BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT TPHCM
KHOA CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT Ô TÔ
ĐỀ TÀI: ĐỘNG CƠ TỈ SỐ NÉN BIẾN THIÊN
Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS. Lý Vĩnh Đạt
Sinh viên thực hiện : Nguyễn Hữu Hậu Phác
Lớp : Tiết 1-3 thứ 6 (p.E1-504) MSSV : 19145013
I. Giới thiệu :
1. Tại sao phải sử dụng công nghệ VCR?
Một trong những thông số thiết kế quan trọng của động cơ đốt trong là tỉ số nén. Đó là tỉ
số giữa thể tích toàn phần của xylanh ở thời điểm piston ở điểm chết dưới (BDC) và thể
tích buồng đốt khi piston ở điểm chết trên (TDC). Với những động cơ thông thường, thông
số này được thiết lập không thay đổi.
Tuy nhiên, một tỉ số nén chỉ sử dụng tốt nhất cho mỗi một điều kiện riêng biệt. Chẳng hạn,
tỉ số nén cao giúp động cơ chạy tiết kiệm và hiệu quả, nhưng không cho hiệu suất cao.
Ngược lại, để tăng hiệu suất cho một khối động cơ, các nhà sản xuất thường trang bị các
hệ thống như siêu nạp (supercharger) hay tăng áp (turbocharger). Nhưng vì các hệ thống
này, động cơ không thể có tỉ số nén cao do dễ xảy ra kích nổ làm hư hỏng động cơ và giảm
tuổi thọ các chi tiết. Còn với tỉ số nén thấp, động cơ siêu nạp hay tăng áp sẽ hoạt động rất
ì tại tốc độ và vòng tua thấp. Nhìn chung, ô tô sẽ phải ậ
v n hành trong nhiều điều kiện khác nhau: dừng đỗ đèn xanh đèn
đỏ, đi với tốc độ thấp khi di chuyển trong đô thị hay luôn duy trì tốc độ cao khi đi trên
đường cao tốc…Tuy nhiên khi đi trong thành phố thường duy trì với tốc độ thấp, tải trọng
nhẹ nên làm giảm giảm hiệu suất của quá trình cháy dẫn đến tăng mức tiêu thụ nhiên liệu.
Lúc này chúng ta chỉ mong muốn động cơ có tỷ số nén cao để phát huy được hiệu suất của quá trình cháy.
Ngược lai, khi di chuyển với tốc độ cao, tải trọng lớn sẽ dễ dẫn đến hiện tượng kích nổ của
động cơ lúc này tỷ số nén thấp mới là lựa chọn tối ưu. Tỷ số nén cao hay thấp cũng đều
mang đến lợi thế cũng như kém theo đó là những bất lợi trong các điều kiện khác nhau.
Vì vậy, giải pháp về một động cơ có tỷ số nén biến thiên theo điều kiện làm việc (VCR
Engine) là cực kì tối ưu đối với tình thế hiện tại khi mà giá xăng dầu có xu hướng tăng
cao và kèm theo đó là các tiêu chuẩn khí thải ngày càng bị giới hạn. 2. Lịc h sử công nghệ:
Động cơ tỉ số nén biến thiên (VCR) đầu tiên được chế tạo và thử nghiệm là của Harry
Ricardo vào những năm 1920.
Trong nhiều thập kỉ sau đó, do sự phức tạp trong việc chế tạo, động cơ VCR chỉ có mặt
trong các phòng thí nghiệm cho mục đích nghiên cứu quá trình đốt cháy. Những thiết kế
này thường có một piston điều chỉnh thứ hai được đặt trong đầu đối diện với piston làm việc.
Với động cơ 2 thì, từ cuối những năm 90 trở đi, các mô hình mở rộng về ý tưởng này đã
có sẵn, chẳng hạn như từ Yamaha, thay đổi linh hoạt kích thước của buồng đốt . Vào cuối
những năm 2000, công nghệ này đã nhận thấy một số lợi ích mới, do nó có thể đốt cháy
nhiều loại nhiên liệu (ví dụ như rượu) như Lotus Omnivore.
Về mặt lý thuyết, động cơ VCR là một thiết kế rất đáng để các nhà sản xuất quan tâm và
thử nghiệm. Tuy nhiên để có thể hiện thực hóa ý tưởng này là điều không dễ dàng, trên
thực tế mới chỉ có một vài nhà sản xuất như FEV, Ford, Sabb, Nissan đưa ra được những
động cơ mẫu và thử nghiệm. Cụ thể được giới thiệu ở phần dưới đây: a. Peugeot MCE-5.
Thiết kế Peugeot hoạt động bằng cách thay đổi chiều dài hiệu quả của các thanh truyền nối
piston với trục khuỷu. Khi thanh truyền ngắn, tỷ lệ nén thấp hơn và ngược lại. Ở phía bên
trái là piston thông thường của động cơ đốt trong. Bên phải là xi lanh thủy lực với piston
tác động kép. Cơ cấu này hoạt động thông qua một hệ thống trục khuỷu với một bánh răng,
có chuyển động điều chỉnh chiều dài của thanh côn hiệu quả và do đó điều chỉnh tỷ số nén
trong xi lanh bên trái. b. Saab SVC:
Tại triễn lãm Geneva Motoshow 2000, Sabb đã giới thiệu công nghệ này tới công chúng
tham dự. Ở công nghệ này, Sabb sẽ thay đổi tỷ số truyền của động cơ bằng cách di chuyển
nắp xi lanh để tạo ra không gian thay đổi giữa piston và nắp xilanh để thay đổi tỷ số nén.
Để thực hiện được điều này, trong thiết kế, nắp xilanh phải được làm bằng nguyên khối và
toàn bộ thân máy được chia làm 2 phần, nửa trên bao gồm: xilanh, piston, trục cam và các
chi tiết nằm trên nắp xilanh. Nửa dưới gồm các chi tiết còn lại của động cơ, hai nửa này
được nối với nhau thông qua một chốt có thể xoay. Trong quá trình làm việc, khi muốn
thay đổi tỷ số truyền thì toàn bộ phần nửa trên có thể nghiêng 40 nhờ một cơ cấu thủy
lực. Lúc này khoảng khoảng cách giữa đường tâm trục khủy và nắp xilanh thay đổi sẽ dẫn
đến thay đổi thể tích buồng đốt tức là thay đổi tỷ số nén của động cơ. Trong mô hình này
chiều dài của thanh truyền là không thay đổi. c. VCR của Gomecsys:
Gomecsys là một công ty Kỹ thuật Hà Lan đã phát triển công nghệ tỷ số nén biến thiên của
riêng mình. Những cải tiến mạnh mẽ đã được thực hiện trong nhiều năm và hiện tại công
ty có động cơ VCR thế hệ thứ 4 chạy trên dyno. Một trong những lợi thế lớn của hệ t ố h ng
là sự đơn giản. Hệ t ố
h ng VCR hoàn chỉnh được tích hợp trên trục khuỷu và mỗi động cơ 4
thì có thể được nâng cấp bằng cách thay thế trục khuỷu thông thường bằng trục khuỷu
GomRsys VCR. Các công nghệ tiết kiệm nhiên liệu bổ sung được tích hợp trong hệ thống
giúp tăng mức giảm CO2 tổng thể lên 18% và điều đó không giảm.
d. Infiniti VC-Turbo của Nissan:
Suốt hơn một thế kỉ nay, các kĩ sư sản xuất xe ô tô đã không ngừng nghiên cứu cách thức
chế tạo động cơ với tỉ số nén phù hợp nhất. Và nay, Infiniti sẽ là hãng xe đầu tiên tìm được
lời giải cho bài toán khó này với khối ộ đ ng cơ VC-Turbo.
Infiniti VC-Turbo được cho ra mắt lần đầu tiên tại triễn lãm Paris Motor Show 2016. Sau
đó, hãng đã lắp đặt động cơ này trên Infiniti QX50 2018, là động cơ thương mại đầu tiên
trên thế giới có thể thay đổi tỉ số nén linh hoạt nhờ cơ cấu trục khuỷu thông minh.
Với 300 bằng sáng chế và không ngừng phát triển, 20 năm trong việc chế tạo, động cơ VC-
Turbo là sự phát triển bởi cảm ứ
h ng dung hòa của 2 khía cạnh. Nó là sự kết hợp giữa hiệu
suất mạnh mẽ động cơ 2.0 lít với mô men xoắn và hiệu quả của hệ thống truyền động diesel
tiên tiến. Có thể nói động cơ VC-Turbo mới đến từ INFINITI là 1 trong những động cơ đốt
trong vượt bậc nhất. Sự xuất hiện của vô số động cơ nén sẽ thiết lập 1 tiêu chuẩn mới - cho
hiệu suất, hiệu quả và thiết bị thải khí - hệ thống truyền động trong tương lai sẽ được định lượng.
Bởi tính đột phá của nó, nên tiếp theo của bài luận chúng t
a sẽ đi sâu vào cấu tạo,
nguyên lý hoạt động đồng thời phân tích ưu - nh ợc
ư điểm của động cơ INFINITI VC- TURBO.
II. CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ INFINITI VC- TURBO: 1. Cấu tạo:
Về mặt cấu tạo, động cơ này cũng không khác mấy so với các động cơ đốt trong truyền
thống ngoại trừ cụm piston – thanh truyền – trục khuỷu đã được các kỹ sư của Infiniti thiết kế lại.
Ngoài trục khuỷu và thanh truyền, hãng đã nghiên cứu chế tạo thêm một hệ t ố h ng các liên
kết đa điểm để nối giữa trục khủyu, thanh truyền, thông qua cơ cấu bánh lệch tâm mà nhà
sản xuất gọi là Harmonic Driv . e
Cơ cấu Harmonic Drive được nối với một động cơ điện thông qua một cánh tay điều khiển.
2. Nguyên lý hoạt động:
a. Thay đổi tỉ số nén:
Hiệu suất của quá trình cháy phụ thuộc rất lớn vào tỉ số nén, tỷ số nén càng cao thì quá
trình cháy càng diễn ra triệt để, tuy nhiên ở động cơ xăng nếu hoạt động ở một mức tỷ số
nén cao liên tục sẽ dẫn đến hiện tượng kích nổ gây hư hỏng động cơ vì lúc này hỗn hợp
hòa khí sẽ cháy trước khi bugi đánh lửa.
Với một động cơ thông thường, bởi vì piston và trục khuỷu được kết nối trực tiếp bằng
thanh truyền nên tỉ số nén được cố định. Tỉ số nén thấp 8:1 sẽ phù hợp cho nhu cầu tạo ra
công suất lớn ở điều kiện động cơ tải cao (lúc tăng áp hoạt động), còn tỉ số nén cao 14:1 sẽ
lý tưởng cho việc sử dụng hiệu quả nhiên liệu ở điều kiện động cơ tải thấp (lúc tăng áp chưa hoạt động).
Động cơ VC-Turbo sử dụng hệ t ố
h ng “đa liên kết” thay cho thanh truyền truyền thống, để
có thể xoay trục khuỷu bằng một mô tơ từ đó thay đổi hành trình piston và thay đổi tỷ số
nén. Điều này cho phép thay đổi tỷ số nén liên tục khi cần trong phạm vi 8:1 đến 14:1. Tỉ
số nén tối ưu có thể được thiết lập liên tục để phù hợp diều khiển tải trọng và vị trí bàn đạp
ga do người lái điều khiển.
b. Cách thức hoạt động:
(1) Khi cần thay đổi tỷ số nén, mô tơ sẽ di chuyển cánh tay chấp hành.
(2) Cánh tay chấp hành quay trục điều khiển.
(3) Vòng quay của trục điều khiển di chuyển làm thay đổi góc của L-link từ đó xoay trục khuỷu.
(4) Hệ thống “đa liên kết” điều chỉnh vị trí thẳng đứng của hành trình piston trong xylanh
từ đó thay đổi tỉ số nén.
c. Tối ưu hóa bố cục liên kết:
Vì sự thay đổi góc của U- Link, hành trình của piston nhỏ, U- Link vẫn thẳng đứng khi di
chuyển xuống. Điều này làm giảm ma sát với thành xylanh, giảm công suất tiêu tốn do ma
sát từ đó góp phần cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu. Chuyển động tịnh tiến của piston
giữa điểm chết trên và điểm chết dưới trở nên đối xứng từ đó giúp giảm rung. 3. Cơ chế hệ thống:
Động cơ VC-Turbo sử dụng một hệ thống hiệu suất cao với một bộ tăng áp và cổng xả
điện. Điều này cho phép kiểm soát chính xác áp suất và độ trễ turbo để tạo ra công suất
theo yêu cầu. Khi tải thấp, hệ thống VTC (Valve Timing Control) liên tục điều chỉnh thời
gian của van để giảm tổn thất do bơm nhiên liệu bằng chu trình đốt Atkinson từ đó tạo ra
hiệu quả nhiên liệu cao cùng với tỉ số nén cao hơn.
Nghiên cứu về VC-Turbo đã được bắt đầu vào năm 1998. Một số phương pháp đã được sử
dụng để hiện thực hóa VC-Turbo. Phát triển một động cơ với tỉ số nén biến đổi bằng cơ
chế liên kết, tối ưu hóa bố cục liên kết, sử dụng phân tích nâng cao để tạo ra các hình dạng
chính xác và tạo ra một bộ xử lý nhiệt có độ chính xác cao là một vài trở ngại công nghệ.
III. ƯU – NHƯỢC ĐIỂM CỦA ĐỘNG CƠ INFINITI V C – TURBO: 1. Ưu điểm :
Động cơ VC-TURBO có khả năng làm xê dịch khoảng cách pít tông di chuyển trong xilanh
lên tới 6 mm, và điều khiển tỉ số nén biến thiên từ 8:1 đến 14:1.
Theo Infiniti, động cơ xăng VC-Turbo dung tích 2.0 lít 4 xi-lanh thẳng hàng cung cấp công
suất 268 mã lực tại vòng tua 5.600 vòng/phút và mô-men xoắn cực đại 380Nm tại vòng tua máy 4.400 vòng/phút.
Với công suất 268 mã lực và sức kéo 380Nm này thì động cơ VC-Turbo hiệu quả hơn động
cơ xăng tăng áp thông thường cùng dung tích cơ, thậm chí có thể cạnh tranh với động cơ
xăng V6 (dung tích lớn hơn), đồng thời mạnh hơn 100 mã lực so với CX-5 2.0L sử dụng
động cơ SkyActiv – X của Mazda cũng mang lại tỉ số nén tương tự 14:1 nhưng công suất chỉ 162 mã lực.
Động cơ VC-TURBO hoạt động hiệu quả với mức tiêu thụ nhiên liệu lần lượt cho 2 loại
hệ dẫn động là cầu trước và 4 bánh lần lượt là 8,7 và 9,04 lít/100 km. Với con số này,
QX50 2018 tiết kiệm nhiên liệu 35% so với động cơ xăng V6 của QX50 thế hệ trước với
hệ dẫn động cầu trước và 30% so với phiên bản dẫn động 4 bánh. Bên cạnh đó, so với động
cơ “đàn anh” VQ V6 3,5 lít của Infiniti, động cơ 2.0 lít VC-Turbo nhẹ hơn 18kg và đòi hỏi
ít khoảng trống trong khoang động cơ hơn, nhưng sức mạnh và hiệu suất không hề thua kém.
Tiết kiệm nhiên liệu lên đến 27%, giảm độ ồn 20db so với những động cơ thông thường khác.
Một ưu điểm khác của động cơ VC-Turbo là mô men và hiệu quả tiêu thụ nhiên liệu như
một động cơ diesel 4 xi-lanh tăng áp cao cấp mà lượng khí thải vẫn đảm bảo.
VC – Turbo nhận được sự đánh giá là “êm ái” hơn các động cơ thông thường, cùng với đ ó
là có độ ồn và độ rung thấp như sự mong đợi của động cơ V6. 2. Nhược điểm :
Động cơ có kết cấu phức tạp, nhiều chi tiết nên gây khó khăn khi bố trí thiết kế, chế tạo.
Chi phí sản xuất đắt hơn động cơ thông thường.
Động cơ đòi hỏi phải sử dụng loại xăng cao cấp, với giá trung bình 70.000 VND / thùng.
Tìm hiểu từ AAA thì mức giá này đắt hơn khoảng 12.000/ thùng.
IV. TÀI LIỆU THAM KHẢO:
https://en.wikipedia.org/wiki/Variable_compression_ratio
https://www.nissan-global.com/EN/TECHNOLOGY/OVERVIEW/vc_turbo_engine.html
https://infinitinews.com/en-US/infiniti/usa/releases/vc-turbo-the-world-s-first-production-
ready-variable-compression-ratio-engine
https://news.oto-hui.com/dong-co-co-ti-s - o nen-bien-thie - n vc-turbo/
https://www.youtube.com/watch?v=A6H66xfEZC4
https://news.otofun.net/chi-tiet-ve-dong-c -
o ti-so-nen-bien-thien-vc-turbo-cua-infiniti-17704.html