GIỚI THIỆU
Đặt vấn đề
Năng lượng hóa thạch như xăng và dầu diesel đang dần cạn kiệt, mặc dù con người đã bắt đầu chuyển sang các nguồn năng lượng thay thế Tuy nhiên, việc áp dụng năng lượng thay thế cho động cơ đốt trong vẫn còn hạn chế và chi phí đầu tư cao, khiến cho nhiên liệu hóa thạch vẫn là lựa chọn chính cho ô tô trong tương lai gần Động cơ đốt trong, mặc dù đã có nhiều cải tiến công nghệ, vẫn gặp phải vấn đề về hiệu suất thấp, tiêu hao nhiên liệu cao và khí xả ô nhiễm Điều này thúc đẩy các kỹ sư và nhà thiết kế tiếp tục cải tiến để nâng cao hiệu quả nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường Sự phát triển của động cơ đốt trong là yếu tố then chốt trong ngành công nghiệp ô tô, đòi hỏi một quá trình phát triển bền vững để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người.
• Cạn kiệt nguồn nhiên liệu hoá thạch như xăng, dầu diesel,
• Ảnh hưởng phát thải của động cơ tới môi trường và đời sống con người như khí thải, tiếng ồn
• Khí thải và lãng phí nhiên liệu trong quá trình xe vận hành đặc biệt trong chế độ tải nhỏ
Việc giảm tác động môi trường không chỉ là giảm khí thải mà còn cần giảm tiêu thụ nhiên liệu trong quá trình hoạt động của xe Lượng khí thải và tiêu thụ nhiên liệu được đánh giá qua tiêu chuẩn khí thải EURO và tiêu chuẩn CO2 140 (g/km) năm 2008, đã được EU và ACEA thống nhất Tiêu chuẩn EURO đã được áp dụng rộng rãi trên toàn cầu, và trong bốn mươi năm qua, nhờ vào các chính sách nghiêm ngặt và nghiên cứu về động cơ, mức phát thải (NOx, CO và HC) đã giảm đáng kể Dự kiến, công nghệ cải tiến trên động cơ sẽ tiếp tục giúp giảm mức phát thải trong tương lai.
Hiệu quả của động cơ đốt trong chủ yếu phụ thuộc vào chế độ tải, với hiệu suất tối ưu đạt được ở chế độ toàn tải Mục tiêu nâng cao hiệu suất động cơ là rất quan trọng trong phát triển xe ô tô Trong khi động cơ hoạt động hiệu quả hơn trên đường cao tốc với tải cao, thì trong thực tế, xe thường hoạt động ở khu vực thành phố, nơi động cơ chủ yếu chạy ở chế độ tải nhỏ và công suất thấp, dẫn đến lãng phí nhiên liệu.
Hình 1.1: Đồ thị công P-V của chu trình lý tưởng và chu trình thực tế động cơ đốt trong
Động cơ đốt trong hoạt động kém hiệu quả trong chế độ tải nhỏ do sức cản dòng khí nạp lớn, dẫn đến tổn thất cơ giới tăng lên và giảm khoảng 10% công suất Theo đồ thị công chỉ thị P–V, hiệu suất nhiệt động học thực tế chỉ đạt 60% so với chu trình khí lý tưởng, do tổn thất nhiệt, thời gian cháy trễ và các yếu tố khác Kết quả là, hiệu suất nhiệt tối đa của động cơ thực tế chỉ khoảng 35-40% Thêm vào đó, khi tính đến tổn thất do ma sát cơ khí, hiệu suất có ích của chu trình động cơ trong chế độ toàn tải chỉ đạt khoảng 30-35%.
Động cơ đốt trong thường gặp khó khăn trong việc đạt hiệu suất cao khi hoạt động ở chế độ tải nhỏ hoặc trung bình, điều này là một nhược điểm lớn Để khắc phục vấn đề này, các nhà sản xuất ô tô đã nghiên cứu và phát triển nhiều giải pháp, hiện đang được áp dụng rộng rãi trên các dòng xe hiện đại và sẽ tiếp tục được cải tiến trong tương lai Một số giải pháp hiện nay nhằm nâng cao hiệu suất động cơ ở chế độ tải nhỏ bao gồm
• Điều khiển phân phối khí thông minh
• Thay đổi tỉ số nén
• Phun nhiên liệu trực tiếp
• Điều khiển xylanh biến thiên
Ngoài ra, các giải pháp này còn được kết hợp để tạo ra các chu trình hiệu suất cao như chu trình Otto-Atkinson, kết hợp điều khiển phân phối khí thông minh với thay đổi tỷ số nén, và chu trình Miller, kết hợp điều khiển phân phối khí thông minh với turbo tăng áp.
Trong số các giải pháp tối ưu, "điều khiển xylanh biến thiên" nổi bật là phương pháp cải thiện hiệu suất động cơ trong điều kiện tải thấp Do đó, nhóm chúng tôi đã quyết định tập trung nghiên cứu và tìm hiểu sâu hơn về ứng dụng của công nghệ này trên các dòng xe hiện nay.
Mục tiêu đồ án
Mục tiêu của đề tài này là nghiên cứu các công nghệ mới trong việc tiết kiệm nhiên liệu cho động cơ ô tô Dù việc khảo sát toàn bộ công nghệ giảm tiêu hao nhiên liệu và khí thải là một thách thức lớn, nhóm chúng em đã quyết định tập trung vào công nghệ điều khiển xylanh, hay còn gọi là ngắt xylanh động cơ Công nghệ này hứa hẹn mang lại hiệu quả cao trong việc giảm khí thải và tiết kiệm nhiên liệu Đề tài sẽ giải quyết các câu hỏi liên quan đến hiệu quả và ứng dụng của công nghệ ngắt xylanh trong động cơ ô tô hiện nay.
• Công nghệ ngắt xylanh là gì? Nó được hình thành ra sao ?
• Tại sao phải ngắt xylanh, khi nào thì ngắt, cách ngắt xylanh như thế nào ?
• Có bao nhiêu xylanh có thể bị ngắt và ngắt xylanh ở vị trí nào sẽ tốt nhất theo thứ tự công tác của các xylanh ?
• Công nghệ ngắt xylanh mang lại những lợi ích gì về việc cải thiện công suất động cơ ?
• Những ưu điểm và những hạn chế của việc xylanh ngừng hoạt động là gì ?
• Các hãng ô tô hiện nay sử dụng công nghệ này ra sao ?
Phạm vi nghiên cứu
Trong bài viết này, chúng tôi nghiên cứu cơ sở lý thuyết về công nghệ điều khiển xylanh biến thiên, phân loại các phương pháp điều khiển ngắt xylanh, cùng với những ưu nhược điểm của công nghệ này Chúng tôi cũng xem xét thời điểm ngắt xylanh trong quá trình hoạt động của động cơ Bên cạnh đó, bài viết còn tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của công nghệ điều khiển xylanh biến thiên từ các hãng nổi tiếng như Honda, GM, Volkswagen, Audi, Chrysler và Fiat, tập trung vào hệ thống điều khiển xylanh biến thiên trên các dòng xe du lịch.
Phương pháp nghiên cứu
Trong quá trình hoàn thiện đề tài nhóm chúng em đã sử dụng nhiều phương pháp nghiên cứu như:
• Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
• Phương pháp đánh giá tài liệu
• Phương pháp phân tích và tổng hợp dữ liệu
Ngoài ra chúng em còn tham khảo thêm các tài liệu chuyên ngành, các bài báo, các tạp chí có liên quan đến đề tài này.
Nội dung và hướng tiếp cận đề tài
Đề tài này tập trung vào việc nghiên cứu công nghệ ngắt xylanh nhằm giảm tiêu hao nhiên liệu và khí thải cho động cơ đốt trong Chương 1 sẽ trình bày lý do cần thiết phải cải tiến động cơ để giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và khí thải, cũng như những vấn đề mà ô tô gặp phải khi hoạt động ở chế độ tải nhỏ.
Chương 2 sẽ giới thiệu tổng quan về công nghệ điều khiển xylanh biến thiên từ khái niệm, lịch sử hình thành, đồng thời làm rõ vấn đề tại sao phải ngắt ngắt xylanh khi động cơ hoạt động trong chế độ tải nhỏ, ngắt như nào thế nào và chỉ ra những ưu khuyết điểm của công nghệ này
Chương 3 là chương trọng tâm thảo luận về công nghệ ngắt xylanh của các hãng xe ô tô hiện nay, họ đã sử dụng cách gì để ngắt và những hiệu quả mà các hãng ô tô đạt được khi áp dụng công nghệ này
Chương 4 sẽ trình bày cách kết hợp công nghệ ngắt xylanh với các công nghệ khác để đạt được hiệu quả tối ưu.
Chương 5 sẽ tổng kết và nêu nên các kiến nghị cho sự phát triển đề tài này.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tổng quan về hệ thống điều khiển xylanh biến thiên trên ô tô
2.1.1 Khái niệm về điều khiển xylanh biến thiên
Công nghệ điều khiển xylanh biến thiên động cơ, hay còn gọi là ngắt xylanh, cho phép thay đổi thể tích công tác động cơ bằng cách ngắt một số xylanh khi hoạt động ở chế độ tải nhỏ và trung bình Hệ thống này, được biết đến với các tên gọi như Variable Cylinder Management (VCM) của Honda, Active Fuel Management (AFM) của GM, và Multi Displacement System (MDS) của Chrysler, giúp tiết kiệm nhiên liệu và nâng cao hiệu suất cho các xylanh còn lại Chẳng hạn, động cơ V6 có thể chỉ hoạt động với 4 hoặc 3 xylanh khi tải trọng thấp.
Hình 2.1: Động cơ V6 có thể làm việc với 4 hoặc 3 xylanh
2.1.2 Lịch sử phát triển công nghệ điều khiển xylanh biến thiên
Công nghệ ngắt xylanh động cơ có nguồn gốc từ động cơ bật-tắt (hit and miss engine) xuất hiện vào thế kỷ 19 Động cơ này hoạt động bằng cách ngừng làm việc để giảm tốc độ quay trục khuỷu, thay vì sử dụng bướm ga như các động cơ hiện đại Khi cần tăng tốc độ, động cơ sẽ tiếp tục hoạt động trở lại.
Vào năm 1981, Cadillac ra mắt những chiếc xe đầu tiên trang bị động cơ ngắt xylanh "Modulated Displacement", hợp tác với Eaton Corporation để phát triển hệ thống điều khiển động cơ V-8-6-4 Hệ thống này sử dụng ECU đầu tiên cho phép chuyển đổi giữa 8, 6 và 4 xylanh tùy theo công suất, với khả năng điều khiển ngắt 2 xylanh đối diện Mặc dù công nghệ này mang lại nhiều lợi ích, nhưng đã gặp phải một số vấn đề và hư hỏng không lường trước, kìm hãm sự phát triển của nó.
Hình 2.2: Cadillac Fleetwood V-8-6-4 1981 động cơ ngắt xylanh đầu tiên
Năm 1982, Mitsubishi ra mắt động cơ 1.4L 4 xylanh thẳng hàng với hệ thống Orion-MD (Modulated Displacement), trở thành hãng đầu tiên áp dụng công nghệ này trên thế giới Mặc dù tiếp tục phát triển công nghệ cho động cơ V6, Mitsubishi gặp khó khăn do thiếu phản hồi từ thị trường Đến năm 1993, công nghệ Mivec-MD được giới thiệu, cho phép chuyển đổi động cơ từ 4 xylanh sang 2 xylanh một cách linh hoạt, giúp giảm mức tiêu thụ nhiên liệu từ 10-20% Sự phát triển này chủ yếu nhờ vào công nghệ điều khiển trục cam, không phải từ hệ thống điều khiển xylanh biến thiên.
Cuối thập kỷ 90, Mercedes-Benz đã thử nghiệm công nghệ ngắt xy lanh trên động cơ V12, sau đó, các hãng Daimler Chrysler, GM, Audi và Honda cũng giới thiệu công nghệ tương tự với những tên gọi khác nhau.
Sau năm 2008, giá nhiên liệu tăng cao đã khiến người tiêu dùng tìm kiếm động cơ tiết kiệm nhiên liệu nhưng vẫn đảm bảo công suất hoạt động Điều này tạo cơ hội cho công nghệ ngắt xylanh động cơ phát triển mạnh mẽ trong tương lai.
2.1.3 Giải pháp công nghệ ngắt xylanh trong chế độ tải nhỏ trên ô tô
Một nhược điểm lớn của động cơ là hiệu suất hoạt động kém khi ở chế độ tải nhỏ, do cánh bướm ga mở hẹp dẫn đến sức cản lớn của dòng khí nạp Điều này không chỉ làm giảm công suất của động cơ mà còn tiêu tốn thêm năng lượng trong quá trình hút khí nạp vào xylanh.
Hình 2.3: Đồ thị công P-V ở chế độ toàn tải và chế độ tải nhỏ
Áp suất xylanh thay đổi theo thể tích buồng đốt khi động cơ hoạt động ở chế độ tải nhỏ (bướm ga mở 30 độ) so với chế độ toàn tải (bướm ga mở hoàn toàn) Công tổn hao (pumping loss) được thể hiện qua diện tích dưới đồ thị, cho thấy rằng tổn hao này cao hơn khi bướm ga mở 30 độ do sự cản trở dòng không khí Ngược lại, phần diện tích phía trên biểu thị công có ích sinh ra, cho thấy công sinh ra ở bướm ga mở 30 độ thấp hơn so với bướm ga mở 90 độ, do ít nhiên liệu được phun vào, dẫn đến công suất phát ra nhỏ hơn khi động cơ hoạt động ở tải thấp.
Trong bốn kỳ của động cơ đốt trong, chỉ có kỳ giãn nở tạo ra công có ích, trong khi các kỳ khác như hút, nén và xả đều tiêu hao năng lượng Đặc biệt, độ đóng mở của cánh bướm ga ảnh hưởng lớn đến công tổn thất khi nạp không khí vào xylanh, quyết định hiệu suất hoạt động của động cơ.
Hình 2.4 : So sánh 2 chế độ làm việc của động cơ
Khi động cơ hoạt động ở chế độ tải nhỏ hoặc không tải với hai xylanh, công suất sinh ra ở mỗi xylanh chỉ đạt 1/2 công suất yêu cầu, trong khi tổn thất công suất do hút và thải khí lại gia tăng Điều này xảy ra vì bướm ga mở nhỏ, gây cản trở cho lượng khí vào xylanh, làm tăng công cần thiết để hút không khí vào buồng đốt, từ đó giảm hiệu suất động cơ Để cải thiện tình trạng này, việc ngắt giảm số xylanh hoạt động có thể giúp động cơ đạt hiệu suất cao hơn và tiết kiệm nhiên liệu Khi chỉ sử dụng một số xylanh, thể tích công tác giảm xuống nhưng yêu cầu công suất không đổi, khiến bướm ga mở tối đa, giảm cản trở và giảm công tiêu hao cho việc hút không khí Điều này làm tăng công suất sinh ra ở mỗi xylanh, đồng thời giảm tiêu hao nhiên liệu mà vẫn giữ được chỉ số áp suất hiệu dụng chính (IMEPnet) ổn định Các tổn thất công suất này có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất động cơ, như thể hiện trong đồ thị P-V.
Khi hoạt động ở chế độ toàn tải, tổn thất trong quá trình nạp là không lớn vì sức cản của cánh bướm ga không đáng kể do cánh bướm ga mở hoàn toàn.
Khi động cơ hoạt động ở chế độ tải nhỏ hoặc trung bình, cánh bướm ga mở nhỏ gây ra sức cản lớn, dẫn đến tổn thất trong quá trình nạp Lượng không khí hút vào xylanh giảm, làm giảm công suất động cơ Điều này là hiển nhiên trong chế độ tải nhỏ, nhưng hiệu suất động cơ cũng bị giảm theo, điều này là không mong muốn.
Một ví dụ trên động cơ V-6 3.5l i-VTEC VCM mới của Honda dưới đây.
Hình 2.5: Động cơ V-6, 3.5lít của Honda và sự ngắt giảm xylanh
Khi động cơ hoạt động ở tải nhỏ, thay vì sử dụng toàn bộ 6 xylanh, chỉ 3 xylanh hoạt động với công suất cao hơn, trong khi bướm ga gần như mở tối đa, giúp giảm thiểu tổn thất công suất (pumping loss) đáng kể Hình 2.5 minh họa rõ ràng rằng diện tích tổn hao công suất khi chỉ có 3 xylanh hoạt động là rất thấp, trong khi 3 xylanh còn lại không hoạt động hoàn toàn loại bỏ tổn thất Việc này không chỉ cải thiện hiệu suất động cơ mà còn tiết kiệm nhiên liệu, như thể hiện trong hình 2.6, cho thấy lượng nhiên liệu tiết kiệm được khi chỉ sử dụng 3 xylanh ở tải nhỏ và 4 xylanh ở tải trung bình so với việc sử dụng tất cả 6 xylanh.
Hình 2.6: Sự tiết kiệm nhiên liệu ở các chế độ tải khi thực hiện ngắt xylanh
Trong một thí nghiệm, mức tiêu hao nhiên liệu của động cơ xăng bốn xylanh được đo khi hai xylanh ngừng hoạt động Sử dụng máy cân điện tử, tổng lượng nhiên liệu tiêu thụ (kg/giờ) được ghi nhận ở các tốc độ khác nhau với tải không đổi Khi ngắt tín hiệu đánh lửa và phun nhiên liệu cho hai xylanh, kết quả cho thấy chế độ 2 xylanh tiết kiệm nhiên liệu hơn so với chế độ 4 xylanh, với mức giảm tiêu thụ trung bình là 22,71% Kết quả này chứng minh rằng việc ngắt xylanh là một phương pháp hiệu quả để giảm tiêu hao nhiên liệu cho động cơ.
Bảng 2.1: Tổng lượng nhiên liệu tiêu thụ trong chế độ bốn xylanh
(Đơn vị: kg/giờ) Bảng 2.2: Tổng lượng nhiên liệu tiêu thụ trong chế độ hai xylanh
(Đơn vị: kg/giờ) Bảng 2.3: So sánh tỷ lệ giảm tiêu thụ nhiên liệu giữa hai chế độ ngắt xylanh
2.1.4 Điều khiển ngắt xylanh động cơ
Có nhiều phương pháp ngắt xylanh động cơ, nhưng phương pháp phổ biến nhất là đóng hoàn toàn xupap nạp và thải của xylanh đó Việc này được thực hiện bằng cách ngưng hoạt động xupap, đồng thời ngắt tín hiệu đánh lửa và phun nhiên liệu Khi xupap được đóng, hỗn hợp không khí trong buồng đốt sẽ bị cô lập, hoạt động như một “lò xo khí” Quá trình này tạo ra sự nén khi piston di chuyển từ ĐCD lên ĐCT và giãn nở trong hành trình ngược lại Sự cô lập này giúp duy trì cân bằng tổng thể cho động cơ mà không gây ra phụ tải.
Những ưu của công nghệ ngắt xylanh động cơ
Hình 2.17: Cơ cấu điều khiển không trục cam
2.3 Những ưu điểm của công nghệ ngắt xylanh động cơ
2.3.1 Nâng cao công suất nhờ vào việc giảm công hao phí
Khi động cơ hoạt động ở chế độ tải nhỏ hoặc trung bình, cánh bướm ga mở nhỏ, tạo ra độ chân không cao phía sau, dẫn đến chênh lệch áp suất giữa đường ống nạp và buồng đốt giảm Hệ quả là piston tiêu tốn một phần năng lượng để hút hòa khí vào buồng đốt.
Hình 2.18: Đồ thị công P-V của động cơ xăng
Trong quá trình hoạt động của động cơ, việc thải khí cháy qua ống xả tiêu tốn một phần năng lượng do cản trở từ đường ống, dẫn đến tổn thất bơm cơ giới trong quá trình hút và xả Tổn thất này thường nhỏ khi xe hoạt động ở tải lớn, nhưng gia tăng khi tải giảm do sức cản của cánh bướm ga Khi ngắt xylanh, các xylanh còn lại phải làm việc với tải cao hơn để duy trì công suất, từ đó giảm thiểu tổn thất bơm cơ giới và nâng cao hiệu suất động cơ.
2.3.2 Giảm tiêu hao nhiên liệu
Khi ngắt bớt xylanh, trục cam sẽ không phải điều khiển các xupap của những xylanh đó, giúp giảm hao phí công suất và lực ma sát Ví dụ, trên xe có động cơ 4 xylanh dung tích 2.0 lít, nếu động cơ hoạt động ở công suất không đổi là 6 KW, điều này cho thấy hiệu suất hoạt động được cải thiện đáng kể.
2300 vòng/phút, xe chạy ổn định ở tốc độ 80 km/h và mô-men xoắn sinh ra là 25 Nm
Gọi W là đặc trưng cho tải động cơ [J/dm 3 ], Tengine là mô-men xoắn động cơ [Nm] và
Vactive là thể tích của các xylanh hoạt động [dm] Thì W được tính theo công thứcsau:
Bảng 2.4: So sánh mức tiêu thụ nhiên liệu khi động cơ hoạt động ở các chế độ
Vactive [dm3] W [J/dm3] SFC [g/k Wh] Cải thiện [%]
(SFC: Specific Fuel Consumption – Đặc tính tiêu thụ nhiên liệu)
Biểu đồ hình 2.19 cho thấy rằng mặc dù các điểm hoạt động không nằm trong vùng tối ưu, nhưng việc thay đổi thể tích xylanh giúp các điểm này tiến gần hơn đến vùng làm việc tối ưu, từ đó cải thiện mức tiêu hao nhiên liệu Ngoài ra, biểu đồ cũng chỉ ra rằng với cùng dung tích động cơ, việc sử dụng nhiều xylanh có thể tích nhỏ hơn, như động cơ 5 hoặc 6 xylanh, có khả năng cải thiện hiệu suất tiêu hao nhiên liệu và đưa mức tải động cơ gần với mức tải lý tưởng hơn.
Hình 2.19: Biểu đồ đặc trưng hiệu suất động cơ ở các chế độ 1,2,3 và 4 xylanh
Bảng 2.4 chỉ ra rằng hiệu suất và tiêu hao nhiên liệu cải thiện dựa vào số xylanh hoạt động Các thử nghiệm cho thấy việc cắt giảm xylanh mang lại lợi ích rõ rệt về tiết kiệm nhiên liệu Cụ thể, xe taxi trang bị động cơ 4 xylanh khi ngắt 2 xylanh có thể giảm tiêu hao nhiên liệu từ 20-30% Đối với động cơ 6 xylanh thẳng hàng, thử nghiệm theo chu trình NEDC cho thấy mức tiêu hao nhiên liệu cải thiện 25,4% khi cắt giảm 3 xylanh Trong khi đó, động cơ V8 dung tích 5 lít của Mercedes-Benz giảm 6,5% khi thử nghiệm theo chu trình American FPT với 4 xylanh bị ngắt.
Hình 2.20: Sự thay đổi của đặc tính tiêu hao nhiên liệu theo tải động cơ
Công nghệ ngắt xylanh động cơ giúp giảm lượng khí thải ra môi trường, góp phần giảm ô nhiễm Theo thống kê, việc ngắt các xylanh không cần thiết có thể giảm lượng khí CO2 từ 2,1% đến 8,0%.
Nhược điểm của công nghệ ngắt xylanh động cơ
Việc sử dụng công nghệ ngắt xylanh trên xe gặp một số hạn chế do ảnh hưởng đến hoạt động của động cơ Khi ngắt hoạt động của 2 xylanh trong động cơ 4 xylanh, mô-men xoắn trung bình 50 [Nm] sẽ giảm tần số tác động lên trục khuỷu, khiến các xylanh còn lại phải hoạt động với công suất cao hơn để duy trì mô-men xoắn đầu ra Điều này dẫn đến độ lớn của xung mô-men xoắn khi cháy tăng lên, không phù hợp cho các hệ thống động cơ Theo tài liệu tham khảo [12], ngắt xylanh chỉ khả thi khi lái xe ở số 3, 4 và 5 do gây ra tiếng ồn và rung lắc, và tốc độ động cơ tối thiểu bị giới hạn bởi những yếu tố này.
Hình 2.21: So sánh mô-men xoắn giữa các chế độ hoạt động của động cơ
Ngắt xylanh chỉ được kích hoạt khi động cơ ở tải thấp, và khi tải tăng, hệ thống sẽ tự động kích hoạt nhiều hoặc tất cả các xylanh Hiện tượng trễ cần được điều chỉnh để tránh kích động giữa việc ngắt và kích hoạt xylanh ở cùng một chế độ tải Theo tài liệu tham khảo, việc xây dựng hiện tượng trễ 1 bar BMEP có thể tiết kiệm 0,2% nhiên liệu Trong điều kiện khởi động lạnh, việc ngắt xylanh có thể không thực hiện được do hạn chế của thiết bị truyền động hoặc yêu cầu về phát thải, dẫn đến tổn thất về tính kinh tế nhiên liệu.
Hình 2.22 minh họa sự cải thiện về hiệu suất nhiên liệu trong điều kiện khó khăn, dựa trên nghiên cứu động cơ xe tải 6.8L V10 Nguyên nhân chính dẫn đến thất bại của công nghệ ngắt xylanh trước đây là do điều khiển mô-men và tỷ lệ A/F không hợp lý Tuy nhiên, sự phát triển của hệ thống phun nhiên liệu điện tử và bướm ga điện tử đã giúp phục hồi công nghệ này, như được chứng minh bởi Mercedes-Benz.
Hình 2.22: Mức tiêu thụ nhiên liệu được tính trên số dặm cho mỗi gallon (MPG)
Các vấn đề liên quan đến việc ngắt xylanh động cơ bao gồm mất cân bằng nhiệt khi động cơ nóng lên, dẫn đến ứng suất nhiệt và tăng lượng khí thải Để giữ nhiệt độ động cơ ổn định, cần thường xuyên kích hoạt các xylanh mát và ngắt xylanh nóng Sử dụng máy bơm nước điện tử có thể giúp cân bằng nhiệt độ bằng cách điều chỉnh hướng dòng chảy nước làm mát Ngoài ra, việc ngắt hoạt động xylanh cũng ảnh hưởng đến nhịp độ dòng chảy khí xả, tác động đến hiệu quả của hệ thống tăng áp và bộ chuyển đổi xúc tác.
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG NGẮT XYLANH CỦA CÁC HÃNG XE
Hệ thống MDS của Chryler và hệ thống AFM của GM
Hệ thống điều khiển xylanh biến thiên, được gọi là Multi-Displacement (MDS) của Daimler Chrysler và Active Fuel Management (AFM) của General Motors, lần đầu tiên xuất hiện vào năm 2003 trên động cơ V8 5,7L HEMI Daimler Chrysler là hãng tiên phong áp dụng công nghệ này trên động cơ V8, trang bị cho xe sedan 300C và xe pickup Dodge Magnum RT Năm 2005, General Motors cũng đã thương mại hóa công nghệ điều khiển xylanh biến thiên, giới thiệu trên nhiều dòng xe như GM, Cadillac và Chevrolet Hệ thống này cho phép cắt giảm một nửa số xylanh khi xe hoạt động ở chế độ không cần công suất cao, từ đó giúp tiết kiệm nhiên liệu hiệu quả.
Mục tiêu mà Daimler Chryler đặt ra cho công nghệ điều khiển xylanh biến thiên:
• Không ảnh hưởng đến hoạt động và chức năng của động cơ từ chạy không tải đến chạy tốc độ cao
• Được lắp giống nhau trên cùng một động cơ tiêu chuẩn
• Không ảnh hưởng đến nhu cầu bảo trì và khoảng thời gian sử dụng
• Độ tin cậy và độ bền tương đương với tiêu chuẩn động cơ bình thường
• Các thao tác chuyển đổi dễ dàng
Để đạt được mục tiêu linh hoạt trong thiết kế, việc phát triển hệ thống Multi-Displacement đã được thực hiện song song với thiết kế động cơ HEMI 5.7L ra mắt năm 2003 Kết quả là một hệ thống tích hợp hoàn hảo, không bị giới hạn và hoạt động hiệu quả trên động cơ hiện tại.
Chủ tịch GM Holden và Giám đốc điều hành Mark Reuss đã chia sẻ về lợi ích của công nghệ AFM, nhấn mạnh rằng nó mang lại giá trị cho cả GM Holden và khách hàng.
AFM cải thiện hiệu suất động cơ tối ưu, nâng cao hiệu suất nhiên liệu và mang lại sức mạnh mong muốn cho động cơ V8 Đối với những ai tìm kiếm hiệu suất vượt trội cho chiếc V8 của mình, AFM là sự lựa chọn thông minh.
Several vehicles from Daimler Chrysler, including the Chrysler 300C, Dodge Magnum, Dodge Challenger, Dodge Durango, Jeep Commander, and Jeep Grand Cherokee, utilize Multi-Displacement technology In general, all DaimlerChrysler models equipped with HEMI V8 engines feature this system Additionally, some General Motors vehicles, such as the Chevrolet TrailBlazer, Chevrolet Impala, GMC Envoy, Chevrolet Monte Carlo, and fifth-generation Chevrolet Camaro, incorporate Active Fuel Management (AFM) technology.
Hình 3.22: Động cơ V8 5,7L HEMI với hệ thống MDS
Hình 3.23: Động cơ Corvette LT1 V8 với hệ thống AFM
Hình 3.24: Cấu tạo của hệ thống MDS và AFM
3.2.1 Cấu tạo của hệ thống MDS và AFM
Động cơ HEMI 5,7L trang bị hệ thống MDS và động cơ của General Motors với công nghệ AFM đều sử dụng cơ cấu phân phối khí OHV Cả hai loại động cơ này có trục cam nằm giữa dưới thân máy và áp dụng cơ cấu con đội, đũa đẩy, cò mổ để điều khiển việc đóng mở xupap, tương tự như các động cơ truyền thống.
Cơ cấu điều khiển xupap sử dụng con đội thủy lực đặc biệt, cho phép vô hiệu hóa tác động của trục cam đến xupap Hệ thống này bao gồm các van điện từ để điều khiển dầu áp lực trên 4 xylanh bị ngắt Cấu tạo của con đội đặc biệt gồm lò xo vô hiệu hóa chuyển động, chốt gài và hai phần thân có thể trượt lên hoặc xuống, bên trong chứa đòn điều chỉnh thủy lực.
Hình 3.26: Cấu tạo con đội đặc biệt (Deactivating Lifter )
3.2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống MDS và AFM
Con đội thủy lực hoạt động nhờ vào van điện từ trong động cơ, điều khiển bởi ECU khi hệ thống MDS và AFM được kích hoạt Khi đó, van điện từ cung cấp áp lực dầu để ép chốt gài vào thân con đội, khiến vấu cam đẩy phần thân ngoài lên mà không còn liên kết với thân trong, làm lò xo ngăn chặn chuyển động và giữ các cò mổ không mở xupap ở 4 trong 8 xylanh Đồng thời, hệ thống cắt nhiên liệu và tín hiệu đánh lửa tại các xylanh này Để khôi phục hoạt động cho các xylanh bị ngắt, ECU sẽ cấp nhiên liệu và tín hiệu đánh lửa, đồng thời xả dầu qua van điện từ, cho phép chốt gài trở lại vị trí liên kết giữa thân trong và thân ngoài, giúp vấu cam điều khiển xupap và khôi phục hoạt động của xylanh như bình thường.
Để giảm thiểu rung động khi động cơ chuyển sang chế độ 4 xylanh, các xylanh ngắt được lựa chọn sao cho chu kỳ nổ của 4 xylanh còn lại là 180 độ Trong động cơ V8 5,7L Hemi, thứ tự kỳ nổ là 1-8-4-3-6-5-7-2, do đó các xylanh bị ngắt là 1, 4, 6 và 7.
Hình 3.28: Bố trí hệ thống MDS trên động cơ
Điều kiện để kích hoạt hệ thống MDS và AFM
Hệ thống hoạt động dựa trên nhu cầu công suất và mô-men xoắn của động cơ Khi ở chế độ tải nhỏ và tốc độ thấp, động cơ có thể hoạt động với 4 xylanh như động cơ V4 Tuy nhiên, khi tốc độ và tải thay đổi, nếu động cơ V4 không đủ khả năng đáp ứng, hệ thống sẽ tự động chuyển sang hoạt động với động cơ V8 để đảm bảo hiệu suất tối ưu.
Các thông số để hệ thống MDS và AFM hoạt động:
• Tốc độ xe trên 30 km/h.
• Nhiệt độ nước làm mát trên 40 0 C.
• Tốc độ động cơ từ 1000 – 2000 vòng/phút nếu nhiệt độ dầu dưới 50 0 C.
• Tốc độ động cơ từ 1000 – 3000 vòng/phút nếu nhiệt độ dầu trên 80 0 C.
• Trạng thái bánh răng: hệ thống MDS và AFM chỉ hoạt động khi hộp số đang trong trạng thái hoạt động.
• Hệ thống MDS và AFM sẽ ngưng hoạt động nếu hệ thống phát hiện ra một lỗi nghiêm trọng nào từ động cơ hay hộp số.
• Giới hạn tốc độ động cơ đến 4200 vòng/phút trong trường hợp 1 xylanh không được điều khiển hoạt động lại [18].
Hình 3.29: Trình tự quá trình chuyển đổi từ V8 sang V4
Khi động cơ ngắt xylanh, 4 xylanh sẽ không hoạt động, chuyển đổi từ chế độ V8 sang V4 Điều này khiến các xylanh còn lại phải tăng công suất để duy trì hiệu suất và mô-men xoắn Sự chuyển đổi này có thể gây mất ổn định, làm giảm tốc độ động cơ đột ngột Hệ thống sẽ tự động điều chỉnh độ mở bướm ga và góc đánh lửa sớm để nhanh chóng khôi phục tốc độ, công suất và mô-men xoắn Hình 3.30 minh họa sự cải thiện trong ổn định tốc độ động cơ nhờ vào các điều chỉnh này.
Trong suốt quá trình hoạt động của động cơ 4 xylanh, các xylanh bị ngắt sẽ được khởi động lại nhanh chóng để duy trì nhiệt độ Việc này giúp cho các xylanh ngắt có thể hoạt động trở lại một cách dễ dàng hơn.
Khi cần công suất và mô-men lớn, động cơ sẽ chuyển từ chế độ V4 sang V8 bằng cách kích hoạt lại bốn xylanh Sự kích hoạt đột ngột này có thể dẫn đến tăng công suất và mô-men xoắn, làm tốc độ động cơ tăng nhanh chóng Hệ thống tự động điều chỉnh góc mở bướm ga và góc đánh lửa sớm để khôi phục tốc độ công suất và mô-men xoắn cho động cơ Sự cải thiện về ổn định tốc độ động cơ nhờ vào việc điều chỉnh này được thể hiện trong Hình 3.29.
Hình 3.30: Trình tự quá trình chuyển đổi từ V4 sang V8
Phát hiện lỗi và phương pháp giải quyết:
Việc ngắt hoạt động của xylanh được theo dõi thông qua cảm biến ôxy khí thải và thuật toán phát hiện xylanh bỏ lửa Nếu xupap không ngắt khi hệ thống MDS và AFM đã kích hoạt, không khí sẽ từ ống nạp vào xylanh và tiếp tục ra ống xả, dẫn đến tăng nồng độ ôxy trong ống xả, được cảm biến phát hiện Thuật toán này giúp phát hiện các tình huống xylanh không ngắt và lỗi trong hệ thống điều khiển động cơ Khi phát hiện lỗi trong quá trình ngắt xylanh, hệ thống sẽ tự động khởi động lại tất cả xylanh Việc khởi động lại được kiểm soát bởi thuật toán phát hiện xylanh bỏ lửa; nếu xylanh không hoạt động, sự thiếu cháy sẽ được phát hiện và nguồn nhiên liệu sẽ bị ngắt Đồng thời, solenoid sẽ không nhận dòng điện để đảm bảo van điều khiển không hoạt động, loại bỏ tiêu hao năng lượng cho việc đốt cháy Sau một thời gian nhất định, hệ thống sẽ cố gắng khởi động lại xylanh đó.
3.2.3 Ưu điểm của hệ thống MDS và AFM
Công nghệ MDS và AFM giúp tiết kiệm nhiên liệu khi động cơ không cần hoạt động hết công suất, thân thiện với môi trường và đạt độ ổn định cao Hệ thống điều khiển bướm ga điện tử ETC cho phép động cơ Hemi V8 của Chrysler chuyển đổi từ 8 xylanh sang 4 xylanh chỉ trong 0,04 giây, nâng cao hiệu quả kinh tế nhiên liệu từ 10-20% Đặc biệt, mẫu xe Jeep Grand Cherokee trang bị động cơ V8 tiêu thụ nhiên liệu tương đương với động cơ V6, chỉ 11,21L/100km.
3.2.5 Nhược điểm của hệ thống MDS và AFM
Hệ thống COD của Audi và hệ thống ACT của Volkwagen
Hệ thống điều khiển xylanh biến thiên, được Audi gọi là Cylinder On Demand (COD) và Volkswagen gọi là Active Cylinder Technology (ACT), sử dụng cơ cấu dịch chuyển vấu cam để tối ưu hóa hiệu suất động cơ Công nghệ này nhằm giải quyết một khía cạnh quan trọng trong việc tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải cho các động cơ cỡ lớn.
Audi và Volkswagen đã áp dụng một giả thuyết tương tự như Cadillac trước đây, cho rằng động cơ không cần phát ra công suất và mô-men lớn khi xe chạy ở tốc độ thấp Ý tưởng này là tắt một số xylanh, từ hai đến bốn xylanh, nhằm giảm thiểu tổn thất bơm khi động cơ chỉ mở một phần bướm ga Để thực hiện điều này, Audi và Volkswagen đã phát triển công nghệ ngắt hoạt động của một số xylanh bằng cách đóng xupap nạp và xả, đồng thời ngắt nguồn nhiên liệu và tín hiệu đánh lửa.
Audi's Cylinder On Demand (COD) system and Volkswagen's Active Cylinder Technology are utilized in their 4, 8, and 12-cylinder engines When the cylinder deactivation mode is activated, half of the engine's cylinders are turned off, enhancing fuel efficiency.
Certain models from Audi and Volkswagen, including the Audi A1 Sportback, Audi A3 Sportback, Audi S6 4.0 TFSI, Audi RS7 4.0 TFSI, and Audi Q3 1.4L TFSI, utilize advanced technologies such as Cylinder On Demand and Active Cylinder Technology These innovations are featured in the new generation TFSI gasoline engines of both brands, ensuring enhanced efficiency and performance across all models equipped with this engine technology.
3.3.1 Cấu tạo của hệ thống COD và ACT
Hình 3.31: Cấu tạo van điện từ và vấu cam đặc biệt
Cấu tạo của hệ thống COD và ACT gồm:
Các van điện từ điều khiển bởi ECU động cơ tương ứng với số xylanh của động cơ, cho phép ngắt 2, 4 hoặc 6 van tùy thuộc vào cấu trúc của động cơ.
Van điện từ 4, 8, 12 xylanh có hai chốt hoạt động độc lập, giúp điều chỉnh rãnh của các vấu cam khi động cơ thay đổi chế độ hoạt động Điều này xảy ra khi ngắt xylanh và khi xylanh trở lại trạng thái hoạt động bình thường.
Vấu cam có cấu tạo độc đáo, được kết nối với trục cam qua mối ghép then hoa, cho phép nó dịch chuyển một khoảng trên trục cam Trên vấu cam, có hai rãnh xoắn ốc tương thích với các chốt của van điện từ.
• Các cảm biến gửi tín hiệu và ECU điều khiển
Hình 3.32: Cấu tạo hệ thống COD của Audi
3.3.2 Nguyên lí hoạt động của hệ thống COD và ACT
Hình 3.33: Quá trình dịch chuyển của vấu cam
Khi chế độ ngắt xylanh được kích hoạt, ECU điều khiển van điện từ, làm cho một chốt của van ăn khớp với rãnh 1 của vấu cam Với cấu tạo rãnh hình xoắn ốc, vấu cam dịch chuyển sang trái khi trục cam quay, dẫn đến việc xupap nạp và thải bị đóng lại Không khí trong xylanh ngắt hoạt động được giữ lại, trở thành một lò xo khí, nén khi piston đi lên và giãn nở khi piston đi xuống Quá trình này giúp động cơ tiết kiệm năng lượng cho piston bị ngắt hoạt động, đồng thời ngừng phun nhiên liệu và ngắt tín hiệu đánh lửa của xylanh đó.
Khi động cơ hoạt động trở lại bình thường, ECU sẽ điều khiển van điện từ, khiến chốt của van ăn khớp với rãnh 2 của vấu cam Nhờ cấu tạo rãnh hình xoắn ốc, vấu cam sẽ dịch chuyển sang phải theo trục cam khi trục cam quay Quá trình này ngược lại với khi ngắt xylanh Khi vấu cam trở về vị trí ban đầu, nó sẽ tiếp tục tác động lên cò mổ, cho phép xupap hoạt động bình thường trở lại Cuối cùng, động cơ sẽ phun nhiên liệu và đánh lửa cho xylanh, khôi phục hoạt động của xylanh.
Điều kiện để kích hoạt hệ thống COD và ACT
Hình 3.34: Các chế độ làm việc của xe
Hệ thống COD và ACT hoạt động hiệu quả khi xe di chuyển ở tốc độ thấp và tải nhẹ, sử dụng tay số 3 trở lên với tốc độ động cơ từ 960 đến 3500 vòng/phút, mô-men xoắn yêu cầu từ 25–40% và nhiệt độ nước làm mát trên 30°C Khi các điều kiện này được đáp ứng, ECU sẽ ngắt các xylanh đã được chỉ định, khiến động cơ V8 hoạt động như một động cơ V4 với thứ tự công tác 1-4-6-7.
Trong quá trình ngắt xylanh, ECU theo dõi chuyển động của bàn đạp ga, bàn đạp phanh và vô lăng Nếu phát hiện bất thường, ECU sẽ hủy chế độ ngắt xylanh Hệ thống COD và ACT hoạt động liên tục trong suốt thời gian xe vận hành, bất kể chế độ lái hoặc vị trí “S” trong hộp số tự động được chọn.
3.3.3 Ưu điểm của hệ thống COD và ACT
Quá trình ngắt xylanh và kích hoạt lại diễn ra nhanh chóng trong khoảng 200–500 ms, tùy thuộc vào thời điểm hoạt động Theo Audi và Volkswagen, công nghệ này hoạt động chính xác và mượt mà đến mức người lái khó nhận ra sự thay đổi giữa các chế độ hoạt động trong suốt quá trình lái xe.
Hệ thống này cải thiện mức tiêu thụ nhiên liệu của xe, giảm khoảng 10% khi chạy ở tốc độ 100 km/h, đồng thời giảm lượng phát thải khí CO2 từ 10g/km xuống 12g/km Ngoài ra, hệ thống còn tích hợp công nghệ Star-Stop động cơ, và khi kết hợp với nhau, mức tiêu thụ nhiên liệu giảm tới 12%.
3.3.4 Nhược điểm của hệ thống COD và ACT
Hệ thống COD và ACT mang lại nhiều lợi ích cho xe, nhưng cũng gây ra vấn đề tiếng ồn từ rung động Ví dụ, khi động cơ V8 ngắt xylanh, nó hoạt động như một động cơ V4, dẫn đến rung động khác nhau tùy thuộc vào tải và tốc độ Để giảm tiếng ồn do rung động, Audi và Volkswagen đã áp dụng công nghệ Active Noise Control (ANC), hoạt động dựa trên nguyên lý triệt tiêu tiếng ồn bằng dao động sóng âm, tương tự như hệ thống ANC của Honda.
Hệ thống MultiAir (UniAir) của FIAT
Hệ thống điều khiển xylanh biến thiên bán camless MultiAir, hay còn gọi là UniAir, được FIAT giới thiệu tại triển lãm Geneva Motor Show 2009 trên mẫu xe Alfa Romeo MiTo Hệ thống này sử dụng công nghệ điện-thủy lực để điều khiển việc đóng mở xupap nạp, thay thế cho trục cam truyền thống, giúp kiểm soát chính xác lượng không khí nạp mà không cần cánh bướm ga Nhờ đó, động cơ tăng cường công suất và mô-men xoắn, đồng thời giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và khí thải, cải thiện hiệu suất tổng thể MultiAir cho phép động cơ nhỏ gọn và nhẹ hơn, giảm tổn thất bơm nhờ vào việc sử dụng turbo tăng áp, thay vì cánh bướm ga Công nghệ này chỉ sử dụng trục cam xả, với trục cam xả kích hoạt trực tiếp xupap xả và điều khiển xupap nạp thông qua hệ thống van điện và thủy lực.
Hình 3.35: Công nghệ MultiAir bán camless
3.4.1 Cấu tạo của hệ thống MultiAir Để đảm bảo hoạt động chính xác trong mỗi điều kiện vận hành, hệ thống MultiAir phải được thiết kế dựa trên các yêu cầu sau [3-25]:
• Nhiệt độ làm mát tối thiểu -30°C, tối đa 150°C
• Đầy đủ chức năng trong phạm vi tốc độ hoạt động (700 đến 7000 vòng/phút)
• Lượng không khí bơm vào trong xylanh phải chính xác
• Khả năng hoạt động với độ chính xác cao và tốc độ lặp lại mỗi xupap riêng lẻ của động cơ
• Có khả năng đáp ứng nhanh nhất cho hoạt động chuyển đổi giữa các chế độ hoạt động
Chức năng tự điều chỉnh của các bộ phận đặc biệt giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động, đồng thời thích ứng với sự thay đổi của điều kiện môi trường như nhiệt độ và tuổi thọ của các chi tiết.
Hình 3.36: Cấu tạo hệ thống MultiAir
1 - Trục cam xả 2 - Con lăn 3 - Bơm dầu
4 - Bộ tích năng áp xuất 5 - Buồng áp suất trung gian 6 - Đường cung cấp dầu
7 - Van Solenoid 8 - Buồng cao áp 9 - Valve brake
MultiAir sử dụng một lượng dầu hạn chế trong buồng cao áp, có thể điều chỉnh qua van solenoid Khi van solenoid đóng, dầu hoạt động như một cần đẩy thủy lực kết nối trục cam xả và xupap nạp Ngược lại, khi van solenoid mở, dầu sẽ trở về buồng áp suất trung gian, dẫn đến việc ngắt kết nối giữa cam và xupap.
Hệ thống MultiAir cho phép điều khiển độc lập từng xupap nạp trên mỗi xylanh động cơ, với khả năng điều chỉnh hai xupap nạp của cùng một xylanh thông qua hai phương pháp: kích hoạt đồng thời hoặc sử dụng đường áp suất cao phân nhánh Việc kích hoạt riêng lẻ từng xupap mang lại sự linh hoạt cao hơn, nhưng để giảm chi phí và đơn giản hóa hệ thống, phương pháp kích hoạt đồng thời bằng đường áp suất cao phân nhánh điều khiển trực tiếp bằng thủy lực đã được chọn cho sản xuất.
Hình 3.37: Những cách điều khiển đóng mở xupap nạp của hệ thống MultiAir
3.4.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống MultiAir
Hệ thống MultiAir sử dụng phương pháp ngắt xylanh bằng cách ngắt hệ thống phun nhiên liệu và đánh lửa, trong khi xupap thải và xupap nạp vẫn được điều khiển bình thường bởi ECU và trục cam xả MultiAir bao gồm ba thành phần chính: các xupap nạp và xả, thiết bị truyền động thủy lực, và phần mềm điều khiển van tích hợp trong ECU của động cơ.
Hình 3.38: Sơ đồ các bộ phận điều khiển của hệ thống MultiAir
Hệ thống MultiAir sử dụng cơ chế điều khiển ngắt xylanh đơn giản, trong đó khi cam đội tác dụng lên con lăn, dầu được bơm vào buồng cao áp ECU sẽ điều khiển mở van solenoid, cho phép dầu lưu thông từ buồng áp suất cao sang buồng áp suất thấp và trở về bình chứa dầu Kết quả là áp lực không còn tác động lên xupap, dẫn đến việc xupap đóng lại.
Hệ thống MultiAir có đặc điểm nổi bật là sử dụng các biện pháp bổ sung khí nạp ở phía xupap nạp trong quá trình ngắt xylanh Khi mấu cam đội xupap xả mở, ECU điều khiển van solenoid đóng, bơm dầu vào buồng cao áp để tạo áp lực mở xupap nạp trong thời gian ngắn trong kỳ xả của xylanh bị ngắt Điều này cho phép khí thải đi vào đường ống dẫn của hệ thống nạp và được hút trở lại vào xylanh trong kỳ nạp Trong kỳ nạp, xupap nạp mở ra và đóng lại nhanh chóng, giúp chỉ khí thải được "lưu trữ" trong buồng đốt, dẫn đến việc giảm đáng kể công của chu kỳ nạp và tiết kiệm năng lượng.
Hình 3.40: Điều khiển xupap nạp mở bổ xung(a) và đóng xupap nạp (b) khi ngắt xylanh
3.4.3 Ưu điểm của hệ thống MultiAir
Hệ thống "MultiAir" của Fiat mang lại sự nhỏ gọn, điều khiển đơn giản và chính xác, với khả năng vận hành van biến đổi liên tục cho phép mở xupap nhiều lần trong quá trình nạp và xả Công nghệ này giúp cải thiện tiết kiệm nhiên liệu lên tới 25% so với động cơ thông thường ở cùng mức tải hoạt động Đặc biệt, MultiAir đã giảm 10% phát thải CO2, 40% lượng hydrocacbon và carbon monoxide (HC/CO), cũng như 60% lượng NOx trong khí xả, điều mà ít công nghệ nào có thể đạt được.
Hình 3.41: So sánh hiệu quả của công nghệ MultiAir(UniAir)
3.4.4 Nhược điểm của hệ thống MultiAir
Hệ thống MultiAir loại bỏ trục cam nạp nhưng vẫn duy trì trục cam xả, ảnh hưởng gián tiếp đến các xupap nạp, dẫn đến thiết kế phức tạp hơn với nhiều vấu cam Tuy nhiên, hệ thống này cũng gặp phải một số nhược điểm, bao gồm hiện tượng rung lắc của động cơ khi xylanh bị ngắt.
Chương 4: SỰ KẾT HỢP CỦA CÔNG NGHỆ ĐIỀU KHIỂN
XYLANH BIẾN THIÊN VỚI NHỮNG CÔNG NGHỆ KHÁC
Công nghệ Start – Stop động cơ
4.1.1 Khái quát về công nghệ Start – Stop động cơ
Hệ thống "Start-Stop" được phát triển bởi một số nhà sản xuất cho phép động cơ ngừng hoạt động khi xe dừng lại ở đèn đỏ hoặc tạm dừng Điều này giúp tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải, đồng thời khởi động lại động cơ ngay khi người lái đạp vào chân ga.
Công nghệ Start-Stop đang ngày càng phổ biến tại Mỹ và châu Âu, mặc dù chưa được áp dụng rộng rãi ở Việt Nam Hệ thống này sử dụng máy tính trung tâm để xử lý các cảm biến như bướm ga, tốc độ và nhiệt độ động cơ, nhằm điều khiển chính xác hoạt động của động cơ Khi xe dừng lại trong một khoảng thời gian nhất định, động cơ sẽ tự động ngắt để giảm lượng nhiên liệu tiêu hao so với việc chạy không tải Khi người lái nhấn chân ga, động cơ sẽ khởi động lại nhanh chóng mà không cần khởi động lại từ đầu.
Hình 4.1: Hệ thống Start – Stop hoạt động khi dừng đèn đỏ
Công nghệ Start-Stop động cơ mang lại nhiều lợi ích, trong đó nổi bật nhất là giảm thiểu lãng phí nhiên liệu khi xe tạm dừng Nghiên cứu cho thấy công nghệ này có thể tiết kiệm từ 5-7% mức tiêu hao nhiên liệu so với động cơ chạy không tải, tương đương với việc người tiêu dùng có thể tiết kiệm khoảng 179 USD mỗi năm Theo Greg Brannon, Giám đốc Kỹ thuật tại AAA, việc áp dụng công nghệ Start-Stop không chỉ làm giảm tiêu thụ nhiên liệu mà còn giảm lượng khí thải, góp phần làm cho xe trở nên thân thiện với môi trường hơn.
Có nhiều ý kiến trái chiều về công nghệ Start - Stop của động cơ Câu hỏi đặt ra:
“Công nghệ này ảnh hưởng đến động cơ như thế nào ?”
Một chiếc xe thông thường không có hệ thống Start-Stop tự động có thể trải qua khoảng 50.000 lần khởi động trong suốt vòng đời của nó Tuy nhiên, với việc tự động kích hoạt chu trình Start-Stop, con số này có thể vượt qua 500.000 lần trong vòng đời động cơ Gerhard Arnold, người phụ trách thiết kế vòng bi tại Federal Mogul, cho biết đây là một sự gia tăng đáng kể và đặt ra thách thức lớn đối với độ bền của ổ bi.
Trục khuỷu là một thành phần thiết yếu và nặng nề trong động cơ, hoạt động thông qua quá trình bôi trơn thủy động lực học, nơi mà trục khuỷu và bề mặt ổ trượt được phân cách bởi một tấm màn dầu siêu mỏng Khi động cơ dừng, trục khuỷu tiếp xúc trực tiếp với ổ trượt, tạo ra điều kiện giao thoa trước khi khởi động lại, thời điểm này là lúc bào mòn xảy ra mạnh nhất Công nghệ Start-Stop làm gia tăng số lần điều kiện giao thoa lên đến 500.000 lần, gấp 10 lần so với 50.000 lần của ổ trượt thông thường, đồng thời cũng làm giảm dung lượng ắc quy nhanh chóng do tốn năng lượng để khởi động lại động cơ.
Các hãng xe đã khắc phục nhược điểm bằng cách sử dụng ổ bi và ổ trục chất lượng cao, nâng cao chất lượng ắc quy với dung lượng lớn và khả năng sạc nhanh Nghiên cứu phát triển vật liệu tự bôi trơn giúp giảm ma sát trong ổ bi và ổ trục Cải tiến dầu bôi trơn cũng là một giải pháp hiệu quả, giảm ma sát và tăng độ bền.
4.1.2 Cấu tạo của hệ thống Start-Stop
Hệ thống Start-Stop bao gồm các thành phần chính như ECU với phần mềm lựa chọn chế độ, bộ chuyển đổi DC/DC 12V, ắc quy, bộ khởi động Start-Stop, cùng với các cảm biến như cảm biến vị trí số 0, cảm biến tốc độ bánh xe và cảm biến trục khuỷu, cũng như máy phát.
Hình 4.2: Cấu tạo của hệ thống Start–Stop
4.1.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống Start-Stop
Một hệ thống cảm biến đa dạng cung cấp cho bộ điều khiển thông tin trạng thái xe mới nhất, giúp tối ưu hóa điều kiện cho chức năng Star-Stop.
• Cảm biến vị trí số 0 cho biết bánh răng hộp số có hoạt động hay không
• Cảm biến tốc độ bánh xe phát hiện hướng xoay và dừng của bánh xe
• Cảm biến trục khuỷu báo hiệu hoạt động của động cơ
Cảm biến áp suất trong hệ thống trợ lực phanh đóng vai trò quan trọng trong việc theo dõi áp suất trợ lực phanh khi dừng xe, đồng thời hỗ trợ động cơ khởi động lại khi áp suất giảm Để đảm bảo hiệu quả hoạt động, một mô tơ servo được sử dụng trong quá trình này.
• Cảm biến điện tử ắc quy theo dõi tình trạng của ắc qua
Khi hệ thống cảm biến phát hiện xe dừng lại, sau khoảng 3-5 giây, hệ thống sẽ ngừng cung cấp xăng và đánh lửa, khiến động cơ ngừng hoạt động Khi người lái tiếp tục di chuyển, chỉ cần đạp ga, động cơ sẽ tự khởi động lại nhanh chóng và êm ái nhờ vào hệ thống khởi động công suất cao, với thời gian khởi động ước tính chỉ vài phần trăm giây.
4.1.4 Một vài lưu ý cho hệ thống Start-Stop Đầu tiên, hệ thống start-stop trên động cơ cần đạt được nhiệt độ thích hợp trước khi hoạt động Điều này đảm bảo tất cả các bộ phận chuyển động được bôi trơn đúng cách để dừng lại hay khởi động Do đó, hệ thống sẽ không hoạt động trong quãng đường đầu tiên, đặc biệt là vào buổi sáng trong mùa đông lạnh giá.
Chế độ Start-Stop hoạt động khác nhau tùy thuộc vào loại hộp số của xe hơi Đối với xe sử dụng hộp số sàn, động cơ sẽ tự động dừng khi xe đứng yên, về số N hoặc nhả chân ga Ngược lại, với hộp số tự động, động cơ tắt khi người lái đạp phanh để dừng xe, và sẽ khởi động lại ngay khi người lái nhấc chân khỏi bàn đạp phanh.
Khi động cơ tắt máy trong thời gian ngắn, các tính năng phụ trợ như radio và điều hòa vẫn hoạt động Tuy nhiên, nếu dừng xe lâu, người dùng nên tắt máy để tiết kiệm nhiên liệu Ngoài ra, việc di chuyển vô lăng hoặc bật chế độ sưởi kính lái cũng có thể khởi động lại động cơ.
Trong hệ thống Start-Stop, động cơ không luôn dừng tạm thời; nó sẽ tiếp tục hoạt động khi cần làm mát nội thất nếu cảm biến nhiệt độ trong cabin phát hiện điều này Khi lái xe trên đường cao tốc, hệ thống cũng tránh khởi động lại liên tục để tiết kiệm năng lượng Nếu bình ắc quy gần hết, xe sẽ không tự tắt máy khi dừng lại Người dùng có thể dễ dàng tắt hoàn toàn hệ thống này bằng nút bấm trên bảng điều khiển hoặc gần vô lăng nếu cảm thấy không cần thiết.
Mặc dù còn nhiều ý kiến trái chiều từ khách hàng, nhưng với những lợi ích rõ rệt mà hệ thống mang lại, hầu hết các hãng xe đang hướng tới việc lắp đặt công nghệ Start-Stop trên các mẫu xe trong tương lai Công nghệ này có khả năng trở thành tiêu chuẩn trong ngành công nghiệp ô tô.
Công nghệ CDA kết hợp với công nghệ VVA
Hình 4.10: So sánh hiệu quả công nghệ CDA khi kết hợp những công nghệ khác
Khi động cơ chỉ áp dụng công nghệ CDA, mức tiết kiệm nhiên liệu đạt 8% Nghiên cứu cho thấy, khi kết hợp hệ thống phân phối khí thông minh, hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu cải thiện từ 8 - 10%, và có thể tăng lên 14 - 16% với hệ thống điều khiển xylanh biến thiên Phương pháp phun nhiên liệu trực tiếp mang lại cải thiện từ 10 - 14%, và khi kết hợp với hệ thống phân phối khí thông minh, con số này tăng lên 15 - 18%, đạt 19 - 23% khi kết hợp với hệ thống điều khiển xylanh biến thiên Nhờ sự kết hợp các giải pháp này, hiệu suất động cơ ở chế độ tải thấp được cải thiện đáng kể Để nghiên cứu ảnh hưởng của việc tích hợp VVA và CDA vào động cơ, phần mềm mô phỏng động cơ Ricardo WAVE 1D đã được sử dụng để mô phỏng cho động cơ xăng 1.6L, 4 xy lanh, 16 van, tập trung vào những thay đổi của CDA thông qua BMEP làm yếu tố so sánh, với các mô phỏng thực hiện trên cả mô hình động cơ bình thường và mô hình có CDA kết hợp với VVA.
Kết quả BMEP từ các thí nghiệm được so sánh với động cơ tương tự sử dụng CDA trong các điều kiện tải khác nhau Dữ liệu ghi chép lại bao gồm các thông số như BSFC, công suất, mô-men và lượng giảm cụ thể CO.
NO2 và áp suất hiệu dụng trung bình của bơm (PMEP) ở điều kiện hoạt động xác định để phân tích các ảnh hưởng của tích hợp CDA+VVA.
Kết quả của mô hình tích hợp giữa công nghệ CDA và VVA được trình bày trong phần này, so sánh với các kết quả mô phỏng chỉ sử dụng công nghệ CDA Dưới đây là các kết quả của mô hình CDA + VVA với các thông số van tối ưu.
Hình 4.3: Hiệu suất CDA kết hợp với VVA so với chỉ dùng CDA
Khi tốc độ động cơ dưới 5000 vòng/phút, BSFC, mô-men xoắn và công suất động cơ cải thiện rõ rệt, đặc biệt ở chế độ tải thấp (dưới 3000 vòng/phút) Tuy nhiên, khi tốc độ động cơ tăng cao, hiệu suất của sự kết hợp CDA và VVA trở nên không đáng kể do mô-men xoắn bị giới hạn Ở tốc độ cao, khi bướm ga mở hoàn toàn, động cơ yêu cầu công suất tối đa, dẫn đến việc tất cả các xylanh phải hoạt động Hiệu suất của CDA kết hợp với VVA giảm mạnh khi tốc độ đạt 7000 vòng/phút, cho thấy sự không phù hợp của hai công nghệ này trong chế độ toàn tải Do đó, bài viết này sẽ tập trung vào kết quả đạt được từ sự kết hợp CDA và VVA trong chế độ tải nhỏ và trung bình.
Hình 4.4: Mô phỏng BSFC theo tốc độ và góc mở cánh bướm ga của động cơ
Các đường phổ BSFC trong hình 4.4 thể hiện kết quả mô phỏng ở chế độ tải nhỏ, dựa trên sự thay đổi góc mở bướm ga và tốc độ động cơ Hình 4.4 chỉ ra rằng khi góc điều chỉnh nhỏ hơn, BSFC sẽ cao hơn và tiếp tục gia tăng khi tốc độ động cơ tăng.
Hình 4.5: BSFC và BMEP trong chế độ tải một phần của động cơ thường
Các đường phổ BSFC được trình bày trong hình 4.5 là kết quả mô phỏng theo tải từng phần đối với BMEP và tốc độ động cơ Hình 4.5 cho thấy BMEP được thể hiện qua các góc mở cánh bướm ga tương tự như hình 4.4, dẫn đến phạm vi BMEP bị hạn chế và tạo ra vùng phổ không hình chữ nhật Từ hình ảnh này, có thể nhận thấy BSFC đỉnh đạt được ở góc ga thấp nhất (hoặc BMEP) và tại tốc độ động cơ cao nhất là góc mở 30 độ (khoảng 1 bar BMEP) ở 4000 vòng/phút Để xây dựng các đường phổ BSFC, các mô phỏng được thực hiện trên mô hình động cơ có CDA + VVA, điều chỉnh các giá trị BMEP nhằm quan sát sự thay đổi của BSFC ở các tốc độ động cơ khác nhau, với điểm BSFC đỉnh đạt được ở 1,25 bar BMEP.
Tại tốc độ 4000 vòng/phút, giá trị BSFC và BMEP giảm rõ rệt ở cùng một góc mở cánh bướm ga BSFC cao nhất đạt 0,7099 (kg/kW/giờ) ở động cơ thường, nhưng giảm xuống còn 0,4404 (kg/kW/giờ) khi kết hợp công nghệ CDA và VVA Sự giảm này cho thấy mức tiêu hao nhiên liệu của động cơ giảm đáng kể nhờ vào việc VVA điều chỉnh tăng lượng không khí nạp vào xylanh, đồng thời giảm lượng nhiên liệu phun vào buồng đốt.
Hình 4.6: BSFC và BMEP trong chế độ tải nhỏ khi kết hợp CDA + VVA
Hình 4.7: Đồ thị về lợi ích (%) về suất tiêu hao nhiên liệu (BSFC)
Hình 4.7 minh họa suất tiêu hao nhiên liệu với các vùng màu tím chỉ ra phần trăm lợi ích BSFC cao nhất Tất cả các điểm hoạt động cho thấy sự hiệu quả khi kết hợp công nghệ CDA và VVA, giúp giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu so với động cơ thông thường Cụ thể, 67% số điểm nghiên cứu có lượng tiêu thụ nhiên liệu giảm tối thiểu 5-10% cho tốc độ động cơ từ 1000-4000 vòng/phút và BMEP trung bình dưới 5,2 bar Đặc biệt, mức giảm tối đa ghi nhận được là 18,1% ở tốc độ động cơ từ 1000 đến 1750 vòng/phút và BMEP dưới 2.5 bar Điều này cho thấy rằng khi tải động cơ và tốc độ động cơ tăng lên đến một giá trị nhất định, những cải tiến về BSFC sẽ giảm.
Hình 4.8: So sánh áp xuất hiệu dụng trung bình của bơm ở 1000 (vòng/phút)
Hình 4.9: So sánh áp xuất hiệu dụng trung bình của bơm ở 4000 (vòng/phút)
Hình 4.8 và 4.9 minh họa sự so sánh PMEP tương ứng với tốc độ động cơ ở 1000 và 4000 vòng/phút Việc kết hợp giữa CDA và VVA đã giúp giảm áp suất hiệu dụng trung bình của bơm một cách đáng kể so với các động cơ thông thường, từ đó giảm công bơm nhiên liệu do sự ngừng hoạt động của xylanh Sự kết hợp này góp phần nâng cao công suất động cơ trong chế độ tải nhỏ.
Việc tích hợp công nghệ CDA và VVA nâng cao hiệu suất động cơ xăng, giảm tiêu hao nhiên liệu và khí thải Sự kết hợp này cho phép động cơ hoạt động hiệu quả ở chế độ tải nhỏ, mặc dù hiệu suất giảm khi động cơ hoạt động toàn tải Dữ liệu phân tích cho thấy rằng việc tích hợp CDA và VVA cải thiện đáng kể chỉ số BSFC trong chế độ tải nhỏ, đồng thời giảm lượng khí CO và NOx, tuy nhiên mức giảm không đáng kể và trong một số trường hợp có thể gây tác động tiêu cực.
Nghiên cứu cho thấy sự kết hợp giữa CDA và VVA mang lại hiệu quả tối ưu cho tải từ 1 bar đến 2 bar và tốc độ động cơ từ 1000-3500 vòng/phút, giúp giảm 10-20% BSFC trong khi vẫn duy trì hàm lượng CO và NOx ở mức hợp lý Tuy nhiên, nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc tăng tốc độ động cơ và biên độ xung mô-men xoắn dẫn đến sự gia tăng dao động và tiếng ồn.