Hệ Thống Phân Phối Khí Sử Dụng Không Trục Cam ( Camless Engine ).Pdf

MỤC LỤC Contents CHƯƠNG I 2 GIỚI THIỆU CHUNG 2 1 1 Giới thiệu chung về động cơ Freevalve 2 CHƯƠNG II 4 NỘI DUNG 4 2 1 Cấu tạo hệ thống phân phối khí không trục cam 4 2 2 Nguyên lý hoạt động 6 2 3 Các[.]

MỤC LỤC

Contents

CHƯƠNG I 2

GIỚI THIỆU CHUNG 2

1.1 Giới thiệu chung về động cơ Freevalve 2

CHƯƠNG II 4

NỘI DUNG 4

2.1 Cấu tạo hệ thống phân phối khí không trục cam 4

2.2 Nguyên lý hoạt động 6

2.3 Các loại truyền động van trong công nghệ Camless/Freevalve 8

2.3.1 Truyền động van điện từ (Electromagnetic Valve Actuation) 8

2.3.2 Truyền động van điện – thủy lực 9

2.3.3 Truyền động van điện – khí nén 11

2.4 Ưu điểm và nhược điểm của động cơ không cam 14

2.4.1 Ưu điểm 14

2.4.2 Nhược điểm 17

2.5 Lịch sử phát triển 17

2.6 Tình hình sử dụng hiện tại và tương lai ở Việt Nam và thế giới 19

2.6.1 Tại Việt Nam 19

2.6.2 Trên thế giới 20

2.7 Nhận xét của bản thân 21

Tài liệu tham khảo 21

2

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Giới thiệu chung về động cơ Freevalve

Từ khi động cơ đốt trong ra đời, các kỹ sư đã không ngừng phát triển để làm cho

hệ thống hiệu quả hơn Kiểm soát kỹ thuật số là yếu tố chính làm cho động cơ hoạt động ( nhiên liệu, không khí và đánh lửa ) đã mang lại một trong những bước nhảy vọt lớn nhất của sự cải tiến Đánh lửa và nhiên liệu được sử dụng để phân phối cơ học thông qua các bộ phân chia và bộ chế hòa khí nhưng hiện được điều khiển điện tử bằng cách sử dụng Bộ điều khiển động cơ (ECU) Kiểm soát việc cung cấp không khí điện tử là yếu tố quan trọng và mở ra lối đi mới đối với các nhà thiết kế động cơ

Trong tất cả động cơ đốt trong, trục khuỷu được liên kết với trục cam qua dây đai răng hoặc xích Khi trục khuỷu quay làm trục cam quay theo và lần lượt đóng mở xupap nạp và xả

Ở thời điểm hiện tại, các hãng xe sử dụng các cơ cấu cơ khí, thuỷ lực, điện từ và khí nén thay đổi vị trí trục cam cũng như cam để điều chỉnh chu trình đóng mở van nạp xả, đây được gọi chung là công nghệ điều khiển van biến thiên Mỗi hãng lại có một cách gọi tên khác nhau: Honda có công nghệ van biến thiên trên động cơ VTEC vào năm 1989, BMW có công nghệ VANOS, Toyota có động cơ VVT-i… Điểm chung của các công nghệ này là tác động vào cách vận hành trục cam nhằm biến thiên thời gian đóng mở của các van nạp-xả theo tốc độ động cơ

Tuy nhiên hãng xe thể thao đến từ Thuỵ Điển Koenigsegg đi xa hơn thế, khi

“hô biến” luôn trục cam trong khi phát triển dòng động cơ mới có tên Freevalve

3

Hình 1.1 Dòng động cơ mới có tên Freevalve

Hình 1.2 Christian von Koenigsegg ( CEO của Koenigsegg ) giới thiệu động cơ

không trục cam Freevalve với thế giới

4

Hình 1.3 Xe thể thao đến từ Thuỵ Điển Koenigsegg Gemera sử dụng động cơ

không trục cam FreeValve

Động cơ không trục cam Freevalve trên Koenigsegg có kết quả cho thấy mô-men xoắn tăng 47%, công suất tăng 45%, tiêu thụ nhiên liệu giảm 15% và giảm 35% lượng khí thải Loại bỏ trục cam đồng thời cũng làm động cơ trở nên nhỏ gọn và nhẹ hơn nhiều

CHƯƠNG II NỘI DUNG 2.1 Cấu tạo hệ thống phân phối khí không trục cam

5

Hình 2.1 Động cơ không trục cam FreeValve

Hình 2.2 Cấu tạo của hệ thống xupap điều khiển không trục cam

Cấu tạo gồm: 1: Nam châm điện 2: Chén chặn 3: Phần ứng

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

6

xuống bởi lò xo Bộ chấp hành nam châm điện phía dưới sẽ duy trì xupap ở vị trí

mở

2.2 Nguyên lý hoạt động

Hình 2.3 Nguyên lý hoạt động hệ thống phân phối khí không trục cam

Cấu tạo: 1: Tín hiệu từ các cảm biến 2: ECU

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

Trong các động cơ có trục cam thông thường, trục cam có các vấu cam để thực hiện việc mở các xupap, với khoảng thời gian, lực và khoảng nâng van là cố định – một chu kỳ gồm 2 vòng quay trục khuỷu, 1 vòng quay trục cam và 1 lần đóng

mở các van Các động cơ hiện đại sử dụng hệ đống đóng mở van biến thiên, nhưng việc điều chỉnh thời gian, lực và khoảng nâng van trong động cơ đang hoạt động là khó cũng như độ chính xác cần thiết không cao

7

Đối với động cơ Camless, các van sẽ được kích hoạt đóng mở bởi một cơ chế khác, chẳng hạn như điện, thủy lực hoặc khí nén (gọi là các bộ hay module truyền động) Thời gian và độ nâng của van được điều khiển điện tử bằng máy tính Máy tính nhận thông tin về trạng thái hiện tại của động cơ từ các tín hiệu về khí nạp, nhiên liệu, khí thải (oxy), điều kiện tải,… và cảm biến tại chính module nâng van,

và tùy thuộc vào những gì mong muốn tại thời điểm này, chương trình điều khiển

sẽ xác định thời điểm, khoảng, thời gian và lượng mở van tối ưu nhất Theo cách này, có thể dễ dàng thay đổi khoảng thời gian, lực và khoảng nâng van có thể được điều chỉnh tự do từ van này sang van khác và từ chu kỳ này sang chu kỳ khác Nó cũng cho phép nâng nhiều lần trên mỗi chu kỳ và cho phép không nâng

mở van trong mỗi chu kỳ công suất — xilanh tắt hoàn toàn (tắt xả, tắt nạp hoặc tắt cả xả và nạp) Đây là một lợi thế lớn cho việc kiểm soát quá trình đốt cháy

Hình 2.4 Van được điều khiển điện tử bằng máy tính

Trong động cơ Camless hay Freevalve, thời gian, độ nâng và khoảng thời gian nâng van có thể được điều chỉnh thông qua một phạm vi gần như vô hạn để phù hợp với tất cả các điều kiện hoạt động, điều này không thể đạt được ở cùng một mức độ với hệ thống điều khiển van dựa trên cam Cũng vì lý do này, phương pháp truyền động, đóng mở van còn được gọi là truyền động van biến thiên hoàn toàn

8

2.3 Các loại truyền động van trong công nghệ Camless/Freevalve

2.3.1 Truyền động van điện từ (Electromagnetic Valve Actuation)

Hình 2.5 Truyền động van điện từ

Truyền động van điện từ (EMVA) mang lại sự linh hoạt về thời điểm, khoảng thời gian và lực nâng của van Hoạt động của van trong loại hệ thống này thường được thực hiện bằng sự kết hợp khác nhau của các solenoid điện từ và lò xo cơ học

Với bộ truyền động này, van được trang bị một pít tông và được đặt bên trong vỏ

có chứa nam châm vĩnh cửu và nam châm điện Khi van ở vị trí đóng, Lò xo A bị nén và van được giữ cố định bằng nam châm vĩnh cửu Để mở van, cuộn dây A phải được kích hoạt và triệt tiêu từ trường của cực từ vĩnh cửu Điều này cho phép lực do lò xo A tác dụng để tăng tốc van Khi van di chuyển về vị trí thấp hơn của nó, pit tông bị hút bởi cực từ trường khác và lò xo B bị nén Quá trình đóng van được thực hiện theo một quy trình ngược lại so với quá trình mở van

9

Hình 2.6 Hệ thống điện từ GM và biểu đồ đóng mở van

Trong biểu đồ đóng mở van, so với kiểu nâng van thông thường, cấu hình nâng van điện từ có đường dốc mở van dốc hơn nhiều giúp thúc đẩy quá trình nạp đầy

xi lanh tốt hơn ở tốc độ động cơ thấp và trung bình

Hệ thống điện từ GM có mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn so với hệ thống van dẫn động trục cam tiêu chuẩn ở cùng tốc độ Một điểm bất lợi với hệ thống của

GM là vận tốc đặt van (vận tốc khi van tiếp xúc đến điểm tựa – đóng van) của van cao tạo ra tiếng ồn cao Một giải pháp cho các vấn đề về vận tốc đặt van là làm chậm van bằng lực cản gây ra bởi thân van đi vào khoang chứa đầy chất lỏng Do sức cản tăng lên, van sẽ tiếp đất mềm

2.3.2 Truyền động van điện – thủy lực

Một cách khác để truyền động van không cam là truyền động van điện thủy lực (EHVA) Bộ truyền động van điện thủy lực chuyển đổi áp suất chất lỏng thành chuyển động để phản ứng với tín hiệu Hệ thống không sử dụng cam hay lò xo, thay vào đó là đóng mở các van bằng lực thủy lực Trong suốt quá trình gia tốc của van, thế năng của chất lỏng nén được chuyển thành động năng của van Trong quá trình giảm tốc, năng lượng của chuyển động van được trả lại cho chất lỏng

10

Hình 2.7 Hệ thống van không cam thủy lực điện

Trong khi van ở vị trí đóng, van điện từ áp suất cao được mở và chất lỏng áp suất cao được phép đi vào thể tích phía trên van Áp suất trên và dưới piston của van

là bằng nhau nhưng vì diện tích ở phía trên của piston van lớn hơn, lực thủy lực hướng xuống dưới và do đó van sẽ mở ra Khi van di chuyển về vị trí thấp hơn của nó, van điện từ áp suất cao đóng lại dẫn đến việc cắt nguồn cung cấp áp suất cao Mặc dù áp suất phía trên piston của van giảm nhưng van vẫn tiếp tục hoạt động do động lượng của nó Khi van di chuyển về vị trí cuối của nó, van một chiều áp suất thấp sẽ mở ra và chất lỏng áp suất thấp đi vào thể tích theo cách mà van giảm tốc cho đến khi dừng lại ở mức nâng van mong muốn Trong thời gian dừng, cả hai van điện và van một chiều đều đóng, do đó van bị ngăn cản trở lại

do áp suất thủy lực tác động lên cả hai mặt của piston van Quá trình đóng van được bắt đầu bởi sự kích hoạt của van điện từ áp suất thấp Van đẩy chất lỏng trở lại nguồn áp suất thấp đồng thời trở về vị trí đóng của nó Khi van tiếp cận vị trí đóng của nó, van một chiều áp suất cao sẽ mở ra và van bắt đầu chạy chậm lại

11

Hình 2.8 Hệ thống truyền động van chủ động Lotus (AVT)

Lotus đã phát triển một hệ thống truyền động van điện thủy lực từ đầu những năm 1990 Hệ thống này được gọi là hệ thống truyền động van chủ động Lotus (AVT) Nó bao gồm một pít-tông thủy lực gắn với xupap động cơ di chuyển bên trong xi lanh thủy lực Chuyển động của van được điều khiển thông qua dòng chất lỏng bên trên hoặc bên dưới piston của bộ truyền động, và dòng chất lỏng lần lượt được điều khiển bởi van servo tốc độ cao Trong hệ thống AVT, biên dạng van được theo dõi liên tục bởi một bộ chuyển đổi dịch chuyển tuyến tính (LDT), giúp điều chỉnh profile van từ chu kỳ ‐ đến chu kỳ Hệ thống AVT có khả năng kiểm soát hoàn toàn linh hoạt toàn bộ quá trình đóng mở van Hệ thống cho phép điều khiển van riêng lẻ và có thể vận hành các cấu hình nâng van khác nhau trên các van khác nhau Ngoài ra, hệ thống có khả năng mở van nhiều hơn một lần trong một chu kỳ động cơ Tuy nhiên, công nghệ này chỉ cho mục đích nghiên cứu, chưa đưa được vào sản xuất vì tính phức tạp, đắt tiền của nó

2.3.3 Truyền động van điện – khí nén

12

Mặc dù các hệ thống được mô tả trước đây (EMVA và EHVA) cho kết quả tốt khi được sử dụng trong môi trường nghiên cứu, cả hai đều gặp phải các vấn đề khác nhau, khiến chúng trở thành lựa chọn kém hấp dẫn hơn cho động cơ sản xuất Hệ thống EMVA gặp phải các vấn đề cơ bản như mức độ ồn cao và các vấn

đề về đóng gói, trong khi hệ thống EHVA rất đắt và có các vấn đề liên quan đến

sự thay đổi nhiệt độ Cơ cấu truyền động van điện – khí nén (EPVA) dường như

là một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho EMVA và EHVA, với các đặc điểm như tính linh hoạt hoàn toàn của VVA, tiêu thụ năng lượng thấp và vận tốc đặt van thấp (mức độ tiếng ồn thấp) Hệ thống EPVA có thể được sử dụng mạnh mẽ hơn vì không khí không nhạy cảm như chất lỏng thủy lực với sự thay đổi nhiệt

độ Ngoài ra, rò rỉ khí ít nghiêm trọng hơn rò rỉ dầu và do đó yêu cầu về độ chính xác cao thấp hơn so với hệ thống thủy lực

Hình 2.9 Bộ truyền động van khí nén

Cargine engineering AB đã phát triển một hệ thống EPVA cung cấp khả năng điều khiển van biến thiên hoàn toàn Bộ truyền động van khí nén bao gồm vỏ bộ truyền động, hai van điện từ, hai van ống, hai van cổng, một pít-tông truyền động, một hệ thống chốt/van điều tiết thủy lực và các kênh dòng khí bên trong

vỏ Thông tin nâng van được cung cấp bởi cảm biến quang Outlet, Inlet gắn bên trong bộ truyền động

13

Hình 2.10 Cấu hình nâng van EPVA

Hình trên cho thấy cấu hình nâng van EPVA cùng với các xung điện áp điện từ tương ứng Ta có thể thấy chu trình van bao gồm 3 phần là giai đoạn mở, giai đoạn dừng và giai đoạn đóng Giai đoạn mở bắt đầu với sự kích hoạt của van điện

từ 1, S1, lần lượt đẩy van ống tương ứng Vị trí mới của van ống bây giờ cho phép không khí có áp suất cao đi vào xi lanh cơ cấu chấp hành Không khí cao áp đẩy piston của bộ truyền động và vì van tiếp xúc trực tiếp với piston của bộ truyền động nên nó bắt đầu mở Van điện từ 2, S2, được kích hoạt để ngừng nạp khí vào xi lanh và chênh lệch thời gian giữa kích hoạt S1 và kích hoạt S2, δ1, do

đó xác định lực nâng của van Không khí cao áp mở rộng bên trong xi lanh truyền động cho đến khi nó cân bằng với lực lò xo van Khi kết thúc thời gian mở, chốt thủy lực được kích hoạt và ngăn chặn van quay trở lại Chốt thủy lực hoạt động trong toàn bộ thời gian dừng Khi S1 bị vô hiệu hóa, chốt sẽ bị vô hiệu hóa, từ đó bắt đầu xả khí ra khỏi xi lanh cơ cấu chấp hành và van bắt đầu thời gian đóng Chênh lệch thời gian giữa thời gian ngừng hoạt động của S2 và S1, δ2, phải luôn luôn dương để ngăn chặn sự nạp đầy không khí thứ hai vào xi lanh cơ cấu chấp hành vì điều này sẽ kích hoạt quá trình nâng van thứ hai Vào cuối thời kỳ đóng (khoảng 3 mm trước khi kết thúc nâng van) van điều tiết thủy lực được kích hoạt

14

và bắt đầu làm chậm van Trong khoảng từ 1 mm đến 0 mm, vận tốc đặt van không đổi với độ lớn xấp xỉ 0,5 m/s Nhờ đó, van điều tiết đảm bảo đặt van mềm mại với mức độ ồn thấp

2.4 Ưu điểm và nhược điểm của động cơ không cam

2.4.1 Ưu điểm

 Thời gian đóng mở van có thể điều chỉnh vô hạn:

Sử dụng dữ liệu đầu vào từ một số cảm biến động cơ, ECU có thể điều chỉnh thời điểm, độ nâng và khoảng thời gian nâng của van trên cả van nạp

và van xả một cách độc lập để tối đa hóa hiệu suất hoặc giảm mức tiêu thụ nhiên liệu (và khí thải), dựa trên điều kiện vận hành

 Giảm thời gian làm nóng bộ chuyển đổi xúc tác:

Khi khởi động, dòng khí thải từ cả hai van xả có thể được dẫn vào hệ thống

xả, giúp giảm đáng kể thời gian làm ấm bộ chuyển đổi xúc tác Trong thực

tế, điều này có nghĩa là không cần phải xử lý trước xúc tác đối với dòng khí thải Tuy nhiên, lưu ý rằng trong thời gian bộ chuyển đổi xúc tác nóng lên, bộ tăng áp bị thiếu áp suất truyền động (khí xả), điều này chắc chắn sẽ làm tăng độ trễ turbo

 Tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu:

Một trong những yếu tố chính ảnh hưởng đến khả năng tiết kiệm nhiên liệu

là thực tế với trục cam thông thường, không thể thải tất cả các sản phẩm cháy ở dạng khí ra khỏi xi lanh Tuy nhiên, khác với những thiết kế hiện tại, trên động cơ không cam FreeValve, hai cổng xả trên mỗi xi-lanh có thiết kế hơi khác một chút và hai van xả trên xi lanh có thể được điều khiển độc lập với nhau, nên có thể xả toàn bộ khí thải ra khỏi xi lanh bằng cách tạo ra một xung áp suất cao trong ống xả “kéo” 100% lượng khí thải ra khỏi xi lanh

 Tăng hiệu suất thể tích:

Cũng như các cổng xả, các cổng nạp trên mỗi xi-lanh của động cơ FreeValve cũng hơi khác một chút Điều này làm tăng quán tính (động lượng) của khí nạp, thời gian đóng mở cũng được điều chỉnh độc lập và theo yêu cầu, do đó làm tăng quá trình phun nhiên liệu và cải thiện quá trình đốt cháy Hiệu suất thể tích có thể tăng 30% so với động cơ thông thường có cùng dung tích