LỊCH sử PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ ĐỘNG cơ ôtô

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ ĐỘNG CƠ ÔTÔ
Động cơ chữ V, động cơ thẳng hàng, động cơ rô-tô hay động cơ điện…đều không còn xa lạ với
nhiều người. Tuy nhiên, không phải ai cũng biết động cơ được ra đời như thế nào?

Leonardo Da Vinci

Ý tưởng về động cơ được hình thành từ năm 1506, từ những bức vẽ của danh họa nổi tiếng Leonardo Da Vinci. Hơn một thế kỉ sau, nhà vật lý học
người Đức Christian Huygens tiếp tục phát triển ý tưởng củaLeonardo Da Vinci khi thiết kế loại động cơ chạy bằng thuốc súng đầu tiên vào năm
1673. Tuy nhiên, loại động cơ này đã không được đưa vào sản xuất.


Động cơ đốt trong được Rudolf Diesel phát minh năm 1892

Vào năm 1807, Francois Isaac De Rivaz, người Thụy Điển, đã phát minh ra loại động cơ đốt trong dùng hỗn hợp khí Hydro và Oxi làm nhiên liệu.
Rivaz cũng thiết kế riêng một chiếc xe sử dụng động cơ này. Tuy nhiên, thiết kế của ông đã không thành công như mong đợi.

Năm 1823, dựa trên ý tưởng của Leonardo, Samual Brown cho ra đời một loại động cơ được cải tiến từ động cơ hơi nước. Được chạy thử thành công
trên một chiếc xe ở khu đồi Shooter (Anh) nhưng loại động cơ này đã không trở nên phổ biến vì nó khá lạc hậu so với tình hình giao thông lúc bấy giờ.


Mãi tới năm 1860, lịch sử ngành động cơ xe hơi mới được chính thức bắt đầu khi chiếc xe chạy bằng động cơ đốt trong đầu tiên được cấp bằng sáng
chế.
1. Động cơ đốt trong


Động cơ đốt trong là một loại động cơ nhiệt, tạo ra công cơ học bằng cách đốt nhiên liệu bên trong động cơ. Hỗn hợp không khí và nhiên liệu được
đốt trong xy lanh của động cơ đốt trong.
Khi đốt cháy, nhiệt độ tăng, làm cho khí đốt giãn nở tạo nên áp suất tác dụng lên một pít tông, đẩy pít tông này di chuyển đi. Chuyển động tịnh tiến của
pittông làm quay trục cơ, sau đó làm bánh xe chuyển động nhờ xích tải hoặc trục truyền động.

Động cơ đốt trong được phát minh vào năm 1860 bởi kỹ sư người Pháp có tên Jean Joseph Etienne Lenoir . Chiếc động cơ đầu tiên mà Lenoir chế

tạo sử dụng nhiên liệu khí than và được trang bị một xy-lanh nằm ngang.
Sau đó, vào năm 1864, Siegfried Marcus, người Áo, đã cải tiến động cơ đốt trong của Lenoir từ sử dụng nhiên liệu khí than sang sử dụng gas. Chiếc
động cơ này được gắn vào một một chiếc xe có thể vận hành với vận tốc 16km/h.

2. Động cơ chữ V


ĐỘNG CƠ QUAY CỦA FELIX WANKEL - MAZDA MỘT MÌNH MỘT SÂN CHƠI

Động cơ chữ V là loại động cơ đốt trong mà piston được xếp theo hình chữ V khi nhìn từ trục khuỷu. Cấu hình chữ V giúp giảm chiều dài và trọng
lượng của động cơ so với động cơ 1 hàng xy-lanh có cùng công suất.
Động cơ chữ V đầu tiên ra đời vào năm 1888, là sản phẩm của Gottlieb Daimler và Wilhelm Maybach. Động cơ có góc V (góc giữa 2 hàng xy-lanh)
bằng 170C, dung tích 1050 cc, tạo công suất 4 mã lực tại 900 vòng/phút.

Ứng dụng thực tế của Động cơ V2 và động cơ V4??

3. Động cơ V4
Động cơ V4 là loại động cơ chữ V có 4 xy-lanh. Ra đời vào năm 1922 trên xe hơi của Lancia. Động cơ V4 đầu tiên có khoảng chạy piston dài 120 mm,
với trục cam đơn được lắp trên đầu xi-lanh.
Sau đó, loại V4 cải tiến với hai lựa chọn dung tích 1633 cc và 1996 cc đã được Ford trang bị cho mẫu xe Ford Essex. Vào năm 1962, Ford giới thiệu
mẫu động cơ V4 một trục cân bằng trên mẫu xe Ford Taunus. Từ đó trở đi, động cơ V4 ngày càng trở nên phổ biến trên nhiều mẫu xe của các hãng
khác nhau.


4. Động cơ V6

Động cơ của xe Lancia Aurelia

Động cơ V6 là loại động cơ đốt trong với 6 xy lanh xếp theo hình chữ V. Đây là loại động cơ được dùng phổ biến thứ hai trong tất cả các mẫu xe hiện
đại, sau động cơ 4 xy lanh thẳng hàng. Nó rất phù hợp với các mẫu xe dẫn động cầu trước hiện nay, và ngày càng trở nên phổ biến hơn khi xe hơi có

xu hướng có trọng lượng lớn hơn.

Động cơ V6 đầu tiên được công ty Lancia giới thiệu năm 1924, nhưng không để lại ấn tượng gì đặc biệt. Đến năm 1950, động cơ này lại xuất hiện với
mẫu xe Lancia Aurelia, dần dần V6 càng trở nên phổ biến hơn.
Thiết kế của V6 cũng được cải tiến nhanh chóng, đặc biệt sau khi mẫu Buick Special được tung ra thị trường năm 1962. Đây là lần đầu tiên, động cơ
V6 được sản xuất hàng loạt. Năm 1983, Nissan sản xuất động cơ V6 đầu tiên tại Nhật cho dòng VG series.
5. Động cơ V8


Động cơ V8 là động cơ V có 8 xy lanh, rất phổ biến trong các mẫu xe hơi công suất lớn. Động cơ V8 thường có dung tích từ 4 đến 8.5 lít.
Động cơ V8 đầu tiên do Rolls Royce phát triển, đó là động cơ 3.5 lít dành cho mẫu Rolls Royce Legalimit. Tuy nhiên, động cơ này được sản xuất hàng
loạt lần đầu tiên bởi hãng Cadillac. Cho đến nay, hãng này đã sản xuất 8 thế hệ động cơ V8, trong đó thế hệ động cơ Cadillac V8 đầu tiên là Type 51.

Type 51 được sản xuất năm 1914, là động cơ tiêu chuẩn cho các mẫu xe Cadillac của năm 1915. So với động cơ L-head, V8 Type 51 có những điểm
mới mẻ riêng như hệ thống làm mát bằng nước được điều khiển nhiệt tĩnh hay phần động cơ, ly hợp và hộp số hợp lại thành một khối riêng. Trong
chiến tranh thế giới I, Ủy ban Chiến tranh của Mỹ đã mua hơn 2000 động cơ V8 tiêu chuẩn của Cadillac để sử dụng tại châu Âu.

Động cơ V8 phát triển bởi một hãng xe hơi Pháp, Count De Dion Bouton. Tại thị trường Mỹ. nó được coi như một sự đổi mới, nhưng về nguyên lý hoạt
động vẫn không có gì mới mẻ. Động cơ V8 mới của Cadillac nhẹ hơn so với động cơ 4 xy lanh thế hệ trước đó. Xe có gắn động cơ này có thể đạt tốc
độ 90 - 100km/h.

Tới năm 1923, động cơ này được phát triển thêm với công suất lớn hơn, 83,5 mã lực. Khi đó, động cơ L-head được đánh giá là một trong 10 động cơ
tốt nhất của thế kỷ 20.
Cadillac sản xuất loại động cơ V8 mới, động cơ 341 cho năm 1928 có công suất 90 mã lực. Cùng năm đó, hộp số đồng bộ ra đời. Động cơ 341 được
trang bị cho các mẫu xe thuộc series 341 và 341B năm 1928 và 1929. Trong 5 năm, từ năm 1930 đến 1935, Cadillac lại tung ra phiên bản động cơ
mới với dung tích 5,8 lít.

6. Động cơ V10

Từ chiếc xe gắn máy đến Cỗ xe tăng, cũng đều phải sử dụng động cơ

Động cơ V10 gồm 10 xy lanh xếp thành hai hàng, mỗi hàng 5 chiếc. Về hình dáng, 10 xy lanh của động cơ không được thiết kế cân bằng như động cơ
V6. 10 xy lanh chỉ cân bằng với đối trọng trục khuỷu như động cơ Vee 90 độ (của mẫu BMW M5 hay Dodge Viper), hoặc với một trục thăng bằng như
động cơ 72 độ.
Tuy nhiên, V10 không được sử dụng phổ biến cho xe hơi như động cơ V12, tuy hơi phức tạp nhưng chạy êm hơn. Còn động cơ V8 không quá phức
tạp nhưng tiết kiệm nhiên liệu hơn. Từ năm 1994, động cơ V10 đã được đưa vào sử dụng trong mẫu Dodge Ram.

7. Động cơ V12


Về cơ bản, V12 là động cơ có 12 xy lanh, cũng giống như động cơ V6 với 6 xy lanh thẳng hàng, cấu trúc của loại động cơ này vốn tự cân bằng nên
không cần dùng đến trục thăng bằng.
Động cơ V12 đầu tiên được sử dụng vào năm 1912 cho model Packard “Double Six”, nhưng trước chiến tranh thế giới II, nó đã được trang bị cho
nhiều mẫu xe hơi đắt tiền của Cadillac, Packard, Lincoln, Franklin, Rolls Royce và Hispano Suiza.

Sau chiến tranh thế giới II, khi động cơ V8 trở nên phổ biến hơn thì V12 không còn được ưa chuộng tại Mỹ nhiều như trước nữa. Những chiếc xe thể
thao của các hãng xe Ý như Ferrari và Lamborghini lại chỉ sử dụng động cơ V12 cho các mẫu xe công suất cao của họ. Hãng xe Jaguar đã phát triển
động cơ V12 và liên tục sử dụng động cơ này từ năm 1971 đến 1997.


Không có cuộc cách mạng nào, là không bắt đầu từ những.. ý tưởng

Xu hướng phát triển của ô tô hiện đại ngày nay là gia tăng tốc độ cực đại từ 180-250 km đến 250-330 km/h và
giảm tiêu hao nhiên liệu. Các giải pháp được đưa ra nhằm tăng tốc độ động cơ là điều khiển pha phối khí hoặc thay đổi
hành trình xupáp thông minh. Tiếp theo đó nhiều hãng xe lớn trên thế giới đã và đang áp dụng giải pháp thứ hai vào
mục đích trên. Các công nghệ như VVTL-i của Toyota; VTEC của Honda; MIVEC của Mitsubishi; VALVETRONIC của
BMW; VVEL của Nissan lần lượt xuất hiện đã khẳng định tầm quan trọng của vấn đề nêu trên. Bài viết kỳ này chúng tôi
sẽ lần lượt giới thiệu với các bạn về các công nghệ này.
Công nghệ VVTL-i của Toyota.

Hệ thống VVTL-i dựa trên hệ thống VVT-i và áp dụng một cơ cấu chuyển đổi vấu cam để thay đổi hành trình của xupáp
nạp và xả. Điều này cho phép đạt được công suất cao mà không ảnh hưởng đến tính kinh tế của nhiên liệu hay ô nhiễm
khí xả.
Cấu tạo và hoạt động của hệ thống VVTL-i về cơ bản giống như hệ thống VVT-i. Việc chuyển đổi giữa hai vấu cam có
biên dạng khác nhau dẫn đến làm thay đổi hành trình của xupáp.
Trong cơ cấu chuyển vấu cam, ECU động cơ điều khiển chuyển đổi giữa 2 vấu cam nhờ van điều khiển dầu VVTL dựa
trên các tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ nước làm mát và cảm biến vị trí trục khuỷu.
Các bộ phận cấu thành hệ thống VVTL-i gần giống như những bộ phận của hệ thống VVT-i. Đó là van điều khiển dầu
cho VVTL, các trục cam và cò mổ.
Van điều khiển dầu cho VVTL điều khiển áp suất dầu cấp đến phía cam tốc độ cao của cơ cấu chuyển vấu cam bằng
thao tác điều khiển vị trí van ống do ECU động cơ thực hiện.
Trục cam và cò mổ
Để thay đổi hành trình xupáp, người ta chế tạo trên trục cam 2 loại vấu cam, một loại vấu cam ứng với tốc độ thấp và
vấu cam tốc độ cao cho mỗi xilanh.

Cơ cấu chuyển vấu cam được lắp bên trong cò mổ giữa xupáp và vấu cam. Áp suất dầu từ van điều khiển dầu của VVTL
đến lỗ dầu trong cò mổ và áp suất này đẩy chốt hãm bên dưới chốt đệm. Nó cố định chốt đệm và ấn khớp cam tốc độ
cao.


Khi áp suất dầu ngừng tác dụng, chốt hãm được trả về bằng lực của lò xo và chốt đệm được tự do. Điều này làm cho
chốt đệm có thể di chuyển tự do theo hướng thẳng đứng và vô hiệu hóa vấu cam tốc độ cao.
Trục cam nạp và xả có các vấu cam với 2 hành trình khác nhau cho từng xylanh, và ECU động cơ chuyển những vấu
cam này thành vấu cam hoạt động bằng áp suất dầu.
Tốc độ thấp và trung bình (tốc độ động cơ: dưới 6000 vòng/phút)
Như trong hình minh họa ở trên, van điều khiển dầu mở phía xả. Do đó, áp suất dầu không tác dụng lên cơ cấu chuyển
vấu cam.
Áp suất dầu không tác dụng lên chốt chặn. Do đó, chốt chặn bị đẩy bằng lò xo hồi theo hướng nhả khóa. Như vậy, chốt
đệm sẽ lặp lại chuyển động tịnh tiến vô hiệu hóa. Nó sẽ dẫn động xupáp bằng cam tốc độ thấp và trung bình.
Tốc độ cao (Tốc độ động cơ: trên 6000 vòng/phút, nhiệt độ nước làm mát: cao hơn 6000C).

Như trong hình vẽ bên trên, phía xả của van điều khiển dầu được đóng lại sao cho áp suất dầu tác dụng lên phía cam
tốc độ cao của cơ cấu chuyển vấu cam.
Lúc này bên trong cò mổ, áp suất dầu đẩy chốt chặn đến dưới chốt đệm để giữ chốt đệm và cò mổ. Do đó, cam tốc độ
cao ấn xuống cò mổ trước khi cam tốc độ thấp và trung bình tiếp xúc với con lăn. Nó dẫn động các xupáp bằng cam tốc
độ cao. ECU động cơ đồng thời phát hiện rằng vấu cam đã được chuyển sang vấu cam tốc độ cao dựa trên tín hiệu từ
công tắc áp suất dầu.
Công nghệ VTEC của Honda.
Hệ thống VTEC nhằm cải thiện hiệu suất động cơ ở tốc độ thấp và cao bằng cách bố trí hai loại vấu cam ở mỗi xilanh,
vấu cam tốc độ thấp và vấu cam tốc độ cao. Tùy theo điều kiện làm việc cụ thể của động cơ mà sử dụng loại vấu cam
phù hợp.

Ở dải tốc độ thấp, thời gian mở xupáp được tối ưu hóa nhằm đạt được mômen xoắn cần thiết để xe có thể di chuyển
tốt nhất ở vòng tua thấp, đồng thời tiết kiệm nhiên liệu.
Ở dải tốc độ cao, độ mở xupáp và thời gian mở xupáp được tăng lên, không khí được nạp vào nhiều hơn. Hệ thống
cung cấp cho xe khả năng di chuyển tốt ở tốc độ thấp và tăng hiệu suất động cơ khi tốc độ xe tăng lên.
Qua nhiều năm phát triển, các động cơ của Honda đã sử dụng qua năm loại hệ thống VTEC khác nhau gồm: (1) VTEC
có một trục cam đặt trên gọi là SOHC; (2) VTEC-E tiết kiệm nhiên liệu; (3) VTEC có hai trục cam đặt trên DOHC; (4)
VTEC có xilanh không tải và (5) công nghệ i-VTEC thông minh. Kết cấu của 5 modun trên khác nhau nhưng nói chung
chúng giống nhau về mặt nguyên lý vì tất cả đều sử dụng loại trục cam có vấu kép, một vấu dùng khi tốc độ thấp và
một vấu dùng ở tốc độ cao. Ở dải tốc độ thấp, các xupáp mở ít và thời gian mở ngắn lại do tốc độ của vấu cam giảm.
Hiệu quả thực tế của công nghệ VTEC phụ thuộc vào điều kiện chạy xe và kiểu xe. Bộ điều khiển trung tâm ECM/PCM
liên tục theo dõi sự thay đổi tình trạng hoạt động của động cơ như tải trọng, số vòng quay và tốc độ chạy xe. Dựa vào
các thông số đầu vào này, ECM/PCM sẽ xác định và tính toán để kích hoạt hoặc hủy bỏ chế độ VTEC.
Khi tốc độ động cơ tăng lên, lượng không khí và nhiên liệu cần thiết cũng tăng lên. Nếu các điều kiện như nhiệt độ
nước làm mát động cơ, áp suất đường ống nạp, tốc độ động cơ và tốc độ di chuyển của xe đạt đến một giá trị nào đó,
hệ thống sẽ chuyển từ vấu cam tốc độ thấp sang vấu cam tốc độ cao. Nhờ vậy, độ mở xupáp và thời gian xupáp mở
tăng lên.
PCM/ECM điều khiển hoạt động của VTEC nhờ tín hiệu điện. Khi PCM/ECM kích hoạt VTEC, công tắc áp suất dầu được
bật lên, dầu qua van trượt theo đường ống dẫn đến tác động vào piston nối, piston này sẽ dịch chuyển sang phải để
nối hai cụm cò mổ lại với nhau, chuyển động đồng thời.

Chúng ta hãy quan sát hình ảnh hoạt động của một hệ thống VTEC với một trục cam đặt trên, mỗi cụm cò mổ gồm hai
cò mổ tốc độ thấp ở hai bên và một cò mổ tốc độ cao ở giữa.
Ở dải tốc độ thấp, các cò mổ tốc độ thấp và tốc độ cao chuyển động riêng rẽ. Các xu páp mở ra ít và thời gian mở
ngắn. Ở dải tốc độ cao, PCM/ECM kích hoạt để VTEC hoạt động, các piston nối dưới tác động của dầu thủy lực sẽ di
chuyển để nối các cò mổ tốc độ thấp và tốc độ cao với nhau thành mối khối. Lúc này, các xu páp mở ra nhiều hơn và
thời gian mở tăng lên. Không khí được nạp vào nhiều hơn, công suất động cơ tăng lên nhanh chóng. Hình ảnh động
dưới đây sẽ giúp các bạn dễ hình dung hơn hoạt động của một hệ thống VTEC kiểu SOHC.
Mivec của hãng Mitsubishi.
MIVEC (Mitsubishi Innovative Valve timing Electronic Control system) là tên viết tắt của công nghệ động cơ với xupáp
nạp biến thiên được phát triển bởi hãng Mitsubishi. Cũng tương tự như các hệ thống với xupáp nạp biến thiên được đề
cập kỳ trước, hệ thống này cũng có khả năng thay đổi hành trình hoặc thời gian đóng mở các xupáp bằng cách sử dụng
hai loại vấu cam khác nhau. Ở dải tốc độ thấp, vấu cam nhỏ dẫn động các xupáp, động cơ hoạt động ở trạng thái


không tải ổn định, lượng khí thải giảm và mômen xoắn tăng lên ở tốc độ thấp. Khi vấu cam lớn được kích hoạt, tốc độ
tăng lên, các xupáp được mở rộng hơn và thời gian mở xupáp tăng lên. Bởi vậy làm tăng lượng khí nạp trong buồng
cháy, công suất và mômen xoắn tăng, dải tốc độ động cơ được mở rộng.
Động cơ 4G92 đầu tiên của Mitsubishi sử dụng công nghệ MIVEC
MIVEC được Mitsubishi giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1992 trên động cơ 4G92, dung tích 1597 cc, DOHC không tăng
áp, 4 xilanh thẳng hàng, mỗi xilanh gồm hai xupáp nạp và hai xupáp xả. Thế hệ công nghệ này ra đời với tên gọi
“Mitsubishi Innovative Valve timing and lift Electronic Control”. Chiếc xe đầu tiên sử dụng công nghệ này là chiếc
hatchback Mitsubishi Mirage và chiếc sedan Mitsubishi Lancer. Trong khi một động cơ 4G92 thông thường sinh ra công
suất 145 mã lực ở tốc độ 7000 vòng/phút thì một động cơ được trang bị công nghệ MIVEC có thể sinh ra tới 175 mã lực
ở vòng tua 7500 vòng/phút. Một số các cải tiến về công nghệ khác cũng được ứng dụng khi công nghệ này được áp
dụng rộng rãi vào năm 1994 trên xe Mitsubishi FTO. Mặc dù vậy các thiết kế mới nhằm nâng cao hiệu suất vẫn phải
đảm bảo tính tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm khí thải ở dòng xe Mitsubishi.
Chiếc Mitsubishi Grandis sử dụng công nghệ MIVEC
Hoạt động.
Nhằm tối ưu hiệu suất động cơ ở giải tốc độ thấp và trung bình, mặt khác lại nâng cao công suất ở vòng tua cao, hệ

thống MIVEC đạt được cả hai mục tiêu trên nhờ chủ động điều khiển cả thời điểm và khoảng thời gian đóng mở xupáp.
Hệ thống MIVEC điều khiển hoán đổi các vấu cam có cùng chức năng. Một số các loại xe đua thể thao đã áp dụng biện
pháp công nghệ này nhằm mục đích sinh ra nhiều công suất hơn. Việc chuyển đổi vấu cam được thực hiện một cách tự
động nhờ các ECU của hệ thống MIVEC, dựa trên các tín hiệu đầu vào như tốc độ động cơ, số vòng quay trục khuỷu,
nhiệt độ nước làm mát, độ mở bướm ga,…ECU sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển để kích hoạt hoặc hủy chế độ MIVEC.
Hai cam có hai biên dạng khác nhau được sử dụng ở hai chế độ khác nhau của động cơ: một cam có biên dạng nhỏ,
dùng ở dải tốc độ thấp mà ta gọi tắt là cam tốc độ thấp và vấu cam còn lại có biên dạng lớn hơn, dùng ở dải tốc độ cao
gọi tắt là cam tốc độ cao. Các vấu cam tốc độ thấp và các trục cò mổ, dẫn động các xupáp nạp, đặt đối xứng nhau qua
cam tốc độ cao ở giữa. Mỗi xupáp nạp được dẫn động bởi một cam tốc độ thấp và trục cò mổ. Để chuyển sang cam tốc
độ cao, một tay đòn chữ T được ép vào các khe ở đỉnh trục cò mổ của cam tốc độ thấp. Điều này cho phép các cam tốc
độ cao dịch chuyển cùng với cam tốc độ thấp. Lúc này các xupáp thay đổi hành trình khi được dẫn động bởi cam tốc độ
cao.
Ở dải tốc độ thấp, tay đòn chữ T trượt ra khỏi khe một cách tự do, cho phép các cam tốc độ thấp dẫn động các xupáp.
Ở dải tốc độ cao, áp suất thủy lực đẩy piston thủy lực lên, bởi vậy tay đòn chữ T lại trượt vào các khe cò mổ để chuyển
sang vận hành với các cam tốc độ cao.
Nói chung, chế độ MIVEC được kích hoạt để chuyển sang vấu cam tốc độ cao khi tốc độ động cơ tăng và chuyển sang
vấu cam tốc độ thấp khi tốc độ động cơ giảm. Ở dải tốc độ thấp, thời gian đóng mở các xu páp nạp và xả trùng nhau
tăng để tăng sự ổn định ở chế độ không tải. Khi tăng tốc, thời điểm xupáp nạp đóng được làm chậm lại để giảm áp lực
ngược đồng thời cải thiện hiệu suất khí nạp, giúp tăng công suất động cơ cũng như giảm hệ số ma sát.
Hệ thống MIVEC điều khiển bốn chế độ vận hành tối ưu của động cơ như sau:
• Trong hầu hết các điều kiện làm việc, để đảm bảo hiệu suất nhiên liệu cao nhất, thời gian đóng xupáp trùng nhau
tăng lên để giảm tổn thất bơm. Thời điểm xupáp xả mở được làm chậm lại để tăng tỷ số nén, tăng tính kinh tế của
nhiên liệu.
• Khi cần công suất cực đại (tốc độ và tải trọng cao), thời điểm đóng xupáp nạp được làm chậm lại để đồng nhất hóa
không khí nạp với thể tích nạp là lớn nhất.
• Ở dải tốc độ thấp và tải nặng, MIVEC đảm bảo tối ưu mômen xoắn do thời điểm xupáp nạp đóng được làm sớm hơn
để đảm bảo đủ lượng khí nạp. Cùng lúc đó, thời điểm xupáp xả mở được làm chậm lại để tăng tỷ số nén và cải thiện
hiệu suất động cơ.
• Ở chế độ không tải, thời điểm xupáp xả và nạp trùng nhau được loại bỏ để ổn định quá trình cháy.

Công nghệ Valvetronic của hãng BMW.
Động cơ Valvetronic của hãng BMW là động cơ đầu tiên trên thế giới không sử dụng bướm ga. BMW phát triển công
nghệ này với mục tiêu tiết kiệm được khoảng 10% nhiên liệu so với các loại động cơ thông thường khác.
Để hiểu tại sao một động cơ không có bướm ga lại có khả năng tiết kiệm được nhiên liệu thì điều đầu tiên bạn phải
hiểu được nguyên lý hoạt động của một động cơ thông thường. Khi đạp hết ga nghĩa bạn không thể khống chế được
lượng nhiên liệu phun vào buồng cháy (điều này dẫn đến sự thay đổi tỷ lệ không khí-nhiên liệu dẫn đến nổ ngược)
cũng như lượng không khí đi vào các xilanh. Trong hệ thống vòi phun nhiên liệu, lượng không khí đi qua bướm ga sẽ
được giám sát chặt chẽ và căn cứ vào đó, hệ thống điều chỉnh lượng nhiên liệu cho phù hợp. Khi bướm ga càng mở
rộng, không khí đi vào buồng cháy càng nhiều, công suất động cơ tăng lên.
Hơn nữa, khi bướm ga mở rất ít (khi đạp ga một cách đều đặn, xe xuống dốc hoặc đường khá trơn nhẵn), mở một phần
hoặc thậm chí đóng lại gần như hoàn toàn. Trong khi đó, các piston vẫn di chuyển, hút một phần không khí còn lại
trong đường ống nạp khí đã được đóng kín. Không cần phải giải thích quá nhiều, bạn đọc cũng có thể dễ dàng hình
dung ra rằng trong đường ống dẫn khí nạp, phần giữa bướm ga và buồng cháy sẽ tự hình thành chân không trong đó,
để chống lại lực hút/lực bơm hút của các piston. Do vậy làm tổn hao một phần năng lượng. Động cơ càng chạy chậm
bao nhiêu, bướm ga càng đóng kín bao nhiêu thì càng tiêu tốn nhiều năng lượng.
Công nghệ Valvetronic đã loại bỏ sự có mặt của bướm ga để tiết kiệm nhiên liệu, đặc biệt ở dải tốc độ thấp của động
cơ. Qua quy trình kiểm tra thành phần khí thải của EU bao gồm ở cả dải tốc độ cao và thấp, một động cơ Valvetronic


1,8L tiết kiệm được khoảng 5,3 lít nhiên liệu trên 100 km. Hơn nữa không giống với hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp
(hệ thống nhiên liệu phổ biến nhất hiện nay) không cần thiết phải sử dụng loại xăng có hàm lượng lưu huỳnh thấp.
Không có bướm ga, vậy làm sao để hệ thống này có thể khống chế lượng không khí đi vào các xilanh? Bí ẩn nằm ở việc
áp dụng biện pháp công nghệ để thay đổi độ mở của xupáp. Valvetronic chứa một hệ thống cò mổ có khả năng thay
đổi một cách linh hoạt khi tác động lên các xupáp. So với các loại động cơ có hai loại vấu cam thông thường khác, nó
sử dụng một trục truyền động lệch tâm, một mô tơ điện và một số cò mổ trung gian. Tùy theo tín hiệu điện từ bộ điều
khiển ECU sẽ kích hoạt mô tơ điều khiển góc xoay của trục lệch tâm, trục này sẽ xoay đi một góc nào đó khiến cò mổ
trung gian ấn sâu hơn khi tác động lên các trục đòn gánh, trục đòn gánh này có nhiệm vụ đóng hoặc mở các xu páp.
Nếu cò mổ đẩy các trục đòn gánh vào sâu hơn, các xupáp nạp sẽ mở rộng hơn và ngược lại.
So với công nghệ VTEC của Honda, Valvetronic cũng sử dụng xupáp thay đổi hành trình để tăng công suất như VTEC
nhưng đáng tiếc, Valvetronic quả thực ít hiệu quả ở khả năng tiết kiệm nhiên liệu ở số vòng quay cao hơn so VTEC.

Quan sát hình ảnh trên đây, các bạn co thể nhận thấy trục cam dẫn động các cò mổ trung gian, tiếp đó tác động vào
các trục đòn gánh khiến phát sinh ra khá nhiều lực ma sát. Bởi vậy mà tính hiệu quả và cải tiến của Valvetronic đã
giảm đi rất nhanh ở số vòng tua lớn hơn 6.000 vòng/phút. Không ngạc nhiên khi trong tương lai BMW không trang bị
Valvetronic cho các động cơ M-power của họ.
Công nghệ VVEL của Nissan.

Cũng tương tự như các công nghệ đã được đề cập ở trên. Đó là công nghệ có sự phối hợp vừa chặt chẽ, vừa độc lập ở
khả năng điều khiển thông minh thời điểm đóng mở xupáp và độ mở của xupáp nạp. Nissan gọi công nghệ của họ là
Variable Valve Event and Lift (VVEL) và Continuous Valve Timing control (C-VTC). Hệ thống VVEL sử dụng một số mối
liên kết được bố trí một cách thông minh để tác động lên các xupáp và nhờ một động cơ điện nhận tín hiệu điều khiển
từ ECU sẽ quay trục dẫn động đi một góc phù hợp, nó làm dịch chuyển bản lề nối với thanh dẫn, rồi tác động lên các
trục riêng biệt. Do sự dịch chuyển của trục bản lề mà độ mở của các xupáp cũng thay đổi theo tương ứng.

Công nghệ mới của Nissan đã thu được những hiệu quả nhất định. Cũng loại bỏ sự có mặt của các bướm ga và tổn thất
bơm của các piston, việc thay đổi hành trình của các xupáp có thể dễ dàng làm thay đổi tốc độ động cơ. Không có các
cánh lưu thông gió như động cơ có bướm ga nhưng khả năng phản ứng nhanh nhạy của động cơ lại tăng lên, không
giống với động cơ có bướm ga phản ứng lại khá chậm khi đạp và bàn đạp ga. Lượng CO2 trong khí thải giảm 10% với
động cơ có hệ thống VVEL. Lợi ích lớn nhất thu được có thể dễ nhận thấy ở dải tốc độ thấp và trung bình nhưng ở giải
tốc độ cao nhất thì hiệu quả lại giảm đi. Bên cạnh đó, khả năng tăng độ mở của xupáp cho phép tạo ra mômen xoắn
cao hơn ở vòng tua cao.

Hình ảnh chuyển động
Khi xe mới khởi động và cần phải được làm nóng nhanh để tăng hiệu suất nhiên liệu, hệ thống VVEL và C-VTC sẽ tối ưu
hóa số lần tác động lên các xupáp để nhanh chóng làm nóng khí xả, kích hoạt bộ lọc xúc tác nhanh hơn, cải thiện sự
phân tán nhiên liệu và cải thiện quá trình cháy.
Hệ thống VVEL và C-VTC là một phần của Chương trình phát triển công nghệ xanh đến năm 2010 của Nissan, mục tiêu
của chương trình nhằm giảm lượng CO2 trong khí thải của động cơ xăng đến mức thấp nhất và là công nghệ mang tính
toàn cầu đến năm 2010.
Các ưu điểm nổi bật của công nghệ VVEL
Tăng hiệu suất nhiên liệu.

Ở dải tải trọng từ thấp đến trung bình, VVEL kiểm soát lượng không khí nạp vào qua xupáp nạp trước khí nó vào trong
buống cháy. Khác với động cơ thông thường, không khí được nạp vào qua bướm ga, biện pháp này làm tăng hiệu suất
bởi lưu lượng khí đi vào trong xilanh dễ dàng hơn.
Ở dải tốc độ thấp và trung bình, xupáp nạp được mở ít để giảm ma sát của trục cam và cải thiện hiệu suất nhiên liệu.
Tăng tốc nhạy cảm hơn.
VVEL khống chế lượng không khí nạp qua xupáp nạp, cải thiện độ nhạy khi cần tăng tốc bằng cách tăng mật độ khí nạp
vào trong xilanh từ lúc bát đầu tăng tốc.
Tăng công suất.
Ở dải tốc độ thấp, thời gian các xupáp nạp mở được rút ngắn để ngăn hỗn hợp nhiên liệu – không khí chảy ngược lại
đường ống nạp, cải thiện mômen xoắn. Ở dải tốc độ cao, thời gian xupáp nạp mở được kéo dài cho phép tăng lượng khí
nạp vào, nhờ vậy mômen xoắn tăng lên.
Cải thiện khí thải.
Việc định thời xu páp nạp được tối ưu hóa trong quá trình khởi động khi động cơ vẫn còn nguội để tăng nhiệt độ của
khí xả lên một cách nhanh chóng và kích hoạt bộ lọc xúc tác một cách nhanh nhất.
Lượng hydrocacbon trong khí xả được giảm đi ở dải tốc độ thấp và trung bình bằng cách duy trì độ mở của xu páp nạp


ở mức thấp. Tốc độ khí nạp và độ phân tán của nhiên liệu dưới dạng sương mù khá hoàn hảo. Kết quả là hiệu quả của
cả quá trình cháy tăng lên.
VVEL cải thiện hiệu suất nhiên liệu một cách tốt nhất ở dải tốc độ thấp và trung bình. Do vậy nó phù hợp nhất với động
cơ có nhiều xilanh và dung tích lớn.

Hệ thống điện tử quản lý sự làm việc của động cơ

[09/07/2010]

Chúng tôi xin giới thiệubài viết của PGS.TS. Nguyễn Khắc Trai về Hệ thống điện tử quản lý sự làm việc của động cơ (BOSCH MEMOTRONIC 7.1 SYSTEM).

Lời tác giả: Sự phát triển kỹ thuật Cơ điện tử trên ô tô đang trong giai đoạn ứng dụng thành công ban đầu. Những phát triển kỹ thuật như
vậy dẫn tới một số các thay đổi nhất định về cấu trúc bên ngoài và đặc biệt là các cấu trúc bên trong, thậm chí có thể dẫn tới một vài thay

đổi nhỏ về sử dụng trong kỹ thuật lái xe. Để nắm bắt được các thay đổi này, bài này giới thiệu giới thiệu một hệ thống điện tử quản lý sự
làm việc của động cơ của BOSCH.
Trước đây hệ thống điện tử mang tính chất kiểm soát sự phun nhiên liệu của động cơ xăng bằng cách sử dụng các cảm biến cung cấp thông
tin đầu vào cho ECU, nhờ đó ECU sẽ tính toán xác định lượng phun nhiên liệu tối ưu theo các giá trị của thông tin đầu vào. Phương pháp này
đã đem lại hiệu quả tốt cho sự làm việc của động cơ về công suất, lượng tiêu thụ nhiên liệu, chất lượng khí thải. Hệ thống như vậy đã tích
hợp tối ưu giữa các thông tin của hệ thống phun nhiên liệu, đánh lửa điện tử, và chúng được gọi là “Motronic”.
Việc đưa chân ga điện tử vào hệ thống kiểm soát sự phun nhiên liệu trong giai đoạn đầu cũng vẫn được thực hiện theo phương thức trên,
điều đó có nghĩa là chân ga điện tử điều khiển bướm gió, và tùy thuộc vào vị trí bàn đạp chân ga, ECU cho phép xác định lượng phun nhiên
liệu tương ứng. Có thể coi vị trí chân ga điện tử và vị trí bướm ga chỉ là các thông số đầu vào phục vụ hình thành lượng phun nhiên liệu. Vậy
có thể xảy ra trường hợp: Theo vị trí của bướm ga hình thành chế độ làm việc của động cơ tạo nên công suất không phù hợp với chế độ làm
việc của ô tô. Khắc phục vấn đề này, hệ thống ME- Motronic của Bosch được xây dựng trên cơ sở tư duy khác, và thực sự hình thành hệ
thống quản lý sự làm việc của động cơ (Engine Management System).


Hinh1: Đặc tính ngoài động cơ V6 trên ô tô Audi
Sự thay đổi đó dẫn tới hàng loạt các thay đổi trong lập trình logic, thay đổi các mạch điều khiển, và tất nhiên có khả năng tạo nên các ưu thế
tốt hơn hệ thống trước đó. Hệ thống này được gọi tên là “Bosch ME- Motronic” và có kí hiệu thứ tự Bosch ME- Motronic để nói rõ về sự phát
triển của nó.
Có thể mô tả tóm tắt về hệ thống quản lý của động cơ của Bosch ME- Motronic 7.1 như sau: từ tất cả các nhu cầu về phụ tải đặt lên động
cơ (chế độ chuyển động: tay số, quay vòng, chế độ làm việc hiện đại của động cơ: điều hòa, đèn chiếu sáng, chế độ phanh bằng động cơ khi
ô tô xuống dốc,… mức độ bàn đạp chân ga, yêu cầu về tốc độ giới hạn, chất lượng khí xả,..) ECU tính toán cho phép xác lập mô men động cơ
yêu cầu, độ mở bướm ga tương ứng, chế độ phun nhiên liệu, góc đánh lủa sớm theo đặc tính của động cơ đặt trên ô tô (hình 1). Điều này có
nghĩa công suất động cơ yêu cầu thực hiện thông qua các hệ thống thừa hành theo phương thức quản lý của hệ thống cơ điện tử (MEMotronic) với sự liên kết chặt chẽ giữa hệ thống phun nhiên liệu, độ mở bướm ga và hệ thống đánh lửa (Motronic). Bằng cách này, tính chất
điều khiển, khí thải và tiêu thụ nhiên liệu đều được cải thiện.
Một số đặc điểm chính của hệ thống được trình bày dưới đây.
Sơ đồ cấu trúc tổng quát và các tín hiệu vào, tín hiệu ra của ECU.
Sơ đồ cấu trúc chung của hệ thống được trình bày trên hình 2. Nhìn tổng thể các khối và sự liên kết của chúng không thấy được sự khác biệt
của hệ thống ME- Bosch với các thế hệ trước đây:
- Khối cung cấp khí nạp gồm: đường cấp khí chính theo bộ lọc gió và qua cảm biến (CB) đo lưu lượng tới bướm ga (mô đun bướm ga điện tử
ETC-11) và đường cấp khí thứ cấp cho đường khí xả 8,

- Khối cung cấp nhiên liệu gồm bình chứa xăng, bơm xăng điện, vòi phun xăng,
- Khối thoát khí xả gồm: đường dẫn khí xả, cảm biến lamda 16 bước sau bộ xúc tác khí xả 25, đường luân hồi khí trở về khoang khí nạp 12,
- Khối cung cấp điện cho các mạch điều khiển: bình điện, các cảm biến, ECU, mạng cung cấp thông tin toàn bộ hệ thống trên xe (CAN).
- Khối cung cấp điện sử dụng cho hệ thống được miêu tả trên hình 3 gồm: các tín hiệu vào và các tín hiệu ra và ECU của hệ thống quản lý sự
làm việc của động cơ với ME- Motronic 7.1 của Bosch. Sơ đồ chỉ ra cho thấy các cấu trúc của mạng điện cũng không có gì đặc biệt, ngoại trừ
kênh thông tin nội bộ CAN (controller Area Network- giao tiếp với các hệ thống khác chẳng hạn như tay số truyền trong hệ thống truyền
lực).


1. Bình tích xăng bay hơi
3. Bộ lọc hơi xăng
5. Vòi phun xăng và đường cấp
7. CB vị trí trục cam
9. Rơ le cấp khí thứ cấp
11. Bướm ga (ETC)
13. CB kích nổ
15. CB nhiệt độ động cơ
17. ECU động cơ
19. Đèn báo sự cố
21. Cảm biến áp suất bình xăng
23. Mô đun chân ga điện tử
25. Bộ lọc khí xả

Hình 2: Sơ đồ hệ thống ME- Motronic của động cơ V6 trên ô tô Audi
2. Van điều khiển
4. CB áp xuất đường nạp
6. Biến áp đánh lửa và nến điện
8. Bơm cấp khí thứ cấp
10. CB đo lượng cấp khí
12. Van cấp khí xả (ERG)

14. CB tốc độ trục khuỷu
16. CB Lamda
18. Đầu nối chẩn đoán
20. Đường nối điện khác
22. Bơm xăng trong thùng
24. Bình điện
26. Khóa điện

Hình 3: Sơ đồ mạch điều khiển điện và ECU
Các tín hiệu vào bao gồm:
Tốc độ ô tô;
Vị trí số truyền của hộp số;
Vị trí trục cam;
Tốc độ và vị trí trục khuỷu;
Từ cảm biến ôxy kép (nằm hai bên của bộ chuyển đổi xúc tác, động cơ ‘V’ có 4 bộ cảm biến);


Từ cảm biến kích nổ;
Nhiệt độ nước làm mát;
Từ cảm biến nhiệt độ không khí nạp;
Điện áp ắc quy;
Lưu lượng khí nạp (cùng với việc xác định dao động áp suất khí nạp);
Từ cảm biến vị trí bướm ga;
Từ cảm biến vị trí bàn đạp chân ga;
Tương tự như hệ thống quản lý khác gần đây, các tín hiệu ra điều khiển được đưa tới;
Nến điện;
Vòi phun;
Thiết bị hiển thị tốc độ
Rơ le bơm nhiên liệu;
Cảm biến Ô xy khí xả;

Bộ kiểm soát ống góp khí nạp (kiểm soát nạp khí tới các xupap: do chiều dài cấp khí khác nhau, hoặc sự thay đổi các chiều dài
đường nạp khí vào xilanh);
Bộ kiểm soát bay hơi nhiên liệu, đường cấp khí phụ khí và tuần hoàn khí xả (tất cả các bộ kiểm soát khí thải);
Bộ điều khiển điện tử bướm ga.
Hệ thống ME- Motronic của Bosch có hai thành phần quan trọng: cảm biến vị trí của bàn đạp chân ga và bộ điều khiển điện tử bướm ga. Liên
hệ giữa hai thành phần được mô tả trên hình 4.

Hình 4: Liên hệ giữa mô đun chân ga và bộ điều khiển bướm ga
Cảm biến vị trí bàn đạp chân ga
Mô đun chân ga điện tử của xe Audi được trình bày ở hình 5.
Mô đun có hai bộ cảm biến vị trí chân ga nhưng đều cho ra tín hiệu điện chỉ thị giống nhau và không có mạch phản hồi. Dịch chuyển của bàn
đạp chân ga dẫn tới hai bộ biến điện áp dạng quay. Trang bị hai bộ cảm biến với mục đích dự phòng- nếu một bộ bị sự cố, bộ còn lại kia vẫn
cho phép hệ thống hoạt động.
Trong trường hợp cảm biến vị trí bàn đạp chân ga bị sự cố, không còn tồn tại bất kỳ liên kết cơ khí nào giữa bàn đạp chân ga và bướm ga,
đòi hỏi đưa kỹ thuật “giới hạn tối thiểu” vào trong chương trình. Xe Audi sử dụng hai chương trình kỹ thuật khẩn cấp cho mô đun chân ga
điện tử:


Hình 5: Mô đun chân ga điện tử của AUDI
a) Chương trình khẩn cấp #1
Chương trình được thực hiện khi chỉ có một cảm biến vị trí bàn đạp chân ga bị sự cố:
Vị trí của bướm ga bị giới hạn tới giá trị xác định trước đó;
Trong trường hợp các tín hiệu không khớp nhau từ hai cảm biến, giá trị thấp hơn được chon;
- Tín hiệu đèn phanh được hiển thị để chỉ thị: ô tô chỉ chạy tới tốc độ giới hạn xác định trước đó;
Đèn báo lỗi được bật sáng.
b) Chương trình khẩn cấp #2
- Chương trình được thực hiện khi cả hai cảm biến bàn đạp chân ga bị sự cố:
- Động cơ chỉ chạy ở tốc độ chạy chậm;
- Đèn báo lỗi được bật sáng.
Nếu bàn đạp chân ga và bàn đạp phanh cùng bị ấn xuống đồng thời, bướm ga được tự động đưa về giá trị mô men yêu cầu xác định trước

đó. Nếu chỉ bàn đạp phanh bị ấn, bướm ga được kích hoạt về vị trí mở nhỏ.
Bộ điều khiển bướm ga điện tử
Bướm ga điện tử ở trong hệ thống ME- Motronic của Bosch lắp trên xe Audi (hình 6) bao gồm: một động cơ DC, một hộp giảm tốc và hai cảm
biến góc quay bướm ga có mạch điện phản hồi. Giống như mô đun chân ga điện tử, bộ điều khiển bướm ga điện tử sử dụng hai cảm biến
mang tính dự phòng. Tuy nhiên không giống như cảm biến vị trí chân ga điện tử, các cảm biến này có đặc tính trở kháng đối lập với nhau.

Hình 6: Bộ điều khiển và cảm biến vị trí bướm ga
Khi các cảm biến vị trí bướm ga làm việc, ECU xác nhận 4 vị trí chức năng quan trọng của bướm ga:
Vị trí giới hạn cơ khí thấp nhất- bướm ga hoàn toàn đóng;
Vị trí giới hạn điện tử thấp nhất- thấp hơn mức giới hạn sử dụng trong các hoạt động bình thường. Ở vị trí này bướm ga không hoàn
toàn đóng, nhằm ngăn ngừa sự mòn giữa thân và bướm ga;
- Vị trí làm việc khẩn cấp- vị trí của bướm ga khi nó không được cấp năng lượng điều khiển. Vị trí này cho phép luồng không khí cấp vừa
đủ để động cơ làm việc cao hơn tiêu chuẩn;
Vị trí giới hạn điện tử cao nhất- bướm ga hoàn toàn mở.


Hệ thống điều khiển có chức năng tự học, nhờ đó các trạng thái làm việc của phần cơ trong bướm ga (độ cứng phần đoàn hồi bướm ga) tự
xác lập theo tốc độ phản ứng của bướm ga.
Như với cảm biến vị trí bàn đạp chân ga, kỹ thuật “giới hạn tối thiểu” cũng được áp dụng cho các chương trình khẩn cấp của bộ chấp hành
bướm ga điện tử. Chúng bao gồm:
a) Chương trình khẩn cấp #1
Chương trình khẩn cấp được thực hiện nếu một cảm biến góc quay bướm ga bị sự cố hoặc tín hiệu của một cảm biến nhận được bị ngờ có sai
sót. Cảm biến đo góc quay bướm ga và lưu lượng khí nạp vào ống nạp được giữ theo giới hạn trước đó.
- Mô men mong muốn yêu cầu từ các hệ thống khác sẽ được bỏ qua (chẳng hạn từ thiết bị kiểm soát phanh bằng động cơ);
Đèn báo lỗi được bật sáng.
b) Chương trình khẩn cấp #2
Chương trình này được thực hiện nếu xuất hiện sự cố hay bị lỗi ở: mô tơ bộ điều khiển bướm ga, ở cả hai cảm biến vị trí bướm ga, hệ thống
được xác lập ở chế độ vị trí làm việc khẩn cấp của bướm ga.
- Bộ điều khiển bướm ga ở trạng thái OFF (mô tơ tắt) để mặc định bướm ga ở vị trí làm việc khẩn cấp;
- Bộ điều khiển đánh lửa sớm, bộ kiểm soát turbo tăng áp được đưa về thực hiện mô men xoắn yêu cầu;

Đèn báo lỗi được bật sáng.
c) Chương trình khẩn cấp # 3
Chương trình này được thực hiện khi không nhận biết được vị trí của bướm ga hoặc nếu vị trí của bướm ga không được xác định chắc chắn,
hệ thống thực hiện theo vị trí làm việc khẩn cấp của bướm ga.
- Bộ điều khiển bướm ga ở trạng thái OFF (mô tơ tắt) để mặc định bướm ga ở vị trí làm việc khẩn cấp;
- Tốc độ động cơ được giới hạn trong khoảng 1.200 rpm nhờ bộ kiểm soát phun nhiên liệu;
- Đèn báo lỗi được bật sáng.
Các nhà thiết kế của Bosch đã rất cẩn thận để đảm bảo các sự cố của hệ thống bướm ga điện tử sẽ không gây ra bị đột biến òa ga hoặc động
cơ bị chết máy.
Logic hoạt động của hệ thống ME- MOTRONIC
Như đã nêu ở phần trước, hệ thống Bosch ME- Motronic điều khiển chế độ làm việc của động cơ là công cụ phát triển hoàn thiện từ các hệ
thống điện tử của động cơ trước đó.
Mối quan hệ giữa vị trí bàn đạp chân ga và góc mở bướm ga không còn là cố định, thay vào đó bằng ECU để xác định cần cung cấp theo yêu
cầu bao nhiêu mô men động cơ và sau đó mở bướm ga đến góc mở thích hợp. Việc lựa chọn góc mở bướm ga dựa trên các phần mềm phức
tạp của mô hình mà mô men xoắn cần thiết của động cơ cần đáp ứng tức thời và so sánh nó với mô men yêu cầu cần thiết (không chỉ từ các
yêu cầu của động lực chuyển động của ô tô mà còn có cả các yêu cầu toàn bộ ô tô).
Xe Audi twin turbo V6 (hình 7) là ví dụ của một động cơ được trang bị với hệ thống quản lý ME- Motronic.

Hình 7: Audi V6 và động cơ twin turbo
a) Lô gic điều khiển mô men xoắn
Hệ thống ME- Motronic xác định mô men xoắn yêu cầu để nhằm tới việc thực hiện kiểm soát tổng thể mô men xoắn của động cơ. Theo sơ đồ
trên hình 8 cho thấy: mô men xoắn tổng hợp yêu cầu được chia thành là “bên trong” và “bên ngoài”. Moomen xoắn yêu cầu “bên ngoài” bao
gồm: những từ sự điều khiển của người lái, hệ thống kiểm soát tình hình, hệ thống động lực học chuyển động như hệ thống ASC, VSC. Mô
men xoắn yêu cầu “bên trong” là những yêu cầu bởi các yếu tố bên trong của ECU (kiểm soát động cơ và kiểm soát chế độ chạy chậm,…).Mô
men xoắn tổng hợp yêu cầu sau đó được chuyển thành tín hiệu thông tin đầu ra (theo chương trình lập sẵn- ý đồ chiến lược) theo các địa
chỉ: kiểm soát đường khí nạp, nhiệt độ của bộ chuyển đổi xúc tác khí xả và các cơ cấu thừa hành đảm bảo hoạt động của động cơ bao gồm
cả vị trí làm việc tức thời của bướm ga.


HÌnh 8: Sơ đồ khối tổng quát

Trong các hệ thống kiểm soát động cơ trước đây, khi hệ thống quản lý dùng cho việc điều khiển động cơ bị giới hạn, người lái xe thông qua
những thay đổi cơ học của góc mở bướm ga- thực hiện điều khiển trực tiếp toàn bộ các chế độ làm việc của các xilanh (chỉ tăng giảm nhiên
liệu) hoặc làm tăng thêm mô men xoắn bằng cách thay đổi khối lượng không khí nạp đi tắt qua bướm ga. Cách quản lý này không thích ứng
hoàn hảo với các dạng biến động và những biến động nhỏ thường không được thỏa mãn và đáp ứng nhanh chóng.
Hệ thống ME- Motronic của Bosch quan tâm toàn diện kể cả đối với các biến động tổn thất nội bộ (ma sát, bơm dầu bôi trơn,…), chế độ ký
sinh song hành (tổn thất của trợ lực lái và bơm nước). Các biến động tổn thất nội bộ được quản lý bởi ECU và cho phép tối ưu các đặc tính kỹ
thuật để có được mức độ tổn thất nhỏ, thời gian phun và thời điểm đánh lửa tối ưu đối với bất kỳ giá trị mô men xoắn mong muốn nào, và
còn tính đến các yêu cấu có tính mâu thuẫn giữa tính kinh tế nhiên liệu và chất lượng khí phát thải. Những yêu cầu này được hệ thống đáp
ứng tốt kể cả khi trạng thái thay đổi nhanh (thay đổi đột ngột mô men xoắn, hay khi đảm bảo động cơ làm việc lâu dài ở trạng thái ổn định.
Điều này cho thấy các sự khác nhau cơ bản của các hệ thống trước đây với hệ thống ME- Motronic cua Bosch.
Hệ điều hành kiểm soát đầu tiên của Bosch được gọi là Path Charge.’Charge’ trong ngữ cảnh này dùng để chỉ đến việc điều khiển chế độ
làm việc của động cơ được quy từ lưu lượng của không khí nạp vào trong xilanh. Tại một giá trị của hệ số dư lượng không khí (λ) và góc
đánh lửa sớm, khối lượng không khí tỷ lệ thuận với mô men sinh ra quá trình đốt cháy. Path Charge, có nghĩa là chế độ làm việc của động cơ
được kiểm soát bởi góc mở của bướm ga (tạo mô men động cơ thích hợp), trong khi cố định các thông số khác. Khả năng hoạt động của hệ
thống điều khiển này đối với các thay đổi nhanh bị hạn chế bởi tốc độ điều chỉnh của bộ chấp hành bướm ga và khoảng thời gian di chuyển
không khí trong ống nạp, nó bị kéo dài tới hàng trăm mili giây (ms) ở vận tốc quay thấp của động cơ.
Kỹ thuật ME- Motronic của Bosch này được gọi bằng cái tên hơi kỳ quặc:Crankshaft Suychronous Path. Điều này nói đến các biến động
của mô men xoắn trên trục khuỷu có thể được tạo ra bởi những thay đổi nhanh chóng của thời gian đánh lửa và quy luật phun nhiên liệu, và
hệ số (λ) được sử dụng ở vùng tối ưu. Phương pháp quản lý này của Bosch thể hiện đặc biệt ưu việt ở ô tô hiện đại có EAT, TRC, VDC. Mọi sự
biến động tức thời của tải trọng đặt lên động cơ được kiểm soát và đáp ứng nhanh chóng như: khi thực hiện chuyển số truyền của EAT và khi
đưa VSC vào hoạt động hay khi đảm bảo nâng cao hợp lý lực kéo của TRC trước sự thay đổi của sự bám với mặt đường. Thế mạnh của hệ
thống ME- Motronic của Bosch hiện nay còn là: cho phép tiếp nhận tất cả thông tin đồng thời trực tiếp từ các địa chỉ. Mô men xoắn yêu cầu
của người lái (thông qua vị trí bàn đạp chân ga) được ưu tiên xử lý trong điêu khiển. Chúng bao gồm công việc: kiểm soát, so giới hạn, và
làm mềm các biến đổi đột biến (để đảm bảo kiểm soát sự thay đổi mô men xoắn không xoảy ra quá nhanh). Các chức năng này được định
chuẩn thích hợp với khoảng làm việc của các nhu cầu sử dụng ô tô (ví dụ: mức độ chống giật cao để định chuẩn cho phù hợp với chiếc xe
sang trọng, hoặc điều khiển bướm ga rất nhanh chóng cho phù hợp với xe thể thao).
Ngoài mô men xoắn yêu cầu của người lái, các mô men xoắn yêu cầu khác (ví dụ, tăng mô men để vận hành máy nén điều hòa không khí,
hoặc sự giảm mô men yêu cầu theo sự thay đổi độ êm dịu chuyển động) được sử lý và đưa mô men tổng thể yêu cầu, sau đó xác định lượng
khí nạp cần thiết phù hợp với mô men tổng thể yêu cầu. Lượng khí nạp cần thiết được ECU tính toán lại cụ thể đối với từng xilanh động cơ
(xa, gần) và đáp ứng chặt chẽ theo nhu cầu. Lượng khí nạp cần thiết đó sẽ còn được tính toán và rút ra từ phụ thuộc vào thời gian đánh lửa,

sự giảm lượng ni tơ ô xit trong khí thải, nội ma sát, hệ số (λ) và các yếu tố khác.
Chỉ có một lượng không khí nạp nhất định đáp ứng tất cả các yêu cầu, nhờ đó góc mở bướm ga được xác lập. Tuy nhiên trong động cơ, góc
mở bướm ga yêu cầu còn phải phụ thuộc vào khối lượng không khí nạp vào thực sự, tức là phụ thuộc vào áp suất trên đường ống nạp, lực
cản đường ống nạp của động cơ. Đối với động cơ turbocharger cả hai điều kiện áp suất và độ mở bướm ga được quan hệ chặt chẽ để tạo nên
khối lượng không khí nạp thực sự phù hợp với yêu cầu của mô men xoắn tổng thể phát ra.
b) Xác định lượng khí nạp vào xilanh động cơ
Theo kỹ thuật truyền thống, khối lượng không khí nằm giữa bộ lọc khí nạp và bướm ga (theo m 3) được sử dụng để đo lượng khí. Tuy nhiên,
việc thiết kế cơ khí của động cơ truyền thống đó là lợi dụng tối đa các kỹ thuật đo trung bình khối lượng khí nạp vào trong xilanh và điều đó
có thể dẫn tới thiếu chính xác.
Trong hệ thống ME- Motronic các cảm biến hiện thời được sử dụng như là số liệu đầu vào trực tiếp của mô hình kiểm soát khí nạp. Các yêu
cầu đối với các mô hình kiểm soát khí nạp là:
- Xác định rõ khối lượng không khí nạp vào động cơ khi tồn tại sóng cộng hưởng và chiều dài đương nạp vào các xilanh khác nhau, cũng như
cho các động cơ sử dụng VVT;
- Xác định hợp lý cho chế độ tuần hoàn khí xả (EGR) của động cơ;
- Tính toán độ mở bướm ga yêu cầu (và cả tốc độ turbo yêu cầu ở động cơ có tăng áp).
Trong khi động cơ đang hoạt động ở trạng thái tải ổn định, khối lượng không khí đo tương đối chính xác: nghĩa là X kg không khí nạp trong
một vài giây đi qua dụng cụ đo lưu lượng, nó có thể được giả định rằng tất cả đi vào trong các xilanh. Tuy nhiên, trong khoảng biến động với
một thời gian nhỏ, vấn đề trở nên phức tạp hơn nhiều. Ví dụ, nếu bướm ga mở đột ngột, buồng chứa khí nạp nhanh chóng được điền đầy.
Khi đó, dụng cụ đo lưu lượng sẽ cung cấp số liệu có sai lệch lớn- lượng khí nạp vào xilanh cao hơn so với thực tế xảy ra. Điều này trên hệ
thống ME- Motronic của Bosch cũng được tính toán nhằm đảm bảo khối lượng khí chảy vào từng xilanh.


Động cơ twin turbo
Do vậy, hệ thống ME- Motronic sử dụng cả giá trị áp suất tuyệt đối của khí nạp (MAP) và dụng cụ đo lưu lượng đầu vào kiểu đốt nóng (HFM).
(Trong một số trường hợp không bố trí cảm biến MAP, phần mềm tính toán đảm nhiệm chức năng này). HFM cùng với hệ thống quản lý MEMotronic của Bosch đã được phát triển với độ chính xác cao, nó đáp ứng tốt hơn hẳn đối với dòng chảy mạch động của khí nạp đi vào xilanh.
Kết luận
hệ thống Bosch ME- Motronic đại diện cho một sự thay đổi lớn trong hệ thống quản lý sự làm việc của động cơ và rất có thể, như là một thay
đổi lớn về sự kết hợp giữa điều khiển góc mở bướm ga, phun nhiên liệu và điều khiển thời gian đánh lửa thành một hệ thống. Thay vì hệ
thống đơn giản truyền thống, hệ thống Bosch ME- Motronic của Bosch đáp ứng được những thay đổi từ tải đặt trên động cơ thông qua việc
quản lý mô men tổng thể yêu cầu, điều khiển góc mở bướm ga, tạo nên mô men đáp ứng nhanh và chính xác. Để động cơ có thể thực hiện

những yêu cầu như ở trên, quyết định rất lớn bởi ECU và các chương trình cài đặt trong nó.
Tác giả: PGS.TS. Nguyễn Khắc Trai
Biên tập : dkqn

Công nghệ mới của động cơ đốt trong: Sử dụng buồng cháy phụ

[29/05/2012]

Tỷ số nén của động cơ xăng lên có thể lên tới 14:1, lượng khí thải NOx xuống gần như bằng 0 và tiết kiệm nhiên liệu khoảng
20% so với các động cơ hiện nay khi sử dụng thêm một buồng cháy phụ.

Trên các động cơ đốt trong thông thường hiện nay, hỗn hợp xăng và không khí được hòa trộn để đưa vào buồng cháy và nén đến áp suất cao
để bugi đánh tia lửa điện đốt cháy hỗn hợp và sinh công để vận hành xe. Tuy nhiên với việc sử dụng thêm buồng cháy phụ ngay trước buồng
cháy chính sẽ giúp động cơ xăng giảm 20% mức tiêu thụ nhiên liệu và lượng NO x trong khí thải gần như bằng 0.


Chúng ta biết tỷ số nén của động cơ tăng sẽ làm tăng được hiệu suất quá trình cháy, tăng công suất động cơ, giảm khí thải độc hại ra môi
trường, tuy nhiên khi tỷ nén làm tăng nguy cơ kích nổ cho động cơ do hỗn hợp xăng và không khí tự bốc cháy. Để giải quyết vấn đề này thì
công ty chuyên sản xuất động cơ MAHLE Powertrain đã đưa ra ý tưởng sử dụng thêm một buồng cháy phụ ngay trước buồng cháy chính để
đốt cháy hỗn hợp xăng và không khí sau đó hỗn hợp cháy này sẽ đóng vai trò “đánh lửa” cho buồng cháy chính, nhờ vậy hỗn hợp xăng và
không khí trong buồng cháy chính sẽ được đốt cháy nhanh hơn và đồng đều hơn, tránh được hiện tượng kích nổ của động cơ.

Cấu tạo của buồng cháy phụ
Buồng cháy phụ chiếm khoảng 2% tổng thể tích buồng cháy. Tại đây vòi phun phụ sẽ phun nhiên liệu để hình thành hỗn hợp xăng và không
khí khi nhiệt độ của hỗ hợp lên tới gần 500C thì bugi bật tia lửa điện để đốt cháy hỗn hợp. Với thể tích nhỏ của buồng cháy phụ sẽ làm cho
việc kiểm soát hiện tượng thoát nhiết, lượng khí thải Hydrocarbon, CO trở nên dễ dàng hơn. Bên cạnh đó hỗn hợp xăng và không khí ở
buồng cháy phụ sẽ được làm đậm hơn so với hỗn hợp ở buồng cháy chính để quá trình cháy xảy ra triệt để hơn nhằm nâng cao hiệu quả của
buồng cháy chính. Sau đó toàn bộ sản phẩm cháy ở buồng cháy phụ sẽ được đưa vào buồng cháy chính thông qua một đường ống nhỏ có
đường kính 1,25mm để đốt cháy hỗn hợp xăng và không khí bên trong buồng đốt chính.

Sự khác nhau trong kết cấu giữa động cơ có buồng cháy phụ và động cơ thông thường
Tương tự nguyên lý vòi phun khi đường kính lỗ phun càng nhỏ thì hỗn hợp càng tơi, vì vậy với đường kính 1,25mm của đường nối giữa buồng
đốt chính và buồng đốt phụ sẽ làm cho hỗn hợp cháy từ buồng đốt phụ được trải đều trong buồng đốt chính làm quá trình cháy trong buồng
đốt chính diễn ra đồng đều với tốc độ cao và có thể cháy trong điều kiện nhiên liệu “nghèo” hơn và giảm hiện tượng kích nổ. Nhờ vậy những
động cơ trang bị vòi buồng cháy phụ có thể nâng tỷ số nén lên đến 14:1 mà vẫn không xảy ra hiện tượng kích nổ trong khi các động cơ xăng
thông thường tỷ số nén chỉ nằm trong khoảng từ 9 đến 10,5. Ngoài ra hiệu suất nhiệt của quá trình cháy được cải thiện đáng kể, có thể đạt
42% trong khi trên các động cơ thông thường chỉ đạt hiệu suất từ 25 - 30%.
Theo những công bố của nhà sản xuất thì hệ thống này có thể hoàn toàn phù hợp với các xe sử dụng nhiên liệu xăng, khí gas hoặc khí
propan.