Chuyên đề cải tiến hệ thống nạp trên động cơ đốt trong
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (7.23 MB, 116 trang )
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Độc lập-Tự do-Hạnh phúc
Bộ mơn Động cơ Ơ tơ
TP. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2018
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên thực hiện: 1. Ôn Thành Đạt
2. Lê Lưu Thành Tâm
MSSV: 14145050
MSSV: 14145248
Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô
Mã ngành đào tạo: ........................
Hệ đào tạo: Đại học chính quy
Mã hệ đào tạo: ..............................
Khóa: 2014 – 2018
Lớp: 141451A
1. Tên đề tài: Chuyên đề cải tiến hệ thống nạp trên động cơ đốt trong.
2. Nhiệm vụ đề tài:
................................................................................................................................................
3. Sản phẩm của đề tài:
................................................................................................................................................
4. Ngày giao nhiệm vụ đề tài: ...........................
5. Ngày hồn thành đề tài: ................................
TRƯỞNG BỘ MƠN
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
i
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Độc lập - Tự do – Hạnh phúc
Bộ môn Động cơ
PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Dành cho giảng viên hướng dẫn)
Họ và tên sinh viên: Ôn Thành Đạt
MSSV: 14145050 Hội đồng: ..............................
Họ và tên sinh viên: Lê Lưu Thành Tâm
MSSV: 14145248 Hội đồng: ..............................
Tên đề tài: Chuyên đề Cải tiến hệ thống nạp trên động cơ đốt trong
Ngành đào tạo: Công nghệ kỹ thuật ô tô
Họ và tên GV hướng dẫn: Lý Vĩnh Đạt
Ý KIẾN NHẬN XÉT
1. Nhận xét về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên (không đánh máy)
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
2. Nhận xét về kết quả thực hiện của ĐATN(khơng đánh máy)
2.1.Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
2.2 Nội dung đồ án:
(Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
2.3.Kết quả đạt được:
...................................................................................................................................................................................
ii
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
2.4. Những tồn tại (nếu có):
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
3. Đánh giá:
1.
2.
Điểm tối
đa
Mục đánh giá
TT
Hình thức và kết cấu ĐATN
Điểm đạt
được
30
Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các mục
10
Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài
10
Tính cấp thiết của đề tài
10
Nội dung ĐATN
50
Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật, khoa
học xã hội…
5
Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá
10
Khả năng thiết kế chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc quy trình
đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế.
15
Khả năng cải tiến và phát triển
15
Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành…
5
3.
Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài
10
4.
Sản phẩm cụ thể của ĐATN
10
Tổng điểm
100
4. Kết luận:
Được phép bảo vệ
Không được phép bảo vệ
TP.HCM, ngày
tháng 07 năm 2018
Giảng viên hướng dẫn
((Ký, ghi rõ họ tên)
iii
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Độc lập - Tự do – Hạnh phúc
Bộ môn Động cơ
PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Dành cho giảng viên phản biện)
Họ và tên sinh viên: Ôn Thành Đạt
MSSV: 14145050 Hội đồng: ..............................
Họ và tên sinh viên: Lê Lưu Thành Tâm
MSSV: 14145248 Hội đồng: ..............................
Tên đề tài: Chuyên đề Cải tiến hệ thống nạp trên động cơ đốt trong
Ngành đào tạo: Công nghệ kỹ thuật ô tô
Họ và tên GV phản biện: Huỳnh Quốc Việt
Ý KIẾN NHẬN XÉT
1. Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
2. Nội dung đồ án:
(Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
3. Kết quả đạt được:
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
4. Những thiếu sót và tồn tại của ĐATN:
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
5. Câu hỏi:
iv
.................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................
6. Đánh giá:
1.
2.
Điểm tối
đa
Mục đánh giá
TT
Hình thức và kết cấu ĐATN
Điểm đạt
được
30
Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các mục
10
Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài
10
Tính cấp thiết của đề tài
10
Nội dung ĐATN
50
Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật, khoa
học xã hội…
5
Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá
10
Khả năng thiết kế, chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc quy trình
đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế.
15
Khả năng cải tiến và phát triển
15
Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành…
5
3.
Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài
10
4.
Sản phẩm cụ thể của ĐATN
10
Tổng điểm
100
7. Kết luận:
Được phép bảo vệ
Không được phép bảo vệ
TP.HCM, ngày
tháng 07 năm 2018
Giảng viên phản biện
((Ký, ghi rõ họ tên)
v
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập-Tự do-Hạnh phúc
Bộ mơn Động cơ Ơ tơ
XÁC NHẬN HỒN THÀNH ĐỒ ÁN
Tên đề tài: Chuyên đề cải tiến hệ thống nạp trên động cơ đốt trong.
Họ và tên sinh viên: 1. Ơn Thành Đạt
2. Lê Lưu Thành Tâm
MSSV: 14145050
MSSV:14145248
Ngành: Cơng nghệ kỹ thuật ô tô
Sau khi tiếp thu và điều chỉnh theo góp ý của Giảng viên hướng dẫn, Giảng viên phản
biện và các thành viên trong Hội đồng bảo vệ. Đồ án tốt nghiệp đã được hoàn chỉnh đúng
yêu cầu về nội dung và hình thức.
Chủ tịch Hội Đồng:
___________________________
___________
Giảng viên hướng dẫn:
___________________________
___________
Giảng viên phản biện:
___________________________
___________
TP. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2018
vi
Lời cảm ơn
Tác giả xin cảm ơn quý thầy từ bộ môn Động cơ, cũng như các thầy cô trong khoa
Cơ Khí Động Lực, trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, các thầy
đã dìu dắt hướng dẫn tác giả trong suốt quá trình học tập. Được các q thầy cơ tận tình
chỉ dạy và giúp đỡ từ những kiến thức chuyên môn trong nhà trường đến thực tiễn trong
cuộc sống đã giúp tác giả tiếp cận gần hơn và hiểu biết rõ hơn về ngành nghề mà mình đã
chọn. Từ những nền tảng kiến thức và hiểu biết vững chắc đó đã giúp tác giả hoàn thành
tập đồ án này và là hành trang để tác giả bước vào đời. Hơn hết nhóm gửi lời cảm ơn sâu
sắc đến Phó giáo sư Lý Vĩnh Đạt, giảng viên hướng dẫn đề tài, người thầy đã tận tình
hướng dẫn, chỉ bảo kịp thời những sai sót và khuyết điểm, tạo điều kiện, động viên và
giúp đỡ tác giả rất nhiều về mặt kiến thức cũng như tinh thần để tác giả vượt qua những
giai đoạn khó khăn trong quá trình thực hiện đồ án này. Bên cạnh đó tác giả cũng xin gửi
lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè đã hết lịng ủng hộ, giúp đỡ và góp ý cho tác giả trong
suốt q trình thực hiện. Mặc dù đã rất cố gắng và nỗ lực nhiều, nhưng do kiến thức ít ỏi
cũng như thời gian nghiên cứu là có hạn nên những thành quả đạt được khơng tránh khỏi
những thiếu sót. Do đó tác giả kính mong nhận được những sự đóng góp, chỉ dạy của q
thầy cơ để tác giả hồn thiện đồ án được tốt hơn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2018
Nhóm sinh viên thực hiện
LÊ LƯU THÀNH TÂM
ÔN THÀNH ĐẠT
vii
LỜI NÓI ĐẦU
Từ khi động cơ đốt trong xuất hiện lần đầu năm 1876 do Nicolaus Otto phát minh
cho đến nay động cơ đốt trong đã có nhiều thay đổi. Nhiều hệ thống khác ra đời như đánh
lửa điện tử, phun xăng trực tiếp, … Cùng với quá trình phát triển các hệ thống khác trên
động cơ thì hệ thống nạp luôn được các hãng chú trọng cải thiện, nâng cấp những hệ
thống cũ và cho ra đời những hệ thống mới. Xu hướng phát triển của các hãng hiện nay là
chế tạo động cơ với dung tích xilanh vừa phải, khơng q lớn, và tích hợp những hệ
thống nạp mới như tăng áp hay thay đổi thời điểm đóng mở xupap, thay đổi độ nhấc của
xupap để cải thiện đáng kể về khí xả gây ơ nhiễm mơi trường, suất tiêu hao nhiên liệu và
hiệu suất động cơ. Ngoài ra các hãng đang nghiên cứu công nghệ mới như động cơ không
trục cam, công nghệ này mang nhiều ưu điểm nhưng khuyết điểm cũng khơng ít.
Với việc trang bị những công nghệ nạp mới giúp cho động cơ nâng cao công suất,
momen xoắn, giảm tiêu thụ nhiên liệu. Một động cơ có dung tích nhỏ trang bị cơng nghệ
nạp có cơng suất phát ra bằng với một động cơ nạp thơng thường dung tích lớn hơn
nhiều. Nhận thấy những tiến bộ phát triển của hệ thống nạp trong thời điểm hiện tại là rất
lớn, nhóm tác giả quyết định chọn đề tài “CHUYÊN ĐỀ CẢI TIẾN HỆ THỐNG NẠP
TRÊN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG”
viii
MỤC LỤC
Lời cảm ơn ........................................................................................................................... v
Lời nói đầu .......................................................................................................................... vi
Mục lục ..............................................................................................................................vii
Danh mục chữ viết tắt và ký hiệu ........................................................................................ x
Danh mục các hình.............................................................................................................. xi
Danh mục các bảng ........................................................................................................... xvi
Chương 1. Dẫn nhập .......................................................................................................... 1
1.1. Lý do chọn đề tài........................................................................................................... 1
1.2. Đối tượng nghiên cứu ................................................................................................... 1
1.3. Phương pháp nghiên cứu .............................................................................................. 1
1.4. Giới hạn đề tài ............................................................................................................... 2
1.5. Nội dung đề tài .............................................................................................................. 2
Chương 2. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình nạp ....................................................... 3
2.1. Khái quát về quá trình nạp ............................................................................................ 3
2.1.1. Khái niệm quá trình nạp ...................................................................................... 3
2.1.2. Hiệu suất nạp ....................................................................................................... 3
2.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất nạp ........................................................................ 4
2.2.1. Ảnh hưởng của sự chuyển động thuận nghịch dịng khí
(quasi-static effects) ............................................................................................................. 4
Ảnh hưởng của tỷ số áp suất nạp và xả, tỷ số nén .................................................. 4
2.2.2. Ảnh hưởng của động lực học .............................................................................. 4
Tổn hao do ma sát ................................................................................................... 5
Hiệu ứng RAM ....................................................................................................... 6
Khí nạp đi ngược về đường nạp (backflow) ........................................................... 6
Hiệu chỉnh đường nạp/xả (tunning) ........................................................................ 6
2.2.3. Ảnh hưởng của xupap ......................................................................................... 8
2.2.4. Ảnh hưởng của hình dạng đường ống nạp ........................................................ 10
Chương 3. Các phương pháp cải thiện hiệu suất nạp .................................................. 18
ix
3.1. Tăng áp........................................................................................................................ 18
3.1.1. Supercharger ...................................................................................................... 20
3.1.2. Turbocharger ..................................................................................................... 23
3.1.3. Turbo kép .......................................................................................................... 28
3.1.4. Turbo hình dạng biến thiên (Variable Geomertry Turbocharger – VGT) ........ 34
3.1.5. Turbo dòng biến thiên (Variable Flow Turbocharger – VFT) .......................... 40
3.2. Công nghệ xupap biến thiên (Variable Valve Timing – VVT) .................................. 42
3.2.1. Các trạng thái điều chỉnh của xupap ................................................................. 42
Xupap nạp đóng muộn (Late Intake Valve Closing – LIVC)............................... 44
Xupap nạp đóng sớm (Early Intake Valve Closing – EIVC) ............................... 45
Xupap nạp mở muộn (Late Intake Valve Open – LIVO) ..................................... 45
Xupap nạp mở sớm (Early Intake Valve Open – EIVO) ...................................... 46
Xupap xả đóng muộn (Late Exhaust Valve Closing – LEVC)............................. 47
Xupap xả đóng sớm (Early Exhaust Valve Closing – EEVC) ............................. 48
Xupap xả mở sớm (Early Exhaust Valve Open – EEVO) .................................... 49
Xupap xả mở muộn (Late Exhaust Valve Open – LEVO) ................................... 49
3.2.2. Hệ thống VVT-i của Toyota.............................................................................. 51
3.2.3. Dual VVT-i........................................................................................................ 54
3.2.4. VVT-iw ............................................................................................................. 60
3.2.5. Thay đổi độ nhấc bằng cách thay đổi biên dạng cam
(công nghệ VTEC của Honda)........................................................................................... 69
3.2.6. Các công nghệ xupap biến thiên khác ............................................................... 71
Thay đổi độ nhấc bằng cách kết hợp thay đổi giai đoạn cam và
biên dạng cam (công nghệ Variocam Plus của Porsche) ................................................... 71
VVTL-i ................................................................................................................. 71
Bộ chấp hành điều khiển xupap biến thiên toàn phần bằng trục cam
(Fully Variable Valve Actuation - FVVA) ........................................................................ 75
Điều khiển xupap không trục cam kiểu cơ khí (Camless VVA) .......................... 78
x
Xupap điều khiển bằng điện từ ............................................................................. 78
Điều khiển xupap bằng điện thuỷ lực (Electro Hydraulic Valve Actuation) ....... 80
Điều khiển xupap bằng điện khí nén (Electro Pneumatic Valve Actuation) ........ 81
3.4. Công nghệ đường ống nạp biến thiên T-VIS (Toyota Variable Induction System)
và thay đổi chiều dài đường ống nạp ACIS (Acoustic Control Intake System) ............... 82
3.4.1. Công nghệ đường ống nạp biến thiên T-VIS .................................................... 82
3.4.2. Công nghệ thay đổi chiều dài đường ống nạp ACIS......................................... 85
Chương 4. Những công nghệ đang được áp dụng ........................................................ 89
4.1. Công nghệ trên Honda Civic 1.5 Turbo ...................................................................... 89
4.2. Động cơ Ecoboost của Ford ........................................................................................ 90
4.3. Động cơ Dynamic Force và hệ thống phun nhiên liệu D-4S của Toyota ................... 92
4.4. Công nghệ Skyactiv của Mazda.................................................................................. 93
4.4.1. Skyactiv-G ......................................................................................................... 93
4.4.2. Skyactiv-D ......................................................................................................... 94
4.5. Công nghệ turbo biến thiên VGT ............................................................................... 95
Chương 5. Kết luận và đề nghị ....................................................................................... 97
5.1. Kết luận ....................................................................................................................... 97
5.2. Đề nghị ........................................................................................................................ 97
Tài liệu tham khảo ........................................................................................................... 98
xi
Danh mục chữ viết tắt và ký hiệu
ACIS
Acoustic Control Induction System
BDC
Bottom Dead Center
ECM
Engine Control Module
ECU
Engine Control Unit
EEVC
Early Exhaust Valve Close
EEVO
Early Exhaust Valve Open
EIVC
Early Intake Valve Close
EIVO
Early Intake Valve Open
GDI
Gasoline Direct Injection
LEVC
Late Exhaust Valve Close
LEVO
Late Exhaust Valve Open
LIVC
Late Intake Valve Close
LIVO
Late Intake Valve Open
T-VIS
Toyota Variable Induction System
TDC
Top Dead Center
VGT
Variable Geometry Turbocharger
VTEC
Variable Timing Electronic Control
VVT
Vaiable Valve Timing
VVT-i
Variable Valve Timing - intelligent
VVT-iw
Variable Valve Timing – intelligent wide
xii
Danh mục các hình
Hình 2.1. Sự giảm áp suất trên đường ống nạp ............................................................ 5
Hình 2.2. Sóng áp thấp lan truyền trong đường nạp ..................................................... 6
Hình 2.3. Sóng áp cao phản xạ về phía cửa nạp ........................................................... 7
Hình 2.4. Các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất nạp........................................................ 8
Hình 2.5. Tỷ số thay đổi thể tích xilanh, mơi chất di chuyển qua xupap Am
và đồ thị vận tốc dịng khí theo góc quay trục khuỷu. ................................................ 10
Hình 2.6. Đường ống có đường kính khơng đổi ......................................................... 10
Hình 2.7. Đường ống có đường kính giảm ................................................................. 11
Hình 2.8. Đường ống có đường kính tăng .................................................................. 11
Hình 2.9. Lịng ống có độ nhẵn cao ............................................................................ 11
Hình 2.10. Lịng ống có độ nhẵn thấp ........................................................................ 12
Hình 2.11. Đường ống có tiết diện vng .................................................................. 12
Hình 2.12. Đường ống có tiết diện trịn ...................................................................... 12
Hình 2.13. Đường ống có tiết diện một phần hình trịn.............................................. 13
Hình 2.14. Chuyển hướng 90o với góc vng ............................................................ 13
Hình 2.15. Chuyển hướng 90o với góc được bo trịn.................................................. 13
Hình 2.16. Chuyển hướng 90o với góc được vạt xéo ................................................. 14
Hình 2.17. Rẽ nhánh chữ T với góc vng................................................................. 14
Hình 2.18. Rẽ nhánh chữ T với góc được bo trịn ...................................................... 15
Hình 2.19. So sánh tiết diện 2 loại nối chữ T ............................................................. 15
Hình 2.20. Rẽ nhánh chữ T với phần đáy lõm............................................................ 15
Hình 2.21. Đường đi của mơi chất được duy trì tiết diện ........................................... 16
Hình 2.22. Rẽ nhánh chữ F ......................................................................................... 16
Hình 2.23. Rẽ nhánh chữ Y ........................................................................................ 17
Hình 3.1. So sánh tăng áp và lấy gió tự nhiên ............................................................ 18
Hình 3.2. Các loại máy nén (a) Kiểu cánh gạt, (b) Kiểu cánh quay ........................... 20
Hình 3.3. Máy nén kiểu cánh trượt ............................................................................. 21
Hình 3.4. Đồ thị áp suất thể tích van cánh trượt ......................................................... 22
Hình 3.5. hoạt động của van nối tắt điều khiển bởi ECU ........................................... 23
xiii
Hình 3.6. Bánh turbine và bánh nén ........................................................................... 24
Hình 3.7. Mặt cắt của turbo ........................................................................................ 25
Hình 3.8. Mặt cắt của phần turbine ............................................................................ 26
Hình 3.9. Mặt cắt của phần nén khí ............................................................................ 26
Hình 3.10. Các chế độ làm việc của van nối tắt ........................................................ 28
Hình 3.11. Động cơ V sử dụng twin turbo đặt song song .......................................... 28
Hình 3.12. Động cơ BMW xilanh thẳng hàng sử dụng twin turbo đặt song song ..... 29
Hình 3.13. Động cơ bugati Veyron sử dụng bốn turbo .............................................. 30
Hình 3.14. Turbo kép đặt nối tiếp ............................................................................... 30
Hình 3.15. Turbo kép hai chế độ ................................................................................ 31
Hình 3.16. turbo nhỏ hoạt động .................................................................................. 31
Hình 3.17. Cả turbo nhỏ và turbo lớn hoạt động ........................................................ 32
Hình 3.18. Chỉ turbo lớn hoạt động ............................................................................ 32
Hình 3.19. Kết hợp turbocharger và supercharger ..................................................... 33
Hình 3.20. Sơ đồ kết hợp twochargers ....................................................................... 33
Hình 3.21. Các thơng số của lưu chất trong ống ........................................................ 35
Hình 3.22. Các kích thước A và R của turbo.............................................................. 36
Hình 3.23. Cấu tạo turbine của VGT .......................................................................... 37
Hình 3.24. Độ mở của các cánh điều tiết thay đổi...................................................... 37
Hình 3.25. Sơ đồ bộ chấp hành VGT kiểu chân khơng .............................................. 38
Hình 3.26. Kiểu buồng chấp hành dùng lo xo ............................................................ 38
Hình 3.27. Cấu tạo van solenoid của bộ chấp hành VGT thủy lực ............................ 39
Hình 3.28. Đường dầu trong van solenoid ................................................................. 39
Hình 3.29. Hoạt động của bộ chấp hành điện............................................................. 40
Hình 3.30. Hệ thống điều khiển VGT ........................................................................ 40
Hình 3.31. Hai chế độ hoạt động của VFT ................................................................. 41
Hình 3.32. Đồ thị PV của động cơ 4 kỳ thơng thường ............................................... 43
Hình 3.33. Ảnh hưởng của LIVC lên đồ thị P-V........................................................ 44
Hình 3.34. Ảnh hưởng của EIVC lên đồ thị P-V........................................................ 45
Hình 3.35. Ảnh hưởng của LIVO lên đồ thị P-V ....................................................... 46
xiv
Hình 3.36. Ảnh hưởng của EIVO lên đồ thị P-V ....................................................... 47
Hình 3.37. Ảnh hưởng của LEVC lên đồ thị P-V ...................................................... 48
Hình 3.38. Xupap xả đóng sớm .................................................................................. 48
Hình 3.39. Ảnh hưởng của EEVO lên kỳ cháy giãn nở ............................................. 49
Hình 3.40. Xupap xả mở muộn .................................................................................. 50
Hình 3.41. Độ mở của xupap theo góc trục khuỷu ..................................................... 50
Hình 3.42. Bộ điều khiển VVT-i ................................................................................ 51
Hình 3.43. Van dầu VVT-i ......................................................................................... 52
Hình 3.44. VVT-i điều khiển mở sớm ........................................................................ 52
Hình 3.45. VVT-i điều khiển mở trễ .......................................................................... 53
Hình 3.46. VVT-i điều khiển giữ ............................................................................... 53
Hình 3.47. Các chế độ tải và tốc độ của động cơ ....................................................... 54
Hình 3.48. Hệ thống Dual VVT-i ............................................................................... 55
Hình 3.49. Cơ cấu chấp hành trục cam nạp ................................................................ 55
Hình 3.50. Cơ cấu chấp hành trục cam xả .................................................................. 56
Hình 3.51. Solenoid trục cam nạp .............................................................................. 56
Hình 3.52. Solenoid trục cam xả ................................................................................ 57
Hình 3.53. Tín hiệu hiệu dụng do ECM điều khiển solenoid ..................................... 57
Hình 3.54. Trục cam nạp khi mở sớm ........................................................................ 57
Hình 3.55. Trục cam xả khi mở sớm .......................................................................... 58
Hình 3.56. Trục cam nạp mở trễ ................................................................................. 58
Hình 3.57. Trục cam xả mở trễ ................................................................................... 58
Hình 3.58. Đồ thị đóng mở xupap của VVT-iw, Dual VVT-i ................................... 61
Hình 3.59. Pha phân phối khí của xupap nạp (trắng) và xupap xả (đen) ................... 61
Hình 3.60. Cơ cấu truyền động VVT-iw .................................................................... 62
Hình 3.61. Van điều khiển đặt trong bu-lơng trung tâm ............................................ 62
Hình 3.62. Chốt khóa .................................................................................................. 63
Hình 3.63. Cơ cấu chấp hành VVT-iw ....................................................................... 63
Hình 3.64. Solenoid điều khiển sớm .......................................................................... 64
Hình 3.65. Solenoid điều khiển muộn ........................................................................ 64
xv
Hình 3.66. VVT-i bộ chấp hành loại mới (AR).......................................................... 65
Hình 3.67. VVT-i bộ chấp hành loại truyền thống (GR)............................................ 65
Hình 3.68. Van VVT (AR) ......................................................................................... 66
Hình 3.69. Van VVT (GR) ......................................................................................... 66
Hình 3.70. Hoạt động mở sớm của AR ...................................................................... 67
Hình 3.71. Hoạt động mở sớm của GR ...................................................................... 67
Hình 3.72. Hoạt động mở trễ của AR ......................................................................... 68
Hình 3.73. Hoạt động mở trễ của GR ......................................................................... 68
Hình 3.74. Chế độ tốc độ thấp .................................................................................... 69
Hình 3.75. Chế độ tốc độ trung bình .......................................................................... 69
Hình 3.76. Chế độ tốc độ cao ..................................................................................... 70
Hình 3.77. Hệ thống VarioCam Plus và đồ thị độ nhấc xupap của hệ thống ............. 71
Hình 3.78. Cấu tạo và sơ đồ mạch dầu VVTL-i ......................................................... 73
Hình 3.79. Mô tả hoạt động của VVTL-i ở tốc độ thấp và trung bình ....................... 74
Hình 3.80. Mơ tả hoạt động của VVTL-I ở tốc độ cao .............................................. 75
Hình 3.81. Valvetronic của BMW .............................................................................. 76
Hình 3.82. Hoạt động mở xupap của Valvetronic ...................................................... 77
Hình 3.83. Hoạt động của xupap ................................................................................ 78
Hình 3.84. Cơ cấu chấp hành của Camless điều khiển bằng điện từ.......................... 79
Hình 3.85. Cơ cấu dẫn động xupap điều khiển bằng điện thủy lực............................ 80
Hình 3.86. Cơ cấu điều khiển AVT ............................................................................ 81
Hình 3.87. Giai đoạn hoạt động hệ thống điều khiển xupap bằng khí nén ................ 81
Hình 3.88. Đồ thị so sánh xupap được dẫn động bằng cam thơng thường
và bằng khí nén............................................................................................................ 82
Hình 3.89. Đường momen theo tốc độ khi van điều tiết khí nạp mở và đóng ........... 83
Hình 3.90. Cấu tạo đường nạp của hệ thống T-VIS ................................................... 83
Hình 3.91. Bộ chấp hành chân khơng và van điều tiết khí nạp .................................. 84
Hình 3.92. Tổng thể hệ thống T-VIS .......................................................................... 84
Hình 3.93. Cấu tạo van chân khơng............................................................................ 85
Hình 3.94. Sơ đồ mạch điều khiển ACIS ................................................................... 85
xvi
Hình 3.95. Sơ đồ ECU điều khiển ACIS .................................................................... 86
Hình 3.96. Van điều khiển khí nạp ............................................................................. 87
Hình 3.97. Hoạt động của VSV khi tải lớn trong phạm vi tốc độ thấp ...................... 87
Hình 3.98. Hoạt động của ACIS khi tải lớn tốc độ trung bình ................................... 88
Hình 3.99. Hoạt động của ACIS khi tải nhẹ, cầm chừng, tốc độ cao ......................... 88
Hình 4.1. Honda Civic 2017 ....................................................................................... 89
Hình 4.2. Động cơ trên Civic 1.5 Turbo ..................................................................... 89
Hình 4.3. Động cơ ECO Boost 3 xilanh 1l của Ford .................................................. 90
Hình 4.4. Động cơ biturbo trên Ford Everest 2018 .................................................... 91
Hình 4.5. So sánh động cơ i4 2.0 biturbo và i5 3.2 khơng turbo ................................ 91
Hình 4.6. Khả năng tạo xốy lốc tốt của động cơ Dynamic Force ............................. 92
Hình 4.7. Hai hệ thống kim phun của hệ thống D-4S ................................................ 92
Hình 4.8. (a) Hệ thống xả thơng thường, (b) Hệ thống xả 4-2-1 của Mazda ............. 93
Hình 4.9. Mức tiêu hao nhiên liệu và momen xoắn được cải thiện ............................ 94
Hình 4.10. Skyactiv-D cải thiện mức tiêu hao nhiên liệu và momen xoắn ................ 94
Hình 4.11. Turbo hai giai đoạn trên động cơ Skyactiv-D .......................................... 95
Hình 4.12. Động cơ Diesel có VGT của Hyundai ...................................................... 96
Hình 4.13. Turbo trên Ford Ranger có bộ chấp hành điện ......................................... 96
Hình 4.14. VGT trên Nissan Navara dùng bộ chấp hành điện ................................... 96
xvii
Danh mục các bảng
Bảng 3.1. Pha phân phối khí thay đổi theo từng chế độ ............................................. 59
Bảng 3.2. Độ mở của từng xupap ở các dải tốc độ ..................................................... 70
Bảng 4.1. Thứ tự công tác của các xilanh ................................................................... 93
xviii
CHƯƠNG 1. DẪN NHẬP
1.1. Lý do chọn đề tài
Động cơ 4 kỳ bao gồm các kỳ: nạp, nén, nổ, xả. Trong đó kỳ nạp là kỳ mơi chất mới
nạp vào động cơ, mơi chất có thể là khơng khí hoặc hịa khí (xăng và khơng khí). Kỳ nén
là nén mơi chất mới nạp vào để môi chất đạt đến áp suất tự cháy (động cơ diesel) làm
giảm thể tích trong buồng đốt, để đến kỳ giản nở sẽ sinh công, Kỳ nổ là kỳ sinh cơng
chính của động cơ đốt trong, để kỳ nổ được hiệu quả các kỳ khác phải hiệu quả. Kỳ xả là
các môi chất nạp sau khi cháy sẽ được thải ra ngoài. Mỗi kỳ đều có tầm quan trọng nhất
định ảnh hưởng đến cơng suất phát ra của động cơ. Kỳ nạp là kỳ khởi đầu cho bốn kỳ,
các yếu tố đánh giá kỳ nạp hiệu quả là hiệu suất nạp, chất lượng môi chất nạp. Bên cạnh
đó kỳ nạp cũng bị nhiều yếu tố tác động làm mất đi tính hiệu quả. Các hãng ô tô luôn suy
nghĩ cho ra đời những giải pháp mới, hệ thống mới cải thiện, tối ưu quá trình nạp, để q
trình nạp ngày cang hồn thiện. Khi q trình nạp hiệu quả thì sẽ giúp nâng cao cơng
suất, nâng cao momen xoắn, cải thiện tính kinh tế nhiên liệu, giảm ô nhiễm môi trường,
khi áp dụng công nghệ nạp mới vào động cơ giúp công suất động cơ tăng cơng suất bằng
với động cơ có dung tích xilanh lớn hơn, đây cũng chính là xu hướng phát triển của các
hãng ô tô hiện nay. Nhận thấy tầm quan trọng của quá trình nạp của động cơ, cũng như
sự phát triển của những hệ thống áp dụng vào kỳ nạp ngày càng nhiều và hiện đại. Tác
giả chọn đề tài “CHUYÊN ĐỀ CẢI TIẾN HỆ THỐNG NẠP TRÊN ĐỘNG CƠ ĐƠT
TRONG”.
1.2. Đối tượng nghiên cứu
Đề tài sẽ tập trung vào tìm hiểu các hệ thống mới áp dụng vào động cơ nhằm tăng
hiệu quả của quá trình nạp. Mỗi hệ thống sẽ được phân tích về những ưu nhược điểm,
nguyên lý hoạt động, cấu tạo, đồng thời so sánh với các hệ thống khác để nhận thấy sự
khác biệt, tính hiệu quả của mỗi hệ thống.
1.3. Phương pháp nghiên cứu
Trong quá trình thực hiện đề tài, tác giả sử dụng một số phương pháp nghiên cứu:
Phương pháp sưu tầm, tìm kiếm tài liệu liên quan.
Phương pháp tìm kiếm, biên dịch tài liệu.
Phương pháp phân tích, tổng hợp, so sánh, đánh giá các tài liệu về các hệ thống
mới.
1
1.4. Giới hạn đề tài
Có rất nhiều cơng nghệ mới nhằm nâng cao công suất động cơ. Tuy nhiên do thời
gian có hạn nên tác giả chỉ tập trung vào các công nghệ liên quan tới hệ thống nạp. Cũng
do kiến thức và giới hạn thời gian, tác giả chỉ nghiên cứu kết cấu cơ khí và nguyên lý vận
hành cơ bản của các công nghệ này mà chưa đi sâu vào tín hiệu điều khiển.
1.5. Nội dung đề tài
Đề tài được chia thành 5 chương:
Chương 1. Dẫn nhập: chương này nêu lý do chọn đề tài, phương pháp nghiên cứu
của tác giả, giới hạn của đề tài và khái quát nội dung từng chương.
Chương 2. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình nạp: chương này trình bày khái
quát về quá trình nạp của động cơ đốt trong, liệt kê các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất
nạp khi chưa có sự can thiệp của các cơng nghệ mới.
Chương 3. Các phương pháp cải thiện hiệu suất nạp: ở chương này phân tích các
cơng nghệ liên quan tới hệ thống nạp về các mặt: cấu tạo, nguyên lý hoạt động, ưu/nhược
điểm.
Chương 4. Những công nghệ đang được áp dụng: chương này liệt kê và phân tích
sơ bộ những cơng nghệ hiện đang có mặt trên các mẫu xe quen thuộc.
Chương 5. Kết luận và đề nghị: ở chương này, tác giả rút ra nhận xét từ những
phân tích ở các chương trước và đưa ra những ý kiến mà tác giả cho là có thể nâng cao
chất lượng đào tạo của Khoa Cơ Khí Động Lực, Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.
Hồ Chí Minh.
2
Chương 2. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI
QUÁ TRÌNH NẠP
2.1. Khái quát về quá trình nạp
2.1.1. Khái niệm quá trình nạp
Q trình nạp là q trình đưa mơi chất mới vào trong lòng xilanh động cơ. Vào đầu
kỳ nén, piston ở điểm chết trên. Tồn bộ thể tích buồng đốt chứa đầy sản vật cháy của kỳ
nổ trước để lại với áp suất cao hơn áp suất khí trời. Áp suất này cịn gọi là áp suất khí sót.
Trục khuỷu tiếp tục quay, thông qua cơ cấu thành truyền kéo piston từ điểm chết trên
xuống điểm chết dưới. Bấy giờ xupap nạp mở, xupap xả đóng. Chuyển động đi xuống
của piston tạo chân khơng trong lịng xilanh do đó áp suất trong lòng xilanh nhỏ hơn áp
suất trên đường ống nạp làm môi chất được nạp vào xilanh. [5]
2.1.2. Hiệu suất nạp
Hiệu suất nạp được sử dụng để đánh giá hiệu quả của động cơ bốn kỳ và chu trình
nạp xả của nó. Hiệu suất nạp được tinh theo cơng thức:
v
2m a
a ,0 v d N
(2-1)
Nếu mật độ khí nạp a,0 đo tại áp suất khí trời thì ηv là hệ số nạp tổng quát của động
cơ. Nếu a,0 đo trong đường ống nạp thì ηv dùng để đo hiệu suất nạp của cụm: xilanh,
cửa nạp, xupap
Hiệu suất nạp bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như dòng chuyển động nhiên liệu, thiết kế
động cơ, các chế độ vận hành của động cơ:
Loại nhiên liệu, tỷ số hòa khí, trọng lượng của phần nhiên liệu bay hơi, nhiệt độ
nhiên liệu bốc hơi.
Hịa khí bị ảnh hưởng bởi nhiệt
Tỷ số áp suất của xả ảnh hưởng đến nạp
Tỷ số nén
Tốc độ động cơ
Thiết kế cửa nạp và xả
Xupap nạp, xả: hình dạng, kích thước, độ nhấc, thời gian nhấc.
Tác động của các yếu tố trong nhóm trên thay đổi bán ổn định, ảnh hưởng của chúng
có thể khơng phụ thuộc tốc độ động cơ hoặc có thể hiện thị theo tốc độ trung bình của
3
động cơ. Đa số các yếu tố trên phụ thuộc vào dịng chảy khơng ổn định, hiện tượng sóng
áp suất cùng với bản chất thay đổi theo thời gian của hiện tượng trao đổi khí. [2]
2.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất nạp
2.2.1. Ảnh hưởng của sự chuyển động thuận nghịch dịng khí (quasi-static
effects)
Hiệu suất nạp của chu trình lý tưởng là hàm bao gồm những biến thay đổi: áp suất
nạp của hịa khí pi, nhiệt độ Ti, tỷ số A/F, tỷ số nén rc, áp suất khí xả pe, trọng lượng phân
tử M và γ chu kỳ. [2]
Ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu, giai đoạn, tỷ số A/F
Trong động cơ đốt trong, nếu trong hệ thống nạp có nhiên liệu dạng khí (và hơi
nước) sẽ làm giảm áp suất riêng phần của khí thấp hơn áp suất riêng phần của hịa khí. Vì
áp suất của hịa khí bằng tổng các áp suất riêng phần như áp suất khơng khí pa,i, áp suất
hơi nhiên liệu pf,i, áp suất hơi nước pw,i. Ta có cơng thức:
pi pa,i pf ,i p w,i
(2-2)
Đối với các nhiên liệu lỏng như xăng ảnh hưởng của hơi nhiên liệu là không đáng kể.
Đối với nhiên liệu dạng hơi như hơi methanol, hiệu suất nạp sẽ giảm do hơi nhiên liệu
trong hịa khí nạp. [2]
Ảnh hưởng của tỷ số áp suất nạp và xả, tỷ số nén
Khi tỷ số áp suất (pe/pi) và tỷ số nén thay đổi, một phần thể tích xilanh bị chiếm chổ
bởi khí dư khi áp suất nạp thay đổi. Do thể tích bị chiếm chổ bởi khí ga dư tăng nên hiệu
suất nạp giảm. ảnh hưởng của tỷ số áp suất được thể hiện qua cơng thức tính hệ số nạp.
M
v
Ma
pi
p a ,0
Ta ,0
Ti
1
1 p e
rc
1 F / A
rc 1 (rc 1 ) pi
1
(2-3)
Khi tỷ số áp suất nạp/áp suất xả bằng 1 thì cơng thức tính hiệu suất nạp trở thành:
M
v
Ma
pi Ta,0
1
pa,0 Ti 1 F / A
(2-4)
2.2.2. Ảnh hưởng của động lực học
Khi dịng khí chuyển động ổn định qua các ống, các buồng, cửa nạp, xupap đều có
ảnh hưởng của ma sát, áp suất, quán tính. Mối quan hệ của những lực này phụ thuộc vận
tốc dịng khí, kích thước hình dạng ống và các điểm nối. Tốc độ động cơ thay đổi, thiết
kế đường ống nạp xả, xupap, cửa nạp xả đều có ảnh hưởng lẫn nhau, một vài thành phần
riêng sẽ ảnh hưởng hiệu suất nạp có thể được xác định. [2]
4
Tổn hao do ma sát
Trong suốt kì nạp, do ma sát trong mỗi bộ phận của hệ thống nạp, áp suất trong
xilanh pc thấp hơn áp suất khí trời patm bằng một lượng phụ thuộc bình phương tốc độ.
Tổng áp suất giảm, bằng tổng áp suất mất trên mỗi phần của hệ thống nạp như: lọc gió,
bộ chế hịa khí và bướm ga, đường nạp, cửa nạp, xupap nạp. Áp suất mất trên mỗi phần
khoảng vài phần trăm, trong khi đó áp suất mất do cửa nạp và xupap nạp là lớn nhất. Kết
quả là áp suất trong xilanh trong suốt kỳ nạp khi piston chuyển động với tốc độ càng lớn
áp suất mất mát có thể lên đến 10-20%, làm cho áp suất thấp hơn áp suất khí trời. [2]
Quan sát đồ thị ta thấy, khi tốc độ động cơ càng cao △p = patm-pr càng tăng, pr là áp
suất trên các nhánh của hệ thống nạp, khi △p càng tăng thì pr càng giảm, do patm khơng
đổi, tức là độ chân không trong các nhánh sẽ tăng lên. Từ đồ thị, ta thấy đường patm-pr dốc
lên hơn so với đường patm – pp, tức là áp suất trên các nhánh pr bị giảm nhiều hơn áp suất
trước khi vào nhánh pp. [2]
Hình 2.1. Sự giảm áp suất trên đường ống nạp
5
Hiệu ứng RAM
Do sự thay đổi của vận tốc piston, của khoảng mở xupap và hình dạng đường ống
nạp nên áp suất trong đường ống nạp cũng có sự thay đổi. Vậy nên để đánh giá hiệu suất
nạp, ta có thể dựa vào áp suất tại cửa nạp trong khoảng thời gian rất ngắn trước khi xupap
nạp đóng. Tại tốc độ động cơ cao, dịng khí có qn tính lớn. Quán tính này tạo áp suất
tại cửa nạp, làm cho dịng khí tiếp tục nạp vào xilanh dù piston đã ở gần điểm chết dưới.
Nói cách khác, hiệu ứng RAM là hiện tượng môi chất được nạp vào xilanh nhờ qn tính
dịng mơi chất chứ khơng phải nhờ lực hút của piston. Tốc độ động cơ càng cao, hiệu ứng
này càng có hiệu quả. Để khai thác tối đa hiệu ứng này, xupap nạp được điều chỉnh đóng
muộn 40 đến 60o sau điểm chết dưới. [2]
Khí nạp đi ngược về đường nạp (backflow)
Việc xupap nạp đóng muộn như đã nói là có lợi ở tốc độ cao tuy nhiên ở tốc độ thấp,
điều này là một nhược điểm. Vì xupap nạp đóng sau khi kỳ nén bắt đầu cho nên sẽ có
một phần mơi chất bị đẩy ra ngồi qua cửa nạp. Lượng mơi chất đi ngược này càng lớn
khi tốc độ động cơ càng thấp. Điều này là khó tránh được nếu muốn tận dụng hiệu ứng
RAM ở tốc độ cao. [2]
Hiệu chỉnh đường nạp/xả (tunning)
Bản chất của việc hút khí nạp vào xilanh là việc lan truyền của sóng áp thấp (lowpressure wave) và phản xạ của sóng áp cao (high-pressure wave). Cụ thể như sau:
Ở kỳ nạp, khi xupap nạp mở và piston đang đi xuống BDC, sóng áp thấp sẽ được tạo
ra ở cửa nạp. Sóng này làn truyền tới cuối đường nạp (resonance pipe). Ở cuối đường nạp
là một ống góp khí (collector). Khí trong ống góp này có áp suất gần bằng áp suất khí
trời. Bấy giờ sóng áp thấp bị phản xạ lại dưới dạng sóng áp cao. Sóng áp cao này tiếp tục
được lan truyền trong đường nạp để đi tới cửa nạp, kéo khí nạp vào trong xilanh.
Hình 2.2. Sóng áp thấp lan truyền trong đường nạp
6
Hình 2.3. Sóng áp cao phản xạ về phía cửa nạp
Hiện tượng tương tự cũng xảy ra ở đường xả. Khác biệt là: sóng được tạo ra ở cửa xả
là sóng áp cao, sóng phản xạ lại ở cuối đường xả là sóng áp thấp có tác dụng hút khí xả từ
trong xilanh ra ngồi.
Nếu sóng áp cao phản xạ đến cửa nạp hoặc sóng áp thấp phản xạ đến cửa xả đúng
thời điểm, việc nạp/xả của động cơ sẽ thuận lợi hơn, từ đó tăng được hiệu suất nạp. Việc
điều chỉnh chiều dài đường nạp/xả sao cho thời điểm trên hợp lý gọi là tunning. Tunning
mang lại 2 lợi ích:
Thứ nhất: ở cuối kì nạp khi piston đã chạm BDC nhưng xupap nạp chưa đóng (đóng
muộn), sóng áp cao vẫn đi tới cửa nạp giúp tăng áp và nạp thêm môi chất vào xilanh.
Thứ hai: trong khoảng trùng điệp cuối xả đầu nạp, sóng áp thấp đi tới cửa xả giúp hút
sạch khí sót trong xilanh ra ngồi dù piston đã chạm TDC.
Như mọi sóng truyền trong khơng khí, sóng áp suất có tốc độ lan truyền bằng tốc độ
âm thanh C = 340 (m/s). Nếu chiều dài đường nạp L là cố định thì ta có khoảng thời gian
từ khi xupap nạp mở đến khi sóng áp cao phản xạ tới cửa nạp là:
t
2L
(s)
C
(2-5)
Tương tự với đường xả có chiều dài L’ ta cũng có
t'
2L '
(s)
C
(2-6)
Khoảng thời gian t, t’ này phải ngắn hơn khoảng thời gian mở của xupap để tránh
hiện tượng xupap đã đóng nhưng vẫn có sóng áp suất phản xạ tới. Mà C là hằng số nên
việc điều chỉnh t, t’ phụ thuộc vào thiết kế của đường nạp/xả.
7
