiểm sốt theo dõi mơ-men xoắn đƣợc trình bày cho động cơ xăng tăng áp. Đầu
tiên, một mơ hình đƣờng dẫn khí điều hƣớng của động cơ xăng tăng áp đƣợc suy ra trong
đó van tiết lƣu và chất thải đƣợc coi là đầu vào điều khiển.
Thứ hai, mô-men xoắn mong muốn đƣợc chuyển đổi thành áp suất đƣờng ống
nạp mong muốn bằng bản đồ.
Thứ ba, phƣơng pháp MPC phi tuyến đƣợc sử dụng để phối hợp van tiết lƣu và
chất thải để đạt đƣợc áp suất đƣờng ống nạp mong muốn và do đó, mô-men xoắn mong
muốn đạt đƣợc.
Kết quả:
Cuối cùng, kết quả mô phỏng đƣợc cung cấp để chứng minh tính hiệu quả của sơ
đồ kiểm soát đƣợc đề xuất.
1.3. Mục tiêu nghiên cứu
- Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống tăng áp trên động cơ
xăng nhằm mục đích cải tiến hiệu suất nạp của động cơ, giảm suất tiêu hao nhiên liệu và
khí phát thải gây ô nhiễm môi trƣờng.
- Đƣa ra phƣơng án và thiết kế cụ thể nhằm ứng dụng vào thực tế sử dụng, sản
xuất hàng loạt.
1.4. Đối tƣợng nghiên cứu và giới hạn của đề tài.
Vấn đề nghiên cứu các đặc tính của động cơ để từ đó tăng hiệu suất động cơ và

giảm ô nhiễm môi trƣờng là một vấn đề nghiên cứu rộng. Có nhiều yếu tố tác động bao
gồm các thông số liên quan và các hệ thống trong động cơ trong quá trình nghiên cứu.
Liên quan đến nhiều kiến thức của các ngành khoa học và thiết kế đồ họa.
Đối tƣợng nghiên cứu chính của đề tài là hệ thống tăng áp đƣợc lắp đặt trên động
cơ Honda 100cc, là một động cơ cỡ nhỏ, một xy lanh và đƣợc sản xuất bởi Công ty
Honda Việt Nam và đƣợc sử dụng phổ biến làm các phƣơng tiện giao thông cá nhân ở
Việt Nam.
1.5.Phƣơng pháp nghiên cứu.
Đề tài sử dụng các phƣơng pháp nghiên cứu sau:
HVTH: Nguyễn Quốc Toàn

23


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Lý Vĩnh Đạt

- Phƣơng pháp nghiên cứu tài liệu.
Cơ sở lý thuyết chuyên ngành động cơ đốt trong về q trình nạp, hiệu suất nạp,
cơng suất động cơ…Tham khảo các nghiên cứu khoa học, các bài báo đã đƣợc công bố
trong các hội nghị khoa học, các tạp chí khoa học trong nƣớc và ngồi nƣớc.
- Phƣơng pháp so sánh đối chiếu kết quả.
- Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm
Nghiên cứu thực nghiệm xác định hiệu suất nạp thực tế của động cơ có bộ tăng áp,
Xác định các đặc tính kỹ thuật, tiêu hao nhiên liệu và phát thải ô nhiễm của động cơ hiện
hữu và động cơ cải tiến.
Kỹ thuật sử dụng: Đề tài có sử dụng các kỹ thuật đo đạc, thử nghiệm với các thiết
bị và công cụ hỗ trợ sau:
- Thiết bị phân tích khí thải động cơ xăng

- Thiết bị đo và theo dõi nhiệt độ động cơ, lƣợng nhiên liệu tiêu thụ
1.6. Kế hoạch nghiên cứu.

Tháng 5 2 1 - tháng 4 2 1

Thời gian
Công việc

05 06 07 08 09 10 11 12 01 02 03 04
1. Đăng ký tên đề tài.
2. Xác định đề tài nghiên cứu, xác
định hƣớng nghiên cứu.
3. Tìm hiểu, thu thập tài liệu về
vấn đề nghiên cứu.
4. Viết chƣơngI, II.

X
X

X
X

X

5. Viết chƣơng III.

X

6. Viết chƣơng IV, V

X

X
X

7. Hoàn chỉnh thủ tục, bảo vệ luận

X

X
X

văn. Kết thúc nghiên cứu.

HVTH: Nguyễn Quốc Toàn

X

24

X


Luận văn thạc sĩ

HVTH: Nguyễn Quốc Toàn

GVHD: PGS.TS. Lý Vĩnh Đạt

25

Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Lý Vĩnh Đạt

CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Tổn thất do quá trình hút
Mặc dù là động cơ đốt trong 4 kỳ không tăng áp có hiệu suất cao nhất khoảng
30÷40% ở chế độ tải lớn, nhƣng ở một số chế độ hoạt động khác lại chƣa đƣợc hiệu quả,
đặc biệt là ở chế độ tải nhỏ. Hình 2.1 so sánh áp suất sinh ra, áp suất tiêu hao và tổng áp
suất của các quá trình trên động cơ đốt trong ở chế độ làm việc đầy tải và tải nhỏ.

Hình 2. 1: So sánh giữa áp suất có ích, áp suất tiêu hao,
tổng áp suất ở chế độ đầy tải và chế độ tải nhỏ
Trong đó:
-

IMEP gross: Gross Indicated Mean Effective Pressure à tổng áp suất
trung b nh hiệu dụng chỉ thị sinh ra (phần +)

-

IMEP pumping: Pumping Indicated Mean Effective Pressure à áp suất
trung b nh chỉ thị tiêu hao (phần -)

-

IMEP net: Net Indicated Mean Effective Pressure à tổng áp suất
trung b nh hiệu dụng chỉ thị của động cơ

-

High oad: chế độ đầy tải

-

Low oad: chế độ tải nhỏ

HVTH: Nguyễn Quốc Toàn

26


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Lý Vĩnh Đạt
-

mfuel: khối ượng nhiên iệu cho một chu kỳ àm việc

-

ɳi: Indicated effective à hiệu suất chỉ thị của động cơ

Dựa vào hình 2.1 cho thấy phần cơng có ích (phần +) lớn ở chế độ đầy tải là do
bƣớm ga mở hoàn tồn, lƣợng khơng khí hút vào xy lanh nhiều nên công sinh ra ở kỳ
giãn nở lớn trong khi công tiêu hao hút nhỏ do lực cản dịng khí của bƣớm ga nhỏ nên
hiệu suất làm việc sẽ cao. Ngƣợc lại, ở chế độ tải nhỏ phần cơng có ích (phần +) nhỏ, do
điều kiện tải nhỏ, bƣớm ga đƣợc điều khiển mở nhỏ nên lƣợng khơng khí hút vào xy lanh

rất ít, cơng sinh ra ở kỳ giãn nở nhỏ trong khi đó cơng tiêu hao hút lại lớn do sức cản
dịng khí của bƣớm ga lớn vì vậy hiệu suất làm việc thấp hơn ở chế độ tải lớn.
2.2. Liên quan đến hiệu suất nạp
2.2.1. Hiệu suất nạp
Hiệu suất nạp của động cơ là một thông số quan trọng của động cơ mà mỗi nhà
sản xuất đều muốn tìm cách cải tiến động cơ để nâng cao hiệu suất nạp. Trong đó lƣợng
khí mới nạp vào trong mỗi chu trình có ảnh hƣởng rất lớn đến hiệu suất nạp và nó đƣợc
quyết định bởi nhiều yếu tố khác nhau, do đó để tăng lƣợng khí nạp của động cơ thì ta
cần phải phân tích và xem xét nhiều yếu tố khác nhau.
Q trình thải và nạp cịn gọi là q trình thay mơi chất cơng tác. Q trình nạp có
liên hệ trực tiếp với q trình thải: càng thải sạch, càng nạp đầy, cho phép tăng lƣợng
nhiên liệu cung cấp cho mỗi chu trình nên nhiệt phát sinh do cháy nhiên liệu tăng, kết quả
hiệu suất nạp của động cơ tăng, công giãn nở tăng và công suất có ích (Ne) tăng. Nhƣ
vậy chất lƣợng làm sạch khí cháy và khối lƣợng khơng khí mới nạp vào xy lanh là một
trong những yếu tố quyết định hiệu suất nạp và công suất phát ra của động cơ.
Khối lƣợng nạp mới trong quá trình nạp, hay là sự điền đầy khí nạp vào xy lanh
phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Tổn thất khí động học của hệ thống nạp làm giảm áp suất nạp pa đi một lƣợng a
Δp .
- Sự tồn đọng trong xy lanh một lƣợng khí sót, chúng chiếm một phần thể tích xy
lanh.
- Sự sấy nóng khí nạp mới bởi các bề mặt thành vách của hệ thống nạp và không
gian trong xy lanh tạo nên nhiệt độ tăng thêm ΔT, do đó làm giảm mật độ khí nạp vào.
HVTH: Nguyễn Quốc Tồn

27


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Lý Vĩnh Đạt

2.2.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình nạp
a. Ảnh hƣởng của sự chuyển động dịng khí (quasi-static effects)
Hiệu suất nạp của chu trình lý tƣởng là hàm bao gồm những biến thay đổi: áp suất
nạp của hịa khí Pi , nhiệt độ Ti , tỷ số A/F, tỷ số nén rc, áp suất khí xả Pe , trọng lƣợng
phân tử M và γ chu kỳ. [11]
+ Ảnh hƣởng của thành phần nhiên liệu, giai đoạn, tỷ số A/F
Trong động cơ đốt trong, nếu trong hệ thống nạp có nhiên liệu dạng khí (và hơi
nƣớc) sẽ làm giảm áp suất riêng phần của khí thấp hơn áp suất riêng phần của hịa khí. Vì
áp suất của hịa khí bằng tổng các áp suất riêng phần nhƣ áp suất khơng khí Pa, i , áp suất
hơi nhiên liệu Pf,i , áp suất hơi nƣớc Pw,I , Ta có cơng thức:
Pi = Pa, i + Pf, i + Pw, i

(2-1)

Đối với các nhiên liệu lỏng nhƣ xăng ảnh hƣởng của hơi nhiên liệu là không đáng
kể. Đối với nhiên liệu dạng hơi nhƣ hơi methanol, hiệu suất nạp sẽ giảm do hơi nhiên liệu
trong hịa khí nạp. [11]
+ Ảnh hƣởng của tỷ số áp suất nạp và xả, tỷ số nén
Khi tỷ số áp suất (Pe/Pi) và tỷ số nén thay đổi, một phần thể tích xy lanh bị chiếm
chỗ bởi khí dƣ khi áp suất nạp thay đổi. Do thể tích bị chiếm chổ bởi khí ga dƣ tăng nên
hiệu suất nạp giảm. ảnh hƣởng của tỷ số áp suất đƣợc thể hiện qua cơng thức tính hệ số
nạp.
( )(

)(

)[

( ⁄ )]

,

(

)

*( )

(

)+-

(2-2)

Khi tỷ số áp suất nạp/áp suất xả bằng 1 thì cơng thức tính hiệu suất nạp trở thành:
(

)(

)(

)⟦

(2-3)

( ⁄ )

+ Áp suất trong xy lanh ở thời kì nạp Pa

Là áp suất khí nạp mới trong xy lanh tại thời điểm pít tơng ở điểm chết dƣới của
q trình nạp, đây là thông số cơ bản đánh giá khối lƣợng khí nạp mới:
Pa= Pk – ΔPa hoặc Pa= Po – ΔPa

(2-4)

Trong đó ΔPa là tổn thất áp suất trong quá trình nạp xác định trên cơ sở phƣơng
trình Bernoullie cho dịng chảy dừng khơng chịu nén:
HVTH: Nguyễn Quốc Tồn

28


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Lý Vĩnh Đạt
ΔPa = β2 +ξkn

(2-5)

Trong đó:
β: hệ số xét ảnh hƣởng của giảm tốc dịng khí nạp.
ξkn : hệ số (tổn thất) cản của đƣờng nạp quy dẫn về tốc độ khí nạp.
Trên thực tế trong động cơ do lƣu động của dịng khí trong đƣờng ống nạp cũng
nhƣ đƣờng ống thải là không ổn định, va đập trong đƣờng ống nên áp suất khí biến đổi
trong suốt q trình nạp cũng nhƣ trong suốt quá trình thải và áp suất tại mọi vùng trong
xy lanh cũng khác nhau. [1]
+ Nhiệt độ cuối kì nạp Ta
Việc sấy nóng khí nạp mới đƣợc thực hiện bởi các chi tiết nóng của buồng cháy
và hịa trộn nó với khí sót có nhiệt độ cao hơn, cho đến cuối kì nạp nhiệt độ của hỗn hợp

khí mới nạp và khí sót Ta sẽ cao hơn nhiệt độ khí nạp trong đƣờng ống nạp Tk nhƣng
thấp hơn nhiệt độ khí sót. Để xác định nhiệt độ khí nạp ta dựa trên cơ sở phƣơng trình
cân bằng nhiệt giữa khí sót và khí nạp mới [1]:

(2-6)
Trong đó:
Tk : nhiệt độ khơng khí trƣớc su páp nạp.
Tr : nhiệt độ khí sót.
ΔT : nhiệt độ sấy nóng khí nạp.
γr : hệ số khí sót.
+ Sự tồn đọng sản phẩm cháy (khí sót) trong xy lanh
Trong q trình thải khơng thể đẩy hết sản phẩm cháy ra khỏi xy lanh, lƣợng sản
phẩm cháy cịn lại gọi là khí sót, nó chiếm một thể tích trong xy lanh có áp suất Pr và
nhiệt độ Tr. Trong q trình nạp, khí sót giãn nở làm giảm lƣợng khí mới nạp vào xy
lanh. Lƣợng khí sót phụ thuộc vào phƣơng pháp làm sạch xy lanh, cũng nhƣ khả năng
thổi quét xy lanh của hỗn hợp khí nạp mới. Lƣợng khí sót đƣợc xác định bởi hệ số nạp.
Hệ số khí sót: kí hiệu là γr là tỉ số giữa khối lƣợng khí sót chia cho khối lƣợng khí
nạp mới (khơng khí nạp hoặc hỗn hợp nạp) vào xy lanh: [1]
HVTH: Nguyễn Quốc Toàn

29


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Lý Vĩnh Đạt
( 2-7)

Trong đó:
Gr, Gctr: khối lƣợng khí sót và khí nạp mới thực tế của mỗi chu trình cơng tác.

gct : khối lƣợng nhiên liệu cung cấp cho mỗi chu trình.
Mr, Mctr: số kmol khí sót và khí nạp mới thực tế tính trên 1kg nhiên liệu.
ɳv : là tỷ số giữa lƣợng khí nạp thực tế vào xy lanh Gctr ở đầu q trình nén so với
lƣợng khí nạp lý thuyết Glt có thể nạp đầy vào thể tích cơng tác ở điều kiện trƣớc su páp
nạp:
(2-8)
Trong phƣơng trình trên, khối lƣợng khơng khí nạp khơng phải điền đầy tồn bộ
thể tích xy lanh Va mà chỉ là thể tích cơng tác Vh : [1]
Glt = Vh. ρk

(2-9)

Trong đó :
ρk - khối lƣợng riêng của khơng khí;
(2-10)
+ Phƣơng trình hệ số nạp
Từ phƣơng trình (2-7), (2-8) lƣợng khơng khí nạp sẽ xác định nếu biết khối lƣợng
riêng khơng khí trƣớc su páp nạp, hệ số nạp và thể tích cơng tác của xy lanh. [1]
(2-11)
Với động cơ đã chế tạo, thể tích làm việc của xy lanh đã biết. Khối lƣợng riêng
không khí nạp tính đƣợc trên cơ sở đo trực tiếp áp suất, nhiệt độ khơng khí trƣớc su páp
nạp. Hệ số nạp là thơng số khó xác định ngay cả trong điều kiện thử nghiệm. Do vậy hệ
số nạp chỉ đƣợc tính gần đúng. Khi viết phƣơng trình hệ số nạp ta giả thiết quá trình nạp
kết thúc tại điểm a, ứng với pít tơng ở điểm chết dƣới.
Để thành lập phƣơng trình hệ số nạp, sử dụng phƣơng trình cân bằng nhiệt với hỗn
hợp khơng khí và khí sót tại điểm a của chu trình theo TL [12] ta có:
(

(

)

Vì Gctr = Glt .ηv nên:
HVTH: Nguyễn Quốc Tồn

30

)

(2-12)