-Nếu thay vì van tiết lưu, động cơ được điều khiển bằng cách điều chỉnh lực nâng và thời gian của các sự kiện van nạp, cơ hội có thể được tận dụng để giảm tổn thất bơm xi lanh và trục ca
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Môn học: Hệ thống điện – điện tử ô tô
ĐỀ TÀI:
Camless Gasoline Engine
Giảng viên HD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng
Sinh viên thực hiện: Hoàng Gia Huy – 20145516
Nguyễn Văn Hậu - 20145498
Mail: 20145498@student.hcmute.edu.vn
Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 20
Trang 2Mục Lục
I.Giới thiệu chung: 2
II.Cấu tạo 5
Van động cơ: 6
Van điện từ: 7
III Phân loại 8
Khái niệm: 8
Hoạt động điện: 9
Hoạt động thủy lực: 9
IV.Nguyên lí hoạt động 11
V Ưu điểm và nhược điểm 13
Ưu điểm 13
Nhược điểm 14
VI Lịch sử cải tiến 14
VII Kết Luận 15
Tài liệu tham khảo 17
Trang 3I.Giới thiệu chung:
-Khi được sử dụng trong các ứng dụng ô tô, động cơ đốt trong hoạt động kém hiệu quả Nhiều động cơ đua chạy xăng có thể đòi hỏi hiệu suất nhiệt lên đến 35% ở tốc
độ và tải cụ thể, nhưng con số 25% - thậm chí thấp nhất là 20% - có thể thực tế hơn trên đường đua Thực tế là việc mở các van nạp và van xả bằng phương pháp cơ học hiếm khi đạt được hiệu suất tối ưu, phần lớn là do các điều kiện nhất thời và việc sử dụng van tiết lưu để kiểm soát hiệu suất của động cơ
-Vì vậy, trong khi hiện nay có nhiều hệ thống trong nhiều động cơ hiện đại để tiến
và lùi cả giai đoạn đầu vào và xả trục cam để cải thiện quá trình đốt cháy, để tối ưu hóa hoàn toàn nó đòi hỏi phải phân phối hoàn toàn với trục cam Chỉ khi mở và đóng các van nạp và van xả, đồng thời điều chỉnh lực nâng và thời gian của chúng cho phù hợp với điều kiện tối ưu trong xi lanh ít nhiều độc lập với việc phân kỳ trục khuỷu, chúng ta mới có thể đạt được hiệu suất nhiệt tốt nhất có thể
-Nếu thay vì van tiết lưu, động cơ được điều khiển bằng cách điều chỉnh lực nâng
và thời gian của các sự kiện van nạp, cơ hội có thể được tận dụng để giảm tổn thất bơm xi lanh và trục cam truyền thống như chúng ta biết có thể bị loại bỏ Bao gồm một tấm tiết lưu trong động cơ bình thường - thuận tiện như vậy - làm tăng lượng công việc tiêu cực lên piston khi piston đang bơm chống lại áp suất đường ống nạp cao hơn và một phần van tiết lưu đóng ở điều kiện bán tải Vì mức tiêu thụ không khí của động cơ và do đó công suất được kiểm soát hiệu quả bằng việc đóng và mở van, giống như trong các bộ đánh lửa nén (diesel), nên rất ít cần phải điều tiết, trừ khi động cơ ở chế độ không tải
-Hơn nữa, hiệu suất chu trình cao đạt được tốt nhất khi quá trình đốt cháy xảy ra sớm trong hành trình giãn nở Việc kiểm soát độc lập lực nâng và thời gian của van nạp có thể tạo ra một lượng lớn hỗn hợp hỗn hợp để hỗ trợ trộn, và tốc độ đốt cháy nhanh được tạo ra sẽ giảm thiểu thất thoát nhiệt qua thành xi lanh Ở tốc độ động cơ thấp hơn, việc trì hoãn việc mở van nạp cũng có thể làm tăng vận tốc nạp, tạo ra sự hòa
Trang 4trộn tốt hơn với các hỗn hợp loãng hơn có thể làm cho động cơ sử dụng linh hoạt hơn, vì chúng sẽ cần ít tỷ số truyền hơn để tăng tốc tối đa
-Hiệu quả chu trình cao hơn cũng có thể được tạo ra bằng cách tăng tỷ lệ mở
rộng Động cơ đốt trong chuyển hóa năng lượng thành công suất từ sự giãn nở của khí thải Sự mở rộng càng lớn thì sản phẩm (và do đó là sức mạnh) được tạo ra càng lớn Hạn chế của các công nghệ hệ thống van thông thường yêu cầu ống xả bắt đầu mở tốt trước khi tâm chết dưới đáy Mặc dù hiệu ứng 'xả đáy' này tốt cho hiệu suất ở tốc độ trung bình và tốc độ cao, ở tốc độ thấp hơn, hiệu ứng này có thể tiêu cực cũng như lãng phí nhiên liệu Việc trì hoãn mở van xả cho đến khi gần tâm chết hơn ở tốc độ động cơ thấp có thể tạo ra sự giãn nở lớn hơn và do đó tác dụng lên piston
-Nếu tất cả những điều trên là không đủ, động cơ không cam chắc chắn có thể cải thiện phản ứng của động cơ - được cho là lợi thế lớn nhất của tất cả Hệ thống quản
lý động cơ điện tử nhiều xi-lanh hiện đại có khả năng thay đổi thời điểm đánh lửa
và nhiên liệu phun vào từng xi-lanh Rất tiếc, mặc dù không thể kiểm soát không khí cần thiết để đốt cháy nhiên liệu đó nhanh như vậy Từ đầu vào trình điều khiển, phải mất thời gian để điều chỉnh góc ga Mất nhiều thời gian hơn trong khi bộ chạy đường ống nạp / nạp đầy đến áp suất yêu cầu, và do đó, phải mất nhiều chu kỳ động
cơ cho đến khi lượng khí nạp tương đương với yêu cầu của người lái Do đó, khả năng phản ứng của nhiên liệu và đánh lửa trên từng xi-lanh hầu như bị mất
-Với động cơ không có cam, nhu cầu di chuyển bướm ga cơ học bị mất phần lớn, và
do đó, sự chậm trễ liên quan đến nó không còn nữa Trên thực tế, không còn yêu cầu phải có lỗ thông hơi, ngoại trừ việc có thể thu thập không khí mát và hướng nó
về phía cửa hút Do đó, bất kể vị trí của tấm tiết lưu được lắp ở đâu, ở chế độ không điều tiết của động cơ không có cam, tất cả những mất mát về thời gian này đều biến mất Do đó, trong quá trình thay đổi nhanh chóng nhu cầu của người lái, phí không khí sẽ thay đổi ngay lập tức cho mỗi chu kỳ động cơ, tận dụng tối đa các phẩm chất của hệ thống quản lý hiện đại và cung cấp cho động cơ phản ứng tốt hơn nữa
-Nó có thể là trục cam như chúng ta truyền thống biết nó đang trên đường ra? Lần tới chúng ta sẽ đi vào các tùy chọn hiện tại cho công nghệ camless.
Trang 5II.Cấu tạo
7: Lò xo nén
-Cấu tạo của hệ thống xupap điều khiển không trục cam gồm nam châm điện
(electromagnet) được đặt phía trên đỉnh xupap, miếng sắt từ đóng vai trò phần ứng được kết nối với đuôi xupap, các lò xo hoàn lực, chén chặn và xupap
-Khi nam châm điện phía trên được kích hoạt sẽ tạo ra một lực từ trường hút miếng sắt phần ứng lên trên cùng làm cho xupap ở vị trí đóng
-Khi từ tính do nam châm điện phía trên bị ngắt, miếng sắt phần ứng kết nối với đuôi xupap sẽ bị kéo xuống bởi lò xò Bộ chấp hành nam châm điện ở phía dưới sẽ duy trì xupap ở vị trí mở
-Tối ưu hóa hỗn hợp nhiên liệu không khí và chuyển động
-Mỗi van động cơ hoạt động độc lập với nhau và độc lập với vị trí piston
Valeo đã trình bày sản phẩm Van thông minh không van (SVA) tại Triển lãm ô tô
Frankfurt năm 2005 Trong một động cơ không có cam, mỗi van động cơ được vận hành riêng lẻ bởi một bộ truyền động được đặt ở bề mặt trên của đầu xi lanh, ngay phía trên các van dẫn hướng Mỗi bộ truyền động được liên kết với Bộ điều khiển van gắn trên động cơ (VCU) để đảm bảo định vị tối ưu của tất cả các van và thực hiện chức năng truyền động
Trang 6-Do đó, hệ thống SVA thay thế đai cam cơ học thông thường, trục cam và cam theo thủy lực
-Bằng cách kiểm soát khí dư, giảm thiểu tổn thất bơm và vô hiệu hóa xi lanh và van, công nghệ này giúp giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và khí thải ô nhiễm tới 20% Người tiêu dùng cũng sẽ được hưởng lợi từ hiệu suất nâng cao và sự thoải mái khi lái xe, do sự gia tăng mô-men xoắn động cơ cấp thấp
-Valeo đang làm việc trên hai hệ thống không cam khác nhau, mỗi hệ thống bao gồm bộ truyền động, Bộ điều khiển van (VCU), đường ray dây và Bộ điều khiển điện tử (ECU) với các chiến lược cụ thể dành cho các khái niệm mới này
Van động cơ:
-Piston van được gắn vào đầu van và cả van và Piston có thể trượt bên trong một cánh tay Các khe hở tay áo ở trên và dưới van Piston cho phép chất lỏng thủy lực đi vào và đi ra ngoài Một con dấu ở phần dưới của cánh tay ngăn không cho chất lỏng thoát vào cổng tiêu thụ hoặc xả
Van điện từ:
Trang 7-Các solen có cực từ hình nón Điều này làm giảm không khí lan truyền tại một lần chụp nhất định Các van thường đóng được cân bằng thủy lực trong quá trình chuyển động của
nó Chỉ có một chút mất cân bằng tồn tại ở nơi chưa được mở hoàn toàn và đến những nơi kín hoàn toàn Một lò xo mạnh là cần thiết để có được clip tắt nhanh và thoát thấp giữa các lần kích hoạt Sự mất năng lượng thủy lực là lớn nhất trong quá trình tắt điện từ cao hoặc thấp trên mỗi đơn vị diện tích vì nó xảy ra trong tốc độ Piston cao nhất Do đó, đóng cửa điện từ càng nhanh, phục hồi năng lượng càng tốt
Trang 8III Phân loại
Khái niệm:
-Động cơ nhanh và không hoạt động lớn ở tốc độ quay cao vì lò xo cơ học không phù hợp để loại bỏ các van nhanh chóng để cung cấp giải phóng mặt bằng cho Piston Kỹ thuật van khí nén của Renault lấy lò xo thép điểm địa hình với trọng lượng nhẹ trong ống thổi khí nén Những thứ này có thể loại bỏ các van nhanh hơn
và làm giảm khả năng can thiệp của van Pít-tông mỗi khi có thể điều chỉnh lực trên một đơn vị diện tích Ngoài ra, tổng độ căng của vị trí cần thiết để duy trì van bung xoắn ốc dưới các hậu quả kiểm soát trong vận đơn nâng cực lớn với sự nhấn mạnh thêm vào tất cả các tàu van Các hệ thống khí nén đang chia sẻ một kho chứa lực chung trên một đơn vị diện tích duy trì mức độ không hoạt động mạnh hơn, chỉ huy van một cách hiệu quả mà không cần bất kỳ lực nâng cực đại nào của phụ tải
Trang 9Hoạt động điện:
-Nam châm điện được sử dụng để tạo khe hở và tắt van và giữ nó ở một nơi mà nó
di chuyển
-Các bộ truyền động cơ điện giống như các bộ truyền động cơ học ngoại trừ việc điều khiển được thay thế bằng một động cơ điện Cử chỉ quay của động cơ được chuyển sang thay thế tuyến tính của bộ truyền động Có quá nhiều thiết kế của bộ truyền động hiện đại và mọi công ty sản xuất chúng để giữ phương pháp độc quyền của họ Các tín đồ là một mô tả tổng quát của một bộ truyền động phụ gia cơ điện thực sự cơ bản
-Phương pháp điều khiển van này thường được tìm thấy trong các thiết kế động cơ không có cam Một người ủng hộ kỹ thuật này là Valeo chỉ ra rằng thiết kế của nó
sẽ được sử dụng trong sản xuất hàng loạt trong năm 2009
Hoạt động thủy lực:
Thiết bị truyền động thủy lực hoặc xi lanh thủy lực thường liên quan đến xi lanh giữ Piston trong đó Hai bên của Piston được điều áp hoặc khử áp suất để thực hiện thay thế phụ gia chính xác có kiểm soát của Piston và uốn cong tất cả các kết nối với Piston Van mở và đóng bị ảnh hưởng bởi các cơ chế van chỉ huy dòng chảy của chất lỏng thủy lực và từ xi lanh thủy lực Việc thay thế phụ gia vật lý chỉ đơn thuần dọc theo trục của Piston và xi lanh Thiết kế này dựa trên các quy tắc của cơ
Trang 10học chất lỏng Minh họa tương tự của một thiết bị truyền động thủy lực vận hành thủ công là một động cơ squat tự động thủy lực Thông thường, thuật ngữ thiết bị truyền động thủy lực trực tiếp, đại diện cho một thiết bị được điều khiển bởi bơm thủy lực
Các phương pháp đã được khám phá để sử dụng các cơ chế thủy lực để di chuyển các van động cơ Một số mục đích để thành công ở vận tốc động cơ thấp nhưng ít người tuyên bố thực hiện kết thúc đó một cách có ý nghĩa với nhu cầu RPM cao hơn
Hệ thống thủy lực có vấn đề từ 2 công việc:
1) Chất lỏng được di chuyển càng nhanh, nó càng có xu hướng di chuyển như chất rắn Một hệ thống thủy lực di chuyển nhanh để ngắt các van ô tô với vận tốc cần thiết trong xe có thể cần lực lớn trên mỗi đơn vị diện tích với tất cả các công việc đương nhiệm, bao gồm cả nhu cầu năng lượng dư thừa của bơm thủy lực Ngay cả khi đạt được vận tốc động cơ cao hơn, chuyển động của van có thể được viết tắt và không hoàn toàn theo mong muốn
2) Nhiệt độ có thể thay đổi theo mùa trong phạm vi rộng Môi trường thủy lực có thể thay đổi độ nhớt khi nhiệt độ thay đổi, điều này có thể làm cho sự khác biệt trong cách trình bày công khai của hệ thống có thể khó điều khiển
Sử dụng lò xo van để giúp hệ thống thủy lực có thể bên cạnh việc vận hành động
cơ đạt được vận tốc cao hơn
Trang 11-Để thực hiện chỗ ngồi van mềm, hệ thống thủy lực phải được kiểm soát cẩn thận Điều khiển này có thể giữ việc sử dụng các máy tính trang bị và máy dò thực sự chính xác
IV.Nguyên lí hoạt động
Trang 12-Để loại bỏ cam, trục cam và các cơ cấu được kết nối khác, động cơ camless đang làm việc với 3 bộ phận cảm biến chính - cảm biến, bộ điều khiển điện tử và bộ truyền động và 5 cảm biến được sử dụng liên quan đến hoạt động của van Các cảm biến nhận biết và gửi thông tin là cảm biến tốc độ trục khuỷu, cảm biến xung kim phun, cảm biến vị trí van cảm biến khí xả và cảm biến hiện tại Cảm biến sẽ gửi tín hiệu đến bộ phận điều khiển và theo tín hiệu ECU sẽ gửi dòng điện để vận hành nâng van Bộ điều khiển điện tử bao gồm một bộ vi xử lý, được cung cấp với một thuật toán phần mềm Bộ vi xử lý trong ECU có khả năng thực hiện quá trình nâng thời gian và tính toán thời gian nâng van theo RPM của động cơ
Trang 131 – Tín hiệu từ cảm biến 4 – Xupap nạp
3 – Nam châm điện trên xupap nạp 6 – Xupap xả
-Hệ thống sử dụng các nam châm điện 3 và 5 để đóng mở xupap 4 và 6 Tín hiệu nhập vào từ các cảm biến 1 thông qua mạch giao tiếp nhập/xuất như vị trí pittong, tốc độ động cơ, tố độ xe, nhiệt độ nước làm mát, áp suất khí nạp…ECU liên tục nhận tín hiệu từ các cảm biến sau đó tính toán thời gian và độ nâng xupap tối ưu để điều khiển bộ chấp hành nam châm điện Sự chính xác của tín hiệu đầu vào là rất quan trọng để động cơ hoạt động hiệu quả
V Ưu điểm và nhược điểm
Ưu điểm
-Giảm 20% lượng nhiên liệu tiêu thu, đồng thời giảm lượng khí thải độc ra môi trường vì máy tính điện tử sẽ điều khiển các xupap đóng mở chính xác, mỗi xupap trong một xilanh có thể đóng mở hoàn toàn độc lập, một điều không thể có trong loại động cơ sử dụng trục cam
Trang 14-Kết cấu đơn giản không còn các bộ phận truyền động, nắp máy được đơn giản hóa, giảm được các bộ phận chuyển động nên lực cản động cơ do ma sát sẽ giảm đáng kể, từ đó công suất, momen xoắn được cải thiện do động cơ sinh công chỉ để làm bánh xe chuyển động, tăng khoảng 20% momen xoắn của động cơ ở tốc độ thấp
Nhược điểm
-Đóng mở van cần nhiều thời gian
-Điện từ hiện tại không thể chạy ở vòng / phút
-Giá thành cao
-Nhu cầu năng lượng tăng
-Chiến lược kiểm soát vận tốc ghế van cần được sửa đổi
VI Lịch sử cải tiến
-Các nhà nghiên cứu trong suốt thập kỷ trước đã đã đề xuất, tạo mẫu và thử nghiệm các phiên bản mới của truyền động van cho bên trong động cơ đốt Thiết kế của họ
đã thực hiện trên nhiều hình thức, từ điện khí hóa (1) đến thủy điện (2), (3) Những thiết kế này dựa trên solenoids điện mở và đóng van khí nén hoặc thủy lực Các chất lỏng được kiểm soát sau đó kích hoạt các van động cơ
-Phần lớn các tài liệu có sẵn liên quan đến việc kiểm soát các solenoids hoặc mô hình máy tính của các hệ thống điều khiển đó (2), (3), (4), (5) và (6) Nghiên cứu việc kiểm soát các solenoids là rất quan trọng vì độ chính xác và phản ứng của chúng là một hạn chế yếu tố để phát triển một thiết bị truyền động van camless đáng tin cậy
-Một dự án toàn diện sử dụng điều khiển điện từ của bộ truyền động khí nén là hoàn thành năm 1991 (1) Nghiên cứu này bao gồm sự phát triển của các bộ truyền động, 16 bitbộ vi xử lý để kiểm soát và thử nghiệm so sánh giữa một chiếc Ford 1.9 lít tiêu chuẩn, đánh lửa, nhiên liệu cổng phun động cơ bốn xi lanh và cùng một
Trang 15động cơ được sửa đổi chocamless dẫn động Thử nghiệm so sánh động cơ chưa sửa đổi với động cơ tương tự,được thay đổi để bao gồm tám bộ truyền động khí nén thay cho trục cam tiêu chuẩn Như Gouldet al bang, công việc của họ không thể được coi là khả thi để thực hiện do caoyêu cầu năng lượng của bộ truyền động -Hơn nữa, mối quan tâm liên quan đến việc thiếu nghiên cứucho các động lực dòng khí trong thiết kế thời gian van biến đổi đã được đưa ra bởi các tác giả.Các động -lực dòng chảy thay đổi có thể đã góp phần vào kết quả thuận lợi không nhất quán -Vì nghiên cứu mới được đề xuất bởi Đại học South Carolina sử dụng lĩnh vực mới nổi của các thiết bị áp điện để thay thế solenoids trong các thiết kế trước đó, một nghiên cứu tài liệu về áp điện - thiết bị truyền động thủy lực đã được hoàn thành Thông qua này tìm kiếm, người ta thấy rằng sự kết hợp của độ chính xác, lực và chuyển vị là những thách thức lớn nhất phải đối mặt với các thiết bị truyền động như vậy
-Nghiên cứu gần đây được hoàn thành bởi Mauck et al (7) chỉ ra rằng nhu cầu về cánh thông minh công nghệ tập trung vào khả năng sản xuất bơm thủy lực lai chuyển vị lớn (0,1 đến 10 mm) với lực cao (10 đến 2000 N) Đây là nội tuyến với
đề xuất này; tuy nhiên, tần số truyền động của (1) được giới hạn ở mức thấp hoặc trung gian tần số (0,1 đến 200 Hz) Điều này không tương thích với các yêu cầu tần
số cao của một động cơ không có cam
-Công việc trước đây của Yokota và Akutu (8) dẫn đến một loại van poppet tắt hoạt động ở tốc độ cao hơn Tuy nhiên, sự truyền động bị giới hạn ở 2 kHz và nhị phân đơn giản chức năng - mở hoặc đóng Điều này cũng không tương thích với các yêu cầu của biến thời gian và nâng cần thiết cho động cơ camless
-Một, gần đây hơn, tiến bộ trong điều khiển áp điện cao tần thiết bị truyền động thủy lực đã được hoàn thành bởi Roberts et al (9) Hệ thống của họ cung cấp sự truyền động ở tần số lên đến 24 kHz, nhưng hành trình van bị giới hạn ở tốc độ 40
VII Kết Luận
-Theo quan điểm cá nhân, việc sử dụng động cơ không trục cam sẽ tạo điều kiện cho một kỷ nguyên mới của ngành công nghiệp ô tô Mặc dù tất cả các nghiên cứu chỉ ra rằng động cơ không cam là một sản phẩm khả thi và có thể được chế tạo để phục vụ các mục tiêu của dự án Những nhược điểm thông thường của việc sử dụng động cơ không có cam ít được biết đến và do đó sẽ là một trường hợp cần
