ĐẠI HỌC TRẦN ĐẠI NGHĨA KHOA Ô TÔ BÀI TIỂU LUẬN Đề tài Hệ thống phân phối khí trên hãng BMW (Vanos, Valvetronic) Giáo Viên Hướng Dẫn ThS Võ Anh Tuấn Sinh Viên Thực Hiện Nguyễn Tiến Dũng Nguyễn Th.
Trang 1ĐẠI HỌC TRẦN ĐẠI NGHĨA KHOA Ô TÔ
-
-BÀI TIỂU LUẬN
Đề tài: Hệ thống phân phối khí trên hãng BMW
(Vanos, Valvetronic)
Giáo Viên Hướng Dẫn : ThS Võ Anh Tuấn
Sinh Viên Thực Hiện : Nguyễn Tiến Dũng
Nguyễn Thanh Long Hoàng Minh Phương Nguyễn Phước Hiếu
Trần Tấn Đạt Lớp :18DDS08021
TP.HCM, ngày 09 tháng 10 năm 2020
Trang 2Mục lục
Phần I: Tổng quan về hệ thống phân phối khí của động cơ BMW……… 1
1 Mục đích, yêu cầu, phân loại hệ thống phân phối khí trên động cơ BMW……….1
2 Hệ thống phân phối khí trong động cơ BMW……….1
3 Các chi tiết, cụm chi tiết chính trong cơ cấu phân phối khí động cơ BMW………1
Phần II: Hệ Thống VANOS 5
1 Lý do sử dụng hệ thống VANOS ………5
2 Cấu tạo hệ thống VANOS …….6
3 Nguyên lý hoạt động hệ thống VANOS … 8
4 Ưu-Nhược điểm của hệ thống VANOS so với các hệ thống khác …….10
5 Lịch sử cải tiến hệ thống VANOS…… 11
Phần III: Hệ Thống VALVETRONIC 13
1 Lý do sử dụng hệ thống VALVETRONIC …….13
2 Cấu tạo hệ thống VALVETRONIC.
…….15
3 Nguyên lý hoạt động hệ thống VALVETRONIC.
…….16
4 Ưu-Nhược điểm của hệ thống VALVETRONIC so với các hệ thống khác……….18
Phần IV Những hư hỏng và phương pháp kiểm tra, sửa chữa các chi tiết trong cơ cấu phân phối khí……….19
Trang 31 Những hư hỏng……….19
2 Các phương pháp kiểm tra, phân loại chi tiết……… 20 Phần V: Ảnh hưởng của hệ thống đến các thông số kỹ thuật sử dụng trên động cơ…… 21
Trang 4LỜI NÓI ĐẦU
Động cơ đốt trong ngày nay đang phát triển rất mạnh mẽ cả về số lượng lẫn chất lượng, nó đóng một vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực kinh tế, xã
hội, khoa học công nghệ Là nguồn động lực cho các phương tiện vận tải như
ôtô, máy kéo, tàu thuỷ, máy bay và các máy động cơ cỡ nhỏ v.v
Đối với một sinh viên kỹ thuật, đồ án môn học đóng một vai trò rất quan
trọng Đồ án môn học được thầy giao cho nhóm em là khảo sát hệ thống phân phối khí trên động cơ BMW Tuy là một đề tài quen thuộc đối với sinh viên nhưng mục đích của đề tài rất thiết thực, nó không những giúp cho nhóm em có điều kiện để chuẩn lại các kiến thức đã học ở trường mà còn có thể hiểu biết kiến thức nhiều hơn khi tiếp xúc với thực tế Hệ thống phân phối khí của động cơ BMW có nhiều đặc điểm mới lạ Do đó việc khảo sát động cơ này thật sự đã đem đến cho nhóm em nhiều điều hay và bổ ích.
Được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của thầy, cùng với việc tìm hiểu, tham khảo các tài liệu liên quan và vận dụng các kiến thức được học,nhóm em đã cố gắng hoàn thành đề tài này Mặc dù vậy, do kiến thức của nhóm em có hạn lại thiếu kinh nghiệm thực tế nên sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Chúng em mong thầy góp ý, chỉ bảo thêm để kiến thức của chúng em ngày càng hoàn thiện hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn và chúc thầy thật nhiều sức khỏe để chắp cách thêm cho ước mơ của những thế hệ sinh viên như chúng em.
Trang 5I Tổng quan về hệ thống phân phối khí của động cơ BMW:
1 Mục đích, yêu cầu, phân loại hệ thống phân phối khí trên động cơ BMW:
a Mục đích:
Thực hiện quá trình thay đổi khí trong buồng cháy động cơ: - Thải sạch khí thải
ra khỏi xilanh và nạp đầy hòa khí vào xilanh động cơ để động cơ làm việc được liên tục
c Phân loại:
Cơ cấu phân phối khí dùng xupáp: - Là loại cơ cấu được sử dụng rộng rãi trong
động cơ 4 kỳ vì nó có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, dễ điều chỉnh và làm việc chính xác,
hiệu quả, mang lại hiệu suất cao
2 Hệ thống phân phối khí trong động cơ BMW:
Trên động cơ BMW việc thải sạch khí thải và nạp đầy môi chất mới được
thực hiện bởi cơ cấu cam – xupáp đặt (vanos) Cơ cấu điều chỉnh độ nâng của xupap nạp
thải (valetronic) để điều chỉnh lượng hòa khí nạp vào và lượng khí thải thải ra
3 Các chi tiết, cụm chi tiết chính trong cơ cấu phân phối khí động cơ BMW:
a Trục cam:
1
Trang 6Nhiệm vụ: -dẫn động và điều khiển việc đóng mở xu páp nạp và thải đúng theo chu
kì hoạt động của động cơ
Trên trục cam có các vấu cam nạp và xả cho mỗi xilanh Thời điểm đóng mởxupáp phụ thuộc vào biên dạng cam Trục cam bao gồm các phần cam thải, cam
nạp và các cổ trục
Hình dạng và vị trí của cam phối khí quyết định bởi thứ tự làm việc, góc phối khí
và số kì của động cơ Cam có thể được chế tạo liền trục hoặc có thể làm rời từng cái rồi lắp trên trục bằng then hoặc đai ốc
b Con đội:
Nhiệm vụ: Là chi tiết trung gian dùng để truyền chuyển động trực tiếp từ trục cam đến xupáp
Điều kiện làm việc: Con đội bị tác động bởi nhiều lực, áp lực khí nén, lực nén
lò xo xupáp và lực quán tính của các chi tiết chuyển động
c Xupáp:
Trang 7
Nhiệm vụ: Cho khí nạp vào buồng đốt và xả khí cháy ra ngoài với thời gian ngắn trong
một chu kì làm việc của piston Xupáp hoạt động được theo chiều thẳng đứng nhờ vào ống dẫn hướng xupáp
Kết cấu: ( 3 Phần)
- Phần nấm: chịu tác dụng của áp suất khí thể và chịu tác dụng của lực quán tính nên
khi làm việc chịu va đập lớn gây biến dạng
- Phần thân: dẫn hướng và tản nhiệt
- Phần đuôi: định vị lò xo khi lắp ráp Để tránh hao mòn thân máy và nắp xilanh người
ta thường ép vào họng đường ống nạp và thải một vòng đế xupáp
d Ống dẫn hướng:
Để dễ sữa chữa và tránh hao mòn cho thân máy hoặc nắp xilanh ở chỗlắp
xupáp, người ta lắp ống dẫn hướng trên các chi tiết máy này Xupáp được lắp vào
ống dẫn hướng theo chế độ lắp lỏng
Ống dẫn hướng thường chế tạo bằng các loại gang hợp kim có tổ chức peclít
Trong một số động cơ cao tốc của hãng còn dùng ống dẫn hướng bằng hợp kim đồng thanh nhôm Loại ống dẫn hướng này dẫn nhiệt rất tốt, khi thiếu dầu bôi trơn cũng
không xảy ra hiện tượng kẹt xupáp
e Lò xo xupáp:
- Nhiệm vụ: Giữ cho xupáp đóng kín sát với đế xupáp không cho
khí nén trong buồng đốt bị lọt ra ngoài
Giữ cho các chi tiết làm việc của xupáp nạp và xả theo sự điều khiển của các vấu cam nhờ lực lò xo trong khi xupáp chuyển động do đó đóng mở xupáp chính xác
theo biên dạng cam
Mỗi xupáp thường dùng hai lò xo lồng vào nhau, một cái ở trong và một cái ởngoài Mỗi lò xo có độ cứng khác nhau Như vậy nó sẽ ngăn cản dao động riêng
2
Trang 8của xupáp khi động cơ hoạt động ở tốc độ cao
Lò xo xupáp thường được dùng là lò xo kín hay lò xo tác động kép Nó
đảm bảo xupáp làm việc tốt ở tốc độ cao
-Vật liệu chế tạo: Do lò xo làm việc trong điều kiện tải trọng động thay đổi rất đột
ngột Vì vậy vật liệu chế tạo lò xo thường dùng là thép C65, C65A…
f Motơ Cam:
Mô tơ Cam: là loại mô tơ điện một chiều có tác dụng xoay trục lệch tâm, được
truyền động qua trục lêch tâm thông qua bộ truyền giảm tốc trục vít bánh vít Trục vítlắp trên mô tơ và bánh vít gắn trên trục lệch tâm
Trang 9Phần II: Hệ Thống VANOS :
1 Lý do sử dụng hệ thống VANOS:
Cơ cấu VANOS dùng cho cả hai trục cam nạp và thải được gọi là DOPPER
VANOS Bánh xích để dẫn động từ trục khuỷu được nối với trục then hoa, dưới tác dụng của áp suất dầu lấy từ hệ thống bôi trơn và có bơm cao áp để nâng lên áp suất
100 bar, trục then hoa có chuyển động dọc trục Bánh răng nghiêng cuả trục then hoa
ăn khớp trong với bánh răng nghiêng dẫn động trục cam Khi trục then hoa dịch
chuyển dọc trục thì trục cam sẽ xoay tương đối một góc 600 tính theo góc quay trục khuỷu so với bánh xích dẫn động trục cam lắp trục khuỷu Động cơ BMW có cam
nạp dịch chuyển 600 và cam xả dịch chuyển 450 ( tính theo góc quay trục khuỷu ) Do trục cam dẫn động từ trục khuỷu qua bánh xích nên ở BMW cả hai trục cam đều xoaytương đối ở vị trí ban đầu theo hướng mở muộn VANOS kết hợp giữa thiết bị điều khiển cơ khí và hệ thống điều khiển bằng thuỷ lực để điều khiển các trục cam và
được quản lý bởi (DME) hệ thống điều khiển động cơ của xe
Hệ thống VANOS làm việc dựa trên nguyên tắc là điều khiển các cơ cấu của hệ
thống, mà việc điều chỉnh đó có thể làm thay đổi vị trí tương đối của trục cam nạp
đối với trục khuỷu VANOS làm tăng khả năng điều chỉnh những trục cam điều
khiển xupap nạp và những trục cam điều khiển xupap xả của động cơ VANOS làm cho việc điều khiển trên trục cam nạp hoat động đáp ứng được mọi tốc độ của động
cơ và mọi vị trí bàn đạp (chân đạp ga) của bộ tăng tốc khi thay đổi Khi giảm thấp tốc
độ của động cơ xuống tới tốc độ quay thấp nhất ổn định (ứng với vạch thấp nhất của đồng hồ đo tốc độ động cơ), VANOS nâng cao chất lượng hoạt động của động cơ ở tốc độ thấp và rất ổn định Ở những tốc độ vừa (trung bình) của động cơ, những
xupap nạp hầu như là được điều khiển để mở sớm hơn, điều đó sẽ làm tăng tốc độ
quay làm tăng khả năng hút khí vào bên trong xylanh, giúp cho việc lưu thông khôngkhí bên trong xylanh được cải thiện đáng kể Do đó làm giảm lượng nhiên liệu bị tiêuhao và làm giảm lượng nhiên liệu bị thoát ra theo cùng khí thải Cuối cùng ở
những tốc độ động cơ cao các xupap nạp lại được điều khiển mở muộn hơn so với
trường hợp trung tốc (góc nạp sớm nhỏ hơn), Khi đó có thể khai thác hết công xuất
của động cơ VANOS làm tăng đáng kể công xuất và mô men xoắn cuả động cơ, và
điều chỉnh việc cung cấp lượng hoà khí cho động cơ ở mức độ tối ưu, và tiết kiệm
nhiên liệu
Hệ thống điều chỉnh kiểu VANOS giúp cho việc điều khiển hệ thống phân phối khí
ở chế độ tối ưu nhất Hệ thống này điều chỉnh cả trục cam nạp và trục cam xả, điều
chỉnh được thời điểm đóng, mở các xupap nạp và xupap xả theo từng chế độ yêu cầucủa động cơ Nhờ việc điều chỉnh hợp lý cơ cấu xupap nạp và xupap xả do đó để tiếtkiệm được lượng nhiên liệu khi động cơ hoạt động ở các chế độ khác nhau và lượng nhiên liệu thất thoát ra ngoài theo khí thải trong quá trình xả của động cơ kết quả là
đã giảm được chi phí nhiên liệu khi vận hành động cơ Làm tăng công suất định mứccủa động cơ do đó hiệu quả kinh tế khi sử dụng động cơ tăng
5
Trang 102 Cấu tạo hệ thống VANOS:
Hệ thống điện điều khiển: Modul điều khiển động cơ chịu trách nhiệm kích
hoạt các van solenoid VANOS dựa vào biểu đồ chương trình lưu trong DME
thông qua các tín hiệu đầu vào :
-Tốc độ động cơ -Tải động cơ
Cấu tạo solenoid
6
Trang 11Hệ thống điều khiển thủy lực: gồm bơm dầu để tạo áp lực tác dụng lên
pittông van solenoid điều khiển trực tiếp dòng dầu tác động vào bộ chấp hành cơ khí của hệ thống VANOS để từ đó thay đổi vị trí trục cam
Hệ thống điều khiển cơ khí:
Đĩa xích trục camBánh răng nghiêng của đĩa xích và trục then hoa
pittông
Các chi tiết hệ thống điều khiển cơ khí
Gồm đĩa xích được dẫn động bởi trục khuỷu động cơ Đĩa xích không gắn cứng với trục cam mà được liên kết với trục cam thông qua then hoa Trục then hoa có thể di
chuyển dọc trục dưới tác dụng của áp suất thủy lực để làm thay đổi vị trí tương đối của trục cam với đĩa xích Góc độ thay đổi phụ thuộc vào hướng nghiêng ban đầu của trục then hoa và bánh
7
Trang 12răng đĩa xích Bộ chấp hành cơ khí của tất cả các hệ thống VANOS hoạt động dưới một nguyên lý giống nhau.
3 Nguyên lý hoạt động hệ thống VANOS:
-Đĩa xích A được dẫn dộng bởi trục khuỷu giữa tâm có răng nghiêng ăn khớp với trục B
-Trục B được kết nối với pittông Khi áp lực thủy lực tác dụng lên pittông sẽ
làm trục này di chuyển dọc trục
-Trục C là trục cam
A
Cấu tạo cơ cấu Vanos
-Làm trễ thời điểm phối khí: Vanos được mặc định ở vị trí làm trễ thời điểm
phối khí, lúc này dòng dầu tác dụng trực tiếp lên mặt sau của pittông (mặt gần trục cam) làm kéo trục này sang trái Khi trục B di chuyển dọc trục sang trái sẽ làm thay đổi góc phối khí theo hướng làm trễ thời điểm phối khí
A
Trang 13Làm trễ thời điểm phối khí
Làm sớm thời điểm phối khí : khi dòng dầu tác dụng trực tiếp lên mặt trước
của pittông làm trục B kéo sang phải Khi trục B di chuyển dọc trục sang phải sẽ làm thay đổi góc phối khí theo hướng làm sớm thời điểm phối khí
A
B
C
Làm sớm thời điểm phối khí
-Giữ nguyên thời điểm phối khí: khi đã đạt được thời điểm phối khí tối ưu, DME giữ
nguyên tỉ lệ hiệu dụng của xung điều khiển để duy trì vị trí trục cam hợp lý
Giá trị của độ rộng xung (thời gian on, duty cycle) do DME gửi tới solenoid sẽ điều khiển
áp lực dầu tác dụng lên pittông để làm trễ, sớm hay giữ nguyên thời điểm phối khí
9
Trang 144 Ưu-Nhược điểm của hệ thống VANOS so với các hệ thống khác:
*Ưu Điểm:
-Tăng mômen xoắn ở tốc độ thấp và tốc độ trung bình mà không ảnh hưởng nhiều tớiphạm vi công suất động cơ
-Tăng tính tiết kiệm nhiên liệu do tối ưu hóa góc phối khí
- Giảm ô nhiễm khí thải do tối ưu hóa góc trùng điệp của xupap Chế độ
cầm chừng ổn định
Hệ thống điều chỉnh kiểu Double_VANOS giúp cho việc điều khiển hệ thống
phân phối khí ở chế độ tối ưu nhất Hệ thống này điều chỉnh cả trục cam nạp và trục
cam xả, điều chỉnh được thời điểm đóng, mở các xupap nạp và xả theo từng chế độ
yêu cầu của động cơ Nhờ việc điều chỉnh hợp lý của xupap nạp và xupap xả do đó sẽ tiết kiệm được lượng nhiên liệu khi động cơ hoạt động ở các chế độ khác nhau và
lượng nhiên liệu thất thoát ra ngoài theo khí thải trong quá trình xả của động cơ kết
quả là làm giảm được chi phí nhiên liệu khi vận hành động cơ Làm tăng công suất
định mức của động cơ do đó hiệu quả kinh tế khi sử dụng động cơ tăng
Việc sử dụng các bộ phận thay đổi thời điểm và quy luật nâng của xupap, làm cho
cơ cấu phối khí hiện đại luôn hoạt động ở điều kiện tối ưu Điều đó đã làm cho động
cơ sử dụng cơ cấu phối khí hiện đại có suất tiêu hao nhiên liệu thấp, việc gia tốc thay đổi từ tốc độ thấp sang tốc độ cao xảy ra nhanh chóng, ít gâyô nhiễm và đạt công suất cao Xe có sử dụng cơ cấu phân phối khí hiện đại sẽ chạy êm dịu trong thành phố cũng như trên quốc lộ, dễ dàng chuyển từ tốc độ thấp sang tốc độ cao
10
Trang 155 Lịch sử cải tiến hệ thống VANOS:
Hệ thống VANOS trang bị trên động cơ BMW là công nghệ làm thay đổi thời điểm mở
xupap hoạt động dựa trên nguyên lý làm thay đổi vị trí tương đối của trục cam với trục
khuỷu động cơ Hệ thống này có thể xoay tương đối trục cam 400 so với góc quay trục
khuỷu và điều chỉnh liên tục để tối ưu hóa vị trí trục cam cho tất cả các điều kiện hoạt độngcủa động cơ Không giống như các hệ thống thay đổi thời điểm mở xupap của các hãng
khác VANOS có cấu tạo khác hẳn là sự kết hợp giữa việc điều khiển bằng cơ khí và thủy lực và được quản lý bởi DME (hệ thống điều khiển động cơ của xe)
Single VANOS: được giới thiệu vào năm 1992 trên động cơ BMW M50 Single
VANOS điều chỉnh vị trí của trục cam nạp so với trục khuỷu dựa vào tốc độ động cơ
và vị trí bàn đạp ga Ở tốc độ thấp xupap nạp được mở trễ lại để
11
Trang 16chế độ cầm chừng ổn định Khi tốc độ trung bình xupap nạp được mở sớm hơn để tănggóc trùng điệp tạo hiệu ứng EGR tăng tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải ô nhiễm
Khi tốc độ động cơ cao xupap nạp lại được mở trễ lại để công suất động cơ phát ra tối đa
Double VANOS: được sử dụng đầu tiên trên động cơ S50B32 vào năm 1996 sau
đó là động cơ 6 xylanh M52TU điều chỉnh vị trí của cả trục cam nạp và trục cam xả so với trục khuỷu Trục cam nạp có thể thay đổi 400 và trục cam xả có thể thay đổi 250
Sự kết hợp hài hòa của hai trục cam làm tối ưu hóa hệ thống Double VANOS kéo dài thời gian mở của xupap hơn 120 và tăng độ nâng xupap thêm 0,9mm nhưng hệ thống
yêu cầu áp suất thủy lực lớn để việc điều chỉnh nhanh và chính xác
*Nhược điểm:
Hệ thống Vanos mới chỉ thay đổi được thời điểm phối khí mà chưa tác động sâu
được vào độ nâng xupap Do đó BMW tiếp tục phát minh ra hệ thống Valvetronic và
xuất hiện lần đầu trên mẫu xe BMW 316ti 4 xylanh nhỏ gọn vào tháng 6 năm 2001 và hiện nay được sử dụng rộng rãi trên các mẫu BMW 3-series Động cơ ứng dụng công nghệ Valvetronic được trang bị hệ thống máy tính quản lý có bộ xử lý 40-megahertz,
32-bit trên xe và là động cơ đầu tiên trên thế giới không cần sử dụng bướm ga.
12