Nghiên cứu và mô phỏng turbo tăng áp điện

Đồ án nghiên cứu và mô phỏng turbo tăng áp điện - ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM 2024

• Tác giả: Đào Nguyễn Anh Khoa
• Người hướng dẫn: ThS. Đinh Tấn Ngọc
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Ô tô
• Đề tài: Nghiên cứu và mô phỏng turbo tăng áp điện
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan đề tài turbo tăng áp điện tại ĐH SPKT TP

Đề tài nghiên cứu và mô phỏng turbo tăng áp điện được thực hiện tại Khoa Cơ khí Động lực thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Công trình do sinh viên Đào Nguyễn Anh Khoa và Lê Anh Khoa triển khai dưới sự hướng dẫn khoa học của ThS. Đinh Tấn Ngọc. Đồ án tập trung giải quyết bài toán nâng cao hiệu suất nạp khí cho động cơ đốt trong. Xu hướng thu nhỏ dung tích động cơ đòi hỏi áp suất nạp lớn hơn ở mọi dải tốc độ. Động cơ truyền thống sử dụng tuabin khí xả thường gặp hạn chế ở dải vận tốc thấp. Áp suất khí xả không đủ làm cánh nén quay nhanh. Do đó, hệ thống tăng áp tích hợp động cơ điện trở thành hướng đi tất yếu. Nghiên cứu kết hợp cơ sở lý thuyết nhiệt động lực học và mô hình toán học hiện đại. Các dữ liệu kỹ thuật phản ánh chính xác chu trình nhiệt của môi chất công tác. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu quan trọng cho ngành kỹ thuật ô tô Việt Nam. Mô hình tính toán hỗ trợ quá trình thử nghiệm thiết kế trước khi chế tạo thực nghiệm.

1.1. Bối cảnh nghiên cứu tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM là cơ sở đào tạo trọng điểm về kỹ thuật ô tô. Khoa Cơ khí Động lực luôn khuyến khích sinh viên tiếp cận công nghệ mới. Xu thế điện hóa và cắt giảm phát thải khí nhà kính đặt ra yêu cầu cải tiến động cơ đốt trong. Đề tài tốt nghiệp ngành ô tô phản ánh nhu cầu học thuật mang tính ứng dụng cao. Giảng viên hướng dẫn định hướng sinh viên xây dựng mô hình mô phỏng chuẩn xác. Việc tiếp cận phương pháp mô phỏng số giúp rút ngắn thời gian nghiên cứu. Sinh viên làm chủ các phần mềm phân tích động lực học chuyên sâu. Đồ án tạo tiền đề vững chắc cho các công trình nghiên cứu phát triển tiếp theo.

1.2. Khái niệm cơ bản về hệ thống turbo tăng áp điện

Hệ thống turbo tăng áp điện kết hợp giữa máy nén truyền thống và động cơ điện tốc độ cao. Thiết bị bổ sung năng lượng trực tiếp cho trục quay máy nén. Khác với bộ tăng áp cơ khí hay tuabin khí xả thuần túy, bộ tăng áp điện hoạt động linh hoạt. Nguồn điện điều khiển độc lập với tốc độ động cơ đốt trong. Khi người lái nhấn bàn đạp ga, mô tơ điện lập tức kích hoạt cánh nén. Thời gian phản hồi diễn ra chỉ trong vài phần mười giây. Không khí nạp được nén với áp suất cao trước khi đi vào buồng cháy. Lượng oxy dồi dào tối ưu hóa quá trình đốt cháy hòa khí. Hệ thống giúp tăng công suất phát ra và cải thiện tính kinh tế nhiên liệu.

II. Phân tích hạn chế khí xả và độ trễ turbo tăng áp điện giải quyết

Động cơ đốt trong truyền thống phụ thuộc hoàn toàn vào lưu lượng khí xả để dẫn động tuabin. Ở dải tải nhỏ hoặc tốc độ vòng tua thấp, động năng dòng khí thải rất hạn chế. Áp suất khí xả không đủ làm quay bánh công tác tuabin với tốc độ mong muốn. Hệ quả trực tiếp là áp suất tăng áp không đạt mức tiêu chuẩn. Trong nhiều trường hợp, áp suất khí nạp thấp hơn áp suất trong đường ống xả. Hiện tượng này làm suy giảm chất lượng quét và cản trở chu trình nạp khí mới. Hệ số dư lượng không khí giảm sút khiến quá trình cháy diễn ra không hoàn toàn. Khí thải sinh ra chứa nhiều thành phần độc hại như CO và hydrocacbon dư thừa. Ngoài ra, mô-men quán tính của cụm roto cản trở khả năng gia tốc tức thời. Hiện tượng trễ tăng áp gây khó khăn khi xe khởi động hoặc vượt xe trên đường. Động cơ tăng tốc chậm chạp và thiếu độ nhạy chân ga. Những điểm yếu cố hữu này thúc đẩy việc áp dụng mô tơ điện trợ lực trực tiếp.

2.1. Hiện tượng trễ tăng áp và tổn hao năng lượng dòng khí xả

Độ trễ tăng áp là khoảng cách thời gian giữa thời điểm đạp ga và thời điểm áp suất nén đạt đỉnh. Khối lượng roto tuabin tạo ra quán tính quay đáng kể. Khí xả ở vòng tua thấp thiếu động năng để gia tốc bánh cánh ngay lập tức. Tình trạng này khiến áp suất nạp không tăng kịp theo nhu cầu phụ tải. Quá trình trao đổi khí trong xylanh bị gián đoạn cục bộ. Hệ số nạp suy giảm làm giảm công suất tức thời của động cơ. Khi vận hành trong đô thị đông đúc, nhược điểm này bộc lộ rất rõ nét. Xe phản ứng trễ nhịp và tiêu tốn nhiều nhiên liệu hơn mức cần thiết.

2.2. So sánh hạn chế giữa tăng áp cơ khí và tuabin khí

Tăng áp cơ khí lấy công suất trực tiếp từ trục khuỷu thông qua dây đai truyền động. Giải pháp này giúp loại bỏ độ trễ nhưng gây tổn hao cơ năng động cơ. Khi vận hành ở dải tốc độ cao, máy nén cơ khí tiêu tốn đáng kể công suất hữu ích. Ngược lại, tuabin khí xả tận dụng nhiệt năng và động năng khí thải. Tuy nhiên, tuabin phụ thuộc chặt chẽ vào tải trọng động cơ. Tại vùng tải thấp, cánh tuabin quay chậm khiến áp lực nén không ổn định. Cả hai giải pháp truyền thống đều bộc lộ giới hạn kỹ thuật không thể khắc phục triệt để. Tăng áp điện trở thành giải pháp tối ưu dung hòa cả hai ưu thế.

III. Giải pháp mô phỏng turbo tăng áp điện trên phần mềm chuyên dụng

Phương pháp nghiên cứu trong đồ án dựa trên việc xây dựng mô hình mô phỏng nhiệt động học hoàn chỉnh. Nhóm nghiên cứu thiết lập phương trình toán học mô tả quá trình nén và trao đổi khí. Mô hình tích hợp đặc tính mô tơ điện hỗ trợ trục quay của máy nén. Phần mềm mô phỏng chuyên ngành động lực học giúp tính toán dòng môi chất theo thời gian thực. Các thông số đầu vào bao gồm dung tích xylanh, tỷ số nén và áp suất môi trường. Hệ thống điều khiển điện tử kích hoạt mô tơ điện khi áp suất nạp chưa đạt ngưỡng yêu cầu. Tốc độ quay của máy nén tăng lên nhanh chóng chỉ trong vài mili-giây. Dòng khí nạp đi qua két làm mát trung gian để hạ nhiệt độ và gia tăng mật độ oxy. Sự kết hợp giữa thuật toán điều khiển và mô hình khí động học tạo ra kết quả chính xác. Quá trình mô phỏng cho phép khảo sát áp suất nạp tại nhiều dải tốc độ vòng tua. Phương pháp này giảm thiểu rủi ro kỹ thuật và tiết kiệm đáng kể chi phí chế tạo mẫu thử.

3.1. Thiết lập mô hình toán học và thông số biên động cơ

Quá trình mô phỏng bắt đầu từ việc thiết lập các phương trình bảo toàn khối lượng và năng lượng. Nhóm nghiên cứu xác định các thông số biên của đường ống nạp và xả. Dữ liệu thực nghiệm của động cơ đốt trong được nhập làm giá trị tham chiếu. Chu trình nén đoạn nhiệt và giãn nở đoạn nhiệt được biểu diễn chi tiết qua đồ thị nhiệt động. Thuật toán mô tả chính xác sự tương tác giữa cánh quạt máy nén và luồng không khí. Điện áp nguồn cấp cho mô tơ điện được giới hạn trong dải điện áp an toàn. Thông số nhiệt độ khí nạp sau két làm mát cũng được kiểm soát chặt chẽ. Mô hình đảm bảo tính chân thực so với cấu trúc vật lý thực tế.

3.2. Chiến lược điều khiển mô tơ điện trợ lực nén khí

Chiến lược điều khiển đóng vai trò cốt lõi trong việc vận hành bộ tăng áp điện. Bộ điều khiển điện tử theo dõi liên tục độ mở bướm ga và tốc độ trục khuỷu. Khi phát hiện yêu cầu tăng tốc đột ngột, mô tơ điện nhận dòng điện công suất lớn. Roto mô tơ kéo cánh nén đạt hàng vạn vòng quay mỗi phút trong chớp mắt. Áp suất khí nạp được bổ sung kịp thời trước khi dòng khí xả đủ mạnh. Khi khí xả đạt lưu lượng định mức, bộ điều khiển ngắt dòng điện vào mô tơ. Lúc này tuabin khí xả tự đảm nhận việc dẫn động máy nén. Sự chuyển giao lực kéo diễn ra êm dịu và liên tục, bảo vệ độ bền linh kiện.

IV. Kết luận ứng dụng turbo tăng áp điện trong công nghệ ô tô hiện đại

Kết quả nghiên cứu và mô phỏng turbo tăng áp điện tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM khẳng định tính khả thi vượt trội của công nghệ. Hệ thống loại bỏ hoàn toàn hiện tượng trễ chân ga ở dải vòng tua thấp. Áp suất khí nạp duy trì ổn định giúp công suất và mô-men xoắn tăng trưởng đều đặn. Hiệu quả đốt cháy hòa khí được cải thiện rõ rệt, giảm đáng kể nồng độ khí thải độc hại. Nghiên cứu mở ra hướng đi thực tiễn cho giải pháp tăng áp trên các dòng xe lai nhẹ và xe hybrid. Sự phối hợp linh hoạt giữa nguồn điện phụ trợ và động cơ đốt trong tối ưu hóa hiệu suất nhiên liệu. Đồ án của sinh viên Khoa Cơ khí Động lực đã cung cấp cơ sở dữ liệu số tin cậy. Kết quả này hỗ trợ đắc lực cho các kỹ sư phát triển hệ thống điều khiển nạp khí thông minh. Ứng dụng turbo điện là bước đệm quan trọng trong giai đoạn chuyển đổi năng lượng xanh của ngành ô tô.

4.1. Đánh giá hiệu quả cải thiện mô men xoắn và khí phát thải

Dữ liệu mô phỏng cho thấy mô-men xoắn động cơ tăng trưởng mạnh mẽ ở tốc độ dưới 2000 vòng/phút. Cánh nén được trợ lực điện đạt áp suất yêu cầu chỉ sau thời gian rất ngắn. Lượng không khí sạch dồi dào đi vào xylanh hỗ trợ hòa khí cháy triệt để. Nồng độ muội than và các khí độc hại trong ống xả giảm thiểu rõ rệt. Động cơ không còn xảy ra hiện tượng thiếu gió khi tăng tải đột ngột. Nhiệt độ buồng cháy được duy trì ở ngưỡng an toàn nhờ két làm mát khí nạp. Nhờ vậy, chu trình nhiệt đạt hiệu suất nhiệt động học tối ưu hơn. Đồ án chứng minh rõ giá trị kỹ thuật của giải pháp qua từng con số định lượng.

4.2. Tiềm năng triển khai thực tế trên phương tiện giao thông

Công nghệ turbo tăng áp điện có tiềm năng thương mại hóa rất lớn trên xe hơi thế hệ mới. Xu hướng tích hợp hệ thống điện 48V trên ô tô hiện đại tạo môi trường vận hành thuận lợi cho thiết bị này. Các dòng xe hybrid nhẹ có thể tận dụng pin điện để cấp nguồn trực tiếp cho máy nén. Khả năng tương thích cơ khí cao cho phép nâng cấp trên các nền tảng động cơ hiện hữu. Kết quả nghiên cứu tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM mở ra triển vọng nội địa hóa thiết kế linh kiện ô tô phức tạp. Đề tài đóng góp thiết thực cho quá trình nghiên cứu và phát triển công nghệ xe sạch tại Việt Nam.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghiệp ô tô giữ vai trò thiết yếu trong nền kinh tế quốc dân thông qua việc đáp ứng nhu cầu giao thông vận tải, lưu thông hàng hóa và thúc đẩy hoạt động sản xuất kinh doanh. Cùng với sự gia tăng nhanh chóng về số lượng phương tiện lưu thông, xu hướng thiết kế động cơ hiện đại đòi hỏi phải nâng cao công suất, tăng tốc độ vận hành, giảm suất tiêu hao nhiên liệu, tối ưu hóa quá trình điều khiển điện tử và cắt giảm nồng độ các chất gây ô nhiễm trong khí xả. Bên cạnh đó, tại các cơ sở đào tạo chuyên ngành, yêu cầu cập nhật các công nghệ tiên tiến nhằm nâng cao tính trực quan trong giảng dạy lý thuyết và thực hành kỹ thuật ô tô là một đòi hỏi thực tế. Đề tài "Nghiên cứu và mô phỏng Turbo tăng áp điện" được thực hiện tại Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh nhằm giải quyết các yêu cầu kỹ thuật và giáo dục nêu trên.

Mục tiêu của đề tài được xác định gồm 4 nội dung cụ thể:

1. Tìm hiểu rõ lý thuyết về động cơ đốt trong.
2. Tìm hiểu tổng quan về tăng áp động cơ.
3. Tìm hiểu các phương pháp tăng áp và các giải pháp giảm độ trễ tăng áp.
4. Nghiên cứu và mô phỏng Turbo tăng áp điện.

Mục đích đề tài hướng tới việc nắm vững bản chất nhiệt động học của động cơ đốt trong, nguyên lý và kết cấu của các hệ thống tăng áp truyền thống cũng như công nghệ tăng áp điện; từ đó ứng dụng công cụ tính toán số để mô phỏng, phân tích những lợi thế của hệ thống Turbo tăng áp điện trong việc nâng cao công suất và cải thiện đáp ứng mô-men của động cơ.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống nạp cưỡng bức sử dụng Turbo tăng áp điện (eTB) tích hợp trên động cơ đốt trong.
• Phạm vi không gian: Đồ án được thực hiện tại Bộ môn Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
• Giới hạn nghiên cứu: Tập trung nghiên cứu cơ sở lý thuyết, phân tích các giải pháp kết cấu và thực hiện mô phỏng hệ thống Turbo tăng áp điện trên phần mềm chuyên dụng Simcenter Amesim; khảo sát đáp ứng của hệ thống trên hai chu trình vận hành gồm chu trình tự thiết kế và chu trình thử nghiệm tiêu chuẩn châu Âu NEDC (New European Driving Cycle); dữ liệu động cơ đối chứng sử dụng các thông số kỹ thuật của động cơ 8NR-FTS. Thời gian hoàn thành công trình vào tháng 12 năm 2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên nguyên lý nhiệt động lực học của động cơ đốt trong và cơ học chất khí trong hệ thống nạp - xả. Quá trình công tác được phân tích qua chu trình lý tưởng tổng quát của động cơ đốt trong không tăng áp và có tăng áp, bao gồm các giai đoạn: nén đoạn nhiệt, cấp nhiệt đẳng tích, cấp nhiệt đẳng áp, giãn nở đoạn nhiệt, nhả nhiệt đẳng tích và nhả nhiệt đẳng áp. Mối quan hệ giữa các thông số công tác được đánh giá thông qua phương thức xác định công suất động cơ:

$$N_e = \frac{p_e \cdot V_h \cdot i \cdot n}{30 \cdot \tau}$$

Trong đó:

• $p_e$: Áp suất có ích trung bình (MPa)
• $i$: Số xylanh
• $V_h$: Thể tích công tác của xylanh (lít)
• $n$: Số vòng quay trục khuỷu trong một phút (vòng/phút)
• $\tau$: Số kỳ của chu trình làm việc

Đồ án phân tích các giới hạn vật lý và cơ học của 5 giải pháp nâng cao công suất động cơ: tăng tốc độ động cơ ($n$), giảm số kỳ ($\tau$), tăng số xylanh ($i$), tăng dung tích công tác ($V_h$) và tăng áp suất nạp ($p_e$). Cơ sở lý thuyết về tăng áp bao gồm tăng áp dẫn động cơ khí (Supercharger), tăng áp dẫn động bằng tuabin khí xả (Turbocharger), tăng áp hỗn hợp, tăng áp biến thiên góc mở cánh (VGT) và các dạng cấu hình tăng áp hỗ trợ điện: bộ tăng áp tách điện (Electrically Split Turbocharger - EST), bộ tăng áp hỗ trợ điện (Electrically Assisted Turbocharger - EAT), và hệ thống tăng áp kép điện (Electric Biturbo). Cơ sở phân tích cũng làm rõ các hiện tượng vật lý bất lợi như cháy kích nổ, tải trọng nhiệt, hiện tượng trễ tuabin (turbo lag) và chế độ bơm (surge) của máy nén khí ly tâm.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai theo quy trình kỹ thuật hệ thống:

• Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Thu thập, hệ thống hóa tài liệu kỹ thuật về chu trình nhiệt động, cấu tạo động cơ, nguyên lý làm việc của hệ thống tăng áp và các phương án điều khiển tăng áp điện.
• Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng 1D: Sử dụng phần mềm Simcenter Amesim để thiết lập sơ đồ nguyên lý đa miền vật lý (khí động học, cơ học truyền lực, nhiệt động học và điều khiển), xây dựng các khối chức năng toán học tương đương cho từng cụm chi tiết.
• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thực nghiệm tham chiếu từ các tài liệu nghiên cứu chuyên ngành động cơ đốt trong, thông số kết cấu và vận hành của động cơ xăng 8NR-FTS, cùng dữ liệu vận tốc và tải trọng theo chu trình thử nghiệm tiêu chuẩn NEDC.

Kế hoạch thực hiện đề tài gồm 6 bước tuần tự:

1. Nhận biết và phân tích đề tài.
2. Xây dựng ý tưởng giải quyết vấn đề.
3. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của vấn đề.
4. Tiến hành thiết lập mô hình và mô phỏng.
5. Thảo luận và sửa đổi mô hình.
6. Ghi chép dữ liệu và hoàn thiện báo cáo.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Phần mở đầu

Chương này trình bày tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh ngành ô tô phát triển theo hướng tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm. Nhóm tác giả xác định rõ mục tiêu, mục đích, giới hạn nghiên cứu tập trung vào mô phỏng trên Simcenter Amesim, thiết lập phương pháp luận và lập kế hoạch thực hiện 6 giai đoạn nhằm giải quyết bài toán nghiên cứu.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp nền tảng lý thuyết toàn diện về động cơ đốt trong (ICE). Nội dung phân tích cấu tạo và chức năng của các bộ phận cơ bản:

• Thân động cơ: Được đúc bằng gang xám hoặc hợp kim nhôm, làm khung đỡ cho toàn bộ các chi tiết.
• Xylanh: Bố trí theo cấu hình I, V, VR, W; sử dụng ống xylanh khô hoặc ướt; bề mặt trong được mài rãnh chéo song song nhằm duy trì màng dầu bôi trơn.
• Trục khuỷu, thanh truyền (tay biên), piston: Biến đổi chuyển động tịnh tiến thành chuyển động quay; vật liệu chịu lực cao; bố trí séc-măng khí và séc-măng dầu để bao kín buồng cháy.
• Nắp máy (nắp quy lát) và cơ cấu phối khí trục cam trên đỉnh (OHC): Chứa các xupap nạp, xupap xả, vòi phun, bugi đánh lửa và các đường dẫn nước/dầu làm mát.

Nguyên lý làm việc 4 kỳ (nạp, nén, nổ, xả) được khảo sát trên đồ thị P-V của chu trình lý tưởng. Về các biện pháp tăng công suất động cơ:

• Tăng tốc độ $n$: Tăng số chu trình sinh công nhưng bị giới hạn trong khoảng 11.000 - 12.000 vòng/phút (vùng làm việc tối ưu từ 5.000 đến 7.000 vòng/phút) do làm tăng ma sát nhóm piston - xylanh, tăng mài mòn, rung động và lực quán tính.
• Giảm số kỳ $\tau$: Động cơ 2 kỳ trên lý thuyết có công suất gấp 2 lần động cơ 4 kỳ, nhưng thực tế chỉ đạt 1,6 - 1,8 lần (lớn hơn 50 - 70%) do tổn hao hành trình cho việc trao đổi khí, hệ số dư lượng không khí lớn và quét buồng cháy chưa sạch.
• Tăng số xylanh $i$: Nâng cao công suất và cân bằng động cơ (như W16 trên Bugatti, V12 trên Ferrari, Lamborghini, Rolls-Royce), song làm tăng số lượng chi tiết lên hàng vạn, giảm độ cứng vững của hệ trục khuỷu và gây tốn kém chi phí chế tạo, bảo dưỡng.
• Tăng thể tích công tác $V_h$: Làm tăng kích thước, trọng lượng toàn bộ động cơ và khoang xe.
• Tăng áp cho động cơ: Nâng cao mật độ không khí nạp, đưa áp suất có ích trung bình $p_e$ của động cơ diesel từ mức 0,7 - 0,9 MPa lên 1,0 - 1,2 MPa, là giải pháp hữu hiệu nhất mà không làm tăng thể tích công tác.

Chương 3: Tổng quan về hệ thống tăng áp

Chương 3 trình bày các khía cạnh kỹ thuật của hệ thống nạp cưỡng bức:

• Phân tích đồ thị P-V cho thấy áp suất trong buồng đốt của động cơ tăng áp luôn duy trì cao hơn áp suất khí quyển ở tất cả các kỳ nạp, nén, cháy và xả, giúp nâng cao áp suất đỉnh, kéo dài thời gian sinh công và quét sạch khí sót nhờ tăng góc trùng điệp của xupap.
• Tăng áp cho động cơ Diesel: Rất phổ biến do không bị giới hạn bởi hiện tượng kích nổ, giúp cải thiện chất lượng phun và cháy.
• Tăng áp cho động cơ xăng: Phức tạp hơn do các trở ngại:
  • Hiện tượng kích nổ: Quá trình tự bốc cháy cục bộ của hòa khí trước khi màng lửa quét tới, sinh ra sóng xung kích làm rung giật, phá hủy màng dầu bôi trơn, kẹt piston, bó séc-măng và giảm công suất (đồ thị giãn nở xuất hiện hình răng cưa). Biện pháp khắc phục gồm giảm tỷ số nén, tối ưu hóa buồng cháy, dùng xăng có chỉ số octan cao, hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm và làm mát trung gian.
  • Tải trọng nhiệt: Nhiệt độ khí xả động cơ xăng rất cao, đòi hỏi cánh tuabin và vỏ tuabin phải chế tạo từ vật liệu chịu nhiệt đặc thù như gốm hoặc hợp kim đặc biệt.
  • Vị trí bướm tiết lưu: Khi bố trí sau máy nén, nếu đóng bướm ga đột ngột dễ làm máy nén rơi vào vùng bơm (surge), cần trang bị van tuần hoàn khí nạp.
• Các phương pháp tăng áp:
  • Tăng áp cơ khí (Supercharger): Máy nén được dẫn động trực tiếp từ trục khuỷu thông qua dây đai hoặc bánh răng (như trên mẫu xe Mercedes-AMG SLS). Ưu điểm là phản ứng tức thì không có độ trễ, nhưng tiêu tốn công suất dẫn động từ trục khuỷu làm giảm tính kinh tế nhiên liệu.
  • Tăng áp bằng tuabin khí thải: Tận dụng động năng khí xả để quay tuabin và kéo máy nén đồng trục. Ứng dụng trên 70 - 80% các loại động cơ diesel công suất từ 35 kW đến 3500 kW, giúp giảm suất tiêu hao nhiên liệu từ 3% đến 10%. Hiệu suất được phân cấp theo dải áp suất: dưới 150 kPa (hiệu suất thấp), từ 150 - 300 kPa (cân bằng nhờ lưu lượng cấp khí quét buồng cháy), từ 300 - 450 kPa (dư công suất, có thể truyền ngược về trục khuỷu qua khớp nối thủy lực). Nhược điểm chính là độ trễ tuabin (turbo lag) khi khởi động hoặc chạy ở tải thấp.
  • Tăng áp hỗn hợp: Kết hợp giữa máy nén dẫn động cơ khí và tuabin khí xả theo các phương án nối tiếp thuận, nối tiếp ngược hoặc song song.
  • Tăng áp nhờ dao động sóng áp suất và các giải pháp giảm trễ: Bộ tăng áp biến thiên góc mở cánh nạp VGT, cụm tăng áp Bi-Turbo (như trên Ford Everest 2.0 Diesel), và Twin-Turbo (như Mercedes S63 AMG V8, Nissan GTR35 Nismo V6).
• Vấn đề làm mát khí nạp: Sử dụng bộ làm mát trung gian (Intercooler) để hạ nhiệt độ khí nạp sau khi nén ($\Delta T$), nâng cao khối lượng riêng của không khí nạp vào buồng đốt.

Chương 4: Tổng quan về Turbo tăng áp điện

Chương này đi sâu vào giải pháp kỹ thuật của Turbo tăng áp điện (eTB):

• Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: Tích hợp một động cơ điện (thường là động cơ điện một chiều hoặc xoay chiều tốc độ cao) vào trục liên kết giữa tuabin khí xả và máy nén, hoặc dẫn động độc lập máy nén khí bằng động cơ điện. Khi động cơ ở dải vòng tua thấp hoặc khi người lái đạp ga đột ngột, khí xả chưa đủ động năng thì động cơ điện lập tức kích hoạt quay bánh nén, cung cấp áp suất nạp tức thời và triệt tiêu độ trễ tăng áp.
• Phân loại cấu hình tăng áp điện:
  • Bộ tăng áp tách điện (EST - Electrically Split Turbocharger): Máy nén và tuabin được tách rời về mặt cơ khí; tuabin dẫn động máy phát điện để nạp vào hệ thống pin/ắc quy, sau đó cung cấp điện cho động cơ điện độc lập kéo máy nén.
  • Bộ tăng áp hỗ trợ điện (EAT - Electrically Assisted Turbocharger): Động cơ điện được bố trí nằm trực tiếp trên trục quay chung nối giữa tuabin và bánh nén.
  • Hệ thống tăng áp kép điện (Electric Biturbo): Kết hợp một máy nén tăng áp dẫn động hoàn toàn bằng điện làm việc song song hoặc nối tiếp với một cụm turbo tăng áp khí xả truyền thống.
• Ứng dụng thực tế: Được ứng dụng trên các mẫu xe hiệu năng cao của Mercedes-AMG, Audi, Porsche. So sánh đồ thị mô-men và công suất tại bánh xe giữa động cơ sử dụng Turbo điện và động cơ dùng VGT trên xe Porsche Boxster S chứng minh khả năng cải thiện rõ rệt mô-men xoắn ở vùng tốc độ vòng tua thấp.
• Phân tích các dạng hư hỏng thường gặp ở cụm tăng áp điện, vấn đề quá nhiệt cuộn dây động cơ điện, các biện pháp bảo dưỡng và phòng ngừa sự cố.

Chương 5: Nghiên cứu và mô phỏng Turbo điện

Chương 5 là nội dung trọng tâm của đồ án, tập trung vào việc thiết kế cấu hình và triển khai mô phỏng hệ thống trên phần mềm Simcenter Amesim:

• Lựa chọn kết cấu hệ thống: Khảo sát các dạng máy nén khí (piston, roto cánh gạt, roto ren vít, hướng trục, ly tâm) và quyết định lựa chọn máy nén khí ly tâm kết hợp động cơ điện DC một chiều để thiết lập mô hình.
• Ứng dụng phần mềm Simcenter Amesim: Sử dụng nền tảng mô phỏng đa miền để thiết lập mô hình toán học tương tác giữa hệ thống nạp khí, trao đổi nhiệt, cơ khí động cơ và điều khiển.
• Sơ đồ mô phỏng chi tiết gồm các khối chức năng và định nghĩa các cổng kết nối (Port):
  • Khối máy nén Turbo tăng áp điện (xác định đường kính tương đương của ống dẫn và hành trình dịch chuyển của dòng khí).
  • Khối trao đổi nhiệt trung gian (Intercooler) và trao đổi nhiệt trên đường ống nạp.
  • Cụm hệ thống động cơ giá trị trung bình (Mean Value Engine Model): Lấy theo thông số kích thước, tỷ số nén và đặc tính của động cơ xăng 8NR-FTS.
  • Khối tổn thất ma sát cơ giới trong động cơ.
  • Khối mô phỏng tài xế ảo (Virtual Driver).
  • Khối mô phỏng phương tiện (Vehicle Dynamics).
  • Khối mô phỏng hệ thống truyền lực: Gồm ly hợp và hộp số.
  • Hệ thống xả và khối tuabin khí.
  • Bộ điều khiển đầu ra và bộ điều khiển vận hành của Turbo tăng áp điện.
• Kết quả và đánh giá mô phỏng:
  • Trên chu trình tự thiết kế: Khảo sát diễn biến hành trình bàn đạp ga, các mốc thời điểm chuyển số, đáp ứng tốc độ xe và mô-men động cơ. Kết quả đối sánh đồ thị áp suất đường ống nạp khi có và không có eTB cho thấy khi có eTB, áp suất nạp tăng nhanh ngay từ giai đoạn bắt đầu tăng tốc, tỷ số áp suất thực tế đạt giá trị yêu cầu mà không bị trễ.
  • Trên chu trình chuẩn NEDC: Đánh giá chi tiết sự phối hợp giữa tín hiệu hoạt động, tốc độ vòng quay eTB và áp suất đường ống nạp tại các mốc thời gian chuyển trạng thái: giây thứ 10, 55, 135, 200 - 250, 330, 590 - 640, 720, 818 - 843 và 983 - 1126. Tốc độ quay của Turbo điện phản ứng linh hoạt theo độ mở bàn đạp ga, loại bỏ triệt để hiện tượng hụt mô-men trong chu trình đô thị và ngoại ô.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển đề tài

Chương cuối tóm tắt các kết quả đạt được từ việc nghiên cứu lý thuyết hệ thống tăng áp đến việc thiết lập và chạy thành công mô hình mô phỏng trên Simcenter Amesim, đồng thời định hướng các bước nghiên cứu tiếp theo để hoàn thiện hệ thống.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã tổng hợp và trích xuất các dữ liệu kỹ thuật then chốt từ lý thuyết động cơ và hệ thống tăng áp:

Thông số / Tiêu chí	Động cơ không tăng áp	Động cơ tăng áp tuabin khí	Động cơ tăng áp hỗ trợ điện (eTB)
Áp suất có ích trung bình ($p_e$) động cơ Diesel	0,7 - 0,9 MPa	1,0 - 1,2 MPa	Duy trì áp suất cao ngay từ tốc độ vòng tua thấp
Suất tiêu hao nhiên liệu	Tiêu chuẩn	Giảm 3% - 10% so với tăng áp cơ khí	Cải thiện hiệu suất nhiệt nhờ tối ưu hóa nạp khí ở mọi chế độ tải
Hiện tượng trễ tuabin (Turbo lag)	Không có (hút khí tự nhiên)	Xuất hiện rõ ở vùng tải thấp và khi tăng tốc đột ngột	Triệt tiêu hoàn toàn nhờ động cơ điện trợ lực
Phạm vi công suất áp dụng phổ biến	Các dòng xe phổ thông	70% - 80% động cơ Diesel dải 35 kW - 3500 kW	Xe du lịch cao cấp, xe thể thao (Mercedes-AMG, Audi, Porsche)
Dải áp suất tăng áp làm việc	Áp suất khí quyển	150 - 300 kPa (cân bằng công suất); 300 - 450 kPa (dư công suất)	Tự động điều chỉnh linh hoạt theo thuật toán điều khiển

Hệ thống mô phỏng trên phần mềm Simcenter Amesim đã mô hình hóa thành công cụm động cơ tham chiếu 8NR-FTS kết hợp eTB với đầy đủ các phân hệ nạp, xả, làm mát trung gian, điều khiển điện tử và động lực học đoàn xe. Kết quả chạy mô phỏng trên chu trình NEDC tại 9 mốc thời gian đặc trưng chứng minh Turbo điện vận hành chính xác theo tín hiệu điều khiển bàn đạp ga, tạo ra tỷ số áp suất tức thời và duy trì áp suất đường nạp ổn định.

Về giải pháp và kiến nghị kỹ thuật, nhóm tác giả đề xuất:

• Ứng dụng cấu hình tăng áp tích hợp động cơ điện DC một chiều tốc độ cao điều khiển theo thuật toán vòng kín nhằm tối ưu hóa lượng khí nạp ở các chế độ chuyển tiếp của động cơ.
• Bố trí két làm mát trung gian (Intercooler) có dung tích và lưu lượng giải nhiệt phù hợp nhằm hạn chế hiện tượng kích nổ và giảm ứng suất nhiệt do khí nạp bị nung nóng trong quá trình nén cao áp.

Về mặt học thuật và thực tiễn đào tạo, đồ án cung cấp một tài liệu hệ thống hóa toàn diện các kiến thức từ động cơ đốt trong truyền thống đến các cấu hình tăng áp tiên tiến, đồng thời thiết lập quy trình xây dựng mô hình mô phỏng 1D hoàn chỉnh, làm tư liệu phục vụ học tập và nghiên cứu chuyên sâu tại Khoa Cơ khí Động lực.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

• Nghiên cứu mới dừng lại ở mức độ tính toán lý thuyết và mô phỏng 1D đa miền vật lý trên phần mềm Simcenter Amesim dựa trên các thông số tham chiếu của động cơ thương mại (8NR-FTS), chưa có điều kiện kiểm chứng thông qua băng thử nghiệm thực tế (Engine Dynamometer) hoặc đo đạc trên xe thật do hạn chế về kinh phí và thiết bị phần cứng.
• Mô hình điều khiển động cơ điện và bộ nén khí mới khảo sát ở mức độ mô phỏng các chế độ lái tiêu chuẩn, chưa xét đến các điều kiện vận hành cực đoan hoặc suy giảm hiệu suất theo thời gian làm việc của ắc quy và cuộn dây điện.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được văn bản đề xuất:

• Tiếp tục hoàn thiện mô hình toán học, tối ưu hóa các thông số kích thước của bánh nén ly tâm và đặc tính công suất của động cơ điện DC trong môi trường Simcenter Amesim.
• Nghiên cứu sâu hơn về thuật toán điều khiển phối hợp giữa năng lượng điện và động năng khí thải nhằm nâng cao hiệu suất thu hồi năng lượng.
• Hướng tới việc tích hợp mô hình mô phỏng vào các hệ thống phần cứng trong vòng lặp (Hardware-in-the-Loop - HIL) hoặc chế tạo mô hình thực nghiệm để đo lường các giá trị phát thải và suất tiêu hao nhiên liệu thực tế.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo phù hợp cho sinh viên, giảng viên và các kỹ sư thuộc ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Nhiệt và Kỹ thuật Điều khiển - Tự động hóa.

Các nội dung có giá trị tham khảo cao bao gồm:

• Phương pháp phân tích nhiệt động học và hệ thống hóa lý thuyết về các biện pháp tăng công suất động cơ đốt trong tại Chương 2.
• Tài liệu tổng hợp chi tiết về hiện tượng kích nổ, tải nhiệt, hiện tượng trễ và các cấu hình tăng áp cơ khí, tuabin khí xả và tăng áp hỗn hợp tại Chương 3.
• Hệ thống phân loại cấu hình Turbo tăng áp điện (EST, EAT, Electric Biturbo) và các lỗi kỹ thuật thường gặp tại Chương 4.
• Quy trình thiết lập mô hình mô phỏng xe hoàn chỉnh trên Simcenter Amesim, bảng thông số cổng kết nối (Port definitions từ Bảng 2 đến Bảng 12), và phương pháp đánh giá kết quả theo chu trình lái chuẩn NEDC tại Chương 5.

Câu hỏi thường gặp

1. Ba cấu hình phân loại chính của Turbo tăng áp điện được phân tích trong đồ án là gì? Đồ án phân loại Turbo tăng áp điện thành 3 cấu hình cơ bản: Bộ tăng áp tách điện (Electrically Split Turbocharger - EST, trong đó máy nén và tuabin tách rời cơ khí, truyền động qua máy phát và motor điện), Bộ tăng áp hỗ trợ điện (Electrically Assisted Turbocharger - EAT, có motor điện lắp trực tiếp trên trục nối tuabin - máy nén), và Tăng áp kép điện (Electric Biturbo, kết hợp máy nén dẫn động điện độc lập với cụm turbo truyền thống).

2. Đồ án sử dụng thông số kỹ thuật của loại động cơ nào để thiết lập khối động cơ giá trị trung bình trong mô phỏng Amesim? Trong mô hình mô phỏng Simcenter Amesim (Chương 5, Bảng 6), nhóm tác giả đã sử dụng dữ liệu thông số kỹ thuật của động cơ xăng tăng áp thương mại 8NR-FTS để cấu hình cho khối động cơ giá trị trung bình (Mean Value Engine Model).

3. Theo cơ sở lý thuyết trong đồ án, tăng áp tuabin khí xả giúp cải thiện suất tiêu hao nhiên liệu bao nhiêu so với tăng áp cơ khí và thường ứng dụng ở dải công suất nào? Tăng áp tuabin khí xả tận dụng trực tiếp động năng của khí thải mà không làm tiêu hao công suất cơ học từ trục khuỷu, giúp giảm suất tiêu hao nhiên liệu từ 3% đến 10% so với phương pháp tăng áp cơ khí. Hệ thống này được ứng dụng trên 70% đến 80% các loại động cơ Diesel có dải công suất từ 35 kW đến 3500 kW.

4. Tại sao việc ứng dụng tăng áp trên động cơ xăng lại phức tạp hơn so với động cơ diesel? Việc tăng áp trên động cơ xăng gặp nhiều trở ngại hơn do 3 nguyên nhân kỹ thuật chính: nguy cơ xảy ra hiện tượng cháy kích nổ khi nhiệt độ và áp suất nạp tăng cao; nhiệt độ khí xả của động cơ xăng rất lớn gây ra phụ tải nhiệt nghiêm trọng cho vật liệu cánh tuabin; và việc điều chỉnh lượng hòa khí qua bướm tiết lưu dễ làm máy nén rơi vào vùng bơm (surge) khi đóng bướm ga đột ngột.

5. Khả năng triệt tiêu độ trễ tăng áp của mô hình Turbo điện được kiểm chứng trên những chu trình vận hành nào trong phần mềm Simcenter Amesim? Mô hình được thử nghiệm và đánh giá qua hai chu trình vận hành: một chu trình tự thiết kế nhằm khảo sát sự biến thiên áp suất nạp và hành trình bàn đạp ga ở các dải số; và chu trình thử nghiệm tiêu chuẩn châu Âu NEDC (New European Driving Cycle) nhằm đánh giá tốc độ đáp ứng của eTB tại các mốc thời gian tăng tốc điển hình (giây thứ 10, 55, 135, 200 - 250, 330, 590 - 640, 720, 818 - 843, và 983 - 1126).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu và mô phỏng Turbo tăng áp điện" đã hoàn thành mục tiêu hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết về động cơ đốt trong và các công nghệ nạp cưỡng bức, đồng thời phân tích chi tiết cấu tạo, nguyên lý của các cấu hình tăng áp hỗ trợ điện hiện đại. Thông qua việc ứng dụng phần mềm Simcenter Amesim với dữ liệu tham chiếu từ động cơ 8NR-FTS, nhóm tác giả đã xây dựng thành công mô hình động lực học đa miền và kiểm chứng hiệu quả triệt tiêu độ trễ tăng áp trên các chu trình thử nghiệm, đặc biệt là chu trình tiêu chuẩn NEDC. Công trình mang lại giá trị tham khảo học thuật rõ ràng về phương pháp luận mô phỏng kỹ thuật ô tô 1D, đóng góp một tài liệu kỹ thuật có tính trực quan cao phục vụ công tác nghiên cứu và đào tạo chuyên ngành Cơ khí Động lực.

Trích đoạn nội dung tài liệu

PHẦN MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Ngành công nghiệp ô tô không chỉ giữ một vị trí quan trọng trong việc thúc đẩy nền kinh tế quốc dân phát triển thông qua đáp ứng nhu cầu giao thông vận tải, góp phần phát triển sản xuất và kinh doanh thương mại mà còn là một ngành kinh tế mang lại lợi nhuận rất cao nhờ sản xuất ra những sản phẩm có giá trị vượt trội. Sự tiến bộ trong thiết kế, vật liệu và kỹ thuật sản xuất đã góp phần tạo ra những chiếc xe ô tô hiện đại với đầy đủ tiện nghi, tính an toàn cao, vận chuyển hàng hóa với công suất lớn thì cần động cơ cho phù hợp với loại xe cho việc vận chuyển hàng hóa và đi trên các đoạn đường dài. Ngày nay số lượng ô tô lưu thông ngày một tăng cao, các loại ô tô dần được cải tiến theo hướng tăng công suất, tốc độ, giảm suất tiêu hao nhiên liệu, điện tử hóa quá trình điều khiển và hạn chế mức thấp nhất thành phần gây ô nhiễm trong khí xả động cơ.

Ngoài ra nhằm cập nhập những công nghệ mới tính trực quan hóa trong quá trình giảng dạy và thực tập, với mục đích nâng cao chất lượng dạy học và thực hành. Hơn nữa, đề tài còn giúp sinh viên có nhiều kiến thức và tài liệu tham khảo cho việc nghiên cứu học tập và sau là phục vụ cho việc đi làm. Vì vậy, đề tài Nghiên cứu và mô phỏng Turbo tăng áp điện giúp nắm bắt và áp dụng những tiến bộ mới nhất, đóng góp vào sự phát triển của công nghệ ô tô hiện đại. Giới hạn đề tài Nghiên cứu và mô phỏng Turbo điện bằng cách sử dụng phần mềm Simcenter Amesim.

Mục tiêu đề tài - Tìm hiểu rõ lý thuyết về động cơ đốt trong - Tìm hiểu tổng quan về tăng áp động cơ - Tìm hiểu các phương pháp tăng áp, giảm độ trễ tăng áp. - Nghiên cứu và mô phỏng Turbo tăng áp điện. Mục đích đề tài Nắm rõ được kiến thức về động cơ đốt trong, lý thuyết tăng áp, các phương pháp tăng áp, các phương pháp giảm độ trễ khi tăng áp, kết cấu cũng như nguyên lý làm việc. Thực hiện Nghiên cứu và mô phỏng được Turbo tăng áp điện điện bằng cách sử dụng phần mềm Simcenters Amesim.

Từ đó rút ra được những lợi thế mà Turbo điện mang đến trong nhiệm vụ tăng công suất động cơ. Phương pháp nghiên cứu Tiến hành thu thập tài liệu nghiên cứu về động cơ đốt trong, các hệ thống tăng áp, tài liệu nghiên cứu về Turbo tăng áp điện, các hư hỏng thường gặp và cách khắc phục. Tìm hiểu các phần mềm mô phỏng, nghiên cứu cách sử dụng, ý nghĩa các thành phần của chương trình mô phỏng. Tiến hành mô phỏng hệ thống Turbo tăng áp điện.

Kế hoạch thực hiện Nhận biết và phân tích đề tài Ý tưởng giải quyết vấn đề Cơ sở lý thuyết của vấn đề Tiến hành mô phỏng Thảo luận và sửa đổi Ghi chép và báo cáo 3 CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Tổng quan về động cơ đốt trong 2. Giới thiệu về động cơ đốt trong Động cơ đốt trong (ICE - internal combustion engine) là một loại động cơ nhiệt, trong đó quá trình đốt cháy nhiên liệu xảy ra liên tục với chất oxy hóa (thường là không khí) trong buồng đốt, vốn là một bộ phận quan trọng của chu trình của chất lỏng làm việc. Trong động cơ đốt trong, sự giãn nở của khí ở nhiệt độ cao và áp suất cao do quá trình đốt cháy tác dụng lực trực tiếp lên một số thành phần của động cơ như piston, cánh tua bin, cánh quạt hoặc vòi phun.

Lực này giúp vật thể di chuyển một quãng đường nhất định, biến năng lượng hóa học thành công hữu ích. Thông thường, động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu hóa thạch như khí tự nhiên hoặc các sản phẩm dầu mỏ như xăng, dầu diesel hoặc dầu nhiên liệu. Những loại nhiên liệu tái tạo ngày càng được sử dụng rộng rãi như diesel sinh học cho động cơ kích nổ nén (động cơ diesel) và biothetanol hoặc metanol cho động cơ kích nổ tia lửa (động cơ xăng). Hydro đôi khi được sử dụng và có thể được lấy từ nhiên liệu hóa thạch hoặc năng lượng tái tạo.

Cấu tạo động cơ đốt trong 2. Thân động cơ Một trong các bộ phận chính của động cơ đốt trong là thân động cơ (hay còn gọi là thân máy). Thân động cơ có nhiệm vụ chứa và lắp ráp tất cả các chi tiết bộ phận trong động cơ. Thân động cơ thường được đúc từ gang xám, nhờ vào khả năng chịu mài mòn và giá thành không quá cao của vật liệu này.

Ngày nay thân động cơ còn được đúc bằng hợp kim nhôm.1: Cấu tạo thân động cơ đốt trong [2] 2. Xylanh Xylanh được lắp đặt trong thân động cơ. Xylanh cùng với nắp xylanh (nắp máy) và đỉnh piston tạo thành buồng đốt và thể tích làm việc của động cơ. Đối với động cơ nhiều xylanh, những xylanh được sắp xếp thành một hàng (động cơ xylanh thẳng hàng) hoặc hai hàng (động cơ Boxer hoặc chữ V), một số động cơ hiện đại có bố trí xylanh thành ba hàng (động cơ chữ W).

Mặt trong xylanh được mài rãnh chéo song song giúp giữ dầu nhờn và tạo bề mặt trượt tốt hơn. Bề mặt xylanh quá thô nhám sẽ mau chóng làm mòn piston và gây hư hỏng động cơ. Xylanh thường được đúc nguyên khối vào thân máy nhưng ở động cơ lớn hoặc xe tải thường sử dụng ống xylanh rời, có thể thay thế khi bị mòn. Ống xylanh được chia làm 2 loại khô và ướt tùy vào thiết kế óng xylanh có tiếp xúc trực tiếp với nước làm mát hay không.2: Cấu tạo Xylanh trong động cơ xăng bốn kỳ 1) Trục cam xả; 2) Áo nước làm mát; 3) Trục cam hút; 4) Van (Xupap) xả và nạp; 5) Piston; 6) Thanh truyền; 7) Trục khuỷu; 8) Buggi.

Trục khuỷu Trục khuỷu đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi sự chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay. Trục khuỷu là một khối thép được rèn theo định dạng với tất cả các bề mặt đều là mặt nhẵn. Các cổ trục và cổ khuỷu đều được đánh bóng và tôi cứng.3: Cấu tạo trục khuỷu [2] 1) Bánh răng trục khuỷu; 2) Cổ khuỷu; 3) Đối trọng; 4) Cổ trục. Thanh truyền (tay biên) Thanh truyền hai dãy xylanh đều giống nhau và đều được rèn, làm nhẵn các bề mặt.

Thanh truyền của hai xylanh đối diện nhau được lắp liên tiếp trên trục khuỷu. Bạc lót thanh truyền có thể thay được và được định vị bởi chốt định vị. Bạc được bôi trơn bằng dầu bôi trơn động cơ có áp lực được dẫn từ các lỗ khoan trên trục khuỷu. Bạc đầu nhỏ thanh truyền được ép vào đầu nhỏ thanh truyền.

Nắp đầu to thanh truyền và thân thanh truyền được liên kết bằng bulong chịu lực gọi là bulong thanh truyền.4: Cấu tạo thanh truyền (tay biên) [2] 1) Thanh truyền; 2) Thân thanh truyền; 3) Nắp đầu to thanh truyền; 4) Bulong thanh truyền; 5) Bạc đầu nhỏ thanh truyền; 6) Chốt định vị; 7) Bạc đầu to thanh truyền. Piston Piston tiếp nhận lực sinh ra do quá trình cháy nổ và truyền tới thanh truyền thông qua chốt piston. Do phải tiếp xúc trực tiếp với nguồn nhiệt cháy nên piston được làm mát bằng dầu động cơ. Piston có cấu tạo gồm hai thành phần chính là đỉnh và thân piston.

Thân piston được chế tạo từ hợp kim nhẹ và có lỗ chốt piston. Giữa thân và đỉnh piston có các cặp séc măng dầu. Trên thân piston có các lỗ khoan và đường dầu bên trong giúp dẫn dầu đến đỉnh piston để làm mát đỉnh. Đỉnh piston được chế tạo từ thép và được lắp ghép vào 7 thân piston bằng những bulong chịu lực.

Trên đầu piston có 2 rãnh để lắp séc măng khí làm kín khoang buồng cháy.5: Cấu tạo piston [2] 1) Thân Piston; 2) Đỉnh Piston; 3) Bulong chịu lực; 4) Đai ốc sau cạnh; 5;6) Séc măng khí; 7) Séc măng dầu; 8) Chốt Piston; 9) Vòng đệm; 10) Vòng chặn; 11) Chốt định vị; 12) Ống lót chốt định vị. Nắp máy (Nắp quy lát) Động cơ có mặt quy lát đơn lẻ riêng biệt được đúc từ một loại vật liệu gang đặt biệt. Mặt quy lát được bắt chặt với khối động cơ bằng bulong và đai ốc chịu lực và đậy phía trên khoang xylanh. Giữa khối động cơ và nắp máy có một gioăng làm kín bề mặt lắp ghép.

Đây còn là giá đỡ để lắp ráp các chi tiết của xupap như ống dẫn hướng xupap, xupap nạp và xupap xả. Trục cam và lò xo xupap là những chi tiết điều khiển quá trình đóng mở của 8 các xupap. Có nhiều cơ cấu điều khiển trục cam, trong đó, cơ cấu phân phối khí trục cam trên đỉnh (OHC) là loại thường gặp nhất trong động cơ tốc độ vòng tua cao. Nắp xy lanh còn là nơi lắp bugi đánh lửa, một bộ phận không thể thiếu trong động cơ.

Hầu hết những động cơ đánh lửa sử dụng một bugi trên mỗi xylanh, tuy nhiên vẫn có động cơ có thể sử dụng 2 bugi cho một xylanh. Cổ hút và cổ xả động cơ cũng được lắp đặt trên nắp máy. Cổ hút hay còn gọi là cụm ống hút được nối trực tiếp với bộ lọc gió hoặc nối gián tiếp thông qua bộ chế hòa khí. Cổ hút có vai trò phân phối khí đến các xylanh.

Cổ xả có vai trò thải khí cháy từ xylanh. Hệ thống xả của động cơ đốt trong có thể có thêm bộ lọc khí xúc tác có chức năng là một thiết bị kiểm soát khí thải. Nó chuyển những khí độc và chất ô nhiễm trong khói thải thành những chất thải ít độc hơn. Ở cổ xả còn có ống giảm thanh và cuối cùng trong hệ thống ống xả là ống bô.6: Cấu tạo nắp máy (nắp quy láp) [2] 1) Ron xupap; 2) Ống lót vòi phun; 3) Bulong áp lực; 4) Vòi phun; 5) Ron vòi phun; 6) Đĩa lò xo; 7) Chốt giữ xupap; 8) Lò xo lớn xupap; 9) Lò xo nhỏ xupap; 10) Bộ phận làm xoay xupap; 11) Đế xupap xả; 12) Xupap xả; 13) Ống lót dẫn hướng xupap; 14) Ống bảo vệ vòi phun; 15) Xupap nạp; 16) Đế xupap nạp; a) Nước làm mát động cơ; b) Dầu động cơ; c) Khí xả; d) Khí nạp.

Nguyên lí hoạt động của động cơ đốt trong Hỗn hợp không khí và nhiên liệu (thường được gọi là hòa khí) được đốt trong xylanh của động cơ đốt trong. Khi đốt cháy nhiệt độ tăng làm cho khí đốt giãn nở tạo nên áp suất tác dụng lên một piston đẩy piston này di chuyển đi. Có nhiều loại động cơ đốt trong khác nhau, một phần sử dụng các chu kì tuần hoàn khác nhau.