nghiên cứu, thiết kế hệ thống tiết kiệm nhiên liệu theo tải trên động cơ xăng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ NAM ANH

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG TIẾT KIỆM
NHIÊN LIỆU THEO TẢI TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 60520116

S K C0 0 4 5 7 5

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 03/2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ NAM ANH

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG TIẾT KIỆM NHIÊN LIỆU
THEO TẢI TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG

NGÀNH : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 60520116
Hướng dẫn khoa học: TS LÝ VĨNH ĐẠT

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 03 năm 2015

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh

Luận văn tốt nghiệp cao học

LÝ LỊCH KHOA HỌC
I.LÝ LỊCH KHOA HỌC
Họ và tên : Lê Nam Anh

Giới tính: Nam

Ngày, tháng,năm sinh: 22-02-1983

Nơi sinh: Phú Khánh

Quê quán: Hải Thọ, Hải Lăng, Quảng trị

Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 25A, Đƣờng 236, Phƣờng Tăng Nhơn Phú A,Quận 9, Tp
Hồ Chí Minh.
Điện thoại cơ quan:

Điện thoại nhà riêng: 0988026211

Fax:

E-mail:

II.QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1.Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo: Chính quyThời gian đào tạo: Từ 9/2000 đến 9/2003
Nơi học ( trƣờng, thành phố): Trƣờng Cao Đẳng Công Nghiệp Huế
Ngành học: Cơ khí động lực
2. Đại Học:
Hệ đào tạo: Chính quyThời gian đào tạo từ 9/2007 đến 6/2011
Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh
Ngành học: Cơ Khí Động Lực
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Khảo sát động học và động lực học của xe
Renault- Espace 2000.
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: tháng 7/2011
Ngƣời hƣớng dẫn: GVC. ThS Đặng Quý
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI
HỌC:
Thời gian

Nơi công tác

12/2011 đến 04/2012

Công ty VPS ( sản xuất xe bồn và xe
bơm bê tông)

Công việc đảm
nhiệm
Kỹ thuật viên bảo
trì

Nghiên cứu, thiết kế hệ thống tiết kiệm nhiên liệu theo tải trên động cơ xăng

i


Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh

Luận văn tốt nghiệp cao học

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đuợc ai công bố trong
bất kỳ công trình nào khác.
TP. Hồ Chí Minh, ngày……….tháng…………năm……….
Học viên thực hiện.

LeâNam Anh

Nghiên cứu, thiết kế hệ thống tiết kiệm nhiên liệu theo tải trên động cơ xăng

ii


Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh

Luận văn tốt nghiệp cao học

LỜI CẢM ƠN
Em có thể hoàn thành đề tài và có đƣợc những kiến thức kinh nghiệm nhƣ ngày hôm
nay. Trƣớc hết em xin chân thành cảm ơn các quý thầy cô của trƣờng ĐH Sƣ Phạm Kỹ
Thuật TP HCM đã tận tình chỉ dạy cho em trong suốt quá trình học tập tại trƣờng.Đặc biệt

cho em gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đối với thầy Lý Vĩnh Đạt giảng viên khoa cơ khí động
lực trƣờng ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP HCM, đã hƣớng dẫnmột cách nhiệt tình cho em trong
thời gian qua. Và em cũng xin chân thành cảm ơn các quý thầy cô khoa cơ khí động lực
trƣờng ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP HCM đã tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành
nghiên cứu này, đồng gửi lời cảm ơn đến những ngƣời bạn cùng khoá.Cảm ơn các bạn đã
cùng chia sẽ vƣợt qua đƣợc những khó khăn trong quá trình học tập và nghiên cứu.
Cuối cùng em xin chúc quý thầy cô sức khoẻ dồi dào, chúc thầy cô luôn có những
học trò ngoan giỏi, luôn có đƣợc những thành tích tốt trong quá trình giảng dạy và đào tạo,
góp sức tạo điều kiện, xây dựng thƣơng hiệu, đặt mục tiêu chất lƣợng đào tạo là hàng đầu,
để xây dựng một trƣờngĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật ngày càng có quy mô rộng lớn hơn.
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn!

Lê Nam Anh

Nghiên cứu, thiết kế hệ thống tiết kiệm nhiên liệu theo tải trên động cơ xăng

iii


Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh

Luận văn tốt nghiệp cao học

TĨM TẮT
Ngắt xy lanh là một phƣơng pháp cải tiến hữch và giảm lƣợng tiêu hao nhiên liệu
trên động cơ xăng. Là một phƣơng pháp tốt nhất để điều khiển cơng suất sinh ra phù hợp ở
những điều kiện vận hành khác nhau và có thể cải tiến lƣợng tiêu hao nhiên liệu. Nhiều
nghiên cứu gần đây đã chứng minh rằng, phƣơng pháp ngắt xy lanh có thể ứng dụng thành
cơng trong thực tiễn, trong cải tiến động cơ ở những chế độ tải khác nhau của động cơ. Các
trạng thái điều khiển ngắt xy lanh khác nhau có thể ứng dụng cho các chế độ tải khác

nhau trên động cơ. Tuy nhiên, để ngắt đƣợc xy lanh trên động cơ đòi hỏi hệ thống phân
phối khí có cấu trúc phức tạp. Nghiên cứu đề xuất một cách điều khiển xú pápmà có thể cải
tiến đƣợc từ một hệ thống phân phối khí thơng thƣờng trên một động cơ xăng thẳng hàng
với 4 xy lanh, để điều khiển ngắt xy lanh. Kết quả nghiên cứu là một ý tƣởng thiết kế mới,
đã tạo ra sự khác biệt so với những thiết kếđiều khiển xú páp hiện tại, có thể ngắt từ một
hoặc hai xy lanh, phụ thuộc vào điều kiện tải nhỏ hay tải trung bình ở trên xe. Thêm vào đó,
thiết kế kiểu mới nàyvới cấu trúc đơn giản và dễ dàng điều khiển, hồn tồn có thể đáp ứng
việc ngắt xy lanh trên động cơ xăng.

Nghiên cứu, thiết kế hệ thống tiết kiệm nhiên liệu theo tải trên động cơ xăng

iv


Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh

Luận văn tốt nghiệp cao học

ABSTRACT
Cylinder deactivation is a potential method in improving efficiency and fuel consumption in SI
engines. The optimal strategies about driving torque at different operating conditions can
improve the fuel consumption in engine. Many recent researches have demonstrated that the
cylinder deactivation modes can be successfully applied in improving engine efficiency at
different engine loads. Different cylinder deactivation strategies have been applied for full range
of engine load. However, deactivating cylinder in engine requires complex structure of valve
train system. The study proposes a design valve train, which is improved from the conventional
valve train system in an inline SI engine with 4 cylinders, to control for deactivating cylinder.
The study results show that the proposed design, which differs to the existing valve train design,
can deactivate one or two cylinders modes that depend on part load or medium load in vehicle.
In addition, the novel design with simple structure and easy control can fully satisfy the

controlling of cylinder deactivation strategies in SI engines.

Nghiên cứu, thiết kế hệ thống tiết kiệm nhiên liệu theo tải trên động cơ xăng

v


Trng i Hc S Phm K Thut Tp H Chớ Minh

Lun vn tt nghip cao hc

MC LC

Lý lch khoa hoùc ............................................................................................................... i
Li cm n ........................................................................................................................... iii
Túm tt ................................................................................................................................. iv
Mc lc ................................................................................................................................ vi
Danh muùchỡnh ....................................................................................................................... x
Danh muùc baỷng .............................................................................................................. xiii
Danh mc t vit tt ............................................................................................................ xiv
CHNG 1: TNG QUAN TI ................................................................................ 1
1.1Lý do thc hin v tm quan trng ca ti ................................................................... 1
1.2 Tng quan chung v lnh vc nghiờn cu ........................................................................ 1
1.3 Ni dung nghiờn cu ........................................................................................................ 2
1.4 Lý do chn ti.............................................................................................................. 2
1.5 Tỡnh hỡnh nghiờn cu trong v ngoi nc ..................................................................... 2
1.5.1 Thit b ngt xy lanh ca ng c ................................................................................. 3
1.5.2H thng xy lanh a dung tớch cho mt ng c ........................................................... 5
1.5.3 H thng iu khin ỏp sut du v phng phỏp ngt xy lanh trờn ng c bng thu
lc........................................................................................................................................... 7

1.5.4Dựng cũ m cú cht c in ngt hot ng ca cỏc xỳ pỏp .................................... 9
1.6 Hng nghiờn cu........................................................................................................... 12
1.7 Mc tiờu nghiờn cu ....................................................................................................... 12
1.7.1Mc tiờu c th............................................................................................................... 12
1.7.2 i tng nghiờn cu ................................................................................................... 12
1.7.3 Phm vi gii hn nghiờn cu ....................................................................................... 12
1.8 Phng phỏp nghiờn cu ................................................................................................. 12
1.9 Ni dung nghiờn cu ....................................................................................................... 13
CHNG 2: C S Lí THUYT ................................................................................... 14
2.1 Tng quan v h thng ngt xy lanh trờn ng c .......................................................... 14

Nghiờn cu, thit k h thng tit kim nhiờn liu theo ti trờn ng c xng

vi


Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh

Luận văn tốt nghiệp cao học

2.1.1 Khái quát về các hệ thống ngắt xy lanh ....................................................................... 14
2.1.2 Lịch sử phát triển ......................................................................................................... 16
2.1.3 Ƣu và nhƣợc điểm của hệ thống ngắt xy lanh ............................................................. 17
2.2 Các lợi ích của hệ thống điều khiển xy lanh biến thiên .................................................. 20
2.2.1 Nâng cao công suất động cơ nhờ vào việc giảm công hao phí(pumping loss) ........................ 20

2.2.2 Giảm tiêu hao nhiên liệu ............................................................................................... 21
2.2.3 Giảm ô nhiểm môi trƣờng ............................................................................................. 22
2.3 Nguyên lý hoạt động ........................................................................................................ 22
2.3.1 Điều khiển ngắt xy lanh chủ động(đóng xúpáp nạp và thải) ........................................ 22

2.3.2 Ngắt giảm xy lanh trên động cơ thông thƣờng ............................................................. 23
2.3.3 Ngắt giảm xy lanh trên động cơ không trục cam .......................................................... 23
2.3.4 Điều khiển ngắt kết nối xy lanh bị động(ngắt kết nối trục khuỷu) ............................... 24
2.4 Thời điểm ngắt xy lanh .................................................................................................... 24
2.5 Một số hệ thống điều khiển ngắt xy lanh trên các hãng xe.............................................. 25
2.5.1 Hệ thống VCM – Variable Cylinder Management của Honda ..................................... 25
2.5.2 Hệ thống COD- Cylinder On Demand của Audi ......................................................... 28
2.5.3 Hệ thống MDS- Multi Displacement System của Daimler Chrysler ........................... 31
2.6 Kết luận ............................................................................................................................ 34
CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG NGẮT XY LANH
TRÊN ĐỘNG CƠ ............................................................................................................... 35
3.1 Khảo sát cơ cấu phân phối khí của động cơ Hyundai G4EK .......................................... 35
3.2 Thiết kế hệ thống ngắt xy lanh trên động cơ Hyundai G4EK ......................................... 37
3.2.1Hệ thống cơ khí điều khiển ngắt xy lanh ....................................................................... 37
3.2.2Nghiên cứu thiết kế cơ cấu ngắt xy lanh trên động cơ .................................................. 40
CHƢƠNG 4:THIẾT KẾ BOARD MẠCH VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN HỆ
THỐNG.................................................................................................................................. 54
4.1 Thiết kế board mạch dự định để điều khiển hệ thống ...................................................... 54
4.1.1 Mạch cầu H ................................................................................................................... 54
4.1.2 Hai mạch cầu H dùng để điều khiển hai động cơ điện ................................................. 55
4.1.3 Mạch điều khiển ngắt phun xăng .................................................................................. 56
4.1.4 Mạch nguồn 5V dùng để cấp cho vi xử lý và các cảm biến ......................................... 57
Nghiên cứu, thiết kế hệ thống tiết kiệm nhiên liệu theo tải trên động cơ xăng

vii


Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh

Luận văn tốt nghiệp cao học

4.1.5 Mạch auto reset cho vi điều khiển trung tâm ................................................................ 57
4.1.6 Vi xử lý trung tâm và mạch cấp xung clock cho vi xử lý trung tâm ............................. 58
4.1.7 Lƣu đồ thuật toán điều khiển ngắt xy lanh ................................................................... 59
4.2 Thuật toán điều khiển hệ thống ........................................................................................ 60
4.2.1 Nguyên lý hoạt động ..................................................................................................... 61
CHƢƠNG 5: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG NGẮT XY LANH ................................................ 62
5.1 Ảnh hƣởng của ngắt xy lanh đến xuất tiêu hao nhiên liệu trên động cơ ......................... 62
5.2 Chế độ tải thấp ................................................................................................................. 62
5.3 Chế độ tải trung bình........................................................................................................ 64
5.4 Toàn bộ dải tải động cơ .................................................................................................... 65
5.5 Kết luận ............................................................................................................................ 66
-KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ .................................................................................................. 68
-TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................... 70
- PHỤ LỤC: BẢN VẼ THIẾT KẾ ......................................................................................... 71
- Bản vẽ thiết kế giá đỡ của cơ cấu ............................................................................................. LXXII

-Bản vẽ thiết kế gối đỡ trục cam .................................................................................... LXXIII
- Bản vẽ thiết kế nắp gối đỡ trục cam ............................................................................ LXXIV
- Bản vẽ thiết kế nửa trục cam ngắt xy lanh số 1 ............................................................ LXXV
- Bản vẽ thiết kế nửa trục cam ngắt xy lanh số 4 ........................................................... LXXVI
- Bản vẽ thiết kế gối đỡ trục cò mổ I ........................................................................... LXXVII
- Bản vẽ thiết kế gối đỡ trục còmổ II .......................................................................... LXXVIII
- Bản vẽ thiết kế cò mổ thứ cấp của cơ cấu ngắt xy lanh .............................................. LXXIX
- Bản vẽ thiết kế bánh vít vàtrục vít dẩn động trực tiếp trục cam ................................... LXXX
- Bản vẽ thiết kế gối đỡ trục vít dẩn động trục cam ....................................................... LXXXI
- Bản vẽ thiết kế khoá bánh vít trên trục cam ........................................................... LXXXII
- Bản vẽ thiết kế khớp trƣợt nối hai bántrục cam ....................................................... LXXXIII
- Bản vẽ thiết kế càngchuyển hƣớng khớp trƣợt ......................................................... LXXXIV
- Bản vẽ thiết kế gối đỡ trục càngchuyển hƣớng ......................................................... LXXXV

- Bản vẽ thiết kế đĩa lòxo hồi vị trục cam ................................................................... LXXXVI
- Bản vẽ thiết kế bánh vít vaø trục vít của bộ giảm tốc từ môtơ điều khiển .............. LXXXVII
- Bản vẽ thiết kế trục của bánhvít ............................................................................ LXXXVIII
Nghiên cứu, thiết kế hệ thống tiết kiệm nhiên liệu theo tải trên động cơ xăng

viii


Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh

Luận văn tốt nghiệp cao học

- Bản vẽ thiết kế gối đỡ trục vít bộ truyền .................................................................. LXXXIX
- Bản vẽ thiết kế gối đỡ trụcbánh vít bộ truyền .................................................................. XC
- Bản vẽ thiết kế hộp bộ truyền bánh vít, trục vít từmô tơ ................................................. XCI
- Bản vẽ thiết kếmô phỏng hệ thống điều khiển sau khi lắp ghép cácchi tiết.................... XCII

Nghiên cứu, thiết kế hệ thống tiết kiệm nhiên liệu theo tải trên động cơ xăng

ix


Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh

Luận văn tốt nghiệp cao học

DANH MỤC HÌNH
Hình1.1: Mô tả mạch dầu và vị trí của các van ....................................................................... 3
Hình 1.2: Mô tả con đội thuỷ lực điều chỉnh đƣợc .................................................................. 4
Hình 1.3: Con lăn của con đội thuỷ lực và cơ cấu cơ khí ngắt xy lanh ................................... 4

Hình 1.4: Thân của một động cơ V8 có mạch dầu chính và điều khiển .................................. 5
Hình 1.5: Minh hoạ hệ thống treo xú páp ............................................................................... 6
Hình 1.6: Minh hoạ khối xy lanh có mạch dầu chính và mạch dầu điều khiển các con đội
thuỷ lực ................................................................................................................... 6
Hình 1.7: Mô tả bề mặt cắt của con đội thuỷ lực gồm có một van điều khiển để đóng ngắt xy
lanh ......................................................................................................................... 7
Hình 1.8: Hình cắt một góc của động cơ V8 kết hợp với một hệ thống điều khiển áp suất dầu
................................................................................................................................ 8
Hình 1.9: Minh hoạ đƣờng dầu trong một hệ thống ................................................................ 8
Hình 1.10: Minh hoạ vị trí của van giảm áp đƣợc nối trực tiếp với đƣờng dầu chính ........... 9
Hình 1.11: Minh hoạ cách đặt van gồm có một cặp vấu dùng để ngắt và để kích hoạt cả 2
van ........................................................................................................................ 10
Hình 1.12: Minh hoạ chốt giữ thông qua cò mổ để ngắt xy lanh .......................................... 10
Hình 1.13: Hình cắt minh hoạ sự lắp ghép của cò mổ ........................................................... 11
Hình 1.14: Minh hoạ không gian liên hệ nhiều chi tiết khác nhau của cụm lắp ghép van .... 11
Hình 2.1: Hệ thống điều khiển xy lanh biến thiên ................................................................. 14
Hình 2.2:Công nghệ ngắt xy lanh ở động cơ 6 xy lanh ......................................................... 15
Hình 2.3: Động cơ bật tắt (Hit and miss engine) .................................................................. 16
Hình 2.4: Xe Mitsubishi Lanser sử dụng công nghệ MD ...................................................... 16
Hình 2.5: So sánh 2 chế độ làm việc của động cơ ................................................................. 18
Hình 2.6: Động cơ V-6 3.5L của Honda và sự ngắt giảm xy lanh ......................................... 19
Hình 2.7: Sự tiết kiệm nhiên liệu ở các chế độ tải khi thực hiện ngắt xy lanh ...................... 19
Hình 2.8: Đồ thị công P-V của động cơ xăng ........................................................................ 20
Hình 2.9: Biểu đồ đặc trƣng cho hiệu suất của động cơ khi hoạt động ở các chế độ 1,2,3 và 4
xy lanh .................................................................................................................. 22
Hình 2.10: Cắt giảm xy lanh trên động cơ thông thƣờng ...................................................... 23
Nghiên cứu, thiết kế hệ thống tiết kiệm nhiên liệu theo tải trên động cơ xăng

x

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh

Luận văn tốt nghiệp cao học

Hình 2.11: Cắt giảm xy lanh trên động cơ không trục cam ................................................... 23
Hình 2.12: Kết cấu trục khuỷu có thể ngắt kết nối với cổ khuỷu .......................................... 24
Hình 2.13: Vị trí ngắt xy lanh trên đồ thị công ...................................................................... 25
Hình 2.14: Các chế độ hoạt động của xe ............................................................................... 26
Hình 2.15: Mạch dầu điều khiển cắt xy lanh ......................................................................... 27
Hình 2.16: Xy lanh hoạt động bình thƣờng ........................................................................... 27
Hình 2.17: Xy lanh không hoạt động ..................................................................................... 28
Hình 2.18: Cấu trúc hệ thống COD ....................................................................................... 29
Hình 2.19: Các chế độ ngắt xy lanh của Audi ....................................................................... 29
Hình 2.20: Chế độ hoạt động cắt giảm xy lanh ..................................................................... 30
Hình 2.21: Động cơ V8 - 5.7L HEMI với hệ thống MDS .................................................... 31
Hình 2.22: Cấu tạo con đội đặc biệt ( Deactivating Lifter) ................................................... 32
Hình 2.23: Hoạt động của con đội ......................................................................................... 33
Hình 2.24: Bố trí hệ thống MDS trên động cơ ...................................................................... 34
Hình 3.1: Động cơ Hyundai G4EK....................................................................................... 35
Hình 3.2: Hệ thống phân phối khí của động cơ hyundai G4EK ............................................ 35
Hình 3.3: Sơ đồ khối điều khiển ngắt xy lanh ....................................................................... 36
Hình 3.4: Cơ cấu điều khiển xú páp trong hệ thống ngắt xy lanh ......................................... 37
Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý ngắt xy lanh trên động cơ ........................................................... 38
Hình 3.6: Khớp trƣợt và càng chuyển hƣớng ........................................................................ 39
Hình 3.7: Thiết kế sơ bộ cơ cấu điều khiển ngắt xy lanh trên động cơ ................................. 39
Hình 3.8: Cấu tạo giá đỡ của cơ cấu ...................................................................................... 40
Hình 3.9: Gối đỡ và nắp gối đỡ trục cam............................................................................... 41
Hình 3.10: Cấu tạo bán trục cam ngắt máy số 1 .................................................................... 42
Hình 3.11: Cấu tạo bán trục cam ngắt máy số 4 .................................................................... 42

Hình 3.12: Cấu tạo các gối đỡ trục cò mổ ......................................................................................... 43
Hình 3.13: Cấu tạo cò mổ thứ cấp của cơ cấu ngắt xy lanh .............................................................. 44
Hình 3.14: Bánh vít và trục vít dẫn động trực tiếp trục cam ............................................................. 44
Hình 3.15: Gối đỡ trục vít dẫn động trực tiếp trục cam .................................................................... 45
Hình 3.16: Khoá bánh vít trên trục cam ............................................................................................ 45
Hình 3.17: Khớp trƣợt nối hai bán trục cam ..................................................................................... 46
Hình 3.18: Càng chuyển hƣớng khớp trƣợt....................................................................................... 46

Nghiên cứu, thiết kế hệ thống tiết kiệm nhiên liệu theo tải trên động cơ xăng

xi


Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh

Luận văn tốt nghiệp cao học

Hình 3.19: Gối đỡ trục càng chuyển hƣớng ...................................................................................... 46
Hình 3.20: Đĩa lò xo hồi vị trục cam ................................................................................................. 47
Hình 3.21: Bánh vít và trục vít của bộ giảm tốc từ mô tơ điều khiển ............................................... 47
Hình 3.22: Trục của bánh vít ............................................................................................................. 48
Hình 3.23: Gối đỡ trục vít bộ truyền ................................................................................................. 48
Hình 3.24: Gối đỡ trục bánh vít bộ truyền ........................................................................................ 48
Hình 3.25: Hộp bộ truyền bánh vít trục vít từ mô tơ......................................................................... 49
Hình 3.26: Cấu tạo nắp máy trung gian ............................................................................................ 49
Hình 3.27: Mô phỏng hệ thống điều khiển sau khi lắp ghép lại ....................................................... 50
Hình 3.28: Cơ cấu sau khi đã gia công.............................................................................................. 50
Hình 3.29: Cơ cấu sau ñaõ khi lắp ráp ................................................................................................ 51
Hình 3.30: Động cơ điện 12V- DC dùng để điều khiển cơ cấu ngắt xy lanh.................................... 51
Hình 3.31: Cơ cấu ngắt xy lanh đƣợc gắn lên động cơ Hyundai G4EK ........................................... 52

Hình 3.32: Cơ cấu ngắt xy lanh trên động cơ Hyundai G4EK sau khi đả gắn nắp trung gian ......... 52
Hình 3.33: Động cơ nhìn từ phía trên sau khi ñaõgắn thêm cơ cấu cơ khí ......................................... 53
Hình 3.34: Hình động cơ Hyundai G4EK nhìn từ phía trƣớc ........................................................... 53
Hình 4.1: Nguyên lý hoạt động của mạch cầu H .............................................................................. 54
Hình 4.2: Mạch cầu H điều khiển hai động cơ .................................................................................. 55
Hình 4.3: Mạch điều khiển ngắt phun xăng ...................................................................................... 56
Hình 4.4: Mạch tạo nguồn 5V ........................................................................................................... 57
Hình 4.5: Mạch auto reset ................................................................................................................. 57
Hình 4.6: Vi xử lý trung tâm PIC 16F887 ......................................................................................... 58
Hình 4.7: Sơ đồ khối chƣơng trình điều khiển .................................................................................. 59
Hình 4.8:Thuật toán điều khiển hệ thống .......................................................................................... 60
Hình 5.1: Ảnh hƣởng của các chế độ ngắt xy lanh đến suất tiêu hao nhiên liệu............................... 63
Hình 5.2:Ảnh hƣởng của các chế độ ngắt xy lanh trên dải tải thấp của động cơ ở 2000V/P ............ 63
Hình 5.3: Ảnh hƣởng của các chế độ ngắt xy lanh đến suất tiêu hao nhiên liệu ở tải trung bình
(BMEP ở 8.6 bar) ........................................................................................................... 64
Hình5.4: Ảnh hƣởng của ngắt xy lanh ở dải tải động cơ khác nhau ở 2000 V/P .............................. 65
Hình5.5: Các ảnh hƣởng của ngắt xy lanh trên toàn bộ dải tải hoạt động ........................................ 66
Hình 5.6: Suất tiêu hao nhiên liệu trên động cơ ứng với các trạng thái tối ƣu về ngắt xy lanh trên
toàn bộ tải hoạt động ...................................................................................................... 66

Nghiên cứu, thiết kế hệ thống tiết kiệm nhiên liệu theo tải trên động cơ xăng

xii


Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh

Luận văn tốt nghiệp cao học

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 So sánh mức tiêu thụ nhiên liệu khi động cơ hoạt độngở các chế độ 1,2,3 và 4 xy
lanh ......................................................................................................................................... 21

Nghiên cứu, thiết kế hệ thống tiết kiệm nhiên liệu theo tải trên động cơ xăng

xiii


Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh

Luận văn tốt nghiệp cao học

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
ACC

: Active Cylinder Control

AFM

: Active Fuel Management

ANC

: Active Noise Control- Điều khiển để triệt tiêu tiếng ồn.

BMEP

: Brake Mean Effective Pressure- Ap suất hiệu dụng trung bình có ích.

CDA

: Cylinder Deactivation- Công nghệ ngắt xy lanh chủ động.

COD

: Cylinder On Demand- Hệ thống ngắt giảm xy lanh.

DC

: Direct Current- Dòng điện một chiều.

ĐCD

: Điểm chết dƣới.

ĐCT

: Điểm chết trên.

ECU

: Electronic Control Unit- Bộ điều khiển điện tử.

ED

: Engine Displacement- Công nghệ thay đổi thể tích công tác.

EMV

: Electro Magnetic Valve Actuation- Điều khiển xú páp điện từ.

ETC

: Electronics Throttle Control- Hệ thống điều khiển bƣớm ga điện tử.

FTP

: Federal Test Procedure- Thử nghiệm theo chu trình American.

GDI

: Gasoline direct injector – Phun xăng trực tiếp.

IMEP

: Indicated Mean Effective Pressure – Áp suất hiệu dụng trung bình chỉ thị.

IMEPgross

: Phần công dƣơng (+) hay phần công suất đƣợc sinh ra ở một xy lanh lại cao
hơn.

IMEPnet

: Chỉ số áp suất hiệu dụng chính.

IMEPpumping : Phần công âm (-) hay phần công tiêu hao cho việc hút không khí nạp đƣợc
giảm đi.
i-VTEC

: Intelligent- Variable Valve Timing Lift Electronic Control – Thời điểm đóng
mở van biến thiên đƣợc kiểm soát bằng điện tử.

MD

: Modulated Displacement – Thay đổi thể tích.

MDS

: Multi Displacement System – Hệ thống xy lanh đa dung tích.

MPI

: MultiPoint Injection – Hệ thống phun xăng đa điểm.

NEDC

: New European Driving Cycle – Chu trình thử nghiệm châu Âu.

SFC

: Specific Consumption – Đặc tính tiêu thụ nhiên liệu.

SOHC

: Single Overhead Camshaft – Động cơ chỉ có một trục cam ở phía trên.

Tengine

: Mô men xoắn động cơ [Nm].

Nghiên cứu, thiết kế hệ thống tiết kiệm nhiên liệu theo tải trên động cơ xăng

xiv


Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh

Luận văn tốt nghiệp cao học

Vactive

: Thể tích của các xy lanh hoạt động.

VCM

: Variable Cylinder Management – Hệ thống quản lý xy lanh chủ động.

VVT

: Variable Valve Timing – Thay đổi thời điểm đóng mở xú páp.

Nghiên cứu, thiết kế hệ thống tiết kiệm nhiên liệu theo tải trên động cơ xăng

xv


Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh

Luận văn tốt nghiệp cao học

CHƢƠNG I
TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
I.1 LÝ DO THỰC HIỆN VÀ TẦM QUAN TRỌNG CỦA ĐỀ TÀI:
Sự phát triển to lớn của tất cả các ngành kinh tế quốc dân đòi hỏi cần chuyên chở khối
lƣợng lớn hàng hóa và hành khách, tính cơ động cao, tính việt dãvà khả năng hoạt động
trong những điều kiện khác nhau tạo cho ô tô trở thành một trong những phƣơng tiện chủ
yếu để chuyên chở hàng hóa và hành khách.
Nƣớc ta đang trong thời kì thực hiện công nghiệp hóa, hiện đại hóa và chắc chắn trong
thời gian không lâu nửa từ tình trạng lắp ráp xe nhƣ hiện nay, chúng ta sẽ tiến đến tự chế tạo
ô tô và yêu cầu cải thiện cơ cấu đối với toàn bộ ô tô, vận tải, đồng thời sản xuất loại ô tô
trọng tải bé và ô tô vận tải chuyên dụng. Dự kiến nâng cao tính kinh tế và độ bền của ô tô.
Việc phát triển ngành vận tải ô tô chở hành khách và cải tiến việc phục vụ nhân dân có ý
nghĩa kinh tế xã hội to lớn. Ngoài việc hao phí thời gian, việc chuyên chở kéo dài sẽ làm
tiêu tốn một lƣợng nhiên liệu rất lớn.Bởi vậy, việc đào tạo đội ngủ cử nhân, kỹ sƣ có trình
độ đáp ứng đƣợc những đòi hỏi của ngành công nghệ và sửa chữa ô tô là một nhiệm vụ rất
quan trọng và cấp bách. Đề tài của em là “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống tiết kiệm nhiên liệu
theo tải trên động cơ xăng”. Đề tàibao gồm các vấn đề về cải tiến thiết kế, cơcấu phân
phốikhí truyền thống, nhằm mục đích ngắt đƣợc xy lanh của động cơ nguyên thuỷ đem lại
hiệu quả trong việc giảm lƣợng tiêu hao nhiên liệu và đánh giá tính kinh tế tiêu hao nhiên
liệu của ô tô. Đề tài mang tính thiết thực là cơ sở cho việc đánh giá chất lƣợng khai thác của
ôtô.

I.2 TỔNG QUAN CHUNG VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU.
Nhƣ chúng ta đã biết động cơ đốt trong dùng để gắn trên ô tô sẽ phải hoạt động trong những
miền làm việc có tính chất rất khác nhau. Bởi vì ô tô luôn phải vận hành trên nhiều địa hình
khác nhau, trong những điều kiện tải trọng khác nhau. Ngƣời tiêu dùng luôn luôn mong
muốn ô tô của mình phải đáp ứng đƣợc những điều kiện địa hình phức tạp nhƣ đƣờng gồ
ghề, độ dốc cao, hay những lúc phải chở nhiều hàng hoá. Vậy để đáp ứng những điều kiện
trên thì đồng nghĩa với việc cần sử dụng một động cơ lớn với nhiều xy lanh công tác để lắp

đặttrên xe. Nhƣng vấn đề này luôn mâu thuẫn. Do lƣợng tiêu hao nhiên liệu của động cơ
quá cao khi ô tô ở các chế độ không tải, tải nhỏ hoặc tải trung bình.Tuy nhiên, cùng với sự
phát triển của khoa học công nghệ các vấn đề trên đƣợc giải quyết làm cho động cơ đốt
trong ngày càng phổ biến và hửu dụng hơn.
Các công nghệ hiện đại đang khắc phục đƣợc nhiều nhƣợc điểm của động cơ đốt trong nhƣ:
Công nghệ Hybrid, công nghệ xy lanh biến thiên…Vấn đề trƣớc tiên nhất là giảm tiêu hao

Nghiên cứu, thiết kế hệ thống tiết kiệm nhiên liệu theo tải trên động cơ xăng

1


Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh

Luận văn tốt nghiệp cao học

nhiên liệu, giảm lƣợng khí xả độc hạigây ra ô nhiễm môi trƣờng, đảm bảo các chế độ tải
trọng của động cơ.
Vì vậy, nếu chúng ta có thể thiết kế đƣợc một hệ thống cơ điện tử sao cho có thể gắn vào động
cơ, nhằm mục đích can thiệp vào quá trình vận hành của các xy lanh, nhằm ngắt tạm thời các xy
lanh đang công tác, đây là một cách làm hiệu quả, đáp ứng đƣợc mục tiêu sao cho vừa tiết kiệm
đƣợc nhiên liệu, vừa đáp ứng đƣợc mô men vận hành của ô tô ở những chế độ tải trọng khác
nhau, và đây cũng là hƣớng đi đƣợc tập trung nghiên cứu trong đề tài này.

I.3.NỘI DUNG NGHIÊN CỨU.
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống tiết kiệm nhiên liệu theo tải trên động cơ xăng.
Nghiên cứu này đƣợc thực hiện trên động cơ Hyundai G4EK. Ta phải thiết kế và chế tạo
một hệ thống cơ khí để can thiệp vào quá trình vận hành của các xy lanh, để ngắtxú páp của
các xy lanh bị ngắttạm thời, đồng thời ngắt xăng và ngắt lửa của những xy lanh này.

I.4 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI.
Nhƣ đã nói ở trên, nghiên cứu nhằm đáp ứng mục tiêu nâng cao tính ƣu việt của động cơ để
giảm lƣợng tiêu hao nhiên liệu, khí thải độc hại ra môi trƣờng và đáp ứng đƣợc mô men vận
hành của ô tô ở những chế độ tải trọng khác nhau.

I.5 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC
Hiện nay có rất nhiều công trình nghiên cứu đến hệ thống ngắt xy lanh chủ động, nhƣng đa
số các nghiên cứu đều ở ngoài nƣớc và số lƣợng còn hạn chế.
Năm 2001, P. Kreuter và các cộng sự nghiên cứu một động cơ xăng 4 xy lanh thẳng hàng
mà có thể ngắt bớt 2 xy lanh khi làm việc ở chế tải thấp. Kết quả nghiên cứu chứng minh có
thể cải tiến 20% hiệu suất động cơ và giảm từ 10 ÷ 40% khí xả độc hại trên động cơ ở chế
tải thấp.
Một nghiên cứu khác, tác giả R. T. Nate và các cộng sự sử dụng hệ thống phân phối khí
điện từ để có thể ngắt từ 2 đến 4 xú páp tuỳ thuộc vào chế độ hoạt động. Kết quả nghiên cứu
chỉ ra có thể cải tiến đến 11.5% suất tiêu hao nhiên liệu ở chế độ tải thấp khi ngắt bớt 2 xy
lanh trên động cơ không trục cam thẳng hàng 4 xy lanh với dung tích xy lanh là 2.0 lít .
Tƣơng tự, một động cơ xăng 6 xy lanh với kỹ thuật quản lý xy lanh chủ động đƣợc
nghiên cứu bởi tác giả Fujiwara và các cộng sự. Số xy lanh chủ động đƣợc quyết định bởi
điều kiện tải trên xe, nghiên cứu này chỉ ra rằng: chế độ 3 xy lanh chủ động đƣợc sử dụng ở
xe chạy chế độ tự động (Cruise Control) với tải thấp, chế độ 4 xy lanh chủ động đƣợc hoạt
động ở chế độ tải cao hơn và chế độ tất cả các xy lanh chủ động hoạt động là tối ƣu ở chế độ
toàn tải. Tất cả các nghiên cứu này chỉ mô phỏng lý thuyết hay thực nghiệm trên động cơ
sử dụng các hệ thống phân phối khí điện từ hay hệ thống phân phối khí cải tiến phức tạp,
đòi hỏi chi phí sản xuất và thực nghiệm rất cao.

Nghiên cứu, thiết kế hệ thống tiết kiệm nhiên liệu theo tải trên động cơ xăng

2

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh

Luận văn tốt nghiệp cao học

Ở Việt Nam, hệ thống quản lý xy lanh chủ động là hƣớng nghiên cứu mới. Hiện nay, có
rất ít nhà khoa học chuyên ngành về ô tô nghieân cứu, vì vậy hầu nhƣ khôngcó công trình
nghiên cứu về hệ thống này trong nƣớc.

1.5.1 Thiết bị ngắt xy lanh của động cơ.
Thông tin về bài báo:
CYLINDER DEACTIVATION APPARATUS
Tác giả: William Conrad Albertson, Frederick J. Rozario
USA Patent No: US 6557518 B1 phát hành ngày 18/01/2002
Tóm tắt nội dung chính:
Thiết bị ngắt xy lanh gồm có một mạch dầu thuỷ lực đơn giản.Nó cung cấp dầu đến con
đội thuỷ lực để điều chỉnh và đến các xy lanh bị ngắt để điều khiển thông qua một khe hẹp
đƣợc chế tạo trên con đội điều chỉnh. Gồm có một van điều khiển, khi nó mở, áp suất dầu sẽ
đƣợc phân phối đến toàn bộ các con đội. Khi dầu đi qua khe hẹp cho phép dòng dầu đƣợc
lọc sạch không khí. Nhƣng áp suất dầu thuỷ lực đƣợc điều khiển giới hạn làm cho các van
hoạt động bình thƣờng. Khi van điều khiển đóng, áp suất dầu điều khiển trong khe hẹp tăng
lên rất nhanh, làm treo xú páp của các xy lanh bị ngắt. Dòng dầu thuỷ lực đƣợc điều khiển
đi qua khe hẹp khi van đang mở thì đủ để lọc sạch hơi nƣớc cũng nhƣ không khí từ dòng
dầu điều khiển và duy trì hệ thống trong điều kiện đảm bảo cho việc ngắt tức thời của các xy
lanh khi xú páp đóng.

Nghiên cứu, thiết kế hệ thống tiết kiệm nhiên liệu theo tải trên động cơ xăng

3

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh

Luận văn tốt nghiệp cao học

Hình 1.1: Mô tả mạch dầu và vị trí của các xú páp

(b)

(a)

Hinh 1.2: Mô tả con đội thuỷ lực có thể điều chỉnh được cùng với đường dầu
cung cấp đi qua khe hẹp được chế tạo trên thân của con đội ở hình (a). còn ở hình
(b) là hình phóng đại của con đội.

Nghiên cứu, thiết kế hệ thống tiết kiệm nhiên liệu theo tải trên động cơ xăng

4


Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh

Luận văn tốt nghiệp cao học

Hình 1.3: Tương tự như ở hình (1.2) cho thấy con lăn của con đội thuỷ lực và cơ cấu cơ
khí ngắt xy lanh, cung cấp một lượng dầu đi qua khe hẹp ở trên thân của con đội .
Kết quả: Nghiên cứu này đã tận dụng đƣợc dòng dầu trực tiếp từ bơm dầu của động cơ, sau
đó dòng dầu này đƣợc điều khiển cho đi qua khe hẹp đƣợc thiết kế trên con đội, điều này đã
loại bỏ lƣợng không khí bị lẩn trong dầu đồng thời làm tăng áp lực dầu để kích hoạt con đội.
Làm cho con đội hoạt động nhẹ nhàng và tức thời trong việc điều khiển đóng ngắt các xú páp.

1.5.2 Hệ thống xy lanh đa dung tích cho một động cơ.
Thông tin về bài báo:
MULTIPLE DISPLACEMENT SYSTEM FOR AN ENGINE
Tác giả: Alan G.Falkowski, Mark R .Mc Elwee, Joel A . Baker, G len D. Hendershoot,
Constantin Hagiu, Mark Koeroghlian.
USA Patent No: 7040265 B2 Phát hành ngày 02/07/2004
Tóm tắt nội dung chính:
Sự xắp xếp một xy lanh bị ngắt của một động cơ thì cần phải có những điều kiện nhất
định. Sự bố trí trong một động cơ với mạch dầu thuỷ lực chính và mạch dầu thuỷ lực dẩn
đến điều khiển con đội đƣợc bố trí bên trong khối xy lanh của động cơ. Mạch dầu dùng để
điều khiển con đội thuỷ lực đƣợc cung cấp bởi một đƣờng dẩn dầu ở bên trong khối xy lanh,
từ mạch dầu chính đến con đội của những xy lanh bị ngắt. Con đội cũng đƣợc đặt bên trong
khối xy lanh và đƣợc bố trí thông liên tục với mạch dầu điều khiển con đội. Một van điều
Nghiên cứu, thiết kế hệ thống tiết kiệm nhiên liệu theo tải trên động cơ xăng

5


Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh

Luận văn tốt nghiệp cao học

khiển đƣợc đặt bên trong khối xy lanh và phân bố dòng dầu liên tục với mạch dầu chính và
mạch dầu điều khiển con đội. Van điều khiển phân phối dòng dầu thuỷ lực từ mạch dầu
chính đến mạch dầu điều khiển con đội, để điều khiển hoạt động của con đội.

Hình 1.4: Thân của một động cơ V8, có mạch dầu chính và mạch dầu
điều khiển và con đội thuỷ lực.

Hình 1.5: Minh hoạ hệ thống phân phối khí

Nghiên cứu, thiết kế hệ thống tiết kiệm nhiên liệu theo tải trên động cơ xăng

6


Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh

Luận văn tốt nghiệp cao học

Hình 1.6: Minh hoạ khối xy lanh có mạch dầu chính và mạch dầu điều khiển con đội
thuỷ lực phân bố đến các xy lanh để ngắt xy lanh.

Hình 1.7: Mô tả bề mặt cắt của con đội thuỷ lực gồm có một van điều khiển và một con
đội để ngắt xy lanh.
Kết quả: Nghiên cứu này cho ta thấy việc thiết kế cấu trúc một đƣờng ống dẩn dầu đƣợc
đúc sẵn trong thân động cơ là rất phức tạp. Nhiệm vụ là để dẩn dòng dầu từ đƣờng dầu
chính đến các con đội thuỷ lực để đóng mở xú páp.
1.5.3. Hệ thống điều khiển áp suất dầu và phƣơng pháp ngắt xy lanh trên động cơ
bằng thuỷ lực.
Nghiên cứu, thiết kế hệ thống tiết kiệm nhiên liệu theo tải trên động cơ xăng

7


Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh

Luận văn tốt nghiệp cao học

Thông tin về bài báo:

OIL PRESSURE CONTROL SYSTEM AND METHOD FOR ENGINES WITH
HYDRAULIC CYLINDER DEACTIVATION.
Tác giả: Frederick J. Rozario, William C. Albertson, James B. Hicks.
USA Patent No: 7082918 B2 Phát hành ngày 01/08/2006.
Tóm tắt nội dung chính:
Một hệ thống điều khiển dầu thuỷ lực, dùng cho một động cơ có xy lanh bịngắt, bởi sự
chuyển đổi do hoạt động nâng lên của con đội tại thời điểm áp suất dầu trong hệ thống cao,
thì đƣợc cung cấp bởi một van giảm áp phụ, chúng chỉ mở ra để điều chỉnh áp suất dầu tối
đa trong hệ thống. Bất cứ khi nào tốc độ động cơ và điều kiện nhiệt độ nằm trong khả năng
của bơm thuỷ lực thì áp suất dầu luôn đƣợc điều khiển nằm trong giới hạn lớn nhất, kết hợp
với van giảm áp suất phụ cho phép kéo dài sự nâng lên của các con đội, chúng đƣợc giới
hạn bởi cấu tạo của chúng, để khi hoạt động cho phép truyền đƣợc một áp suất giới hạn
trong trƣờng hợp đƣợc ƣu tiên. Van giảm áp phụ thì điều chỉnh đƣờng dầu ở trong các te của
động cơ, đƣợc tiếp nối liên tục với đƣờng dầu chính, để làm cho lƣợng dầu cung cấp đƣợc
tăng lên và thúc đẩy hoạt động của van giảm áp phụ làm giảm đi một lƣợng nhỏ dầu trong
đƣờng dầu đã đƣợc thiết kế sẵn trong động cơ.

Hình 1.8: Hình cắt một góc của động cơ V8 kết hợp với một hệ thống
điều khiển áp suất dầu.

Nghiên cứu, thiết kế hệ thống tiết kiệm nhiên liệu theo tải trên động cơ xăng

8