Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu LPG (1NZLPG) trên cơ sở động cơ 1 NZFE

Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu LPG (1NZ-LPG) trên cơ sở động cơ 1 NZ-FE

1

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, nền kinh tế nước ta đang phát triển, đời sống nhân dân ngày càng
được nâng cao, nhu cầu sử dụng ô tô tăng không ngừng. Tuy nhiên vấn đề ô nhiễm
môi trường và cạn kiệt nguồn năng lượng hóa thạch đang đặt ra thách thức với các
nhà khoa học để nghiên cứu tìm nhiên liệu nhiên liệu thay thế, đặc biệt là vấn đề ô
nhiễm môi trường.
Để giải quyết tình trạng ô nhiễm môi trường do động cơ đốt trong gây ra hiện
nay có nhiều giải pháp công nghệ như: xe hybrid, ô tô điện, hay các cải tiến về động
cơ trong thời gian gần đây như ECOBOST của FORD hay động cơ siêu nạp cũng
đang dần được sử dụng trong động cơ đốt trong, các cải tiến đó nhằm mục đích đem
lại lượng tiêu hao nhiên liệu tối ưu mà vẫn đạt được công suất, hiệu suất cao nhất.
Ngoài các cải tiến về động cơ thì hiện nay trên thế giời còn có giải pháp sử dụng
nhiên liệu mới để giảm thiểu ô nhiễm không khí đó là điện phân nước để tạo nhiên
liệu hydro sử dụng trong động cơ hay sử dụng nguồn năng lượng mặt trời cho xe ô tô
…vv.
Tuy nhiên các nguồn năng lượng đó còn khá mới mẻ đối với nước ta. Hiện nay,
nguồn nhiên liệu mới được quan tâm nhất ở nước ta là xăng pha cồn, khí Biogas, khí
LPG. Vì nó là nhiên liệu sạch, được sử dụng rộng rãi trong đời sống sinh hoạt hằng
ngày. Nếu ứng dụng nguồn nhiên liệu này để sử dụng cho động cơ đốt trong thì nó
không đòi hỏi phải thay đổi toàn bộ kết cấu động cơ mà chỉ cần cải tạo lại hệ thống
cung cấp nhiên liệu của động cơ là có thể sử dụng được. Khi đó mức phát thải ô nhiễm
của động cơ sẽ thấp hơn so với động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống mà vẫn đảm
bảo được công suất cũng như hiệu suất.
Đây là lý do mà chúng em chọn đề tài “Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu
LPG (1NZ-LPG) trên cơ sở động cơ 1NZ-FE” để phục vụ cho đồ án tốt nghiệp của
mình. Vì LPG là nguồn nhiên liệu ít gây ô nhiễm môi trường, việc chuyển đổi từ động
cơ sử dụng xăng sang sử dụng LPG cũng dễ dàng, không đòi hỏi máy móc công nghệ

cao.
Ngày 05 tháng 06 năm 2015
Sinh viên thực hiện
Trương Công Quý
Nguyễn Trung Kiên
Nguyễn Văn Phúc
Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu LPG (1NZ-LPG) trên cơ sở động cơ 1 NZ-FE

2

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NHIÊN LIỆU LPG
1.1. KHÁI QUÁT VỀ LPG
1.1.1. Nguồn gốc của LPG
LPG là chữ viết tắt của Liqueded Petroleum Gas có nghĩa là khí dầu mỏ hóa lỏng.
LPG là sản phẩm thu được từ quá trình chưng cất dầu và tinh luyện khí thiên nhiên.
LPG có từ hai nguồn: từ các quặng dầu và các mỏ khí được tách ra từ các thành
phần khác trong quá trình chiết xuất từ dầu hoặc khí thiên nhiên
1.1.2. Tính chất lý hóa của LPG
1.1.2.1. Thành phần hóa học
Thành phần chủ yếu là C
3
H
8
(Propan) và C
4
H
10
(Butan) được nén theo tỷ lệ phần
trăm Propan trên phần trăm Butan.
Ở nhiệt độ và áp suất khí quyển LPG ở dạng khí. Để thuận tiện về tồn chứa và

vận chuyển LPG được hóa lỏng. Trong thực tế thành phần hỗn hợp các chất có trong
khí hóa lỏng LPG không thống nhất. Tùy theo tiêu chuẩn của các nước, khu vực mà
tỷ lệ thành phần trong LPG khác nhau, có tỷ lệ giữa Propan và Butan là 50/50 hay
30/70. Ở Châu Á, thành phần nhiên liệu khí hóa lỏng khá ổn định, chứa chủ yếu là
Hydrocacbon C
4
, chẳng hạn như ở Hàn Quốc chỉ có Butan là khí hóa lỏng được sử
dụng phổ biến. Ngược lại ở Mỹ thì chỉ có Hydrocacbon C
3
được sử dụng.
Đặc biệt trong thành phần khí hóa lỏng LPG chứa rất ít lưu huỳnh, thường chỉ
chứa (40÷60) ppm, thấp hơn nhiều so với tiêu chuẩn, cho phép của cộng đồng Châu
Âu (200ppm) một tiêu chuẩn khắt khe nhất về các chất phụ gia có trong nhiên liệu.
Do đó, động cơ dung LPG phát ra rất ít các chất ô nhiễm gốc lưu huỳnh và hiệu quả
của bộ lọc xúc tác được cải thiện.
1.1.2.2. Các tính chất của LPG
Do thành phần chủ yếu của LPG là Propane và Butane nên tính chất của LPG là
tình chất của Propane và Butane. LPG có đặc tính sau:
- Là một chất lỏng không màu (trong suốt).
- Là một chất lỏng không mùi, không vị, tuy nhiên trong thực tế trong quá trình
chế biến được pha them Ethyt Mecaptan có mùi đặc trưng để dễ phát hiện rò rỉ. Nồng
độ mùi phải đủ để nhận ra trước khi chúng ta tạo thành hỗn hợp nổ.
Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu LPG (1NZ-LPG) trên cơ sở động cơ 1 NZ-FE

3

- Bản thân LPG không độc, không gây ô nhiễm môi trườngtuy nhiên không nên
hít vào số lượng lớn, vì có thể gây ngạt thở hay say do thiếu Oxy.
- LPG nặng hơn không khí (1,5÷2) lần, nhẹ hơn nước 0,5 lần vì vậy nếu thoát
ra ngoài hơi LPG sẽ lan truyền ở mặt đất và tập trung ở những phần thấp nhất, như

rãnh, hố ga,… tuy nhiên nó sẽ tản mất ngay khi có gió.
- LPG được tồn chứa trong các loại bể chịu áp lực khác nhau, chúng tồn tại ở
trạng thái bõa hòa. Gas lỏng ở dưới, hơi Gas ở phía trên theo quy định an toàn các thể
loại bể chứa LPg chỉ được phép nhập (80÷85)% thể tích, phần còn lại đảm bảo cho
sự giãn nở vì nhiệt của LPG.
- Đặc trưng lớn nhất của LPG khác với các loại khí kahcs là chúng tồn tại ở
dạng bão hòa nên với thành phần không đổi (70% Butan – 30% Propan). Áp suất bão
hòa trong bể chứa cũng như trong hệ thống không phụ thuộc vào nhiệt độ bên ngoài.
Thông thường Gas Petrolimex co áp suất 4,5 kg/cm
2
÷ 7,8 kg/cm
2
ở nhiệt độ (15 ÷
30)
0
C.
- LPG có tỷ lệ giãn nở lớn: một đơn vị thể Gas lỏng hay hơi tạo ra 250 đơn vị
thể tích hơn, LPG thuận tiện và kinh tế khi vận chuyển và tồn tại chứa ở dạng lỏng.
- LPG còn là nhiên liệu sạch: hàm lượng lưu huỳnh thấp (<0,02%), khi cháy chỉ
tạo ra CO
2
và hơi nước, không tạo khói, đặc biệt không sinh ra SO
2
, H
2
S, CO.
- LPG hóa lỏng có nhiệt trị riêng theo khối lượng cao, cao hơn xăng hay diesel
(Bảng 1.1) Tuy nhiên do khối lượng riêng của nó thấp, nhiệt trị riêng thấp
Bảng 1-1 Bảng so sánh LPG và các loại nhiên cổ điển
Thông số đặc

trưng
Eurosper Diesel Propane
thương mại

Butane
thương mại

LPG
Khối lượng riêng
(kg/dm
3
)
0,725 ÷
0,78
0,82 ÷
0,86
0,510 0,580 0,51 ÷
0,58
Nhiệt trị thấp:
- Theo khối
lượng (MJ/kg)
- Theo thể tích
(MJ/dm
3
)

42,7
32,0

42,6

35,8

46,0
23,5

45,6
26,4

45,8
25,0
Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu LPG (1NZ-LPG) trên cơ sở động cơ 1 NZ-FE

4

- Chỉ số Octan: Nhiên liệu khí hóa lỏng được đặc trưng bởi chỉ số octan nghiên
cứu (RON) cao, có thể đạt tới 98. Bảng 1.2 giới thiệu RON của các loại khí khác
nhau. Chỉ số octan động cơ (MON) của LPG cũng cao hơn xăng.
Bảng 1-2 Bảng chỉ số octan của một số chất
Chất RON MON
Propane
Propene
n-Butane
Isobutane
But-1-en
But-2-en
>100
102
95
>100
98

100
100
85
92
99
80
83
1.1.3. Các ứng dụng của LPG
LPG có hơn 1500 ứng dụng được chia thành 5 khu vực thị trường chính
- Dân dụng và thương nghiệp: Nấu ăn, nấu nước nóng, sưởi ấm, đèn gas,…
trong các hộ dân, các cửa hàng ăn uống, khách sạn.
- Công nghiệp và nông nghiệp: Sấy thực phẩm, nung gốm sứ, ấp trứng, hàn cắt,
thanh trùng dụng cụ y tế,…
- Ô tô: LPG được biết như loại nhiên liệu thay thế cho diesel và xăng. Vì thế,
hiện nay đã có nhiều xe sử dụng nhiên liệu LPG như là nguồn nhiên liệu cung cấp
năng lượng cho động cơ.
- Phát điện: Chạy máy phát điện, tuabin.
- Hóa dầu: Sản xuất ethetylen, propylene, butadien cho ngành nhựa và đặc biệt
là sản xuất MTBE là chất là tăng chỉ số Octan.
1.1.4. Các ưu điểm của LPG
LPG có các ưu điểm sau:
- Các thành phần hóa học của LPG tương đối ít, dó đó dễ dàng thực hiện việc
điều chỉnh đúng tỷ lệ hỗn hợp nhiên liệu và không khí để quá trình cháy xảy ra hoàn
toàn. Ưu điểm này đem lại đặc tính cháy sạch cho LPG.
Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu LPG (1NZ-LPG) trên cơ sở động cơ 1 NZ-FE

5

- Cả hai Propane và Butane được hóa lỏng một cách dễ dàng và đựng trong các
bình chứa áp suất. Đặc tính này làm cho nhiên liệu có tính cơ động cao, do đó có thể

vận chuyển dễ dàng trong các bình hoặc các thùng chứa đến người sử dụng.
- LPG là chất thay thế cho xăng trong các động cơ xăng. Đặc tính cháy sạch của
LPG trong một động cơ thích hợp đã làm giảm bớt khí thải, kéo dài tuổi thọ của dầu
bôi trơn và buji đánh lửa.
- Các đặc tính cháy sạch và dễ vẫn chuyeenrcuar LPG cung cấp một chất thay
thế cho các nhiên liệu bản xứ chẳng hạn như gỗ, than đá và các chất hữu cơ khác.
Đây là giải pháp tốt để hạn chế nạn phá rừng và giảm các chất thải rắn nguy hiểm vào
bầu khí quyển được gây ra bởi việc đốt cháy các nhiên liệu bản xứ.
- Thay thế cho chất nổ và chất làm lạnh CFC, giúp hạn chế nguyên nhân phá
hủy tâng ozone của Trái Đất.
1.1.5. So sánh tính năng của LPG và xăng
Bảng 1-3 Bảng so sánh đặc tính của LPG và các nhiên liệu khác.
Đặc tính Đơn vị Xăng Diesel CNG LPG
Màu
Tỉ trọng
Nhiệt trị thấp
Hệ số A/F
Chỉ số Octan

Kg/m
3

MJ/kg
Có
750
42,9
14,4
85 ÷ 98
Có
860

42,6
14,5
Không
550
50
17,26
115
Không
555
46
15,5
110 ÷ 120
Theo bảng 1.3 ta thấy nhiệt trị của LPG cao hơn xăng và hơn hẳn với các nhiên
liệu truyền thống khác. LPG có chỉ số Octan cao hơn nhưng lượng không khí lý thuyết
cần thiết để đốt cháy một đơn vị thể tích LPG cao hơn xăng. LPG dễ nổ hơn xăng
nhưng tốc độ cháy chậm hơn xăng. Do vậy khi động cơ làm việc ở tốc độ cao động
cơ sẽ bị mất công suất từ (5 ÷ 8)%. Điều này khắc phục bằng cách chỉnh lại thời điểm
đánh lửa (3 ÷ 5)%, và vì LPG có giá rẻ hơn nên thực tế người ta có thể chấp nhận
được. Nhưng nó có ưu việt là không gian tồn chứa nhỏ gọn, làm cho việc vận chuyển
được thuận lợi và kinh tế hơn. Chính vì những ưu điểm của LPG so với xăng nên
LPG đã và sẽ là loại khí đốt được ứng dụng rộng rãi trên thế giới.
Nếu LPG lỏng bị rò rỉ ra ngoài thì tại chỗ rò có nhiệt độ thấp và xuất hiện tuyết.
Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu LPG (1NZ-LPG) trên cơ sở động cơ 1 NZ-FE

6

Ngoài ra, hàm lượng Propane trong thành phần của LPG còn quyết định áp suất
hơi trong bình chứa LPG. Nếu hàm lượng Propane càng lớn thì nhiệt trị cao, áp suất
hơi càng cao, có thể sử dụng triệt để LPG trong bình chứa đặc biệt trong điều kiện
nhiệt độ môi trường thấp. Khi sử dụng một lưu lượng lớn thì bình sẽ hạ nhiệt độ

nhanh, do đó nếu loại LPG đang sử dụng có thành phần Propane thấp thì khi đó áp
suất hơi giảm nhanh, lưu lượng LPG cung cấp có thể không đáp ứng nhu cầu sử dụng.
Hiện nay, các hãng sản suất ô tô như Citroen, Daewoo, Fiat, Ford, Hyundai,
Opel/Vauxhall, Peugoet, Renault, Toyota và Volvo đã có những mẫu xe chạy hai
nhiên liệu LPG và xăng. Ở đó xăng và LPG có thể dung thay phiên nhau.
1.2. ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG LPG
1.2.1. Momen, công suất động cơ
Momen và công suất của động cơ sử dụng LPG thấp hơn khoảng 10% so với
động cơ xăng cùng cỡ do các yếu tố sau:
Nhiệt trị thể tích của hỗn hợp không khí/ xăng lớn hơn nhiệt trị thể tích của hỗn
hợp không khí/ LPG khoảng 3% ÷ 5%.
Đặc tính của hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG. Khi phun LPG dạng khí vào
đường nạp qua họng Venturi làm giảm hệ số nạp và gây xáo trộn động lực học trên
đường nạp do đó làm giảm momen và công suất động cơ. Khi phun LPG dạng lỏng
sẽ bốc hơi trên đường nạp làm giảm nhiệt độ khí nạp và tăng khối lượng riêng của
hỗn hợp, hệ số nạp được cải thiện hơn do đó khắc phục phần nào sự giảm moomen
và công suất động cơ.
1.2.2. Suất tiêu hao nhiên liệu
Suất tiêu hao nhiên liệu tính theo thể tích và theo khối lượng nhiên liệu của động
cơ LPG so với động cơ xăng như sau: thực tế nếu so sánh năng lượng tiêu hao trên
100km hành trình (J/100km) thì nhiên liệu LPG thấp hơn động cơ xăng khoảng vài
phần trăm. Điều này là do sự lắp đặt hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG mới có khả
năng phun nhiên liệu với độ chính xác cao. Mặt khác, nếu LPG giàu Propan (C
3
H
8
)
với chỉ số Octan của nó rất cao do đó có thể tăng chỉ số nén động cơ nên suất tiêu hao
nhiên liệu có thể giảm
1.2.3. Mức độ phát ô nhiễm

Động cơ sử dụng LPG phát sinh ít ô nhiễm. Đây là đặc điểm đáng chú ý trong
bối cảnh mà ảnh hưởng của giao thông vận tải đến môi trường sống ngày càng trở
nên nghiêm trọng.
Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu LPG (1NZ-LPG) trên cơ sở động cơ 1 NZ-FE

7

Sự phát sinh ô nhiễm trong khí xả động cơ LPG giảm đi rất đáng kể so với động
cơ xăng.
Đồng thời nồng độ NO
x
giảm, đặc biệt khi động cơ hoạt động ở khu vực gần đầy
tải, điều này là do nhiệt độ màng lửa nhiên liệu LPG thấp hơn màng lửa xăng. Còn
mức độ phát sinh HC thấp chủ yếu do LPG bay hơi rất dễ dàng, lượng nhiên liệu bám
trên thành buồng cháy thấp và lượng nhiên liệu hấp thụ bởi dầu bôi trơn thấp, HC
trong khí xả động cơ LPG chủ yếu là Hydrocarbure nhẹ (C
3
÷ C
4
) ít độc hơn
Hydrocarbure nặng trong khí xả động cơ xăng và diesel.
Quá trình thử theo tiêu chuẩn không hoàn toàn thích hợp với điều kiện vận hành
trong thực tế vì nhiệt độ môi trường có thể gây ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô
nhiễm của động cơ. Tuy nhiên, đối với động cơ LPG ảnh hưởng của nhiệt độ môi
trường không đáng kể. Kết quả này làm tăng thêm ưu điểm của động cơ LPG về mặt
phát sinh ô nhiễm, đặc biệt đối với dự luật về ô nhiễm môi trường khi động cơ làm
việc ở nhiệt độ nạp thấp.
Bảng 1-4 Mức độ phát thải ô nhiễm của ô tô chạy nhiên liệu LPG so với tiêu
chuẩn ô nhiễm hiện nay
Chất ô

nhiễm
Giới hạn cho phép Mức độ phát ô nhiễm
Europe 2000
(g/km)
California
ULEV (g/km)
Chu trình
Europe (g/km)
Chu trình
FTP75 (g/mile)
CO 2,30 1,70 0,16 0,14
HC 0,20 0,04 0,031 0,032
NO
x
0,15 0,20 0,02 0,065
1.2.4. Tính an toàn và tuổi thọ động cơ
Vấn đề an toàn: Trong hệ thống nhiên liệu LPG có rất nhiều thiết bị an toàn cả
về mặt cơ khí lẫn điện tử để đảm bảo an toàn trong khi động cơ hoạt động lẫn không
hoạt động và khi xảy ra tai nạn.
Các van an toàn tự động đóng, ngắt hệ thống nhiên liệu LPG và hệ thống này
hoàn toàn bi khóa kín với môi trường không khí bên ngoài.
Các cuộc thử nghiệm thực tế tại trung tâm nghiên cứu quốc tế đã cho thấy khi bị
tai nạn lật xe, trong khi xăng có thể trào ra ngoài gây cháy thì LPG không thể trào ra
Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu LPG (1NZ-LPG) trên cơ sở động cơ 1 NZ-FE

8

ngoài được do có các van an toàn. Các sự cố rò rỉ trên đường ống nếu có cũng làm
toàn bộ hệ thống LPG tự động khóa kín lại.
Vấn đề tuổi thọ động cơ: Do LPG có đặc tính kỹ thuật như tính chống kích nổ

cao, không có chì, sản phẩm cháy không có muội than, không có hiện tượng đóng
màng nên động cơ làm việc với nhiên liệu LPG ít gây kích nổ hơn động cơ xăng. Do
không có các hạt chì hoặc các hạt muội than đọng lại trong thành xylanh, cửa xupap
nạp, thải nên không gây mài mòn xylanh, piston, sec-măng, xupap, đế xupap. Một
vấn đề quan trọng là động cơ xăng hay có hiện tượng hơi xăng hình thành trong buồng
cháy, có tác hại rửa sạch các màng dầu bôi trơn và có khuynh hướng lọt xuống cacte
làm dầu bôi trơn giảm khả năng bôi trơn, trong khi LPG không có hiện tượng này.
Chính vì những lý do này nên LPG cho phép kéo dài tuổi thọ động cơ hơn nhiên
liệu xăng khi sử dụng động cơ ở cùng một chế độ hoạt động.















Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu LPG (1NZ-LPG) trên cơ sở động cơ 1 NZ-FE

9

CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM TỔNG QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ 1NZ-FE
2.1. GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ 1NZ-FE

Động cơ 1NZ-FE của TOYOTA sản xuất được lắp trên xe TOYOTA Vios là
loại động cơ xăng thế hệ mới 4 xy lanh thẳng hàng dung tích xy lanh 1497 cm
3
. Trục
cam kép DOHC 16 valve được dẫn động bằng xích với hệ thống valve nạp biến thiên
thông minh VVT-i.
Động cơ 1 NZ - FE có công suất 79 [KW] tương ứng với 106 [Hp] tại số vòng
quay trục khuỷu là 6000 [rpm] với hệ thống đánh lửa điện tử và hệ thống phun nhiên
liệu trực tiếp điều khiển bằng ECU.
Bảng 2-1 Thông số kỹ thuật động cơ 1NZ-FE.
Tên động cơ 1NZ-FE (Toyota)
Số xy lanh là cách bố trí 4 xy lanh thẳng hàng
Cơ cấu phân phối khí
16 valve – DOHC, dẫn động bằng xích
với VVT-i
Loại buồng cháy Pentroof type
Hệ thống nhiên liệu
Hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp SFI
(Sequential Fuel Injection)
Hệ thống đánh lửa
Hệ thống đánh lửa trực tiếp DIS
(Direct Ignition System)
Tổng dung tích xy lanh 1497 [cm
3
]
Đường kính x hành trình piston 75.0 x 84.7 [mm]
Tỉ số nén 10.5 : 1
Công suất cực đại @ số vòng
quay tại công suất cực đại
79 [kW] @ 6000 [rpm]

Moment cực đại @ số vòng
quay tại moment cực đại
139 [Nm] @ 4200 [rpm]
Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu LPG (1NZ-LPG) trên cơ sở động cơ 1 NZ-FE

10

Thứ tự làm việc 1 – 3 – 4 – 2
Chỉ số octan nghiên cứu 90 hoặc cao hơn
Chỉ số octan làm việc 87 hoặc cao hơn

Hình 2-1 Hình chiếu đứng mặt cắt ngang của động cơ 1NZ-FE

Hình 2-2 Hình chiếu cạnh mặt cắt ngang của động cơ 1NZ-FE
Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu LPG (1NZ-LPG) trên cơ sở động cơ 1 NZ-FE

11

2.2. ĐẶC ĐIỂM CÁC HỆ THỐNG VÀ CÁC NHÓM CHI TIẾT CHÍNH CÓ
TRÊN ĐỘNG CƠ 1NZ-FE
2.2.1. Nhóm Piston – Trục khuỷu – Thanh truyền.
2.2.1.1. Piston.
Piston của động cơ 1NZ- FE được chế tạo từ hợp kim nhôm với phần đỉnh piston
có kết cấu đặc biệt giúp tăng hiệu suất đốt cháy nhiên liệu nhờ kết cấu có tên là taper
squish shape.

Hình 2-3 Piston và séc măng của động cơ 1NZ-FE
1 - Taper squish shape
Tại vị trí của taper squish shape, hỗn hợp nhiên liệu gồm xăng và không khí tại vị
trí này sẽ được nén nhiều hơn các vùng khác, giúp định hướng được dòng khí trong

buồng đốt, tăng sự quét khí, nhờ đó nhiên liệu được hòa trộn tốt hơn, giúp tăng hiệu
suất của quá trình cháy.
Chân piston có dạng vành đai để tăng độ cứng vững, người ta cũng cắt bỏ một
phần kim loại ở phần chân này của piston để giảm trọng lượng, nhưng vẫn đảm bảo
độ cứng vững cần thiết cho nó.
Đầu piston có 3 rãnh séc măng trong đó có 2 rãnh séc măng khí và 1 rãnh séc
măng dầu, rãnh séc măng dầu có các lỗ để đưa dầu bôi trơn xilanh về lại cacte. Séc
măng áp lực thấp được sử dụng để giảm ma sát và nâng cao tính kinh tế của nhiên
liệu, cũng như nâng cao chất lượng bôi trơn giữa cặp chi tiết piston – xy lanh của dầu
bôi trơn.

Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu LPG (1NZ-LPG) trên cơ sở động cơ 1 NZ-FE

12

2.2.1.2. Trục khuỷu.
Trục khuỷu của động cơ 1NZ-FE được chế tạo từ thép cacbon liền khối, các bề
mặt gia công đạt độ bóng rất cao, đồng thời các cổ trục cũng như chốt khuỷu được
giảm đường kính và chiều dài so với các động cơ trước đây nhưng vẫn đảm bảo độ
bền cần thiết.

Hình 2-4 Trục khuỷu động cơ 1NZ-FE.
1- Vành răng cho cảm biến vị trí trục khuỷu; 2- Lỗ khoan dầu bôi trơn;
3- Chốt khuỷu; 4- Cổ khuỷu số 5; 5- Đối trọng; 6- Cổ khuỷu số 4;
7- Cổ khuỷu số 3; 8-Cổ khuỷu số 2; 9- Cổ khuỷu số 1.
Trục khuỷu động cơ 1NZ-FE có 4 đối trọng, 5 cổ khuỷu, và giữa các cổ khuỷu có
1 chốt khuỷu; có tất cả 4 chốt khuỷu tương ứng với số xy lanh của động cơ, trong đó,
các chốt khuỷu của ứng với xy lanh số 1 và số 4 được nghiên cứu chế tạo cực kỳ kỹ
càng để có một khối lượng nhẹ và giảm đáng kể về hệ số ma sát. Bôi trơn các mặt ma
sát cổ trục khuỷu – bạc lót giá đỡ cổ khuỷu và chốt khuỷu – bạc lót đầu to thanh

truyền thông qua các đường khoan dầu lấy dầu từ đường dầu chính của động cơ.
Phía đầu trục khuỷu có một vành răng cảm biến vị trí trục khuỷu, thông qua một
cảm biến, ECM (Engine Control Module) xác định được vị trí của trục khuỷu trong
chu trình công tác mà thực hiện các điều khiển hợp lý.
Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu LPG (1NZ-LPG) trên cơ sở động cơ 1 NZ-FE

13

2.2.1.3. Thanh truyền.
Thanh truyền của động cơ 1NZ-FE có tiết diện ngang chữ I được chế tạo từ thép
hợp kim có độ cứng cao giúp giảm đáng kể trọng lượng. Đầu nhỏ thanh truyền có
dạng hình trụ rỗng được lắp tự do với chốt piston, còn đầu to thanh truyền gồm hai
phần, nửa phần trên nối liền với đầu nhỏ thông qua phần thân thanh truyền, nửa phần
dưới là nắp đầu to thanh truyền, được lắp với nửa trên thông qua một cặp bu lông
chịu kéo, có mặt gia công chính xác cao để định vị và mặt phẳng lắp ghép vuông góc
với đường tâm thanh truyền.

Hình 2-5 Thanh truyền động cơ 1NZ-FE
1- Bu lông lắp nắp đầu to thanh truyền
2.2.2. Nhóm thân máy – Nắp máy.

Hình 2-6 Mặt cắt ngang thân máy
1- Đường tâm xy lanh; 2- Đường tâm trục khuỷu
Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu LPG (1NZ-LPG) trên cơ sở động cơ 1 NZ-FE

14

Nhóm thân máy được chế tạo từ hợp kim nhôm để giảm đáng kể khối lượng,
đường tâm trục khuỷu được đặt lệch tâm với đường tâm xy lanh một giá trị 12 mm
về phía đường nạp, như vậy tác dụng của lực ngang khi áp suất khí thể lớn nhất sẽ

giảm giúp tăng tính kinh tế nhiên liệu cho động cơ.

Hình 2-7 Ống lót xy lanh
1- Bề mặt tiếp xúc giữa ống lót với thân máy; 2- Thân máy; 3- Ống lót xy lanh
Bề mặt tiếp xúc đặc biệt giữa thân máy và ống lót xy lanh giúp tăng khả năng bám
dính của ống lót lên thành xy lanh, giúp tăng khả năng trao đổi nhiệt – tản nhiệt cho
ống lót xy lanh.
Tương tự như thân máy, nắp máy của động cơ 1NZ-FE cũng được chế tạo từ hợp
kim nhôm nhẹ, 2 trục cam được bố trí trên đầu nắp máy cùng cơ cấu phân phối khí.
Kim phun nhiên liệu được bố trí ở cửa nạp của mỗi máy giúp tăng hiệu quả hòa trộn
xăng với không khí, tối thiểu hóa sự va đập với thành ống nạp, tăng tính kinh tế nhiên
liệu cho động cơ. Áo nước được bố trí giữa đường ống thải và vị trí lắp bugi giữ cho
nhiệt độ đồng đều trên nắp máy và trên hết là giảm nhiệt độ xung quanh bugi, nâng
cao chất lượng làm mát cho buồng cháy. Bằng cách sử dụng buồng chát Taper Squish,
hiệu quả nhiên liệu được cải thiện cũng như nâng cao khả năng chống kích nổ cho
động cơ.
Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu LPG (1NZ-LPG) trên cơ sở động cơ 1 NZ-FE

15


Hình 2-8 Nắp máy động cơ 1NZ-FE
1- Vòi phun nhiên liệu; 2- Cửa nạp; 3- Áo nước làm mát trên nắp máy
4- Taper Squish; 5- Cửa thải.
2.2.3. Cơ cấu phân phối khí.
Động cơ 1NZ-FE sử dụng hệ thống điều khiển biến thiên thời điểm phối khí thông
minh VVT-i (Variable Valve Timing – Intelligent) để điều khiển chính xác thời điểm
phối khí hợp lý với tình trạng hoạt động của động cơ. Điều này không chỉ làm tăng
công suất cho động cơ, cải thiện tính kinh tế nhiên liệu cho động cơ mà còn giảm
đáng kể thành phần độc hại có trong khí thải, giảm ô nhiễm môi trường.

Trục khuỷu dẫn động 2 trục cam - 1 trục cam dẫn động các valve nạp và 1 trục
cam dẫn động các valve thải, thông qua bộ truyền xích, bước xích 8.0 [mm] giúp cải
thiện không gian bố trí. Xích được bôi trơn bằng dầu bôi trơn động cơ thông qua một
vòi phun, lượng dầu động cơ này sẽ không bị thất thoát khi bên ngoài bộ truyền xích
được che đậy bằng một nắp bảo vệ chắc chắn.
Thiết bị căng xích, tay căng xích, bộ phận dẫn hướng xích có nhiệm vụ giảm tổn
thất do ma sát, va đập, giảm tiếng ồn động cơ va quan trọng hơn cả là chống trật xích
khi động cơ đang hoạt động.
Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu LPG (1NZ-LPG) trên cơ sở động cơ 1 NZ-FE

16


Hình 2-9 Cơ cấu phân phối khí động cơ 1NZ-FE.
1- Tay căng xích dẫn động; 2-Thiết bị điều khiển tay căng xích; 3- Bộ điều khiển
phối khí VVT-i; 4-Xích dẫn động trục cam; 5- Trục cam thải; 6- Trục cam nạp; 7-
Bộ phận dẫn hướng xích dẫn động
Mỗi máy có 2 valve nạp và 2 valve thải, mỗi valve được điều khiển đóng – mở
trực tiếp bới vấu cam thông qua con đội và lò xo.

Hình 2-10 Dẫn động valve
1- Vấu cam; 2- Con đội; 3- Thân valve
Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu LPG (1NZ-LPG) trên cơ sở động cơ 1 NZ-FE

17


Hình 2-11 Sự hoạt động của VVT-i
1- Góc valve nạp mở; 2- Góc valve thải mở; 3,4- Góc làm việc của VVT-i
Bảng 2-2 Giá trị đóng mở các valve nạp – thải.

Điều khiển thời
điểm
Valve nạp
Mở -7
o
- 33
o
BTDC
Đóng -52
o
- 12
o
ABDC
Valve thải
Mở 42
o
BBDC
Đóng 2
o
ATDC
2.2.4. Hệ thống nhiên liệu.
Hệ thống nhiên liệu được trang bị trên động cơ 1NZ-FE là hệ thống phun nhiên
liệu trực tiếp với 4 vòi phun bố trí trước cửa nạp của 4 xy lanh động cơ điều khiển
điện tử, điều này tối ưu hóa lượng nhiên liệu cần thiết cung cấp vào mỗi xy lanh khi
động cơ hoạt động, tăng tính kinh tế nhiên liệu cho động cơ. Vòi phun có 12 lỗ phun
nhỏ li ti giúp cho chất lượng phun nhiên liệu đạt hiểu quá cao nhất, khả năng hòa trộn
với không khí được cải thiện đáng kể.
Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu LPG (1NZ-LPG) trên cơ sở động cơ 1 NZ-FE

18

Bầu hút hơi xăng (6) sẽ kích hoạt valve cắt nhiên liệu (5) thông qua đó dừng sự
hoạt động của bơm nhiên liệu khi các túi khí SRS phía trước bị bung ra do va đập với
lực đủ mạnh. Khi đó, nhiên liệu sẽ không được bơm cung cấp vào động cơ, giúp hạn
chế khả năng cháy nổ khi xảy ra va chạm xuống mức tối thiểu, bảo vệ tính mạng của
người ngồi trên xe được trang bị động cơ 1NZ-FE.

Hình 2-12. Hệ thống nhiên liệu trên động cơ 1NZ-FE
1- Thùng chứa nhiên liệu; 2- Mô đun bơm nhiên liệu; 3- Bơm nhiên liệu; 4- Bầu
lọc; 5- Valve cắt nhiên liệu; 6- Bầu hút hơi xăng; 7- Bộ điều áp; 8- Bộ giảm rung; 9-
Ống phân phối nhiên liệu; 10- Vòi phun nhiên liệu


Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu LPG (1NZ-LPG) trên cơ sở động cơ 1 NZ-FE

19


Hình 2-13 Vòi phun nhiên liệu
2.2.5. Hệ thống đánh lửa.

Hình 2-14 Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa trên động cơ 1NZ-FE
1- Cảm biến vị trí trục khuỷu; 2- Cảm biến vị trí trục cam;
3- Các cảm biến khác; 4- ECM; 5- Bobine; 6- Bugi
Động cơ 1NZ-FE trang bị hệ thống đánh lửa trực tiếp điền khiển điện tử, hệ thống
không sử dụng bộ chia điện cũng như tiếp điểm đánh lửa giúp cho thời điềm đánh lửa
được điều khiển chính xác và năng lượng đánh lửa đạt giá trị tối ưu. Ở mỗi xy lanh
được trang bị một bobine đơn tích hợp IC đánh lửa, ECM sẽ điều khiền các dòng điện
sơ cấp cấp đến cuộn sơ cấp của bobine đánh lửa theo thứ tự nổ của động cơ, khi ngắt
dòng sơ cấp, một dòng thứ cấp điện áp cao xuất hiện tại cuộn thứ cấp của bobine đánh

Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu LPG (1NZ-LPG) trên cơ sở động cơ 1 NZ-FE

20

lửa kích hoạt bugi tạo ra tia lửa điện đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu – không khí trong
buồng cháy.

Hình 2-15 Bobine đánh lửa tích hợp IC đánh lửa
1- IC đánh lửa; 2- Cuộn sơ cấp; 3- Cuộn thứ cấp; 4- Chụp bugi; 5- Lõi
2.2.6. Hệ thống bôi trơn.

Hình 2-16 Bố trí hệ thống bôi trơn trên động cơ 2NZ-FE
1- Lọc tinh; 2- Lọc thô; 3- Bơm dầu; 4- Bộ VVT-i; 5- Phun dầu bôi trơn xích
Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu LPG (1NZ-LPG) trên cơ sở động cơ 1 NZ-FE

21

Hệ thống bôi trơn tuần hoàn cưỡng bức trên động cơ 1NZ-FE có nhiệm vụ bôi
trơn các bề mặt ma sát, làm giảm tổn thất ma sát, tẩy rửa các mạt kim loại sinh ra do
hao mòn, các sản phẩm của quá trình cháy bám trên thành , bề mặt các chi tiết như
xylanh, pis ton; bao kín khe hở giữa piston - xy lanh, giữa pis ton – séc măng, giữa
séc măng – xy lanhđể giảm tối đa sự lọt khí từ buồng cháy xuống cacte.

Hình 2-17 Sơ đồ nguyên lý hệ thống bôi trơn động cơ 1NZ-FE
1- Đường dầu chính; 2- Lọc tinh; 3- Valve an toàn; 4- Bơm dầu; 5- Lọc thô; 6- Cổ
trục khuỷu; 7- Thanh truyền; 8- Lỗ dầu chốt piston; 9- Piston; 10- Lỗ phun dầu bộ
truyền xích; 11- Xích dẫn động cam; 12- Bộ căng xích; 13- Nắp máy; 14- Lọc dầu;
15- Valve dầu điều khiển thời điểm trục cam; 16- Bộ VVT-i;
17- Cổ trục cam nạp; 18- Cổ trục cam thải; 19- Cacte.
2.2.7. Hệ thống làm mát.

Hệ thống làm mát được thiết kế để giữ cho nhiệt độ của các chi tiết, nhóm chi tiết
của động cơ ở mức nhiệt độ nhất định đảm bảo sự hoạt động ổn định, tối ưu của động
cơ ở mọi chế độ hoạt động. Hệ thống làm mát tuần hoàn kín với áp suất cưỡng bức
được trang bị trên động cơ 1NZ-FE đảm bảo được các yêu cầu trên.
Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu LPG (1NZ-LPG) trên cơ sở động cơ 1 NZ-FE

22


Hình 2-19 Sơ đồ nguyên lý hệ thống làm mát động cơ 1NZ-FE
1- Thân bướm ga; 2- Két nước làm mát; 3- Nắp máy; 4- Đường By-pass từ van
hằng nhiệt; 5- Thân máy; 6- Bơm nước làm mát; 7- Van hằng nhiệt
Nước làm mát được bơm cấp cho một áp suất nhất định để tuần hoàn làm mát
động cơ. Khi nhiệt độ còn thấp – động cơ chạy ấm máy, nhiệt độ của nước nhỏ hơn
nhiệt độ làm việc của van hằng nhiệt thì nước từ bơm nước đi vào thân máy lên nắp
máy về van hằng nhiệt về lại bơm, nhiệt độ nước sẽ nhanh chóng tăng lên đếnh nhiệt
độ hoạt động ổn định của động cơ. Đồng thời một lượng nhỏ nước làm mát đi đến
thân bướm ga đủ để sấy nóng nhiên liệu giúp quá trình khởi động động cơ dễ dàng
hơn.
Khi nhiệt độ nước làm mát đã tăng lên đến nhiệt độ hoạt động ổn định, nếu tăng
thêm nữa, van hằng nhiệt đạt đến nhiệt độ hoạt động sẽ đóng đường nước trực tiếp từ
nắp máy về bơm, nước sẽ bắt buộc đi theo con đường từ nắp máy đến két làm mát
nước và về lại bơm sau khi đã trao đổi mất đi một lượng nhiệt lớn giúp làm mát cho
động cơ.



Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu LPG (1NZ-LPG) trên cơ sở động cơ 1 NZ-FE

23

Chương 3. TÍNH TOÁN CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ
3.1. TÍNH TOÁN CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ 1NZ-FE SỬ DỤNG XĂNG
3.1.1. Các số liệu ban đầu – Thông số kỹ thuật của động cơ 1NZ-FE nguyên
thủy dùng nhiên liệu xăng.
Bảng 3-1 Thông số kỹ thuật động cơ 1NZ-FE.
Tên thông số Ký hiệu Giá trị Thứ nguyên
Công suất định mức N
eđm
79 [kW]
Số vòng quay định mức n
đm
6000 [rpm]
Tỷ số nén ε 10,5
Đường kính xy lanh D 75 [mm]
Hành trình Piston S 84,7 [mm]
Số xy lanh i 4
Số kỳ τ 4
Góc mở sớm valve nạp φ
1
15
o
Độ BTDC
Góc đóng muộn valve nạp φ
2
35
o
Độ ABDC
Góc mở sớm valve thải φ
3

42
o
Độ BBDC
Góc đóng muộn valve thải φ
4
2
o
Độ ATDC
3.1.2.Các thông số chọn để tính toán.
Bảng 3-2 Các thông số chọn.
Tên thông số Kí hiệu

Khoảng giá trị Giá trị Thứ nguyên

Áp suất khí nạp p
k
0,0981 [MN/m
2
]
Nhiệt độ khí nạp T
k
298 [°K]
Hệ số dư lượng khí α 0,8 ÷ 1,4 1
Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu LPG (1NZ-LPG) trên cơ sở động cơ 1 NZ-FE

24

Áp suất cuối kỳ nạp p
a
(0,8 ÷ 0,9).p

k
0,0883 [MN/m
2
]
Áp suất khí trời p
0
0,0981 [MN/m
2
]

Áp suất khí thải p
th
(1,02 ÷ 1,04).p
0
0,1001 [MN/m
2
]

Nhiệt độ khí sót T
r
900 ÷ 1000 900 [°K]
Áp suất khí sót p
r
(1,05 ÷ 1,1).p
th
0,1081 [MN/m
2
]

Độ sấy nóng môi chất mới

ΔT 0 ÷ 20 10
Chỉ số đoạn nhiệt m 1,45 ÷ 1,5 1,5
Hệ số nạp thêm λ
1
1,02 ÷ 1,07 1,02
Hệ số quét buồng cháy λ
2
1
Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt λ
t
1,17
Hệ số lợi dụng nhiệt tại z ξ
z
0,85 ÷ 0,92 0,9
Hệ số lợi dụng nhiệt tại b ξ
b
0,85 ÷ 0,95 0,95
Hệ số điền đầy đồ thị φ
d
0,92 ÷ 0,97 0,97
3.1.3. Trình tự các bước tính toán
3.1.3.1. Tính quá trình nạp
 Tính hệ số khí sót γ
r
:

 
2
1

1 2
.
1
. .
. . .
k
r
r
r a
m
r
t
a
T T
p
T p
p
p


   
 

 

 
 
[3-1]

 

1
1,5
1. 298 10
0,1081 1
. .
900 0,0883
0,1081
10,5.1,02 1,17.1.
0,0883
r



 

 
 


0,0447
r



Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu LPG (1NZ-LPG) trên cơ sở động cơ 1 NZ-FE

25


 Tính hệ số nạp η

v
:

   
1
1 2
1
. . . . . .
1
m
k a
r
v t
k k a
T p
p
T T p p
    

 
 
 
 
 
 
  
 
 
 
[3-2]

   
1
1,5
1 298 0,0883 0,1081
. . . 10,5.1,02 1,17.1.
10,5 1 298 10 0,0981 0,0883
v

 
 
 
 
 
 
 
 
 


0,8591
v



 Tính nhiệt độ cuối quá trình nạp T
a
[°K]:

 

1
. . .
1
m
m
a
k t r r
r
a
r
p
T T T
p
T
 


 
  
 
 


[3-3]

 
1,5 1
1,5
0,0883
298 10 1,17.0,0447.900.

0,1081
1 0,0447
a
T

 
 
 
 




   
336,9383 63,9383
a
T K C   

 Tính số mol không khí để đốt cháy một kg nhiên liệu M
0
[kmolKK/kgNL]:

0
1
.
0,21 12 4 32
nl
O
C H
M

 
  
 
 
[3-4]
Trong đó:
Nhiên
liệu
Thành phần trong 1 kg nhiên liệu [kg] Khối lượng
phân tử µ
nl
[kg/kmol]
Nhiệt trị
thấp Q
H

[kJ/kg]
C H O
nl
Xăng 0,855 0,145 0 110 - 120 43,995


0
1 0,855 0,145 0
.
0,21 12 4 32
M
 
  
 

 


 
0
0,512 /
M kmolKK kgNL
