Báo cáo Nghiên cứu thiết kế cơ cấu ngắt xy lanh trên động cơ xăng (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo Nghiên cứu thiết kế cơ cấu ngắt xy lanh trên động cơ xăng (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU NGẮT XY LANH TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG S K C 0 0 3 9 5 9 MÃ SỐ: T2014 - 25TĐ SKC0 0 4 8 0 1 Tp. Hồ Chí Minh, 2015
2. 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 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU NGẮT XY LANH TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG Mã số: T2014 - 25TĐ Chủ nhiệm đề tài: TS. Lý Vĩnh Đạt TP. HCM, Tháng 03 Năm 2015
3. Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm T2014-25TĐ 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 môn Động cơ, khoa Cơ khí Động lực, trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM i
4. Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2014-25TĐ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Tp. HCM, Ngày tháng năm THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: “Nghiên cứu thiết kế cơ cấu ngắt xy lanh trên động cơ xăng” - Mã số: T2014-25TĐ - 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: 10/01/2014 đến 04/2015 2. Mục tiêu: Đề tài được nghiên cứu với mục tiêu thiết kế cơ cấu ngắt xy lanh ứng dụng trên động cơ mà không ảnh hưởng đến điều khiển thời điểm đóng mở xú páp của hệ thống phân phối khí truyền thống trên động cơ. Các chế độ ngắt xy lanh được điều khiển tuỳ thuộc theo tải hoạt động trên xe, góp phần cải thiện suất tiêu hao nhiên liệu theo các chế độ hoạt động tải khác nhau trên đường. 3. Tính mới và sáng tạo: Đề tài đã thiết kế chế tạo thành công cơ cấu ngắt xy lanh khác với các cơ cấu ngắt xy lanh hiện có trên thị trường với phần cơ cấu thêm vào hệ thống phân phối khí truyền thống để điều khiển ngắt 1 xy lanh hay 2 xy lanh trên động cơ thẳng hàng 4 xy lanh. Cơ cấu hoạt động đáp ứng nhanh và điều khiển các chế độ ngắt xy lanh dễ dàng. 4. Kết quả nghiên cứu: Đề tài xây dựng thành công mô hình toán cơ cấu ngắt xy lanh và mô phỏng số các chế độ ngắt xy lanh khác nhau trên động cơ. Kết quả mô phỏng đánh giá được các cải tiến về suất tiêu hao nhiên liệu của các chế độ ngắt xy lanh khác nhau tuỳ thuộc chế độ tải hoạt động của xe trên đường. Đồng thời chế tạo thành công cơ cấu ngắt xy lanh được lắp đặt trên động cơ có thể hoạt đáp ứng nhanh và điều khiển ngắt xy lanh dễ dáng. 5. Sản phẩm: - 01 cơ cấu ngắt xy lanh được lắp trên động cơ - 01 bài báo khoa học quốc tế đã công bố (International Journal) 6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: Kết quả của đề tài góp phần nâng cao hiệu suất trên động cơ, giảm thiểu tiêu hao nhiên liệu, giảm ô nhiểm môi trường. Cơ cấu ngắt xy lanh là bước đầu cho hướng nghiên cứu ứng dụng ngắt xy lanh trên xe, góp phần cải tiến đáng kể suất tiêu hao nhiên liệu trên xe. Trưởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên) (ký, họ và tên) ii
5. Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2014-25TĐ INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 1. General information: Project title: “The study on designing of valve train system for cylinder deactivation in SI engines" Code number: T2014-25TĐ Coordinator: PhD. LY VINH DAT Implementing institution: Ho Chi Minh City University of Technology and Education Duration: from 10/01/2014 to 04/2015 2. Objective(s): The purpose of research designs a mechanism that can cut off the cylinders. Depend on engine loads, mechanism will control one-cylinder mode or two-cylinder deactivation mode. One -cylinder deactivation mode will be peformed for medium engine load. Two- cylinder deactivation mode for low engine load. This improves fuel consumption in SI engines 3. Creativeness and innovativeness: A new valve train system, which differs to the existing design, has been proposed to control cylinder deactivation in SI engines. The novel design is characterized by a simple structure, easy control and can fully meet the strategies of cylinder deactivation control. The use of CDA results in several benefits in improving SI engine efficiency at low engine load. Improvements resulting from CDA will degrade as engine load increases. 4. Research results: The study model a mathematical of cylinder deactivation. The simulation results have showed the benefits of CDA in improving the fuel consumption. Depend on the driving torque for various loads in vehicle, the cylinder deactivation modes will be executed to improve fuel consumption respectively. Besides, the study also manufacters a improved valve train mechanism that can perform the controling of cylinder deactivation in engine fully and easily. 5. Products: - 01 cylinder deactivation mechanism that is installed in engine - 01 published paper (International Journal of Mechanical Engineering and Applications, Special Issue: Transportation Engineering Technology - Part II, Vol. 3, No. 1-3. 2015, pp 17-21). 6. Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability: The study results take part in reducing of fuel consumption, improving engine efficiency and reducing emiisions in SI engines. iii
6. Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2014-25TĐ MỤC LỤC Trang Danh sách thành viên tham gia và đơn vị phối hợp thực hiện i Thông tin kết quả nghiên cứu ii Mục lục iv Danh mục hình vi Danh mục bảng biểu ix Chương 1 Tổng quan 01 1.1. Tính cấp thiết của đề tài 01 1.2. Tổng quan đề tài nghiên cứu trong và ngoài nước. 01 1.3. Mục tiêu của đề tài 02 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 03 1.5. Phương pháp nghiên cứu 03 1.6. Nội dung nghiên cứu 03 Chương 2 Tổng quan về hệ thống ngắt xy lanh trên động cơ 04 2.1. Tổng quan về hệ thống ngắt xy lanh 04 2.1.1. Khái quát về hệ thống ngắt xy lanh 04 2.1.2. Lịch sử phát triển 05 2.1.3. Ưu và nhược điểm của hệ thống ngắt xy lanh 08 2.2. Các lợi ích của hệ thống ngắt xy lanh 12 2.2.1. Nâng cao công suất động cơ nhờ vào việc giảm công hao phí 12 2.2.2. Giảm tiêu hao nhiên liệu 13 2.2.3.Giảm ô nhiễm môi trường 14 2.3. Nguyên lý hoạt động 14 2.4 Thời điểm ngắt xy lanh 17 2.5 Một số hệ thống điều khiển ngắt xy lanh trên các hãng xe 18 2.5.1 Hệ thống VCM – Variable Cylinder Management của Honda 18 2.5.2. Hệ thống COD – Cylinder On Demand của Audi 21 iv
7. Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2014-25TĐ 2.5.3. Hệ thống MDS - Multi-Displacement System của DaimlerChrysler 24 Chương 3 Mô hình hoá hệ thống ngắt xy lanh trên động cơ 29 3.1. Các chỉ tiêu đánh giá của động cơ đốt trong 29 3.1.1 Công chỉ thị 29 3.1.2 Ma sát. 30 3.1.3 Mô ment xoắn và công suất. 30 3.1.4 Suất tiêu hao nhiên liệu và hiệu suất nhiên liệu. 31 3.1.5 Hiệu suất nạp: ηv. 32 3.2. Mô hình hoá động cơ 33 3.2.1 Động lực ống gốp hút và góp thải 33 3.2.2 Tổn thất ma sát. 39 3.2.3 Động học trong xy lanh. 40 3.2.4 Phát nhiệt trong quá trình cháy. 40 3.2.5 Truyền nhiệt. 42 3.3 Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ 43 Chương 4 Nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống ngắt xy lanh trên động cơ 46 4.1. Khảo sát cơ cấu phân phối khí của động cơ Hyundai G4EK 46 4.2. Thiết kế hệ thống ngắt xy lanh trên động cơ Hyundai G4EK 48 4.2.1. Hệ thống cơ khí điều khiển ngắt xy lanh 48 4.2.2. Nghiên cứu thiết kế cơ cấu ngắt xy lanh trên động cơ 51 Chương 5 Mô phỏng hệ thống ngắt xy lanh 62 5.1. Ảnh hưởng của ngắt xy lanh đến suất tiêu hao nhiên liệu trên động cơ 62 5.2. Chế độ tải thấp 62 5.3. Chế độ tải trung bình 64 5.4. Toàn bộ dải tải động cơ 65 Kết luận 68 Tài liệu tham khảo 69 v
8. Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2014-25TĐ DANH MỤC HÌNH Trang Hình 2.1. Hệ thống điều khiển xy lanh biến thiên 04 Hình 2.2 Hình 2.2. Công nghệ ngắt xy lanh ở động cơ 6 xy lanh 05 Hình 2.3. Động cơ bật tắt - hit and miss engine 06 Hình 2.4. Mitsubishi Lancer sử dụng công nghệ MD 07 Hình 2.5. So sánh 2 chế độ làm việc của động cơ 09 Hình 2.6. Động cơ V-6, 3.5-lít của Honda và sự ngắt giảm xy lanh 10 Hình 2.7. Sự tiết kiệm nhiên liệu ở các chế độ tải khi thực hiện ngắt xy lanh 11 Hình 2.8. Đồ thị công P-V của động cơ xăng .12 Hình 2.9. (a) biểu đồ đặc trưng cho hiệu suất của động cơ khi hoạt động ở các chế độ 1,2,3 và 4 xy lanh. (b) sự thay đổi của đặc tính tiêu hao nhiên liệu theo tải động cơ 14 Hình 2.10. Ngắt giảm xy lanh trên động cơ thông thường 15 Hình 2.11. Ngắt giảm xy lanh trên động cơ không trục cam .16 Hình 2.12. Kết cấu trục khuỷu. 16 Hình 2.13. Vị trí ngắt xy lanh trên đồ thị công 17 Hình 2.14. Các chế độ hoạt động của xe 18 Hình 2.15. Mạch dầu điều khiển ngắt xy lanh 18 Hình 2.16. Chế độ xy lanh hoạt động bình thường 19 Hình 2.17. Chế độ xy lanh bị ngắt (không hoạt động) 19 Hình 2.18. Cấu tạo hệ thống COD 22 Hình 2.19. Chế độ ngắt xy lanh của Audi 22 Hình 2.20. Chế độ hoạt động ngắt giảm xy lanh 23 Hình 2.21. Động cơ V8 5.7L HEMI với hệ thống MDS. 25 Hình 2.22. Cấu tạo con đội đặc biệt (Deactivating Lifter) 26 Hình 2.23. (a) Hoạt động của con đội khi xy lanh không hoạt động .27 (b) Hoạt động của con đội khi xy lanh hoạt động bình thường. vi
9. Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2014-25TĐ Hình 2.24. Bố trí hệ thống MDS trên động cơ 28 Hình 3.1 Sơ đồ ống góp hút 33 Hình 3.2. Biên dạng khối lượng bị cháy 41 Hình 3.3. Biên dạng áp suất xy lanh ở tốc độ 2000 vòng 42 Hình 3.4. Mô hình mô phỏng động cơ 44 Hình 4.1. Động cơ Hyundai G4EK 46 Hình 4.2. Hệ thống phân phối khí của động cơ Hyundai G4EK 46 Hình 4.3. Sơ đồ khối điều khiển ngắt xy lanh 47 Hình 4.4. Cơ cấu điều khiển xú páp trong hệ thống ngắt xy lanh 48 Hình 4.5. Cơ cấu ngắt xy lanh trên động cơ 49 Hình 4.6. Khớp trượt và càng chuyển hướng 50 Hình 4.7. Thiết kế sơ bộ cơ cấu điều khiển ngắt xy lanh trên động cơ. 50 Hình 4.8. Cấu tạo giá đỡ của cơ cấu 51 Hình 4.9. Gối đỡ và nắp gối đỡ trục cam. 52 Hình 4.10. Cấu tạo nửa trục cam để ngắt xy lanh số 1 52 Hình 4.11. Cấu tạo nửa trục cam để ngắt xy lanh số 4 có chốt định tâm 53 Hình 4.12. Cấu tạo các gối đỡ trục cò mổ 53 Hình 4.13. Cấu tạo cò mổ thứ cấp của cớ cấu ngắt xy lanh 54 Hình 4.14. Bánh vít và trục vít dẫn động trực tiếp trục cam 54 Hình 4.15. Gối đỡ trục vít dẫn động trực tiếp trục cam 55 Hình 4.16. Khoá bánh vít trên trục cam 55 Hình 4.17. Khớp trượt nối 2 bán trục cam 55 Hình 4.18. Càng chuyển hướng khớp trượt 56 Hình 4.19. Gối đở trục càng chuyển hướng 56 Hình 4.20. Đĩa lò xo hồi vị trục cam 57 Hình 4.21. Bánh vít và trục vít của bộ giảm tốc từ mô tơ điều khiển 57 Hình 4.22. Trục của bánh vít 57 Hình 4.23. Gối đỡ trục vít bộ truyền 58 Hình 4.24. Hộp bộ truyền bánh vít, trục vít từ mô tơ 58 vii
10. Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2014-25TĐ Hình 4.25. Cấu tạo nắp máy trung gian 59 Hình 4.26. Mô phỏng hệ thống điều khiển sau khi lắp ghép lại 59 Hình 4.27. Cơ cấu sau khi đã gia công 60 Hình 4.28. Động cơ điện 12V DC dùng để điều khiển cơ cấu ngắt xy lanh 60 Hình 4.29. Cơ cấu ngắt xy lanh được gắn lên động cơ Hyundai G4EK 61 Hình 4.30. Cơ cấu ngắt xy lanh trên động cơ Hyundai G4EK sau khi gắn nắp trung gian 61 Hình 5.1. Ảnh hưởng của các chế độ ngắt xy lanh đến suất tiêu hao nhiên liệu (BSFC) ở chế độ tải thấp (2000v/p, 3.5 bar BMEP) 63 Hình 5.2. Ảnh hưởng của các chế độ ngắt xy lanh trên dải tải thấp của động cơ ở 2000 v/p 64 Hình 5.3. Ảnh hưởng của các chế độ ngắt xy lanh dến suất tiêu hao nhiên liệu ở tải truong bình (BMEP ở 8.6 bar) 64 Hình 5.4. Ảnh hưởng của ngắt xy lanh ở dải tải động cơ khác nhau ở 2000 v/p 64 Hình 5.5. Các ảnh hưởng của ngắt xy lanh trên toàn bộ dải tải hoạt động 66 Hình 5.6. Suất tiêu hao nhiên liệu trên động cơ ứng với các trạng thái tối ưu về ngắt xy lanh trên toàn bộ tải hoạt độngt 67 viii
11. Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2014-25TĐ DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. So sánh mức tiêu thụ nhiên liệu khi động cơ hoạt động ở các chế độ 1, 2, 3 và 4 xy lanh 13 Bảng 3.1. Thông số động cơ 44 ix
12. Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2014-25TĐ Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1. Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay, ô tô sử dụng động cơ đốt trong là phương tiện di chuyển chủ yếu của con người với số lượng ngày càng phát triển. Điều đó có nghĩa là con người đang sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch với mức độ ngày càng tăng. Nhưng nguồn nhiên liệu hóa thạch trên thế giới ngày càng cạn kiệt trong khi hiệu suất của động cơ ô tô chưa được cao. Những năm gần đây, động cơ ô tô đã có nhiều cải tiến quyết định tạo nên những bước phát triển vượt bậc nhằm đáp ứng các yêu cầu: Tăng công suất động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm độ độc hại của khí xả, tăng tính an toàn và tiện nghi cho ôtô, giảm giá thành sản phẩm Trong đó, tiết kiệm nhiên liệu trên động cơ đốt trong là một trong các vấn đề cấp bách hiện nay trên thế giới, do vấn đề phụ thuộc vào nguồn năng lượng hoá thạch ngày càng cạn kiệt. Hiệu suất trên động cơ đốt trong, 4 kỳ không tăng áp tối đa là khoảng 30 ÷35% ở chế độ toàn tải, còn ở các chế độ khác, đặc biệt là chế độ tải nhỏ, thì hiệu suất còn thấp hơn nhiều. Vì vậy, hiện nay có nhiều phương pháp nâng cao hiệu suất động cơ xăng ở chế độ tải thấp, trong đó phương pháp quản lý xy lanh chủ động (ngắt bớt xy lanh) khi động cơ hoạt động chế độ tải nhỏ là một phương pháp hiệu quả góp phần nâng cao hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu trên động cơ đốt trong. Chính vì thế việc nghiên cứu thiết kế cơ cấu điều khiển ngắt xy lanh trên động cơ góp phần giảm suất tiêu hao nhiên liệu trên động cơ xăng ở các chế độ tải thấp, là một vấn đề cấp bách và hết sức cần thiết trong thời kỳ hiện nay. 1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc Hiện nay có rất nhiều công trình nghiên cứu đến hệ thống ngắt xy lanh chủ động, nhưng đa số các nghiên cứu đều ở ngoài nước và số lượng còn hạn chế. Năm 2001, P. Kreuter và các cộng sự nghiên cứu một động cơ xăng 4 xy lanh thẳng hàng mà có thể ngắt bớt 2 xy lanh khi làm việc ở chế tải thấp. Kết quả nghiên 1
13. Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2014-25TĐ cứu chứng minh có thể cải tiến 20% hiệu suất động cơ và giảm từ 10 ÷40% khí xả độc hại trên động cơ ở chế tải thấp [7]. Một nghiên cứu khác, tác giả R. T. Nate và các cộng sự sử dụng hệ thống phân phối khí điện từ để có thể ngắt từ 2 đến 4 xú páp tuỳ thuộc vào chế độ hoạt động. Kết quả nghiên cứu chỉ ra có thể cải tiến đến 11.5% suất tiêu hao nhiên liệu ở chế độ tải thấp khi ngắt bớt 2 xy lanh trên động cơ không trục cam thẳng hàng 4 xy lanh với dung tích xy lanh là 2.0 lít [10]. Tương tự, một động cơ xăng 6 xy lanh với kỹ thuật quản lý xy lanh chủ động được nghiên cứu bởi tác giả Fujiwara và các cộng sự [14]. Số xy lanh chủ động được quyết định bởi điều kiện tải trên xe, nghiên cứu này chỉ ra rằng: chế độ 3 xy lanh chủ động được sử dụng ở xe chạy chế độ tự động (Cruise Control) với tải thấp, chế độ 4 xy lanh chủ động được hoạt động ở chế độ tải cao hơn và chế độ tất cả các xy lanh chủ động hoạt động là tối ưu ở chế độ toàn tải [4]. Tất cả các nghiên cứu ngày chỉ mô phỏng lý thuyết hay thực nghiệm trên động cơ sử dụng các hệ thống phân phối khí điện từ hay hệ thống phân phối khí đươc cải tiến phức tạp, đòi hỏi chi phí sản xuất và thực nghiệm rất cao. Ở Việt Nam, hệ thống quản lý xy lanh chủ động là hướng nghiên cứu mới. Hiện nay, có rất ít nhà khoa học chuyên ngành về ô tô nghiên cứu, vì vậy hầu như không có công trình nghiên cứu về hệ thống này trong nước. 1.3. Mục tiêu của đề tài Trước tình hình đó, đề tài được nghiên cứu với mục tiêu cụ thể như sau: - Mô hình hoá hệ thống điều khiển hệ thống phân phối khí phục vụ việc ngắt xy lanh trên động cơ - Đánh giá hiệu quả về hiệu suất và suất tiêu hao nhiên liệu của hệ thống ngắt xy lanh thông qua cac kết quả mô phỏng số bằng phần mềm, ứng với các chế độ ngắt xy lanh khác nhau - Nghiên cứu thiết kế cơ cấu ngắt xy lanh ứng dụng trên mô hình động cơ thực tế. 2
14. Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2014-25TĐ 1.4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu là hệ thống phân phối khí truyền thống trên động cơ Hyundai Accent, mô hình hoá, mô phỏng số hiệu quả về chế độ ngắt xy lanh trên động cơ ở các chế độ tải khác nhau, khảo sát các phương pháp thiết kế tối ưu cho việc ngắt xú páp trên động cơ - Do thời gian, kinh phí và trình độ có hạn nên đề tài chỉ nghiên cứu, thiết kế chế tạo cơ cấu ngắt xy lanh trên hệ thống phân phối truyền thống của động cơ Hyundai Accent. Đồng thời, mô hình hoá và mô phỏng số hệ thống ngắt xy lanh bằng phần mềm Matlab tính hiệu quả về hiệu suất và suất tiêu hao nhiên liệu tương ứng với các chế độ ngắt xy lanh trên động cơ. 1.5. Phƣơng pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: trên cơ sở thu thập và tham khảo tài liệu về hệ thống điều khiển ngắt xy lanh trên động cơ - Phương pháp thiết kế hệ thống: trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết đề xuất các phương án thiết kế tối ưu về cơ cấu ngắt xy lanh. - Phương pháp chế tạo cơ cấu - Phương pháp mô phỏng, thực nghiệm: mô hình hoá hệ thống và mô phỏng số hệ thống. 1.6. Nội dung nghiên cứu: - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết hệ thống ngắt xy lanh trên động cơ - Mô hình hoá và mô phỏng số hệ thống ngắt xy lanh trên động cơ - Nghiên cứu các phương án ngắt xú páp đối với cơ cấu phân phối khí trên động cơ Hyundai Accent - Thiết kế, chế tạo cơ cấu ngắt xy lanh - Lắp đặt cơ cấu trên động cơ Hyundai - Thực nghiệm cơ cấu điều khiển trên động cơ 3
15. Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2014-25TĐ Chƣơng 2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NGẮT XY LANH TRÊN ĐỘNG CƠ 2.1. Tổng quan về hệ thống ngắt xy lanh trên động cơ 2.1.1. Khái quát về hệ thống ngắt xy lanh Thể tích công tác biến thiên (Variable Displacement) trên động cơ là công nghệ thay đổi thể tích công tác động cơ (Engine Displacement) bằng cách ngắt một số xy lanh khi làm việc ở chế độ tải nhỏ hay còn gọi là Cylinder Deactvation (CDA) trên Toyota. Ngoài ra hệ thống ngắt xy lanh còn có một số tên gọi khác nhau như: hệ thống quản lý xy 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 [7]. Hình 2.1. Hệ thống điều khiển xy lanh biến thiên. Công nghệ ngắt xy 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 xy lanh bị ngắt để tiết kiệm năng lượng, nhiên liệu và giảm khí xả gây ô nhiễm môi trường. Bằng cách đóng các xú páp khi cần ngắt xy lanh, vì vậy xy lanh bi ngắt được xem như một lò xo không khí "air spring". Lò xo không khí này thực hiện quá trình nén và giãn nở có chu kỳ, điều này loại bỏ các công tổn thất. 4
16. Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2014-25TĐ Công nghệ ngắt xy lanh chủ động trên động cơ ô tô (CDA), thường là từ động cơ V6 trở lên, động cơ có thể chỉ làm việc với 4 hoặc 3 xy lanh để giảm 8 – 25% lượng nhiên liệu tiêu thụ. Ở mức tải bằng 30% công suất tối đa, trên các động cơ cở lớn bướm ga gần như đóng hoàn toàn.Điều này đã cản trở quá trình cấp khí cho các xy lanh, thiếu không khí,áp suất và nhiệt độ nén giảm khiến quá trình cháy kém hiệu quả, hiệu suất nhiệt thấp khi tải động cơ nhỏ. Thay vì để các máy tranh giành lượng khí ít ỏi, công nghệ điều khiển xy-lanh biến thiên sẽ cho một số máy ngừng làm việc, để nhường khí nạp cho các xy-lanh còn lại. Một số buồng đốt nhận khí nhiều hơn làm tăng áp suất nén, vì thế hiệu suất nhiệt được cải thiện. Theo tính toán, lượng nhiên liệu tiêu thụ có thể giảm 8-25% khi xe chạy trên đường cao tốc [10]. Hình 2.2. Công nghệ ngắt xy lanh ở động cơ 6 xy lanh Trên các xy lanh tạm dừng làm việc, các van xả và nạp đóng kín, hỗn hợp không khí trong buồng đốt bị cô lập với bên ngoài. Lúc này, chúng có vai trò như một chiếc lò xo. Nó sẽ bị nén khi khi pít tông đi từ điểm chết dưới (ĐCD) lên điểm chết trên (ĐCT), và giãn nở trong hành trình ngược lại từ ĐCT xuống ĐCD. Quá trình giãn nở của khối khí cô lập tạo sự cân bằng tổng thể, đồng thời không gây ra phụ tải cho động cơ. Ví dụ điển hình nhất cho công nghệ này là loại động cỡ lớn V12 chỉ có 6 xy-lanh làm việc khi tải trọng thấp Quá trình chuyển đổi trạng thái được thực hiện bằng cách thay đổi đồng bộ hệ thống đánh lửa, hệ thống phân phối khí, và vị trí bướm ga. 5
17. Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2014-25TĐ Hiện nay có nhiều phương pháp để cải tiến hiệu suất động cơ, giảm suất tiêu hao nhiên liệu cũng như khí xả độc hại phát ra trên động cơ như: thay đổi thời điểm đóng mở xú páp (VVT), sử dụng công nghệ điều khiển xú páp bằng điện từ (EMV), tỉ số nén thay đổi (VCR), phun xăng trực tiếp (GDI), tăng áp động cơ Hiệu quả sẽ cao hơn khi kết hợp các phương pháp khác nhau. Ví dụ: sự kết hợp giữa VVT và CDA sẽ mang lại hiệu quả cao nhất, sự kết hợp này sẽ tiết kiệm nhiên liệu lên tới 14 – 16%. Việc sử dụng công nghệ điều khiển xú páp bằng điện từ (EMV) cho phép điều khiển thời điểm đánh lửa, các sự kiện diễn ra trong quá trình hoạt động xú páp và độ nâng xú páp được thực hiện một cách linh hoạt, hoàn toàn. Hơn nữa, việc sử dụng EMV cho phép CDA thực hiện dễ dàng do đã loại bỏ xú páp trong động cơ. Ngoải ra, VVT kết hợp với các công nghệ khác như tăng áp, công nghệ ngắt xy lanh (CDA), công nghệ thay đổi tỉ số nén (VCR) sẽ cải thiện đáng kể suất tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm khí xả. 2.1.2. Lịch sử phát triển Phát minh tiền thân cho công nghệ điều khiển xy lanh biến thiên là loại động cơ bật – tắt (hit and miss engine) ở thế kỉ 19. Thay vì sử dụng bướm ga để thay đổi tốc độ quay trục khuỷu, thì động cơ này giảm tốc độ bằng cách ngừng làm việc, và khi muốn tăng duy trì tốc độ, động cơ sẽ làm việc trở lại. Hình 2.3. Động cơ bật tắt - hit and miss engine. Cuộc thử nghiệm động cơ điều khiển xy lanh biến thiên đầu tiên được Cadillac thực hiện trên động cơ V8 vào năm 1981 và trở thành tiêu chuẩn cho các các mẫu 6
18. Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2014-25TĐ xe Cadillac trừ dòng xe Seville. Việc hợp tác với Eaton Corporation đã giúp Cadillac phát triển hệ thống điều khiển động cơ V-8-6-4 sử dụng ECU đầu tiên cho phép chuyển đổi động cơ từ trạng thái 8 về 6 rồi về 4 xy lanh tùy thuộc vào công suất sử dụng. Hệ thống này điều khiển tắt 2 xy lanh nằm đối diện, do đó động cơ có thể làm việc ở 3 chế độ khác nhau (8, 6 hoặc 4 xy lanh). Nhưng có một số vấn đề rắc rối xảy ra và những hỏng hóc không thể lường trước đã kìm hãm sự phát triển của công nghệ này. Hình 2.4. Mitsubishi Lancer sử dụng công nghệ MD. Một năm sau đó, Mitsubishi phát triển hệ thống tương tự có tên MD (Modulated Displacement) trên động cơ 1.4L 4 xy lanh thẳng hàng. Bởi vì hệ thống của Cadillac gặp trục trặc và không được sử dụng trên động cơ 4 xy lanh nên Mitsubishi tự hào là hãng đầu tiên trên thế giới áp dụng công nghệ này. Hãng xe Nhật tiếp tục ứng dụng công nghệ MD lên động cơ V6, nhưng chỉ được một thời gian ngắn bởi thiếu vắng những phản ứng phía từ người mua. Năm 1993, một năm sau khi Mitsubishi phát triển công nghệ trục cam biến thiên, Mivec-MD được giới thiệu đã làm sống lại công nghệ MD lần 2 với bộ điều khiển điện tử cho phép chuyển đổi động cơ từ 4 xy lanh về 2 xy lanh một cách trơn tru. Mivec-MD làm giảm mức tiêu thụ nhiên liệu từ 10-20%, dù bước phát triển này là do công nghệ điều khiển trục cam chứ không 7
19. Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2014-25TĐ phải hệ thống điều khiển xy lanh biến thiên. Vì thế, năm 1996, Modulated Displacement bị loại bỏ. Cuối thập kỷ 90, Mercedes thử nghiệm công nghệ điều khiển xy lanh biến thiên lên động cơ V12, tiếp sau đó DaimlerChrysler, GM và Honda cũng giới thiệu những công nghệ tương tự. Năm 1998, DaimlerChrysler đã giới thiệu lại công nghệ ngắt giảm xy lanh trên động cơ 5.0L V8 và 6.0L V12, được Mercedes- Benz sử dụng. Hệ thống này có thể ngắt giảm 4 đến 6 xy lanh. Hãng Honda cũng áp dụng công nghệ này nhưng với tên gọi là Variable Cylinder Management (VCM) vào năm 2005 trên động cơ xăng 3.5L V6, nhưng chỉ có thể ngắt được 1 trong 3 xy lanh nằm thẳng hàng. Sau năm 2008 giá nhiên liệu liên tục tăng cao, người tiêu dùng đang tìm kiếm những loại động cơ tiết kiệm nhiên liệu đồng thời đảm bảo công suất hoạt động, điều này sẽ là một cơ hội để công nghệ điều khiển xy lanh biến thiên tiếp tục phát triển trong tương lai. 2.1.3. Ƣu và nhƣợc điểm của hệ thống ngắt xy lanh a. Ƣu điểm Phương pháp ngắt giảm xy lanh khi động cơ làm việc ở chế độ tải nhỏ hoặc không tải nhằm giúp động cơ làm việc một cách tiết kiệm nhiên liệu nhất mà hiệu suất đạt được lại cao như kết luận của Osman Akin Kutlar [13]. Hiệu quả của phương pháp này được thể hiện ở hình sau đây: 8
20. Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2014-25TĐ Hình 2.5. So sánh 2 chế độ làm việc của động cơ Hình 2.5 cho thấy khi ở chế độ tải nhỏ hoặc không tải, nếu hai xy lanh làm việc thì phần công suất sinh ra ở mỗi xy lanh bằng 1/2 công suất yêu cầu của động cơ (IMEPgross_ phần công +). Nhưng đồng thời khi đó phần tổn thất công suất dành cho việc hút khí nạp và thải khí sẽ tăng lên (IMEPpumping_ phần công -). Như chúng ta đã biết, khi động cơ hoạt động ở chế độ tải nhỏ thì bướm ga đóng một phần, lượng khí được hút vào xy lanh trên đường ống nạp sẽ bị cản trở bởi cánh bướm ga, do đó cần tốn một công lớn dùng để hút không khí vào buồng đốt trong kì nạp. Chính phần công này làm cho hiệu suất của động cơ giảm đi hay nói cách khác làm tổn thất công suất có ích của động cơ. Để khắc phục sự tổn thất công khi ở tải thấp việc ngắt giảm bớt một xy lanh sẽ giúp cho động cơ làm việc với hiệu suất cao hơn nhưng lại tiết kiệm được nhiên liệu hơn. Như được chỉ ra ở Hình 2.5, khi động cơ làm việc với một xy lanh ở tải nhỏ, thể tích công tác giảm chỉ còn một nửa nhưng yêu cầu về công suất vẫn không đổi do đó bướm ga sẽ mở tối đa, điều này giúp cho việc nạp không khí vào buồng đốt dễ dàng hơn do không có sự cản trở của cánh bướm ga trên đường nạp. Do đó phần công tiêu hao cho việc hút không khí nạp được giảm đi 9
21. Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2014-25TĐ (IMEPpumping_ phần công -), mà phần công suất được sinh ra ở một xy lanh lại cao hơn (IMEPgross_ phần công +), đồng nghĩa với việc làm tăng hiệu suất cho động cơ. Ngoài ra dựa theo bảng so sánh ở hình 2.5 cũng cho thấy, cùng một chỉ số áp suất hiệu dụng chính ( IMEPnet) thì sự tiêu hao nhiên liệu khi hoạt động ở một xy lanh sẽ giảm xuống. Một ví dụ trên động cơ V-6 3.5-liter i-VTEC VCM mới của Honda dưới đây: Hình 2.6. Động cơ V-6, 3.5-lít của Honda và sự ngắt giảm xy lanh Như trên Hình 2.6 cho thấy, khi động cơ hoạt động ở điều kiện tải nhỏ với nhu cầu công suất đầu ra không lớn, thay vì cho tất cả 6 xy lanh cùng hoạt động thì mỗi xy lanh sẽ làm việc với công suất thấp và cánh bướm ga gần như đóng hoàn toàn. Điều này dẫn tới sự tổn thất công suất cho động cơ rất lớn như được thể hiện trên Hình 2.6, phần diện tích tổn hao công suất (pumping loss) của mỗi xy lanh khi 6 xy lanh cùng hoạt động là rất lớn. Để tránh sự tổn thất công suất có ích của động cơ trong trường hợp này số xy lanh được ngắt giảm phân nữa còn lại 3 xy lanh làm việc với công suất riêng lớn và bướm ga mở gần như tối đa nhằm đảm bảo công suất đầu ra đúng như yêu cầu khi cả 6 xy lanh làm việc. Hình 2.6 cho thấy phần pumping loss của mỗi xy lanh khi chỉ có 3 xy lanh làm việc là rất thấp đồng thời ở 3 xy lanh được ngắt giảm thì công tổn thất được giảm hoàn toàn. Do đó việc ngắt giảm số xy lanh làm việc đem lại kết quả tốt hơn khi động cơ làm việc ở chế độ tải nhỏ. Đặc biệt về mặt tiết kiệm nhiên nhiệu như được chỉ ra 10
22. S K L 0 0 2 1 5 4