Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghiệp chế tạo ô tô hiện đại không ngừng áp dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật nhằm tối ưu hóa hiệu suất làm việc, nâng cao tính kinh tế nhiên liệu và giảm thiểu khí thải ô nhiễm môi trường. Tại Việt Nam, điều kiện kinh tế phát triển kéo theo sự gia tăng nhu cầu sử dụng các phương tiện di chuyển cá nhân và dịch vụ công cộng, đặc biệt là các dòng ô tô du lịch hoạt động trong khu vực đô thị như mẫu xe Toyota Vios do hãng Toyota chế tạo.

Trong tổng thể kết cấu động cơ đốt trong, hệ thống nạp - thải giữ vai trò quyết định đến việc cung cấp lượng hòa khí hoặc không khí sạch phù hợp với từng chế độ tải, đồng thời quét sạch sản phẩm cháy ra khỏi xilanh, tạo điều kiện thuận lợi cho chu trình kế tiếp. Nghiên cứu hệ thống nạp - thải trong mối quan hệ hữu cơ với các hệ thống điều khiển điện tử, bôi trơn, làm mát và xử lý khí xả là nhiệm vụ quan trọng đối với sinh viên chuyên ngành Cơ khí Động lực.

Đề tài "Khảo sát hệ thống nạp - thải trên động cơ 1NZ-FE" được lựa chọn nhằm thực hiện các mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể:

  1. Hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về quá trình trao đổi khí, chu trình nạp - thải và các thông số ảnh hưởng đến hệ số nạp trên động cơ đốt trong.
  2. Khảo sát đặc điểm kết cấu cơ khí tổng thể của động cơ 1NZ-FE (cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền - piston, thân máy, nắp máy, cơ cấu phối khí VVT-i).
  3. Khảo sát chi tiết cấu tạo, nguyên lý làm việc của các cụm chi tiết và cảm biến trên đường nạp - đường thải động cơ 1NZ-FE (bầu lọc, cụm bướm ga điện tử ETCS-i, bộ góp nạp, cảm biến lưu lượng khí nạp MAF kiểu dây sấy).
  4. Khảo sát các hệ thống phụ trợ kiểm soát phát thải (thông hơi cacte PCV, tuần hoàn khí xả EGR, kiểm soát bay hơi xăng EVAP, bộ trung hòa khí thải ba thành phần TWC).

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là động cơ xăng 1NZ-FE 4 kỳ, 4 xilanh thẳng hàng trang bị trên dòng xe Toyota Vios Limo. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào đặc tính kết cấu, nguyên lý vận hành cơ khí và hệ thống điều khiển nạp - thải, được hoàn thành tại Khoa Cơ khí Giao thông, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng vào tháng 05 năm 2009.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên nguyên lý nhiệt động học động cơ đốt trong 4 kỳ và lý thuyết về quá trình thay đổi môi chất. Quá trình nạp - thải được xác định bởi mối quan hệ giữa các thông số trạng thái cuối kỳ nạp: áp suất cuối kỳ nạp ($p_a$), nhiệt độ sấy nóng môi chất mới ($\Delta T$), nhiệt độ khí nạp cuối kỳ ($T_a$), hệ số nạp ($\eta_v$) và hệ số khí sót ($\gamma_r$). Về mặt xử lý môi trường, đề tài áp dụng lý thuyết hình thành khí thải độc hại ($CO, HC, NO_x$) và nguyên lý xử lý xúc tác ba thành phần kết hợp hồi lưu khí xả.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai bao gồm:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết: Thu thập, phân tích tài liệu chuyên ngành về nguyên lý động cơ ô tô, quá trình cung cấp hòa khí và thải sạch buồng cháy.
  • Phương pháp khảo sát kết cấu kỹ thuật: Khảo sát thực tế sơ đồ nguyên lý, cấu tạo hình học, vật liệu chế tạo của các cụm chi tiết trên động cơ 1NZ-FE và xe Toyota Vios Limo.
  • Phương pháp tính toán thông số chu trình công tác: Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số nạp và công tiêu hao cho quá trình thay đổi môi chất.

Nguồn dữ liệu sử dụng trong đồ án gồm các thông số kỹ thuật chuẩn của nhà sản xuất Toyota đối với xe Vios Limo và động cơ 1NZ-FE, cùng các giáo trình chuyên ngành Động cơ đốt trong và Kết cấu ô tô.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về hệ thống nạp - thải

Chương 1 trình bày tổng quan về vai trò, nhiệm vụ và các phương án bố trí hệ thống nạp - thải trên các loại động cơ đốt trong:

  • Nhiệm vụ: Cung cấp lượng hỗn hợp không khí - nhiên liệu (hoặc không khí sạch) đúng thành phần cho từng chế độ làm việc; thải sạch sản phẩm cháy, giảm thiểu tiếng ồn và hạn chế ô nhiễm môi trường.
  • Khảo sát đường nạp: So sánh kết cấu giữa động cơ dùng bộ chế hòa khí và động cơ phun xăng điện tử. Động cơ phun xăng sử dụng cảm biến đo lưu lượng khí nạp (MAF), cổ họng gió điều khiển điện tử và bộ góp nạp bằng vật liệu nhựa hoặc sợi tổng hợp giúp giảm hệ số cản và cách nhiệt. Phân tích nguyên lý ống nạp có chiều dài biến thiên và ống nạp dạng xoắn ốc tạo xoáy lốc dòng khí.
  • Khảo sát đường nạp - thải động cơ diesel: Giới thiệu hệ thống sấy nóng không khí nạp (dây điện trở hoặc bugi sấy) phục vụ khởi động lạnh, động cơ diesel common rail, và hệ thống tăng áp tuabin khí xả có van điều tiết, mạch giảm tải để khống chế áp suất nạp quá cao.
  • Phương án bố trí trên nắp máy: Phân tích ưu nhược điểm giữa phương án bố trí đường nạp và thải cùng phía xen kẽ (tận dụng nhiệt khí xả sấy nóng khí nạp cho bộ chế hòa khí) và phương án bố trí về hai phía đối diện (áp dụng cho động cơ phun xăng điện tử và diesel nhằm tránh truyền nhiệt gây giảm khối lượng khí nạp).
  • Các hệ thống phụ trợ:
    • Hệ thống thông hơi cacte kín (PCV): Đưa khí lọt (chứa $HC, CO$, muội than, hơi nước, $SO_2, H_2S$) từ đáy cacte quay lại buồng đốt, chống thoái hóa dầu nhờn và tránh phát thải ra khí quyển.
    • Hệ thống hồi lưu khí thải (EGR): Trộn một phần khí trơ vào đường nạp làm giảm tốc độ lan truyền màng lửa và hạ nhiệt độ cháy cực đại, từ đó giảm thiểu phát sinh khí $NO_x$.
    • Hệ thống kiểm soát bay hơi xăng (EVAP): Thu hồi hơi xăng từ bình chứa vào bầu than hoạt tính rồi dẫn vào buồng đốt khi động cơ hoạt động.
  • Đặc điểm quá trình nạp - thải: Xác định độ sấy nóng môi chất mới $\Delta T = 0 \sim 20^\circ\text{C}$ đối với động cơ xăng và $\Delta T = 20 \sim 40^\circ\text{C}$ đối với động cơ diesel. Phân tích sự ảnh hưởng của tiết diện lưu thông xupap, áp suất cuối kỳ nạp $p_a$, nhiệt độ cuối kỳ nạp $T_a$, hệ số khí sót $\gamma_r$ đến hệ số nạp $\eta_v$.
  • Các giải pháp giảm ô nhiễm khí thải: Tối ưu hóa buồng cháy, buồng phân lớp hòa khí với $\alpha = 0{,}85 \sim 0{,}90$ tại bugi và $\alpha > 1$ trên toàn buồng cháy, kết hợp bộ xúc tác trung hòa ba chức năng (TWC) và cảm biến oxy phản hồi vòng lặp kín về ECU.

Chương 2: Giới thiệu chung và đặc điểm kết cấu động cơ 1NZ-FE

Chương 2 tập trung giới thiệu các thông số kỹ thuật của xe Toyota Vios Limo, đặc tính kỹ thuật và kết cấu chi tiết của động cơ 1NZ-FE:

Thông số Giá trị trên xe Vios Limo / Động cơ 1NZ-FE
Trọng lượng toàn tải / không tải $1450\text{ kg}$ / $950\text{ kg}$
Kích thước bao (Dài x Rộng x Cao) $4285\text{ mm} \times 1700\text{ mm} \times 1460\text{ mm}$
Chiều dài cơ sở / Chiều rộng cơ sở $2550\text{ mm}$ / $1480\text{ mm}$
Khoảng sáng gầm xe $150\text{ mm}$
Kiểu động cơ 1NZ-FE, 4 xilanh thẳng hàng, 16 van DOHC
Dung tích công tác ($V_h$) $1497\text{ cm}^3$
Đường kính xilanh ($D$) $\times$ Hành trình piston ($S$) $75\text{ mm} \times 84{,}7\text{ mm}$
Tỉ số nén ($\varepsilon$) $10{,}5$
Công suất tối đa $81\text{ kW}$ tại $6000\text{ vòng/phút}$
Momen xoắn tối đa $142\text{ N}\cdot\text{m}$ tại $4200\text{ vòng/phút}$
Hệ thống nhiên liệu / Loại xăng SFI (phun xăng đa điểm gián đoạn) / 91 RON
Góc mở xupap nạp Mở $-7^\circ \sim 53^\circ$ BTDC; Đóng $52^\circ \sim -8^\circ$ ABDC
Góc mở xupap thải Mở $42^\circ$ BBDC; Đóng $2^\circ$ ATDC
Kích thước xupap nạp / thải Đường kính nấm: $30{,}5\text{ mm}$ / $25{,}5\text{ mm}$; Thân: $5\text{ mm}$
Dầu bôi trơn / Nước làm mát API SM/SL, ILSAC, độ nhớt 5W-30 / Toyota SLLC (tỉ lệ 50/50)
  • Kết cấu cơ khí động cơ:
    • Trục khuỷu: Đúc liền bằng thép cacbon, gồm 5 cổ trục và 4 cổ biên, có các đường dẫn dầu bôi trơn và gắn đĩa răng tạo xung cho cảm biến vị trí trục khuỷu.
    • Thanh truyền: Tiết diện thân chữ I, nắp đầu to ghép với thân bằng bu-lông chịu lực kéo cao, mặt phẳng ghép vuông góc với đường tâm thanh truyền.
    • Piston: Đúc bằng hợp kim nhôm nhẹ, đỉnh có kết cấu định hình buồng cháy, xéc măng áp lực thấp giúp giảm ma sát, chân piston được khoét vát để giảm khối lượng quán tính.
    • Thân máy và nắp máy: Đúc bằng hợp kim nhôm, xilanh có ống lót thành mỏng với khoảng cách giữa hai xilanh là $8\text{ mm}$. Tâm các xilanh được đặt lệch $12\text{ mm}$ về phía đường nạp so với đường tâm trục khuỷu nhằm triệt tiêu lực đẩy ngang tác dụng lên thành xilanh tại thời điểm áp suất khí cháy đạt cực đại.
    • Cơ cấu phối khí VVT-i: Dẫn động 2 trục cam bằng xích con lăn bước $8\text{ mm}$, có cơ cấu tăng xích thủy lực và thanh dẫn hướng. Bộ điều khiển VVT-i gắn trên đầu trục cam nạp, sử dụng áp suất dầu bôi trơn để xoay trục cam nạp tương đối so với đĩa xích, biến thiên liên tục góc phối khí.
  • Các hệ thống phụ trợ liên quan:
    • Hệ thống bôi trơn: Bôi trơn cưỡng bức kết hợp vung té, cung cấp dầu cho bộ chấp hành VVT-i.
    • Hệ thống làm mát: Nước làm mát tuần hoàn cưỡng bức sử dụng dung dịch pha sẵn Toyota SLLC (50% nước sạch và 50% chất làm mát), van hằng nhiệt bắt đầu mở ở $80^\circ\text{C} - 84^\circ\text{C}$.
    • Hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS): Bỏ bộ chia điện, mỗi bugi có cuộn dây và transistor công suất riêng do ECU điều khiển thứ tự đánh lửa dựa trên tín hiệu cảm biến góc quay trục khuỷu và vị trí trục cam.

Chương 3: Khảo sát chi tiết hệ thống nạp - thải động cơ 1NZ-FE

Chương 3 đi sâu khảo sát cấu tạo, sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển và các cảm biến trên đường nạp - thải:

  • Sơ đồ tổng thể: Hệ thống bao gồm bầu lọc khí, cảm biến đo lưu lượng khí nạp (MAF), cảm biến nhiệt độ khí nạp, cụm bướm ga điện tử (mô-tơ bước/DC, cảm biến vị trí bướm ga TPS), bộ góp nạp, van thông hơi cacte PCV, van hồi lưu EGR, cảm biến kích nổ, cảm biến nhiệt độ nước làm mát ECT, cảm biến vị trí trục khuỷu CKP, cảm biến vị trí trục cam CMP, bộ xúc tác TWC, cảm biến oxy chính và phụ, bộ giảm âm chính và phụ, van điều khiển bay hơi xăng EVAP.
  • Cụm bướm ga điều khiển điện tử ETCS-i: Thay thế liên động cáp cơ khí truyền thống bằng mô-tơ điện một chiều (DC) dẫn động qua cụm bánh răng giảm tốc. Cảm biến vị trí bàn đạp ga gửi tín hiệu góc đạp về ECU, ECU tính toán góc mở tối ưu cho mô-tơ bướm ga. Lò xo hồi vị đưa bướm ga về vị trí mặc định mở khoảng $7^\circ$ khi mất nguồn hoặc hệ thống báo lỗi nhằm duy trì chế độ chạy an toàn (limp-home mode).
    • Các chế độ điều khiển bướm ga: Điều khiển ở chế độ bình thường (cân bằng tính êm dịu và tính kinh tế), chế độ công suất cao (bướm ga mở nhanh theo bàn đạp ga), chế độ đường tuyết/trơn trượt và điều khiển momen truyền lực chủ động.
  • Bộ góp nạp: Chế tạo bằng vật liệu nhựa tổng hợp nhằm giảm trọng lượng và ngăn truyền nhiệt từ nắp máy vào khí nạp. Các nhánh ống nạp dài uốn cong dạng xoắn ốc tạo hiệu ứng quán tính dòng khí, đường kính ống góp nạp $d = 52\text{ mm}$ giúp giảm hệ số cản dòng khí nạp ở dải tốc độ thấp và trung bình.
  • Cảm biến lưu lượng khí nạp MAF kiểu dây sấy:
    • Cấu tạo: Gồm một dây sấy bạch kim ($R_h$), điện trở bù nhiệt độ không khí ($R_k$) và các điện trở tạo thành mạch cầu Wheatstone $(R_a \cdot R_3) \cdot R_1 = R_h \cdot R_2$.
    • Nguyên lý hoạt động: Dòng điện nung nóng dây sấy $R_h$. Dòng khí nạp đi qua làm nguội dây sấy, làm thay đổi điện trở $R_h$ và tạo độ lệch điện thế giữa hai điểm cầu A và B. Mạch khuếch đại tự động tăng dòng điện cấp qua dây sấy để duy trì nhiệt độ $R_h$ luôn cao hơn nhiệt độ khí nạp một giá trị không đổi. Tín hiệu dòng điện/điện thế tại điểm B tỷ lệ thuận với khối lượng không khí nạp được gửi về ECU để tính toán lượng phun nhiên liệu cơ bản.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống nạp - thải trên động cơ 1NZ-FE là một hệ thống kỹ thuật hoàn chỉnh kết hợp giữa cơ khí chính xác và điều khiển điện tử tích hợp:

  • Bố trí dòng chảy khí: Đường nạp và đường thải được bố trí tách biệt về hai phía đối diện của nắp máy. Đường nạp bằng nhựa tổng hợp có khoang tích áp và đường kính nhánh $52\text{ mm}$, thiết kế biên dạng lượn xoắn tạo xoáy lốc tối ưu cho từng xilanh.
  • Cơ chế hòa trộn và kiểm soát nạp: Sử dụng bướm ga điện tử ETCS-i điều khiển bằng mô-tơ DC độ nhạy cao. Khối lượng khí nạp được đo đạc trực tiếp bởi cảm biến MAF kiểu dây sấy gắn tại cổ hút sau bầu lọc khí giấy.
  • Kiểm soát và xử lý phát thải: Khí xả sau khi thoát qua các xupap thải có đường kính $25{,}5\text{ mm}$ được gom vào cổ góp xả, đi qua bộ xúc tác ba thành phần TWC tích hợp 2 cảm biến oxy (cảm biến chính phía trước và cảm biến phụ phía sau) nhằm duy trì tỷ lệ hòa khí quanh điểm lý thuyết ($\lambda = 1$), sau đó đi qua bầu giảm âm phụ và bầu giảm âm chính trước khi xả ra môi trường.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã tổng hợp và làm sáng tỏ các kết quả kỹ thuật trên động cơ 1NZ-FE trang bị trên xe Toyota Vios Limo:

  • Khảo sát chi tiết thông số kết cấu và hình học của động cơ: dung tích $1497\text{ cm}^3$, tỉ số nén $10{,}5$, xupap nạp đường kính $30{,}5\text{ mm}$, xupap thải $25{,}5\text{ mm}$, đường kính ống nạp $52\text{ mm}$, tâm xilanh lệch $12\text{ mm}$, bước xích cam $8\text{ mm}$.
  • Làm rõ cấu tạo, nguyên lý vận hành của hệ thống bướm ga điện tử ETCS-i với cơ chế dự phòng mở $7^\circ$ khi gặp sự cố, cùng thuật toán mạch cầu Wheatstone trên cảm biến lưu lượng MAF dây sấy.
  • Hệ thống hóa các cụm chi tiết trong toàn bộ hệ thống kiểm soát nạp - thải và khí xả (VVT-i, DIS, PCV, EGR, EVAP, TWC).
  • Đóng góp tài liệu khảo sát kỹ thuật hoàn chỉnh, chuẩn xác phục vụ công tác tra cứu kết cấu, nguyên lý vận hành và bảo dưỡng động cơ Toyota 1NZ-FE cho sinh viên và kỹ thuật viên ngành động lực.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Do giới hạn về thời gian thực hiện, kinh nghiệm thực tế và nguồn tài liệu chuyên sâu, đề tài chủ yếu dừng lại ở mức độ khảo sát mô tả kết cấu và phân tích nguyên lý lý thuyết, chưa thực hiện đo đạc thực nghiệm trên băng thử động cơ hoặc mô phỏng số học (CFD) trường vận tốc và áp suất dòng khí trong đường nạp xoắn ốc.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Nghiên cứu thực nghiệm chẩn đoán các mã lỗi OBD-II liên quan đến cảm biến MAF, cảm biến oxy, cụm bướm ga ETCS-i và van điều khiển VVT-i trên mô hình động cơ 1NZ-FE thật.
    • Đánh giá thực nghiệm hiệu quả giảm phát thải của hệ thống EVAP và bộ xúc tác TWC theo thời gian sử dụng tại Việt Nam.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu chuyên khảo hữu ích cho sinh viên, học viên và giảng viên ngành Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực, cũng như kỹ thuật viên sửa chữa ô tô:

  • Nội dung giá trị: Sơ đồ kết cấu chi tiết, nguyên lý mạch đo cảm biến MAF dây sấy, cơ cấu bướm ga ETCS-i, cơ cấu VVT-i và sơ đồ bố trí hệ thống xử lý khí xả.
  • Ứng dụng thực tế: Phục vụ học tập các học phần Kết cấu động cơ đốt trong, Lý thuyết động cơ, Hệ thống điện - điện tử ô tô và ứng dụng trong quy trình chẩn đoán, bảo dưỡng xe Toyota Vios.

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ 1NZ-FE trên xe Toyota Vios Limo có công suất, momen xoắn và tỉ số nén là bao nhiêu?
Động cơ 1NZ-FE có dung tích công tác $1497\text{ cm}^3$, tỉ số nén $10{,}5$, đạt công suất cực đại $81\text{ kW}$ tại $6000\text{ vòng/phút}$ và momen xoắn cực đại $142\text{ N}\cdot\text{m}$ tại $4200\text{ vòng/phút}$.

2. Bướm ga điện tử ETCS-i trên động cơ 1NZ-FE xử lý thế nào khi hệ thống điều khiển gặp sự cố?
Khi ECU phát hiện hư hỏng, hệ thống sẽ bật đèn báo lỗi trên bảng đồng hồ và ngắt nguồn cấp tới mô-tơ điều khiển bướm ga. Lúc này, lò xo hồi vị cơ khí sẽ kéo bướm ga về vị trí mở cố định khoảng $7^\circ$, cho phép xe vẫn có thể di chuyển ở tốc độ thấp về nơi sửa chữa an toàn.

3. Mạch điện cảm biến lưu lượng khí nạp MAF kiểu dây sấy hoạt động dựa trên điều kiện cân bằng nào?
Cảm biến MAF sử dụng mạch cầu Wheatstone với điều kiện cân bằng điện thế: $(R_a \cdot R_3) \cdot R_1 = R_h \cdot R_2$. Khi dòng khí nạp làm mát dây sấy $R_h$, mạch khuếch đại sẽ điều chỉnh dòng điện chạy qua dây sấy để giữ nhiệt độ dây sấy không đổi; từ sự thay đổi điện áp tại điểm B của cầu, ECU xác định được khối lượng khí nạp.

4. Vì sao thân máy động cơ 1NZ-FE lại đặt đường tâm xilanh lệch 12 mm về phía đường nạp?
Việc đặt tâm xilanh lệch $12\text{ mm}$ so với tâm trục khuỷu về phía đường nạp giúp làm giảm góc nghiêng thanh truyền ở kỳ nổ sinh công, qua đó làm giảm đáng kể lực nén ngang của piston tác dụng lên vách xilanh tại thời điểm áp suất khí cháy đạt giá trị lớn nhất.

5. Hệ thống làm mát trên động cơ 1NZ-FE sử dụng dung dịch gì và van hằng nhiệt hoạt động ở nhiệt độ nào?
Hệ thống sử dụng dung dịch làm mát siêu bền Toyota SLLC (pha sẵn 50% chất làm mát và 50% nước sạch). Van hằng nhiệt có dải nhiệt độ làm việc từ $80^\circ\text{C}$ đến $84^\circ\text{C}$ để bắt đầu mở đường nước tuần hoàn qua két tản nhiệt.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Khảo sát hệ thống nạp - thải trên động cơ 1NZ-FE" đã khảo sát một cách toàn diện về mặt kết cấu, nguyên lý cơ khí và hệ thống điều khiển nạp - thải trên dòng xe Toyota Vios Limo. Tác giả đã trình bày chi tiết các giải pháp kỹ thuật hiện đại như cơ cấu phối khí VVT-i, bướm ga điện tử ETCS-i, cảm biến MAF kiểu dây sấy, cùng các hệ thống phụ trợ kiểm soát khí xả PCV, EGR, EVAP và bộ xúc tác TWC. Nội dung đề tài cung cấp nguồn tài liệu kỹ thuật có giá trị học thuật và thực tiễn cao cho sinh viên, kỹ sư chuyên ngành Cơ khí Giao thông và Kỹ thuật Ô tô.