Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm hệ thống quản lý xy lanh trên động cơ

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

CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM HỆ
THỐNG QUẢN LÝ XY LANH TRÊN ĐỘNG CƠ

MÃ SỐ: T2017- 29TĐ

SKC 0 0 6 0 2 4

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 03/2018


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

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG
QUẢN LÝ XY LANH TRÊN ĐỘNG CƠ
Mã số: T2017- 29TĐ

Chủ nhiệm đề tài: TS. Lý Vĩnh Đạt

TP. HCM, Tháng 03 Năm 2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

N NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM HỆ
THỐNG QUẢN LÝ XY LANH TRÊN ĐỘNG CƠ
Mã số: T2017- 29TĐ

Chủ nhiệm đề tài: TS. Lý Vĩnh Đạt

TP. HCM, Tháng 03 Năm 2018


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

T2017-29TĐ

CÁC THÀNH VIÊN THAM GIA ĐỀ TÀI NGHIÊN
CỨU VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP THỰC HIỆN

Chủ nhiệm đề tài: TS. Lý Vĩnh Đạt
Đơn vị phối hợp thực hiện: Bộ mơn Động cơ, khoa Cơ khí Động lực, trường Đại
học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM

i


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

MS:T2017-29TĐ

MỤC LỤC
Trang
Danh sách thành viên tham gia và đơn vị phối hợp thực hiện................................... i
Mục lục ........................................................................................................................... ii
Danh sách các bảng ...................................................................................................... iv
Danh sách các hình........................................................................................................ v
Danh mục các chữ viết tắt ........................................................................................... ix
Thơng tin kết quả nghiên cứu ..................................................................................... xi
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN ........................................... Error! Bookmark not defined.
1.1 Đặt vấn đề ................................................................. Error! Bookmark not defined.
1.2 Các nghiên cứu trong nƣớc ..................................... Error! Bookmark not defined.
1.3 Các nghiên cứu ngoài nƣớc ..................................... Error! Bookmark not defined.
1.4 Mục đích nghiên cứu .............................................................................................. 5
1.5 Đối tƣợng nghiên cứu ............................................................................................. 6
1.6 Phạm vi nghiên cứu và giới hạn của đề tài .......................................................... 6
1.7 Phƣơng pháp nghiên cứu ....................................................................................... 6
1.8 Nội dung nghiên cứu .............................................................................................. 7
1.9 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ................................................................................ 7
CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................. 8
2.1 Khái quát về hệ thống điều khiển ngắt xi lanh .................................................... 8
2.2 Điều khiển ngắt giảm xi lanh chủ động .............................................................. 19
2.3 Thời điểm ngắt giảm xi lanh ............................................................................... 20
2.4 Phƣơng pháp điều khiển ngắt xi lanh của một số nhà sản xuất ô tô ............... 21

2.5 Đề xuất cơ cấu điều khiển ngắt xi lanh trên động cơ Hyundai G4EK ............ 30
2.6 Tổng quan cơ cấu điều khiển ngắt xi lanh ......................................................... 31
2.7 Kết luận ................................................................................................................. 31
CHƢƠNG 3 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG NGẮT XI LANH TRÊN
ĐỘNG CƠ HYUNDAI G4EK ........................................ Error! Bookmark not defined.
3.1 Khảo sát cơ cấu phân phối khí động cơ Hyundai G4EK. .............................. 35

ii


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

MS:T2017-29TĐ

3.2 Hệ thống điều khiển động cơ Hyundai G4EK. .................................................. 36
3.3 Nghiên cứu thiết kế cơ cấu ngắt xi lanh trên động cơ ...................................... 37
3.4 Chế tạo và lắp đặt lên động cơ hoàn chỉnh ........................................................ 47
CHƢƠNG 4 CHẾ TẠO BOARD MẠCH ĐIỀU KHIỂN NGẮT XI LANH
ĐỘNG CƠ HYUNDAI G4EK .................................................................................... 50
4.1 Thiết kế board mạch để điều khiển hệ thống. ....... Error! Bookmark not defined.
4.2 Lƣu đồ thuật toán điều khiển cơ cấu ngắt xi lanh ............................................ 61

4.3 Lắp đặt board mạch điều khiển ngắt xi lanh trên động cơ Hyundai G4EKError! Bookm
CHƢƠNG 5 THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ................................... 70
5.1 Thiết lập thử nghiệm. ........................................................................................... 70
5.2 Đánh giá kết quả thử nghiệm .............................................................................. 72
5.3 Kết luận. ................................................................................................................ 77
CHƢƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ................................................................... 79
6.1 Kết luận ................................................................................................................. 79
6.2 Hƣớng phát triển của đề tài: ............................................................................... 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 80
PHỤ LỤC ........................................................................ Error! Bookmark not defined.

iii


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

MS:T2017-29TĐ

DANH SÁCH CÁC BẢNG
Trang
Bảng 2.1: Đặc tính tiêu hao nhiên liệu SFC: Specific Fuel Consumption ................17
Bảng 4.1: Bảng thông số kỹ thuật của Arduino Uno R3...........................................54
Bảng 4.2: Thông số kỹ thuật của Rotary Volume Encoder ......................................59
Bảng 5.1 Thông số kỹ thuật của động cơ Hyundai Accent G4EK. ..........................70

iv


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

MS:T2017-29TĐ

DANH SÁCH CÁC HÌNH
Trang
Hình 1.1: Ngắt xi lanh trên động cơ thơng thường .....................................................2
Hình 1.2: Ngắt xi lanh thông qua con đội thuỷ lực .....................................................3
Hình 1.3: Cơ cấu ngắt xi lanh của K. J. DOUGLAS ..................................................4
Hình 1.4: Điều khiển ngắt xi lanh trực tiếp bằng điện ................................................5

Hình 2.1: Cơng nghệ ngắt xi lanh trên động cơ V6 ....................................................8
Hình 2.2: Solenoid điều khiển các xú páp đóng hồn tồn .........................................9
Hình 2.3: (a) Khơng ngắt xi lanh, (b) ngắt xi lanh ....................................................10
Hình 2.4: Ngắt xi lanh bất kỳ trên động cơ V8 của hãng GM ..................................11
Hình 2.5: Các chế độ hoạt động ngắt xi lanh động cơ ..............................................12
Hình 2.6: Sự tiết kiệm nhiên liệu khi ngắt xi lanh động cơ ......................................13
Hình 2.7: So sánh hai chế độ làm việc của động cơ .................................................14
Hình 2.8: So sánh tổn hao cơ giới trong 2 chế độ làm việc của động cơ ..................15
Hình 2.9: So sánh hiệu quả kinh tế nhiên liệu khi ngắt xi lanh ................................16
Hình 2.10: Biểu đồ đặc trưng cho hiệu suất của động cơ .........................................17
Hình 2.11: Đồ thị cơng P-V của động cơ xăng .........................................................18
Hình 2.12: Ngắt các xú páp bằng dầu thủy lực .........................................................19
Hình 2.13: Ngắt các xú páp bằng điện từ ..................................................................20
Hình 2.14: Ngắt xi lanh bất kỳ trên động cơ V8 của hãng GM ................................20
Hình 2.15: Vị trí ngắt xi lanh trên đồ thị cơng ..........................................................21
Hình 2.16: Đồ thị đặc tính cơng suất-mơ men động cơ V6 3.5L của Honda............22
Hình 2.17: Các chế độ hoạt động của xe ...................................................................23
Hình 2.18: Mạch dầu điều khiển ngắt xi lanh ...........................................................23
Hình 2.19: Chế độ xi lanh hoạt động bình thường ....................................................24
Hình 2.20: Chế độ ngắt xi lanh .................................................................................24
Hình 2.21: Điều khiển ngắt xi lanh bằng điện của Audi. ..........................................26
Hình 2.22: Các chế độ ngắt xi lanh của Audi ...........................................................26

v


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

MS:T2017-29TĐ

Hình 2.23: Ngắt phun xăng và đánh lửa trên xi lanh ngừng hoạt động ....................27
Hình 2.24: Động cơ V8 5.7L HEMI với hệ thống MD .............................................28
Hình 2.25: Cấu tạo con đội thủy lực .........................................................................29
Hình 2.26: Sơ đồ khối điều khiển ngắt xi lanh .........................................................30
Hình 2.27: Cơ cấu điều khiển ngắt xi lanh ................................................................31
Hình 2.28: Thiết kế phần cơ khí cơ cấu điều khiển ngắt xi lanh ..............................32
Hình 2.29: Thiết kế sơ bộ cơ cấu điều khiển ngắt xi lanh.........................................32
Hình 2.30: Mơ phỏng hệ thống điều khiển sau khi lắp ghép ....................................33
Hình 3.1: Động cơ Hyundai G4EK. ..........................................................................35
Hình 3.2: Cơ cấu phân phối khí trên động cơ Hyundai G4EK. ................................36
Hình 3.3: Sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ. ..........................................................36
Hình 3.4: Cấu tạo bệ đỡ cơ cấu ngắt xi lanh. ............................................................38
Hình 3.5: Gối đỡ trục cam, nắp đỡ trục cam. ............................................................39
Hình 3.6: Nửa trục cam ngắt xi lanh số 1. ................................................................40
Hình 3.7: Nửa trục cam ngắt xi lanh số 4. ................................................................40
Hình 3.8: Cấu tạo các gối đỡ trục cị mổ...................................................................41
Hình 3.9: Cấu tạo cị mổ thứ cấp...............................................................................42
Hình 3.10:Bánh vít và trục vít dẫn động trực tiếp trục cam. .....................................42
Hình 3.11:Gối đỡ trục vít dẫn động trực tiếp trục cam. ............................................43
Hình 3.12: Khố bánh vít trên trục cam. ...................................................................43
Hình 3.13: Khớp trượt nối 2 bán trục cam ................................................................43
Hình 3.14: Càng chuyển hướng khớp trượt. .............................................................44
Hình 3.15:Gối đỡ trục càng chuyển hướng. ..............................................................44
Hình3.16: Đĩa lị xo hồi vị trục cam. .........................................................................45
Hình 3.17: Bánh vít và trục vít của bộ giảm tốc từ mơ tơ điều khiển.. .....................45
Hình 3.18: Trục của bánh vít.....................................................................................45
Hình 3.19: Gối đỡ trục vít bộ truyền. ........................................................................46
Hình 3.20: Gối đỡ trục bánh vít bộ truyền. ...............................................................46
Hình 3.21: Hộp bộ truyền bánh vít, trục vít từ mô tơ ...............................................46

vi


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

MS:T2017-29TĐ

Hình 3.22: Cấu tạo nắp máy trung gian. ...................................................................47
Hình 3.23: Cơ cấu sau khi đã gia cơng. ....................................................................47
Hình 3.24: Cơ cấu sau khi đã lắp ráp lại. ..................................................................48
Hình 3.25:Động cơ điện 12V DC dùng để điều khiển cơ cấu ngắt xy lanh..............48
Hình 3.26: Cơ cấu ngắt xi lanh được lắp lên động cơ...............................................49
Hình 4.1: Nguyên lý hoạt động mạch cầu H sử dụng để điều khiển mơ tơ. .............50
Hình 4. 2: Mạch cầu H điều khiển động cơ – giả lập trên Proteus. ..........................51
Hình 4.3: Mạch nguồn 5V cho vi xử lí và cảm biến. ................................................52
Hình 4. 4: Mạch điều khiển ngắt kim phun...............................................................52
Hình 4. 5: Vi xử lý Arduino UNO R3. ......................................................................53
Hình 4. 6: Các chân Analog và Digital trên Arduino UNO R3. ...............................56
Hình 4. 7: Lập trình Arduino và xuất giá trị trên Arduino IDE. ...............................58
Hình 4. 8: Rờ le 5 chân điều khiển nhấn xú páp. ......................................................58
Hình 4. 9: Rờ le 5 chân điều khiển gài khớp.............................................................59
Hình 4.10: Encoder quay...........................................................................................59
Hình 4.11: Encoder gắn trên trục cam. .....................................................................59
Hình 4.12: Mơ phỏng mạch điều khiển ngắt xi lanh trên Proteus. ...........................61
Hình 4.13: Lưu đồ thuật tốn điều khiển bướm ga. ..................................................61
Hình 4.14: Lưu đồ thuật tốn điều khiển nhấn xú páp. .............................................63
Hình 4.15: Lưu đồ thuật tốn đo tốc độ động cơ. .....................................................64
Hình 4.16: Lưu đồ thuật tốn đếm xung từ Encoder. ...............................................65
Hình 4.17: Lưu đồ thuật toán điều khiển ngắt kim phun. .........................................66
Hình 4.18: Lưu đồ thuật tốn chính. .........................................................................67

Hình 4.19: Board mạch điều khiển gắn trên động cơ thực tế. ..................................68
Hình 5.1: Màn hình hiển thị và thiết bị đo khí thải Maha MGT5. ............................71
Hình 5.2: Kết nối động cơ với thiết bị đo khí thải Maha MGT5. .............................71
Hình 5.3: Kết nối thiết bị đo.....................................................................................72
Hình 5.4: Kết nối động cơ thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu LPS 2000. ......................72
Hình 5.5: Quá trình thử nghiệm xác định suất tiêu hao nhiên liệu ge. ......................73

vii


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

MS:T2017-29TĐ

Hình 5.6: Kết quả thử nghiệm suất tiêu hao nhiên liệu ge. .......................................73
Hình 5.7: Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu ge tương ứng với các chế độ hoạt động
khác nhau...................................................................................................................74
Hình 5.8: Quá trình thử nghiệm đo nồng độ khí thải CO. .......................................75
Hình 5.9: Kết quả thử nghiệm nồng độ khí thải CO. ................................................75
Hình 5.10: Diễn biến phát thải khí CO tương ứng với các điều kiện hoạt động khác
nhau. ..........................................................................................................................76
Hình 5.11: Kết quả thử nghiệm nồng độ khí thải HC. .............................................76
Hình 5.12: Diễn biến phát thải khí HC tương ứng với các điều kiện hoạt động khác
nhau. ..........................................................................................................................77

viii


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

MS:T2017-29TĐ

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
ANC
AFM
ACC
BMEP

Active Noise Control -Điều khiển tiếngồn chủ động.
Active Fuel Management – Quản lý nhiên liệu chủ động.
Active Cylinder Control – Điều khiển xi lanh chủ động.
Brake Mean Effective Pressure - Áp suất hiệu dụng trung
bình cóích.

CAI
CDA

Controlled Auto Ignition – Điều khiển đánh lửa tự động.
Cylinder Deactivation- Công nghệ ngắt xi lanh chủđộng.

COD
DC
DSF

Cylinder On Demand- Hệ thống ngắt giảm xi lanh.
Direct Current- Dòng điện mộtchiều.
Dynamic Skip Fire– Điều khiển ngắt đánh lửa.

ĐCT
ĐCD

ECU

Điểm chết trên.
Điểm chết dưới.
Electronic Control Unit- Bộ điều khiển điệntử.

ED

Engine Displacement- Cơng nghệ thay đổi thể tích cơng
tác.

EMV

Electro Magnetic Valve Actuation- Điều khiển xú páp
điệntừ.
Electronics Throttle Control- Hệ thống điều khiển bướm

ETC
FTP
GM
GDI
MPI
MD
Mivec

MDS
NEDC

ga điệntử.
Federal Test Procedure- Thử nghiệm theo chu trình của

Mĩ.
General Motor
- Hãng ơ tơ GM của Mỹ
Gasoline direct injector – Phun xăng trựctiếp.
MultiPoint Injection – Hệ thống phun xăng đa điểm.
Modulated Displacement – Thay đổi thểtích.
Mitsubishi Innovative Valve timing Electronic Control
system– Thời điểm đóng mở xú páp được điều khiển bằng
điệntử.
Multi Displacement System – Hệ thống xi lanh đa dung
tích.
New European Driving Cycle – Chu trình thử nghiệm
châu.

ix


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

i-VTEC

MS:T2017-29TĐ

Intelligent - Variable Valve Timing Lift Electronic Control
– Thời điểm đóng mở xú páp biến thiên được điều khiển
bằng điệntử.

TFSI

Indicated Mean Effective Pressure – Áp suất hiệu dụng

trung bình chỉthị..
Turbo Fuel Stratified Injection

Tengine
SFC

Mơ men xoắn động cơ[Nm].
Specific Fuel Consumption – Đặc tính tiêu thụ nhiênliệu.

IMEP

SOHC

Single Overhead Camshaft – Động cơ chỉ có một trục cam

VCM

ở phía trên.
Variable Cylinder Management – Hệ thống quản lý xi lanh

Vactive
VVT

chủ động.
Thể tích của các xi lanh hoạtđộng.
Variable Valve Timing – Hệ thống điều khiển thời điểm xú páp
biến thiên

x

Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

MS:T2017-29TĐ

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
Tp. HCM, Ngày

tháng

năm

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: “Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm hệ thống quản lý xy lanh trên động
cơ”
- Mã số:

T2017-29TĐ

- Chủ nhiệm:
TS LÝ VĨNH ĐẠT
- Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh
- Thời gian thực hiện: 12 tháng
2. Mục tiêu:

Chế tạo hệ thống quản lý xy lanh bằng cách điều khiển ngắt xú páp một số xy lanh
trên động cơ phù hợp với chế độ hoạt động của động cơ nhằm nâng cao hiệu suất và
tính kinh tế nhiên liệu ở chế độ tải nhỏ. Đề tài cũng thực nghiệm nhằm đánh giá hiệu
quả của hệ thống ngắt xi lanh.
3. Tính mới và sáng tạo:
Động cơ xăng có hiệu suất nhỏ đặc biệt khi xe hoạt động ở chế độ tải nhỏ do sức cản
của bướm ga làm tăng cơng tổn hao (pumping loses). Vì vậy cải tiến hiệu suất ở chế độ tải
nhỏ là một trong những mục tiêu quan trọng trên động cơ xăng góp phần nâng cao tính
kinh tế nhiêu liệu trên động cơ. Việc sử dụng hệ thống quản lý xy lanh bằng cách ngắt một
số xy lanh phù hợp với hoạt động của xe trên đường giảm các công tiêu hao trong quá hút,
qua đó nâng cao hiệu suất hoạt động của các xy lanh chủ động góp phần cải tiến hiệu suất
trên động cơ.
Đề tài đã thực hiện cải tiến hệ thống phân phối khí truyền thống trên động cơ 4 xi lanh
thẳng hàng thành hệ thống điều khiển ngắt xi lanh ở các chế độ hoạt động phù hợp nhằm
tiết kiệm nhiên liệu, đặc biệt ở chế độ tải nhỏ. Cơ cấu ngắt xi lanh cải tiến với cơ cấu điều
khiển đơn giản có thề đáp ứng điều khiển trong q trình ngắt xi lanh với độ chính xác và
tin cậy cao.
4. Kết quả nghiên cứu:
Nghiên cứu đề xuất thiết kế cơ cấu điều khiển xú páp được cải tiến từ hệ thống phân
phối khí truyền thống trên động cơ xăng 4 xi lanh thẳng hàng nhằm điều khiển ngắt xi lanh
trên động cơ. Trên thiết kế đề xuất có thể ngắt 1 hoặc 2 xi lanh phụ thuộc vào các chế độ
hoạt động của xe.
Kết quả thực nghiệm cho thấy, ngoài việc có thể điều khiển một cách linh hoạt cơng
suất động cơ phát ra theo từng chế độ hoạt động, phương pháp điều khiển ngắt xi lanh còn

xi


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

MS:T2017-29TĐ

có thể giảm được khoảng 13% đến 15% lượng nhiên liệu tiêu hao so với động cơ thơng
thường. Đồng thời lượng khí phát thải CO cũng giảm được khoảng 15%, hàm lượng khí
HC sinh ra cũng giảm được khoảng 8%.
5. Sản phẩm:
- 01 mô hình động cơ xăng với cơ cấu điều khiển ngắt xi lanh ở các chế độ hoạt
động khác nhau

-

01 bài báo khoa học thuộc tạp chí khoa học giáo dục và kỹ thuật được cơng (có
điểm từ 0 đến 0.5 điểm trong hội đồng xét chức danh PGS), số 44B, trang 29-36
năm 2017.

- 01 bài báo đăng trong kỷ yếu hội thảo quốc tế có xuất bản, International Multi-

-

conference on Engineering and Technology Innovation 2016, Taichung, Taiwan
28/10-01/11/2016.
01 bài báo đăng trên tạp chí quốc tếcó chỉ số SCIE, Transactions of the Canadian
Society for Mechanical Engineering, ISSN: 0315-8977, Vol 41, 2018.

6. Hiệu quả, phƣơng thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:
Kết quả của đề tài góp giảm thiểu tiêu hao nhiên liệu, giảm ô nhiểm môi trường bằng
cách sử dụng các chế độ ngắt xi lanh tương ứng Nghiên cứu điều khiển ngắt xi lanh trên
động cơ góp phần ứng dụng điều khiển momen xoắn phù hợp với điều kiện hoạt động thực
tế trên xe, góp phần cải tiến đáng kể suất tiêu hao nhiên liệu, khí xả trên xe.
Trƣởng Đơn vị

(ký, họ và tên)

Chủ nhiệm đề tài
(ký, họ và tên)

xii


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

MS:T2017-29TĐ

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS
1. General information:
Project title: “Study, manufacture and experiment of cylinder deactivation valvetrain in
SI engines"
Code number: T2017-29TĐ
Coordinator:
PhD. LY VINH DAT
Implementing institution: Ho Chi Minh City University of Technology and Education
Duration: 12 months
2. Objective(s):
The purpose of research study, manufacture a cylinder deactivation valve train that is
improved in conventional valve train system in SI engine with 4 cylinder inline. The
proposed valve train can control the different cylinder deactivation modes such as 1cylinder deactivation mode or 2- cylinder deactivation mode. These modes meet the
engine torque in vehicle at various engine operating conditions, hence engine can reduce
considerably fuel consumption, especially at part loads.
3. Creativeness and innovativeness:
SI engines has low engine efficiency at part loads due to the pumping loses. Therefore,
there are many recently methods overcome engine efficiency at part loads that is the

importance target to improve the fuel consumption and emissions n ICEs. Cylinder
deactivation method manages the engine displacement which meet various operating
condition in engine, consequently reduce fuel consumption and emissions in engine.
The work has proposed a the novel valve train that improves in the conventional valve
train in 4 cylinder inline engine. The valve train can deactivate some cylinders such 1
cylinder deactivation or 2 cylinder deactivation. The cylinder deactivation valve train can
meet time response in control with accurately and operating
4. Research results:
The study proposes a design valve train, which is improved from the conventional valve
train system in an inline SI engine with 4 cylinders, to control for deactivating cylinder.
The proposed design, which is improved on the conventional valve train in the engine, can
deactivate one or two cylinder modes that depend on part or medium loads in vehicle.
The results show that cylinder deactivation can reduce about 13% to 15% of fuel
consumption compared with the conventional engine. The concentration of CO reduces
about 15%, whereas HC decreases about 8% when SI engine operates with different
cylinder deactivation modes.

xiii


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

MS:T2017-29TĐ

5. Products:
- 01 experimental model for cylinder deactivation valve train in SI engines
- 01 published paper in Journal of Techical Education Science, HCMUTE, No 44B, pp
29-36, 2017
- 01 published paper in International Multi-conference on Engineering and Technology
Innovation 2016, Taichung, Taiwan 28/10-01/11/2016.

- 01 published paper in Transactions of the Canadian Society for Mechanical Engineering,
ISSN: 0315-8977, Vol 41, 2018 (SCIE).
6. Effects, transfer alternatives of research results and applicability:
The study takes part in improving fuel consumption in engine at part loads by
deactivating some cylinders corresponding to the required torque in vehicle.

xiv


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

MS:T2017-29TĐ

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Tính cấp thiết của đề tài
Song song với sự phát triển ngày một lớn mạnh của tất cả các ngành kinh tế
quốc dân và nhu cầu của người sử dụng ngày càng tăng lên đòi hỏi cần chuyên chở
khối lượng lớn hàng hóa và hành khách, tính cơ động cao, tính việt dã và khả năng
hoạt động trong những điều kiện khác nhau tạo cho ô tô trở thành một trong những
phương tiện chủ yếu để chuyên chở hàng hóa và hành khách.
Đất nước ta đang trong thời kỳ thực hiện cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa và
chắc chắn rằng trong thời gian không xa nữa từ thực trạng lắp ráp xe như hiện nay,
chúng ta sẽ tiến đến tự chế tạo ô tô và yêu cầu cải thiện cơ cấu đối với tồn bộ ơ tơ,
vận tải, đồng thời sản xuất loại ô tô trọng tải bé và ô tơ vận tải chun dụng. Dự
kiến nâng cao tính kinh tế và độ bền của ô tô. Việc phát triển ngành vận tải ô tô chở
hành khách và cải tiến việc phục vụ nhân dân có ý nghĩa kinh tế xã hội to lớn.
Ngồi việc hao phí thời gian, việc chuyên chở kéo dài sẽ làm tiêu tốn một lượng
nhiên liệu rất lớn. Bởi vậy, việc đào tạo đội ngũ kỹ thuật viên, kỹ sư có trình độ đáp
ứng được những địi hỏi của ngành cơng nghệ và sửa chữa ô tô là một nhiệm vụ rất
quan trọng và cấp bách. Đề tài của nhóm nghiên cứu là “Nghiên cứu, thiết kế chế

tạo thử nghiệm hệ thống điều khiển ngắt xy lanh trên động cơ HUYNDAI
ACCENT”. Đề tài bao gồm các vấn đề chế tạo được phần cứng và thu thập tín hiệu
từ cảm biến vị trí bàn đạp ga để điều khiền ngắt được xy lanh của động cơ tương
ứng với các chế độ làm việc của động cơ đem lại hiệu quả trong việc giảm lượng
tiêu hao nhiên liệu và đánh giá tính kinh tế tiêu hao nhiên liệu của ơ tơ. Đề tài mang
tính thiết thực là cơ sở cho việc đánh giá chất lượng khai thác của ôtô.
Các công nghệ hiện đại đang khắc phục được nhiều nhược điểm của động cơ
đốt trong như: Công nghệ Hybrid, công nghệ xy lanh biến thiên….Vấn đề trước tiên
nhất là giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm lượng khí xả độc hại gây ra ô nhiễm môi
trường, đảm bảo các chế độ tải trọng của động cơ.
Vì vậy, nếu chúng ta có thể thiết kế được một hệ thống cơ điện tử sao cho có
thể gắn vào động cơ, nhằm mục đích can thiệp vào q trình vận hành của các xy
lanh, nhằm ngắt tạm thời các xy lanh đang công tác, đây là một cách làm hiệu quả,
đáp ứng được mục tiêu sao cho vừa tiết kiệm được nhiên liệu, vừa đáp ứng được mô
men vận hành của ô tô ở những chế độ tải trọng khác nhau, và đây cũng là mục tiêu
được tập trung nghiên cứu trong đề tài này.
Trang 1


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

1.2.

MS:T2017-29TĐ

Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc.

1.2.1. Nghiên cứu trong nƣớc.
Hiện nay thì tình hình nghiên cứu thiết kế và thử nghiệm hệ thống điều khiển
ngắt xi lanh trên động cơ ô tô ở trong nước là một hướng nghiên cứu cịn khá mới

mẻ. Tuy nhiên trước thực trạng ơ nhiễm môi trường ngày càng trở nên trầm trọng
cũng như nguồn nhiên liệu đang dần cạn kiệt thì đây là một đề tài cần thiết được
nghiên cứu và thử nghiệm.
Tình hình nghiên cứu trong nước tác giả Lê Nam Anh [1] với cơng trình
nghiên cứu “Thiết kế cơ cấu điều khiển ngắt xi lanh chủ động trên động cơ xăng” đã
tạo tiền đề cho các cơng trình nghiên cứu tiếp theo nhằm nâng cao tính kinh tế nhiên
liệu và hạn chế ô nhiễm môi trường. Do đó để góp phần giảm bớt lượng khí thải độc
hại ra mơi trường cũng như giảm lượng nhiên liệu tiêu hao nên việc nghiên cứu thử
nghiệm hệ thống ngắt xi lanh trên động cơ là rất cần thiết. Đây cũng chính là lý do
chủ nhiệm đề tài lựa chọn nghiên cứu này.
1.2.2. Nghiên cứu nƣớc ngồi.
Đối với các nhà sản xuất ơ tơ trên thế giới việc chế tạo ra một chiếc xe ô tô tiết
kiệm nhiên liệu và ít gây ơ nhiễm mơi trường là mục tiêu cần đạt đến. Vì vậy đã có
khá nhiều các cơng trình nghiên cứu như sau:
Tác giả Gilbert Peters [2]với công nghệ “ CYLINDER DEACTIVATION ” ra
đời vào năm 2005, đã thực hiện ngắt các xú páp thông qua việc điều khiển dòng dầu
thủy lực.Ở trạng thái hoạt động bình thường (deactivation off) dịng dầu thủy lực
được cấp cho con đội để điều khiển các xú páp đóng mở theo góc phối khí. Ở trạng
thái vơ hiệu hóa xi lanh (deactivation on) dòng dầu trong con đội được xả để các xú
páp đóng hồn tồn. Cơ cấu điều khiển được mơ tả như trên hình 1.1.

Hình 1.1: Ngắt xi lanh trên động cơ thông thƣờng
Trang 2


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

MS:T2017-29TĐ

 Kết quả đạt đƣợc sau quá trình thử nghiệm nhƣ sau:

- Trên động cơ 4 xi lanh thẳng hàng (I4) ở chế độ không tải kết quả thử
nghiệm cho thấy khi ngắt hai xi lanh có thể giảm từ 20% đến 30% lượng
nhiên liệu tiêu hao.
-

Trên động cơ 6 xi lanh thẳng hàng khi thử nghiệm ở chế độ khơng tải
theo chu trình thử nghiệm Châu Âu (NEDC: New European Driving
Cycle) kết quả thử nghiệm cho thấy có thể giảm khoảng 25,4% lượng
nhiên liệu tiêu hao ở chế độ không tải.

-

Trên động cơ V8 - 5.0L của Mercedes Benz khi thử nghiệm theo chu
trình thử nghiệm Châu Âu (NEDC) kết quả thử nghiệm cho thấy ở chế
độ ngắt 4 xi lanh có thể giảm 6,5% lượng nhiên liệu tiêu hao và khi thử
nghiệm theo chu trình Mỹ (American FTP: Federal Test Procedure) có
thể giảm 10,3% lượng nhiên liệu tiêu hao.

Tác giả Martni Rebbert, Gerhard Kreusenvà Sven Lauer [3] với công nghệ “ A
New Cylinder Deactivation ” ra đời vào năm 2008. Việc điều khiển các xú páp đóng
mở thơng qua dịng dầu thủy lực, với cơ cấu điều khiển được thể hiện như trên hình
1.2.

Hình 1.2: Ngắt xi lanh thơng qua con đội thuỷ lực
 Kết quả thử nghiệm đạt đƣợc nhƣ sau:
- Trên động cơ V8 của hãng Daimler Chrysler’s ở chế độ tải thấp
(2000rpm) kết quả thử nghiệm đạt được mức tiêu hao nhiên liệu là
325g/kwh và áp suất hiệu dụng trung bình có ích (BMEP: Brake Mean
Effective Pressure) là 2 bar.

Trang 3


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

MS:T2017-29TĐ

-

Khi thử nghiệm theo chu trình thử nghiệm Châu Âu (NEDC) kết quả thử
nghiệm ở chế độ không tải lượng tiêu hao nhiên liệu giảm được khoảng
7%.

-

Ngoài việc giảm được lượng nhiên liệu tiêu hao cơng nghệ này cịn giảm

được đáng kể lượng CO2 ra môi trường.
Các tác giả K. J. Douglas, N. Milovanovic, J. W. G. Turnervà D. Blundell [4]với
công nghệ “Controlled Auto Ignition”điều khiển đánh lửa tự động kết hợp với (CAI:
Controlled Auto Ignition) điều khiển ngắt xi lanh chủ động (CDA: Cylinder
Deactivation) ra đời vào năm 2008. Việc điều khiển các xú páp đóng mở thơng qua
dịng dầu thủy lực, với cơ cấu điều khiển được thể hiện như trên hình 1.3 .

Hình 1.3: Cơ cấu ngắt xi lanh của K. J. DOUGLAS
 Kết quả thử nghiệm đạt đƣợc nhƣ sau:
- Khi thử nghiệm theo chu trình thử nghiệm Châu Âu (NEDC) kết quả thử
nghiệm cho thấy lượng tiêu hao nhiên liệu giảm được khoảng 10%.
- Lượng khí thải CO2 sinh ra giảm cũng giảm được khoảng 10% và lượng
khí thải NOXgiảm được khoảng 28% .

Các tác giả Peter Kreuter, PeterHeuser, Joachim Reinicke[5]với công nghệ
“An Electro-Mechanical Cylinder and Valve Deactivation “ việc ngắt các xi lanh

Trang 4


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

MS:T2017-29TĐ

được thực hiện thông qua các van điện từ (solenoid) điều khiển đóng hoặc mở các
xú páp. Cơ cấu điều khiển được thể hiện như trên hình 1.4.

Hình 1.4: Điều khiển ngắt xi lanh trực tiếp bằng điện
 Kết quả thử nghiệm đạt đƣợc nhƣ sau:
- Khi thử nghiệm theo chu trình thử nghiệm Châu Âu (NEDC) động cơ 4
xi lanh được điều khiển ngắt 2 xi lanh kết quả thử nghiệm cho thấy ở chế
độ tải thấp có thể giảm được từ 10% đến 40% lượng khí thải ra mơi
trường.
-

Khi thử nghiệm theo chu trình thử nghiệm Châu Âu (NEDC) động cơ V8
khi hoạt động ở tốc độ 60km/h có thể giảm được 18% lượng nhiên liệu
tiêu hao, ở tốc độ 90km/h giảm được 15% lượng nhiên liệu tiêu hao và ở
tốc độ 120km/h có thể giảm được 12,5% lượng nhiên liệu tiêu hao.

1.3. Mục tiêu đề tài.
Chúng ta thấy rằng từ khi ra đời đến nay công nghệ xi lanh biến thiên đã thể
hiện rõ nhiều ưu điểm. Như đã trình bày trong phần tổng quan, ta đã thấy rõ ưu
nhược điểm của từng loại hệ thống dùng để ngắt xi lanh. Các cơng trình nghiên cứu

từ trước đến nay đã cố gắng giải quyết các nhược điểm của từng loại hệ thống ngắt
xi lanh theo những cách khác nhau, nhưng hầu hết là cải tiến thiết kế chế tạo những
động cơ mới, do đó cấu trúc phức tạp và giá thành lại rất đắt. Trong nội dung
nghiên cứu của đề tài này chỉ giới hạn trong việc nghiên cứu thiết kế chế tạo và thử
nghiệm trên động cơ đã có sẵn nên giảm được chi phí khi thực hiện đề tài.

Trang 5


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

-

MS:T2017-29TĐ

Từ mơ hình động cơ Hyundai G4EK thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển
ngắt xi lanh.
Tiến hành thử nghiệm thu thập các thông số về suất tiêu hao nhiên liệu
và nồng độ khí thải.

-

-

Từ kết quả thu thập được sau khi thử nghiệm đưa ra so sánh, phân tích,
đánh giá ưu điểm, nhược điểm trong các chế độ ngắt 1 xi xanh, ngắt 2 xi
lanh và không ngắt xi lanh.
Đề xuất phương án cải tiến tối ưu hơn có thể.

1.4. Giới hạn của đề tài.

- Nghiên cứu thiết kế chế tạo và thử nghiệm hệ thống điều khiển ngắt xi
lanh trên động cơ Hyundai G4EK.
-

Thực nghiệm đo đạc đánh giá lượng nhiên liệu tiêu hao và nồng độ khí
thải trong từng chế độ ngắt xi lanh.

-

Chưa xét đến tính năng cân bằng động cơ.
Chưa đánh giá công suất động cơ phát ra trên băng thử công suất.

1.5. Đối tƣợng nghiên cứu.
- Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu chế tạo và thử nghiệm hệ thống điều
khiển ngắt xi lanh trên động cơ Hyundai G4EK .
-

Tập trung nghiên cứu thu thập các tín hiệu đầu vào để điều khiển hệ
thống ngắt 1 hoặc 2 xi lanh.
Thử nghiệm.

1.6. Phƣơng pháp nghiên cứu.
Đề tài đã kết hợp 2 phương pháp nghiên cứu:
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Ngoài việc sử dụng cơ sở lý thuyết về
động cơ đốt trong đề tài còn kết hợp lý thuyết về điều khiển ngắt xi lanh
(Cylinder Deactivation) trên cơ sở các bài báo nước ngoài .
- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Dựa trên mơ hình sau khi đã chế tạo
tiến hành thử nghiệm, thu thập số liệu phân tích đánh giá.
1.7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
 Ý nghĩa khoa học:

Về mặt khoa học thì đề tài này đã ứng dụng thành công cơ sở lý thuyết về điều
khiển ngắt xi lanh trên động cơ từ các nguồn tài liệu và các bài báo, tạp chí nước
ngồi. Thành công của đề tài sẽ là nền tản để thực hiện các bước nghiên cứu tiếp
theo, đồng thời cũng là cơ sở cho nhà trường và các trung tâm nghiên cứu thiết kế
Trang 6


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

MS:T2017-29TĐ

chế tạo ô tô trong nước từng bước xây dựng phịng thí nghiệm, thiết kế, tính tốn,
mơ phỏng, thử nghiệm nhằm giảm lượng nhiên liệu tiêu hao cũng như hạn chế gây
ô nhiễm môi trường.
Qua đó, đề xuất với cơ quan có thẩm quyền, các nhà sản xuất ô tô trong nước
thực hiện các tính tốn thiết kế theo tiêu chuẩn quốc tế đề ra. Đây cũng chính là tính
cấp thiết có ý nghĩa quan trọng cho ngành kỹ thuật ô tô trong nước nhanh chóng
thực hiện cải tiến tính tốn thiết kế tăng tính cạnh tranh nội địa hóa sản phẩm để hịa
nhập với ngành kỹ thuật ô tô tiên tiến trên thế giới.
 Ý nghĩa thực tiễn:
Hiện nay ở nước ta ô tơ là phương tiện giao thơng quan trọng nó góp phần giải
quyết nhu cầu đi lại của con người và hầu hết các lĩnh vực khác góp phần thúc đẩy
nền kinh tế phát triển. Nhưng do ngành kỹ thuật ô tơ nước ta cịn hạn chế về kỹ
thuật và cơng nghệ nên đa số các phương tiện giao thông như ( ô tô con, xe khách,
xe buýt,…) chủ yếu là nhập khẩu hoặc nhập các linh kiện từ các hãng sản xuất ơ tơ
nước ngồi về lắp ráp.
Tuy nhiên, trước vấn đề ơ nhiễm mơi trường do khí thải ơ tơ ngày càng trở nên
trầm trọng, nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày một cạn kiệt thì đây là một đề tài mang
tính cấp thiết cần được thực hiện.
1.8. Nội dung nghiên cứu.

Nội dung chủ yếu của đề tài này chính là nghiên cứu thiết kế chế tạo và thử nghiệm
hệ thống điều khiển ngắt xi lanh, trong quá trình thực hiện đề tài có thể chia làm các
nội dung cụ thể như sau:
- Dựa vào cách bố trí cơ cấu phân phối khí trên động cơ Hyundai G4EK tiến
hành thiết kế chế tạo các bộ phận cơ khí để điều khiển các xú páp mở hoàn
toàn khi ngắt xi lanh.
- Dựa vào tín hiệu cảm biến vị trí bàn đạp ga, thu thập tín hiệu này làm tín
hiệu đầu vào để điều khiển ngắt 1 hoặc 2 xi lanh.
-

Sử dụng phần mềm vi điều khiển Arduino lập trình để điều khiển 2 mô tơ
của cơ cấu chấp hành.
Thử nghiệm đánh giá các chỉ số về suất tiêu hao nhiên liệu, nồng độ khí thải
trong từng trường hợp ngắt 1 xi lanh, ngắt 2 xi lanh và khi không ngắt xi lanh.

Trang 7


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

MS:T2017-29TĐ

CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Khái quát về hệ thống điều khiển ngắt xi lanh
Thể tích cơng tác biến thiên (Variable Displacement) trên động cơ là cơng
nghệ thay đổi thể tích cơng tác động cơ (Engine Displacement) bằng cách ngắt một
số xi lanh khi làm việc ở chế độ tải nhỏ hay còn gọi là Cylinder Deactvation (CDA).
Ngoài ra hệ thống ngắt xi lanh cịn có một số tên gọi khác nhau như: hệ thống quản
lý xi lanh chủ động thay đổi VCM (Variable Cylinder Management) trên Honda, hệ
thống Active Fuel Management (AFM) trên GM, Active Cylinder Control (ACC)

trên Mercedes hay Multi- displacement System (MDS) trên Chrysler, hệ thống quản
lý xi lanh chủ động (ACM) Active Cylinder Management trên Wolkswagen và Audi
với công nghệ Cylinder on Demand [6].

Hình 2.1: Cơng nghệ ngắt xi lanh trên động cơ V6
Công nghệ ngắt xi lanh trên động cơ được thực hiện bằng cách giữ cho các
xú páp nạp và xả ở vị trí đóng đối với các chu kỳ làm việc của động cơ. Đồng thời,
ngắt hệ thống đánh lửa và nhiên liệu đến các xi lanh bị ngắt để tiết kiệm năng
lượng, nhiên liệu và giảm khí xả gây ơ nhiễm mơi trường. Bằng cách đóng các xú
páp khi cần ngắt xi lanh, vì vậy xi lanh ngắt được xem như một lị xo khơng khí "air
spring". Lị xo khơng khí này thực hiện q trình nén và giãn nở có chu kỳ, điều này
loại bỏ các công tổn thất và giúp cho động cơ được cân bằng tốt hơn.
Trang 8