tổng hợp Tài liệu hệ thống ngắt xilanh chủ động trên ô tô

(Cơ điện tử Việt Nam Hệ thống nhúng) Việc ngắt xi lanh chủ động không hẳn là một công nghệ động cơ mới và mặc dù nó chưa bao giờ được áp dụng rộng rãi, GM đã lần đầu tiên sử dụng nó trên một số mẫu xe Cadillac hơn 20 năm trước. Nếu sự thật được nói ra, hoạt động của các lần lặp lại đầu tiên của hệ thống ngắt xi lanh chủ động không chỉ khắc nghiệt mà những hệ thống này còn rất dễ bị hỏng hóc và kết quả là hầu hết khách hàng không thích và không tin tưởng vào hệ thống ngắt xi lanh chủ động. Tuy nhiên, một số nhà sản xuất xe hơi đã phải nỗ lực rất nhiều để khắc phục lỗi, với kết quả là các hệ thống ngắt xi lanh chủ động hiện đại ngày nay khá đáng tin cậy. Vì vậy, trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét kỹ hơn một số hệ thống ngắt xi lanh chủ động hiện đại về cả cách chúng hoạt động và những gì có thể xảy ra với chúng?

MỤC LỤC CHƯƠNG I TỔNG QUAN 5

1 Khái niệm 5

2 Một số hệ thống điều khiển ngắt xi-lanh trên các hãng xe

4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

12 5.1 Ưu điểm 12

SVTH :Nguyễn Quốc Hưng BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ 2

1.5 N

ội dung nghiên cứu 15

1.6 Ý tưởng thiết kế mô phỏng

6 Sơ đồ mạch điều khiển hệ thống ECU điều khiển ngắt xi-lanh

32 8 Mô hình thực tế

37 CHƯƠNG III

KẾT QUẢ 38

1 Về lý thuyết

38

2 Về mặt thực tế 38

CHƯƠNG IV TÀI LIỆU THAM KHẢO

38

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

PHẦN 1

Hình 1.1: Hệ thống điều khiển xi-lanh biến thiên

5 Hình 1.2: Công nghệ ngắt xi-lanh ở động cơ 6 xy lanh

6 Hình 1.3: Động cơ sử dụng công nghệ ngắt xi-lanh Honda J35A

7 Hình 1.4: Chế độ ngắt xi-lanh của Audi

8 Hình 1.5: Động cơ V8 5.7L HEMI với hệ thống MDS

8 Hình 1.6: Động cơ bật tắt – hit and miss engine

9 Hình 1.7: Mitsubishi Lancer sử dụng công nghệ MD (Modulated Displacement)

10 Hình 1.8: Chế độ ECO tiết kiệm nhiên liệu hãng xe Honda

15 PHẦN 3

Hình 2.1: Nguyên lý chung hệ thống ngắt xi-lanh chủ động 18

Hình 2.2: Các chế độ hoạt động của xe 18

Hình 2.3: Động cơ hoạt động 6 xi-lanh 18

Hình 2.4: Động cơ hoạt động 3 xi-lanh 19

Hình 2.6: Cơ cấu mgắt xi-lanh trên động cơ 21

Hình 2.7: Chế độ xi-lanh hoạt động bình thường 21

Hình 2.8: Chế độ xi-lanh bị ngắt (không hoạt động) 22

Hình 2.9: Sơ đồ khối hệ thống ECU điều khiển ngắt xi-lanh 22

Hình 1.1: Hệ thống điều khiển xi-lanh biến thiên

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 ô nhiễm môi trường Bằng cách đóng các xú páp khi cần ngắt

xy lanh, vì vậy xi-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

Công nghệ ngắt xi-lanh chủ động trên động cơ ô tô thường là từ động cơ V6 trở lên, động cơ có thể chỉ làm việc với 4 hoặc 3 xi-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

Hình 1.2: Công nghệ ngắt xi-lanh ở động cơ 6 xy lanh

Trên các xi-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

2 Một số hệ thống điều khiển ngắt xi-lanh trên các hãng xe

2.1 Hệ thống VCM – Variable Cylinder Management của Honda

Hệ thống điều khiển xi-lanh biến thiên (Variable Cylinder Management – VCM) được Honda giới thiệu vào năm 2004 trên mẫu xe Hybrid Accord, đây là hãng đầu tiên

sử dụng công nghệ này trên động cơ 6 xi-lanh và được xem là bước đột phá của Honda trong việc nâng công suất cũng như tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu, bảo vệ môi trường

Công nghệ này cho phép ngắt, không bơm nhiên liệu vào xi-lanh theo điều khiển của máy tính tùy theo từng điều kiện vận hành (có thể ngắt nhiên liệu vào 2 hoặc 3 xilanh cùng lúc) mà vẫn đảm bảo xe vận hành tốt

Hình 1.3: Động cơ sử dụng công nghệ ngắt xi-lanh Honda J35A

2.2 Hệ thống COD – Cylinder On Demand của Audi

Đối với hãng Honda hệ thống ngắt giảm xi-lanh gọi là Variable Cylinder Management, còn với hãng Audi thì gọi là Cylinder On Demand - COD Ở hãng Audi

họ sử dụng hệ thống COD trên các xe có động cơ 4, 8 và 12 xy lanh, số xi-lanh ngắt giảm ở động cơ 4 xi-lanh là 2, ở động cơ 8 xi-lanh là 4 và ở động cơ 12 xi-lanh là 6 Khác với hãng Honda, ở hãng Audi chỉ ngắt giảm xi-lanh ở một chế độ duy nhất

và khi ngắt giảm nó sẽ ngắt đi một nửa số xi-lanh của động cơ Đối với mỗi loại động

cơ của Audi thì điều kiện ngắt xi-lanh cũng khác nhau

2.3 Hệ thống MDS - Multi-Displacement System của Chrysler

Đây là hãng sản xuất đầu tiên áp dụng công nghệ điều khiển xi-lanh biến thiên trên động cơ V8 Hệ thống này cho phép ngắt giảm một nửa số xi-lanh khi xe hoạt động ở các chế độ không yêu cầu công suất cao để tiết kiệm nhiên liệu

3 Lịch sử phát triển

Phát minh tiền thân cho công nghệ điều khiển xi-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 1.6: Động cơ bật tắt – hit and miss engine

Cuộc thử nghiệm động cơ điều khiển xi-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 xe Cadillac 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 xi-lanh tùy thuộc vào công suất sử dụng Hệ thống này điều khiển tắt 2 xi-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

Một năm sau đó, Mitsubishi phát triển hệ thống tương tự có tên MD (Modulated Displacement) trên động cơ 1.4L 4 xi-lanh thẳng hàng Mitsubishi tự hào là hãng đầu tiên trên thế giới áp dụng công nghệ này

Hình 1.7: Mitsubishi Lancer sử dụng công nghệ MD (Modulated Displacement)

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 xi-lanh về 2 xi-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 phải hệ thống điều khiển xi-lanh biến thiên Vì thế, năm 1996, Modulated Displacement bị loại bỏ

Cuối thập kỷ 90, Mercedes thử nghiệm công nghệ điều khiển xi-lanh biến thiên lên động cơ V12, tiếp sau đó Chrysler, GM và Honda cũng giới thiệu những công nghệ tương tự Năm 1998, Chrysler đã giới thiệu lại công nghệ ngắt giảm xi-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 xi-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 xi-lanh biến thiên tiếp tục phát triển trong tương lai

4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Hiện nay có rất nhiều công trình nghiên cứu đến hệ thống ngắt xi-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 xi-lanh thẳng hàng mà có thể ngắt bớt 2 xi-lanh khi làm việc ở chế tải thấp Kết quả nghiên cứu chứng minh có thể cải tiến 20% hiệu suất động cơ và giảm từ 10 ÷40% khí xả độc hại trên động cơ ở chế tải thấp

Một nghiên cứu khác, tác giả R T Nate và các cộng sự sử dụng hệ thống phân phối khí điện từ để có thể ngắt từ 2 đến 4 xú páp tuỳ thuộc vào chế độ hoạt động Kết quả nghiên cứu chỉ ra có thể cải tiến đến 11.5% suất tiêu hao nhiên liệu ở chế độ tải thấp khi ngắt bớt 2 xi-lanh trên động cơ không trục cam thẳng hàng 4 xi-lanh với dung tích xi-lanh là 2.0 lít

Tương tự, một động cơ xăng 6 xi-lanh với kỹ thuật quản lý xi-lanh chủ động được nghiên cứu bởi tác giả Fujiwara và các cộng sự Số xi-lanh chủ động được quyết định bởi điều kiện tải trên xe, nghiên cứu này chỉ ra rằng: chế độ 3 xi-lanh chủ động được sử dụng ở xe chạy chế độ tự động (Cruise Control) với tải thấp, chế độ 4 xi-lanh chủ động được hoạt động ở chế độ tải cao hơn và chế độ tất cả các xi-lanh chủ động hoạt động là tối ưu ở chế độ toàn tải

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 xi-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

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 xi-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 xi-lanh sẽ giúp cho động cơ làm việc với hiệu suất cao hơn nhưng lại tiết kiệm được nhiên liệu hơn

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 xi-lanh cùng hoạt động thì mỗi xi-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 xi-lanh khi 6 xi-lanh cùng hoạt động là rất lớn Để tránh sự tổn thất công suất có ích của động cơ trong trường hợp này số xilanh được ngắt giảm phân nữa còn lại 3 xi-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 xi-lanh làm việc Hình 2.6 cho thấy phần pumping loss của mỗi xi-lanh khi chỉ có 3 xilanh làm việc là rất thấp đồng thời ở 3 xi-lanh được ngắt giảm thì công tổn thất được giảm hoàn toàn

Giảm ô nhiễm môi trường Nhờ việc tắt bớt các xi-lanh không cần thiết, nên lượng khí thải phát thải ra môi trường cũng giảm theo, góp giảm ô nhiễm môi trường Theo số liệu thống kê cho thấy công nghệ điều khiển xi-lanh biến thiên có thể giảm lượng khí CO2 từ 2.1% - 8.0%

Giảm tiêu hao nhiên liệu Các cuộc thử nghiệm cụ thể sẽ cho ta thấy rõ hơn lợi ích về tiêu hao nhiên liệu của việc ngắt giảm xy lanh: Làm thử nghiệm với xe taxi sử dụng động cơ 4 xi-lanh mà có 2 xi-lanh bị ngắt giảm cho thấy khi chạy trên đường thì

nó có thể giảm mức tiêu hao nhiên liệu từ 20 – 30% Với một động cơ 6 xi-lanh thẳng hàng được thử nghiệm theo chu trình NEDC (New European Driving Cycle) nó có thể cải thiện được 25,4 % suất tiêu hao nhiên liệu khi ngắt giảm 3 xy lanh, một trường hợp khác là động cơ V8 dung tích 5 lít của Mercedes-Benz nó giảm 6,5% khi thử nghiệm theo chu trình NEDC và 10,3% khi thử nghiệm theo chu trình American FTP (Federal Test Procedure) với 4 xi-lanh bị ngắt giảm

Đòi hỏi độ bền chi tiết động cơ cao vì dễ bị mòn do va đập giữa các chi tiết nhất

là với các chi tiết xú páp và liên quan đến xú páp trên động cơ điều khiển không trục cam

1 Giới thiệu tổng quan đề tài

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 xilanh 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 xi-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 Mục tiêu nghiên cứu

Nhằm nâng cao kiến thức chuyên môn và vận dụng được những gì đã học trên trường vào thực tiễn và cụ thể là mong muốn được ứng dụng điện tử vào trang bị những tiện nghi trên ô tô Bên cạnh đó thì nhóm chúng em cũng mong muốn có cơ hội tìm tòi, học hỏi để hiểu thêm về hệ thống ngắt xi-lanh chủ động

Mô hình hóa mô phỏng lại quá trình ECU điều khiển ngắt xi-lanh phụ thuộc vào vận tốc và tải trọng tác dụng

1.3 Đối tượng nghiên cứu và phạm bi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống ECU điều khiển ngắt xi-lanh chủ động động cơ Honda, mô hình hoá, các chế độ ngắt xi-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

1.4 Phương 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 xi-lanh trên động cơ

Phương pháp thiết kế hệ thống: trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết mô phỏng các trường hợp thực tế của hệ thống ECU ngắt xy lanh

1.5 Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết hệ thống ngắt xi-lanh trên động cơ

Mô phỏng các trường hợp thực tế của hệ thống ECU ngắt xy lanh

1.6 Ý tưởng thiết kế mô phỏng

- Sử dụng 6 led mô phỏng thay cho trạng thái hoạt động của 6 xy lanh

- Đèn led ECO hoạt động khi xe ở chế độ tiết kiệm nhiên liệu

- 2 biến trở giả lập tốc độ và tải trọng tác dụng lên xe

- Màn hình LCD hiển thị các thông số giả lập thống số của cảm biến tốc độ xe và mức tải trọng tác dụng thông qua 2 biến trở

Hình 1.8: Chế độ ECO tiết kiệm nhiên liệu hãng xe Honda

Hình 2.1: Nguyên lý chung hệ thống ngắt xi-lanh chủ động

2.2 Các chế độ hoạt động

Hình 2.2: Các chế độ hoạt động của xe

ECU dựa vào tín hiệu của các cảm biến trên hệ thống i-VTEC để xác định chế độ hoạt động của xe, từ đó điều khiển động cơ hoạt động ở các chế độ 3 hoặc 4 hoặc 6 xy lanh

Động cơ làm việc 6 xi-lanh

Hình 2.3: Động cơ hoạt động 6 xi-lanh

- Khi dốc cao cần công suất cao

- Tại tốc độ ổn định cao (>110km/h) động cơ cần hoạt động đầy đủ với 6 xi-lanh

để đảm bảo công suất

Động cơ làm việc 3 hoặc 4 xi-lanh

Động cơ chỉ có 3 xi-lanh hoạt động (V3) Ba xi-lanh còn lại "nghỉ", tức piston vẫn lên-xuống nhưng không đốt nhiên liệu Tuy nhiên, không phải tốc độ chậm nào xe cũng ngắt 3 xi-lanh mà còn tùy thuộc vào tải động cơ

Động cơ chỉ làm việc với 4 xi-lanh khi đang leo dốc thấp (V4), hai xi-lanh còn lại không sử dụng nhiên liệu

Số Xi-lanh hoạt động

Ghi chú

động

6 Làm nóng máy Trung bình

Công suất cao

6 Động cơ vẫn hoạt

động 6 xi-lanh để đảm bảo công suất

Bảng 1: Bảng tóm tắt các chế độ hoạt động xe phụ thuộc vào tốc độ và tải trọng